Fizika 10 klas - Goncharenko S.U

ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У РІЗНИХ СЕРЕДОВИЩАХ

Провідниками електричного струму можуть бути різні речовини: метали, розчини електролітів і за певних умов гази та вакуум. Широкого застосування останнім часом набули речовини, які називають напівпровідниками.

Як уже йшлося вище, для створення струму в якомусь середовищі потрібна наявність у ньому заряджених частинок, здатних переміщатися під дією електричного поля. Цими частинками можуть бути і електрони, і йони. З'ясувати природу струму — означає встановити, які саме заряджені частинки переносять заряд у даному середовищі.

У цьому розділі розглянемо природу і закономірності електричного струму в різних середовищах.

§ 75. Основні положення електронної теорії провідності металів

Як пояснити виникнення струму в металах? Здавалося б, дуже просто. Якщо між кінцями металевого провідника підтримувати різницю потенціалів, у ньому виникає електричне поле. Діючи на наявні в металі вільні електрони, це поле надає їм прискорення в напрямі того кінця провідника, потенціал якого вищий (заряд електронів негативний). Виникає спрямований рух зарядів, який і є електричним струмом. Але як рухаються електрони під час створення між кінцями провідника різниці потенціалів? Здавалося б, прискорено, адже на них весь час діє сила Е = цЕ, де Е — напруженість електричного поля в провіднику.

Та якби це справді було так, то сила струму в будь-якому перерізі провідника з часом зростала б, що суперечить

230

законові Ома — за сталої напруги через провідник проходить

Валентні електрони в атомах металів зв'язані з атомами дуже слабко. Тому під час утворення кристалічної решітки вони легко відриваються від атомів і хаотично рухаються у проміжках між йонами, а самі йони здійснюють коливання у вузлах кристалічної решітки. Природно припустити, що електрони, які відірвалися від атомів, і є вільними носіями заряду в металах, тому їх звичайно називають електронами провідності.

Концентрація електронів провідності у металі п (кількість їх в одиниці об'єму) дуже велика: дорівнює числу атомів в одиниці об'єму металу, тобто порядку 1029 в 1 м3. Цим пояснюється висока електропровідність металів.

Електрони провідності в металах перебувають у безперервному русі. їх хаотичний рух (мал. 169) нагадує рух молекул ідеального газу. Це дало підстави вважати, що електрони провідності в металах утворюють своєрідний, досить густий електронний газ. Однак швидкість невпорядкованого руху електронів провідності у металах значно' перевищує швидкості молекул у газі (вона становить приблизно 105 м/с).

Якщо в металі створити електричне поле, воно діятиме на електрони з певною силою і надаватиме їм прискорення в одному напрямі — протилежному до напряму вектора напруженості поля. В електричному полі електрони, рухаючись хаотично, одночасно зміщуються в одному напрямі, тобто

Мал. 169

231

впорядковано. Впорядковане переміщення електронів провідності і є електричним струмом у металах.

Розглядаючи струм у металах, ми вважали, що електрони провідності вільно рухаються. Однак не слід забувати і про йонну кристалічну решітку. Електрони, які рухаються в металі, не схожі на вільні електрони, які летять, наприклад у кінескопі вашого телевізора. Електрон у металі перебуває під складною дією кристалічної решітки, яка впливає на його рух. Іноді цей вплив заважає рухові і електрону важко розігнатися. В інших решітках електрон стає навіть рухливішим, ніж в електронному пучку.

Створена в кінці XIX — на початку XX ст. класична електронна теорія електропровідності металів припускала, що в процесі руху під дією електричного поля електрони провідності співударяються з йонами кристалічної решітки (за звичайних умов електрон зазнає близько мільярда зіткнень за 1 с). Серед цих зіткнень бувають і такі, коли електрони всю набуту внаслідок розгону в електричному полі енергію передають решітці. Саме такі зіткнення (їх називають ефективними) відповідальні за електричний опір металу. Решту зіткнень щодо розуміння механізму проходження струму можна не брати до уваги (в результаті змінюється лише напрям швидкості електронів, але не її значення).

Середня швидкість упорядкованого руху електронів дуже мала. Між тим, добре відомо, що як тільки «клацнемо» вимикачем, лампа, яка знаходиться на відстані кількох десятків метрів від нього, засвітиться «вмить». Під час замикання електричного кола всі прилади, на якій би відстані вони не перебували один від одного, починають діяти практично одночасно. Звідси випливає, що швидкість поширення струму і швидкість упорядкованого переміщення носіїв струму — не одне й те саме. Коли йдеться про величезну швидкість поширення струму в провідниках, мають на увазі, що з такою швидкістю поширюється дія електричного поля на заряди у провіднику. Воно приводить в упорядкований рух майже миттєво електрони, які знаходяться в різних точках провідника, навіть дуже віддалених одна від одної. Електричне поле поширюється зі швидкістю близько 300 000 км/с, тобто зі швидкістю світла. В той же час електрони в провіднику, в будь-якій його точці, переміщаються під дією поля з дуже малою швидкістю, яка вимірюється частинами міліметра за секунду.

Часто кажуть про напрям електричного струму. По суті це означає, що ми цікавимося, в якому напрямі рухаються заряджені частинки в провіднику. Умовно вважають, що напрям

232

електричного струму збігається з напрямом, в якому рухаються позитивно заряджені частинки під дією електричного поля.

; 1. Чим пояснити велику концентрацію електронів провідності в металах? 2. Як рухаються електрони провідності в металевому провіднику, коли в ньому: а) немає електричного поля; б) створене електричне поле? 3. Чому, незважаючи на малу швидкість впорядкованого руху електронів у металевому провіднику, прилади починають діяти одночасно.

8 - 0,5 см2, по якому проходить струм силою І = 12 А, якщо в кожному кубічному сантиметрі провідника міститься п = 5*102 1

електронів провідності. Заряд електрона е = 1,6 • 10 і9 Кл.

2. На яку відстань перемістяться електрони у металевому провіднику перерізом >8 = 0,5 см2 протягом і 10 с, якщо сила струму І - З А? На яку відстань поширився б струм за цей час? Концентрація електронів провідності в металі п = 4* 1028 м 3.

§ 76. Залежність опору металевих провідників від температури

Упопередньому параграфі йшлося про те, що під час руху

впровіднику електрони провідності зазнають зіткнень з йонами кристалічної решітки і втрачають при цьому частину енергії, набутої в електричному полі. Ці зіткнення і зумовлюють опір провідника. З підвищенням температури провідника зростає середня швидкість теплового руху електронів і збільшується амплітуда коливань йонів у вузлах решітки. Це веде до збільшення кількості зіткнень електронів

зйонами. Тому логічно припустити, що опір металів має залежати від температури. Щоб перекоьіатися в цьому, виконаємо такі досліди.

Приєднаємо до батареї акумуляторів стальну спіраль Е (мал. 170). Послідовно з нею увімкнемо лампу, за розжарюванням волоска якої можна судити про зміну сили струму в колі. Нагріваючи спіраль за допомогою пальника, спостерігають зменшення яскравості лампи, що свідчить про помітне зменшення сили струму в колі. Отже, під час нагрівання стального провідника його опір зростає. Замінюючи стальну спіраль іншими металевими провідниками, можна переконатися в тому, що з підвищенням температури опір металів зростає пропорційно їх температурі.

233

Мал. 170

Для характеристики залежності опору провідника від температури вводять температурний коефіцієнт опору а —

величину, яка показує, наскільки змінюється кожна одиниця питомого опору речовини внаслідок зміни температури на один кельвін. Позначимо питомий опір даної речовини за температури Т0 = 273 К через р0, за довільної температури Т — через р. Зміна питомого опору під час нагрівання від Т0 до Т дорівнює р - р0. Зміна кожної одиниці питомого опору під час

такого нагрівання Р — Т о д і температурний коефіцієнт опору

Ро

буде:

(76.1)

де АТ = Т - Т0. Питомий опір, таким чином, за сталого температурного коефіцієнта лінійно залежить від температури:

234

і = 20 С дорівнює Ні = 35,8 Ом. Визначити температуру волоска розжарювання лампи, якщо після вмикання її в коло

Розв'язавши ці рівняння відносно АТ, дістанемо:

=ІВі або АТ * 2500 К.

Температурні коефіцієнти опору чистих металів порівняно мало відрізняються між собою і приблизно дорівнюють 0,004 К- 1 . Як правило, з підвищенням температури температурні коефіцієнти опору металів зростають. Це означає, що за підвищених температур (близько точки плавлення) вже не спостерігається лінійної залежності опору від температури.

Температурні коефіцієнти опору сплавів, як правило, значно менші, ніж чистих металів, і істотно залежать від їх складу. Є сплави, наприклад константан і манганін, в яких температурний коефіцієнт опору настільки малий, що їх опір практично не залежить від температури. У манганіну а приблизно в 400 раз менший, ніж у міді. Провідники з цих сплавів застосовуються для виготовлення точних вимірювальних приладів, а також еталонів опору.

Залежність опору металевих провідників від температури використовується в різних вимірювальних і автоматичних пристроях. Наприклад, за зміною опору металевої дротини можна судити про зміни температури навколишнього середовища.

235

За допомогою цих термометрів вимірюють температуру з точністю до тисячних частин градуса.

? 1. Який фізичний зміст температурного коефіцієнта опору? 2. Коли електричною лампою йде струм більшої сили: одразу після вмикання її в мережу чи через кілька хвилин? 3. Чому еталони опору виготовляють з константану чи манганіну?

£ = 220 В і внутрішнім опором г = 10 Ом? Температурний коефіцієнт

опору міді а = 4,3 • 10~3 К"1.

2.У скільки разів зміниться сила струму, що живить платинову піч,

під час її нагрівання від 20 до 1200 С, якщо температурний коефіцієнт опору платини а = 3,65 • 10~3 К_ 1 , а напруга на затискачах печі залишається незмінною?

3.На цоколі лампи з вольфрамовим волоском розжарювання написано: «220 В, 150 Вт». Визначте опір волоска розжарювання за і = 20 °С.

Температурний коефіцієнт опору вольфраму а = 5,1 • 10~3 КГ1.

4.Електрична плитка потужністю Р = 600 Вт розрахована на

напругу V = 220 В. Під час роботи плитки температура ніхромової

нитки (температурний коефіцієнт опору а = 0,0001 К"1) дорівнює і = 500 °С. Чому дорівнює опір плитки в неробочому стані?

§ 77. Надпровідність

Із зниженням температури опір металевих провідників зменшується. Що станеться з опором, коли температура наближатиметься до абсолютного нуля?

У 1911 р. голландський фізик Г. К а м е р л і н г - О н н е с встановив, що під час охолодження ртуті в рідкому гелії її опір спочатку змінювався поступово, а з досягненням температури 4,1 К різко спадав до нуля. Явище зменшення опору до нуля при температурі, відмінній від абсолютного нуля, називають надпровідністю. Згодом надпровідність було виявлено у свинцю, цинку, олова, алюмінію та інших металів, а також у деяких сплавів.

Речовини у надпровідному стані мають надзвичайно цікаві властивості. Якщо в кільцевому провіднику, який перебуває в надпровідному стані, створити струм, а потім вимкнути джерело, сила цього струму не змінюється як завгодно довго. В одному з дослідів, проведених у 1954—1956 рр., струм у надпровідному свинцевому кільці циркулював понад 2,5 роки

236

і при цьому не було відмічено зменшення сили струму. У ненадпровідному провіднику в цьому випадку струм швидко припиняється.

Другою цікавою і важливою властивістю надпровідників є неможливість створення всередині речовини в надпровідному стані магнітного поля. Зовнішнє магнітне поле не проникає всередину надпровідників.

Третя важлива особливість надпровідності полягає в тому, що магнітне поле руйнує стан надпровідності. Чим більше надпровідник охолоджений нижче температури переходу в надпровідний стан, тим сильніше і «критичне» магнітне поле, за якого зникає надпровідність. Магнітним полем, яке руйнує надпровідність, може бути і поле самого струму в надпровіднику.

Надпровідники знаходять широке практичне застосування. Одним з найважливіших застосувань є створення потужних електромагнітів з надпровідними обмотками. Перевагами таких електромагнітів є: малі розміри і маса, мізерне споживання електричної енергії, можливість тривалого існування стабільного електромагнітного поля без втрат енергії. Однак дістати дуже сильне магнітне поле за допомогою надпровідного магніту не можна, оскільки таке поле руйнує надпровідний стан. Для кожного провідника в надпровідному стані існує критичне значення сили струму, перевищити яке, не порушуючи надпровідного стану, не можна.

Надпровідні магніти застосовують у потужних прискорювачах елементарних частинок, у реакторах керованого термоядерного синтезу, в магнітогідродинамічних генераторах (МГД-генераторах), що перетворюють механічну енергію струменя розжареного йонізованого газу, який рухається в магнітному полі, в електричну енергію; в електронних мікроскопах, квантових підсилювачах та інших електронних приладах.

Велику роботу ведуть учені й інженери у всьому світі з використання надпровідників в електроенергетиці, особливо для створення ліній електропередач по проводах без втрат. Створено і діють електричні генератори і трансформатори з надпровідними обмотками. Ведуться випробування надпровідного кабелю на силу струму 7500 А.

Широко застосовуються надпровідники в електронно-обчи- слювальній техніці, зокрема для створення елементів пам'яті обчислювальних машин.

Однак прогрес у техніці застосування надпровідників до недавніх пір стримувався високою вартістю систем глибокого охолодження провідників до наднизьких температур 15—20 К

237

за допомогою рідкого гелію. У 1986 р. було відкрито високотемпературну надпровідність керамік — складних оксидних сполук Лантану, Барію, Сульфуру та інших елементів. Надпровідність таких керамік зберігається до температур близько 100 К, які можна дістати, скориставшись значно дешевшим рідким азотом.

Пояснити надпровідність можна лише на основі квантової теорії, запропонованої у 1957 р. Д ж. Б а р д і н о м, А. К у- п е р о м , Д ж . Ш р і ф ф е р о м і М . М . Б о г о л ю б о в и м . Згідно з цією теорією в металі в надпровідному стані між електронами провідності відбувається обмін порціями (квантами) енергії, внаслідок чого між електронами виникають сили притягання, які можуть перевищувати кулонівські сили відштовхування. При цьому утворюються пари електронів, які рухаються в кристалічній решітці без опору.

§78Електричний струм

унапівпровідниках

Удругій половині XX ст. у різних галузях народного господарства широкого розповсюдження набули напівпровідникові прилади. їх велика популярність пояснюється високою економічністю апаратури на напівпровідниках, довговічністю і міцністю за малих габаритів. Які ж речовини є напівпровідниками і які їх електричні властивості?

Звичайно напівпровідниками вважають речовини, питомий опір яких має проміжне значення між питомим опором металів і діелектриків. Проте є серед них речовини з проміжним значенням питомого опору, але вони не належать до напівпровідників. Деякі напівпровідники мають таку саму високу провідність електрики, як і метали. Напівпровідники відрізняються від інших речовин багатьма властивостями, і значення їх питомого опору не є основним серед них. Розглянемо деякі з цих властивостей.

Характерна особливість напівпровідників — це дуже сильна залежність їх питомого опору від стану речовини: температури, освітлення, наявності домішок тощо. В цьому легко переконатися на дослідах.

Складемо електричне коло з послідовно увімкнутих джерела струму і амперметра. Приєднаємо до цього кола шматок металевого провідника у вигляді спіральки МП і напівпровідник НП (наприклад, германієву пластинку) так, щоб їх можна було за допомогою вимикача К почергово вмикати в коло (мал. 173). Увімкнемо спочатку в коло металевий провідник (вимикач в положенні І) і відмітимо

238

Мал. 173

показання амперметра. Потім піднесемо пальник до провідника і нагріємо його. Амперметр покаже зменшення сили струму. Це зрозуміло, оскільки опір металевих провідників зростає з підвищенням температури. Увімкнемо тепер у коло напівпровідник (вимикач у положенні 2), відмітимо показання амперметра і нагріємо напівпровідник. Амперметр покаже зростання сили струму в колі, що свідчить про зменшення опору напівпровідника з підвищенням температури.

Дослідження показали, що опір у більшості напівпровідників значно чутливіший до змін температури, ніж у металів. Якщо опір металів з підвищенням температури зростає приблизно лінійно, опір напівпровідника, навпаки,— різко зменшується.

Другою важливою особливістю напівпровідників є залежність їх опору від освітлення. Складемо електричне коло з послідовно увімкнутих джерела струму, амперметра і напівпровідника. Закриємо напівпровідник світлонепроникним екраном і замкнемо коло. Амперметр покаже наявність у колі незначного струму. Приймемо тепер екран і освітимо напівпровідник. Амперметр покаже різке зростання сили струму, а це означає, що опір напівпровідника внаслідок освітлення зменшився.

Напівпровідники надзвичайно чутливі до вмісту домішок. Мізерна добавка домішок може в сотні й тисячі разів змінити

239