Зависимость сопротивления металлов от температуры используют в термометрах сопротивления. Обычно берут платиновую проволоку, зависимость сопротивления которой от температуры хорошо известна и линейна на большом интервале температур.
Сверхпроводимость
В 1911 г. голландский физик Гейке Каммерлинг-Оннес открыл явление сверхпроводимости.
При охлаждении ртути в жидком гелии ее сопротивление сначала меняется постепенно, а затем при 4.1К очень резко падает почти до нуля.
Сверхпроводимость – физическое явление, заключающееся в скачкообразном падении до нуля сопротивления вещества.
Сверхпроводник – вещество, которое может переходить в сверхпроводящее состояние.
Сверхпроводимость наблюдается при очень низких температурах около 25К.
Критическая температура – температура скачкообразного перехода вещества из нормального в сверхпроводящее состояние.
Максимальной критической температурой среди чистых металлов обладает технеций 11.2К.
Ток в сверхпроводнике может протекать неограниченное время из-за отсутствия сопротивления.
Выделения теплоты в сверхпроводящей обмотке не происходит.
Если в кольцевом сверхпроводящем проводнике создать ток, а затем устранить источник тока, то сила тока в этом проводнике не будет меняться сколь угодно долго.
Однако получить сильное магнитное поле с помощью сверхпроводящего магнита нельзя. Очень сильное магнитное поле разрушает сверхпроводимое состояние.
Такое поле может быть создано током в самом проводнике. Поэтому для каждого проводника в сверхпроводящем состоянии существует критическое значение силы тока, превысить которое не нарушая сверхпроводящее состояние нельзя.
Объяснить сверхпроводимость можно только на основе квантовой теории.
Резкий спад сопротивления сверхпроводника при критической температуре означает, что электроны не выбывают из общего направления движения под действием поля, т.е. столкновения с ионами внезапно прекращаются. Объяснение этому дал открытый в 1950 г. изотопический эффект.
Изотопический эффект – зависимость критической температуры от массы ионов в кристаллической решетке
Для разных изотопов с массой mi одного и того же химического элемента критическая температура их перехода в сверхпроводящее состояние различна:
Tкр ≈
Это означает, что на резкое изменение характера движения электрона при критической температуре оказывает влияние структура кристаллической решетки.
Теория сверхпроводимости была предложена в 1957 г. Дж.Бардиным, Л.Купером, Дж.Шриффером (Нобелевская премия 1972 г.)
Исчезновение удельного электрического сопротивления связано с возникновением при температуре меньше критической сил притяжения между парами электронов, расположенных друг от друга на расстоянии, в тысячи раз превышающем расстояние между узлами кристаллической решетки.
Эти силы значительно превосходят силу кулоновского отталкивания электронов на этом расстоянии и обусловлены согласованными колебаниями ионов кристаллической решетки.
Такие пары электронов называют куперовскими по имени одного из создателей теории сверхпроводимости.
Электрический ток в сверхпроводнике обусловлен согласованным движением куперовских пар.
В 1986 г. была открыта высокотемпературная сверхпроводимость. Получены сложные оксидные соединения лантана, бария и других элементов (керамики) с температурой перехода в сверхпроводящее состояние около 100К.
Для каждого проводника существует определенная зависимость силы тока от приложенного к нему напряжения.
Зависимость силы тока в проводнике от приложенного к нему напряжения называется вольт-амперной характеристикой.
Наиболее простой вид имеет вольтамперная характеристика металлических проводников и растворов электролитов. Впервые (для металлов) ее установил немецкий ученый Георг Ом в 1825 г., поэтому зависимость силы тока от напряжения носит название закона Ома.
Закон Ома для участка цепи:
Сила тока в однородном проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника:
I =
Доказать экспериментально справедливость закона Ома трудно.
ДОБАВИТЬ ЗАКОН ОМА ДЛЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И В ОБЩЕЙ ФОРМЕ ДЛЯ ПОЛНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ЦЕПИ Z
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ И ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ
Последовательное соединение проводников – соединение, при котором конец предыдущего проводника соединяется с началом только одного – последующего.
При последовательном соединении электрическая цепь не имеет разветвлений, все проводники включают в цепь поочередно друг за другом.
Сила тока во всех, т.е. I1 = I2 = Ii, так как в проводниках электрический заряд в случае постоянного тока не накапливается и через любое поперечное сечение проводника за определенное время проходит один и тот же заряд.
Напряжение на концах рассматриваемого участка цепи складывается из напряжений на проводниках:
U = U1 + U2 + …
Полное сопротивление всего участка цепи при последовательном соединении равно сумме сопротивлений проводников:
R = R1 + R2 + …
Параллельное соединение проводников – соединение, при котором все проводники подключены между одной и той же парой точек (узлами)
Точку разветвления цепи, в которой соединяются не менее трех проводников называют узлом электрической цепи.
В соответствии с законом сохранения электрического заряда, заряд, поступающий в единицу времени в точку разветвления, равен сумме зарядов, уходящих из этой точки за это же время.
Суммарная сила тока, втекающего в узел, равна сумме токов, вытекающих из узла.
Так как работа электрических потенциальных сил не зависит от формы пути единичного положительного заряда между двумя точками, напряжение на каждом из параллельно соединенных проводников одно и тоже.
Смешанное соединение проводников – соединение, сводящееся к последовательному и параллельному соединению проводников.
Для длительного протекания тока через проводник необходимо поддержание разности потенциалов на концах проводника (имеющей тенденцию к уменьшению под действием электрических сил).
Необходимо устройство, которое бы перемещало заряды в направлении, противоположном направлению сил, действующих на эти заряды со стороны поля.
В таком устройстве на заряды кроме электрических сил должны действовать силы не электростатической природы.
Существуют различного типа устройства для разобщения разноименных зарядов атомов (или молекул): магнитомеханические, электрохимические, термоэлектрические, фотоэлектрические.
Такие устройства могут использоваться как источники тока.
Действующие в источниках силы, разобщающие.
Любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, за исключением сил электростатического происхождения (кулоновских), называют сторонними силами.
Сторонние силы – силы не электрического происхождения, вызывающие разделение зарядов.
Вопреки кулоновским силам, силы разделяющие разноименные заряды, называются сторонними силами.
Примером источника тока может служить аккумулятор, внутри которого химические силы разделяют молекулы на положительные и отрицательные ионы и переносят их на клеммы (зажимы) аккумулятора.
В гальваническом элементе сторонние силы возникают за счет химической реакции между электродами и электролитом.
Необходимость сторонних сил для поддержания постоянного тока в цепи вытекает из закона сохранения энергии. Электростатическое поле потенциально и его работа по перемещению заряженных частиц по замкнутому контуру равна нулю. Прохождение же тока по контуру сопровождается выделением энергии – нагреванием проводника. Следовательно, в любой цепи должен существовать дополнительный источник энергии. В нем помимо кулоновских, обязательно должны действовать сторонние непотенциальные силы, работа которых по замкнутому контуру не равна нулю. В процессе совершения работы этими силами заряженные частицы приобретают внутри источника тока дополнительную энергию и отдают ее затем в электрической цепи.
Внутри источника тока заряды движутся под действием сторонних сил против кулоновских сил (электроны от положительно заряженного электрода к отрицательному), а во всей остальной цепи их приводит в движение электрическое поле.
Действие сторонних сил характеризуется электродвижущей силой (ЭДС)
Энергетической характеристикой источника тока является электродвижущая сила (ЭДС)
Чем больший заряд перемещается в источнике тока, тем большая работа совершается сторонними силами.
Отношение работы сторонних сил к переносимому заряду является постоянной величиной для данного источника тока и называется электродвижущей силой (ЭДС)
Электродвижущая сила в замкнутом контуре представляет собой отношение работы сторонних сил при перемещении заряда вдоль контура к заряду:
ε =
Единица измерения – Дж/Кл = В (Вольт)
Можно говорить от ЭДС на любом участке цепи. Это удельная работа сторонних (работа по перемещению единичного заряда) не во всем контуре, а только на данном участке.
Работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как сторонние силы не потенциальны и их работа зависит от формы траектории.
Изменение потенциальной энергии заряда при его перемещении между электродами источника тока равно суммарной работе сторонней силы и силы сопротивления:
DW = Aст + Aс
Так как изменение потенциальной энергии заряда связано с разностью потенциалов U между электродами: DW = qU , то :
U = ε -
Мы учли, что работа силы сопротивления отрицательна, так как эта сила направлена противоположно перемещению заряда.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98
