Електрична провідність речовин
Електрична провідність речовини залежить концентрації в ньому вільних зарядів, їх виду, а також від умов зовнішнього середовища, в якій речовина знаходиться.
Електричний струм може протікати через всі тіла – тверді, рідкі газоподібні і навіть через вакуум. Електричну провідність речовини називають його здатність проводити електричний струм під дією електричного поля. Чим більше концентрація вільних зарядів у речовині, тим менше величина його питомої опору і тим більше його електрична провідність. Речовини, що володіють великою провідністю називають провідниками, а речовини з малою електричну провідність – діелектриками.
Однак такий розподіл речовин на провідники та діелектрики вельми умовно, тому зміна напруженості електричного поля, температури, тиску та інших факторів може значно змінювати провідність речовин. Наприклад, повітря, що є діелектриком в звичайних умовах, стає провідником, коли між грозовою хмарою і землею напруженість електричного поля збільшується до 3000 кВ / м, в результаті чого і відбувається розряд блискавки.
Носіями вільних зарядів у металах є вільні електрони, і тому таку провідність називають електронною. Метали мають найбільшу провідність серед провідників. Так як робота струму пропорційна опору провідника, то для мінімізації втрат при передачі електричної енергії завжди використовують металеві дроти. З тієї ж причини з металевого дроту виготовляють обмотки різних електромоторів, генераторів, трансформаторів і приладів.
Опір металевих провідників збільшується з ростом температури. Це явище можна пояснити тим, що при нагріванні зростає амплітуда хаотичних (теплових) коливань атомів, а значить, збільшується число зіткнень цих атомів з вільними електронами, які впорядковано рухаються під дією електричного поля. Залежність опору R провідника від температури має такий вигляд (див. Рис. 43а):
R = R0. {1 + a (T-T0)}, (43.1)
Де R і R0 – опір провідника при температурах T і T0, відповідно, а a – постійна, звана температурним коефіцієнтом опору даної речовини. Якщо як R0 взяти опір провідника при T0 = 273 К, то у всіх чистих металів a “1/273 K-1. Наприклад, у вольфраму a = 4,8.10-3 K-1. Це означає, що опір вольфрамової нитки лампи розжарювання, розпеченій до 2700 К, більш ніж у 10 разів перевищує її опір при кімнатній температурі.
При дуже низьких температурах спостерігається чудове явище – опір багатьох металів стрибком звертається в нуль. Це явище, назване надпровідність, було відкрито голландським фізиком Камерлінг-Оннес в 1911 році, коли він вимірював опір ртуті при охолодженні її в рідкому гелії. Виявилося, що опір ртуті при охолодженні спочатку плавно зменшувалася, але коли її температура досягала 4 К, опір стрибком падало до нуля (рис. 43б). Температура, при якій опір різко падає до нуля, називають критичною. В даний час відомо багато надпровідників з різними критичними температурами – від часток градуса К до приблизно 100 К.
Пояснення фізичних процесів, що лежать в основі надпровідності, було дано радянським ученим Н. Н. Боголюбовим і американськими вченими Д. Бардіним, Л. Купером і Д. Шріффером на основі квантової теорії. Великий внесок у розвиток теорії надпровідників внесли також російські вчені А. А. Абрикосов і В. Л. Гінзбург.
Очевидно, що в майбутньому застосування надпровідників дозволить передавати електроенергію на великі відстані з набагато меншими втратами або взагалі без них. Крім того, використання надпровідних матеріалів дасть можливість створювати величезні магнітні поля в генераторах і електромоторах, завдяки чому ці пристрої стануть значно більш потужними, ніж зараз. Колосальні магнітні поля, створені за допомогою надпровідників, дозволять конструювати поїзда на магнітній підвісці, що рухаються плавно, без тертя і з величезними швидкостями.
Питання для повторення:
– Що таке електрична провідність? – Який провідністю володіють метали? – Як змінюється опір надпровідника поблизу критичної температури? – Де планується використовувати надпровідники?
(2 votes, average: 3.50 out of 5)