Металлы и человек

Однако «красную майку чемпиона» по тугоплавкости получают не они. Она по праву принадлежит вольфраму, температура плавления которого равна 3410 градусам!

3450 градусов — таков диапазон между самым легкоплавким и самым тугоплавким металлами!

И все же, если заглянуть глубже, и в самом процессе плавления металлов есть нечто общее.

Во-первых, все они плавятся при строго определенной температуре— ведь они кристаллические тела. Аморфные тела — такие, как вар или стекло, — сначала при нагревании размягчаются и только потом плавятся, причем четкой границы между размягчением и плавлением у них не существует.

Во-вторых, они и в расплавленном виде сохраняют целый ряд общих свойств. И даже взаимное расположение атомов в расплавленном металле остается почти таким же, как и в твердом.

Ну, а другие свойства металлов? Близки ли по ним металлы друг другу?

Возьмем теплопроводность. Разогните канцелярскую скрепку и один ее конец поместите в пламя спички. Вы очень скоро почувствуете, что проволочка и в том месте, за которое вы ее держите, нагрелась. Тепло прошло вдоль проволочки, но не прошло вдоль древка спички. Вы не почувствуете, что она стала теплее до тех пор, пока пламя не коснется ваших пальцев. Это значит: проволочка хорошо проводит тепло, дерево — плохо.

Почти три с половиной тысячи градусов — таков перепад между температурами плавления самого тугоплавкого и самого легкоплавкого металлов.

В технике инженеры точно определили, сколько тепла проходит через метровой толщины стенку в час при разнице температур с разных сторон стенки в 1 градус. Ведь этим коэффициентом определяется и количество тепла, которое сможет получить вода от пламени топлива в паровом котле, и количество тепла, которое уйдет сквозь стенки дома в зимние месяцы. Посмотрим и мы в таблицы коэффициентов теплопроводности различных веществ.

Максимальной теплопроводностью обладает серебро. Его коэффициент теплопроводности равен 360 единицам. Немногим уступает ему медь. Ее коэффициент теплопроводности достигает 335 единиц. Отличной теплопроводностью обладает золото — 269 единиц, алюминий— 180 единиц, вольфрам— 145 единиц.

Наименьшими теплопроводностями среди металлов обладают ртуть — 25 единиц, свинец — 30 единиц, сталь — 39 единиц.

А теперь посмотрим, какова теплопроводность других веществ, не металлов.

Наилучшей она оказывается у… льда! Да, теплопроводность льда — 1,9 единицы и гранита — 1,89 единицы.

В тринадцать раз ниже, чем у самого нетеплопроводного металла! А теплопроводность других материалов — бумаги, стекла, штукатурки, кирпича — еще в несколько раз ниже. Еще ниже теплопроводность газов. Так, теплопроводность азота — основной составляющей части нашей атмосферы — равна 0,02 единицы, а благородного газа ксенона — даже 0,004 единицы.

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.