Применение электрического тока в металлах

Электрическая проводимость в металлах

Проектную работу выполнили ученицы 11.1 класса Клеопатрова Екатерина, Сафронова Дарья и Дадаева Лейла.

Опыты

А) немецкий физик Карл Рикке проводил опыт по пропусканию тока в 0,1 А в течении года через три отполированных цилиндра: одного алюминиевого и двух медных. По истечению эксперимента (а за это время по цепи прошел огромный заряд) никаких изменений в структуре цилиндров не произошло, за исключением небольшой диффузии. А если бы носителями заряда были не электроны, а ионы, то тогда был бы перенос вещества одного цилиндра в вещество другого, и, конечно же, в результате столь длительного эксперимента, химическое строение цилиндров изменилось бы.

Б) Опыт 1912 года российских ученых Мангельштама и Папалекси, спустя небольшое время проведенный также англичанами Стюартом и Толменом. В ходе этого опыта катушка с большим количеством витков быстро вращалась, а затем резко тормозилась. В результате чего замкнутый вместе с ней в цепь гальванометр показывал наличие небольшого тока. Дело в том, что вместе с раскручиваемой катушкой вращаются, конечно же, и находящиеся в металле электроны. Когда же катушка тормозится, электроны некоторое время продолжают двигаться внутри катушки по инерции, производя таким образом ток.

Гипотеза

Электрический ток в металлах обуславливается упорядоченным движением свободных электронов. Положительно заряженные ионы не принимают участия в переносе заряда.

Носители заряда

Кристаллическая решетка металла состоит из положительных ионов, которые расположены в узлах решетки, и электронов, которые свободно передвигаются между узлами. Свободные электроны беспорядочно двигаются по кристаллу. При этом сумма положительных зарядов ионов решетки равняется суммарному отрицательному заряду свободных электронов, металл остается незаряженным, или электронейтральным.

Вольт-амперная характеристика

Из закона Ома для участка цепи I = U/R следует, что вольт-амперная характеристика металлов – прямая линия I0/U0 = 1/R.

R(T) и p(T)

Удельное сопротивление, а следовательно, и сопротивление металлов, зависит от температуры, увеличиваясь с ее ростом. Температурная зависимость сопротивления проводника объясняется тем, что
1. возрастает интенсивность рассеивания (число столкновений) носителей зарядов при повышении температуры;
2. изменяется их концентрация при нагревании проводника.
Зависимости удельного сопротивления и сопротивления проводника от температуры выражаются формулами:
ρt=ρ0(1+αΔT)
Rt=R0(1+αΔT)
где ρ0, ρt — удельные сопротивления вещества проводника соответственно при T0 К и T К; R0, Rt — сопротивления проводника при T0 К и T К, α — температурный коэффициент сопротивления: измеряемый в СИ в Кельвинах в минус первой степени (К^-1)

Сверхпроводимость

Явление уменьшения удельного сопротивления до нуля при температуре, отличной от абсолютного нуля, называется сверхпроводимостью. Материалы обнаруживающие способность переходить при некоторых температурах, отличных от абсолютного нуля, в сверхпроводящее состояние, называются сверхпроводниками.
Прохождение тока в сверхпроводнике происходит без потерь энергии, поэтому однажды возбужденный в сверхпроводящем кольце электрический ток может существовать неограниченно долго без изменения.

Применение явления сверхпроводимости в широкой практике может стать реальностью в ближайшие годы благодаря открытию в 1986 г. сверхпроводимости керамик – соединений лантана, бария, меди и кислорода. Сверхпроводимость таких керамик сохраняется до температур около 100 К.

Сверхпроводящие материалы уже используются в электромагнитах. Ведутся исследования, направленные на создание сверхпроводящих линий электропередачи.

Трудность достижения сверхпроводимости:
- необходимость сильного охлаждения вещества

Область применения:
- получение сильных магнитных полей;
- мощные электромагниты со сверхпроводящей обмоткой в ускорителях и генераторах.

В настоящий момент в энергетике существует большая проблема
- большие потери электроэнергии при передаче ее по проводам.

Возможное решение проблемы: при сверхпроводимости сопротивление проводников приблизительно равно 0 и потери энергии резко уменьшаются.

Доп. формулы и законы

´ После качественного подтверждения зависимости сопротивления от температуры была получена количественная зависимость. После ряда экспериментов было выяснено, что относительное приращение сопротивления прямо пропорционально абсолютному приращению температуры.

´

Так как при изменении температуры линейные размеры проводников меняются незначительно, значит, меняется удельное сопротивление, причем по такому же закону:

Применение электрического тока в металлах

Для передачи электрической энергии по металлическим проводам на линиях электропередач. Для передачи электронных импульсов в микропроцессорной технике. Для выработки тепловой энергии в электропечах различных типов (накаливания, индукционные, микроволновые, дуговые). Может использоваться как проводники для передачи электроэнергии, сердечник трансформатора для преобразования эл. энергии, трубы для предотвращения коррозии, спираль лампы для освещения, спираль ТЭНа для нагрева и другое.