Metalų elektroninį laidumą pirmą kartą eksperimentiškai įrodė vokiečių fizikas E. Rikke 1901 m. Per tris tvirtai vienas prie kito prispaustus poliruotus cilindrus - varį, aliuminį ir vėl varį - ilgą laiką (per metus) buvo praleidžiama elektros srovė. . Bendras per tą laiką praėjęs krūvis buvo lygus 3,5·10 6 C. Kadangi vario ir aliuminio atomų masės labai skiriasi viena nuo kitos, cilindrų masės turėtų pastebimai keistis, jei krūvininkai būtų jonai.

Eksperimentų rezultatai parodė, kad kiekvieno cilindro masė išliko nepakitusi. Susisiekiančiuose paviršiuose buvo rasti tik nežymūs metalų tarpusavio skverbimosi pėdsakai, kurie neviršijo įprastos atomų difuzijos kietose medžiagose rezultatų. Vadinasi, laisvieji krūvininkai metaluose yra ne jonai, o dalelės, kurios yra vienodos ir varyje, ir aliuminyje. Tokiomis dalelėmis gali būti tik elektronai.

Tiesioginis ir įtikinamas šios prielaidos pagrįstumo įrodymas buvo gautas 1913 metais L. I. Mandelstamo ir N. D. Papaleksi ir 1916 metais T. Stuarto ir R. Tolmano atliktais eksperimentais.

Ant ritės suvyniota viela, kurios galai prilituojami prie dviejų vienas nuo kito izoliuotų metalinių diskų (1 pav.). Prie diskų galų slankiojančiais kontaktais pritvirtinamas galvanometras.

Ritė greitai sukasi ir staiga sustabdoma. Staigiai sustojus ritei, laisvai įkrautos dalelės kurį laiką judės išilgai laidininko inercijos būdu, todėl ritėje atsiras elektros srovė. Srovė egzistuos neilgai, nes dėl laidininko varžos įkrautos dalelės sulėtėja ir sustoja tvarkingas dalelių judėjimas.

Srovės kryptis rodo, kad ją sukuria neigiamo krūvio dalelių judėjimas. Perduotas krūvis šiuo atveju yra proporcingas srovę kuriančių dalelių krūvio ir jų masės santykiui, t.y. . Todėl išmatavus krūvį, einantį per galvanometrą per visą srovės egzistavimo grandinėje laiką, buvo galima nustatyti santykį. Paaiškėjo, kad jis lygus 1,8·10 11 C/kg. Ši vertė sutampa su elektrono krūvio ir jo masės santykiu, nustatytu anksčiau iš kitų eksperimentų.

Taigi elektros srovė metaluose susidaro judant neigiamo krūvio elektronų dalelėms. Pagal klasikinę elektroninę metalų laidumo teoriją (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904), metalinis laidininkas gali būti laikomas fizine dviejų posistemių derinio sistema:

1. laisvųjų elektronų, kurių koncentracija ~ 10 28 m -3 ir
2. teigiamo krūvio jonai, vibruojantys aplink pusiausvyros padėtį.

Laisvųjų elektronų atsiradimą kristale galima paaiškinti taip.

Atomams susijungus į metalo kristalą, nuo atomų atsiskiria silpniausiai su atomo branduoliu susiję išoriniai elektronai (2 pav.). Todėl teigiami jonai yra metalo kristalinės gardelės mazguose, o tarp jų esančiame erdvėje juda su savo atomų branduoliais nesusiję elektronai. Šie elektronai vadinami Laisvas arba laidumo elektronai. Jie atlieka chaotišką judesį, panašų į dujų molekulių judėjimą. Todėl laisvųjų elektronų visuma metaluose vadinama elektronų dujos.

Jei laidininkui taikomas išorinis elektrinis laukas, atsitiktinis chaotiškas laisvųjų elektronų judėjimas, veikiamas elektrinio lauko jėgų, sukuria nukreiptą judėjimą, kuris sukuria elektros srovę. Pačių elektronų judėjimo laidininke greitis yra kelios milimetro dalys per sekundę, tačiau laidininke susidaręs elektrinis laukas sklinda per visą laidininko ilgį greičiu, artimu šviesos greičiui vakuume ( 3 10 8 m/s).

Kadangi elektros srovę metaluose sudaro laisvieji elektronai, metalinių laidininkų laidumas vadinamas elektroninis laidumas.

Elektronai, veikiami nuolatinės jėgos, veikiančios iš elektrinio lauko, įgyja tam tikrą tvarkingo judėjimo greitį (tai vadinama dreifu). Laikui bėgant šis greitis toliau nedidėja, nes susidūrę su kristalinės gardelės jonais elektronai perduoda elektriniame lauke įgytą kinetinę energiją į kristalinę gardelę. Pirmuoju aproksimavimu galime daryti prielaidą, kad vidutiniu laisvuoju keliu (tai atstumas, kurį elektronas nukeliauja tarp dviejų nuoseklių susidūrimų su jonais) elektronas juda su pagreičiu, o jo dreifo greitis laikui bėgant didėja tiesiškai.

Susidūrimo momentu elektronas perduoda kinetinę energiją į kristalinę gardelę. Tada jis vėl įsibėgėja ir procesas kartojasi. Dėl to vidutinis tvarkingo elektronų judėjimo greitis yra proporcingas elektrinio lauko stipriui laidininke ir atitinkamai potencialų skirtumui laidininko galuose, nes , kur l yra laidininko ilgis.

Yra žinoma, kad srovės stipris laidininke yra proporcingas dalelių tvarkingo judėjimo greičiui

ir todėl pagal ankstesnįjį srovės stipris proporcingas potencialų skirtumui laidininko galuose: I ~ U. Tai yra kokybinis Ohmo dėsnio paaiškinimas, paremtas klasikine elektronine metalų laidumo teorija.

Tačiau su šia teorija kyla sunkumų. Iš teorijos išplaukė, kad varža turi būti proporcinga temperatūros kvadratinei šaknei (), tuo tarpu, remiantis patirtimi, ~ T. Be to, metalų šiluminė talpa, remiantis šia teorija, turėtų būti daug didesnė nei monatominių kristalų šiluminė talpa. Realiai metalų šiluminė talpa mažai skiriasi nuo nemetalinių kristalų šiluminės talpos. Šiuos sunkumus pavyko įveikti tik kvantinėje teorijoje.

1911 m. olandų fizikas G. Kamerling-Onnes, tyrinėdamas gyvsidabrio elektrinės varžos kitimą esant žemai temperatūrai, nustatė, kad esant maždaug 4 K temperatūrai (ty esant -269 °C), savitoji varža staigiai sumažėja (1 pav.). 3) beveik iki nulio. Šis elektrinės varžos pavertimo iki nulio reiškinys G. Kamerling-Onnes pavadino superlaidumu.

Vėliau buvo nustatyta, kad daugiau nei 25 cheminiai elementai – metalai labai žemoje temperatūroje tampa superlaidininkais. Kiekvienas iš jų turi savo kritinę perėjimo temperatūrą į būseną su nuliniu pasipriešinimu. Mažiausia jo vertė volframui yra 0,012K, didžiausia niobio – 9K.

Superlaidumas pastebimas ne tik grynuose metaluose, bet ir daugelyje cheminių junginių bei lydinių. Šiuo atveju patys elementai, kurie yra superlaidaus junginio dalis, negali būti superlaidininkais. Pavyzdžiui, NiBi, Au 2 Bi, PdTe, PtSb ir kiti.

Superlaidžios būsenos medžiagos turi neįprastų savybių:

1. elektros srovė superlaidininke gali egzistuoti ilgą laiką be srovės šaltinio;
2. superlaidžios medžiagos viduje neįmanoma sukurti magnetinio lauko:
3. magnetinis laukas naikina superlaidumo būseną. Superlaidumas yra reiškinys, paaiškinamas kvantinės teorijos požiūriu. Gana sudėtingas jo aprašymas nepatenka į mokyklinio fizikos kurso taikymo sritį.

Dar visai neseniai plačiai taikyti superlaidumą trukdė sunkumai, susiję su būtinybe aušinti iki itin žemos temperatūros, kuriai buvo naudojamas skystas helis. Nepaisant to, nepaisant įrangos sudėtingumo, helio trūkumo ir didelių sąnaudų, nuo XX amžiaus 60-ųjų superlaidieji magnetai buvo sukurti be šilumos nuostolių jų apvijose, todėl praktiškai buvo įmanoma gauti stiprius magnetinius laukus santykinai dideliuose. apimtis. Būtent tokių magnetų reikia norint sukurti valdomo termobranduolinio sintezės su magnetine plazma izoliacija patalpas, galingiems įkrautų dalelių greitintuvams. Superlaidininkai naudojami įvairiuose matavimo prietaisuose, pirmiausia prietaisuose, skirtuose didžiausiu tikslumu matuoti labai silpnus magnetinius laukus.

Šiuo metu elektros linijų laidų varžoms įveikti sunaudojama 10 - 15 % energijos. Superlaidžios linijos arba bent jau įėjimai į didelius miestus leis labai sutaupyti. Kita superlaidumo taikymo sritis – transportas.

Superlaidžių plėvelių pagrindu sukurta nemažai didelės spartos loginių ir atminties elementų skaičiavimo įrenginiams. Kosmoso tyrimuose žadama panaudoti superlaidžius solenoidus kosmonautų radiacinei saugai, laivų prijungimui, jų lėtėjimui ir orientavimui bei plazminiams raketų varikliams.

Šiuo metu yra sukurtos keraminės medžiagos, kurios turi superlaidumą aukštesnėje temperatūroje – virš 100K, tai yra, esant aukštesnei nei azoto virimo temperatūrai. Galimybė aušinti superlaidininkus skystu azotu, kurio garavimo šiluma yra daug didesnė, labai supaprastina ir sumažina visos kriogeninės įrangos kainą bei žada didžiulį ekonominį efektą.

>>Fizika: elektroninis metalų laidumas

Pradėkime nuo metalinių laidininkų. Šių laidininkų srovės-įtampos charakteristika mums yra žinoma, tačiau iki šiol nieko nepasakyta apie jos paaiškinimą molekulinės-kinetinės teorijos požiūriu.
Laisvųjų krūvių nešėjai metaluose yra elektronai. Jų koncentracija didelė – apie 10 28 1/m 3 . Šie elektronai dalyvauja atsitiktiniame šiluminiame judėjime. Veikiant elektriniam laukui, jie pradeda tvarkingai judėti vidutiniu apie 10 -4 m/s greičiu.
Eksperimentinis laisvųjų elektronų egzistavimo metaluose įrodymas. Eksperimentiniai įrodymai, kad metalų laidumą lemia laisvųjų elektronų judėjimas, buvo pateikti L.I.Mandelstamo ir N.D.Papaleksi (1913), B. Stewarto ir R. Tolmano (1916) eksperimentuose. Šių eksperimentų schema yra tokia.
Aplink ritę apvyniojama viela, kurios galai prilituojami prie dviejų vienas nuo kito izoliuotų metalinių diskų ( pav.16.1). Prie diskų galų slankiojančiais kontaktais prijungiamas galvanometras.

Ritė greitai sukasi ir staiga sustabdoma. Staigiai sustojus ritei, laisvos įkrautos dalelės kurį laiką juda laidininko atžvilgiu inercijos dėka, todėl ritėje atsiranda elektros srovė. Srovė egzistuoja trumpai, nes dėl laidininko varžos įkrautos dalelės sulėtėja ir sustoja tvarkingas srovę formuojantis dalelių judėjimas.
Srovės kryptis šiame eksperimente rodo, kad ją sukuria neigiamai įkrautų dalelių judėjimas. Perduotas krūvis šiuo atveju yra proporcingas srovę kuriančių dalelių krūvio ir jų masės santykiui, t.y. |q|/m. Todėl išmatavus krūvį, einantį per galvanometrą srovės egzistavimo grandinėje metu, buvo galima nustatyti šį santykį. Paaiškėjo, kad jis lygus 1,8 10 11 C/kg. Ši vertė sutapo su elektrono krūvio ir jo masės santykiu e/m rasta anksčiau iš kitų eksperimentų.
Elektronų judėjimas metale. Elektronai, veikiami juos iš elektrinio lauko veikiančios jėgos, įgauna tam tikrą tvarkingo judėjimo greitį. Šis greitis laikui bėgant toliau nedidėja, nes, susidūrę su kristalinės gardelės jonais, elektronai praranda kryptingą judėjimą, o tada vėl, veikiami elektrinio lauko, pradeda judėti kryptinga kryptimi. Dėl to vidutinis tvarkingo elektronų judėjimo greitis yra proporcingas elektrinio lauko stipriui laidininke v~E ir atitinkamai potencialų skirtumas laidininko galuose, kadangi , kur l- laidininko ilgis.
Srovės stiprumas laidininke yra proporcingas dalelių tvarkingo judėjimo greičiui (žr. (15.2) formulę). Todėl galime pasakyti, kad srovės stipris yra proporcingas potencialų skirtumui laidininko galuose: aš~U. Štai kas Kokybinis Ohmo dėsnio paaiškinimas remiantis elektronine metalų laidumo teorija.
Neįmanoma sukurti patenkinamos kiekybinės elektronų judėjimo metale teorijos, pagrįstos klasikinės mechanikos dėsniais. Faktas yra tas, kad elektronų judėjimo metale sąlygos yra tokios, kad klasikinė Niutono mechanika netinka šiam judėjimui apibūdinti.
Tai aiškiausiai matyti toliau pateiktame pavyzdyje. Jei eksperimentiškai nustatysime vidutinę elektronų šiluminio judėjimo kinetinę energiją metale kambario temperatūroje ir rasime šią energiją atitinkančią temperatūrą, tai gausime 10 5 -10 6 K dydžio temperatūrą. Tokia temperatūra egzistuoja viduje. žvaigždės. Elektronų judėjimas metale paklūsta kvantinės mechanikos dėsniams.
Eksperimentiškai įrodyta, kad laisvųjų krūvių nešėjai metaluose yra elektronai. Veikiant elektriniam laukui, elektronai juda pastoviu vidutiniu greičiu, pajutę lėtėjimo efektą iš kristalinės gardelės pusės. Tvarkingo elektronų judėjimo greitis yra tiesiogiai proporcingas lauko stiprumui laidininke.

???
1. Ritė (žr. 16.1 pav.) sukosi pagal laikrodžio rodyklę, tada buvo staigiai stabdoma. Kokia elektros srovės kryptis ritėje stabdymo momentu?
2. Kaip elektronų tvarkingo judėjimo greitis metaliniame laidininke priklauso nuo įtampos laidininko galuose?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, fizika 10 klasė

Pamokos turinys pamokos santrauka paramos rėmo pamokos pristatymo pagreitinimo metodai interaktyvios technologijos Praktika užduotys ir pratybos savikontrolės seminarai, mokymai, atvejai, užduotys namų darbai diskusija klausimai retoriniai mokinių klausimai Iliustracijos garso, vaizdo klipai ir daugialypės terpės nuotraukos, paveikslėliai grafika, lentelės, schemos humoras, anekdotai, anekdotai, komiksai, palyginimai, posakiai, kryžiažodžiai, citatos Priedai tezės straipsniai lustai smalsiems cheat sheets vadovėliai pagrindinis ir papildomas terminų žodynas kita Vadovėlių ir pamokų tobulinimasklaidų taisymas vadovėlyje pamokoje naujovių elementų atnaujinimas vadovėlyje pasenusių žinių pakeitimas naujomis Tik mokytojams tobulos pamokos kalendorinis planas metams diskusijų programos metodinės rekomendacijos Integruotos pamokos

Jei turite šios pamokos pataisymų ar pasiūlymų,

Metalų elektrinis laidumas

Metalą veikiant elektriniam (arba magnetiniam) laukui (arba temperatūrų skirtumui), jame atsiranda įkrautų dalelių ir energijos srautai.

Šių srautų ar srovių atsiradimo reiškiniai dažniausiai vadinami kinetiniais efektais arba perdavimo reiškiniais, kitaip – ​​transportavimo efektais, reiškiančiais stacionarių laukų poveikį stacionariems laidininkams. Šiuo atveju srovė arba srautas yra proporcingas potencialų skirtumui (arba temperatūrų skirtumui), o proporcingumo koeficientą lemia tik laidininko geometriniai matmenys ir paties metalo fizinės savybės.

Esant vienetiniams geometriniams matmenims, šis koeficientas priklauso tik nuo konkretaus metalo savybių ir yra pagrindinė jo fizinė charakteristika, vadinama kinetiniu koeficientu. Kai laidininkas yra kintamajame lauke, jame kylančios srovės priklauso ne tik nuo geometrinių matmenų ir kinetinio koeficiento, bet ir nuo kintamo lauko dažnio, laidininko formos ir santykinės jo elementų padėties. elektros grandinė.

Kintamosios srovės laidininko varža labai priklauso nuo jo dažnio, dėl sukimosi efekto – srovės poslinkio iš laidininko centro į periferiją. Iš daugelio galimų kinetinių reiškinių technologijoje geriausiai žinomi du: elektrinis laidumas – medžiagos gebėjimas leisti pastovią elektros srovę veikiant elektriniam laukui, kuris laikui bėgant nekinta, ir šilumos laidumas – panašiai kaip ir temperatūros skirtumas ir šilumos srautas. Abu šie reiškiniai (kiekybiškai) išreiškiami atitinkamai Ohmo ir Furjė dėsniais:

j = γE; ω = kT.

čia j yra srovės tankis, A/m;

γ - kinetinis elektros laidumo koeficientas);

E - elektrinio lauko stipris V/m;

ω - šiluminio srauto tankis;

T yra temperatūros skirtumas;

k yra šilumos laidumo koeficientas.

Praktikoje dažniausiai naudojama elektrinė savitoji varža arba tiesiog varža, ohm m.

Tačiau laidininkams leidžiama naudoti nesisteminį matavimo vienetą Ohm mm2 / m arba rekomenduojama naudoti lygų SI vienetą µOhm / m. Perėjimas iš vieno vieneto į kitą šiuo atveju: 1 omų m = 10 6 μohm m = 10 6 omų mm2/m.

Savavališkų matmenų pastovaus skerspjūvio laidininko varža nustatoma pagal:

čia l yra laidininko ilgis, m;

S yra laidininko plotas, m2.

Metalai dažniausiai apibūdinami kaip plastikinės medžiagos, pasižyminčios būdingu „metaliniu“ blizgesiu, gerais elektros srovės ir šilumos laidininkais.

Metalų elektriniam laidumui būdingi: maža varžos vertė normalioje temperatūroje, didelis varžos padidėjimas kylant temperatūrai, gana artimas tiesioginiam proporcingumui; temperatūrai nukritus iki temperatūros, artimos absoliučiam nuliui, metalų varža sumažėja iki labai mažų dydžių, kurios gryniausiems metalams yra iki 10-3 ar net mažesnė varžos dalis esant normaliai, + 20 0C, temperatūrai.

Jiems taip pat būdingas ryšys tarp elektros laidumo ir šilumos laidumo, kuris aprašytas empiriniu Wiedemann-Franz dėsniu, nes santykis k / γ yra maždaug vienodas skirtingoms medžiagoms toje pačioje temperatūroje. K / γ koeficientas, padalytas iš absoliučios temperatūros T (L0 = k / (γ T)). vadinamas Lorenco skaičiumi, yra (visiems metalams) reikšmė, kuri mažai skiriasi esant visoms temperatūroms.

Kinetinių reiškinių metaluose teorija gali paaiškinti kinetinių koeficientų priklausomybių nuo temperatūros, slėgio ir kitų veiksnių formą, taip pat gali būti naudojama jų reikšmėms apskaičiuoti. Norėdami tai padaryti, apsvarstykite vidinę metalų struktūrą.

Pagrindinė šios fizikos šakos idėja kilo XIX–XX amžių sandūroje: metalų atomai yra jonizuoti, o nuo jų atskirti valentiniai elektronai yra laisvi, t.y. priklauso visam kristalui.

Jonai yra griežtai išdėstyti, sudaro taisyklingą kristalinę gardelę; jų sąveika su neigiamai įkrautu laisvųjų elektronų debesiu yra tokia, kad kristalas tampa stabiliu, stabiliu dariniu.

Laisvųjų elektronų buvimas gerai paaiškina didelį metalų elektrinį laidumą, o jų delokalizacija užtikrina aukštą plastiškumą. Tai reiškia, kad būdingiausias metalinių laidininkų vidinės struktūros bruožas yra kolektyvizuotų elektronų buvimas, patvirtinantis jų elektroninę struktūrą. Paprasčiausiame modelyje kolektyvizuotų elektronų rinkinys paaiškinamas kaip elektronų dujos, kuriose dalelės yra chaotiškame terminiame judėjime.

Pusiausvyra susidaro (jei nepaisysime susidūrimų tarp elektronų) dėl elektronų susidūrimo su jonais. Kadangi šiluminis judėjimas nėra visiškai sutvarkytas, nepaisant elektronų krūvio, srovė grandinėje (makroskopinė) nepastebima. Jei laidininkui taikomas išorinis elektrinis laukas, tada laisvieji elektronai, gavę pagreitį, išsirikiuoja į tvarkingą komponentą, kuris yra orientuotas išilgai lauko.

Kadangi jonai gardelės vietose yra nejudrūs, elektronų judėjimo tvarkingumas pasireikš kaip makroskopinė elektros srovė. Savitasis laidumas šiuo atveju gali būti išreikštas atsižvelgiant į vidutinį laisvąjį elektrono kelią λ greitėjančiame stiprumo lauke E:

λ = e E τ / (2 m) kaip γ = e2 n λ / (2 m vτ),

čia e yra elektrono krūvis;

n – laisvųjų elektronų skaičius metalo tūrio vienete;

λ – vidutinis laisvas elektrono kelias tarp dviejų susidūrimų;

m yra elektrono masė;

v τ – vidutinis laisvojo elektrono šiluminio judėjimo metale greitis.

Atsižvelgiant į kvantinės mechanikos nuostatas

γ = K n2/3 / λ ,

kur K yra skaitinis koeficientas.

Metalinių laidininkų varžos diapazonas normalioje temperatūroje yra tik trys eilės. Įvairių metalų chaotiško šiluminio elektronų judėjimo tempai tam tikroje temperatūroje yra maždaug vienodi.

Laisvųjų elektronų koncentracijos skiriasi nežymiai, todėl varžos reikšmė daugiausia priklauso nuo vidutinio laisvojo elektronų kelio tam tikrame laidininke, o jį lemia laidininko medžiagos struktūra. Visi gryni metalai, turintys taisyklingiausią kristalinę gardelę, turi minimalias varžos vertes. Priemaišos, iškreipiančios grotelę, padidina varžą

Temperatūros varžos koeficientas arba vidutinis varžos temperatūros koeficientas išreiškiamas kaip

α = 1 / ρ (dρ / dt); α` = 1 / ρ (ρ2 - ρ1) / (T2 - T1),

čia ρ1 ir ρ2 yra laidininko savitoji varža esant atitinkamai temperatūrai Т1 ir Т2, kai Т2 > T1.

Techniniuose žinynuose dažniausiai pateikiama reikšmė α`, kurios pagalba galima apytiksliai nustatyti ρ esant savavališkai temperatūrai T:

ρ = ρ1 (1 + αρ` (T - T1)).

Ši išraiška pateikia tikslią varžos p reikšmę tik tiesinei priklausomybei ρ(T). Kitais atvejais šis metodas yra apytikslis; tai kuo tikslesnis, tuo siauresnis temperatūros intervalas naudojamas αρ` nustatyti.

Daugumos metalų, kurie lydant padidėja jų tūris, savitoji varža sumažina jų tankį. Metaluose, kurie lydymosi metu sumažina savo tūrį, mažėja savitoji varža; tokie metalai yra galis, stibis ir bismutas.

Lydinių varža visada yra didesnė nei grynų metalų. Tai ypač pastebima, jei susiliejimo metu susidaro kietas tirpalas, t.y. kietėjimo metu kartu kristalizuojasi ir vieno metalo atomai patenka į kito metalo gardelę.

Jei dviejų metalų lydinys sukuria atskirą kristalizaciją ir sukietėjusį tirpalą - kiekvieno komponento kristalų mišinį, tada tokio lydinio savitasis laidumas γ keičiasi beveik tiesiškai, keičiantis sudėčiai. Tačiau kietuose tirpaluose ši priklausomybė (nuo kiekvieno metalo kiekio) nėra tiesinė ir jos maksimumas atitinka tam tikrą lydinio komponentų santykį.

Kartais, esant tam tikram komponentų santykiui, jie sudaro cheminius junginius (intermetalinius junginius), nors jie neturi metalinio elektros laidumo charakterio, bet yra elektroniniai puslaidininkiai.

Laidininkų tiesinio plėtimosi temperatūros koeficientas nustatomas taip pat kaip ir dielektrikams pagal formulę

TKl = α(l) = l / l (dl / dТ), (3.1)

čia TKl = α(l) – tiesinio plėtimosi temperatūros koeficientas K-1

Šis koeficientas turi būti žinomas, kad būtų galima įvertinti įvairių konstrukcijų sujungimo medžiagų darbą, taip pat išvengti įtrūkimų ar metalo vakuuminio sujungimo su stiklu ar keramika pažeidimo kintant temperatūrai. Be to, jis įtrauktas į laidų elektrinės varžos temperatūros koeficiento skaičiavimą

TKR = α(R) = α(ρ) - α(l).

Laidininkų termoEMF

ThermoEMF atsiranda, kai susiliečia du skirtingi laidininkai (arba puslaidininkiai), jei jų sandūrų temperatūra nėra vienoda. Jei liečiasi du skirtingi laidininkai, tada tarp jų atsiranda kontaktinio potencialo skirtumas. Metalams A ir B

Ucb – Uc + K T / e ln(n0c / nob),

čia U c ir U b yra besiliečiančių metalų potencialai; elektronų koncentracija atitinkamuose metaluose;

K – Boltzmanno konstanta;

T - temperatūra;

e yra absoliuti elektronų krūvio vertė.

Jei metalinių sandūrų temperatūra yra vienoda, tai potencialų skirtumo suma uždaroje grandinėje lygi nuliui. Jei sluoksnių temperatūra skiriasi (pvz., T2 ir T1), tada šiuo atveju

U \u003d K / e (T1 -T2) ln (nc / pb). (3.2)

Praktikoje išraiška (3.2) ne visada stebima, o termoEMF priklausomybė nuo temperatūros gali būti netiesinė. Viela, sudaryta iš dviejų izoliuotų skirtingų metalų ar lydinių laidų, vadinama termopora ir naudojama temperatūrai matuoti.

Tokiais atvejais stengiamasi naudoti medžiagas, kurios turi didelį ir stabilų termoelektrinį koeficientą. Aukštoms temperatūroms matuoti kartais prireikia (ypač matuojant temperatūrą agresyviose terpėse) naudoti termoporas su mažesniu šiluminiu EML koeficientu, bet kurios gali atlaikyti aukštą temperatūrą ir nesioksiduoti agresyvioje terpėje.

Termoporos lydiniai būna įvairių derinių, įskaitant vieną gryno metalo elektrodą. Labiausiai paplitę yra nikelio ir vario-nikelio lydiniai. Temperatūroms 1000 - 1200 0C diapazone naudojamos termoporos chromelis - alumelis (TXA), aukštesnėje temperatūroje - platinos - platinos-rodžio elektrodai; šiuose lydiniuose rodis svyruoja nuo 6,7 iki 40,5%. Tokių termoporų prekės ženklai yra tokie: PlRd-7, PlRd-10, PlRd-30, PlRd-40.

Elektroninis metalų laidumas

Laidininkų klasifikacija

3 TEMA DIRIGENTŲ FIZINIS POVEIKIS

Metalų laidumo ypatybės, elektrinio laidumo šiluminis ir dreifinis judėjimas.

Elektronikos pramonėje plačiai naudojami metalai ir jų lydiniai, iš kurių gaminami laidininkai.

Klasifikuojama pagal agregacijos būseną: dujinė, skysta, kieta.

dujinis - medžiagų ir dujų garai esant elektrinio lauko stipriui, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ užtikrina molekulių jonizaciją. Juose elektros srovę kuria ir elektronai, ir jonai. Naudojamas dujų išleidimo įrenginiuose.

Skystis- įvairių druskų, rūgščių, šarmų tirpalai, taip pat jų lydalai (elektrolitai). Srovė yra susijusi su jonų perdavimu, o elektrolito sudėtis keičiasi, o ant elektrolito panardintų elektrodų medžiaga išsiskiria iš tirpalo.

Tvirtas- ϶ᴛᴏ metalai, kurie periodinėje lentelėje užima daugiau nei 75%. Srovę juose sukuria tik elektronai, ir dėl to medžiaga neperkeliama iš vieno elektrodo į kitą.

Pagal paraišką metalinės medžiagos skirstomos į:

Didelio laidumo metalai;

Aukšto atsparumo lydiniai.

Didelio laidumo metalai: sidabras, varis, aliuminis, geležis, auksas.

superlaidininkai(esant žemai t 0 C): aliuminis, gyvsidabris, švinas, niobis, junginiai su alavu, titanas, cirkonis.

Didelio atsparumo lydiniai:

Varis-manganas (manganinas);

Varis-nikelis (konstantanos);

Geležis, nikelis ir chromas (nichromas).

Pirmosios periodinės lentelės grupės elementai yra vienavalenčiai. Valentinis elektronas yra silpnai surištas su savo branduoliu ir, veikiamas bet kokio išorinio poveikio, nutraukia ryšį su branduoliu ir tampa laisvas. Dėl šios priežasties kristalinės gardelės mazguose yra teigiamai įkrautų atomų (jonų), tarp kurių juda laisvieji elektronai.

Jonai ir elektronai juda atsitiktinai. Šio judėjimo energija atspindi vidinę srovės energiją.

Jonų, sudarančių gardelę, judėjimas susideda tik iš svyravimų aplink jų pusiausvyros padėtį. Laisvieji elektronai gali judėti per visą metalo tūrį. Kai metalo viduje nėra elektrinio lauko, elektronų judėjimas vyksta chaotiškai, kiekvieną akimirką įvairių elektronų greičiai yra skirtingi ir turi visas įmanomas kryptis. Elektronai yra panašūs į dujas, todėl jie dažnai vadinami elektronų dujomis.

Šiluminis judėjimas nesukelia jokios srovės, nes dėl visiško atsitiktinumo kiekviena kryptimi judės tiek elektronų, kiek priešinga kryptimi, ir dėl to bendras krūvis, perkeltas per bet kurią sritį viduje, bus lygus nuliui.

Jei laidininko galuose susidaro potencialų skirtumas, ᴛ.ᴇ. sukurti viduje elektrinį lauką, tada kiekvieną elektroną veiks jėga, kiekvienas elektronas gaus papildomus greičius, nukreiptus viena kryptimi. Judėjimas taps nukreiptas, ᴛ.ᴇ. bus elektra.

Išvestis:

Chaotišką judėjimą sukelia išorinių veiksnių (šilumos) įtaka. Kryptinis judėjimas dėl potencialų skirtumo paprastai vadinamas dreifą.

Skirtingų metalų laidumas skiriasi, nes tai lemia:

Skirtingas laisvųjų elektronų skaičius tūrio vienete;

Elektronų judėjimo sąlygos, susijusios su skirtingais ilgais laisvais keliais, ᴛ.ᴇ. vidutinio elektrono nueitas kelias tarp dviejų susidūrimų su jonais.

Praktikoje naudojamos sąvokos: laidumas ir varža:

s- savitasis laidumas, MSu/m

r- varža, Ohm * mm 2 / m

r= 1/s = 1/enm = 2mu t /e 2 n l plg.

kur e yra elektronų krūvis = 1,6 * 10 -19 ;

n yra laisvųjų elektronų skaičius;

m- elektronų mobilumas dėl elektrinio lauko;

m yra elektrono masė \u003d 9,1 * 10 -31 kg;

l plg - reiškia laisvą kelią;

tu t - vidutinis šiluminio judėjimo greitis.

Vertybės u t,n, skirtinguose laidininkuose yra maždaug vienodi, pavyzdžiui:

n varis \u003d 8,5 * 10 28 m -3, n alūnas \u003d 8,3 * 10 28 m -3, šiluminio judėjimo greičio vertė yra apytikslė u t = 10 5 m/s.

Kiekvienam metalui yra tam tikras temperatūros atsparumo koeficientas, kai T 0 keičiasi 1 0 C, skaičiuojant nuo 10 m pradinės varžos (a):

a \u003d R 2 -R 1 / R 1 (T 2 - T 1) ,

kur R1– pasipriešinimas ties T1

R2– pasipriešinimas ties T2

iš čia R2 = R1

Šis santykis galioja esant 100-150 0 С temperatūrai.

Elektroninis metalų laidumas – samprata ir rūšys. Kategorijos „Metalų elektroninis laidumas“ klasifikacija ir ypatumai 2017, 2018 m.

Elektros laidumas – tai kūno gebėjimas praleisti elektros srovę veikiant elektriniam laukui. Šiam reiškiniui apibūdinti naudojama elektros laidumo σ reikšmė. Kaip rodo teorija, σ reikšmė gali būti išreikšta laisvųjų krūvininkų koncentracija n, jų krūviu e, mase m, laisvo kelio trukme τ e, laisvo kelio ilgiu λe ir vidutiniu dreifo greičiu.< v >krūvininkų. Metalams laisvieji elektronai veikia kaip laisvieji krūvininkai, todėl:

σ = ne 2 τе / m = (n e 2 / m) (λe /< v >) = e n u

kur u yra nešiklio mobilumas, t.y. fizinis dydis, skaitiniu požiūriu lygus dreifo greičiui, kurį nešikliai įgyja vienetinio intensyvumo lauke, būtent

u=< v >/ E = (e τ e) / m

Priklausomai nuo σ, visos medžiagos skirstomos į dalis; ant laidininkų - su σ\u003e 10 6 (Om m) -1, dielektrikuose - su σ\u003e 10 -8 (Ohm m) -1 ir puslaidininkiuose - kurių tarpinė vertė σ.

Juostos teorijos požiūriu medžiagų skirstymą į laidininkus, puslaidininkius ir dielektrikus lemia tai, kaip kristalo valentinė juosta 0 K temperatūroje užpildoma elektronais: iš dalies ar visiškai.

Energija, kurią elektronams suteikia net silpnas elektrinis laukas, yra panaši į atstumą tarp energijos juostos lygių. Jei juostoje yra laisvų lygių, tai išorinio elektrinio lauko sužadinti elektronai juos užpildys. Pasikeis elektronų sistemos kvantinė būsena, kristale atsiras lengvatinis (kryptinis) elektronų judėjimas prieš lauką, t.y. elektros. Tokie kūnai (10.1 pav., a) yra laidininkai.

Jei valentinė juosta yra visiškai užpildyta, elektronų sistemos būklė gali pasikeisti tik tada, kai jie praeina per juostos tarpą. Išorinio elektrinio lauko energija negali atlikti tokio perėjimo. Elektronų permutacija visiškai užpildytoje juostoje nekeičia sistemos kvantinės būsenos, nes patys elektronai yra neatskiriami.

Tokiuose kristaluose (10.1 pav., b) išorinis elektrinis laukas nesukels elektros srovės atsiradimo, o jie bus nelaidūs (dielektrikai). Iš šios medžiagų grupės buvo atrinktos tos, kurių juostos tarpas ΔE ≤ 1 eV (1eV = 1,6 · 10 -19 J).

Elektronų perėjimas per juostos tarpą tokiuose kūnuose gali būti atliekamas, pavyzdžiui, naudojant terminį sužadinimą. Šiuo atveju dalis lygių – valentinė juosta – atleidžiama, o paskui ją einančios laisvosios juostos (laidumo juostos) lygiai užpildomi iš dalies. Šios medžiagos yra puslaidininkiai.

Pagal (10.1) išraišką kūnų elektros laidumo (elektrinės varžos) pokytį esant temperatūrai gali sukelti krūvininkų koncentracijos n pasikeitimas arba jų judrumo u pasikeitimas.

Metalai

Kvantiniai mechaniniai skaičiavimai rodo, kad metalų laisvųjų krūvininkų (elektronų) koncentracija n yra lygi:

n = (1/3π 2) (2mE F/ђ 2) 3/2

kur ђ \u003d h / 2π \u003d 1,05 10 -34 J s yra normalizuota Planko konstanta, E F yra Fermio energija.

Kadangi E F praktiškai nepriklauso nuo temperatūros T, tai krūvininkų koncentracija taip pat nepriklauso nuo temperatūros. Vadinasi, metalų elektrinio laidumo priklausomybę nuo temperatūros visiškai nulems elektronų judrumas u, kaip matyti iš (10.1) formulės. Tada aukštoje temperatūroje

u ~ λ e / ~T-1

ir esant žemai temperatūrai

u ~ λ e / ~const(T).

Krūvininkų mobilumo laipsnį lems sklaidos procesai, t.y. elektronų sąveika su periodiniu gardelės lauku. Kadangi idealios gardelės laukas yra griežtai periodinis, o elektronų būsena stacionari, sklaidą (metalo elektrinės varžos atsiradimą) gali sukelti tik defektai (priemaišų atomai, struktūros iškraipymai ir kt.) ir šiluminiai virpesiai. gardelės (fononų).

Prie 0 K, kur gardelės šiluminių virpesių intensyvumas ir fononų koncentracija artima nuliui, vyrauja priemaišų sklaida (elektroninė-priemaišų sklaida). Šiuo atveju laidumas praktiškai nekinta, kaip matyti iš (10.4) formulės, o savitoji varža

turi pastovią reikšmę, kuri vadinama savitoji liekamoji varža ρ rest arba specifinė priemaišų varža ρ apytiksliai, t.y.

ρ poilsis (arba ρ pirminis) = const (T)

Aukštos temperatūros srityje metaluose vyrauja elektronų-fononų sklaidos mechanizmas. Naudojant tokį sklaidos mechanizmą, elektros laidumas yra atvirkščiai proporcingas temperatūrai, kaip matyti iš (10.3) formulės, o varža yra tiesiogiai proporcinga temperatūrai:

Savitosios varžos ρ priklausomybės nuo temperatūros grafikas parodytas pav. 10.2

Esant kitokiai nei 0 K temperatūrai ir pakankamai dideliam priemaišų kiekiui, gali vykti ir elektronų-fononų, ir elektronų priemaišų sklaida; visuminė varža turi formą

ρ = ρ prim + ρ f

Išraiška (10.6) yra Mathysseno taisyklė dėl pasipriešinimo adityvumo. Reikėtų pažymėti, kad tiek elektronų-fononų, tiek elektronų priemaišų sklaida yra chaotiška.

Puslaidininkiai

Kvantiniai-mechaniniai nešlio judrumo puslaidininkiuose skaičiavimai parodė, kad, pirma, nešiklio judrumas u mažėja didėjant temperatūrai, o nustatant judrumą lemia mažiausią mobilumą sukeliantis sklaidos mechanizmas. Antra, krūvininkų judrumo priklausomybė nuo dopingo lygio (priemaišų koncentracijos) rodo, kad esant žemam dopingo lygiui, judrumą lems gardelės virpesių sklaida, todėl jis neturėtų priklausyti nuo priemaišų koncentracijos.

Esant dideliems dopingo lygiams, jis turėtų būti nustatomas išsklaidant ant jonizuoto priedo ir mažėjant didėjant priemaišų koncentracijai. Taigi, krūvininkų judrumo pokytis neturėtų reikšmingai prisidėti prie puslaidininkio elektrinės varžos kitimo.

Pagal (10.1) išraišką pagrindinį indėlį į puslaidininkių elektrinio laidumo pokytį turėtų įnešti krūvininkų koncentracijos n pokytis.

Pagrindinė puslaidininkių savybė yra laidumo aktyvavimo pobūdis, t.y. ryški nešiklio koncentracijos priklausomybė nuo išorinių poveikių, tokių kaip temperatūra, švitinimas ir kt. Taip yra dėl siauro juostos tarpo (ΔE< 1 эВ) у собственных полупроводников и наличием дополнительных уровней в запрещенной зоне у примесных полупроводников.

Chemiškai grynų puslaidininkių elektrinis laidumas vadinamas savo laidumą. Puslaidininkių vidinis laidumas atsiranda dėl elektronų (n) perėjimo iš viršutinių valentinės juostos lygių į laidumo juostą ir skylių (p) susidarymo valentinėje juostoje:

σ = σ n + σ ρ = e n n u n + e n ρ u ρ

kur n n ir n ρ yra elektronų ir skylių koncentracija,
u n ir u ρ - atitinkamai jų mobilumas,
e yra vežėjo mokestis.

Kylant temperatūrai, elektronų koncentracija laidumo juostoje ir skylių valentinėje juostoje didėja eksponentiškai:

n n = u no exp(-ΔE / 2kT) = n ρ = n ρо exp(-ΔE / 2kT)

kur n nо ir n pо yra elektronų ir skylių koncentracijos ties T → ∞,
k \u003d 1,38 10 -23 J / K - Boltzmanno konstanta.

10.3,a paveiksle pavaizduotas vidinio puslaidininkio elektros laidumo ln σ logaritmo priklausomybės nuo grįžtamosios temperatūros 1 / T grafikas: ln σ = = ƒ(1 / T). Grafikas yra tiesi linija, kurios nuolydžiu galima nustatyti juostos tarpą ∆E.

Legiruotų puslaidininkių elektrinis laidumas yra dėl to, kad juose yra priemaišų centrų. Tokių puslaidininkių priklausomybę nuo temperatūros lemia ne tik daugumos, bet ir priemaišų centrų tiekiamų nešiklių koncentracija. Ant pav. 10.3b pavaizduoti ln σ \u003d ƒ (1 / T) grafikai puslaidininkiams su įvairiais legiravimo laipsniais (n1< n2 < n3, где n – концентрация примеси).

Lengvai legiruotiems puslaidininkiams žemoje temperatūroje vyrauja perėjimai, susiję su priemaišų lygiais. Kylant temperatūrai priemaišų nešėjų koncentracija didėja, vadinasi, didėja ir priemaišų laidumas. Pasiekus t A (žr. 10.3,b pav.; 1 kreivė) - priemaišų išeikvojimo temperatūra T S1 - visi priemaišų nešikliai bus perkelti į laidumo juostą.

Virš temperatūros T S1 ir iki perėjimo temperatūros į vidinį laidumą T i1 (žr. t. B, 1 kreivė, 10.3 pav., b), elektros laidumas krenta, o puslaidininkio varža didėja. Virš temperatūros T i1 vyrauja vidinis elektros laidumas, t.y. dėl šiluminio sužadinimo savieji krūvininkai pereina į laidumo juostą. Vidinio laidumo srityje σ didėja, o ρ mažėja.

Stipriai legiruotiems puslaidininkiams, kuriuose priemaišų koncentracija n ~ 1026 m–3, t.y. yra proporcinga krūvininkų koncentracijai metaluose (žr. 3 kreivę, 10.3 pav.,b), σ priklausomybė nuo temperatūros stebima tik vidinio laidumo srityje. Didėjant priemaišų koncentracijai, intervalo AB reikšmė (AB\u003e A "B"\u003e A "B") mažėja (žr. 10.3 pav., b).

Tiek priemaišų laidumo, tiek vidinio laidumo srityje vyrauja elektronų-fononų sklaidos mechanizmas. Priemaišų išsekimo srityje (intervalai AB, A"B", A"B") prie temperatūros T S vyrauja elektronų-priemaišų sklaida. Kylant temperatūrai (pereinant į T i), ima vyrauti elektronų-fononų sklaida. Taigi intervalas AB (A"B" arba A"B"), vadinamas priemaišų išeikvojimo sritimi, taip pat yra perėjimo nuo priemaišų laidumo mechanizmo prie vidinio laidumo mechanizmo sritis.