Теория:
Известно, что электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. В разных средах «переносчиками» выступают разные объекты: в металлах — свободные электроны, в растворах — ионы, в газах — электроны и ионы, в полупроводниках — электроны и дырки. От того, что именно переносит заряд, зависят свойства тока и его применение.
Самый распространённый класс проводников в технике — металлы. В кристаллической решётке металла положительные ионы находятся в узлах, а валентные электроны теряют связь со своими атомами и образуют «электронный газ» — огромное количество свободных электронов (до \(10^{29}\) в \(1\) м\(^3\)). Они непрерывно хаотически движутся между ионами. Без внешнего поля суммарный перенос заряда через любое сечение равен нулю.
При подключении источника внутри проводника возникает электрическое поле. Оно действует на каждый электрон с силой \(F=eE\) (направление противоположно полю, так как заряд электрона отрицательный). Теперь хаотическое движение дополняется упорядоченным дрейфом. Скорость этого дрейфа оказывается очень малой — доли миллиметра в секунду, потому что электроны постоянно сталкиваются с колеблющимися ионами решётки и теряют набранную скорость.
В \(1913\) году российские физики Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси, а чуть позже американцы Т. Стюарт и Р. Толмен провели блестящий эксперимент: катушку с проводом раскручивали, а затем резко тормозили. Электроны по инерции продолжали двигаться, пока ионы решётки останавливались. В цепи возникал кратковременный ток. Измерив перенесённый заряд, вычислили отношение заряда носителя к его массе. Оно совпало с известным для электрона (\(e/m_{e}\)). Так было экспериментально доказано, что ток в металлах создаётся именно электронами.
Под действием поля электрон ускоряется, но из-за столкновений его средняя дрейфовая скорость оказывается пропорциональной напряжённости поля \(E\). А сила тока \(I=enSv_{др}\) (где \(n\) — концентрация электронов, \(S\) — сечение). Отсюда следует, что \(I\) пропорционально \(E\) и, следовательно, напряжению \(U\). Это и есть закон Ома.
Классическая теория, основанная на законах Ньютона, даёт правильную качественную картину, но количественно расходится с опытом (например, предсказывает не ту зависимость сопротивления от температуры). Более точное описание даёт квантовая теория, где электроны ведут себя как волны.
В металлах ток — это направленный дрейф свободных электронов. Их концентрация огромна, поэтому даже при малой дрейфовой скорости ток может быть большим. Опыты с инерцией электронов окончательно подтвердили, что именно электроны — носители заряда в металлах.
При нагревании металла ионы в узлах решётки колеблются сильнее. Электронам становится труднее пробираться между ними — они чаще сталкиваются, и сопротивление растёт. Для большинства металлов это увеличение идёт почти по прямой линии: \(R = R_{0}(1+αt)\).
Коэффициент \(α\) называют температурным коэффициентом сопротивления. Для чистых металлов \(α\) примерно одинаков.
Но есть удивительное исключение — сверхпроводимость.
Экспериментальные результаты измерения сопротивления в зависимости от температуры показывают, что при температурах ниже критической сопротивление проводника становится равным нулю (рис. \(1\)).
Рис. \(1\). Зависимость сопротивления
проводника от температуры
Это явление называется сверхпроводимостью.
Сейчас учёные активно ищут материалы, которые становятся сверхпроводниками при более высоких температурах (высокотемпературная сверхпроводимость), чтобы использовать их в мощных магнитах и экономичных линиях электропередач.