§ 43. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ВЕЩЕСТВ. ЗАВИСИМОСТЬ ПРОВОДИМОСТИ МЕТАЛЛОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ. СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ.

Электрический ток может протекать через все тела – твёрдые, жидкие газообразные и даже через вакуум. Электрической проводимостью вещества называют его способность проводить электрический ток под действием электрического поля. Чем больше концентрация свободных зарядов в веществе, тем меньше величина его удельного сопротивления и тем больше его электрическая проводимость. Вещества, обладающие большой проводимостью называют проводниками, а вещества с малой электрической проводимостью – диэлектриками.

Однако такое деление веществ на проводники и диэлектрики весьма условно, т.к. изменение напряжённости электрического поля, температуры, давления и других факторов может значительно изменять проводимость веществ. Например, воздух, являющийся диэлектриком в обычных условиях, становится проводником, когда между грозовым облаком и землёй напряжённость электрического поля увеличивается до 3000 кВ/м, в результате чего и происходит разряд молнии.

Носителями свободных зарядов в металлах являются свободные электроны, и поэтому такую проводимость называют электронной. Металлы имеют наибольшую проводимость среди проводников. Так как работа тока пропорциональна сопротивлению проводника, то для минимизации потерь при передаче электрической энергии всегда используют металлические провода. По той же причине из металлической проволоки изготовляют обмотки различных электромоторов, генераторов, трансформаторов и  электроизмерительных приборов.

Сопротивление металлических проводников увеличивается с ростом температуры. Это явление можно объяснить тем, что при нагреве возрастает амплитуда хаотических (тепловых) колебаний атомов, а значит, увеличивается число столкновений этих атомов со свободными электронами, которые упорядоченно движутся под действием электрического поля. Зависимость сопротивления R проводника от температуры имеет следующий вид (см. рис. 43а):

R = R₀^.{1+a(T-T₀)} ,                    (43.1)

где R и R₀ – сопротивление проводника при температурах T и T₀, соответственно, а a - постоянная, называемая температурным коэффициентом сопротивления данного вещества. Если в качестве R₀ взять сопротивление проводника при T₀ =273 К, то у всех чистых металлов a » 1/273 K^-1. Например, у вольфрама a = 4,8^.10^-3 K^-1. Это значит, что сопротивление вольфрамовой нити лампы накаливания, раскалённой до 2700 К, более чем в 10 раз превышает её сопротивление при комнатной температуре.

При очень низких температурах наблюдается замечательное явление – сопротивление многих металлов скачком обращается в нуль. Это явление, названное сверхпроводимостью, было открыто голландским физиком Камерлинг-Оннесом в 1911 году, когда он измерял сопротивление ртути при охлаждении её в жидком гелии. Оказалось, что сопротивление ртути при охлаждении сначала плавно уменьшалось, но когда её температура достигала 4 К, сопротивление скачком падало до нуля (рис. 43б). Температура, при которой сопротивление резко падает до нуля, называют критической. В настоящее время известно много сверхпроводников с самыми разными критическими температурами – от долей градуса К до примерно 100 К.

Объяснение физических процессов, лежащих в основе сверхпроводимости, было дано советским учёным Н.Н. Боголюбовым и американскими учёными Д. Бардиным, Л. Купером и Д. Шриффером на основе квантовой теории. Большой вклад в развитие теории сверхпроводников внесли также российские учёные А.А. Абрикосов и В.Л. Гинзбург.

Очевидно, что в будущем применение сверхпроводников позволит передавать электроэнергию на большие расстояния с гораздо меньшими потерями или вообще без них. Кроме того, использование сверхпроводящих материалов даст возможность создавать огромные магнитные поля в генераторах и электромоторах, благодаря чему эти устройства станут значительно более мощными, чем сейчас. Колоссальные магнитные поля, созданные с помощью сверхпроводников, позволят конструировать поезда на магнитной подвеске, двигающиеся плавно, без трения и с огромными скоростями.   

Вопросы для повторения:

·        Что такое электрическая проводимость?

·        Какой проводимостью обладают металлы?

·        Как изменяется сопротивление сверхпроводника вблизи критической температуры?

·        Где планируется использовать сверхпроводники?

 

Рис. 43. (а) – зависимость сопротивления металлического проводника от температуры; (б) – зависимость сопротивления ртути вблизи критической температуры.