§ 1. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У МЕТАЛАХ

• До змісту відповідей

ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ

Як ви вважаєте, чому саме з них?

Вивчення електричного струму в різних середовищах починають із металів, оскільки вони є найпоширенішими провідниками, що використовуються в побуті та техніці.

Що ви знаєте про електричний струм у металах?

Електричний струм у металах являє собою напрямлений рух вільних електронів, який виникає під дією електричного поля.

Які частинки в металах є вільними носіями заряду?

Вільними носіями заряду в металах є вільні електрони, які слабо утримуються ядрами атомів і можуть вільно переміщатися по всьому об’єму провідника.

Наведіть приклади застосування електричного струму в металах.

Електричний струм у металах застосовують у лініях електропередач, для створення обмоток електричних двигунів, у нагрівальних елементах побутових приладів та в з’єднувальних проводах електронних пристроїв.

1. ЧОМУ ВСІ МЕТАЛИ ДОБРЕ ПРОВОДЯТЬ ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ?

1. Чому всі метали добре проводять електричний струм?

Метали добре проводять електричний струм, тому що вони містять величезну кількість вільних носіїв заряду — електронів, які здатні вільно рухатися між вузлами кристалічної ґратки.

2. ЯК БУЛО ДОВЕДЕНО, ЩО В МЕТАЛАХ САМЕ ВІЛЬНІ ЕЛЕКТРОНИ Є НОСІЯМИ ЗАРЯДУ?

У 1916 році американські дослідники Річард Толмен і Томас Стюарт провели дослід із котушкою провідника, яку швидко обертали, а потім різко зупиняли. Унаслідок інерції вільні заряджені частинки продовжували рух, що створювало в колі короткочасний електричний струм. За напрямком відхилення стрілки чутливого гальванометра вчені встановили, що цей струм створюють негативно заряджені частинки — електрони.

ДОСЛІДЖЕННЯ

Змоделюйте дослід Стюарта — Толмена. Для цього розташуйте аркуш паперу на горизонтальній поверхні столу, покладіть на аркуш кубик і поряд із ним — кульку. Почніть повільно рухати аркуш вздовж столу, поступово прискорюючи рух, а потім різко зупиніть. Проведіть аналогію між спостережуваним явищем і виникненням короткочасного струму в досліді Стюарта — Толмена.

При різкій зупинці аркуша паперу кубик і кулька продовжують рухатися вперед за інерцією відносно паперу. У досліді Стюарта — Толмена аркуш паперу виконує роль кристалічної ґратки провідника, а кубик і кулька — роль вільних електронів. Коли обертання котушки різко припиняється, вільні електрони продовжують свій рух за інерцією відносно нерухомої ґратки, що призводить до виникнення короткочасного електричного струму.

3. ЯК ОПІР МЕТАЛІВ ЗАЛЕЖИТЬ ВІД ТЕМПЕРАТУРИ?

Опір металевого провідника збільшується в разі підвищення температури і зменшується в разі її зниження. Це зумовлено тим, що при нагріванні іони у вузлах кристалічної ґратки починають коливатися інтенсивніше, частіше стикаючись із вільними електронами і створюючи більший опір їхньому напрямленому руху.

ЗАВДАННЯ

Скориставшись таблицею температурних коефіцієнтів електричного опору, визначте, яким буде опір вольфрамового дроту, якщо його нагріти до 400 °С. Опір такого дроту за температури 0 °С — 50 Ом.

Дано:

• $R_0 = 50\text{ Ом}$
• $t = 400\text{ }^\circ\text{C}$
• $\alpha = 0{,}0045\text{ }^\circ\text{C}^{-1}$ (для вольфраму)

Знайти:

• $R - ?$

Розв’язання:

$R = R_0 \cdot (1 + \alpha \cdot t)$

$R = 50 \cdot (1 + 0{,}0045 \cdot 400)$

$R = 50 \cdot (1 + 1{,}8) = 50 \cdot 2{,}8 = 140\text{ Ом}$

Відповідь: 140 Ом.

4. ЩО ТАКЕ НАДПРОВІДНІСТЬ?

Надпровідність — це властивість певних речовин і матеріалів проводити електричний струм із нульовим опором. Це явище спостерігається при охолодженні матеріалів до наднизьких температур, близьких до абсолютного нуля, що дозволяє передавати електроенергію без втрат на нагрівання.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Опишіть характер руху вільних електронів у металах за відсутності електричного поля; за наявності електричного поля.

За відсутності електричного поля вільні електрони в металах рухаються хаотично. За наявності електричного поля електрони, не припиняючи хаотичного руху, починають зміщуватися в напрямку сили, яка діє на них з боку електричного поля, і їхній рух стає напрямленим.

2. Що являє собою електричний струм у металах?

Електричний струм у металах являє собою напрямлений рух вільних електронів.

3. Опишіть суть досліду з виявлення природи електричного струму в металах.

У досліді Річарда Толмена і Томаса Стюарта котушку з металевим дротом швидко обертали, а потім різко зупиняли. Вільні заряджені частинки в дроті продовжували рух за інерцією, внаслідок чого в колі виникав короткочасний електричний струм. За напрямком відхилення стрілки гальванометра було встановлено, що цей струм створюють негативно заряджені частинки — електрони.

4. Чи залежить опір металів від температури? Якщо залежить, то як?

Опір металевих провідників залежить від температури. У разі підвищення температури опір і питомий опір металів збільшуються, а в разі зниження температури — зменшуються.

5. Схарактеризуйте температурний коефіцієнт електричного опору металів за планом характеристики фізичної величини.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

6. Що таке надпровідність?

Надпровідність — це властивість деяких речовин та матеріалів проводити електричний струм без втрат, що характеризується стрибкоподібним падінням питомого електричного опору до нуля за умови зниження температури до певних критичних значень.

ВПРАВА № 1

1. Електрон розташований в електричному полі (рис. 1). Як напрямлена сила, з якою це поле діє на електрон?

Оскільки електрон має негативний електричний заряд, сила, з якою електричне поле діє на нього, напрямлена протилежно до напрямку ліній напруженості електричного поля $\vec{E}$, тобто на рисунку 1 ця сила напрямлена вліво.

2. За рис. 1.2 визначте напрямок руху електронів після зупинки котушки та напрямок короткочасного струму, який при цьому виникає.

Після різкої зупинки котушки вільні електрони в металевому дроті продовжують рухатися за інерцією в тому ж напрямку, у якому рухалася котушка до моменту зупинки. Короткочасний електричний струм виникає в напрямку, що є протилежним до напрямку руху електронів, оскільки за напрямок струму прийнято напрямок руху позитивно заряджених частинок.

3. Чи виділяється теплота під час проходження струму в провіднику, який перебуває в надпровідному стані?

Під час проходження струму в надпровіднику теплота не виділяється, оскільки електричний опір провідника в такому стані дорівнює нулю, а згідно із законом Джоуля — Ленца кількість теплоти прямо пропорційна опору.

4. Опір вольфрамової нитки лампи розжарення за температури 0 °С дорівнює 100 Ом. Яким буде опір нитки, якщо її температура сягне 800 °С?

Дано:

• $R_0 = 100\text{ Ом}$
• $t_0 = 0\text{ }^\circ\text{C}$
• $t = 800\text{ }^\circ\text{C}$
• $\alpha = 0{,}0045\text{ }^\circ\text{C}^{-1}$ (температурний коефіцієнт опору вольфраму)

Знайти:

• $R - ?$

Розв’язання:

Залежність опору металевого провідника від температури визначається за формулою:

$R = R_0 \cdot (1 + \alpha \cdot t)$

$R = 100 \cdot (1 + 0{,}0045 \cdot 800)$

$R = 100 \cdot (1 + 3{,}6) = 100 \cdot 4{,}6 = 460\text{ Ом}$

Відповідь: 460 Ом.

ВПРАВА № 1

5. На рис. 2 подано графік залежності опору металевого провідника від температури. Яким є температурний коефіцієнт опору цього металу?

Дано:

• $t_0 = 0^\circ\text{C}$
• $R_0 = 20\text{ Ом}$
• $t = 250^\circ\text{C}$
• $R = 40\text{ Ом}$

Знайти:

• $\alpha - ?$

Розв’язання:

Залежність опору металу від температури визначається за формулою:
$R = R_0 \cdot (1 + \alpha \cdot t)$

Звідси виражаємо температурний коефіцієнт опору:
$R = R_0 + R_0 \cdot \alpha \cdot t$
$\alpha = \dfrac{R - R_0}{R_0 \cdot t}$

Підставляємо значення з графіка:
$\alpha = \dfrac{40 - 20}{20 \cdot 250}$
$\alpha = \dfrac{20}{5000} = 0,004\text{ K}^{-1}$

Відповідь: температурний коефіцієнт опору металу становить $0,004\text{ K}^{-1}$.

6. У скільки разів зміниться сила струму в платиновому дроті, якщо його охолодити від 0 °С до -40 °С? Напруга на дроті є незмінною.

Дано:

• $t_1 = 0^\circ\text{C}$
• $t_2 = -40^\circ\text{C}$
• $\alpha = 0,0039\text{ K}^{-1}$ (температурний коефіцієнт опору платини)
• $U = \text{const}$

Знайти:

• $\dfrac{I_2}{I_1} - ?$

Розв’язання:

За законом Ома сила струму дорівнює:
$I = \dfrac{U}{R}$

Запишемо значення сили струму для двох станів:
$I_1 = \dfrac{U}{R_0}$
$I_2 = \dfrac{U}{R_0 \cdot (1 + \alpha \cdot t_2)}$

Знайдемо відношення сили струму:
$\dfrac{I_2}{I_1} = \dfrac{U}{R_0 \cdot (1 + \alpha \cdot t_2)} \cdot \dfrac{R_0}{U} = \dfrac{1}{1 + \alpha \cdot t_2}$

$\dfrac{I_2}{I_1} = \dfrac{1}{1 + 0,0039 \cdot (-40)}$
$\dfrac{I_2}{I_1} = \dfrac{1}{1 - 0,156} = \dfrac{1}{0,844} \approx 1,18$

Відповідь: сила струму збільшиться приблизно в 1,18 раза.

7. Металева нитка розжарення електричної лампи поступово тоншає через випаровування металу з її поверхні та врешті перегоряє. Поясніть, чому нитка перегоряє в найтоншому місці й найчастіше в той момент, коли лампу вмикають.

Нитка перегоряє в найтоншому місці через те, що за меншої площі поперечного перерізу опір провідника є найбільшим. Згідно із законом Джоуля — Ленца, саме в ділянці з найбільшим опором виділяється максимальна кількість теплоти, що спричиняє надмірне нагрівання та плавлення металу. Перегоряння найчастіше відбувається під час увімкнення, оскільки опір холодної нитки в кілька разів менший за опір розжареної нитки в робочому стані. Це призводить до різкого стрибка сили струму в момент замикання кола, що створює критичне теплове навантаження на найслабшу ділянку нитки.

8. Дізнайтеся, що означає вираз «високотемпературна надпровідність». Про яку температуру тут ідеться?

Вираз «високотемпературна надпровідність» означає здатність певних матеріалів (переважно складних керамічних сполук) повністю втрачати електричний опір за температур, які є значно вищими за температуру кипіння рідкого гелію ($4,2\text{ К}$). У цьому контексті йдеться про температури вище за поріг кипіння рідкого азоту ($77\text{ К}$, або $-196^\circ\text{C}$), що робить практичне використання надпровідників значно дешевшим і доступнішим.

TOP SKILLS: РОБОТА З ІНФОРМАЦІЄЮ

1. На чому ґрунтується дія термометрів опору?

Дія термометрів опору ґрунтується на фізичній властивості металевих провідників змінювати свій електричний опір залежно від зміни температури навколишнього середовища.

TOP SKILLS: РОБОТА З ІНФОРМАЦІЄЮ

2. У яких одиницях градуюють шкалу приладу?

Шкалу термометра опору градуюють в одиницях температури (градусах Цельсія).

3. Яка фізична величина насправді вимірюється в приладі?

У приладі насправді вимірюється електричний опір металевого провідника, що змінюється залежно від температури середовища.

4. Чому, незважаючи на кошти, платинові термометри використовують найчастіше?

Платинові термометри використовують найчастіше, тому що платина не окислюється в повітрі, що забезпечує високу точність і стабільність показників протягом тривалого часу.

5. Який пристрій зображено на заставці до § 1?

На заставці до § 1 зображено термометр опору.

6. Поміркуйте, чому для вимірювання дуже високих і дуже низьких температур не можна використовувати рідинний термометр.

Рідинний термометр не можна використовувати для таких вимірювань через обмежений температурний діапазон застосування робочих рідин: при дуже низьких температурах рідина замерзає, а при дуже високих — закипає. Крім того, при надвисоких температурах може відбутися деформація або плавлення скляного корпусу самого термометра.

TOP SKILLS: РОБОТА З ІНФОРМАЦІЄЮ

7. Чому, на вашу думку, схематичне позначення термометра опору дуже схоже на позначення резистора?

Схематичне позначення термометра опору схоже на позначення резистора, оскільки за своєю будовою він і є резистором, електричний опір якого функціонально залежить від температури.

8. Чому, на вашу думку, мідні й нікелеві термометри є менш стабільними?

Мідні та нікелеві термометри є менш стабільними порівняно з платиновими через схильність цих металів до окиснення при нагріванні, що призводить до поступової зміни їхніх електричних характеристик.

9. Однією з винахідницьких пропозицій є така: замінити сталевий корпус датчика на пластиковий як дешевший і гнучкіший. Обговоріть цю пропозицію в групах. Чи матимуть попит такі термометри? Чому?

Такі термометри не матимуть широкого попиту, оскільки пластик має низьку теплопровідність, що значно збільшить час реакції датчика на зміну температури середовища, а також він не здатний витримувати високі температури, при яких зазвичай працюють промислові термометри опору.