1.2. Электрическая сверхпроводимость металлов.

В 1911 году голландский физик Г. Камерлинг-Оннес обнаружил, что при постепенном охлаждении сопротивление ртути уменьшается по линейному закону только до температуры 4,15 К, а затем исчезает. Это явление получило название сверхпроводимость. Температуру, при которой ряд веществ переходит в сверхпроводящее состояние, называют критической.

Интересной особенностью сверхпроводящего состояния вещества является то, что с повышением температуры выше критической оно исчезает и вещество переходит в нормальное состояние. Явление сверхпроводимости исследовали во многих физических лабораториях мира, но только в 1985 году удалось найти материалы, которые переходят в сверхпроводящее состояние примерно при 20 К (-253°С). В 1986 году был обнаружен керамический материал, переходивший в сверхпроводящее состояние при температуре 30 К (-243°С). За один год потолок кристаллической температуры был поднят на 10 К. Это послужило толчком к поиску и исследованию керамических материалов, переходящих в сверхпроводящее состояние. Уже в 1987 году были найдены керамики, переходящие в сверхпроводящее состояние при температуре 125 К (-148°С). В настоящее время найдены материалы переходящие в сверхпроводящее состояние при температуре 162 К (-111°С). Последние пять лет исследованием явления сверхпроводимости заняты учёные многих стран мира. Задача этих исследований – найти вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние при всё более высоких температурах. Интересно, что в ходе исследований были открыты сверхпроводящие полимеры.

Явление сверхпроводимости нашло широкое применение в современной технике. Так, например, уже построены и действуют генераторы электрического тока, магнитное поле и т.д.

Электронная теория проводимости металлов не смогла объяснить явление сверхпроводимости. Это явление было объяснено с позиций квантовой физики.

2. Электрический ток в электролитах.

2.1. Явление электролиза.

В

Рис. 1.

электролитах свободными зарядами являются положительные и отрицательные ионы. Опустим в сосуд, содержащий электролит, две металлические или угольные пластинки, соединённые с источником Е. Д. С. (рис. 1) и называемые электродами. Электрод, соединённый с положительным полюсом источника, называется анодом, соединённый с отрицательным полюсом источника – катодом. Сосуд, содержащий электролит и электроды называется электролитической ванной (или вольтаметром).

П

Рис. 2.

ри замыкании цепи анод заряжается положительно, катод – отрицательно, и между ними образуется электрическое поле. Под действием силы поля отрицательные ионы движутся к аноду, а положительные – к катоду (рис. 2). Поэтому отрицательные ионы получили название анионов, а положительные – катионов. Достигнув катода, катионы присоединяют к себе избыточные электроны катода и превращаются в нейтральные атомы. Эти атомы или образовавшиеся из них молекулы откладываются на электродах, покрывая их слоев вещества. Выделение вещества на электродах при прохождении электрического тока через электролит называется электролизом.

Нередко прохождение электрического тока через электролиты сопровождается химическими превращениями вещества. Рассмотрим, например, электролиз водного раствора серной кислоты. При диссоциации молекула серной кислоты распадается на положительный ион водорода и отрицательный ион кислотного остатка:

H ₂SO₄ 2H⁺ + SO₄^{- -},

причём каждый из ионов несёт заряд, численно равный элементарному заряду. Оказывается, что небольшая часть молекул воды также диссоциирована на ионы, а именно: на положительный ион водорода и отрицательный ион гидроксида:

H ₂O H⁺ + OH^-.

При замыкании электрической цепи все ионы водорода движутся к катоду, а отрицательно заряженные ионы OH^- и SO₄^-- к аноду. Ионы водорода отнимают у катода электроны и превращаются в нейтральные атомы, которые соединяются в молекулы H₂ и выделяются из раствора. Анод отбирает лишние электроны у подошедших к нему ионов OH^-, так как силы, удерживающие электроны в ионах гидроксида, значительно меньше, чем силы, удерживающие электроны в ионах SO₄^--. При разрядке ионов OH^- образуются молекулы воды и молекулы кислорода, который и выделяется из раствора. Таким образом, в растворе образуются следующие ионы:

H ₂SO₄ 2H⁺ + SO₄^--,

4 H₂O 4H⁺ + 4OH^-.

На катоде выделяется газообразный водород:

4H⁺ + 4e = 2H₂,

где e – заряд электрона.

На аноде SO₄^—остаются в растворе и, соединившись с ионами водорода, могут образовать молекулы H₂SO₄. В результате электролиза общее количество серной кислоты в растворе остаётся неизменным, а количество воды уменьшается.

Процесс, при котором вещество выделяется на обоих электродах, возможен лишь в том случае, когда электроды не растворяются в электролите.

Для электролитов справедлив закон Ома

I

R

φ_А – φ_К

=

г

ℓ

1

ℓ

де R – сопротивление электролита, равное

R

S

=

γ

S

.

= ρ

Удельная электропроводимость γ данного электролита тем больше, чем большее число его молекул диссоциировано на ионы и с тем большей скоростью эти ионы движутся под действием электрического поля с данной напряжённостью. При нагревании сопротивлении электролитов уменьшается. Это объясняется двумя причинами: во-первых, с увеличением температуры возрастает кинетическая энергия молекул электролита, и при соударениях большее их число распадается на ионы; во-вторых, при нагревании жидкости уменьшается её внутреннее трение, а следовательно, скорость движения ионов увеличивается.