Электрическое сопротивление. Сверхпроводимость

Всякое тело сопротивляется электрическому току. Суть сопротивления сводится к затратам энергии источников на работу против сил взаимодействия движущихся заряженных частиц с окружающей средой. В частности в твердых телах – против сил взаимодействия подвижных электронов с ионами кристаллической решетки, в жидкостях и газах – против сил внутреннего трения, которое испытывают подвижные сольваты (группировка ионов и нейтральных молекул).

Сопротивление проводника

По своему сопротивлению тела делятся на три класса: проводники, непроводники (изоляторы) и полупроводники. Это деление условно, так как в природе не существует абсолютных проводников и абсолютных изоляторов.

Далее под проводником следует понимать металлическое тело.

Сопротивление проводника зависит от следующих факторов: рода материала, размеров, примесей, деформаций, температуры.

Сопротивление однородного проводника длиной l и сечения S составляет (при заданной температуре):

$R=\rho \frac{l}{S},$

где $ρ$ (Ом·м/м2 или Ом·м) – коэффициент пропорциональности, его еще называют удельным сопротивлением материала, поскольку при $l = 1$ и $S= 1$ имеем $ρ=R$. В технике $ρ$ выражают в единицах Ом·мм/м2

Величину, обратную к удельному сопротивлению, то есть $γ = 1/ ρ$, называют удельной проводимостью материала. Наименьшее $ρ$ имеют серебро, медь, алюминий. В электротехнике проводники изготавливаются из меди или алюминия. При одинаковом сопротивлении алюминиевый проводник толще медного, но имеет меньшую плотность; кроме того, он дешевле и поэтому его целесообразнее использовать.

Температурная зависимость сопротивления

Опыты показывают, что для химически чистых металлов в пределах температур от Т0 = 273К до Т = 373К (а для некоторых металлов, например платины, в значительно более широком интервале температур) сопротивление проводника линейно зависит от температуры:

${{R}_{T}}={{R}_{0}}(1+a\Delta T),$

где $R_0$ – сопротивление проводника при $Т_0$ = 273,15К;

$а$ – температурный коэффициент сопротивления;

$ΔΤ = Т - Т_0$.

Для химически чистых металлов температурный коэффициент сопротивления а ~ 0,004 К-1 (близкий к 1/273, 15 К-1).
Если в печь поместить металлическую спираль с известным сопротивлением R0 и измерить сопротивление RT, то по данной формуле можно определить температуру печи. Это положено в основу строения и принципа действия электрического термометра.

На сопротивление металлического проводника существенно влияют примеси. Сплавы имеют большее удельное сопротивление.

Удельное сопротивление некоторых сплавов (константан, манганин) практически не зависит от температуры, что очень важно для построения измерительных приборов. С понижением температуры и приближением к абсолютному нулю сопротивление проводников уменьшается.

Сверхпроводимость

У некоторых металлов и сплавов наблюдается явление сверхпроводимости, открытое голландским физиком X. Камерлинг-Онессом в 1911 г.

Оно заключается в том, что при температуре, близкой к абсолютному нулю, электрическое сопротивление резко падает – практически уменьшается до нуля.

Если в замкнутом круге, составленном из сверхпроводника, образуется электрический ток, то он будет циркулировать достаточно длительное время (недели), практически не уменьшаясь.

Температура перехода в сверхпроводящее состояние для различных чистых металлов различна и лежит в интервале от 0,35 К (гафний) до 11,7 К (технеций). Значение этой температуры примерно обратно пропорционально корню квадратному из атомной массы. Сейчас известно 23 чистых металла, обладающих сверхпроводимостью при определенных температурах, а также многие сплавы химических соединений, которые могут переходить в сверхпроводящее состояние. Теорию сверхпроводимости разработали в 1957 г. американские ученые Дж. Бардин, Л. Купер, Дж. Р. Шриффер и независимо от них Μ. Н. Боголюбов. По их теории в сверхпроводящем состоянии электроны проводимости образуют связанные пары; благодаря такой группировке движение совокупности электронов в целом становится устойчивым и не претерпевает обмена энергией с кристаллической решеткой.

Не знаете, сколько стоит статья по физике на заказ? Обратитесь к нашим экспертам!

Тест по теме «Электрическое сопротивление и сверхпроводимость»