109104 (707890), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Вещества в электрическом поле
В электрическом отношении все тела делятся на проводники и изоляторы (диэлектрики). Те и другие в обычном состоянии электрически нейтральны. Заряд, сообщенный изолятору, не перемещается по нему, оставаясь в том месте, куда он первоначально помещен. В проводнике же заряды могут свободно перемещаться под влиянием электрического поля. (В последнее время большое значение приобрели так называемые полупроводники, но здесь мы о них говорить не будем: им посвящена специальная статья.). Такое различие в поведении вызвано особенностями строения проводников и диэлектриков. Диэлектрики состоят из отдельных нейтральных атомов или молекул. Проводники (к ним относятся все металлы) построены иначе. Атомы металла, образуя кристаллическую решетку, теряют «внешние», более удаленные от ядра и, следовательно, слабо с ним связанные электроны. Эти электроны перестают принадлежать определенным атомам и становятся «собственностью» всего куска металла в целом. Такие электроны называют «свободными», так как они могут перемещаться внутри металла. Атомы, лишенные части электронов и составляющие остов кристаллической решетки, называются ионами. Рассмотрим, например, металл литий. Атом лития имеет положительно заряженное ядро, вокруг которого совершают сложные движения три электрона. Когда литий находится в твердом состоянии, то два электрона каждого атома продолжают обращаться вокруг ядра, а третий электрон может, оторвавшись от атома, перемещаться внутри металла. Наличие свободных электронов и определяет все особенности металлов: способность хорошо проводить электрический ток, большую теплопроводность и т. д. Простой опыт позволяет выяснить, как при отсутствии электрического тока распределяется по проводнику сообщенный ему заряд. Для этого достаточно прикрепить к заряженной проволочной сетке, свернутой в виде цилиндра, тонкие полоски станиоля. Листочки, расположенные на внутренней поверхности сетки, останутся неподвижными, а прикрепленные к внешней поверхности - оттолкнутся от нее.
Следовательно, электрический заряд имеется лишь на внешней поверхности сетки и заряжает только внешние листочки. Это и вызывает их отклонение на некоторый угол. На внутренней поверхности сетки, очевидно, зарядов нет. Этот факт является совершенно общим. Электрический заряд располагается на внешней поверхности проводника. Получить заряд на внутренней поверхности проводника при отсутствии токов в нем нельзя. Причину этого понять нетрудно. Одноименные заряды, отталкиваясь и стремясь как можно дальше уйти друг от друга, располагаются на внешней поверхности проводника. Это правило справедливо независимо от того, какая причина вызывает появление заряда. Если поместить металлическое тело в постоянное (не меняющееся с течением времени) электрическое поле, на его поверхности возникают так называемые индукционные заряды, но внутри проводника заряд по-прежнему остается равным нулю. При этом и само электрическое поле не проникает внутрь проводника. Только в первый момент, при внесении проводника в поле, оно проникает внутрь металла и вызывает перемещение электронов навстречу полю. Левая часть тела заряжается при этом отрицательно, а правая - положительно.
Заряды будут перемещаться до тех пор, пока не установится равновесие. Тогда ток прекратится. Происходит это крайне быстро. Если движения зарядов в проводнике нет, то, значит, в нем нет и электрического поля, иначе свободные электроны пришли бы в движение. Одновременно можно заметить, что силовые линии электрического поля, обрываясь на поверхности металла, всегда перпендикулярны к ней. Поле вдоль поверхности равно нулю, так как токи на поверхности также отсутствуют. Непроницаемость металлов для постоянного электрического поля широко используется для устройства так называемой электростатической защиты. Чтобы оградить чувствительные электрические приборы от влияния внешних случайных электрических полей, их помещают в металлические ящики. Если проводник имеет форму шара, то заряды на нем располагаются равномерно по всей поверхности. Если же он имеет острые выступающие части, то заряды скопляются преимущественно на остриях. Возникающая при этом большая напряженность поля способна вызвать ряд любопытных явлений. Проводник начинает разряжаться. Заряды «стекают» с острия, вызывая заметное перемещение воздуха - «электрический ветер». Этот ветер может погасить пламя свечи на расстоянии нескольких сантиметров от острия.
Явление «стенания» электричества используется в молниеотводах - заземленных металлических стержнях, высоко поднятых над окружающими зданиями. Только при очень сильных грозах молния ударяет в молниеотвод, но при этом электрический заряд не приносит вреда - уходит в землю. Посмотрим теперь, как влияет на взаимодействие заряженных тел диэлектрик. Для этого сначала с помощью крутильных весов измерим силу взаимодействия между разноименно заряженными шариками А и В, Затем заполним стеклянный сосуд весов каким-либо жидким диэлектриком, например керосином. Никаких заметных на глаз изменений с диэлектриком не произойдет. Однако существующее между шариками электрическое поле совершает в нем работу. О ней можно судить по результатам. Расстояние между шариками увеличится, что говорит об уменьшении силы притяжения. Измерение покажет, что в керосине сила взаимодействия шариков в два раза меньше, чем в воздухе. Почему это происходит? Поле проникает внутрь электрически нейтральных молекул керосина. Положительные заряды молекул смещаются вдоль поля, а отрицательные - против поля. Так как эти заряды связаны друг с другом значительными силами, то молекулы не разрываются, они лишь растягиваются вдоль силовых линий, превращаясь в системы, которые можно рассматривать как электрические диполи.
Посмотрите, как непрерывные цепочки диполей вытягиваются между зарядами! Диэлектрик, находящийся в таком состоянии, называется поляризованным. Особенно существенно, что отрицательно заряженные концы диполей сплошным покровом охватывают положительный заряд, а положительные концы диполей - отрицательный. Положительные и отрицательные концы диполей в керосине соприкасаются друг с другом, и их электрическое действие нейтрализуется. Но на поверхности шариков такой компенсации не происходит. Легко представить, к чему это приводит. Теперь поле создают не только сами шарики, но и «связанные» заряды концов диполей. Поле в диэлектрике, созданное одним из шариков, например А, ослабевает, так как заряд шарика А и «связанный» заряд на его поверхности имеют разные знаки и создают поля противоположного направления. Ясно, что уменьшается и сила, действующая на другой шарик (В). Число, показывающее, во сколько раз уменьшается в данном диэлектрике поле, созданное зарядом, называется диэлектрической проницаемостью данного вещества. Диэлектрическая проницаемость характеризует электрические свойства диэлектрика. Различные диэлектрики имеют разные значения диэлектрической проницаемости. Так, диэлектрическая проницаемость воздуха близка к единице (1,00059), а воды - примерно в 80 раз больше. У некоторых диэлектриков, как например сегнетовая соль, диэлектрическая проницаемость очень велика, около 10 000. Подобные вещества называют сегнетоэлектриками. Они находят важное применение при изготовлении высокоэффективных электрических конденсаторов. Отметим еще, что у ряда диэлектриков, например у воды, молекулы и в отсутствие электрического поля представляют собой диполи. Поляризация таких диэлектриков состоит в простом повороте всех диполей вдоль электрического поля.
При помещении в электрическое поле поляризация диэлектрика обычно не сопровождается изменением его размеров. Однако у некоторых кристаллических веществ дело обстоит иначе. У сегнетовой соли, кварца и др. поляризация сопровождается механическими деформациями: сжатием или растяжением. И наоборот, если подвергать эти тела деформациям, то они поляризуются и на их поверхности выступают «связанные» электрические заряды. Это явление называется пьезоэлектрическим эффектом. Пьезоэлектрический эффект находит широкое практическое применение. Деформация кварца в переменном электрическом поле используется для получения ультразвука. Поляризация диэлектрика под действием деформации используется для преобразования механических воздействий в электрические. На этом принципе устроен пьезоэлектрический звукосниматель электрического проигрывателя. Колебания иглы при движении по звуковой дорожке деформируют маленький кристалл и вызывают, его поляризацию. Связанные заряды, выступающие на поверхности кристалла, создают переменные электрические поля, возбуждающие слабые электрические токи в подходящих к кристаллу проводниках звукоснимателя. Эти токи усиливаются и подаются в репродуктор. На этом же принципе основаны точные методы измерения давлений.
Электрический ток в металлах
Электрическим током называется движение любых электрических зарядов. Перемещение зарядов в каком-либо веществе всегда встречает сопротивление и требует совершения работы. Поэтому для получения электрического тока в замкнутой цепи необходим прежде всего источник, за счет энергии которого совершалась бы работа по перемещению зарядов. Таким источником, например, может служить гальванический элемент, аккумулятор, генератор электрического тока. Судить о прохождении электрических зарядов можно лишь по тем явлениям, которые сопровождают электрический ток. Так, при пропускании электрического тока по проволоке она накаляется. При прохождении тока через растворы на электродах происходит выделение вещества. Наконец, что чрезвычайно существенно, при прохождении электрического тока по проводнику вокруг него всегда возникает магнитное поле, которое можно обнаружить по отклонению магнитной стрелки, расположенной около проводника. Приступая к изучению электрического тока в металлах, зададимся прежде всего вопросом, по какому физическому признаку можно отличить металл от неметалла. Таким признаком может служить зависимость электрического сопротивления вещества от температуры. Поставим опыт. Включим в электрическую цепь проволочное сопротивление и будем измерять ток в цепи. Заметим, что при нагревании проволоки величина тока в цепи уменьшается, а при охлаждении - увеличивается. На основании этого опыта можно сделать вывод, что сопротивление металлической проволоки растет с увеличением температуры.
Что же происходит в металле при прохождении по нему электрического тока и почему электрическое сопротивление металла растет с повышением температуры? Тепловое движение в металлах существенно отличается от теплового движения в газе. Ионы, образующие остов кристаллической решетки, не могут перемещаться по металлу подобно свободным электронам. Они совершают лишь колебания около некоторых средних положений, называемых узлами кристаллической решетки. Это движение можно уподобить движению шарика на пружинках.
При нагревании металла размах колебаний ионов около узлов кристаллической решетки возрастает. Чем выше температура, тем больше амплитуда колебаний, а следовательно, и энергия колебательного движения ионов. При подключении металлического проводника к источнику тока, внутри проводника возникает электрическое поле. При этом на заряженные частицы будет действовать сила, равная произведению электрического заряда на напряженность электрического поля. Под действием этой силы свободные электроны будут перемещаться по металлу. Их движение и создает электрический ток. Какова же роль ионов при прохождении электрического тока через металл? Электроны под действием электрического поля движутся с ускорением. Это значит, что скорость свободных электронов, а следовательно, и их кинетическая энергия возрастают. При своем движении электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки, передавая им при этом часть своей кинетической энергии. В результате вдоль металла устанавливается движение свободных электронов с некоторой постоянной средней скоростью - по металлическому проводнику идет постоянный ток. Таким образом, приобретаемая в промежутках между столкновениями в результате ускоренного движения под действием поля кинетическая энергия передается от свободных электронов ионам кристаллической решетки. Ионы препятствуют движению свободных электронов. Этим обусловлено электрическое сопротивление металлов. Оно растет при повышении температуры вследствие увеличения частоты столкновений электронов с ионами решетки. Напряженность электрического поля в металле растет с увеличением разности потенциалов. Связь между величиной тока, разностью потенциалов и электрическим сопротивлением устанавливается на опыте и определяется законом Ома. Согласно ему ток на участке проводника прямо пропорционален разности потенциалов на концах участка и обратно пропорционален его электрическому сопротивлению. Нарисованная выше картина движения электронов в металле при прохождении через него электрического тока позволяет понять смысл закона Ома. Действительно, чем больше на концах данного металлического образца (например, куска проволоки) разность потенциалов, тем больше напряженность электрического поля, тем больше будет сила, действующая на свободные электроны, тем больше скорость их движения. Поэтому с ростом разности потенциалов ток возрастает. Пусть теперь разность потенциалов постоянна, и мы включаем в цепь одинаковые по размерам куски проволоки, сделанные из разных металлов. Теперь ток будет больше в том металлическом образце, в котором взаимодействие электронов с ионами слабее и ионы меньше препятствуют движению электронов. С уменьшением сопротивления ток увеличивается. Куда же переходит энергия, которая передается электронами ионам при их взаимодействии? Как мы уже говорили, ионы не могут свободно перемещаться вдоль металла. Передаваемая им энергия идет на увеличение размаха колебаний, на возрастание энергии теплового движения. И в самом деле, прохождение электрического тока сопровождается нагреванием металла. Связь между количеством выделившейся теплоты, величиной тока и сопротивлением выражается законом Джоуля - Ленца. Однако не всегда прохождение тока через металлы происходит так, как это описано выше. Еще в 1911 г. голландский физик Камерлинг - Оннес открыл замечательное явление, которое называют сверхпроводимостью. Он изучал прохождение электрического тока через ртуть при низких температурах. Оказалось, что электрическое сопротивление ртути при температуре 4,12° по абсолютной шкале температур падает до нуля.
В настоящее время известны 23 чистых металла, обладающих свойством сверхпроводимости. Им обладают также очень многие соединения и сплавы. В таблице приведена температура перехода в сверхпроводящее состояние для некоторых проводников.
| Вещество | Температура перехода | Вещество | Температура перехода |
| Ртуть | 4,12 | Тантал | 4,38 |
| Свинец | 7,26 | Ниобий | 9,22 |
| Алюминий | 1,14 | Карбид ниобия | 10,1 |
| Цинк | 0,79 | Нитрид ниобия | 23,0 |
Сверхпроводники обладают также замечательными магнитными свойствами. В 1933 г. немецкий ученый Мейснер обнаружил, что при переходе в сверхпроводящее состояние магнитное поле полностью выталкивается из объема сверхпроводника и концентрируется в узком поверхностном слое (порядка 10-5см).
Таким образом, магнитное поле не проникает внутрь вещества, находящегося в сверхпроводящем состоянии. Магнитные силовые линии как бы обтекают сверхпроводник, не проникая в него. Более сорока лет не удавалось дать объяснение этим замечательным явлениям. В изучении явления сверхпроводимости большую роль сыграли работы Лондона, Пиппарда, Л. Д. Ландау, А. И. Шальникова и многих других ученых. Лишь в 1957 г. была создана теория сверхпроводимости. Согласно этой теории, состояние теплового движения в металле, находящемся в сверхпроводящем состоянии, существенно отличается от состояния теплового движения в обычном (несверхпроводящем) состоянии металла. Механизм электропроводности сверхпроводников иной, чем описанный выше механизм проводимости обычных металлов. Электроны в этом случае образуют с колеблющимися ионами связанную систему. Основа современной теории сверхпроводимости заложена в работах английского физика Г. Фрелиха, американских физиков Бардина, Купера, Шриффера. Зависимость сопротивления металла от температуры используется в так называемых термометрах сопротивления. Температура в этом случае определяется по величине сопротивления металлической проволоки. Достоинство термометров сопротивления состоит, в частности, в том, что они могут использоваться как при высоких, так и при очень низких температурах. Особые свойства сверхпроводников открывают широкие возможности для различных их применений.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
