Проводимость металлов и закон Ома

Современным людям (даже не особо разбирающимся в физике) закон Ома кажется простым: чем больше напряжение в проводнике, тем сила тока выше, чем больше сопротивление проводника, тем она ниже. Однако в первой половине XIX в. никто понятия не имел, из чего «сделан» ток, что влияет на его скорость, силу и т. д. До 1840-х ученые полагали, будто проводник никоим образом не участвует в движении тока. Немецкий физик Георг Симон Ом (1789—1854) был первым, кто в этом усомнился и потому решил измерить силу тока.

Поскольку специальных измерительных приборов тогда попросту не было, Ом решил доработать «крутильные весы» — изобретение француза Ш.-О. Кулона, которое представляло собой подвешенное на нити коромысло с двумя грузами по краям. Результатом упорного руда стал прибор, идеально подходящий для измерений тока, и Ом наконец-то начал свои эксперименты.

Для этого он взял термоэлемент — устройство, преобразующее тепловую энергию в электрическую, — в составе медного и висмутового брусков, соединенных между собой. Над термоэлементом на золотой проволоке была подвешена магнитная стрелка, накрытая стеклянным колпаком, защищавшим ее от движения воздуха. Когда место соединения металлических брусков нагревалось, по цепи начинал идти электрический ток — более стабильный, чем ток, который генерировался гальванической батареей и испытывал постоянные скачки напряжения. Под действием тока стрелка отклонялась, но Ом, подкручивая проволоку, возвращал ее в исходную позицию и замерял транспортиром угол поворота. В зависимости от величины этого угла и определялась сила тока.

Ученый поставил еще несколько аналогичных опытов с другими проводниками и в результате убедился: сила тока возрастает пропорционально увеличению напряжения («возбуждающей силы», то есть работы электрического поля, связанной с переносом заряда). Ом даже составил таблицы таких соответствий, а затем попробовал варьировать протяженность проводника и выявил, что с увеличением длины растет сопротивление цепи и уменьшается сила тока.

Читать:  Попытки объяснить природу

Далее Ом сравнил поведение тока в проводниках, находящихся в огне и в воде со льдом, и заключил: чем жарче, тем сопротивление больше; чем холоднее, тем сопротивление меньше. Кроме того, ученый ввел понятия электропроводности (характеристики вещества, противоположной сопротивлению) и электродвижущей силы — способности источника тока поддерживать определенное напряжение на входе и на выходе из цепи. Открытия Ома сыграли такую значимую роль в развитии физики, что немецкий ученый О. Ломмель назвал их ярким факелом, который озарил ранее темную сферу электричества.

В 1879 г. американский ученый Э. Холл обнаружил любопытный эффект — возникновение электрического напряжения на нижней и верхней кромках тонкой золотой пластины, установленной вертикально между двумя магнитами. Это можно было объяснить только тем, что магнитный поток «разгоняет» на края пластины некие крошечные частицы, которые несут в себе заряд. Существование таких частиц, входящих в состав атомов, было подтверждено опытами английского физика Дж. Дж. Томсона 18 лет спустя, и впоследствии носители заряда получили название электронов. Перед учеными встала задача объяснить явление сопротивления с позиции атомного строения вещества, и решить ее вызвался немец — Пауль Друде (1863—1906).

Согласно его теории, структура металлического проводника представляет собой решетку из атомов. Каждый атом окружен внешней оболочкой из свободных электронов, которыми можно обмениваться с «соседями». Некоторые из этих электронов отправляются в вольное плавание и превращаются в нечто похожее на идеальный газ. Когда в проводнике возникает напряжение — то есть при замыкании цепи, — электроны сразу же выстраиваются и начинают упорядоченно разгоняться. Но по пути они натыкаются на кристаллическую атомную решетку и тормозят до скорости примерно 2 мм в секунду — так и возникает сопротивление. Со своей стороны, атомы от столкновений слегка раскачиваются, из-за чего проводник нагревается. Несмотря на медлительность электронов, свет в лампах зажигается сразу, поскольку при нажатии на кнопку выключателя частицы срываются с места одновременно.

Читать:  Инфракрасное излучение

Описывая свободные электроны, Друде разработал формулу, где проводимость вещества определяется концентрацией, массой, зарядом электронов и средним временем их движения между столкновениями. Эта теория смогла объяснить многие процессы, касающиеся электропроводности, и развивать ее взялся немецкий ученый Карл Рикке (1845—1915). Пропуская электрический заряд через металлы, Рикке установил, что, в отличие от жидких проводников, они не меняют своих химических свойств, то есть их молекулы не распадаются на заряженные атомы — ионы.

В 1913 г. русские ученые Л. Мандельштам и Н. Папалекси экспериментально показали, что заряженные частицы, создающие в металлах электрический ток, обладают массой. Для этого ученым понадобилась проволочная катушка и… динамики. Подключив динамики к катушке, исследователи раскрутили ее, затем резко остановили — и услышали щелчок. Тот же результат дало раскручивание в другую сторону, и ученые заключили, что из-за резкой остановки электроны отбрасывает в конец провода, словно пассажиров автобуса. Инерция становится электродвижущей силой — по проводу пробегает импульс тока. А это значит, что у частиц, так же как у людей, должна быть масса. Таким образом, Мандельштам и Папалекси подтвердили предположения Друде о возникновении тока вследствие движения частиц — носителей заряда — через кристаллическую решетку.

Через три года американцы Р. Толмен и Т. Стюарт благодаря гальванометру сумели определить массу электрона. Подсоединив прибор к катушке из 500-метрового провода, ученые раскрутили ее до скорости 500 м/с, а затем остановили. В ходе раскручивания гальванометр фиксировал появление инерции, исполняющей роль сторонней электродвижущей силы, так что после остановки катушки исследователи интегрировали (то есть суммировали) эти показания по всей длине провода — и получили формулу ЭДС. Затем, собрав все данные (ЭДС, длину провода и его сопротивление, радиус катушки, направление и скорость вращения, время остановки), они вычислили удельный заряд частицы — отношение ее элементарного заряда к массе. А попутно выяснили, что знак заряда, который несут изучаемые частицы, отрицательный. Данное открытие стало фундаментом классической теории электропроводности металлов.

Читать:  Электрон: как открыли элементарную частицу, переносящую заряд

Постепенно сформировалось шесть базовых положений этой теории:

  1. Чем больше в металле свободных электронов, тем выше его способность проводить ток.
  2. Все металлы имеют разное сопротивление, поскольку количество электронов в их кристаллических решетках не одинаково.
  3. По мере роста температуры внутри металла его сопротивление увеличивается.
  4. Чтобы в металле возник ток, необходима внешняя сила, которая упорядочит хаотичное движение электронов.
  5. Ток возникает в тот самый момент, когда начинается воздействие на электроны.
  6. Сила тока в металле соответствует закону Ома.

Из третьего пункта следует, что нагревание металла изнутри снижает его способность проводить ток — ведь из-за высокой температуры стройное движение электронов нарушается, и они начинают беспорядочно метаться, то и дело натыкаясь на решетку и разогревая проводник еще больше. Поэтому важно следить за тем, чтобы проводники не перегревались.

Открытие электропроводности стало первым шагом к глубокому изучению свойств металлических проводников тока, вследствие чего была создана теоретическая база для конструирования бытовой и производственной техники, которая является неотъемлемой частью современной жизни.

Оставить эмоцию
Нравится Тронуло Ха-Ха Ого Печаль Злюсь
Поддержите проект Мир Знаний, подпишитесь на наш канал в Яндекс Дзен

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о