Weird Science

Miedź i ciekły azot - spadek rezystancji w niskiej temperaturze

Opór elek­tryczny

Rezy­stan­cja, lub ina­czej opór elek­tryczny jest wiel­ko­ścią cha­rak­te­ry­zu­jącą zależn­ość między napięciem, a natęże­niem prądu elek­trycz­nego w obwo­dach prądu sta­łego. Ozna­cza się ją grecką literą Ω.

W latach 30 XIX wieku Georg Ohm badał w jaki spo­sób pły­nący przez prze­wod­nik prąd zależy od przy­ło­żo­nego napięcia. Odkrył przy tym, że prąd pły­nący przez prze­wod­nik i przy­ło­żone napięcie są do sie­bie wprost pro­por­cjo­nalne. Pro­por­cjo­nal­ność ta została nazwana Pra­wem Ohma i wyraża się zna­nym wzo­rem:

U=R*I

Współczyn­nik pro­por­cjo­nal­no­ści R nazywa się rezy­stan­cją. Prawo to jest zacho­wane jedy­nie dla niek­tórych sub­stan­cji, głów­nie meta­licz­nych. Prze­wod­niki takie nazy­wamy linio­wymi (patrz tutaj), w prze­ci­wieńs­twie do prze­wod­ni­ków nie­li­nio­wych, gdzie zależn­ość jest inna.

Od czego zależy rezy­stan­cja metali? Nie­wąt­pli­wie od rodzaju tego metalu; opor­ność wła­ściwa jest cechą cha­rak­te­ry­styczną pier­wiastka. Zależy także od pola prze­kroju i dłu­go­ści prze­wod­nika: rezy­stan­cja jest tym więk­sza, im mniej­szy jest jego prze­krój i więk­sza dłu­gość.

Jak się oka­zuje, na opór elek­tryczny ma rów­nież wpływ tem­pe­ra­tura.

Potrzebne mate­riały

Do spraw­dze­nia wpływu tem­pe­ra­tury na opór elek­tryczny metalu są nam potrzebne:

Ostrze­że­nie: Azot nie jest tok­syczny, ale w postaci cie­kłej zacho­wuje bar­dzo niską tem­pe­ra­turę. Należy się z nim obcho­dzić bar­dzo ostrożnie. Autor nie bie­rze jakiej­kol­wiek odpo­wie­dzial­no­ści za wszel­kie mogące pow­stać szkody. Robisz to na wła­sne ryzyko!

Rodzaj cewki i para­me­try drutu, którym została nawi­nięta nie są kry­tyczne; powinna jedy­nie wyka­zy­wać łatwą do zmie­rze­nia opor­ność. Ja zasto­so­wa­łem widoczną poni­żej nie­wielką cewkę pier­ście­niową.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

W cha­rak­te­rze omo­mie­rza można zasto­so­wać dowolny mier­nik uni­wer­salny, prze­łączony na odpo­wiedni zakres pomia­rowy.

Doświad­cze­nie

Cie­kły azot z racji swo­jej niskiej tem­pe­ra­tury (-196°C w momen­cie wrze­nia) musi być prze­cho­wy­wany w odpo­wied­nich naczy­niach, tak zwa­nych naczy­niach Dewara. W cza­sie doświad­cze­nia naj­wy­god­niej posłu­żyć się mniej­szym ter­mo­sem. Cewkę należy pod­łączyć do mier­nika, by ten wska­zy­wał jej opór. Gotowy zestaw doświad­czalny można zoba­czyć poni­żej.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Można zau­wa­żyć, że począt­kowo rezy­stan­cja cewki wynosi około 6,15 kilo­oma.

Cewkę następ­nie zanu­rzono w cie­kłym azo­cie. Począt­kowo azot wrze w kon­tak­cie z cie­plej­szą od niego cewką - świad­czą o tym kłęby kon­den­su­jącej z powie­trza pary wod­nej, co obja­wia się pow­sta­niem mgły. Jed­no­cze­śnie opór elek­tryczny drutu wyraźnie spada. Dzieje się tak do czasu, aż tem­pe­ra­tura zwoj­nicy nie spad­nie do -196°C, a azot nie prze­sta­nie wrzeć, co widać na poniższym zdjęciu.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Jak widać opór zwoj­nicy zna­cząco się zmniej­szył, a jego war­tość wynio­sła 1,2 kilo­oma.

Wyja­śnie­nie

Próbę wyja­śnie­nia zapre­zen­to­wa­nego zja­wi­ska należy roz­po­cząć od istoty prze­wod­nic­twa elek­trycz­nego w meta­lach. Prąd elek­tryczny można zde­fi­nio­wać jako upo­rząd­ko­wany ruch nośni­ków ładunku elek­trycz­nego w polu elek­trycz­nym.

W przy­padku metali nośni­kami ładunku elek­trycz­nego są elek­trony, obda­rzone ładun­kiem ujem­nym. Metale mają budowę kry­sta­liczną; skła­dają się z upo­rząd­ko­wa­nych w sieć kry­sta­liczną jonów. Elek­trony walen­cyjne, jako naj­sła­biej związane z jądrem atomu, mogą się poru­szać dowol­nie w sieci kry­sta­licz­nej, two­rząc tak zwany gaz elek­tro­nowy. Pow­stałe w ten spo­sób dodat­nie jony metalu (atom pozba­wiony elek­tro­nów walen­cyj­nych two­rzy tak zwany zrąb lub rdzeń ato­mowy) są niez­dolne do więk­szego ruchu two­rząc cha­rak­te­ry­styczną prze­strzenną sieć kry­sta­liczną:

Ilustracja

Zew­nętrzne pole elek­tryczne powo­duje upo­rząd­ko­wany ruch elek­tro­nów pod wpły­wem pow­sta­łych sił kulom­bow­skich, czyli prze­pływ prądu elek­trycz­nego.

Czy jed­nak elek­trony mogą się rze­czy­wi­ście tak swo­bod­nie prze­miesz­czać się w krysz­tale metalu? Dodat­nie jony nie mogą się poru­szać, ale powy­żej tem­pe­ra­tury zera abso­lut­nego wyko­nują jed­nak drga­nia wokół poło­że­nia rów­no­wagi, tak zwane drga­nia ter­miczne. Poru­sza­jące się elek­trony zde­rzają się więc z nimi i obser­wu­jemy swo­i­ste roz­pra­sza­nie elek­tro­nów na jonach. Makro­sko­po­wym efek­tem tego biegu z przesz­ko­dami jest opór elek­tryczny.

Obni­ża­jąc tem­pe­ra­turę jed­no­cze­śnie redu­ku­jemy drga­nia cząstek, co umożl­i­wia elek­tro­nom bar­dziej swo­bodny ruch. Dla­tego rezy­stan­cja och­ło­dzo­nego metalu spada. Pod­czas wzro­stu tem­pe­ra­tury sytu­a­cja jest odw­rotna.

Zau­wa­żony w doświad­cze­niu spa­dek rezy­stan­cji jest nawet więk­szy, niż nale­ża­łoby się spo­dzie­wać w odnie­sie­niu do mie­dzi, z której został wyko­nany drut two­rzący zwoj­nicę. Można podej­rze­wać, że jest to spo­wo­do­wane dodat­ko­wymi czyn­ni­kami, być może zja­wi­skiem ter­mo­e­lek­trycz­nym.

Życzę miłej i pou­cza­jącej zabawy:)

Lite­ra­tura dodat­kowa:

Marek Ples

Aa