Зависимость сопротивления металлического проводника от температуры

С повышением температуры сопротивление металлических проводников увеличивается.

Яркость свечения лампы, включенной последовательно со стальной спиралью, уменьшается при нагревании спирали и увеличивается при её охлаждении.

Чем выше температура, тем интенсивнее колебания ионов кристаллической решётки и тем чаще электроны сталкиваются с ними. Движение электронов в кристаллической решётке затрудняется, и сопротивление их упорядоченному движению возрастает.

– сопротивление при температуре

– сопротивление при температуре

– температурный коэффициент сопротивления

Температурные коэффициенты сопротивления чистых металлов мало отличаются друг от друга и примерно равны . Температурные коэффициенты сопротивления сплавов могут быть меньше и больше, чем у чистых металлов.

При нагревании проводника его геометрические размеры (длина и сечение) меняются, но незначительно по сравнению с изменением удельного сопротивления.

Таким образом, сопротивление проводника меняется в основном за счёт изменения удельного сопротивления.

Удельное сопротивление пропорционально частоте столкновений электронов с ионами.

Сверхпроводимость

Гейке Камерлинг-Оннес (1911г.) провёл эксперимент и обнаружил, что при охлаждении ртути в жидком гелии её сопротивление сначала менялось постепенно, а затем при температуре 4,15 К резко падало до нуля.

Сверхпроводимость - явление, которое заключается в том, что у металлов при достаточно низких температурах сопротивление скачкообразно падает до нуля.

В дальнейшем Камерлинг-Оннес доказал полное отсутствие сопротивления с помощью эксперимента. Он внес магнит в свинцовое кольцо, охлажденное до сверхпроводящего состояния. Тем самым создал незатухающий индукционный ток. Ток не прекращался бесконечно долго, в этом можно было убедиться с помощью стрелки компаса.

Особенностью сверхпроводящего состояния вещества является то, что при температуре выше критической оно исчезает и вещество переходит в нормальное состояние.

Основным препятствием для широкого использования металлических сверхпроводников является необходимость их эксплуатации при сверхнизкой температуре.

Использование для их охлаждения дорогого газа – жидкого гелия при T=4К создаёт значительные технические трудности и не всегда оправдано экономически.

Только в 1985 г. удалось найти материалы, которые переходят в сверхпроводящее состояние при 20К (-253 °С).

В 1986 г. была открыта высокотемпературная сверхпроводимость – был обнаружен керамический материал, переходивший в сверхпроводящее состояние при температуре 30 К (- 243 °С).

Поиск сверхпроводников с большой критической температурой привёл к получению в 1988-1989гг. высокотемпературных металлокерамических сплавов.

Получение сверхпроводящих состояний для этих сплавов возможно с помощью недорогого и безопасного в эксплуатации жидкого азота, имеющего температуру кипения 77 К.

Уже в 1987 г. были найдены керамики, переходящие в сверхпроводящее состояние при температуре 125К (-148 °С).

В настоящее время найдены материалы, переходящие в сверхпроводящее состояние при температуре 162К (-111 °С).

Последние годы исследованием явления сверхпроводимости заняты ученые многих стран мира. Задача этих исследований — найти вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние при все более высоких температурах, близких к комнатной. В ходе исследований были открыты сверхпроводящие полимеры.

Электронная теория проводимости металлов не смогла объяснить явление сверхпроводимости. Это явление было объяснено с позиций квантовой физики в 1957г. американскими учёными Дж. Бардиным, Л. Купером, Дж. Шиффером и российским учёным Н.Н. Боголюбовым.

Если в кольцевом проводнике, находящемся в сверхпроводящем состоянии, создать ток, а затем устранить источник электрического тока, то сила этого тока не меняется сколь угодно долго.

Мощные электромагниты со сверхпроводящей обмоткой создают магнитное поле длительное время без затрат энергии, т.к. в сверхпроводящей обмотке не происходит выделения тепла.

Явление сверхпроводимости нашло широкое применение в современной технике:

• Построены и действуют генераторы электрического тока, магнитное поле в которых создается электромагнитами с обмоткой из сверхпроводника.

• Проходят проверку сверхпроводящие кабели.

• Построены и проходят проверку сверхпроводящие элементы для ЭВМ.

• В радиотехнике используются сверхпроводящие резонаторы.

Сверхпроводящие магниты используют:

• В ускорителях элементарных частиц.

• В МГД генераторах, преобразующих механическую энергию струи раскалённого газа, движущегося в магнитном поле, в электрическую энергию.