Зависимость электропроводимости от температуры, явление сверхпроводимости

Электростатическое поле при наличии проводников. Распределение зарядов на поверхности проводника. Поле вблизи поверхности проводника. Зависимость поверхностной плотности зарядов от кривизны поверхности.

I. Если заряженный (или незаряженный) проводник поместить во внешнее электрическое поле, то поверхностные заряды на проводнике перераспределяются так, что создаваемое ими внутри проводника поле полностью компенсирует внешнее поле (Рис. 54)., в результате суммарная напряжённость поля внутри проводника равна нулю (Е_внутри=0).

Явление перераспределения поверхностных зарядов на проводнике при его помещении во внешнее электрическое поле называется электрической индукцией.

  Рис. 54

Так как _внутри=0 то т. е внутри проводника отсутствует заряд т.е в отсутствие электрического тока заряды распределяются только на поверхности проводника.

В химически и физически неоднородном проводнике, в котором существуют сторонние эдс, вообще говоря ρ≠0 и внутри проводника

Это используют при электростатической защите технических устройств от влияния внешних электрических полей.

Обратное невозможно, т. е если внутрь поместить заряд, то его поле прорвётся через металлическую оболочку.

Чтобы экранировать от заряда внешнее пространство необходимо «заземлить» оболочку (соединить проводником с очень большим удалённым проводящим телом – например с Землёй).

    Рис. 55

II. Так как свободные заряды располагаются только на поверхности проводника, то у поверхности проводника тангенциальная составляющая напряжённости поля равна нулю

E_τ(вблизи поверхности)=0

и откуда

a) По теореме о циркуляции вектора (Рис. 55).

L – элементарный прямоугольный контур (Δl₁ параллельно поверхности проводника)

отсюда

b) По теореме Гаусса для вектора (Рис.56).:

    Рис. 56

откуда

III. Т. к на поверхности и внутри, то потенциал во всех точках внутри проводника и на поверхности одинаков.

()

4) Заряды на поверхности проводника располагаются неравномерно. Поверхностная плотность σ связана с радиусом кривизны ρ: чем он меньше, тем больше поверхностная плотность заряда.

Модель проводника (Рис. 57).:

т.к.

, т.к.

Рис. 57

Т.к. напряжённость поля у поверхности проводника сложной формы – неодинакова: она особенно велика возле участков с малым радиусом кривизны, т.е. у заострений.

Это приводит к явлению “ стекания ” зарядов с металлического острия (Рис. 58)..

  Рис. 58

Поле настолько велико, что оно ионизирует окружающий воздух, появляются положительные и отрицательные ионы. Ионы с тем же знаком заряда, что и острия (на рис. 58 “+”), движутся от острия; ионы противоположного знака – к острию, уменьшая его заряд.Ионы, движущиеся от острия, увлекают в своём движении нейтральные молекулы направленное течение воздуха от острия – “электрический” ветер (обнаруживается поднесением к острию свечи).

Применяется: для съёма зарядов в различных устройствах.

Сопротивление многих металлов (и их сплавов) при очень низких температурах, называемых критическими, характерных для каждого вещества, скачкообразно уменьшаются до 0, т.е. металл становится абсолютным проводником. Впервые это явление, названное сверхпроводимостью, обнаружено в 1911 году Г.Камрлинг-Оннесом для ртути.

Различные опыты приводят к выводу, что при переходе металла в сверхпроводящее состояние не изменяется структура его кристаллической решетки, не изменяются его механические и оптические свойства, однако при таком переходе качественно меняются его магнитные и тепловые свойства. Так, в отсутствии магнитного поля переход в сверхпроводящее состояние сопровождается скачкообразным изменением теплоемкости, а при переходе в сверхпроводящее состояние во внешнем магнитном поле скачком изменяются и теплопроводность, и теплоемкость. Достаточно сильное магнитное поле (а следовательно, и сильный электрический ток, протекающий по сверхпроводнику) разрушает сверхпроводящее состояние.

Как показала немецкий физик Мейсснер, в сверхпроводящем состоянии магнитное поле в толще сверхпроводника отсутствует. Это означает, что при охлаждении сверхпроводника ниже критической температуры магнитное поле из него вытесняется. (эффект Мейсснера).

Для металлической проволоки или однородного проводника цилиндрической формы сопротивление может быть рассчитано по формуле: , где l и S длина и сечение проволоки соответственно, - удельное сопротивление, - удельная проводимость.

Удельное сопротивление и соответственно удельная проводимость зависят от концентрации и заряда носителей тока, структуры вещества (параметров кристаллической решетки для твердых тел), температуры. 1 Ом×м

Установлено, что для многих металлов и сплавов удельное сопротивление линейно зависит от температуры (при не слишком низких температурах): , где - удельное сопротивление при 0⁰С, -температурный коэффициент сопротивления.

Основной причиной увеличения удельного сопротивления с ростом температуры

является возрастание интенсивности хаотического движения ионов кристаллической решетки. Экспериментально установлено, впервые для ртути, а затем для многих металлов и сплавов, что при температурах близких к абсолютному нулю (0,14 – 20 К) удельное сопротивление скачкообразно уменьшается до нуля.

Это явление, названное сверхпроводимостью, невозможно объяснить в рамках классической физики и поэтому рассматривается лишь на основе квантовой теории.

РИС.57 РИС.58 РИС.59

Дата добавления: 2014-01-04