Электрический ток
Нам известно, что телу можно сообщить заряд. Если не прикасаться после этого к телу, то полученный заряд будет оставаться на этом теле, то есть, перемещаться не будет.
Но если заставить заряд двигаться, можно наблюдать интересные явления. Потому, что именно движущиеся заряды создают:
- выполнение работы электрическими двигателями;
- выделение тепла в электрических нагревательных приборах;
- свечение ламп накаливания.
Скорость теплового движения свободных электронов
Нам известно, что общий заряд тела состоит из большого количества элементарных зарядов.
К примеру, в твердых телах положительные заряды – это ядра атомов, или ионы. А отрицательные – это электроны.
А в жидкостях или газах – положительные и отрицательные заряды – это ионы.
Примечание: Ион – атом, у которого присутствует избыток электронов, либо наоборот, электронов меньше, чем в нейтральном атоме.
Рассмотрим твердый проводник, в нем присутствуют свободные заряды. Это такие электроны, которые оторвались от своего атома и свободно путешествуют по всему объему проводника.
Примечание: Проводник – это тело, в котором много свободных электронов.
Как известно из молекулярно-кинетической теории (МКТ), мельчайшие частицы вещества находятся в непрерывном движении. Это движение возникает под действием температуры, поэтому, его часто называют тепловым. Такое движение беспорядочное, то есть — хаотическое.
Рассчитаем, с какой скоростью электроны в проводнике беспорядочно перемещаются под действием температуры.
Для этого воспользуемся формулой среднеквадратичной скорости частиц из молекулярной физики:
Подставим в формулу такие числовые значения:
\(\large T = 300 \left( K\right)\) – комнатная температура +27 градусов Цельсия;
\(\large k = 1,38 \cdot 10^ <-23>\left( \frac<\text<Дж>>
\(\large m = 9,1 \cdot 10^ <-31>\left(\text<кг>\right) \) – масса электрона;
После расчетов получим скорость, примерно равную
Как видите, это очень большая скорость, более 100 километров в секунду.
Примечание: Физики свободные электроны в проводнике рассматривают, как частицы идеального газа. Его так и называют – электронный газ.
Однако, еще раз подчеркну, что тепловое движение – хаотическое. С помощью такого движения электрический ток не создать. Потому, что ток – это направленное движение зарядов.
Что такое электрический ток
Электрический ток – это направленное движение электрических зарядов.
В металлических проводниках движутся отрицательные заряды — электроны.
А в других проводниках, например, в жидких электролитах, направленно могут двигаться положительные и отрицательные ионы.
Внутри полупроводников заряд переносят электроны и дырки.
Примечание: Дырка – это псевдочастица, вакантное место для электрона. Она имеет положительный заряд, ее можно рассматривать, как пузырек, находящийся в электронном газе.
Мы видим, что электрический ток может создаваться движением, как положительных частиц, так и отрицательных.
При этом, положительные частицы будут притягиваться к отрицательному полюсу источника тока и двигаться по цепи к нему.
А отрицательные частицы будут притягиваться и двигаться к положительному полюсу источника тока.
Примечание: Чтобы определить направление движения заряженных частиц, можно воспользоваться аналогией с течением воды: Заряды, как вода, движутся оттуда, где их много, туда, где их мало. На заре изучения электричества считали, что во время протекания тока в телах протекает некая электрическая жидкость. Поэтому для электрического тока применяется аналогия с течением воды. Позже выяснилось, что никакой электрической жидкости в телах нет.
Если заряды движутся направленно, значит, и ток будет иметь направление.
Куда направлен ток
Как выбрать направление электрического тока? На движение каких частиц – положительных, или отрицательных, ориентироваться? Оказывается, направление тока — это условный выбор.
Физики договорились, что направление электрического тока совпадает с направлением движения положительных зарядов. Значит, ток направлен от «+» к «-» выводу источника тока.
Пусть, известно направление вектора напряженности \(\large \vec
Положительные заряды будут двигаться по направлению вектора \(\large \vec
Примечание: В металлах электроны движутся от минуса к плюсу, а ток направлен от плюса к минусу
Примечание: Наличие направленного движения зарядов можно определить косвенно. Протекая по проводнику, ток воздействует на этот проводник. Известны тепловое, химическое, или магнитное действие тока.
Чем больше ток, то есть, чем он сильнее, тем более заметно его действие.
Что такое поперечное сечение проводника
Электрический ток – это направленно движущиеся по проводнику свободные заряды. Его можно определить, когда известно количество заряженных частиц, прошедших через проводник.
Проводник может быть достаточно длинным. Поэтому неудобно учитывать заряды, находящиеся во всей длине проводника.
Чтобы было проще посчитать количество зарядов, на проводнике выбирают точку в любом удобном месте.
Через эту точку мысленно проводят плоскость, располагая ее перпендикулярно по отношению к проводнику. Так как эта плоскость в проводнике ограничивает собой площадь S, ее часто называют площадью поперечного сечения проводника.
Для вычисления силы тока, ведут подсчет зарядов, прошедших через это сечение.
Как рассчитать площадь сечения
Проводник будем считать круглой трубкой, по аналогии с трубой, по которой течет жидкость. Пользуясь этой аналогией, так же, примем, что внутри такой трубки будут двигаться заряды, они обозначены кружками на рисунке.
Выделим на трубе какую-либо точку. Мысленно отрежем кусок трубы, проводя разрез перпендикулярно. Стенки трубки в месте отреза являются границей круга.
Площадь полученного круга можно вычислить по такой геометрической формуле:
\[\large \boxed < S_<0>= \pi \cdot \frac
\(\large S_ <0>\left( \text<м>^ <2>\right)\) – площадь круга;
\(\large \pi \approx 3,14\) – число Пи;
\(\large D \left(\text<м>\right)\) – диаметр круга;
\(\large R \left(\text<м>\right)\) – радиус круга;
Проводник может иметь не только цилиндрическую форму. Промышленность изготавливает металлические проводники, имеющие квадратное, прямоугольное, треугольное или какое-либо другое сечение. Понятно, что площади таких сечений нужно рассчитывать, пользуясь другими геометрическими формулами.
Сила тока по определению
Силу тока (ток) обозначают большой латинской буквой \(\large I\).
Постоянный ток можно рассматривать, как равномерное направленное движение заряженных частиц. Равномерное – значит, с одной и той же скоростью.
Если же ток изменяется, то будет изменяться и скорость движения зарядов.
- физическая величина;
- отношение заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника к длительности промежутка времени, в течение которого заряд проходил.
Ток равен заряду, прошедшему через поперечное сечение проводника за одну секунду.
Для постоянного тока используем формулу:
\(\large I \left(A\right)\) – ток (сила тока) в Амперах;
\(\large \Delta q \left( \text<Кл>\right) \) – заряд в Кулонах, прошедший через поперечное сечение проводника;
\(\large \Delta t \left( c\right) \) – промежуток (кусочек) времени, в течение которого заряд прошел;
Если электрический ток не изменяется ни по величине, ни по направлению, то его называют постоянным.
Если хотя бы одна из характеристик изменяется, ток называют переменным. Он будет различным в разные моменты времени. Если задано уравнение, описывающее, как изменяется заряд, то для вычисления такого тока удобно пользоваться производной.
Исключаем путаницу с понятием силы
В физике исторически сложилось использование таких терминов, как
- сила тока,
- электродвижущая сила,
- лошадиная сила.
Эти единицы измерения имеют в своем названии слово «сила». Из механики известно, что сила – величина векторная, измеряется в Ньютонах. Однако, пусть это не вводит вас в заблуждение.
Ни одна из описанных величин не измеряется в Ньютонах. Перечисленные величины имеют другие единицы измерения:
- силу тока измеряют в Амперах,
- электродвижущую силу – в Вольтах,
- а лошадиная сила – это единица измерения мощности, ее можно перевести в Ватты в системе СИ.
Чтобы исключить путаницу, вместо термина «сила тока», можно употреблять слово «ток». Сравните выражения: «Силу тока измеряют в Амперах» и «ток измеряют в Амперах».
Как видно, вполне можно обойтись словом «ток», вместо «силы тока». Смысл от этого не изменится.
Что такое 1 Ампер в системе СИ
Сила тока в 1 Ампер была определена в системе СИ с помощью силы взаимного действия двух проводников с током.
Рассмотрим два тонких проводника (рис. 9). Каждый проводник имеет бесконечную длину. Расположим их в вакууме параллельно на расстоянии 1 метр один от другого.
Выделим на каждом проводнике кусочек длиной 1 метр.
Если проводники взаимодействуют с силой \(\large 2 \cdot 10^ <-7>\) Ньютона, приходящейся на каждый метр их длины, то по каждому из них течет постоянный ток 1 Ампер.
Ампер – это основная единица в системе СИ. А заряд Кулон – величина, определяемая с помощью Ампера.
1 Кулон – это заряд, проходящий за 1 секунду через поперечное сечение проводника с током 1 Ампер.
Один Ампер – много это, или мало
1 Ампер это 1 Кулон деленный на 1 секунду. Для большинства бытовых электроприборов это достаточно большая сила тока.
Например, через энергосберегающие лампы протекают токи 0,04 — 0,08 Ампера.
Большой плоский телевизор от электроосветительной сети потребляет ток 0,2 Ампера.
Лампа накаливания –примерно 0,5 Ампера.
Как видно, большинство электроприборов потребляют токи менее одного Ампера.
Поэтому, для тока часто применяют дольные единицы измерения:
миллиамперы, микроамперы, и наноамперы:
1мА (миллиампер)= 10⁻³ А
1мкА (микроампер) = 10⁻⁶ А
1нА (наноампер) = 10⁻ 9 А
Ток зарядки аккумулятора мобильного телефона может достигать 2 Ампер.
А через электрический обогреватель, или электрочайник, протекает ток силой до 10 Ампер.
Примечание: Ток силой всего 0,05 А может привести к летальному исходу. Будьте осторожны с электричеством!
В то же время, используют и токи, превышающие сотни Ампер. Например, на промышленных электростанциях.
Для таких токов применяют кратные единицы: килоампер, мегаампер.
1КА (килоампер)= 10³ А
1МА (мегаампер) = 10⁶ А
Связь между силой тока и скоростью движения зарядов
Рассмотрим металлический проводник. Мысленно выделим в нем два сечения площадью \(\large S \) на некотором расстоянии \(\large \Delta x\) одно от другого. Сечения располагаются поперечно проводнику.
В металлах электрический ток создается электронами. Обозначим \(\large e_<0>\) заряд каждого электрона.
Заряды в проводнике, под действием электрического поля напряженностью \(\large \vec
При этом, они будут проходить путь \(\large \Delta x\) между двумя сечениями.
Если ток постоянный, то скорость движения зарядов изменяться не будет.
В таком случае, расстояние \(\large \Delta x\) и скорость \(\large v\) движения электронов будут связаны формулой равномерного движения.
\[\large \Delta x = v \cdot \Delta t\]
\(\large \Delta x \left( \text<м>\right) \) – расстояние между двумя поперечными сечениями;
\(\large v \left( \frac<\text<м>>
\(\large \Delta t \left( c \right) \) – интервал времени, за который пройдено расстояние \(\large \Delta x\) между двумя поперечными сечениями;
Выразим из этой формулы время движения:
Это выражение нам понадобится далее.
Сечения \(\large S \) и расстояние между ними \(\large \Delta x\) образуют в проводнике цилиндрический объем:
\[\large V = S \cdot \Delta x\]
\(\large V \left( \text<м>^<3>\right) \) – объем цилиндра;
В этом объеме содержится определенное количество электронов. Обозначим это количество: \(\large N \) штук.
Количество штук \(\large N \), расположенное в объеме \(\large V\), называют концентрацией:
\(\large n \left( \frac<\text<штук>><\text<м>^<3>>\right) \) – концентрация зарядов в объеме;
Найдем общий заряд всех заряженных частиц, расположенных в объеме \(\large V\) между двумя поперечными сечениями:
\[\large \Delta q = e_ <0>\cdot N\]
Умножим правую часть уравнения на единицу, которую представим в виде дроби \(\displaystyle \frac
\[\large \Delta q = e_ <0>\cdot N \cdot 1 = e_ <0>\cdot N \cdot \frac
Числитель V дроби и количество N частиц поменяем местами.
\[\large \Delta q = e_ <0>\cdot V \cdot \frac
Подставим в эту формулу выражение для объема:
\[\large \Delta q = e_ <0>\cdot S \cdot \Delta x \cdot \frac
Дробь в правой части заменим символом «n» концентрации:
\[\large \Delta q = e_ <0>\cdot S \cdot \Delta x \cdot n\]
Средняя скорость совместного направленного движения зарядов \(\large v\).
Применим определение силы тока:
Подставим в это выражение формулу для общего заряда, прошедшего через сечение проводника:
\[\large I = \frac <\Delta q> <\Delta t>= \frac
Выражение для удобства можно переписать так:
\[\large I = e_ <0>\cdot S \cdot \Delta x \cdot n\cdot \frac <1> <\Delta t>\]
Мы заранее выразили время \(\large \Delta t \):
Найдем для него обратную величину:
Подставим ее в формулу для тока:
\[\large I = e_ <0>\cdot S \cdot \Delta x \cdot n \cdot \frac
Расстояние \(\Delta x\) находится в числителе и в знаменателе, оно сократится. Окончательно получим выражение для связи между силой тока и скоростью движения зарядов:
\[\large \boxed \cdot S \cdot n \cdot
Теперь можно утверждать, что
- чем больше зарядов помещаются в объеме,
- чем быстрее они сонаправленно двигаются
- и, чем толще проводник (чем больше площадь поперечного сечения),
Расчет скорости направленного движения электронов
Для этого можно использовать полученную формулу:
\[\large I = e_ <0>\cdot S \cdot n \cdot
Из нее можно выразить скорость:
\[\large \boxed<\frac
Чтобы найти скорость, с которой электроны движутся в проводнике, нужно: ток (I) разделить на заряд (е) электрона, концентрацию (n) электронов и площади сечения проводника (S).
Большинство соединительных проводников изготавливают из меди, или алюминия. Выберем медный проводник, имеющий цилиндрическую форму.
Площадь поперечного сечения выберем равной 1 миллиметру в квадрате:
\[\large S = 10^ <-6>\left( \text<м>^<2>\right) \]
Число атомов в объеме – концентрация, связано с плотностью вещества (ссылка). Для меди концентрацию атомов вычислить несложно. Она
равна концентрации электронов.
Примечание: Каждый атом меди отдает один из своих валентных электронов и, он превращается в свободный электрон. Поэтому, количество свободных электронов, находящихся в выбранном объеме меди будет равно количеству атомов в этом объеме.
Заряд электрона известен:
\[\large e_ <0>= 1,6 \cdot 10^ <-19>\left(\text<Кл>\right) \]
Предположим, в проводнике протекает ток силой 1 Ампер.
Тогда, скорость движения электронов:
\[\large v = 7 \cdot 10^ <-5>\left( \frac<\text<м>>
Это меньше, чем 0,1 мм в секунду.
Скорость распространения электрического поля и скорость движения зарядов — в чем различия
Нужно различать скорость, с которой распространяется электрическое поле, при подключении к проводнику источника тока и скорость движения заряженных частиц в проводнике.
Скорость, с которой распространяется электрическое поле напряженностью \(\large \vec
\[\large c = 3 \cdot 10^ <8>\left( \frac<\text<м>>
А скорость направленного движения зарядов значительно меньше — менее 0,1 мм в секунду.
Примечание: В качестве скорости направленного движения свободных зарядов, выбирают среднее значение скорости, с которой перемещаются заряды во время протекания тока. Ее, так же, называют скоростью дрейфа.
В то же время, при комнатной температуре скорость беспорядочного теплового движения электронов немногим более 100 километров в секунду.
То есть, заряды быстро движутся хаотично, но при этом, они согласованно и достаточно медленно передвигаются в определенном направлении.
Такое движение можно сравнить с движением потока муравьев на лесной тропе. Каждый муравей в потоке движется хаотично. Но при этом, весь поток движется согласованно в выбранную сторону.
Пользуясь аналогией из окружающей природы, движение заряженных частиц во время протекания электрического тока можно сравнить с движением муравьев.
Каждая частица движется хаотически под действием температуры и одновременно с этим, все частицы смещаются в одном направлении в общем потоке под действием электрического поля.
Условия существования постоянного тока
Напомню, что ток называют постоянным, если его сила не изменяется со временем.
Для обозначения постоянного тока математики используют такую сокращенную запись:
Чтобы ток мог существовать, нужно, чтобы выполнялись несколько условий.
Нужно, чтобы между телами, заряженными противоположно, непрерывно существовало электрическое поле. Так же, в цепи должны присутствовать свободные носители заряда. А сама электрическая цепь должна быть замкнутой.
Рассмотрим эти условия подробнее.
Создаем кратковременный ток и выясняем условия его существования
Можно создать электрический ток с помощью двух заряженных противоположно тел.
Ток – это движение зарядов. Поэтому, нужно обеспечить возможность зарядам двигаться. То есть, нужно создать между телами дорожку, по которой заряды начнут перемещаться из одного места пространства в другое.
Продемонстрировать возникновение тока на небольшой промежуток времени можно с помощью двух электрометров, заряженных противоположно.
Попробуем для начала соединить два заряженных тела куском диэлектрика (рис. 15).
Как видно, после соединения заряд каждого из электрометров не изменился.
Это значит, что ток не возник. Дело в том, что в диэлектрике все электроны связаны со своими атомами и свободных электронов нет.
Именно свободные заряды будут передвигаться и их согласованное направленное движение мы назовем электрическим током.
Поэтому, одним из условий существования тока будет наличие свободных зарядов. То есть, наличие проводника, содержащего такие заряды.
Условие 1. Чтобы ток существовал, требуется наличие свободных зарядов.
Однако, только лишь наличия проводника недостаточно. Действительно, в проводнике присутствуют свободные заряды. Но для того, чтобы эти заряды начали совместное движение в определенную сторону, нужно, чтобы на них подействовала сила, которая будет их передвигать в этом направлении.
Сила будет действовать на заряженную частицу, если ее поместить в электрическом поле.
Электрическое поле существует в пространстве вокруг заряженных тел.
Если соединить проводником два тела, имеющие противоположные заряды, то на свободные частицы в проводнике будет действовать электрическое поле. Это поле подхватит заставит двигаться электроны в определенном направлении.
Поэтому, еще одно условие для возникновения тока – это электрическое поле.
Условие 2. Чтобы ток существовал, требуется наличие электрического поля.
Ток течет в направлении движения положительных зарядов.
Соединив два заряженных металлических тела проводником, мы получим ток лишь на короткий промежуток времени. Это время будет составлять доли секунды.
Кроме того, в начальный момент времени сила тока будет самой большой. А далее будет убывать по мере того, как тела будут разряжаться и их потенциалы (ссылка) будут выравниваться.
Мы же хотим, чтобы ток протекал постоянно, или, по крайней мере, достаточно длительный промежуток времени, выбранный по нашему усмотрению. И чтобы во время протекания тока его сила не изменялась.
Как этого добиться? Мы вплотную приблизились к третьему условию существования постоянного электрического тока.
Как создать длительный ток и что для этого необходимо
Положительный заряд – это недостаток электронов, а отрицательный – это их избыток. В момент соединения тел проводником, отрицательные электроны устремились к положительно заряженному телу.
А в конце ток прекратился потому, что заряды тел скомпенсировались и тела превратились в электрически нейтральные. Нам известно, что нейтральные тела электрическое поле не создают.
Значит, ток существует до тех пор, пока существует электрическое поле. Поэтому, нужно каким-либо образом поддерживать электрическое поле. А для этого нужно, чтобы одно из тел обладало избыточным отрицательным зарядом. То есть, нужно поддерживать на одном из тел отрицательный, а на другом – положительный заряд. Пока заряды тел будут поддерживаться, ток будет существовать.
Чтобы на теле с положительным зарядом поддерживать этот заряд, нужно убирать с этого тела прибежавшие туда электроны и отправлять их обратно на отрицательно заряженное тело.
Такая схема по своему устройству напоминает фонтан, в котором насос поддерживает разность давлений. В нагнетающей воду трубе давление больше, чем в трубе, через которую вода поступает обратно в насос.
Именно благодаря этой разности, из одной трубы вода выплескивается вверх, а собранная в чашу вода попадает обратно в насос. При этом, по контуру циркулирует одно и то же количество воды, то есть, водяной контур замкнут. А ток воды в этом контуре поддерживается специальным устройством – насосом. Он совершает работу против силы тяжести.
Сторонние силы — что это такое
Подобно своеобразному насосу устроен источник тока. Внутри источника действуют сторонние силы. Они возвращают электроны на «-» контакт.
На заряды в электрическом поле будет действовать сила. Она называется силой Кулона и имеет электрическую природу. Электроны будут притягиваться к телу, имеющему положительный заряд.
Сила Кулона будет мешать возвращать электроны на отрицательное тело. Подобно силе тяжести, которая мешает воде в фонтане двигаться вверх.
Чтобы вернуть электроны на отрицательно («-») заряженное тело, нужно совершить работу против силы Кулона. Значит, должна присутствовать какая-то внешняя сила, возвращающая электроны на отрицательно («-») заряженное тело. Эта сила имеет неэлектрическую природу, она называется сторонней силой.
Теперь можно ответить на вопрос: Что такое источник тока?
Источник тока — это устройство, внутри которого сторонние силы перемещают заряды против сил Кулона. Сила Кулона – это сила, с которой электростатическое поле действует на заряд.
Во время существования электрического тока сами электроны не расходуются. Они, как вода в фонтане, циркулируют по замкнутой траектории.
Условие 3. Чтобы ток существовал длительно, электрическое поле нужно долговременно поддерживать.
Чтобы ток существовал постоянно, нужно, чтобы между заряженными противоположно телами электрическое поле существовало непрерывно.
Примечание: В качестве заряженных противоположно тел можно рассматривать контакты источника тока.
Для этого электроны нужно пропустить по замкнутому контуру, т. е. непрерывной электрической цепи. Поэтому, еще одно условие существования постоянного тока – это замкнутая электрическая цепь. Как только замыкается цепь, в направленное движение приходят все заряженные частицы, находящиеся в этой цепи.
Условие 4. Чтобы ток существовал, требуется, чтобы электрическая цепь была замкнутой.
В такой цепи заряды циркулируют по замкнутой траектории. То есть, заряд, вышедший из источника и совершивший полный оборот, попадет обратно в источник тока. Там он будет подхвачен сторонними силами и через противоположный вывод источника тока попадает обратно в цепь. Затем, будет двигаться далее и, совершит следующий круг. Поэтому, во время протекания электрического тока сами заряды не расходуются.
Во время протекания электрического тока заряды не расходуются. То есть, по замкнутой цепи двигаются одни и те же заряды. Совершив круг, они попадают в источник и, выходя из противоположного его вывода направляются обратно в цепь.
Нам известно, если на заряд действует сила и, под действием этой силы заряд перемещается, то эта сила совершает работу.
Это значит, что сторонние силы в источнике совершают работу. Подробнее о работе сторонних сил (ссылка).
Электрический ток в металлах
Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. Опыты показывают, что при протекании тока по металлическому проводнику переноса вещества не происходит, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда.
Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов. Идея таких опытов и первые качественные результаты (1913 г.) принадлежат русским физикам Л.И. Мандельштаму и Н.Д. Папалекси В 1916 году американский физик Р. Толмен и шотландский физик Б. Стюарт усовершенствовали методику этих опытов и выполнили количественные измерения, неопровержимо доказавшие, что ток в металлических проводниках обусловлен движением электронов.
Схема опыта Толмена и Стюарта показана на рис. 1.12.1. Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки с помощью гибких проводов были присоединены к чувствительному баллистическому гальванометру Г. Раскрученная катушка резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременных ток, обусловленный инерцией носителей заряда. Полный заряд, протекающий по цепи, измерялся по отбросу стрелки гальванометра.
Схема опыта Толмена и Стюарта
При торможении вращающейся катушки на каждый носитель заряда e действует тормозящая сила 
которая играет роль сторонней силы, то есть силы неэлектрического происхождения. Сторонняя сила, отнесенная к единице заряда, по определению является напряженностью Eст поля сторонних сил:
Следовательно, в цепи при торможении катушки возникает электродвижущая сила 
, равная
где l – длина проволоки катушки. За время торможения катушки по цепи протечет заряд q, равный
Здесь I – мгновенное значение силы тока в катушке, R – полное сопротивление цепи, υ0 – начальная линейная скорость проволоки.
Отсюда удельный заряд e / m свободных носителей тока в металлах равен:
Все величины, входящие в правую часть этого соотношения, можно измерить. На основании результатов опытов Толмена и Стюарта было установлено, что носители свободного заряда в металлах имеют отрицательный знак, а отношение заряда носителя к его массе близко к удельному заряду электрона, полученному из других опытов. Так было установлено, что носителями свободных зарядов в металлах являются электроны.
По современным данным модуль заряда электрона (элементарный заряд) равен
а его удельный заряд есть
Хорошая электропроводность металлов объясняется высокой концентрацией свободных электронов, равной по порядку величины числу атомов в единице объема.
Предположение о том, что за электрический ток в металлах ответственны электроны, возникло значительно раньше опытов Толмена и Стюарта. Еще в 1900 году немецкий ученый П. Друде на основании гипотезы о существовании свободных электронов в металлах создал электронную теорию проводимости металлов. Эта теория получила развитие в работах голландского физика Х. Лоренца и носит название классической электронной теории. Согласно этой теории, электроны в металлах ведут себя как электронный газ, во многом похожий на идеальный газ. Электронный газ заполняет пространство между ионами, образующими кристаллическую решетку металла (рис. 1.12.2).
Газ свободных электронов в кристаллической решетке металла. Показана траектория одного из электронов
Из-за взаимодействия с ионами электроны могут покинуть металл, лишь преодолев так называемый потенциальный барьер. Высота этого барьера называется работой выхода. При обычных (комнатных) температурах у электронов не хватает энергии для преодоления потенциального барьера.
Из-за взаимодействия с кристаллической решеткой потенциальная энергия выхода электрона внутри проводника оказывается меньше, чем при удалении электрона из проводника. Электроны в проводнике находятся в своеобразной «потенциальной яме», глубина которой и называется потенциальным барьером.
Как ионы, образующие решетку, так и электроны участвуют в тепловом движении. Ионы совершают тепловые колебания вблизи положений равновесия – узлов кристаллической решетки. Свободные электроны движутся хаотично и при своем движении сталкиваются с ионами решетки. В результате таких столкновений устанавливается термодинамическое равновесие между электронным газом и решеткой. Согласно теории Друде–Лоренца, электроны обладают такой же средней энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального газа. Это позволяет оценить среднюю скорость 
теплового движения электронов по формулам молекулярно-кинетической теории. При комнатной температуре она оказывается примерно равной 10 5 м/с.
При наложении внешнего электрического поля в металлическом проводнике кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение (дрейф), то есть электрический ток. Среднюю скорость 
дрейфа можно оценить из следующих соображений. За интервал времени Δt через поперечное сечение S проводника пройдут все электроны, находившиеся в объеме 
Число таких электронов равно 
, где n – средняя концентрация свободных электронов, примерно равная числу атомов в единице объема металлического проводника. Через сечение проводника за время Δt пройдет заряд 
Отсюда следует:
или 
Концентрация n атомов в металлах составляет 10 28 –10 29 м –3 .
Оценка по этой формуле для металлического проводника сечением 1 мм 2 , по которому течет ток 10 А, дает для средней скорости упорядоченного движения электронов значение в пределах 0,6–6 мм/c. Таким образом,
средняя скорость 
упорядоченного движения электронов в металлических проводниках на много порядков меньше средней скорости 
их теплового движения 
Рис. 1.12.3 дает представление о характере движения свободного электрона в кристаллической решетке.
Движение свободного электрона в кристаллической решетке: а – хаотическое движение электрона в кристаллической решетке металла; b – хаотическое движение с дрейфом, обусловленным электрическим полем. Масштабы дрейфа 
сильно преувеличены
Малая скорость дрейфа на противоречит опытному факту, что ток во всей цепи постоянного тока устанавливается практически мгновенно. Замыкание цепи вызывает распространение электрического поля со скоростью c = 3·10 8 м/с. Через время порядка l / c (l – длина цепи) вдоль цепи устанавливается стационарное распределение электрического поля и в ней начинается упорядоченное движение электронов.
В классической электронной теории металлов предполагается, что движение электронов подчиняется законам механики Ньютона. В этой теории пренебрегают взаимодействием электронов между собой, а их взаимодействие с положительными ионами сводят только к соударениям. Предполагается также, что при каждом соударении электрон передает решетке всю накопленную в электрическом поле энергию и поэтому после соударения он начинает движение с нулевой дрейфовой скоростью.
Несмотря на то, что все эти допущения являются весьма приближенными, классическая электронная теория качественно объясняет законы электрического тока в металлических проводниках.
Закон Ома. В промежутке между соударениями на электрон действует сила, равная по модулю eE, в результате чего он приобретает ускорение 
. Поэтому к концу свободного пробега дрейфовая скорость электрона равна
где τ – время свободного пробега, которое для упрощения расчетов предполагается одинаковым для всех электронов. Среднее значение скорости дрейфа равно половине максимального значения:
Рассмотрим проводник длины l и сечением S с концентрацией электронов n. Ток в проводнике может быть записан в виде:
где U = El – напряжение на концах проводника. Полученная формула выражает закон Ома для металлического проводника. Электрическое сопротивление проводника равно:
а удельное сопротивление ρ и удельная проводимость ν выражаются соотношениями:
Закон Джоуля-Ленца.
К концу свободного пробега электроны под действием поля приобретают кинетическую энергию
Согласно сделанным предположениям вся эта энергия при соударениях передается решетке и переходит в тепло.
За время Δt каждый электрон испытывает Δt / τ соударений. В проводнике сечением S и длины l имеется nSl электронов. Отсюда следует, что выделяемое в проводнике за время Δt тепло равно:
Это соотношение выражает закон Джоуля-Ленца.
Таким образом, классическая электронная теория объясняет существование электрического сопротивления металлов, законы Ома и Джоуля–Ленца. Однако в ряде вопросов классическая электронная теория приводит к выводам, находящимся в противоречии с опытом.
Эта теория не может, например, объяснить, почему молярная теплоемкость металлов, также как и молярная теплоемкость диэлектрических кристаллов, равна 3R, где R – универсальная газовая постоянная (закон Дюлонга и Пти, см. ч. I, § 3.10). Наличие свободных электронов на сказывается на величине теплоемкости металлов.
Классическая электронная теория не может также объяснить температурную зависимость удельного сопротивления металлов. Теория дает соотношение 
, в то время как из эксперимента получается зависимость ρ
T. Однако наиболее ярким примером расхождения теории и опытов является сверхпроводимость.
Согласно классической электронной теории, удельное сопротивление металлов должно монотонно уменьшаться при охлаждении, оставаясь конечным при всех температурах. Такая зависимость действительно наблюдается на опыте при сравнительно высоких температурах. При более низких температурах порядка нескольких кельвинов удельное сопротивление многих металлов перестает зависеть от температуры и достигает некоторого предельного значения. Однако наибольший интерес представляет удивительное явление сверхпроводимости, открытое датским физиком Х.Каммерлинг-Онесом в 1911 году. При некоторой определенной температуре Tкр, различной для разных веществ, удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля (рис. 1.12.4). Критическая температура у ртути равна 4,1 К, у аллюминия 1,2 К, у олова 3,7 К. Сверхпроводимость наблюдается не только у элементов, но и у многих химических соединений и сплавов. Например, соединение ниобия с оловом (Ni3Sn) имеет критическую температуру 18 К. Некоторые вещества, переходящие при низких температурах в сверхпроводящее состояние, не являются проводниками при обычных температурах. В то же время такие «хорошие» проводники, как медь и серебро, не становятся сверхпроводниками при низких температурах.
Зависимость удельного сопротивления ρ от абсолютной температуры T при низких температурах: a – нормальный металл; b – сверхпроводник
Вещества в сверхпроводящем состоянии обладают исключительными свойствами. Практически наиболее важным их них является способность длительное время (многие годы) поддерживать без затухания электрический ток, возбужденный в сверхпроводящей цепи.
Классическая электронная теория не способна объяснить явление сверхпроводимости. Объяснение механизма этого явления было дано только через 60 лет после его открытия на основе квантово-механических представлений.
Научный интерес к сверхпроводимости возрастал по мере открытия новых материалов с более высокими критическими температурами. Значительный шаг в этом направлении был сделан в 1986 году, когда было обнаружено, что у одного сложного керамического соединения Tкр = 35 K. Уже в следующем 1987 году физики сумели создать новую керамику с критической температурой 98 К, превышающей температуру жидкого азота (77 К). Явление перехода веществ в сверхпроводящее состояние при температурах, превышающих температуру кипения жидкого азота, было названо высокотемпературной сверхпроводимостью. В 1988 году было создано керамическое соединение на основе элементов Tl–Ca–Ba–Cu–O с критической температурой 125 К.
В настоящее время ведутся интенсивные работы по поиску новых веществ с еще более высокими значениями Tкр. Ученые надеятся получить вещество в сверхпроводящем состоянии при комнатной температуре. Если это произойдет, это будет настоящей революцией в науке, технике и вообще в жизни людей.
Следует отметить, что до настоящего времени механизм высокотемпературной сверхпроводимости керамических материалов до конца не выяснен.
Электрический ток
Электрический ток — направленное движение заряженных частиц в электрическом поле.
Заряженными частицами могут являться электроны или ионы (заряженные атомы).
Атом, потерявший один или несколько электронов, приобретает положительный заряд. — Анион (положительный ион).
Атом, присоединивший один или несколько электронов, приобретает отрицательный заряд. — Катион (отрицательный ион).
Ионы в качестве подвижных заряженных частиц рассматриваются в жидкостях и газах.
В металлах носителями заряда являются свободные электроны, как отрицательно заряженные частицы.
В полупроводниках рассматривают движение (перемещение) отрицательно заряженных электронов от одного атома к другому и, как результат, перемещение между атомами образовавшихся положительно заряженных вакантных мест — дырок.
За направление электрического тока условно принято направление движения положительных зарядов. Это правило было установлено задолго до изучения электрона и сохраняется до сих пор. Так же и напряжённость электрического поля определена для положительного пробного заряда.
На любой единичный заряд q в электрическом поле напряженностью E действует сила F = qE, которая перемещает заряд в направлении вектора этой силы.
На рисунке показано, что вектор силы F— = -qE, действующей на отрицательный заряд -q, направлен в сторону противоположную вектору напряжённости поля, как произведение вектора E на отрицательную величину. Следовательно, отрицательно заряженные электроны, которые являются носителями зарядов в металлических проводниках, в реальности имеют направление движения, противоположное вектору напряжённости поля и общепринятому направлению электрического тока.
Количество заряда Q = 1 Кулон, перемещённое через поперечное сечение проводника за время t = 1 секунда, определится величиной тока I = 1 Ампер из соотношения:
Отношение величины тока I = 1 Aмпер в проводнике к площади его поперечного сечения S = 1 m 2 определит плотность тока j = 1 A/m 2 :
Работа A = 1 Джоуль, затраченная на транспортировку заряда Q = 1 Кулон из точки 1 в точку 2 определит значение электрического напряжения U = 1 Вольт, как разность потенциалов φ1 и φ2 между этими точками из расчёта:
Электрический ток может быть постоянным или переменным.
Постоянный ток — электрический ток, направление и величина которого не меняются во времени.
Переменный ток — электрический ток, величина и направление которого меняются с течением времени.
Ещё в 1826 году немецкий физик Георг Ом открыл важный закон электричества, определяющий количественную зависимость между электрическим током и свойствами проводника, характеризующими их способность противостоять электрическому току.
Эти свойства впоследствии стали называть электрическим сопротивлением, обозначать буквой R и измерять в Омах в честь первооткрывателя.
Закон Ома в современной интерпретации классическим соотношением U/R определяет величину электрического тока в проводнике исходя из напряжения U на концах этого проводника и его сопротивления R:
Электрический ток в проводниках
В проводниках имеются свободные носители зарядов, которые под действием силы электрического поля приходят в движение и создают электрический ток.
В металлических проводниках носителями зарядов являются свободные электроны.
С повышением температуры хаотичное тепловое движение атомов препятствует направленному движению электронов и сопротивление проводника увеличивается.
При охлаждении и стремлении температуры к абсолютному нулю, когда прекращается тепловое движение, сопротивление металла стремится к нулю.
Электрический ток в жидкостях (электролитах) существует как направленное движение заряженных атомов (ионов), которые образуются в процессе электролитической диссоциации.
Ионы перемещаются в сторону электродов, противоположных им по знаку и нейтрализуются, оседая на них. — Электролиз.
Анионы — положительные ионы. Перемещаются к отрицательному электроду — катоду.
Катионы — отрицательные ионы. Перемещаются к положительному электроду — аноду.
Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.
При нагревании сопротивление электролита уменьшается из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы.
Электрический ток в газах — плазма. Электрический заряд переносится положительными или отрицательными ионами и свободными электронами, которые образуются под действием излучения.
Существует электрический ток в вакууме, как поток электронов от катода к аноду. Используется в электронно-лучевых приборах — лампах.
Электрический ток в полупроводниках
Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по своему удельному сопротивлению.
Знаковым отличием полупроводников от металлов можно считать зависимость их удельного сопротивления от температуры.
С понижением температуры сопротивление металлов уменьшается, а у полупроводников, наоборот, возрастает.
При стремлении температуры к абсолютному нулю металлы стремятся стать сверхпроводниками, а полупроводники — изоляторами.
Дело в том, что при абсолютном нуле электроны в полупроводниках будут заняты созданием ковалентной связи между атомами кристаллической решётки и, в идеале, свободные электроны будут отсутствовать.
При повышении температуры, часть валентных электронов может получать энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей и в кристалле появятся свободные электроны, а в местах разрыва образуются вакансии, которые получили название дырок.
Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары и дырка переместится на новое место в кристалле.
При встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами полупроводника и происходит обратный процесс – рекомбинация.
Электронно-дырочные пары могут появляться и рекомбинировать при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения.
В отсутствие электрического поля электроны и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.
В электрическое поле в упорядоченном движении участвуют не только образовавшиеся свободные электроны, но и дырки, которые рассматриваются как положительно заряженные частицы. Ток I в полупроводнике складывается из электронного In и дырочного Ip токов.
К числу полупроводников относятся такие химические элементы, как германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний.
Электрический ток в металлах
Электрическим током в металлах называют упорядоченное движение электронов под действием электрического поля.
Исходя из опытов, видно, что металлический проводник вещество не переносит, то есть ионы металла не участвуют в передвижении электрического заряда.
Носители тока в металлах
При исследованиях были получены доказательства электронной природы тока в металлах. Еще в 1913 году Л.И. Мандельштам и Н.Д. Папалекси выдали первые качественные результаты. А в 1916 году Р. Толмен и Б. Стюарт модернизировали имеющуюся методику и выполнили количественные измерения, которые доказывали, что движение электронов происходит под действием тока в металлических проводниках.
Рисунок 1 . 12 . 1 показывает схему Толмена и Стюарта. Катушка, состоящая из большого количества витков тонкой проволоки, приводилась в действие при помощи вращения вокруг своей оси. Ее концы были прикреплены к баллистическому гальванометру Г. Производилось резкое торможение катушки, что было следствием возникновения кратковременного тока, обусловленного инерцией носителя заряда. Измерение полного заряда производилось при помощи движения стрелок гальванометра.
Рисунок 1 . 12 . 1 . Схема опыта Толмена и Стюарта.
Во время торможения вращающейся катушки сила F = — m d υ d t , называемая тормозящей, действовала на каждый носитель заряда е . F играла роль сторонней силы, иначе говоря, неэлектрического происхождения. Именно эта сила, характеризующаяся единицей заряда, является напряженностью поля сторонних сил E с т :
E с т = — m e d υ d t .
То есть при торможении катушки происходит возникновение электродвижущей силы δ , равной δ = E с т l = m e d υ d t l , где l – длина проволоки катушки. Определенный промежуток времени процесса торможения катушки обусловлен протеканием по цепи заряда q :
q = ∫ I d t = 1 R ∫ δ d t = m e l υ 0 R .
Данная формула объясняет, что l – это мгновенное значение силы тока в катушке, R – полное сопротивление цепи, υ 0 – начальная линейная скорость проволоки. Видно, что определение удельного заряда e m в металлах производится, исходя из формулы:
Величины, находящиеся с правой стороны, можно измерить. Основываясь на результатах опытов Толмена и Стюарта, установили, что носители свободного заряда имеют отрицательный знак, а отношение носителя в его массе близко по значению удельного заряда электрона, получаемого в других опытах. Было выявлено, что электроны – это носители свободных зарядов.
Современные данные показывают, что модуль заряда электрона, то есть элементарный заряд, равняется e = 1 , 60218 · 10 — 19 К л , а обозначение его удельного заряда – e m = 1 , 75882 · 10 11 К л / к г .
При наличии отличной концентрации свободных электронов есть смысл говорить о хорошей электропроводимости металлов. Это выявили еще перед опытами Толмена и Стюарта. В 1900 году П. Друде, основываясь на гипотезе о существовании свободных электронов в металлах, создал электронную теорию проводимости металлов. Ее развил и расширил Х. Лоренц, после чего она получила название классическая электронная теория. На ее основании поняли, что электроны ведут себя как электронный газ, похожий на идеальный по своему состоянию. Рисунок 1 . 12 . 2 показывает, каким образом он может заполнить пространство между ионами, которые уже образовали кристаллическую решетку металла.
Рисунок 1 . 12 . 2 . Газ свободных электронов в кристаллической решетке металла. Показана траектория одного из электронов.
Потенциальный барьер. Движение электронов в кристаллической решетке
После взаимодействия электронов с ионами первые покидают металл, преодолевая только потенциальный барьер.
Высота такого барьера получила название работы выхода.
Наличие комнатной температуры не позволяет электронам проходить этот барьер. Потенциальная энергия выхода электрона после взаимодействия с кристаллической решеткой намного меньше, чем при удалении электрона из проводника.
Расположение е в проводнике характеризуется наличием потенциальной ямы, глубина которой получила название потенциального барьера.
Ионы, образующие решетку, и электроны принимают участие в тепловом движении. Благодаря тепловым колебаниям ионов вблизи положений равновесий и хаотичному движению свободных электронов, при столкновении первых со вторыми происходит усиление термодинамического равновесия между электронами и решеткой.
По теории Друде-Лоренца имеем, что электроны имеют такую же среднюю энергию теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального газа. Это делает возможным оценивание средней скорости υ т ¯ теплового движения электронов, используя молекулярно-кинетическую теорию.
Комнатная температура дает значение, равное 10 5 м / с .
Если наложить внешнее электрическое поле в металлический проводник, тогда произойдет тепловое упорядоченное движения электронов (электрический ток), то есть дрейф. Определение средней его скорости υ д ¯ выполняется по интервалу имеющегося времени ∆ t через поперечное сечение S проводника электронов, которые находятся в объеме S υ д ∆ t .
Количество таких е равняется n S υ д ∆ t , где n принимает значение средней концентрации свободных электронов, равняющейся числу атомов в единице объема металлического проводника. За имеющееся количество времени ∆ t через сечение проводника проходит заряд ∆ q = e n S υ д ∆ t .
Тогда I = ∆ q ∆ t = e n S υ д или υ д = I e n S .
Концентрация n атомов в металлах находится в пределах 10 28 — 10 29 м — 3 .
Формула дает возможность оценить среднюю скорость υ д ¯ упорядоченного движения электронов со значением в промежутке 0 , 6 — 6 м м / с для проводника с сечением 1 м м 2 и проходящим током в 10 А .
Средняя скорость υ д ¯ упорядоченного движения электронов в металлических проводниках на много порядков меньше скорости υ т их теплового движения υ д ≪ υ т .
Рисунок 1 . 12 . 3 демонстрирует характер движения свободного е , находящегося в кристаллической решетке.
Рисунок 1 . 12 . 3 . Движение свободного электрона в кристаллической решетке: а – хаотическое движение электрона в кристаллической решетке металла; b – хаотическое движение с дрейфом, обусловленным электрическим полем. Масштабы дрейфа υ д ¯ ∆ t сильно преувеличены.
Наличие малой скорости дрейфа не соответствует опыту, когда ток всей цепи постоянного тока устанавливается мгновенно. Замыкание производится при помощи воздействия электрического поля со скоростью c = 3 · 10 8 м / с . По прошествии времени l c ( l — длина цепи) вдоль цепи устанавливается стационарное распределение электрического поля. В ней происходит упорядоченное движение электронов.
Классическая электронная теория металлов предполагает, что их движение подчинено законам механики Ньютона. Данная теория характеризуется тем, что происходит пренебрежение взаимодействием электронов между собой, а взаимодействие с положительными ионами расценивается как соударения, при каждом из которых e сообщает накопленную энергию решетке. Поэтому принято считать, что после соударения движение электрона характеризуется нулевой дрейфовой скоростью.
Абсолютно все выше предложенные допущения приближенные. Это дает возможность объяснения законов электрического тока в металлических проводниках, основываясь на электронной классической теории.
Закон Ома
В промежутке между соударениями на электрон действует сила, равняющаяся по модулю e E , в результате чего получает ускорение e m E .
Конец свободного пробега характеризуется дрейфовой скоростью электрона, которую определяют по формуле
υ д = υ д m a x = e E m τ .
Время свободного пробега обозначается τ . Оно способствует упрощению расчетов для нахождения значения всех электронов. Средняя скорость дрейфа υ д равняется половине максимального значения:
υ д = 1 2 υ д m a x = 1 2 e E m τ .
Если имеется проводник с длиной l , сечением S с концентрацией электронов n , тогда запись нахождения тока в проводнике имеет вид:
I = e n S υ д = 1 2 e 2 τ n S m E = e 2 τ n S 2 m l U .
U = E l – это напряжение на концах проводника. Формула выражает закон Ома для металлического проводника. Тогда электрическое сопротивление необходимо находить:
R = 2 m e 2 n τ l S .
Удельное сопротивление ρ и удельная проводимость ν выражаются как:
ρ = 2 m e 2 n τ ; ν = 1 ρ = e 2 n τ 2 m .
Закон Джоуля-Ленца
Конец пробега электронов под действием поля характеризуется кинетической энергией
1 2 m ( υ д ) m a x 2 = 1 2 e 2 τ 2 m E 2 .
Исходя из предположений, энергия при соударениях передается решетке, а в последствии переходит в тепло.
Время ∆ t каждого электрона испытывается ∆ t τ соударений. Проводник с сечение S и длиной l имеет n S l электронов. Тогда выделившееся тепло в проводнике за ∆ t равняется
∆ Q = n S l ∆ t τ e 2 τ 2 2 m E 2 = n e 2 τ 2 m S l U 2 ∆ t = U 2 R ∆ t .
Данное соотношение выражает закон Джоуля-Ленца.
Благодаря классической теории, имеет место трактовка существования электрического сопротивления металлов, то есть законы Ома и Джоуля-Ленца. Классическая электронная теория не в состоянии ответить на все вопросы.
Она не способна объяснить разницу в значении молярной теплоемкости металлов и диэлектрических кристаллов, равняющейся 3 R , где R записывается как универсальная газовая постоянная. Теплоемкость металла не зависит от количества свободных электронов.
Классическая электронная теория не объясняет температурную зависимость удельного сопротивления металлов. По теории ρ
T , а исходя из экспериментов – ρ
T . Примером расхождения теории с практикой служит сверхпроводимость.
Сопротивление металлического проводника
Исходя из классической теории, удельное сопротивление металлов должно постепенно уменьшаться при понижении температуры, причем остается конечным при любой T . Данная зависимость характерна для проведения опытов при высоких температурах. Если T достаточно низкая, тогда удельное сопротивление металлов теряет зависимость от температуры и достигает предельного значения.
Особый интерес представило явление сверхпроводимости. В 1911 году его открыл Х. Каммерлинг-Оннес.
Если имеется определенная температура T к р , различная для разных веществ, тогда удельное сопротивление уменьшается до нуля с помощью скачка, как изображено на рисунке 1 . 12 . 4 .
Критической температурой для ртути считается значение 4 , 1 К , для алюминия – 1 , 2 К , для олова – 3 , 7 К . Наличие сверхпроводимости может быть не только у элементов, но и у химических соединений и сплавов. Ниобий с оловом Ni 3 Sn имеют критическую точку температуры в 18 К . Существуют вещества, которые при низкой температуре переходят в сверхпроводящее состояние, тогда как в обычных условиях ими не являются. Серебро и медь являются проводниками, но при понижении температуры сверхпроводниками не становятся.
Рисунок 1 . 12 . 4 . Зависимость удельного сопротивления ρ от абсолютной температуры T при низких температурах: a – нормальный металл; b – сверхпроводник.
Сверхпроводящее состояние говорит об исключительных свойствах вещества. Одним из важнейших является способность на протяжении длительного времени поддерживать электрический ток, возбужденный в сверхпроводящей цепи, без затухания.
Классическая электронная теория не может объяснить сверхпроводимость. Это стало возможным спустя 60 лет после его открытия, основываясь на квантово-механических представлениях.
Рост интереса к данному явлению увеличивался по мере появления новых материалов, способных обладать высокими критическими температурами. В 1986 было обнаружено сложное соединение с температурой T к р = 35 К . На следующий год сумели создать керамику с критической Т в 98 К , которая превышала Т жидкого азота ( 77 К ) .
Явление перехода веществ в сверхпроводящее состояние при Т , превышающих температуру кипения жидкого азота, называют высокотемпературной сверхпроводимостью.
Позже в 1988 году создали Tl — Ca — Ba — Cu — O соединение с критической Т , достигающей 125 К . На данный момент ученые заинтересованы в поиске новых веществ с наиболее высокими значениями T к р . Они рассчитывают на получение сверхпроводящего вещества при комнатной температуре. Если это будет сделано, произойдет революция в науке и технике. До настоящего времени все свойства и механизмы состава сверхпроводимых керамических материалов до конца не исследованы.