Электрический ток в металлах
1. Проводимость металлов
Как уже отмечалось в прошлой главе, металлы являются самой распространенной средой, проводящей электрический ток. И носителями зарядов являются свободные электроны. В связи с этим существует особая терминология, в соответствии с которой проводимость металлов называется электронной проводимостью, а сами электроны металла – электронами проводимости.
Этот факт ни в коей мере не постулировался, а был проверен и доказан независимо многими учеными разными методами. Например, немецкий физик Карл Рикке проводил опыт по пропусканию тока в 0,1 А в течении года через три отполированных цилиндра: одного алюминиевого и двух медных. По истечению эксперимента (а за это время по цепи прошел огромный заряд в 
) никаких изменений в структуре цилиндров не произошло, за исключением небольшой диффузии (рис. 1). А если бы носителями заряда были не электроны, а ионы, то тогда был бы перенос вещества одного цилиндра в вещество другого, и, конечно же, в результате столь длительного эксперимента, химическое строение цилиндров изменилось бы.
Рис. 1. Схема опыта Рикке
Еще одним опытом по подтверждению электронной проводимости металлов стал опыт 1912 года российских ученых Мангельштама и Папалекси, спустя небольшое время проведенный также англичанами Стюартом и Толменом. В ходе этого опыта катушка с большим количеством витков быстро вращалась, а затем резко тормозилась. В результате чего замкнутый вместе с ней в цепь гальванометр показывал наличие небольшого тока (рис. 2).
Рис. 2. Схема опыта Мангельштама-Папалекси
Дело в том, что вместе с раскручиваемой катушкой вращаются, конечно же, и находящиеся в металле электроны. Когда же катушка тормозится, электроны некоторое время продолжают двигаться внутри катушки по инерции, производя таким образом ток.
Сверхпроводимость
Определение. Сверхпроводимость – явление, когда сопротивление проводника становится близким к нулю.
Открытию явления сверхпроводимости предшествовало получение в 1908 году голландцем Камерлингом Оннесом (рис. 4) жидкого гелия. Помещая образец проводника в жидкий гелий, стало возможным наблюдать поведение проводников при сверхнизких температурах (близко к 0 
). И в 1911 году Оннес установил, что ртуть при температуре около 4 К резко приобретает сопротивление, равное нулю.
Рис. 4. Камерлинг Оннес
Его опытам с ртутью предшествовали опыты с платиной, в результате которых он установил, что чем чище вещество (чем меньше в нем примесей), тем быстрее уменьшается его сопротивление с уменьшением температуры. Благодаря жидкому состоянию ртути при нормальных условиях, этот металл очень легко было очистить от примесей. И была установлена следующая зависимость удельного сопротивления ртути от низких температур: линейное снижение прерывается скачком к нулю (рис. 5):
Рис. 5.
Явление сверхпроводимости объясняется с точки зрения квантовой физики.
2. Электронный газ
Чтобы оценить, как много в металле тех самых электронов проводимости, нужно понимать, что каждый атом металла обеспечивает как минимум один свободный электрон. В среднем, концентрация электронов проводимости составляет:
И в качестве модели поведения свободных электронов можно принять модель газа. Каждый электрон электронного газа ведет себя, как отдельно взятая молекула газа. При появлении внешнего электрического поля на хаотическое движение электронов накладывается упорядоченное движение. Именно это движение и обуславливает электрический ток.
3. Зависимость сопротивления от температуры
Самое распространенное действие тока – это тепловое действие. Как уже было отмечено в прошлой главе, механизмом этого действия является столкновение электронов с узлами кристаллической решетки, в результате чего кинетическая энергия электронов переходит во внутреннюю энергию проводника.
В свою очередь, имея повышенную внутреннюю энергию, узлы решетки начинают колебаться быстрее, чаще сталкиваясь с электронами. То есть электроны тормозятся более эффективно. Иными словами при увеличении температуры проводника увеличивается его электрическое сопротивление.
Простым опытом, подтверждающим этот теоретический вывод, может служить нагревание проводника в цепи со включенной лампой и измерительными приборами (см. рис. 3).
Рис. 3.
По мере прогревания проводника как лампа начнет светить менее ярко, так и приборы станут показывать падение силы тока.
После качественного подтверждения зависимости сопротивления от температуры была получена количественная зависимость. После ряда экспериментов было выяснено, что относительное приращение сопротивления прямо пропорционально абсолютному приращению температуры:
Или же:
Здесь: 
– сопротивление при заданной температуре, 
– сопротивление при температуре 
; 
– изменение температуры относительно ; 
– температурный коэффициент сопротивления. Температурный коэффициент – табличная величина, известная для большинства металлов. Размерность коэффициента:
Так как при изменении температуры линейные размеры проводников меняются незначительно, значит, меняется удельное сопротивление, причем по такому же закону:
Применение сверхпроводимости
Применение сверхпроводимости чрезвычайно облегчает многие технические аспекты использования электрического тока. Во-первых, отсутствие сопротивления означает отсутствие каких-либо потерь на нагревание, которые, как правило, составляют 15% всей энергии. Как подтверждение можно привести опыт по двухгодичному пропусканию тока через проводник, погруженный в жидкий гелий, который прервался только из-за нехватки гелия. Отсутствие нагревания и потерь энергии на него чрезвычайно важно для электродвигателей и электронной вычислительной техники.
Кроме того в сверхпроводниках протекают из-за отсутствия сопротивления чрезвычайно высокие токи, создающие сильные магнитные поля, что может применяться при термоядерном синтезе.
Бытовой пример использования сверхпроводников – это существующая на сегодняшний момент железнодорожная сеть с поездами на магнитной подушке (рис. 6):
Рис. 6. Поезд на магнитной подушке
Высокотемпературные сверхпроводники
После открытия сверхпроводимости Оннес, пытаясь создать сверхпроводящий электромагнит, обнаружил, что изменение тока, или же магнитные поля, разрушают эффект сверхпроводимости. Только к середине двадцатого века удалось создать сверхпроводящие электромагниты.
Также чрезвычайно важное открытие было сделано в 1986 году. Были обнаружены материалы, обладающие сверхпроводимостью при температурах около 
. Такие температуры возможно получать, используя жидкий азот, который значительно дешевле жидкого гелия. Однако при попытке создания таких сверхпроводящих проводов и кабелей столкнулись с проблемой чрезвычайной хрупкости таких материалов, которые рассыпаются в процессе прокатки. На данный момент продолжаются работы по решению этой проблемы.