Залежність опору провідника від температури – коротко

Різні речовини мають різні питомі опори. Чи залежить опір від стану провідника? Від його температури? Відповідь має дати спеціальний дослід.

Якщо пропустити струм від акумулятора через сталеву спіраль, а потім почати нагрівати її в полум’ї пальника, то амперметр покаже зменшення сили струму. Це означає, що зі зміною температури опір провідника змінюється.

Якщо при температурі, що дорівнює 0°С, опір провідника R0, а при температурі t він дорівнює Кб то відносна зміна опору, як показує досвід, прямо пропорційно зміні температури t.

Коефіцієнт пропорційності α називають температурним коефіцієнтом опору.

Запам’ятай

Температурний коефіцієнт опору – величина, рівна відношенню відносної зміни опору провідника до зміни його температури.

Він характеризує залежність опору речовини від температури.

Важливо

Температурний коефіцієнт опору чисельно дорівнює відносній зміні опору провідника при нагріванні на 1 К (на 1°С).

Для всіх металевих провідників коефіцієнт α > 0 і незначно змінюється зі зміною температури. Якщо інтервал зміни температури невеликий, то температурний коефіцієнт можна вважати постійним і рівним його середньому значенню на цьому інтервалі температур.

Важливо

У розчинів електролітів опір зі зростанням температури не збільшується, а зменшується. Для них α < 0. Наприклад, для 10%-вого розчину кухонної солі α = -0,02 К-1.

Обговоріть з сусідом по парті питання про відмінності характерів залежності опору металів і розчинів електролітів від температури. Чим це розходження визначається?

При нагріванні провідника його геометричні розміри змінюються незначно. Опір провідника змінюється в основному за рахунок зміни його питомого опору.

Запам’ятай

Так як α мало змінюється при зміні температури провідника, то можна вважати, що питомий опір провідника лінійно залежить від температури.

Збільшення опору можна пояснити тим, що при підвищенні температури збільшується амплітуда коливань іонів у вузлах кристалічної решітки, тому вільні електрони стикаються з ними частіше, втрачаючи при цьому спрямованість руху. Хоча коефіцієнт α досить малий, облік залежності опору від температури при розрахунку параметрів нагрівальних приладів абсолютно необхідний. Так, опір вольфрамової нитки лампи розжарювання збільшується при проходженні по ній струму за рахунок нагрівання більш ніж в 10 разів.

У деяких сплавів, наприклад у сплаву міді з нікелем (Мельхіор), температурний коефіцієнт опору дуже малий: α ≈ 10-5 К-1; питомий опір Мельхіора великий:

ρ ≈ 10-6 Ом • м.

Такі сплави використовують для виготовлення еталонних резисторів і додаткових резисторів до вимірювальних приладів, тобто в тих випадках, коли потрібно, щоб опір помітно не змінювався при коливаннях температури.

Існують і такі метали, наприклад:

  • нікель;
  • олово;
  • платина та ін.

Температурний коефіцієнт яких істотно більше: α ≈ 10-3 К-1. Залежність їх опору від температури можна використовувати для вимірювання самої температури, що і здійснюється на термометрах опору.

На залежності опору від температури засновані і прилади, виготовлені з напівпровідникових матеріалів – термістори. Для них характерні великий температурний коефіцієнт опору (в десятки разів перевищує цей коефіцієнт у металів), стабільність характеристик у часі. Номінальний опір термісторів значно вище, ніж у металевих термометрів опору, він зазвичай становить 1, 2, 5, 10, 15 і 30 кОм.

Зазвичай в якості основного робочого елементу термометра опору беруть платиновий дріт, залежність опору якого від температури добре відома.

Про зміни температури судять по зміні опору дроту, який можна виміряти.

Такі термометри дозволяють вимірювати дуже низькі і дуже високі температури, коли звичайні рідинні термометри непридатні.

Опір металів зменшується зі зменшенням температури. Що відбудеться при прагненні температури до абсолютного нуля?

У 1911 році голландський фізик X. Камерлінг-Оннес відкрив чудове явище – надпровідність. Він виявив, що при охолодженні ртуті в рідкому гелії її опір спочатку змінюється поступово, а потім при температурі 4,1 К дуже різко падає до нуля.

Запам’ятай

Явище падіння до нуля опору провідника при критичній температурі називається надпровідністю.

Відкриття Камерлінг-Оннеса, за яке в 1913 році йому була присуджена Нобелівська премія, спричинило за собою дослідження властивостей речовин при низьких температурах. Пізніше було відкрито багато інших надпровідників.

Надпровідність багатьох металів і сплавів спостерігається при дуже низьких температурах – починаючи приблизно з 25 К.

Запам’ятай

Температура, при якій речовина переходить в надпровідний стан, називається критичною температурою.

Критична температура залежить не тільки від хімічного складу речовини, але і від структури самого кристала. Наприклад, сіре олово має структуру алмазу з кубічною кристалічною решіткою і є напівпровідником, а біле олово володіє тетрагональною елементарною клітинкою і є сріблясто-білим, м’яким, пластичним металом, здатним при температурі, що дорівнює 3,72 R переходити в надпровідний стан.

У речовин в надпровідному стані були відзначені різкі аномалії магнітних, теплових і ряду інших властивостей, так що правильніше говорити не про надпровідний стан, а про особливий, спостережуваний при низьких температурах стан речовини.

Якщо в кільцевому провіднику, що знаходиться в надпровідному стані, створити струм, а потім видалити джерело струму, то сила цього струму не змінюється як завгодно довго. У звичайному ж (незверхпровідному) провіднику електричний струм в цьому випадку припиняється.

Надпровідники знаходять широке застосування.

Так, споруджують потужні електромагніти зі надпровідною обмоткою, які створюють магнітне поле протягом тривалих інтервалів часу без витрат енергії. Адже виділення тепла в надпровідній обмотці не відбувається.

Однак отримати як завгодно сильне магнітне поле за допомогою надпровідного магніту не можна. Дуже сильне магнітне поле руйнує надпровідний стан. Таке поле може бути створене і струмом в самому надпровіднику. Тому для кожного провідника в надпровідному стані існує критичне значення сили струму, перевищити яке, не порушуючи надпровідного стану, не можна.

Надпровідні магніти використовуються в прискорювачах елементарних частинок, магнітогідродинамічних генераторах, що перетворюють механічну енергію струменя розпеченого іонізованого газу, що рухається в магнітному полі, в електричну енергію.

Пояснення надпровідності можливе тільки на основі квантової теорії.

Воно було дано лише в 1957 р американськими ученими Дж. Бардіним, Л. Купером, Дж. Шріффером і радянським ученим, академіком Н. Н. Боголюбовим.

У 1986 році була відкрита високотемпературна надпровідність. Отримано складні оксидні сполуки лантану, барію та інших елементів (кераміки) з температурою переходу в надпровідний стан близько 100 К. Це вище температури кипіння рідкого азоту при атмосферному тиску (77 К).

Високотемпературна надпровідність в недалекому майбутньому призведе напевно до нової технічної революції у всій електротехніці, радіотехніці, конструюванні ЕОМ. Зараз прогрес у цій галузі гальмується необхідністю охолодження провідників до температур кипіння дорогого газу – гелію.

Фізичний механізм надпровідності досить складний.

Дуже спрощено його можна пояснити так: електрони об’єднуються в правильну шеренгу і рухаються, не стикаючись з кристалічною решіткою, що складається з іонів. Цей рух істотно відрізняється від звичайного теплового руху, при якому вільний електрон рухається хаотично.

Треба сподіватися, що вдасться створити надпровідники і при кімнатній температурі. Генератори і електродвигуни стануть виключно компактними (зменшаться у кілька разів) і економічними. Електроенергію можна буде передавати на будь-які відстані без втрат і акумулювати в простих пристроях.

Посилання на основну публікацію