1. Електричний струм у металах

Ми вже знаємо, що:
Розглянемо внутрішню будову металевих провідників.

 

У будь-якому металі частина електронів покидає свої місця в атомі, у результаті чого атом перетворюється на позитивний йон. Позитивні йони та нейтральні атоми в металах розміщуються у строгому порядку, утворюючи так звані кристалічні ґратки.
За відсутності електричного поля вільні електрони всередині металевого провідника рухаються хаотично у вигляді електронного газу.
Негативний заряд усіх вільних електронів за абсолютним значенням дорівнює позитивному заряду всіх йонів кристалічних ґраток. Тому за звичайних умов металевий провідник електрично нейтральний.

У \(1899\)р. німецький фізик-експериментатор Карл Рікке довів, що під час проходження провідником електричного струму йони не переміщуються, а в різних металах переміщуються лише електрони.

За відсутності у провіднику електричного поля електрони рухаються хаотично, подібно до того, як рухаються молекули газів або рідин. У будь-який момент часу швидкості руху різних електронів відрізняються значенням і напрямком. За наявності у провіднику електричного поля електрони, зберігаючи свій хаотичний рух, починають зміщуватися в напрямку позитивного полюса джерела. Разом з безладним рухом електронів виникає і їх упорядкований рух.

 

В \(1916\)р. американський фізик Р. Толмен і шотландський фізик Б. Стюарт розкручували до великої швидкості котушку з мідного тонкого дроту навколо її осі, потім різко гальмували її і при цьому реєстрували в колі короткочасний електричний струм, зумовлений інерцією носіїв заряду, якими виявилися саме електрони.

 

 
З’єднаємо сталеву спіраль із джерелом струму й підігріватимемо її в полум’ї спиртівки. Напругу будемо підтримувати незмінною. Дослід демонструє: у міру нагрівання спіралі сила струму в ній зменшується, а це означає, що опір спіралі зростає. Якщо провести подібні досліди зі спіралями, виготовленими з інших речовин, можна переконатися, що зі збільшенням температури опір цих спіралей також збільшується, але зміна опору кожного разу буде іншою.

 

 

Знаючи, як залежить опір металевого провідника від температури, можна, вимірявши опір провідника, визначити його температуру. Цей факт покладено в основу роботи так званих термометрів опору.

 

 

У \(1911\)р. нідерландський учений Г. Камерлінг-Оннес, досліджуючи, як поводиться ртуть за температур, близьких до абсолютного нуля \((-273°С)\), помітив дивне явище: в разі зниження температури ртуті до \(4,15\ К (-269 °С)\) її питомий опір стрибком падає до нуля. Подібне відбувалося з оловом, свинцем та іншими металами. Це явище назвали надпровідністю.

Надпровідність неможливо пояснити з погляду елементарної електронної провідності металів. У \(1957\)р. група американських учених і незалежно від них радянський учений М. М. Боголюбов розробили квантову теорію надпровідності.