Електричний струм у металах. Електронна провідність металів. Залежність опору металів від температури. Надпровідність

У металах носіями електричного струму є вільні електрони. Їх концентрація приблизно дорівнює концентрації атомів (n 10 ²⁸ м ^{- 3}), оскільки кожний атом одновалентного металу вже при кімнатній температурі віддає один електрон провідності. Ці електрони між собою не взаємодіють, а отже, ведуть себе подібно до атомів одноатомного ідеального газу.

Якщо немає зовнішнього електричного поля, електрони провідності здійснюють хаотичний тепловий рух із середньою квадратичною швидкістю, що залежить від температури металу. Якщо до металу прикладено зовнішнє електричне поле, електрони провідності починають рухатися впорядковано (здійснюють дрейф) із середньою швидкістю < >, тобто в металевому провіднику виникає електричний струм. Згідно із формулою ,

де e - модуль заряду електрона. Нехай, наприклад, сила струму I = 1 A, а площа поперечного перерізу провідника S = 10^-6 м². Модуль заряду електрона e = 1,6·10^-19 Кл. Кількість електронів в 1 м³ міді дорівнює кількості атомів у цьому об'ємі, бо один з валентних електронів кожного атома міді колективізований і вільний. Знайдемо цю кількість n:

, де r = 9000 кг/м³ - густина міді; N_A = 6,02·10²³ моль^-1 - число Авогадро; m = 0,0635 кг/моль - молярна маса міді.

Згідно з формулою (4.3.1) концентрація електронів у мідному провіднику n 8,5·10 ²⁸ м^-3. Отже,

.

Швидкість упорядкованого руху електронів під дією поля набагато менша від середньоквадратичної швидкості їх хаотичного теплового руху.

Провідність металів зумовлена рухом вільних електронів. Це експериментально довели вітчизняні вчені Мандельштам і Папалексі (1913 р.), а також Стюарт і Толмен (1916 р.).

Опір металевих провідників з підвищенням температури збільшується. Це зумовлено тим, що під час нагрівання металевого провідника збільшується середня квадратична швидкість теплового руху електронів провідності і енергія коливань іонів кристалічних ґраток, тому збільшується частота зіткнень електронів з іонами.

Сплави з високим питомим опором (наприклад, для сплаву міді з нікелем - константану r 10 ^-6 Ом·м) використовують для виготовлення еталонних опорів, тобто у тих випадках, коли потрібно, щоб опір помітно не змінювався у разі зміни температури. Залежність опору металів від температури використовують у термометрах опору.

Деякі метали і сплави під час охолодження до критичної температури повністю втрачають здатність чинити опір напрямленому рухові електронів провідності. Це явище називають надпровідністю. Уперше його спостерігав 1911 року голландський фізик Камерлінг-Оннес. Він виявив, що під час охолодження ртуті у рідкому гелії її опір спочатку змінюється поступово, а при температурі 4,1 К різко спадає до нуля (рис. 4.3.3).

Усередині речовини, що знаходиться в надпровідному стані, магнітного поля немає, і вектор індукції магнітного поля в надпровіднику дорівнює нулю. Магнітне поле, якщо його індукція більша від певного значення, може вивести провідник із надпровідного стану.

Сила струму в замкненому надпровіднику залишається незмінною тривалий час. Це використовують для отримання сильних магнітних полів за допомогою електромагнітів з надпровідною обмоткою. Надпровідники застосовують для виготовлення надпотужних трансформаторів.

У 1986 - 1987 рр. було відкрито високотемпературну надпровідність керамічних провідниках. Температура такого переходу відповідає температурі 120 К, що є нижчою від температури кипіння рідкого азоту. Якщо будуть розроблені надпровідники такого типу з достатньою міцністю, то можна буде передавати електроенергію на будь-які відстані без втрат.