Металлы. Инерция электрона

1. Металлы

Мета́ллы (от лат. metallum — шахта, рудник) — группа элементов, в виде простых
веществ, обладающих характерными металлическими свойствами, такими, как
высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный
коэффициент сопротивления, высокая пластичность, ковкость
и металлический блеск.
Механизм тока в металлах
Все металлы хорошо проводят электрический ток; это обусловлено наличием в
их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под
действием электрического поля. Серебро, медь и алюминий имеют
наибольшую электропроводность; по этой причине последние два металла чаще
всего используют в качестве материала для проводов. Очень высокую
электропроводность имеет также натрий, в экспериментальной аппаратуре
известны попытки применения натриевых токопроводов в форме тонкостенных
труб из нержавеющей стали, заполненных натрием. Благодаря малому
удельному весу натрия, при равном сопротивлении натриевые «провода»
получаются значительно легче медных и даже несколько легче алюминиевых.
Применение
Конструкционные материалы
Металлы и их сплавы — одни из главных конструкционных материалов
современной цивилизации. Это определяется, прежде всего, их
высокой прочностью, однородностью и непроницаемостью
для жидкостей и газов. Кроме того, меняя рецептуру сплавов, можно менять их
свойства в очень широких пределах.
Электротехнические материалы
Металлы используются в качестве хороших проводников электричества (медь,
алюминий), так и в качестве материалов с
повышенным сопротивлением для резисторов и электронагревательных
элементов (нихром и т. п.).
Инструментальные материалы
Металлы и их сплавы широко применяются для изготовления инструментов (их
рабочей части). В основном, это инструментальные стали и твёрдые сплавы. В
качестве инструментальных материалов применяются также алмаз, нитрид
бора, керамика.

2. Инерция электрона: эксперименты Толмена–Стюарта и Мандельштама–Папалекси Эксперименты с целью поиска ответа на вопрос, обладают

ли электроны инертной массой, проводились учеными в самом в начале 20
века. Данные опыты помогли научному сообществу того времени утвердиться в принятии факта, что электрический ток в металлах
формируется именно отрицательно заряженными частицами - электронами, а не положительно заряженными ионами, как можно было
бы предполагать. Первый качественный эксперимент, проиллюстрировавший, что, формирующие электрический ток в металлах,
заряженные частицы массой точно обладают, провели ученые (тогда еще Российской империи) Леонид Исаакович Мандельштам и
Николай Дмитриевич Папалекси, это состоялось в 1913 году.
Три года спустя, в 1916 году, более точный эксперимент провели американские физики Ричард Толмен и Томас Стюарт, которые в своей
работе не только показали, что масса у электрона в металле есть, но и достаточно точно измерили ее косвенным методом при помощи
гальванометра.
Чтобы понять принцип этих ранних экспериментов, представьте себе трамвай, на котором с утра пораньше на работу едут пассажиры.
Вот разогнался трамвай как следует, а перед ним прямо на пути выбегает рассеянный пешеход.
Водитель трамвая, желая спасти бедолаге жизнь, резко жмет на тормоза — пассажиров в салоне мгновенно всей толпой сносит вперед.
А сносит их силой инерции, потому что каждый пассажир обладает массой. И тех пассажиров, кто стоял ближе всех к кабине трамвая,
больно ударит о стенку.

3. Приблизительно аналогичным образом мыслили и Мандельштам с Папалекси. Они взяли катушку из проволоки, оснастили скользящими

контактами ее изолированные от корпуса выводы, а к скользящим контактам подключили
динамик (наушник). Раскрутили катушку вправо — резко остановили — в динамике раздался щелчок.
Раскрутили влево — резко затормозили — в динамике снова щелчок. Вывод: в момент остановки катушки - по ее
проводу проходит импульс тока, появляющийся из-за того, что электроны в момент торможения катушки
оказываются отброшены к краю провода, как пассажиры в трамвае.
А сила инерции здесь играет роль сторонней силы, которая и создает то, что может быть измерено как ЭДС. Это
заключение, конечно, не дало исследователям возможности узнать знак носителей заряда и как-то однозначно
идентифицировать их, однако эксперимент Мандельштама и Папалекси отчетливо показал, что ток в металлах
держит свой путь через кристаллическую решетку, а значит он связан с реально существующими внутри него
свободными носителями заряда.

4. Толмен и Стюарт решили пойти немного дальше. Они тоже намотали катушку, только длину провода отмерили точно равной 500 метров,

и стали ее раскручивать. Раскручивали до достижения линейной скорости точно 500 м/с,
чтобы знать соотношение между полученной ЭДС и ускорением.
К скользящим выводам катушки был присоединен уже не динамик, а более информативный прибор - гальванометр.
По завершении эксперимента исследователи проинтегрировали стороннюю силу по всей длине проводника
катушки, и получили выражение для ЭДС, создаваемой сторонней силой инерции при изменении скорости до нуля.
Величину полного заряда, который пробежал по проводнику, можно было вычислить по закону Ома, приняв в расчет
сопротивление провода катушки. Итак, зная скорость движения провода до торможения, длину провода, его
сопротивление, направление вращения, время торможения, величину и знак ЭДС, можно найти знак и величину
удельного заряда, что и сделали Стюарт и Толмен.
Сегодня уже никому не покажется странным, что измеренное Стюартом и Толменом отношение заряда электрона к
его массе совпало с полученным почти 20 лет назад, в 1897 году Дж.Дж. Томсоном, удельным зарядом частиц, из
которых состояли катодные лучи. Мы то теперь наверняка знаем, что и катодные лучи, и ток в металлах, образованы
из одних и тех же отрицательно заряженных элементарных частиц — электронов.

5. Зависимость сопротивления проводника от температуры Практически в электротехнике выло выявлено, что с увеличением температуры

сопротивление
проводников из металла возрастает, а с понижением уменьшается. Для всех проводников из металла
это изменение сопротивления почти одинаково и в среднем равно 0,4% на 1°С.
Если быть точным, то на самом деле при изменении температуры проводника изменяется его
удельное сопротивление, которое имеет следующую зависимость:
где ρ и ρ0, R и R0 - соответственно удельные сопротивления и сопротивления проводника при
температурах t и 0°С (шкала Цельсия), α - температурный коэффициент сопротивления, [α] = град-1.
Изменение удельного сопротивления проводника приводит к изменения самого сопротивления, что
видно из следующего выражения:

6. Зная электронную теорию строения вещества можно дать следующее объяснение увеличению сопротивления металлических проводников с

повышением температуры. При
увеличении температуры проводник получает тепловую энергию, которая несомненно
передается всем атомам вещества, в результате чего .возрастает их тепловое движение.
Увеличившееся тепловое движение атомов создает большее сопротивление
направленному движению свободных электронов (увеличивается вероятность
столкновения свободных электронов с атомами), от этого и возрастает сопротивление
проводника.
С понижением температуры направленное движение электронов облегчается
(уменьшается возможность столкновения свободных электронов с атомами), и
сопротивление проводника уменьшается. Этим объясняется интересное явление —
сверхпроводимость металлов. Сверхпроводимость, т. е. уменьшение сопротивления
металлов до нуля, наступает при огромной отрицательной температуре —273° С,
называемой абсолютным нулем. При температуре абсолютного нуля атомы металла как бы
застывают на месте, совершенно не препятствуя движению электронов.

7. График звисимости сопротивления металлического проводника от температуры представлен на рисунке 1. Рисунок 1. График

зависимости удельного сопротивления металлического проводника от температуры
Необходимо сказать, что сопротивление электролитов и полупроводников (уголь, селен и другие) с увеличением
температуры уменьшается.
Температурная зависимость сопротивления электролита объясняется также в основном изменением удельного
сопротивления, однако всегда температурный коэффициент сопротивления - α <0.

8. Поэтому кривая зависимости сопротивленя электролита от температуры имеет вид, представленый на рисунке 2. Рисунок 2. График

зависимости удельного сопротивления электролита от температуры
Для полупроводников характер изменения удельного сопротивления от температуры будет схож с таковым для
элетролитов.

9. Сверхпроводи́мость — свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении

Сверхпроводи́мость — свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим
сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (критическая температура).
Известны несколько сотен соединений, чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее
состояние. Сверхпроводимость — квантовое явление. Оно характеризуется также эффектом Мейснера,
заключающемся в полном вытеснении магнитного поля из объёма сверхпроводника. Существование этого эффекта
показывает, что сверхпроводимость не может быть описана просто как идеальная проводимость в классическом
понимании.
Открытие в 1986—1993 гг. ряда высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) далеко отодвинуло температурную
границу сверхпроводимости и позволило практически использовать сверхпроводящие материалы не только при
температуре кипения жидкого гелия (4,2 К), но и при температуре кипения жидкого азота (77 К), гораздо более
дешёвой криогенной жидкости.
Магнит, левитирующий над высокотемпературным сверхпроводником, охлаждаемым жидким азотом

10. История открытия

Основой для открытия явления сверхпроводимости стало развитие технологий охлаждения материалов до
сверхнизких температур. В 1877 году французский инженер Луи Кайете и швейцарский физик Рауль
Пикте независимо друг от друга охладили кислород до жидкого состояния. В 1883 году Зигмунт Врублевски и Кароль
Ольшевски выполнили сжижение азота. В 1898 году Джеймсу Дьюару удалось получить и жидкий водород.
В 1893 году проблемой сверхнизких температур стал заниматься голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес. Ему
удалось создать лучшую в мире криогенную лабораторию, в которой 10 июля 1908 года им был получен жидкий
гелий. Позднее ему удалось довести его температуру до 1 Кельвина. Камерлинг-Оннес использовал жидкий гелий
для изучения свойств металлов, в частности, для измерения зависимости их электрического сопротивления от
температуры. Согласно существовавшим тогда классическим теориям, сопротивление должно было плавно падать с
уменьшением температуры, однако существовало также мнение, что при слишком низких температурах электроны
практически остановятся и металл совсем перестанет проводить ток. Эксперименты, проводившиеся КамерлингомОннесом со своими ассистентами Корнелисом Дорсманом и Гиллесом Хольстом, вначале подтверждали вывод о
плавном спадании сопротивления. Однако 8 апреля 1911 года он неожиданно обнаружил, что при 3 Кельвинах
(около −270 °C) электрическое сопротивление ртути практически равно нулю. Следующий эксперимент,
проведённый 11 мая, показал, что резкий спад сопротивления до нуля происходит при температуре около 4,2 К
(позднее более точные измерения показали, что эта температура равна 4,15 К). Этот эффект был совершенно
неожиданным и не мог быть объяснён существовавшими тогда теориями.
В 1912 году были обнаружены ещё два металла, переходящие в сверхпроводящее состояние при низких
температурах: свинец и олово. В январе 1914 года было показано, что сверхпроводимость разрушается
сильным магнитным полем. В 1919 году было установлено, что таллий и уран также являются сверхпроводниками.
Нулевое сопротивление — не единственная отличительная черта сверхпроводников. Одним из главных отличий
сверхпроводников от идеальных проводников является эффект Мейснера, открытый Вальтером
Мейснером и Робертом Оксенфельдом в 1933 году.

11. Первое теоретическое объяснение сверхпроводимости было дано в 1935 году братьями Фрицем и Хайнцем Лондоном. Более общая теория

Первое теоретическое объяснение сверхпроводимости было дано в 1935 году братьями Фрицем и Хайнцем
Лондоном. Более общая теория была построена в 1950 году Л. Д. Ландау и В. Л. Гинзбургом. Она получила широкое
распространение и известна как теория Гинзбурга — Ландау. Однако эти теории имели феноменологический
характер и не раскрывали детальные механизмы сверхпроводимости. Впервые сверхпроводимость получила
объяснение на микроскопическом уровне в 1957 году в работе американских физиков Джона Бардина, Леона
Купера и Джона Шриффера. Центральным элементом их теории, получившей название теории БКШ, являются так
называемые куперовские пары электронов.
Позднее было установлено, что сверхпроводники делятся на два больших семейства: сверхпроводников I рода (к
ним, в частности, относится ртуть) и II рода (которыми обычно являются сплавы разных металлов). В открытии
сверхпроводимости II типа значительную роль сыграли работы Л. В. Шубникова в 1930-е годы и А. А. Абрикосова в
1950-е.
Для практического применения в мощных электромагнитах большое значение имело открытие в 1950-х годах
сверхпроводников, способных выдерживать сильные магнитные поля и пропускать большие плотности тока. Так,
в 1960 году под руководством Дж. Кюнцлера был открыт материал Nb3Sn, проволока из которого способна при
температуре 4,2 К, находясь в магнитном поле величиной 8,8 Тл, пропускать ток плотностью до 100 кА/см².
В 1962 году английским физиком Брайаном Джозефсоном был открыт эффект, получивший его имя.
В 1986 году Карл Мюллер и Георг Беднорц открыли новый тип сверхпроводников, получивших
название высокотемпературных. В начале 1987 года было показано, что
соединения лантана, стронция, меди и кислорода (La—Sr—Cu—O) испытывают скачок сопротивления практически
до нуля при температуре 36 К. В начале марта 1987 года был впервые получен сверхпроводник при температуре,
превышающей температуру кипения жидкого азота (77,4 К): было обнаружено, что таким свойством обладает
соединение иттрия, бария, меди и кислорода (Y—Ba—Cu—O). По состоянию на 1 января 2006 года, рекорд
принадлежит керамическому соединению Hg—Ba—Ca—Cu—O(F), открытому в 2003 году, критическая температура
для которого равна 138 К. Более того, при давлении 400 кбар то же соединение является сверхпроводником при
температурах до 166 К.
В 2015 году был установлен новый рекорд температуры, при которой достигается сверхпроводимость. Для H2S
(сероводород) при давлении 100 ГПа был зафиксирован сверхпроводящий переход при температуре 203 К (-70 °C).
В 2017 году было обнаружено явление сверхпроводимости графена толщиною в два атомных слоя, повернутых друг
относительно друга на угол 1.1°.