Rozdělení pevných látek na vodiče, polovodiče a dielektrika souvisí se strukturou jejich energetických pásem. Teorie energetických pásem je diskutována v úvodu této série prací.

V kovu není vodivostní pás zcela vyplněn elektrony, ale pouze částečně, přibližně do úrovně Fermi. Z tohoto důvodu jsou elektrony v kovu volné a mohou se vlivem slabých elektrických polí pohybovat z obsazených úrovní do volných. Koncentrace volných elektronů v kovu je vysoká (asi ~ 10 28 m -3), proto málo závisí na teplotě a dalších vnějších faktorech. Z tohoto důvodu je podle (6) teplotní závislost měrné vodivosti, a tím i odporu, určena změnami v pohyblivosti elektronů. V tomto případě je nezbytné, aby elektronový plyn v kovu degenerovat, tj. jeho energií není teplota, ale koncentrace elektronů. Elektrony v kovu skutečně obsazují energetické úrovně až do úrovně Fermi, což je několik elektronvoltů od „spodu“ valenčního pásma. Tepelná energie elektronů (~) je při běžných teplotách mnohem menší, řádově ~ 10 -2 eV. V důsledku toho jen několik elektronů z horních úrovní může absorbovat tepelnou energii. Průměrná energie elektronu tak zůstává s rostoucí teplotou téměř neměnná.

U elektronového plynu ve stavu degenerace je rychlost chaotického pohybu elektronů také dána nikoli teplotou tělesa, ale koncentrací nosičů náboje. Tyto rychlosti mohou být desítkykrát vyšší než průměrná rychlost tepelného pohybu vypočtená z klasické teorie ( » 10 5 m/s), tzn. »10 6 m/s.

Pohybující se elektrony mají jak korpuskulární, tak vlnové vlastnosti. Vlnová délka elektronu je určena de Broglieho vzorcem:

, (8)

kde je Planckova konstanta,

rychlost elektronů,

Efektivní hmotnost elektronu (koncept je zaveden pro popis pohybu jeho nosiče v pevné látce).

Dosazením hodnoty rychlosti =10 6 m/s do (8) zjistíme de Broglieho vlnovou délku pro elektron v kovu, je 0,4 – 0,9 nm;

Takže v kovových vodičích, kde je vlnová délka elektronů řádově 0,5 nm, mikrodefekty vytvářejí významný rozptyl elektronových vln. Snižuje se rychlost směrového pohybu elektronů, což podle (4) vede ke snížení pohyblivosti. Pohyblivost elektronů v kovu je relativně nízká. Tabulka 1 ukazuje pohyblivosti elektronů pro některé kovy a polovodiče.

Tabulka 1. Pohyblivost elektronů v různých materiálech při =300 K

S rostoucí teplotou narůstají vibrace uzlů mřížky a v dráze usměrněného pohybu elektronů se objevuje stále více překážek, klesá elektrická vodivost a zvyšuje se odpor kovu.

Zkušenosti ukazují, že pro čisté kovy je závislost na teplotě lineární:

, (9)

kde je tepelný koeficient odporu,

Teplota na stupnici Celsia,

Odolnost při =0°C.

K určení a je nutné sestrojit graf závislosti.

Obr. 1. Závislost odporu kovu na teplotě

Průsečík přímky s osou dá hodnotu. Hodnota se zjistí podle vzorce:

(10)

Uvažujme chování vodivostních elektronů v kovu v nerovnovážném stavu, když se pohybují pod vlivem aplikovaných vnějších polí. Takové procesy se nazývají přenosové jevy.

jak je známo, elektrická vodivost (elektrická vodivost) o je veličina, která souvisí s hustotou elektrického proudu a napětím podle Ohmova místního zákona: j - oE(viz vzorec (14.15) část 1). Všechny látky podle charakteru elektrické vodivosti se dělí do tří tříd: kovy, polovodiče a dielektrika.

Charakteristický rys kovy je jejich kovová vodivost - pokles elektrické vodivosti s rostoucí teplotou (při konstantní koncentraci proudových nosičů). Fyzikální příčinou elektrického odporu v kovech je rozptyl elektronových vln nečistotami a defekty mřížky a také fonony.

Nejvýraznější vlastnost polovodiče je jejich schopnost měnit své vlastnosti v extrémně širokém rozsahu pod vlivem různých vlivů: teploty, elektrických a magnetických polí, osvětlení atd. Například vlastní vodivost čistých polovodičů se při zahřívání exponenciálně zvyšuje.

Na T> 300 K se specifická vodivost o materiálů příbuzných polovodičům pohybuje v širokém rozmezí od 10~ 5 do 10 6 (Ohm m) -1, zatímco pro kovy o je více než 10 6 (Ohm m) -1.

Látky s nízkou specifickou vodivostí jsou řádově 10~ 5 (Ohm m) -1 nebo méně, viz dielektrika. K vodivosti dochází při velmi vysokých teplotách.

Kvantová teorie vede k následujícímu výrazu pro elektrickou vodivost kovy:

Kde P- koncentrace volných elektronů; t - doba relaxace; T* - efektivní hmotnost elektronu.

Čas na odpočinek charakterizuje proces nastolení rovnováhy mezi elektrony a mřížkou, narušený např. náhlým zahrnutím vnějšího pole E.

Termín „volný elektron“ znamená, že elektron není ovlivněn žádnými silovými poli. Pohyb vodivostního elektronu v krystalu pod vlivem vnější síly F a síly z krystalové mřížky lze v některých případech popsat jako pohyb volného elektronu, který působí pouze silou F(2. Newtonův zákon, viz vzorec (3.5) část 1), ale s efektivní hmotností T*, odlišný od masy tj. volný elektron.

Výpočty pomocí výrazu (30.18) ukazují, že elektrická vodivost kovů o~1/T. Experiment potvrzuje tento závěr kvantové teorie, zatímco podle klasické teorie

o ~ l/fr.

V polovodiče koncentrace mobilních nosičů je výrazně nižší než koncentrace atomů a může se měnit se změnami teploty, osvětlením, ozářením proudem částic, vystavením elektrickému poli nebo vnesením relativně malého množství nečistot. Nosiče náboje v polovodičích ve vodivém pásmu jsou elektrony (vodivé elektrony) a ve valenčním pásmu - kladně nabité kvazičástice díry. Když elektron z nějakého důvodu chybí ve valenčním pásmu, říká se, že vytvořil díru (prázdný stav). Pojmy děr a vodivostních elektronů se používají k popisu elektronického systému polovodičů, polokovů a kovů.

Ve stavu termodynamické rovnováhy závisí koncentrace elektronů a děr v polovodičích jak na teplotě a koncentraci elektricky aktivních nečistot, tak na zakázaném pásmu A E.

Existují vlastní polovodiče a polovodiče nečistot. Vlastní polovodiče jsou chemicky čisté polovodiče (například germanium Ge, selen Se). Počet elektronů v nich se rovná počtu děr. Vodivost takové polovodiče se nazývají vlastní.

Ve vlastních polovodičích at T= O K valenční pás je zcela vyplněn a vodivostní pás je volný. Proto, když T= Při absenci vnějšího buzení se vnitřní polovodiče chovají jako dielektrika. Jak se teplota zvyšuje v důsledku tepelné excitace, elektrony z horních úrovní valenčního pásma se přesunou do vodivostního pásma. Současně je možné, aby se elektrony valenčního pásu přesunuly do jeho uvolněných horních úrovní. Elektrony ve vodivém pásu a otvory ve valenčním pásmu budou přispívat k elektrické vodivosti.

Energie potřebná k přenosu elektronu z valenčního pásma do vodivostního se nazývá aktivační energie vlastní vodivost.

Když je na krystal aplikováno vnější elektrické pole, elektrony se pohybují proti poli a vytvářejí elektrický proud. Ve vnějším poli, když se sousední valenční elektron přesune na prázdné místo, je na jeho místo „zamíchána“ díra. V důsledku toho se díra, stejně jako elektron, který prošel do vodivého pásu, bude pohybovat napříč krystalem, ale ve směru opačném k pohybu elektronu. Formálně se částice s kladným nábojem rovným absolutní hodnotě náboje elektronu pohybuje po krystalu ve směru pole. Pro zohlednění vlivu vnitřního pole krystalu na elementární náboje je pro díry zaveden koncept efektivní hmotnosti w*. Při řešení úloh tedy můžeme předpokládat, že se díra s efektivní hmotností pohybuje pouze pod vlivem jednoho vnějšího pole.

Ve vnějším poli je směr rychlostí elektronů a děr opačný, ale elektrický proud, který vytvářejí, má stejný směr - směr elektrického pole. Proudová hustota během vlastní vodivosti polovodiče je tedy součtem proudové hustoty elektronů v e a děr v d:

Elektrická vodivost o je úměrná počtu nosičů, což znamená, že lze prokázat, že pro vlastní polovodiče

a závisí na teplotě podle exponenciálního zákona. Příspěvek elektronů a děr k o je různý, což se vysvětluje rozdílem v jejich efektivních hmotnostech.

Při relativně vysokých teplotách převládá u všech polovodičů vlastní vodivost. Jinak elektrické vlastnosti polovodiče určují nečistoty (atomy jiných prvků) a pak mluvíme o vodivost nečistot. Elektrická vodivost se bude skládat z vlastní vodivosti a vodivosti nečistot.

Nečistotové polovodiče se nazývají polovodiče, jejichž jednotlivé atomy jsou nahrazeny nečistotami. Koncentrace elektronů a děr v nich se výrazně liší. Nečistoty, které jsou zdrojem elektronů, se nazývají dárci. Nečistoty, které zachycují elektrony z valenčního pásu, se nazývají akceptoři.

V důsledku vnesení nečistoty do zakázaného pásu se v pásmové mezeře objeví další povolené úrovně elektronické energie blízko nebo ke spodní části vodivostního pásma ( úrovně dárců), nebo na vrchol valenčního pásma ( úrovně akceptoru). Tím se výrazně zvyšuje elektrická vodivost polovodičů.

V polovodičích typu i (z angličtiny negativní - negativní) s příměsí donoru se realizuje elektronický vodicí mechanismus. Vodivost v nich je zajištěna přebytečnými elektrony nečistoty, jejíž valence je o jednotku větší než valence hlavních atomů.

V polovodičích typu p (z angl. pozitivní - pozitivní) s příměsí akceptoru se realizuje mechanismus vedení otvoru. Vodivost v nich je zajištěna otvory v důsledku vnesení nečistoty, jejíž valence je o jednu menší než valence hlavních atomů.

Přesvědčivý důkaz o reálnosti pozitivních děr poskytuje Hallův efekt(1879). Tento efekt spočívá ve vzhledu kovu (nebo polovodiče) s proudovou hustotou y umístěného v magnetickém poli V, dodatečné elektrické pole ve směru kolmém k V a vy Využití Hallova jevu (měření Hallova koeficientu v závislosti na látce) umožňuje určit koncentraci a pohyblivost nosičů náboje ve vodiči a také určit povahu vodivosti polovodiče (elektronické nebo dírové).

V současné době při vývoji materiálů pro mikroelektroniku vznikají různé polovodičové materiály včetně těch se širokým bandgapem. Polovodičové mikroobvody jsou považovány za jednu z perspektivních oblastí mikroelektroniky, umožňující vytvářet spolehlivé a funkčně složité integrované obvody.

Klasická teorie elektrické vodivosti kovů vznikla na počátku dvacátého století. Jeho zakladatelem byl německý fyzik Karl Rikke. Experimentálně zjistil, že průchod náboje kovem nezahrnuje přenos atomů vodiče, na rozdíl od kapalných elektrolytů. Tento objev však nevysvětlil, co přesně je nositelem elektrických impulsů v kovové konstrukci.

Na tuto otázku nám umožnily odpovědět experimenty vědců Stewarta a Tolmana, provedené v roce 1916. Byli schopni zjistit, že nejmenší nabité částice - elektrony - jsou zodpovědné za přenos elektřiny v kovech. Tento objev vytvořil základ klasické elektronické teorie elektrické vodivosti kovů. Od tohoto okamžiku začala nová éra výzkumu kovových vodičů. Díky získaným výsledkům máme dnes možnost využívat domácí spotřebiče, výrobní zařízení, stroje a mnoho dalších zařízení.

Jak se liší elektrická vodivost různých kovů?

Elektronová teorie elektrické vodivosti kovů byla vyvinuta ve výzkumu Paula Drude. Dokázal objevit takovou vlastnost, jako je odpor, který je pozorován při průchodu elektrického proudu vodičem. V budoucnu to umožní klasifikovat různé látky podle úrovně jejich vodivosti. Ze získaných výsledků je snadné pochopit, který kov je vhodný pro výrobu konkrétního kabelu. To je velmi důležitý bod, protože nesprávně zvolený materiál může způsobit požár v důsledku přehřátí při průchodu přepětím.

Stříbrný kov má nejvyšší elektrickou vodivost. Při teplotě +20 stupňů Celsia je to 63,3 * 104 centimetrů-1. Výroba drátů ze stříbra je však velmi nákladná, protože se jedná o poměrně vzácný kov, který se používá především k výrobě šperků a ozdobných předmětů nebo zlatých mincí.

Kov s nejvyšší elektrickou vodivostí ze všech prvků základní skupiny je měď. Jeho ukazatel je 57*104 centimetrů-1 při teplotě +20 stupňů Celsia. Měď je jedním z nejběžnějších vodičů používaných pro domácí a průmyslové účely. Dobře odolává stálému elektrickému zatížení, je odolný a spolehlivý. Vysoký bod tání umožňuje bez problémů pracovat dlouhou dobu v zahřátém stavu.

Co do množství může mědi konkurovat pouze hliník, který je po zlatu na čtvrtém místě v elektrické vodivosti. Používá se v sítích nízkého napětí, protože má téměř poloviční bod tání než měď a není schopen odolat extrémní zátěži. Další rozložení míst lze zjistit pohledem na tabulku elektrické vodivosti kovů.

Stojí za zmínku, že jakákoli slitina má mnohem nižší vodivost než čistá látka. To je způsobeno sloučením strukturní sítě a v důsledku toho narušením normálního fungování elektronů. Například při výrobě měděného drátu se používá materiál s obsahem nečistot nejvýše 0,1% a u některých typů kabelů je tento indikátor ještě přísnější - ne více než 0,05%. Všechny uvedené ukazatele jsou elektrická vodivost kovů, která se vypočítá jako poměr mezi hustotou proudu a velikostí elektrického pole ve vodiči.

Klasická teorie elektrické vodivosti kovů

Základní principy teorie elektrické vodivosti kovů obsahují šest bodů. Za prvé: vysoká úroveň elektrické vodivosti je spojena s přítomností velkého počtu volných elektronů. Za druhé: elektrický proud vzniká vnějším vlivem na kov, během kterého se elektrony pohybují z náhodného pohybu do uspořádaného.

Za třetí: síla proudu procházejícího kovovým vodičem se vypočítá podle Ohmova zákona. Za čtvrté: různé počty elementárních částic v krystalové mřížce vedou k nestejnému odporu kovů. Za páté: elektrický proud v obvodu nastává okamžitě po začátku vystavení elektronům. Za šesté: jak se zvyšuje vnitřní teplota kovu, zvyšuje se i úroveň jeho odporu.

Povaha elektrické vodivosti kovů je vysvětlena druhým bodem ustanovení. V klidném stavu všechny volné elektrony chaoticky rotují kolem jádra. V tuto chvíli není kov schopen samostatně reprodukovat elektrické náboje. Jakmile ale připojíte externí zdroj vlivu, elektrony se okamžitě seřadí do strukturované sekvence a stanou se nositeli elektrického proudu. S rostoucí teplotou klesá elektrická vodivost kovů.

Je to dáno tím, že molekulární vazby v krystalové mřížce slábnou, elementární částice začnou rotovat v ještě chaotičtějším pořadí, takže tvorba elektronů v řetězci se komplikuje. Proto je nutné přijmout opatření, která zabrání přehřívání vodičů, protože to negativně ovlivňuje jejich výkonové vlastnosti. Mechanismus elektrické vodivosti kovů nelze vzhledem k současným fyzikálním zákonům změnit. Ale je možné neutralizovat negativní vnější a vnitřní vlivy, které narušují normální průběh procesu.

Kovy s vysokou elektrickou vodivostí

Elektrická vodivost alkalických kovů je na vysoké úrovni, protože jejich elektrony jsou slabě připojeny k jádru a snadno se seřadí v požadované sekvenci. Tato skupina se však vyznačuje nízkými teplotami tání a obrovskou chemickou aktivitou, která ve většině případů neumožňuje jejich použití pro výrobu drátů.

Kovy s vysokou elektrickou vodivostí při otevření jsou pro člověka velmi nebezpečné. Dotyk holého drátu bude mít za následek elektrické popálení a silný výboj do všech vnitřních orgánů. To často vede k okamžité smrti. Pro bezpečnost lidí se proto používají speciální izolační materiály.

V závislosti na aplikaci mohou být pevné, kapalné nebo plynné. Všechny typy jsou ale určeny pro jednu funkci – izolování elektrického proudu uvnitř obvodu tak, aby nemohl ovlivňovat okolní svět. Elektrická vodivost kovů se používá téměř ve všech oblastech moderního lidského života, takže zajištění bezpečnosti je nejvyšší prioritou.

« Fyzika - 10. třída"

Jak se pohybují elektrony v kovovém vodiči, když v něm není žádné elektrické pole?
Jak se změní pohyb elektronů, když se na kovový vodič přivede napětí?

Elektrický proud je veden pevnými, kapalnými a plynnými tělesy. Jak se od sebe tyto vodiče liší?

Seznámil jste se s elektrickým proudem v kovových vodičích a s experimentálně zjištěnou proudově-napěťovou charakteristikou těchto vodičů – Ohmovým zákonem.

Spolu s kovy jsou dobrými vodiči, tedy látkami s velkým množstvím volných nabitých částic, vodné roztoky nebo taveniny elektrolytů a ionizovaný plyn - plazma. Tyto vodiče jsou široce používány v technologii.

Ve vakuových elektronických zařízeních je elektrický proud tvořen toky elektronů.

Kovové vodiče jsou široce používány při přenosu elektřiny ze zdrojů proudu ke spotřebitelům. Kromě toho se tyto vodiče používají v elektromotorech a generátorech, elektrických topných zařízeních atd.

Až na vodičů A dielektrika(látky s relativně malým počtem volných nabitých částic), existuje skupina látek, jejichž vodivost je mezi vodiči a dielektrikem. Tyto látky nevedou elektřinu dostatečně dobře, aby se daly nazývat vodiči, ale ne tak špatně, aby byly klasifikovány jako dielektrika. Proto dostali jméno polovodiče.

Polovodiče dlouho nehrály významnou praktickou roli. V elektrotechnice a radiotechnice se používaly výhradně různé vodiče a dielektrika. Situace se výrazně změnila, když byla nejprve teoreticky předpovězena a poté objevena a studována snadno proveditelná možnost řízení elektrické vodivosti polovodičů.

Univerzální nosič proudu neexistuje. Tabulka ukazuje aktuální dopravce v různých prostředích.

Elektronická vodivost kovů.

Začněme kovovými vodiči. Známe proudově-napěťovou charakteristiku těchto vodičů, ale zatím nebylo řečeno nic o jejím vysvětlení z hlediska molekulární kinetické teorie.

Nositeli volných nábojů v kovech jsou elektrony. Jejich koncentrace je vysoká - asi 10 28 1/m 3 .

Tyto elektrony se účastní náhodného tepelného pohybu. Pod vlivem elektrického pole se začnou pohybovat uspořádaně s průměrnou rychlostí řádově 10 -4 m/s.

Experimentální důkaz existence volných elektronů v kovech.

Experimentální důkaz, že vodivost kovů je způsobena pohybem volných elektronů, byl podán v experimentech Mandelstama a Papaleksiho (1913), Stewarta a Tolmana (1916). Schéma těchto experimentů je následující.

Na cívku je navinutý drát, jehož konce jsou připájeny ke dvěma od sebe izolovaným kovovým kotoučům (obr. 16.1). Na konce disků je pomocí posuvných kontaktů připojen galvanometr.

Naviják se uvede do rychlé rotace a poté se náhle zastaví. Po náhlém zastavení cívky se volné nabité částice po určitou dobu pohybují setrvačností vzhledem k vodiči a následně v cívce vzniká elektrický proud. Proud existuje krátkou dobu, protože v důsledku odporu vodiče jsou nabité částice zpomaleny a uspořádaný pohyb částic, které tvoří proud, se zastaví.

Směr proudu v tomto experimentu naznačuje, že je vytvářen pohybem záporně nabitých částic. Přenesený náboj je v tomto případě úměrný poměru náboje částic vytvářejících proud k jejich hmotnosti, tj. |q|/m. Proto měřením náboje procházejícího galvanometrem během existence proudu v obvodu bylo možné tento poměr určit. Ukázalo se, že se rovná 1,8 10 11 C/kg. Tato hodnota se shodovala s poměrem náboje elektronu k jeho hmotnosti e/m, zjištěným dříve z jiných experimentů.

Pohyb elektronů v kovu.

Volné elektrony v kovu se pohybují náhodně. Při připojení vodiče ke zdroji proudu se v něm vytvoří elektrické pole a na elektrony začne působit Coulombova síla = q e. Vlivem této síly se elektrony začnou pohybovat směrově, tj. chaotický pohyb elektronů se superponuje s rychlostí směrového pohybu a narůstá po určitou dobu t 0, dokud se elektrony nesrazí s ionty krystalové mřížky. V tomto případě elektrony ztratí svůj směr pohybu a poté se začnou směrově pohybovat znovu. Rychlost směrového pohybu elektronu se tedy mění z nuly na určitou maximální hodnotu rovnou V důsledku toho se průměrná rychlost uspořádaného pohybu elektronů ukáže jako stejná, tj. úměrná intenzitě elektrického pole v vodič: υ ~ E a tedy rozdíl potenciálů na koncích vodiče, takže kde l je délka vodiče.

Síla proudu ve vodiči je úměrná rychlosti uspořádaného pohybu částic (viz vzorec (15.2)). Proto můžeme říci, že proudová síla je úměrná rozdílu potenciálu na koncích vodiče: I ~ U.

Tohle je kvalitativní vysvětlení Ohmova zákona založené na elektronové teorii vodivosti kovů.

Není možné sestavit uspokojivou kvantitativní teorii pohybu elektronů v kovu na základě zákonů klasické mechaniky. Faktem je, že podmínky pro pohyb elektronů v kovu jsou takové, že Newtonova klasická mechanika není použitelná pro popis tohoto pohybu. Tento fakt potvrzuje např. závislost odporu na teplotě. Podle klasické teorie kovů, ve které je pohyb elektronů uvažován na základě druhého Newtonova zákona, je odpor vodiče úměrný, ale experiment ukazuje lineární závislost odporu na teplotě.

Elektrická vodivost kovů

Když je kov vystaven elektrickému (nebo magnetickému) poli (nebo teplotnímu rozdílu), objevují se v něm toky nabitých částic a energie.

Výskyt těchto toků nebo proudů se obvykle nazývá kinetické efekty nebo přenosové jevy, jinak transportní efekty, čímž se rozumí působení stacionárních polí na stacionární vodiče. V tomto případě je proud nebo tok úměrný rozdílu potenciálů (nebo rozdílu teplot) a koeficient úměrnosti je určen pouze geometrickými rozměry vodiče a fyzikálními vlastnostmi samotného kovu.

Pro jednotkové geometrické rozměry tento koeficient závisí pouze na vlastnostech daného kovu a je jeho základní fyzikální charakteristikou, která se nazývá kinetický koeficient. Když je vodič ve střídavém poli, závisí proudy v něm vznikající nejen na geometrických rozměrech a kinetickém koeficientu, ale také na frekvenci střídavého pole, tvaru vodiče a vzájemné poloze prvků vodiče. elektrický obvod.

Odpor vodiče pod střídavým proudem výrazně závisí na jeho frekvenci, která je způsobena spinovým efektem - posunem proudu ze středu vodiče k periferii. Z mnoha možných kinetických jevů jsou v technice nejznámější dva: elektrická vodivost - schopnost látky vést konstantní elektrický proud pod vlivem elektrického pole, které se v čase nemění, a tepelná vodivost - obdobně ve vztahu k teplotní rozdíl a tepelný tok. Oba tyto jevy jsou vyjádřeny (kvantitativně) Ohmovým a Fourierovým zákonem, v tomto pořadí:

j = yE; ω = k T.

kde j je proudová hustota, A/m;

γ - kinetický koeficient elektrické vodivosti);

E - intenzita elektrického pole V/m;

ω - tepelná proudová hustota;

T – teplotní rozdíl;

k – součinitel tepelné vodivosti.

V praxi se obvykle používá elektrický odpor nebo jednoduše odpor, Ohm m

Pro vodiče je však povoleno použít nesystémovou jednotku měření Ohm mm2/m, nebo se doporučuje použít ekvivalentní jednotku SI μOhm/m. Přechod z jedné jednotky na druhou v tomto případě: 1 Ohm m = 10 6 μOhm m = 10 6 Ohm mm2/m.

Odpor vodiče libovolných rozměrů s konstantním průřezem je určen:

kde l je délka vodiče, m;

S – plocha vodiče, m2.

Kovy jsou obvykle charakterizovány jako plastické hmoty s charakteristickým „kovovým“ leskem, které jsou dobrými vodiči elektrického proudu a tepla.

Pro elektrickou vodivost kovů jsou typické: nízká hodnota měrného odporu za normální teploty, výrazný nárůst odporu s rostoucí teplotou, zcela blízko přímé úměrnosti; když teplota klesne k teplotám blízkým absolutní nule, odpor kovů klesá na velmi malé hodnoty, dosahující 10-3 pro nejčistší kovy nebo dokonce menší zlomek odporu při normálních, + 20 0C, teplotách.

Vyznačují se také přítomností vztahu mezi elektrickou vodivostí a tepelnou vodivostí, který popisuje empirický Wiedemann-Franzův zákon jako poměr k/γ je přibližně stejný pro různé materiály při stejné teplotě. Podíl k / γ dělený absolutní teplotou T (L0 = k / (γ T)). nazývané Lorentzovo číslo, je (pro všechny kovy) hodnotou, která se při všech teplotách jen málo liší.

Teorie kinetických jevů v kovech dokáže vysvětlit tvar závislostí kinetických koeficientů na teplotě, tlaku a dalších faktorech a s její pomocí lze také vypočítat jejich hodnoty. Chcete-li to provést, zvažte vnitřní strukturu kovů.

Základní myšlenka tohoto oboru fyziky vznikla na přelomu 19. a 20. století: atomy kovů jsou ionizovány a od nich oddělené valenční elektrony jsou volné, tedy patří celému krystalu.

Ionty jsou přísně uspořádané a tvoří pravidelnou krystalovou mřížku; jejich interakce se záporně nabitým oblakem volných elektronů je taková, že krystal tvoří stabilní, stabilní útvar.

Přítomnost volných elektronů dobře vysvětluje vysokou elektrickou vodivost kovů a jejich delokalizace poskytuje vysokou plasticitu. To znamená, že nejcharakterističtějším znakem vnitřní struktury kovových vodičů je přítomnost putujících elektronů, což potvrzuje jejich elektronovou strukturu. Ve svém nejjednodušším modelu je sbírka putujících elektronů vysvětlena jako elektronový plyn, ve kterém jsou částice v chaotickém tepelném pohybu.

Rovnováha se ustaví (pokud zanedbáme srážky mezi elektrony) díky srážce elektronů s ionty. Protože tepelný pohyb není zcela uspořádaný, pak i přes náboj elektronů není v obvodu pozorován žádný proud (makroskopický). Je-li na vodič aplikováno vnější elektrické pole, volné elektrony se po zrychlení seřadí do uspořádané složky, která je orientována podél pole.

Protože ionty v místech mřížky jsou stacionární, řád v pohybu elektronů se projeví jako makroskopický elektrický proud. Specifickou vodivost lze v tomto případě vyjádřit s přihlédnutím ke střední volné dráze λ elektronu v urychlovacím poli o síle E:

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

kde e je náboj elektronu;

n je počet volných elektronů na jednotku objemu kovu;

λ je průměrná volná dráha elektronu mezi dvěma srážkami;

m je hmotnost elektronu;

v τ je průměrná rychlost tepelného pohybu volného elektronu v kovu.

S přihlédnutím k ustanovením kvantové mechaniky

γ = K p2/3 / λ,

kde K je číselný koeficient.

Rozsah měrného odporu kovových vodičů při normální teplotě je pouze tři řády. Pro různé kovy jsou rychlosti chaotického tepelného pohybu elektronů při určité teplotě přibližně stejné.

Koncentrace volných elektronů se mírně liší, takže hodnota rezistivity závisí především na střední volné dráze elektronů v daném vodiči a je dána strukturou materiálu vodiče. Všechny čisté kovy s nejpravidelnější krystalovou mřížkou mají minimální hodnoty měrného odporu. Nečistoty, deformující mřížku, vedou ke zvýšení měrného odporu

Teplotní koeficient měrného odporu nebo průměrný teplotní koeficient měrného odporu je vyjádřen jako

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

kde ρ1 a ρ2 jsou měrné odpory vodičů při teplotách T1 a T2, v tomto pořadí, při T2 > T1.

Technické referenční knihy obvykle udávají hodnotu α`, pomocí které můžete přibližně určit ρ při libovolné teplotě T:

ρ = ρ1 (1 + αρ` (T - T1)).

Tento výraz udává přesnou hodnotu měrného odporu p pouze pro lineární závislost ρ(T). V ostatních případech je tato metoda přibližná; čím užší je teplotní interval, který se používá k určení αρ`, tím je užší.

Odpor většiny kovů, které při tavení zvětšují svůj objem, snižuje jejich hustotu. U kovů, které při tavení zmenšují svůj objem, se měrný odpor snižuje; Mezi tyto kovy patří galium, antimon a vizmut.

Odpor slitin je vždy větší než u čistých kovů. To je zvláště patrné, pokud při roztavení tvoří pevný roztok, tzn. během tuhnutí spolu krystalizují a atomy jednoho kovu vstupují do mřížky druhého.

Pokud slitina dvou kovů vytváří oddělenou krystalizaci a ztuhlý roztok - směs krystalů každé ze složek, pak se měrná vodivost γ takové slitiny mění se změnou složení téměř lineárně. V pevných roztocích tato závislost (na obsahu každého kovu) není lineární a má maximum odpovídající určitému poměru složek slitiny.

Někdy při určitém poměru mezi složkami tvoří chemické sloučeniny (intermetalické sloučeniny) a nemají kovovou vodivost, ale jsou to elektronické polovodiče.

Teplotní koeficient lineární roztažnosti vodičů se určuje stejně jako u dielektrik pomocí vzorce

ТКl = α(l) = l / l (dl / dТ), (3,1)

kde TKl = α(l) - teplotní koeficient lineární roztažnosti K-1

Tento koeficient musí být znám, aby bylo možné vyhodnotit chování spojovacích materiálů v různých strukturách a také vyloučit praskání nebo narušení vakuového spojení kovu se sklem nebo keramikou při změně teploty. Navíc je zahrnut do výpočtu teplotního koeficientu elektrického odporu vodičů

ТКR = α(R) = α(ρ) - α(l).

ThermoEMF vodičů

ThermoEMF nastane, když se dva různé vodiče (nebo polovodiče) dostanou do kontaktu, pokud teplota jejich spojů není stejná. Pokud se dva různé vodiče dostanou do kontaktu, vznikne mezi nimi rozdíl kontaktních potenciálů. Pro kovy A a B

Ucb – Uc + K T / e ln(n0с / nob),

kde U c a U b jsou potenciály kontaktujících kovů; koncentrace elektronů v odpovídajících kovech;

K je Boltzmannova konstanta;

T - teplota;

e je absolutní hodnota elektronového náboje.

Pokud je teplota kovových přechodů stejná, pak je součet rozdílu potenciálů v uzavřeném obvodu nulový. Pokud jsou teploty vrstev různé (například T2 a T1), pak v tomto případě

U = K/e(T1-T2)ln(nc/nb). (3.2)

V praxi není výraz (3.2) vždy dodržen a závislost termoEMF na teplotě může být nelineární. Drát složený ze dvou izolovaných drátů z různých kovů nebo slitin se nazývá termočlánek a používá se k měření teplot.

V takových případech se snaží používat materiály, které mají velký a stabilní koeficient termoEMF. pro měření vysokých teplot je někdy nutné (zejména při měření teplot v agresivním prostředí) použít termočlánky s nižšími termoEdS koeficienty, ale odolávající vysokým teplotám a neoxidující v agresivním prostředí.

Slitiny pro termočlánky mají různé kombinace, včetně jedné elektrody, která může být vyrobena z čistého kovu. Nejběžnější jsou nikl a slitiny mědi a niklu. Pro teploty v rozmezí 1000 - 1200 0C se používají termočlánky chromel - alumel (TCA) při vyšších teplotách, používají se elektrody platina - platina-rhodium; v těchto slitinách se rhodium pohybuje od 6,7 do 40,5 %. Značky takových termočlánků jsou následující: PlRd-7, PlRd-10, PlRd-30, PlRd-40.