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:
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:
- cewka z cienkiego drutu miedzianego,
- miernik rezystancji (omomierz),
- ciekły azot.
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.
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.
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.
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:
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:
- Alenitsyn A.G., Butikov E.I., Kondraryez A.S., Concise Handbook of Mathematics and Physics, CRC Press, 1997, str. 331–332
- Halliday D., Podstawy fizyki, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2009, str. 137-139
Marek Ples