Металдардағы электр тогы. Асқын өткізгіштік. Физика, 10 сынып, дидактикалық материал.
- Металдардың электрондық өткізгіштігі
Металдардағы еркін заряд тасушылар электрондар болып табылады. Олардың шоғыры өте үлкен 1028 1/м3 шамасында. Бұл электрондар бейберекет жылулық қозғалысқа қатысады. Электр өрісінің әсерінен олар 10-4 м.с шамасындағы орташа жылдамдықпен, реттелген түрде орын ауыстра бастайды.
Металдарда еркін электрондардың бар екендігінің тәжірбиелік дәлелдемесі. Металдардың өткізгіштігі олардағы еркін электрондардың қозғалысынан болатындығының тәжірбиелік дәлелдемесін тәжірбие жүзінде Л. И. Мандельштам мен Н.Д. Папалекси (1913ж.) Б. Стюарт пен Р. Толмен (1916ж) берген.
Бұл тәжірбиелердің мазмұны мынадай. Катушкаға сымды орайды да, оның екі ұшын бір – бірінен изоляцияланған екі металл дискіге дәнекерлеп бекітеді. Дисклердің ұштарына сырғымалы кантактілердің жәрдемімен гальвонометрді қосады.
Катушканы айналдырады да, сосын кенет тоқтатады. Кенет тоқтатқанда, катушканың зарыдталған еркін бөлшектері өткізгішке қатысты инерциясы бойынша біраз уақыт қозғалыста болады, олай болса, катушкада электр тогы пайда болады. Ток аз уақытқа созылады, себебі өткізгіш кедергісінің әсерінен зарядталған бөлшектер тежеледі де, ток құрайтын бөлшектердің реттелген қозғалысы тоқтайды.
Токтың бағыты, оның теріс зарядталған бөлшектрдің қозғалысынан пайда болғанын көрсетеді. Мұндағы тасмалданатын заряд ток құрайтын бөлшектер зарядының олардың массасына, яғни |q|/m қатынасына пропорционал. Сондықтан тізбектен ток жүрген уақыттағы гальванометрден өтетін зарядты өлшеу арқылы осы қатынасты анықтауға болады. Ол 1,8 *1011 Кл/кг - ға тең екен. Бұл шама бұған дейін басқа тәжірбиелерден табылған электрон зарядының оның массасына қатынасымен сәйкес кледі.
Электрондардың металдардағы қозғалысы. Электр өрісі тарапынан болатын тұрақты күш әсерінен электрондар реттелген қозғалыста белгілі бір жылдамдық алады. Бұл жылдамдық әрі қарай уақыт өтуіне байланысты артпайды, өйткені кристалдық тордың иондарының тарапынан электрондарға белгілі бір тежеуіш күш әсер етеді. Бұл күш суға батқан тасқа әсер ететін кедергі күшіне ұқсас. Нәтижесінде электрондардың реттелген қозғалысының орташа жылдамдығы өткізгіштегі электр өрісінің кернеулігіне пропорционал, υ ~ E олай болса, өткізгіштің ұштарындағы потенциалдар айырмасына да пропорционал болғаны, себебі E=U/L, мұндағы L- өткізгіштің ұзындығы.
Өткізгіштегі ток күші бөлшектердің реттелген қозғалысының жылдамдығына пропорционал екендігін біз білеміз. Сондықтан ток күші өткізгіштің ұштарындағы потенциалдар айырмасына пропорционал деп айта аламыз: I ~ U. Металдар өткізгіштігінің электрондық теориясы негізінде Ом заңын сапа жағынан түсіндіру міне осындай.
Металдағы электрондар қозғалысы теориясын сан жағынан классикалық механика заңдарының негізінде қанағаттанарлықтай құру мүмкін емес. Мәселе мынада, металдардағы электрондардың қозғалыс шарттары сондай, бұл қозғалысты баяндау үшін Ньютонның классикалық механикасын қолдануға келмейді. Мұны төмендегі мысалдан барынша көрнекті байқауға болады. Егер бөлме тепмературасында тәжірбие арқылы металдағы электрондардың жылулық қозғалысының орташа кинетикалық энергиясын анықтап және сол энергияға сәйкес температураны mv2/2=3kT/2 формуласы бойынша есептесек, температура 105-106 К шамасында болады екен. Мұндай температура тек жұлдыздардың ішінде ғана болады. Металдардағы электрондардың қозғалысы кванттық механиканың заңдарына бағынады.
- Өткізгіш кедергісінің температураға тәуелділігі
Болат спиральдан аккумлятордан алып ток жіберсе, содан кейін оны жанарғының жалынына қыздырса, амперметр ток күшінің азайғанын көрсетеді. Бұл темппература өзгергенде өткізгіштің кедергісінің де өзгергенін көрсетеді.
Егер 00С-де өткізгіштің кедергісі R0 –ге тең, ал t температурада R болса, онда кедергінің салыстырмалы өзгеруі, тәжірбиенің көрсетуі бойынша, t температурасының өзгерісіне тура пропорционал
(R-R0)/R0 = αt (2.1)
Пропорционалдық α коэффициентін кедергінің температуралық коэффициенті деп атайды. Ол зат кедергісінің температураға тәуелділігін сипаттайды. Кедергінің температуралық коэффициенті сан жағынан өткізгішті 1K қыздырғандағы кедергінің салыстырмалы өзгерісіне тең. Барлық металл өткізгіштер үшін α >0 және температураның өзгерісінде елеусіз шамаға өзгереді. Егер температураның өзгеру аралығы онша үлкен болмасы, онда температуралық коэффициентті тұрақты және оны температураның сол аралықтағы орта мәніне тең деп есептеуге болады. Таза металдарда α≈1/273K-1 .
Қыздырғанда өткізгіштнрдің геометриялық өлшемдері болмашы ғана өзгереді. Өткізгіштің кедергісі негізінен меншікті кедергінің өзгеру есесінен өзгереді. (2.1) формулаға R=ρ L/s және Rо=ρо L/s мәндерін қойып, меншікті кедергінің температураға тәуелділігін табуға болады. Есептеуден шығатын қорытынды:
ρ= ρo(1+ αt) (2.2)
Температураның өзгерісінде α аз өзгергендіктен, меншікті кедергі температураға сызықты тәуелді деп есептеуге болады. Коэффициент α жеткідлікті аз болғанымен, қыздырғыш приборларды есептеуде кедергінің
Температураға тәуелділігін ескеру қажетті. Мысалы, бойымен ток өткенде қыздыру шамының вольфрам қылының кедергісі 10 еседен көбірек артады.
Кейбір қорытпалардың, мысалы, мыстың никельмен (константан) қорытпасы кедергінің температуралық коэффициенті өте аз: α≈10-5K-1. Константаның меншікті кедергісі үлкен: ρ≈10-6Oм*м. Мұндай қорытпаларды кедергілердің эталонын және өлшеуіш приборларға қосылатын қосымша кедергілер дайындауға, яғни температуралар тербелістерінде (ауытқуларында) кедергі айтарлықтай өзгермеуі қажет жағдайларда пайдаланады.
Металдар кедергісінің температураға тәуелділігін кедергі темометрлерінде пайдаланады. Әдетте мұндай термометрдің негізгі жұмыстық элементі ретінде платина сым алынады, оның кедергісі температураға тәуелді екені бәрімізге белгілі. Сым кедергісінің өзгерісін өлшеу арқылы температураның қаншалықты өзгергенін білуге болады. Сұықты термометрлер жарамсыз болған уақытта мұндай термометрлер өте төмен және өте жоғары температураларды өлшеуге мүмкіндік береді.
- Асқын өткізгіштік
- Өткізгіштердің кедергісі температураға тәуелді. Температура төмендегенде металдардың кедергісі азаяды. Температура абсолют нөлге ұмтылғанда қандай жағдайда болады?
1911 жылы Голландия физигі Камерлинг – Оннес тамаша құбылыс – асқын өткізгіштікті ашты. Ол сұйық күйдегі гелийде сыныпты мұздатқанда оның кедергісі әуелі бертіндіп өзгеріп, ал температура 4,1K жеткенде кенет нөлге дейін төмендейтінін ашқан.
(2.2 сурет) (3.1 сурет)
Осы құбылыс асқын өткізгіштік деп аталады, кейінірек көптеген басқа да асқын өткізгіштер ашылды.
Асқын өткізгіштік өте төмен температураларда 25К маңында байқалады.
Егер асқын өткізгіштік күйдегі сақина тәрісздес өткізгіште ток туғызып, содан кейін ток көзін алып тастаса, сақинадағы токтың күші барынша ұзақ уақыт өзгермейді. Қарапайым асқын емес өткізгіштерде бұл жағдайда ток тоқтайды.
Асқын өткізгіштер практикада кеңнен қолданыс табуда. Мысалы, ұзақ уақыт аралығында эергия шығыны жоқ магнит өрісінқұратын орамдағы асқын өткізгіштен жасалған қуатты электромагниттер құрылуда. Себебі асқын өткізгіш орамаларда жылу бөліну болмайды.
Бірақ асқын өткізгіш магниттің көмегімен қалауымызша күшті магнит өрісін алуға болмайды. Өте күшті магнит өрісі асқын өткізгіштік күйді бүлдіреді. Мұндай өріс сол асқын өткізгіштің өзінде ток арқылы құрылуы мүмкін. Сондықтан, әрбір өткізгіштің асқын өткізгіш күйі үшін, оның осы күйін бүлдірмей, тогын арттыруға болмайтын, ток күшінің кризистік мәні болады.
Асқын өткізгішті магниттер элементар бөлшектерді үдеткіш құрылғыларда, магнит өрісінде қозғалатын, өте қызған және иондалған газ ағынының механикалық энергиясын электр энергиясына түрлендіретін магнитогидродинамикалық генераторларда қолданылады.
Егер бөлме температурасында жақын температурада асқын өткізгіш болатын материалдар жасап шығару сәті түссе, онда техникалық маңызды проблема – энергияны өткізгіш бойымен шығынсыз жеткізу шешілген болар еді.
Асқын өткізгіштікті кванттық теорияның негізінде ғана түсіндіруге болады. Ол түсіндірмені кейін 1957 жылы американ ғалымдары Дж. Бардин, Л. Купер, Дж. Шиффер және кеңес ғалымы академик Н.Н. Боголюбов берді.
Әлеуметтік желілерде бөлісіңіз:
Facebook | VK | WhatsApp | Telegram | Twitter
Қарап көріңіз 👇
Пайдалы сілтемелер:
» Туған күнге 99 тілектер жинағы: өз сөзімен, қысқаша, қарапайым туған күнге тілек
» Абай Құнанбаев барлық өлеңдер жинағын жүктеу, оқу
» Дастархан батасы: дастарханға бата беру, ас қайыру
Соңғы жаңалықтар:
» Грузия қазақстандықтарға білім грантын бөлді
» Қазақстандықтар шетелге қай мезгілде жиірек шығады
» Freedom bank-те керемет акция! 1000 ₸ кэшбек сыйлайды