Залежність опору металів від температури. Надпровідність

Експериментально було встановлено, що в разі підвищення температури електричний опір металу збільшується.

Згідно з електронною теорією металів, в ідеальній кристалічній решітці електрони рухаються, не зазначаючи електричного опору.

Причинами, що викликають появу електричного опору в металах, є сторонні домішки й дефекти кристалічної решітки, а також тепловий рух атомів металів, амплітуда коливань яких залежить від температури.

Правило Матіссена стверджує, що залежність питомого електричного опору від температури ρ(Τ) є складною функцією, яка має дві складові:

де ρзал — залишковий питомий опір, ρід — ідеальний питомий опір металу, який відповідає опору абсолютно чистого металу й визначається лише тепловими коливаннями атомів.

Згідно із загальними міркуваннями, питомий опір ідеального металу повинен прямувати до нуля, якщо Τ →0 (рис. 3.19, крива 1). Але питомий опір є сумою незалежних доданків ρід і ρзал , і тому в зв’язку з наявністю домішок та інших дефектів кристалічної решітки металу питомий опір ρ(Τ) за зниження температури прямує до деякої скінченої величини ρзал (рис. 3.19, крива 2), інколи переходячи мінімум і дещо підвищуючись за подальшого зниження температури.

Для деяких чистих металів за низьких температур були отримані значення ρ(Τ) , які в 10^4 ÷10^5 разів менше питомого опору даного металу за кімнатної температури, але досягнути ρ(Τ) = 0 не вдавалось. Величина ρзал залежить від наявності дефектів у решітці та вмісту домішок, зростаючи за збільшення їх концентрації.

Якщо ж кількість домішок і дефектів решітки звести до мінімуму, то залишається ще один фактор, який впливає на електричний опір металів, — теплове коливання електронів на орбітах, яке, згідно з квантовою механікою, не припиняється й за температури абсолютного нуля. У результаті цих коливань решітка перестає бути ідеальною, і в просторі виникають змінні сили, дія яких приводить до розсіювання вільних електронів, тобто виникнення опору.

Надпровідність

У 1911 р. нідерландський фізик Камерлінг—Оннес провів низку дослідів з чистою ртуттю. Він зіштовхнувся з новим, неочікуваним явищем. Питомий опір ртуті за температурі 4,2 К (приблизно –269 ºС) різко зменшився до такої малої величини, що його практично було неможливо виміряти. Це явище Камерлінг— Оннес назвав надпровідністю. Неочікуваним виявилось і те, що додавання до ртуті різних домішок не завадило виникненню явища надпровідності за цієї температури.

Електрони в такому провіднику, отримавши імпульс електричних сил поля, починали рухатися за інерцією, не зустрічаючи жодного опору з боку атомів провідника. Якщо зробити замкнене коло з такого надпровідника, то електричний струм у ньому не загасає впродовж тривалого часу. Спроба оцінити загасання струму (з дослідних даних) свідчить, що залишковий опір надпровідника, якщо він існував, має бути менше в 1017 разів опору цього провідника за кімнатної температури.

Якщо за допомогою деяких зовнішніх джерел у замкненому колі індукувати струм, а потім температуру зробити нижче Τкр і вимкнути зовнішнє джерело ЕРС, то в звичайному ланцюгу струм швидко загасає, а в надпровіднику він доволі довго зберігається незмінним.

У процесі подальшого дослідження встановлено, що структура кристалічної решітки, однорідність і чистота матеріалу значно впливають на характер переходу в стан надпровідності. Це добре видно на рис. 3.20, на якому наведено криві переходу в надпровідний стан олова різної чистоти (крива І — монокристалічне олово; 2 —полікристалічне олово, 3 — полікристалічне олово з домішками).

Результати дослідів свідчать, що за температури нижче критичної Τкр (властива цьому металу) деякі метали й сплави переходять у стан надпровідності. На сьогодні таких металів і сплавів відомо вже більше як 20. Якщо температура вища за критичну, то рідина майже стрибкоподібна переходить у нормальний стан.

Емпіричні правила

У процесі вивчення надпровідників установлені емпіричні правила:

  • явище надпровідності спостерігається у металів, у яких число валентних електронів знаходиться в межах від 2 до 8;
  • за однакової кількості валентних електронів значення критичної температури залежить від види кристалічної решітки;
  • величина Τкр із збільшенням маси атомів зменшується.

Явище надпровідності пояснюється утворенням зв’язаних електронних пар. Відомо, що між електронами діють кулонівські сили відштовхування. Крім того, на електрони діють позитивні іони
кристалічної решітки металу, послабляючи кулонівські сили. У результаті взаємодії електронів з решіткою між окремими електронами можуть виникнути сили тяжіння. Механізм цієї взаємодії має не лише електростатичний характер. З погляду квантової механіки, ці сили з’являються в результаті того, що електрони можуть обмінюватися фотонами — квантами коливання решітки. Обмін фононами призводить до слабкого тяжіння електронів.

Якщо сили тяжіння більші за кулонівські сили відштовхування, то утворюються зв’язані електроні пари з заниженою енергією. Електронний газ, що складається із таких зв’язаних електронних пар, має інші властивості, ніж електронний газ. За доволі низьких температур такий газ має властивості надтекучості, оскільки електрони в надпровіднику рухаються без тертя об вузли решітки.

Нагрівання металу, а також проходження струму по ньому спричиняє розрив електронних пар і зникнення надпровідності. Якщо надпровідник увімкнений у ланцюг і струм у ланцюгу перевищує критичне значення Ιкр , то в надпровіднику відновлюється омічний опір і починається виділення теплоти.

На перехід металу в стан надпровідності впливають такі зовнішні фактори, як зовнішнє магнітне поле, тиск та ін. Явище надпровідності отримало застосування в радіотехніці й приладобудуванні, його використовують для управління процесами теплопровідності в кріогенних приборах, створення високочутливих термометрів, потужних магнітних полів тощо.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *