Билет №20 Электронная проводимость металлов. Зависимость сопротивления металлов от температуры.

Электрическим током называется направленное движение заряженных частиц в электрическом поле .

В металлах имеется большое количество свободных электро­нов (n~10²⁸ м^-3), способных перемещаться по всему объему проводника. Они получили название электронов проводимости.

Поскольку суммарный объемный заряд металла равен нулю, то можно сделать вывод, что в металле имеются и положи­тельные заряды, не принимающие участия в образовании тока. Положительными зарядами обладают ионы кристаллической решетки металла.

В отсутствие внешнего электрического поля электроны совер­шают беспорядочное тепловое движение, подобно атомам газа (или частицам, совершающим броуновское движение). Это дало возможность описывать движение электронов внутри металла с помощью модели электронного газа.

Электрическое сопротивление металлов обусловлено тем, что в промежутках между соударениями электроны под действием поля движутся с ускорением и приобретают кинетическую энер­гию, которая частично или полностью при соударениях переда­ется ионам и превращается в энергию колебаний ионов, т. е. в конечном счете в тепло. Поэтому при прохождении тока металлы нагреваются. Если температура вещества повышается, то ионы, образующие кристаллическую решетку, начинают совер­шать колебания с большей амплитудой вблизи положений рав­новесия. Это приводит к тому, что они сильнее рассеивают поток упорядоченно движущихся электронов, т. е. возрастает сопро­тивление их движению. С точки зрения физики макромира это приводит к росту сопротивления проводника с увеличением температуры.

Каждое вещество характеризуется температурным коэффи­циентом сопротивления, который равен относительному изменению удельного сопротивления проводника при его нагревании на 1 °C: α=(ρ – ρ₀)/ρ₀Δt, где ρ₀ — удельное сопротивление при t₀ = 0°C, ρ — удельное сопротивление при температуре t (в градусах Цельсия), Δt = t — t₀.

Зависимость удельного сопротивления металлического про­водника от изменения температуры выражается линейной функ­цией: ρ (t) = ρ(1+Δt). Если пренебречь изменением размеров металлического провод­ника при нагревании, то такую же линейную зависимость от температуры будет иметь и его сопротивление: R = R₀(1 + α Δt).

Существуют специальные сплавы, сопротивление которых практически не изменяется при нагревании, например манга­нин и константан. Их температурные коэффициенты сопро­тивления очень малы.

При температурах, близких к -273 °С (абсо­лютный нуль), наблюдает­ся явление сверхпроводи­мости, открытое голландским физиком Камерлинг- 0ннеом в 1911 г. Оно заключается в том, что при температуре ниже некоторой критической t_K, называемой температурой перехода в сверх­проводящее состояние, удельное сопротивление проводника скачком падает до нуля.

До 1986 г. были известны сверхпроводники, обладающие этим свойством при очень низких температурах — ниже -259 °С. В 1986—1987 гг. были обнаружены материалы с темпе­ратурой перехода в сверхпроводящее состояние порядка -173 °С — лантановые и иттриевые керамики. Это явление получило название высокотемпературной сверхпроводи­мости (от t_K= - 233 °С до t_K= - 168 °С), поскольку для его наблюдения можно использовать жидкий азот (t_KИП = -196 °С).