Разделянето на твърдите тела на проводници, полупроводници и диелектрици е свързано със структурата на техните енергийни ленти. Теорията на енергийните зони се обсъжда във въведението към тази поредица от трудове.
В метала зоната на проводимост не е напълно запълнена с електрони, а само частично, приблизително до нивото на Ферми. Поради тази причина електроните в метала са свободни и могат да преминават от заети нива към свободни под въздействието на слаби електрически полета. Концентрацията на свободни електрони в метала е висока (около ~ 10 28 m -3), поради което зависи малко от температурата и други външни фактори. Поради тази причина, съгласно (6), температурната зависимост на специфичната проводимост, а оттам и съпротивлението, се определя от промените в подвижността на електроните. В този случай е от съществено значение електронният газ в метала изродени, т.е. неговата енергия не е температура, а концентрация на електрони. Наистина, електроните в метала заемат енергийни нива до нивото на Ферми, което е няколко електронволта от „дъното“ на валентната лента. Топлинната енергия на електроните (~) при обикновени температури е много по-малка, от порядъка на ~ 10 -2 eV. Следователно само няколко електрона от горните нива могат да абсорбират топлинна енергия. По този начин средната енергия на електроните остава почти непроменена с повишаване на температурата.
За електронен газ в състояние на израждане скоростта на хаотичното движение на електроните също се определя не от температурата на тялото, а от концентрацията на носители на заряд. Тези скорости могат да бъдат десетки пъти по-високи от средната скорост на топлинно движение, изчислена от класическата теория ( » 10 5 m/s), т.е. »10 6 m/s.
Движещите се електрони имат както корпускулярни, така и вълнови свойства. Дължината на вълната на електрона се определя от формулата на де Бройл:
, (8)
къде е константата на Планк,
Електронна скорост,
Ефективна маса на електрон (концепцията е въведена, за да опише движението на неговия носител в твърдо тяло).
Замествайки стойността на скоростта =10 6 m/s в (8), намираме дължината на вълната на дьо Бройл за електрон в метал; тя е 0,4 – 0,9 nm.
И така, в метални проводници, където дължината на вълната на електрона е от порядъка на 0,5 nm, микродефектите създават значително разсейване на електронните вълни. Скоростта на насоченото движение на електроните намалява, което според (4) води до намаляване на подвижността. Подвижността на електроните в метала е относително ниска. Таблица 1 показва подвижността на електроните за някои метали и полупроводници.
Таблица 1. Подвижност на електрони в различни материали при =300 K
С повишаване на температурата се увеличават вибрациите на възлите на решетката и се появяват все повече и повече препятствия по пътя на насоченото движение на електрони, електрическата проводимост намалява и съпротивлението на метала се увеличава.
Опитът показва, че за чистите метали зависимостта от температурата е линейна:
, (9)
където е термичният коефициент на съпротивление,
Температура по скала на Целзий,
Устойчивост при =0°C.
За да се определи и е необходимо да се изгради графика на зависимостта.
Фиг. 1. Зависимост на съпротивлението на метала от температурата
Точката на пресичане на линията с оста ще даде стойността. Стойността се намира по формулата:
(10)
Нека разгледаме поведението на електроните на проводимостта в метал в неравновесно състояние, когато се движат под въздействието на приложени външни полета. Такива процеси се наричат трансферни явления.
Както е известно, електрическа проводимост (електрическа проводимост) o е количество, което свързва плътността на електрическия ток и напрежението в местния закон на Ом: j - oE(виж формула (14.15) част 1). Всички вещества според естеството на електрическата проводимост се разделят на три класа: метали, полупроводници и диелектрици.
Характерна особеност металие тяхната метална проводимост - намаляване на електропроводимостта с повишаване на температурата (при постоянна концентрация на токоносители). Физическата причина за електрическото съпротивление в металите е разсейването на електронни вълни от примеси и дефекти на решетката, както и от фонони.
Най-значимата характеристика полупроводницие способността им да променят свойствата си в изключително широк диапазон под въздействието на различни въздействия: температура, електрически и магнитни полета, осветление и др. Например, присъщата проводимост на чистите полупроводници нараства експоненциално при нагряване.
При T> 300 K, специфичната проводимост o на материалите, свързани с полупроводниците, варира в широк диапазон от 10 ~ 5 до 10 6 (Ohm m) -1, докато за металите o е повече от 10 6 (Ohm m) -1.
Веществата с ниска специфична проводимост са от порядъка на 10~ 5 (Ohm m) -1 или по-малко, вижте диелектрици.Проводимостта възниква при много високи температури.
Квантовата теория води до следния израз за електрическата проводимост метали:
Където П- концентрация на свободни електрони; t - време на релаксация; T* -ефективна маса на електрона.
Време за релаксацияхарактеризира процеса на установяване на равновесие между електроните и решетката, нарушено, например, от внезапното включване на външно поле д.
Терминът "свободен електрон" означава, че електронът не се влияе от никакви силови полета. Движение на електрон на проводимост в кристал под въздействието на външна сила Еи силите от кристалната решетка в някои случаи могат да бъдат описани като движение на свободен електрон, който се действа само със сила Е(Втори закон на Нютон, виж формула (3.5) част 1), но с ефективна маса T*,различна от масата т.е.свободен електрон.
Изчисленията с помощта на израз (30.18) показват, че електрическата проводимост на металите o~1/T.Експериментът потвърждава това заключение на квантовата теория, докато според класическата теория
o ~ l/fr.
IN полупроводнициконцентрацията на подвижните носители е значително по-ниска от концентрацията на атомите и може да се промени при промени в температурата, осветлението, облъчването с поток от частици, излагането на електрическо поле или въвеждането на относително малко количество примеси. Носители на заряд в полупроводниците в зоната на проводимост са електрони (електрони на проводимост), а във валентната зона - положително заредени квазичастици дупки.Когато електрон липсва от валентната лента по някаква причина, се казва, че е образувал дупка (вакантно състояние). Понятията дупки и електрони на проводимостта се използват за описание на електронната система от полупроводници, полуметали и метали.
В състояние на термодинамично равновесие концентрациите на електрони и дупки в полупроводниците зависят както от температурата и концентрацията на електрически активни примеси, така и от забранената зона A д.
Има собствени и примесни полупроводници. Собствени полупроводнициса химически чисти полупроводници (например германий Ge, селен Se). Броят на електроните в тях е равен на броя на дупките. Проводимосттакива полупроводници се наричат собствен.
В собствените полупроводници при T= O K валентната зона е напълно запълнена, а зоната на проводимост е свободна. Следователно, когато Т=При липса на външно възбуждане собствените полупроводници се държат като диелектрици. Тъй като температурата се повишава поради термично възбуждане, електроните от горните нива на валентната лента ще се преместят в зоната на проводимост. В същото време става възможно електроните от валентната лента да се придвижат до нейните освободени горни нива. Електроните в зоната на проводимост и дупките във валентната лента ще допринесат за електрическата проводимост.
Енергията, необходима за прехвърляне на електрон от валентната зона към зоната на проводимост, се нарича активираща енергиясобствена проводимост.
Когато външно електрическо поле се приложи към кристал, електроните се движат срещу полето и създават електрически ток. Във външно поле, когато съседен валентен електрон се премести на свободно място, дупката се „разбърква“ на мястото му. В резултат на това дупката, също като електрона, преминал в зоната на проводимост, ще се движи през кристала, но в посока, обратна на движението на електрона. Формално, частица с положителен заряд, равен на абсолютната стойност на заряда на електрона, се движи покрай кристала по посока на полето. За да се вземе предвид влиянието на вътрешното поле на кристала върху елементарните заряди, за дупките се въвежда понятието ефективна маса w*. Следователно, когато решаваме задачи, можем да приемем, че дупка с ефективна маса се движи само под въздействието на едно външно поле.
Във външно поле посоката на скоростите на електроните и дупките е противоположна, но електрическият ток, създаден от тях, има същата посока - посоката на електрическото поле. По този начин, плътността на тока по време на присъщата проводимост на полупроводника е сумата от плътността на тока на електроните при e и дупките при d:
Електрическата проводимост o е пропорционална на броя на носителите, което означава, че може да се докаже, че за собствените полупроводници
и зависи от температурата по експоненциален закон. Приносът към o на електроните и дупките е различен, което се обяснява с разликата в ефективните им маси.
При относително високи температури присъщата проводимост преобладава във всички полупроводници. В противен случай електрическите свойства на полупроводника се определят от примеси (атоми на други елементи) и тогава говорим за примесна проводимост.Електрическата проводимост ще се състои от присъща и примесна проводимост.
Примесни полупроводницисе наричат полупроводници, чиито отделни атоми са заменени с примеси. Концентрацията на електрони и дупки в тях се различава значително. Наричат се примеси, които са източници на електрони донори.Примесите, които улавят електрони от валентната зона, се наричат акцептори.
В резултат на въвеждането на примес в забранената лента, допълнителни разрешени нива на електронна енергия се появяват в забранената зона близо до или до дъното на зоната на проводимост ( донорски нива), или до върха на валентната лента ( акцепторни нива).Това значително увеличава електрическата проводимост на полупроводниците.
В i-тип полупроводници (от английски, negative - отрицателен) с донорен примес се реализира електронен проводящ механизъм.Проводимостта в тях се осигурява от излишните електрони на примеса, чиято валентност е една единица по-голяма от валентността на основните атоми.
В полупроводниците от тип p (от английски, positive - положителен) с акцепторен примес се реализира механизъм за провеждане на отвори.Проводимостта в тях се осигурява от дупки поради въвеждането на примес, чиято валентност е една по-малка от валентността на основните атоми.
Убедително доказателство за реалността на положителните дупки е предоставено от Ефект на Хол(1879). Този ефект се състои в появата в метал (или полупроводник) с плътност на тока y, поставен в магнитно поле IN, допълнително електрическо поле в посока, перпендикулярна на INи ти. Използването на ефекта на Хол (измерване на коефициента на Хол в зависимост от веществото) позволява да се определи концентрацията и подвижността на носителите на заряд в проводник, както и да се определи естеството на проводимостта на полупроводника (електронна или дупка).
Понастоящем при разработването на материали за микроелектрониката се създават различни полупроводникови материали, включително такива с широка запрещена лента. Полупроводниковите микросхеми се считат за една от обещаващите области на микроелектрониката, позволяваща създаването на надеждни и функционално сложни интегрални схеми.
Класическата теория за електропроводимостта на металите възниква в началото на ХХ век. Негов основател е немският физик Карл Рике. Той експериментално установи, че преминаването на заряд през метал не включва прехвърляне на проводникови атоми, за разлика от течните електролити. Това откритие обаче не обясни какво точно е носителят на електрически импулси в металната конструкция.
Експериментите на учените Стюарт и Толман, проведени през 1916 г., ни позволиха да отговорим на този въпрос. Те успяха да установят, че най-малките заредени частици - електроните - са отговорни за преноса на електричество в металите. Това откритие е в основата на класическата електронна теория за електропроводимостта на металите. От този момент нататък започва нова ера в изследването на металните проводници. Благодарение на получените резултати днес имаме възможност да използваме домакински уреди, производствено оборудване, машини и много други устройства.
Как се различава електрическата проводимост на различните метали?
Електронната теория за електрическата проводимост на металите е разработена в изследванията на Пол Друде. Той успя да открие такова свойство като съпротивление, което се наблюдава при преминаване на електрически ток през проводник. В бъдеще това ще направи възможно класифицирането на различни вещества според тяхното ниво на проводимост. От получените резултати е лесно да се разбере кой метал е подходящ за направата на определен кабел. Това е много важен момент, тъй като неправилно избраният материал може да причини пожар в резултат на прегряване от преминаването на ток на свръхнапрежение.
Сребърният метал има най-висока електропроводимост. При температура от +20 градуса по Целзий тя е 63,3 * 104 сантиметра-1. Но производството на кабели от сребро е много скъпо, тъй като това е доста рядък метал, който се използва главно за производството на бижута и декоративни елементи или монети в кюлчета.
Металът с най-висока електропроводимост сред всички елементи от основната група е медта. Показателят му е 57*104 сантиметра-1 при температура от +20 градуса по Целзий. Медта е един от най-разпространените проводници, използвани за битови и промишлени цели. Той издържа добре на постоянни електрически натоварвания, издръжлив и надежден. Високата точка на топене ви позволява да работите дълго време в нагрято състояние без проблеми.
По отношение на изобилието само алуминият може да се конкурира с медта, която се нарежда на четвърто място по електропроводимост след златото. Използва се в мрежи с ниско напрежение, тъй като има почти половината от точката на топене на медта и не е в състояние да издържи на екстремни натоварвания. По-нататъшното разпределение на местата може да се намери, като се разгледа таблицата на електрическата проводимост на металите.
Струва си да се отбележи, че всяка сплав има много по-ниска проводимост от чистото вещество. Това се дължи на сливането на структурната мрежа и, като следствие, нарушаване на нормалното функциониране на електроните. Например, при производството на медна тел се използва материал със съдържание на примеси не повече от 0,1%, а за някои видове кабел този показател е още по-строг - не повече от 0,05%. Всички дадени показатели са електрическата проводимост на металите, която се изчислява като съотношение между плътността на тока и големината на електрическото поле в проводника.
Класическа теория за електропроводимостта на металите
Основните принципи на теорията за електропроводимостта на металите съдържат шест точки. Първо: високото ниво на електрическа проводимост е свързано с наличието на голям брой свободни електрони. Второ: електрическият ток възниква чрез външно въздействие върху метала, по време на което електроните преминават от случайно движение към подредено.
Трето: силата на тока, преминаващ през метален проводник, се изчислява по закона на Ом. Четвърто: различният брой елементарни частици в кристалната решетка води до неравностойно съпротивление на металите. Пето: електрическият ток във веригата възниква незабавно след началото на излагането на електрони. Шесто: с увеличаване на вътрешната температура на метала нивото на неговата устойчивост също се увеличава.
Естеството на електрическата проводимост на металите се обяснява с втората точка на разпоредбите. В спокойно състояние всички свободни електрони се въртят хаотично около ядрото. В този момент металът не е в състояние самостоятелно да възпроизвежда електрически заряди. Но веднага щом свържете външен източник на влияние, електроните моментално се подреждат в структурирана последователност и стават носители на електрически ток. С повишаване на температурата електропроводимостта на металите намалява.
Това се дължи на факта, че молекулярните връзки в кристалната решетка отслабват, елементарните частици започват да се въртят в още по-хаотичен ред, така че образуването на електрони във верига става по-сложно. Поради това е необходимо да се вземат мерки за предотвратяване на прегряване на проводниците, тъй като това се отразява негативно на техните експлоатационни свойства. Механизмът на електрическата проводимост на металите не може да бъде променен поради настоящите закони на физиката. Но е възможно да се неутрализират негативните външни и вътрешни влияния, които пречат на нормалното протичане на процеса.
Метали с висока електропроводимост
Електрическата проводимост на алкалните метали е на високо ниво, тъй като техните електрони са слабо прикрепени към ядрото и лесно се подреждат в желаната последователност. Но тази група се характеризира с ниски точки на топене и огромна химическа активност, което в повечето случаи не позволява използването им за производството на проводници.
Металите с висока електропроводимост при отваряне са много опасни за хората. Докосването на оголен проводник ще доведе до електрическо изгаряне и силен разряд на всички вътрешни органи. Това често води до незабавна смърт. Затова за безопасността на хората се използват специални изолационни материали.
В зависимост от приложението те могат да бъдат твърди, течни или газообразни. Но всички видове са предназначени за една функция - изолиране на електрическия ток вътре във веригата, така че да не може да повлияе на външния свят. Електрическата проводимост на металите се използва в почти всички области на съвременния човешки живот, така че осигуряването на безопасност е основен приоритет.
« Физика - 10 клас"
Как се движат електроните в метален проводник, когато в него няма електрическо поле?
Как се променя движението на електроните, когато се приложи напрежение към метален проводник?
Електрическият ток се осъществява от твърди, течни и газообразни тела. Как тези проводници се различават един от друг?
Запознахте се с електрическия ток в метални проводници и с експериментално установената вольт-амперна характеристика на тези проводници – закон на Ом.
Наред с металите, добри проводници, т.е. вещества с голям брой свободни заредени частици, са водни разтвори или стопилки на електролити и йонизиран газ - плазма. Тези проводници се използват широко в технологиите.
Във вакуумните електронни устройства електрическият ток се образува от електронни потоци.
Металните проводници се използват широко при преноса на електричество от източници на ток до потребители. В допълнение, тези проводници се използват в електрически двигатели и генератори, електрически нагревателни устройства и др.
С изключение проводнициИ диелектрици(вещества със сравнително малък брой свободни заредени частици), има група вещества, чиято проводимост е междинна между проводници и диелектрици. Тези вещества не провеждат достатъчно добре електричество, за да бъдат наречени проводници, но не толкова лошо, че да бъдат класифицирани като диелектрици. Ето защо те получиха името полупроводници.
Дълго време полупроводниците не играят съществена практическа роля. В електротехниката и радиотехниката се използват изключително различни проводници и диелектрици. Ситуацията се промени значително, когато лесно осъществимата възможност за контролиране на електрическата проводимост на полупроводниците първо беше теоретично предсказана, а след това открита и проучена.
Няма универсален токоносител. Таблицата показва текущи носители в различни среди.
Електронна проводимост на металите.
Да започнем с метални проводници. Знаем ток-напрежението на тези проводници, но досега нищо не е казано за обяснението му от гледна точка на молекулярно-кинетичната теория.
Носителите на свободните заряди в металите са електроните. Концентрацията им е висока - около 10 28 1/m 3 .
Тези електрони участват в произволно топлинно движение. Под въздействието на електрическо поле те започват да се движат организирано със средна скорост от порядъка на 10 -4 m/s.
Експериментално доказателство за съществуването на свободни електрони в металите.
Експериментално доказателство, че проводимостта на металите се дължи на движението на свободни електрони, е дадено в експериментите на Манделщам и Папалекси (1913), Стюарт и Толман (1916). Схемата на тези експерименти е следната.
Тел се навива върху намотка, чиито краища са запоени към два метални диска, изолирани един от друг (фиг. 16.1). Към краищата на дисковете е свързан галванометър с помощта на плъзгащи се контакти.
Макарата се привежда в бързо въртене и след това внезапно спира. След внезапно спиране на намотката свободните заредени частици се движат известно време спрямо проводника по инерция и следователно в намотката възниква електрически ток. Токът съществува за кратко време, тъй като поради съпротивлението на проводника заредените частици се забавят и подреденото движение на частиците, което образува тока, спира.
Посоката на тока в този експеримент предполага, че той е създаден от движението на отрицателно заредени частици. Пренесеният заряд в този случай е пропорционален на съотношението на заряда на частиците, създаващи ток, към тяхната маса, т.е. |q|/m. Следователно, чрез измерване на заряда, преминаващ през галванометъра по време на съществуването на тока във веригата, беше възможно да се определи това съотношение. Оказа се, че е равно на 1,8 10 11 C/kg. Тази стойност съвпада със съотношението на заряда на електрона към неговата маса e/m, установено по-рано от други експерименти.
Движение на електрони в метал.
Свободните електрони в метала се движат произволно. Когато проводник е свързан към източник на ток, в него се създава електрическо поле и силата на Кулон = q e започва да действа върху електроните. Под въздействието на тази сила електроните започват да се движат насочено, т.е. хаотичното движение на електроните се наслагва върху скоростта на насоченото движение и се увеличава за известно време t 0, докато електроните се сблъскат с йоните на кристалната решетка. В този случай електроните губят посоката си на движение и след това отново започват да се движат насочено. По този начин скоростта на насоченото движение на електрона се променя от нула до определена максимална стойност, равна на В резултат на това средната скорост на подреденото движение на електроните се оказва равна, т.е. пропорционална на напрегнатостта на електрическото поле в проводник: υ ~ E и, следователно, потенциалната разлика в краищата на проводника, така че където l е дължината на проводника.
Силата на тока в проводника е пропорционална на скоростта на подреденото движение на частиците (виж формула (15.2)). Следователно можем да кажем, че силата на тока е пропорционална на потенциалната разлика в краищата на проводника: I ~ U.
Това е качествено обяснение на закона на Омвъз основа на електронната теория за проводимостта на металите.
Невъзможно е да се изгради задоволителна количествена теория за движението на електроните в метал, основана на законите на класическата механика. Факт е, че условията за движение на електрони в метала са такива, че класическата механика на Нютон не е приложима за описание на това движение. Този факт потвърждава например зависимостта на съпротивлението от температурата. Според класическата теория на металите, в която движението на електроните се разглежда въз основа на втория закон на Нютон, съпротивлението на проводника е пропорционално, но експериментът показва линейна зависимост на съпротивлението от температурата.
Електропроводимост на металите
Когато метал е изложен на електрическо (или магнитно) поле (или температурна разлика), в него се появяват потоци от заредени частици и енергия.
Възникването на тези потоци или течения обикновено се нарича кинетични ефекти или явления на пренос, иначе транспортни ефекти, което означава въздействието на стационарни полета върху неподвижни проводници. В този случай токът или потокът е пропорционален на потенциалната разлика (или температурната разлика), а коефициентът на пропорционалност се определя само от геометричните размери на проводника и физическите свойства на самия метал.
За единични геометрични размери този коефициент зависи само от свойствата на даден метал и е неговата основна физическа характеристика, която се нарича кинетичен коефициент. Когато проводникът е в променливо поле, токовете, възникващи в него, зависят не само от геометричните размери и кинетичния коефициент, но и от честотата на променливото поле, формата на проводника и взаимното разположение на елементите на проводника. електрическа верига.
Съпротивлението на проводник при променлив ток зависи значително от неговата честота, което се дължи на спиновия ефект - изместването на тока от центъра на проводника към периферията. От многото възможни кинетични явления две са най-известни в технологията: електрическа проводимост - способността на веществото да провежда постоянен електрически ток под въздействието на електрическо поле, което не се променя с времето, и топлопроводимост - подобно във връзка с температурната разлика и топлинния поток. И двете явления се изразяват (количествено) съответно от законите на Ом и Фурие:
j = γ E; ω = k T.
където j е плътността на тока, A/m;
γ - кинетичен коефициент на електропроводимост);
E - напрегнатост на електрическото поле V/m;
ω - топлинна плътност на тока;
T – температурна разлика;
k – коефициент на топлопроводимост.
На практика обикновено се използва електрическо съпротивление или просто съпротивление, Ohm m
Въпреки това, за проводници е разрешено да се използва несистемната мерна единица Ohm mm2/m или се препоръчва използването на еквивалентната единица SI μOhm/m. Преход от една единица към друга в този случай: 1 Ohm m = 10 6 μOhm m = 10 6 Ohm mm2/m.
Съпротивлението на проводник с произволни размери с постоянно напречно сечение се определя от:
където l е дължината на проводника, m;
S – площ на проводника, m2.
Металите обикновено се характеризират като пластични вещества с характерен „метален“ блясък, които са добри проводници на електрически ток и топлина.
За електропроводимостта на металите са характерни: ниска стойност на съпротивлението при нормална температура, значително увеличение на съпротивлението с повишаване на температурата, доста близо до пряката пропорционалност; когато температурата спадне до температури, близки до абсолютната нула, съпротивлението на металите намалява до много малки стойности, възлизащи на 10-3 за най-чистите метали или дори по-малка част от съпротивлението при нормални температури + 20 0C.
Те се характеризират и с наличието на връзка между електрическата проводимост и топлопроводимостта, която се описва от емпиричния закон на Видеман-Франц като съотношението k / γ е приблизително еднакво за различни материали при една и съща температура. Частното от k / γ, разделено на абсолютната температура T (L0 = k / (γ T)). наречено число на Лоренц, е (за всички метали) стойност, която се различава малко при всички температури.
Теорията на кинетичните явления в металите може да обясни формата на зависимостите на кинетичните коефициенти от температурата, налягането и други фактори, а също така с нейна помощ е възможно да се изчислят техните стойности. За да направите това, помислете за вътрешната структура на металите.
Основната идея на този клон на физиката възниква в началото на 19-ти и 20-ти век: металните атоми са йонизирани и валентните електрони, отделени от тях, са свободни, т.е. те принадлежат на целия кристал.
Йоните са строго подредени и образуват правилна кристална решетка; тяхното взаимодействие с отрицателно зареден облак от свободни електрони е такова, че прави кристала стабилна, стабилна формация.
Наличието на свободни електрони добре обяснява високата електропроводимост на металите, а делокализацията им осигурява висока пластичност. Това означава, че най-характерната особеност на вътрешната структура на металните проводници е наличието на пътуващи електрони, което потвърждава тяхната електронна структура. В най-простия си модел колекция от пътуващи електрони се обяснява като електронен газ, в който частиците са в хаотично топлинно движение.
Равновесието се установява (ако пренебрегнем сблъсъците между електрони) поради сблъсъка на електрони с йони. Тъй като топлинното движение не е напълно подредено, тогава, въпреки заряда на електроните, във веригата не се наблюдава ток (макроскопичен). Ако към проводник се приложи външно електрическо поле, тогава свободните електрони, след като са получили ускорение, се подреждат в подреден компонент, който е ориентиран по протежение на полето.
Тъй като йоните в местата на решетката са неподвижни, редът в движението на електроните ще се прояви като макроскопичен електрически ток. Специфичната проводимост в този случай може да бъде изразена, като се вземе предвид средният свободен път λ на електрон в ускоряващо поле с интензитет E:
λ = e E τ / (2 m) като γ = e2 n λ / (2 m vτ),
където e е зарядът на електрона;
n е броят на свободните електрони на единица обем метал;
λ е средният свободен път на електрона между два сблъсъка;
m е масата на електрона;
v τ е средната скорост на топлинно движение на свободен електрон в метала.
Като се вземат предвид разпоредбите на квантовата механика
γ = K p2/3 / λ,
където K е числов коефициент.
Диапазонът на съпротивлението на металните проводници при нормална температура е само три порядъка. За различните метали скоростите на хаотично топлинно движение на електроните при определена температура са приблизително еднакви.
Концентрациите на свободни електрони се различават леко, така че стойността на съпротивлението зависи главно от средния свободен път на електроните в даден проводник и се определя от структурата на материала на проводника. Всички чисти метали с най-правилна кристална решетка имат минимални стойности на съпротивление. Примесите, изкривяващи решетката, водят до увеличаване на съпротивлението
Температурният коефициент на съпротивление или средният температурен коефициент на съпротивление се изразява като
α = 1 / ρ (dρ / dt); α` = 1 / ρ (ρ2 - ρ1) / (T2 – T1),
където ρ1 и ρ2 са съпротивленията на проводника при температури T1 и T2, съответно, при T2 > T1.
Техническите справочници обикновено дават стойността α`, с която можете приблизително да определите ρ при произволна температура T:
ρ = ρ1 (1 + αρ` (T - T1)).
Този израз дава точната стойност на съпротивлението p само за линейна зависимост ρ(T). В други случаи този метод е приблизителен; колкото по-тесен е температурният интервал, използван за определяне на αρ`, толкова по-тесен е той.
Съпротивлението на повечето метали, които увеличават обема си при стопяване, намалява тяхната плътност. За метали, които намаляват обема си по време на топене, съпротивлението намалява; Тези метали включват галий, антимон и бисмут.
Съпротивлението на сплавите винаги е по-голямо от това на чистите метали. Това е особено забележимо, ако при сливане те образуват твърд разтвор, т.е. кристализират заедно по време на втвърдяването и атомите на единия метал влизат в решетката на другия.
Ако сплав от два метала създава отделна кристализация и втвърден разтвор - смес от кристали на всеки от компонентите, тогава специфичната проводимост γ на такава сплав се променя с промяна в състава почти линейно. В твърдите разтвори тази зависимост (от съдържанието на всеки метал) не е линейна и има максимум, съответстващ на определено съотношение на компонентите на сплавта.
Понякога при определено съотношение между компонентите те образуват химични съединения (интерметални съединения), като нямат метална проводимост, а са електронни полупроводници.
Температурният коефициент на линейно разширение на проводниците се определя по същия начин, както при диелектриците, като се използва формулата
ТКl = α(l) = l / l (dl / dТ), (3.1)
където TKl = α(l) е температурният коефициент на линейно разширение K-1
Този коефициент трябва да се знае, за да може да се оцени ефективността на свързващите материали в различни конструкции, както и да се изключи напукване или нарушаване на вакуумната връзка на метал със стъкло или керамика при промяна на температурата. В допълнение, той е включен в изчисляването на температурния коефициент на електрическо съпротивление на проводниците
ТКР = α(R) = α(ρ) - α(l).
ТермоЕМП на проводници
ТермоЕМП възниква, когато два различни проводника (или полупроводника) влязат в контакт, ако температурата на техните съединения не е еднаква. Ако два различни проводника влязат в контакт, между тях възниква контактна потенциална разлика. За метали А и В
Ucb - Uc + K T / e ln(n0с / nob),
където U c и U b са потенциалите на контактуващите метали; концентрация на електрони в съответните метали;
K е константата на Болцман;
Т - температура;
e е абсолютната стойност на заряда на електрона.
Ако температурата на металните съединения е една и съща, тогава сумата от потенциалната разлика в затворена верига е нула. Ако температурите на слоевете са различни (T2 и T1, например), тогава в този случай
U = K / e (T1 - T2) ln(nc / nb). (3.2)
На практика изразът (3.2) не винаги се спазва и зависимостта на термоЕМП от температурата може да бъде нелинейна. Тел, съставен от два изолирани проводника от различни метали или сплави, се нарича термодвойка и се използва за измерване на температури.
В такива случаи те се опитват да използват материали, които имат голям и стабилен коефициент на термоЕМП. за измерване на високи температури понякога е необходимо (особено при измерване на температури в агресивна среда) да се използват термодвойки с по-ниски коефициенти на thermoEdS, но издържащи на високи температури и не окисляващи се в агресивна среда.
Сплавите за термодвойки имат различни комбинации, включително един електрод, който може да бъде направен от чист метал. Най-разпространени са никелови и медно-никелови сплави. За температури в диапазона 1000 - 1200 0C се използват хромел-алумелови (TCA) термодвойки, при по-високи температури се използват платиново-платиново-родиеви електроди; в тези сплави родият варира от 6,7 до 40,5%. Марките на такива термодвойки са както следва: PlRd-7, PlRd-10, PlRd-30, PlRd-40.
