uabooks.top

Az elektromos izzólámpa volfrámszála a fém felszínéről történő párolgás folytán fokozatosan vékonyodik; végül a legvékonyabb pontban elszakad. Vajon miért a bekapcsolás pillanatában ég ki az izzó leggyakrabban? Ha most nem tudtok válaszolni erre a kérdésre, akkor térjetek vissza hozzá a paragrafus elolvasása után.

A Stewart-Tolman kísérlet

Ha a fém vezetőt (1) gyorsan forgatják saját tengelye körül, majd hirtelen lefékezik, a szabad töltésű részecskék tehetetlenségük folytán tovább mozognak -a vezetőben rövid idejű elektromos áram jön létre. A galvanométer (2) mutatójának elmozdulása alapján megállapítható, milyen előjelű töltések alkotják ezt az áramot, a vezető ellenállásának, az áramerősségnek és a forgás lineáris sebességének ismeretében pedig az is megtudható, hogy konkrétan milyen részecskék hozzák létre az áramot.

Ezt a kísérletet 1916-ban Richard Tolman (1881-1948) és Thomas Stewart (1890-1958) amerikai tudósok végezték el. Kísérletileg bebizonyították, hogy az elektromos áram a fémekben szabad elektronok irányított mozgása.

Hogyan mozognak az elektronok a fém vezetőben?

Az elektron felfedezése után három évvel, 1900-ban Paul Drude német fizikus (1863-1906) felállította a fémek vezetésének elektronelméletét, amely alapján az elektronok a fémekben az ideális gáz molekuláihoz hasonlóan viselkednek. Napjainkban ezt az elméletet klasszikus elektronelméletnek nevezik.

A klasszikus elektronelmélet a fémek belső felépítését a pozitív ionok által alkotott és a szabad elektronok „felhőjében” lévő kristályrácsként vizsgálja. Amikor a fém vezetőben elektromos tér keletkezik, az elektronok kaotikus mozgása az elektromos térerősség irányával ellentétes sodródásba megy át. Az elektronoknak ez a sodródása az elektromos áram.

Az elektromos áram a fémekben a szabad elektronok irányított mozgása.

Képzeljük el az elektronok elektromos térrel rendelkező fémekben végbemenő mozgásának modelljét. A klasszikus elmélet szerint az elektron viszonylag rövid idő alatt gyorsul fel az elektromos térben, majd pozitív ionnal ütközve megváltoztatja mozgásirányát. Utána az elektromos tér irányában ismét felgyorsul, újra ütközik. Az ütközések során az elektron az elektromos tér hatására kapott kinetikus energiájának egy részét az ionnak adja át. Éppen ezek az ütközések „felelnek” a fém ellenállásáért.

Meghatározzuk az elektronok irányított mozgásának v átlagsebességét. A vezető S keresztmetszetén t idő alatt N számú elektron

halad át:

ahol n — szabad elektronok

koncentrációja a vezetődben. Ezalatt

töl

tés mozdul el. A meghatározás szerint:

Tehát a következőt kapjuk:

Határozzátok meg az elektronok irányított mozgásának átlagsebességét az 1 mm² keresztmetszetű rézhuzalban 1 A áramerősség esetén, ha a szabad elektronok koncentrációja a rézben n = 8,4-10²⁸ m-³!

Milyen gyorsan mozognak az elektronok?

A szabad elektronok kaotikus mozgásának átlagsebessége óriási - közel 300 km/s. Viszont irányított mozgásuk átlagsebessége rendkívül kicsi - néhány tizedmillimé-ter másodpercenként. Akkor miért alszik ki azonnal az izzólámpa, ha lekapcsoljuk? Arról van szó, hogy az elektromos tér a vezetőkben 300 000 km/s sebességgel terjed. A tér hatására a vezető tetszőleges pontjában lévő szabad elektronok szinte azonnal irányított mozgásba kezdenek.

Számítsátok ki, hogy a lejátszó bekapcsolása után mennyi idő múlva keletkezne hang a fülhallgatóban, ha az elektromos tér az irányított elektronok sebességével terjedne!

Hogyan függ a fémek ellenállása a hőmérséklettől?

A fém vezetők ellenállása nemcsak azok mértani paramétereitől és anyaguktól függ, hanem a hőmérséklettől is (az utóbbi állítás a fémek vezető-képességének kvantumelméletével bizonyítható). A kísérletek azt bizonyítják, hogy amennyiben a fém t hőmérséklete nem túl magas vagy nem túl alacsony (í < í_olv), a vezetők fajlagos ellenállásának és ellenállásának hőmérséklet-függése szinte lineáris (5.1. ábra):

ahol po, Rq — a vezető fajlagos ellenállása és ellenállása 0 C°-on; p, R — a vezető fajlagos ellenállása és ellenállása t hőmérsékleten; a - az elektromos ellenállás hőfoktényezője.

Az elektromos ellenállás hőfoktényezője -

az anyag fajlagos ellenállásának hőmérsékletfüggőségét jellemző fizikai mennyiség.

A hőfoktényező mértékegysége a Sí rendszerben — Kelvin a mínusz első hatványon:

Minden fém esetében a > 0. Például az alumínium hőfoktényezője 0,0038 K^-1 (lásd a függeléket).

Ha a fém hőmérséklete az abszolút nulla (0 K, -273 °С) vagy az olvadáspont felé közelít, akkor a p(í) függvény nem lesz lineáris (5.2. ábra).

Megismerkedünk a szupravezetés jelenségével

1911-ben Heike Kamerlingh Onnes holland tudós (1853-1926) a higany viselkedését vizsgálva az abszolút nulla közeli hőmérsékleteken érdekes jelenségre figyelt fel: amikor a higany hőmérsékletét 4,1 K fokra csökkentette, a fajlagos ellenállása ugrásszerűen nullára csökkent.

Hasonló jelenség figyelhető meg az ón, ólom és egyéb fémek esetében is (5.3. ábra). Ezt a jelenséget szupravezetésnek nevezték el. Jelenleg számos olyan anyag ismert, amely bizonyos hőmérséklet elérése után szupravezetőként viselkedik.

Ha a szupravezető állapotban lévő zárt vezetőben elektromos áramot hoznak létre, akkor az áram a vezetőben áramforrás nélkül is végtelen ideig fennmarad. A szupravezetőket ilyen és egyéb tulajdonságaiknak köszönhetően széleskörűen felhasználják a technikában és az iparban. Ha a villamos távvezetékeket szupravezetőkre cserélnék, akkor csak ezzel 10-15% elektromos energiát takaríthatnának meg.

„Mohamed koporsója"

A nulla ellenállás nem az egyetlen különleges tulajdonsága a szupravezetőknek. 1933-ban Walter Meissner (1882-1974) és Robert Och-senfeld (1901-1993) német tudósok felfedezték, hogy szupravezető állapotban történő átmenet során a mágneses tér teljes egészében kiszorul a vezetőből (Meissner-effektus). Ha a vezető fölé mágnest helyeznek, majd hűtéssel szupravezetővé alakítják, a mágnes levitálni (lebegni) fog a szupravezető fölött. A Meissner-effektust bemutató kísérletet „Mohamed koporsójának" nevezték el. Úgy tartják, hogy a Mohamed testét tartalmazó koporsó is lebegett a levegőben minden támaszték nélkül.

A szupravezetők felhasználásának akadálya az anyagok alacsony hőmérsékletre történő hűtésében

rejlik, ami rendkívül drága folyamat. Eddig csak olyan anyagokat fedeztek fel, amelyek szupravezetőkként csak 100 K (—173 °С) és annál alacsonyabb hőmérsékleten viselkednek. A szupravezetés legfrissebb „rekordját” 2015-ben állították fel: óriási nyomáson (1 millió atm) a hidrogén-szulfid (H₂S) változott szupravezetővé -70 °C-on.

A szupravezetés nem magyarázható meg a fémek elektromos vezetőképességének klasszikus elmélete alapján. 1957-ben amerikai tudósok egy csoportja: John Bardeen (1908-1991), Leon Cooper (szül. 1930) és Robert Schrieffer (szül. 1931), valamint tőlük függetlenül Nyikolaj Nyikolajevics Bogoljubov (5.4. ábra) szovjet tudós kidolgozták a szupravezetés kvantumelméletét.

5.4. ábra. Nyikolaj Nyikolajevics Bogoljubov (1909-1992) - neves szovjet elméleti fizikus és matematikus, iskolákat teremtett a nemlineáris mechanika, statisztikai fizika és terek kvantumelmélete terén. 1934 és 1959 között a kijevi egyetemen dolgozott, 1965-1973-ban az Ukrán Tudományos Akadémia Elméleti Fizikai Intézetének igazgatója (jelenleg az intézet a tudós nevét viseli)

Gyakoroljuk a feladatok megoldását!

Feladat. Az elektromos áramkör áramforrásból, 20 Ω ellenállású milliampermérőből és acélhuzalból készült reosztátból áll. 0 °С hőmérséklet esetén a milliampermérő 30 mA-t mutat, a re-osztát ellenállása ezen a hőfokon 200 Ω. Milyen értéket mutat a milliampermérő, ha a reosztát tekercsét 50 °C-ra melegítik fel? Az áramforrás belső ellenállását és az összekötő vezetékek ellenállását figyelmen kívül hagyjuk.

A fizikai probléma elemzése. A reosztát felmelegedésével ellenállása növekszik, ami a külső áramkör ellenállásának, valamint a benne folyó áram erősségének csökkenését vonja maga után. A reosztát és a milliampermérő sorosan van összekötve, az áramforrás belső ellenállása nulla, ezért az áramkör teljes ellenállása R+R&, ahol R — a reosztát tekercsének ellenállása £=50 °C-on. Az ellenállás hőfoktényezőjét a táblázatban találjuk (lásd az 1. függeléket).

Összegezés

Az elektromos áram a fémekben a szabad elektronok irányított mozgása. Elektromos tér hiányában a szabad elektronok a fémekben kaotikus (rend-szertelen) mozgást végeznek. Ha a fém vezetőben elektromos tér jön létre, a szabad elektronok a kaotikus állapotukat megtartva irányítottan folytatják a mozgásukat.

A fémvezető ellenállása lineárisan függ a hőmérséklettől:

ahol R₀, R — a vezető ellenállása 0 °C-on és az adott t hőmérsékleten; a — az ellenállás hőfoktényezője.

Egyes fémek ellenállása az abszolút nulla fok közelében ugrásszerűen nullára csökken. Ezt a jelenséget szupravezetésnek nevezzük.

Ellenőrző kérdések

1. Mi az elektromos áram a fémekben? 2. írjátok le a fémekben folyó elektromos áram természetének felderítésére szolgáló Stewart-Tolman kísérlet lényegét! 3. Hogyan mozognak az elektronok az elektromos térrel rendelkező fémvezető belsejében a klasszikus fizika értelmezése szerint? 4. Mi az oka a fémek ellenállásának? 5. Függ-e a fémek ellenállása a hőmérséklettől? Ha igen, akkor hogyan? 6. Miben rejlik a szupravezetés jelensége?

5. gyakorlat

1. Az 1. ábrán kísérletet láthattok. Milyen célból végezték? Nevezzétek meg a felhasznált eszközöket! Szerintetek hogyan, és miért változik meg a mérőműszer mutatójának állása melegítés során?

2. Szabadul-e fel hőmennyiség a szupravezető állapotban lévő vezetőből, ha áramot engednek át rajta?

A 2. ábrán egy fém vezető ellenállásának hőmérséklet-függősége látható. Milyen az adott fém ellenállásának hőfoktényezője? Mekkora az áramerősség a vezetőben 150 °C-on, ha a végein lévő feszültség 5 V?

Az elektromos tűzhely nikkelezett tekercsének ellenállása 20 °C-on 60 Ω. Mennyi lesz a tekercs ellenállása 700 °C-on?

5. Mekkora a hossza a 220 V feszültségre és 220 W teljesítményre méretezett elektromos izzó volfrámszálának? A szál izzási hőmérséklete 2700 K, átmérője - 0,03 mm.

6. A fémek ellenállásának hőmérséklet-függőségén alapszik a hőellenállás-mé-rők - hőátalakítók működési elve (3. ábra). Ismerjétek meg ezeknek a berendezéseknek a felépítését, hol alkalmazzák őket, milyen fémeket használnak a termometrikus test előállításához!

 

 

Fizika tankönyv 11. osztályosok szerzők Dovgy, Baryakhtar, Loktev