Михаил Васильев - Металлы и человек
Легко догадаться теперь, почему батареи отопления, которые должны отдавать воздуху комнаты как можно больше тепла, делают из металла, а двери зимой обивают войлоком, почему не делают железобетонных паровых котлов и к щипцам для завивки волос приделывают деревянные ручки.
Что ж, с точки зрения наших сегодняшних представлений о внутреннем строении металлов, нам легко объяснить такую большую разницу в теплопроводности металлов и других веществ. Дело в том, что передача тепла в металлах осуществляется не только за счет колебаний атомов в кристаллической решетке, но и движением свободных электронов. Легкие электроны легче привести в движение, чем тяжелые атомы, к тому же привязанные к определенным точкам кристаллической решетки. Поэтому большая часть тепла переносится именно движением электронов.
Перечисляя общие свойства металлов, мы упоминали их хорошую электропроводность. Это значит, что они оказывают малое сопротивление проходящему сквозь них току.
Действительно, сопоставление показывает, что металлы обладают несравненно лучшей электропроводностью, чем неметаллы и разные сложные вещества. Лучше всех проводят электрический ток серебро и медь. За ними следуют золото, алюминий, вольфрам. Хуже — железо и ртуть.
Если расположить металлы по убывающей теплопроводности, то окажется, что и электропроводность их убывает почти в той же последовательности. Ведь электрический ток — это тоже движение электронов.
Чем чище металл, чем точнее, следовательно, его кристаллическая решетка, тем лучше он проводит электрический ток. Наоборот, мельчайшие примеси или даже механическая обработка, искажающая кристаллическую решетку, например прокатка, уменьшают электропроводность.
Электрон — вот волшебный переносчик тепла в металлах!
Ионы сходят со своих мест в кристаллической решетке и заслоняют пути электронам. Те сталкиваются с ионами, передают им часть своей энергии движения, вызывают их тепловые колебания. Металл нагревается: часть проходящей электрической энергии превращается в тепло.
Позволим привести такое достаточно вольное, но убедительное сравнение. Представьте широкую улицу, по сторонам которой стоит ровная шеренга домов, — это ионы в кристаллической решетке. По проезжей части мчится поток автомашин — это электроны. И вдруг некоторые дома выходят из общего строя и становятся прямо посередине улицы — это атомы примесей. Их приходится объезжать, скорость движения автомобилей при этом, конечно, снижается, то есть, если продолжить сравнение, уменьшается электропроводность металла.
Именно поэтому для проводов, кабелей, рубильников используют лучшую, чистейшую медь. После выплавки ее для этой цели еще подвергают электролитической очистке — буквально перебирают весь металл по одному атому. Такая медь называется электролитной. Она содержит не более 0,05 процента посторонних примесей.
Серебро еще лучший проводник, чем медь, но оно слишком дорого, чтобы делать из него провода уличного освещения или пригородной электрички. Серебряные провода можно увидеть только в сверхточных лабораторных радиоприборах да на контактах ответственных переключателей тока.
Наоборот, там, где надо получить большое сопротивление, например для превращения электрического тока в тепловую энергию, вы найдете сплавы металлов — константан, нихром.
Чрезвычайно интересна зависимость электропроводности металлов от их температуры. Как правило, с повышением температуры сопротивление металла прохождению тока растет, с понижением — уменьшается. Это и понятно: повышение температуры связано с увеличением колебаний ионов в кристаллической решетке. И эти колебания, конечно, мешают движению электронов.
В нашем сравнении металлической структуры с проезжей улицей в этом случае надо сдвинуть с места дома и заставить их пританцовывать, выпрыгивая почти на середину улицы и впрыгивая тут же назад. Свободной для проезда остается только самая середина улицы, а по ее боковым сторонам проезд будет почти невозможен.
Все это было сравнительно легко понять. Но совершенно неожиданное явление открыли ученые, когда они перенесли свои опыты по определению электрического сопротивления металлов в область сверхнизких температур, близких к абсолютному нулю. Вероятно, всем известно, что абсолютный нуль — это максимально низкая возможная в природе температура, около — 273 градусов, когда совершенно прекращается тепловое движение молекул.
Впервые с этим явлением столкнулся еще в 1911 году известный голландский физик Г. Камерлинг-Оннес. Он исследовал электропроводность ртути при низких температурах. И вдруг, когда до абсолютного нуля осталось всего 4,12 градуса, сопротивление ртути упало до такой величины, что он не смог его обнаружить вовсе.
Камерлинг-Оннес улучшил электроизмерительную аппаратуру, тщательнее произвел опыт. Нет, опять ничего. Впечатление такое, словно электрическое сопротивление металла упало до нуля, исчезло совсем. Электрический ток, пущенный в кольцо из ртути, продолжал течь в нем неопределенно долгое время, не затухая. Так и не удалось ученому измерить величину сопротивления электрическому току при температурах, близких к абсолютному нулю. А это явление потери сопротивления назвали сверхпроводимостью.
В настоящее время сверхпроводимость обнаружена у двадцати трех чистых металлов, многих сплавов и химических соединений.
Электрону надо быть виртуозом-слаломистом, чтобы проскочить между атомами металла.
Так, у алюминия она возникает при 1,14 градуса абсолютной температуры, у цинка — при 0,79, у свинца — при 7,26, у ванадия — при 4,3, у ниобия— даже при 9,22 градуса.
В течение долгого времени ученые не могли разгадать секрета сверхпроводимости. Только в самые последние годы советский ученый академик Николай Николаевич Боголюбов сумел объяснить это явление.
Магнетизм
Есть старая сказка.
Где-то в бескрайних далях океана высится гигантская магнитная скала.
Ее притяжение ощущается на сотни километров. И горе судам, попавшим в зону ее притяжения. Они перестают слушаться руля и парусов и со все нарастающей скоростью устремляются к этой скале. Размотавшие свои цепи якоря, словно чудовищные постромки, летят, натянутые невидимой, но могучей силой, впереди корабля, увлекая его за собой. Сопротивление воды тормозит бег судна, и с лафетов слетают стальные пушки, отрываются листы железной обшивки, вылезают из своих гнезд гвозди. Словно чудовищные ядра и пули, со свистом улетают они вперед, увлеченные непреодолимым притяжением черной скалы.
День и ночь, сутки за сутками длится это плавание, похожее на полет.
Лишенный всех металлических частей, рассыпается корабль, и гибнут моряки. Лишь немногие, уцепившись за металлические предметы, достигают таинственной магнитной скалы.
Она вся, как ель — иглами, покрыта щетиной металлических деталей. Ничего не растет на ее железной вершине. И без воды и пищи погибали «счастливцы», избегнувшие смерти в океане…
К счастью, такой скалы на земном шаре нет да и быть не может. Слишком уж из сильного магнита должна бы она состоять. Нет в природе и искусственным путем не получено магнита такой силы.
Но магнитные вещества, вещества, способные притягивать к себе железные и стальные предметы, в природе существуют — это невзрачный горный камень, называемый магнитным железняком. К куску его притягиваются гвозди, железные опилки, подковы.
Свойство магнитного железняка было известно в глубокой древности и вызывало величайшее изумление и восторг. Древний философ и поэт Лукреций Кар рассказывает о магнитных кольцах, свешивающихся со сводов храма и удерживаемых только взаимным притяжением. Чудесная сила магнитного притяжения привлекала и изобретателей вечных двигателей. Сколько хитроумнейших конструкций, в которых главная роль отводилась магнитам, было создано на протяжении многих веков! Но и эти конструкции вечного двигателя не избавили человечество от необходимости строить водяные и воздушные мельницы, добывать уголь и нефть.
В самой сущности строения атома заключена загадка магнетизма.
Магнитные свойства можно сообщить и некоторым другим телам. Если куском магнитного железняка потереть по стальной пластинке, она тоже намагнитится и будет сама притягивать металлические предметы. Приобретает она и другое свойство: если ее подвесить на шелковой нитке, она будет всегда поворачиваться одним концом на север, другим на юг.
Почти четыре тысячи лет назад китайские путешественники и полководцы пользовались специальными повозками, в которых поставлены были фигуры, всегда обращавшие простертые руки на юг и таким образом указывавшие путь в необозримых степях и бесконечных однообразных песчаных пустынях Азии. В III веке нашей эры китайцы использовали уже стальные пластинки, подвешенные на шелковой нити, — компас. И только где-то около XI или XII века этот прибор стал известен европейским народам. С тех пор его магнитная стрелка помогает морякам находить путь по синему зеркалу мирового океана.
