Підручник Фізика 8 клас - Т.М. Засєкіна - Оріон 2017 рік

Розділ 2 ЕЛЕКТРИЧНІ ЯВИЩА. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ

§ 48 Залежність опору металевих провідників від температури

Ви дізнаєтесь

- Як залежить електричний опір металевих провідників від температури

Пригадайте

- Чим зумовлений електричний опір металевих провідників

Залежність опору провідників від температури.

Вивчаючи дії електричного струму, ми розглядали, зокрема, його теплову дію і з’ясували, що під час проходження електричного струму по металевому провіднику він нагрівається. З’ясуємо детальніше процеси, що пов'язані з нагріванням металевих провідників у наслідок проходження через них електричного струму.

Як відомо, електрони в металах одночасно беруть участь у двох рухах: тепловому та напрямленому. Оскільки температура визначається інтенсивністю теплового руху, то зі збільшенням температури кінетична енергія теплового руху електронів і йонів у вузлах кристалічної ґратки збільшується. Зі збільшенням кінетичної енергії збільшується й кількість зіткнень вільних носіїв заряду з йонами, що містяться у вузлах кристалічної ґратки. Оскільки ці зіткнення і є причиною опору металів, то з підвищенням температури опір металів має збільшуватися. Перевіримо це на досліді.

Намотаємо у вигляді спіралі декілька метрів тонкого залізного дроту й увімкнемо його в коло, що містить батарею гальванічних елементів і амперметр (мал. 196). Опір дроту підберемо таким чином, щоб за кімнатної температури стрілка амперметра відхилялася практично на всю шкалу. Відмітимо покази амперметра та почнемо сильно нагрівати дріт за допомогою спиртівки. Із плином часу ми побачимо, що при нагріванні дроту сила струму в колі зменшується. Ураховуючи, що напруга залишається незмінною, робимо висновок: опір дроту при нагріванні збільшується.

Мал. 196. Дослід, що демонструє залежність опору провідника від температури

Якщо проводити досліди з іншими спіралями — такими самими за розмірами, як і залізна, але виготовленими з інших речовин, то переконаємося, що їхній опір також збільшується, однак величина, на яку збільшується опір, щоразу буде іншою.

Дамо кількісну оцінку залежності опору провідника від температури. Для цього скористаємося поняттям відносного приросту деякої величини та сформулюємо за його допомогою означення відносного приросту опору. Відносний приріст опору провідника — це відношення зміни опору провідника до його початкового опору. Нехай за температури t = 0 °С опір провідника дорівнював R0, а з підвищенням температури до t опір збільшився до R. Тоді відносний приріст опору провідника при збільшенні температури від t0 до t дорівнює . Численні досліди довели, що характер залежності відносного приросту опору провідника від зміни його температури має лінійний характер. Тобто відносний приріст опору провідника прямо пропорційний зміні його температури:

Зрозуміло, що для кожного виду металу ця залежність індивідуальна. Є метали, у яких збільшення опору досить значне, а є спеціальні сплави, опір яких з підвищенням температури майже не змінюється. Для порівняння залежності зміни опору від зміни температури використовують фізичну величину, що має назву температурного коефіцієнта опору матеріалу провідника й позначається а.

Увівши поняття коефіцієнта опору, отримуємо рівність:

Із цієї формули можна встановити одиницю температурного коефіцієнта опору та його фізичний зміст. Як відомо, коефіцієнти або бувають безрозмірними, або мають таку розмірність, щоб виконувалась рівність обох частин. У нашому випадку [а] = .

Якщо зміна температури становить 1 °С, то температурний коефіцієнт опору показує відносний приріс опору провідника.

Температурний коефіцієнт опору а — це фізична величина, яка показує відносний приріс опору провідника при зміні його температури на 1 °С.

Формулу можна записати в такому вигляді: R = R0(1 + а∆t), де R0 — опір провідника за температури (0 °С); R — опір за температури t; ∆t — різниця температур; а — температурний коефіцієнт опору.

Мaл. 197 Графік залежності опору металевого провідника від температури

Мaл. 198. Різке зменшення опору за температур, що наближаються до абсолютного нуля

На малюнку 197 зображено графік цієї залежності.

Ураховуючи, що R = p, можна також записати й формулу для визначення залежності питомого опору від температури р = р0(1 + а∆t).

Для чистих металів температурні коефіцієнти опору відрізняються мало і приблизно становлять 0,004 °С-1. Температурні коефіцієнти опору сплавів значно менші. Існують спеціальні сплави, опір яких майже не змінюється зі зміною температури. Такими сплавами є константан, манганін. Температурний коефіцієнт опору в манганіну майже в 400 разів менший, ніж у міді. Властивості цих матеріалів використовуються при виготовленні точних електровимірювальних приладів та еталонів опору.

Залежність опору матеріалів від температури використовують для виготовлення термометрів опору. У найпростішому випадку — це намотаний на пластинку тонкий дріт, опір якого за різних температур відомий наперед. Термометр опору вміщують у середину тіла, температуру якого потрібно виміряти (наприклад, піч), а кінці обмотки вмикають у коло. Такі термометри використовують для вимірювання дуже високих температур, за яких ртутні та інші рідинні термометри застосовувати не можна.

Явище надпровідності. На початку ХХ ст. нідерландський учений Г. Камерлінг-Оннес отримав рідкий гелій (температура якого становить 4,1 K (-269 °С). Коли він почав вимірювати опір чистої ртуті, зануреної в рідкий гелій, то виявив, що за таких умов опір ртуті падає до нуля. Пізніше було встановлено, що багато інших металів і сплавів теж різко втрачають опір за наднизьких температур. Це явище отримало назву надпровідність. Критична температура, за якої настає надпровідність, для різних матеріалів різна. Проте для всіх металів вона близька до абсолютного нуля (мал. 198).

Розглянемо природу надпровідності й можливості її практичного використання.

Ми знаємо, що для підтримання електричного струму в металах необхідно весь час діяти на електрони електричною чи іншою сторонньою силою, що забезпечуватиме їхній неперервний спрямований рух. Тому, як відомо, необхідною умовою існування струму в електричному колі є наявність у ньому джерела струму. За умови використання надпровідників сили, які протидіють рухові, відсутні. Тому для підтримання струму в надпровіднику немає потреби у джерелі струму. Отже, струм, що виникає в надпровіднику, може зберігатись як завгодно довго й після припинення дії джерела струму. Звичайно, весь цей час надпровідник має перебувати за наднизьких температур.

Практичне застосування надпровідності має принести людству надзвичайне зменшення втрат електроенергії під час її транспортування. Це причина, завдяки якій використання надпровідних пристроїв є одним із найбільш важливих і перспективних способів енергозбереження. Розрахунки показують, що застосування надпровідності дозволить зменшити втрати, пов’язані з передачею та використанням електроенергії з 30-35 % до 1-2 % , що є рівнозначним побудові в Україні кількох нових потужних електростанцій.

Підбиваємо підсумки

- Опір металів лінійно збільшується з підвищенням температури, а саме: R = R0(1 + a∆t), де R0 — опір провідника за температури (0 °С); R — опір за температури t; ∆t — різниця температур; а — температурний коефіцієнт опору.

- Надпровідність — явище різкої втрати опору за низьких температур.

Я знаю, вмію й розумію

1. Доведіть, що опір металевого провідника збільшується зі збільшенням температури.

2. Що таке температурний коефіцієнт опору?

3. У чому полягає явище надпровідності металів?

ПОЯСНІТЬ

Чому нитку розжарювання електричної лампи виготовляють із вольфраму, а не із заліза або нікелю? Чи відрізняється значення сили струму в електричній лампі у момент її ввімкнення і в процесі експлуатації? Коли найчастіше «перегорає» електрична лампа розжарювання: у момент увімкнення чи в процесі експлуатації?



Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити