Rozdelenie pevných látok na vodiče, polovodiče a dielektrika súvisí so štruktúrou ich energetických pásiem. Teória energetických pásov je diskutovaná v úvode tejto série prác.
V kove nie je vodivý pás úplne vyplnený elektrónmi, ale iba čiastočne, približne po úroveň Fermiho. Z tohto dôvodu sú elektróny v kove voľné a vplyvom slabých elektrických polí sa môžu pohybovať z obsadených hladín na voľné. Koncentrácia voľných elektrónov v kove je vysoká (asi ~ 10 28 m -3), preto málo závisí od teploty a iných vonkajších faktorov. Z tohto dôvodu je podľa (6) teplotná závislosť mernej vodivosti, a teda odporu, určená zmenami v pohyblivosti elektrónov. V tomto prípade je nevyhnutné, aby elektrónový plyn v kove degenerovať, t.j. jeho energiou nie je teplota, ale koncentrácia elektrónov. Elektróny v kove skutočne zaberajú energetické úrovne až po úroveň Fermi, čo je niekoľko elektrónvoltov od „spodu“ valenčného pásma. Tepelná energia elektrónov (~) pri bežných teplotách je oveľa menšia, rádovo ~ 10 -2 eV. V dôsledku toho len niekoľko elektrónov z horných úrovní môže absorbovať tepelnú energiu. Priemerná energia elektrónu tak zostáva so zvyšujúcou sa teplotou takmer nezmenená.
Pre elektrónový plyn v stave degenerácie je rýchlosť chaotického pohybu elektrónov tiež určená nie teplotou tela, ale koncentráciou nosičov náboja. Tieto rýchlosti môžu byť desiatky krát vyššie ako priemerná rýchlosť tepelného pohybu vypočítaná z klasickej teórie ( » 10 5 m/s), t.j. »106 m/s.
Pohybujúce sa elektróny majú korpuskulárne aj vlnové vlastnosti. Vlnová dĺžka elektrónu je určená de Broglieho vzorcom:
, (8)
kde je Planckova konštanta,
Rýchlosť elektrónov,
Efektívna hmotnosť elektrónu (koncept je zavedený na opis pohybu jeho nosiča v pevnej látke).
Ak do (8) dosadíme hodnotu rýchlosti =10 6 m/s, zistíme de Broglieho vlnovú dĺžku pre elektrón v kove je 0,4 – 0,9 nm;
Takže v kovových vodičoch, kde je vlnová dĺžka elektrónov rádovo 0,5 nm, mikrodefekty vytvárajú významný rozptyl elektrónových vĺn. Rýchlosť smerového pohybu elektrónov klesá, čo podľa (4) vedie k zníženiu pohyblivosti. Pohyblivosť elektrónov v kove je relatívne nízka. Tabuľka 1 ukazuje pohyblivosť elektrónov pre niektoré kovy a polovodiče.
Tabuľka 1. Mobilita elektrónov v rôznych materiáloch pri =300 K
So zvyšujúcou sa teplotou narastajú vibrácie mriežkových uzlov a v dráhe usmerneného pohybu elektrónov sa objavuje stále viac prekážok, znižuje sa elektrická vodivosť a zvyšuje sa odpor kovu.
Skúsenosti ukazujú, že pre čisté kovy je závislosť od teploty lineárna:
, (9)
kde je tepelný koeficient odporu,
Teplota na stupnici Celzia,
Odolnosť pri =0°C.
Na určenie a je potrebné zostrojiť graf závislosti.
Obr.1. Závislosť odolnosti kovu od teploty
Priesečník čiary s osou poskytne hodnotu. Hodnota sa zistí podľa vzorca:
(10)
Uvažujme správanie vodivých elektrónov v kove v nerovnovážnom stave, keď sa pohybujú pod vplyvom aplikovaných vonkajších polí. Takéto procesy sa nazývajú prenosové javy.
Ako je známe, elektrická vodivosť (elektrická vodivosť) o je veličina, ktorá súvisí s hustotou elektrického prúdu a napätím v Ohmovom miestnom zákone: j - oE(pozri vzorec (14.15) časť 1). Všetky látky podľa charakteru elektrickej vodivosti sú rozdelené do troch tried: kovy, polovodiče a dielektrika.
Charakteristický znak kovy je ich kovová vodivosť – pokles elektrickej vodivosti so zvyšujúcou sa teplotou (pri konštantnej koncentrácii prúdových nosičov). Fyzikálna príčina elektrického odporu v kovoch je rozptyl elektrónových vĺn nečistotami a defektmi mriežky, ako aj fonónmi.
Najvýraznejšia vlastnosť polovodičov je ich schopnosť meniť svoje vlastnosti v extrémne širokom rozsahu pod vplyvom rôznych vplyvov: teploty, elektrických a magnetických polí, osvetlenia atď. Napríklad vnútorná vodivosť čistých polovodičov sa pri zahrievaní exponenciálne zvyšuje.
O T> 300 K, špecifická vodivosť o materiálov súvisiacich s polovodičmi kolíše v širokom rozsahu od 10~ 5 do 10 6 (Ohm m) -1, zatiaľ čo pre kovy o je viac ako 10 6 (Ohm m) -1.
Látky s nízkou mernou vodivosťou sú rádovo 10~ 5 (Ohm m) -1 alebo menej, pozri dielektriká. Vodivosť sa vyskytuje pri veľmi vysokých teplotách.
Kvantová teória vedie k nasledujúcemu výrazu pre elektrickú vodivosť kovy:
Kde P- koncentrácia voľných elektrónov; t - čas relaxácie; T* - efektívna hmotnosť elektrónu.
Relaxačný čas charakterizuje proces nastolenia rovnováhy medzi elektrónmi a mriežkou, narušený napríklad náhlym zahrnutím vonkajšieho poľa E.
Pojem „voľný elektrón“ znamená, že elektrón nie je ovplyvnený žiadnymi silovými poľami. Pohyb vodivého elektrónu v kryštáli pod vplyvom vonkajšej sily F a sily z kryštálovej mriežky možno v niektorých prípadoch opísať ako pohyb voľného elektrónu, ktorý pôsobí iba silou F(2. Newtonov zákon, pozri vzorec (3.5) časť 1), ale s efektívnou hmotnosťou T*, odlišný od hmotnosti t.j. voľný elektrón.
Výpočty pomocou výrazu (30.18) ukazujú, že elektrická vodivosť kovov o~1/T. Experiment potvrdzuje tento záver kvantovej teórie, zatiaľ čo podľa klasickej teórie
o ~ l/fr.
IN polovodičov koncentrácia mobilných nosičov je výrazne nižšia ako koncentrácia atómov a môže sa meniť pri zmenách teploty, osvetlenia, ožiarenia prúdom častíc, vystavenia elektrickému poľu alebo vnesení relatívne malého množstva nečistôt. Nosiče náboja v polovodičoch vo vodivom pásme sú elektróny (vodivé elektróny) a vo valenčnom pásme - kladne nabité kvázičastice diery. Keď elektrón z akéhokoľvek dôvodu chýba vo valenčnom pásme, hovorí sa, že vytvoril dieru (prázdny stav). Pojmy diery a vodivé elektróny sa používajú na opis elektronického systému polovodičov, polokovov a kovov.
V stave termodynamickej rovnováhy koncentrácie elektrónov a dier v polovodičoch závisia tak od teploty a koncentrácie elektricky aktívnych nečistôt, ako aj od zakázaného pásma A E.
Existujú vlastné polovodiče a polovodiče nečistôt. Vlastné polovodiče sú chemicky čisté polovodiče (napríklad germánium Ge, selén Se). Počet elektrónov v nich sa rovná počtu dier. Vodivosť takéto polovodiče sa nazývajú vlastné.
Vo vlastných polovodičoch at T= O K valenčný pás je úplne vyplnený a vodivý pás je voľný. Preto, keď T= Pri absencii externého budenia sa vnútorné polovodiče správajú ako dielektrika. Keď sa teplota zvýši v dôsledku tepelnej excitácie, elektróny z horných úrovní valenčného pásma sa presunú do vodivého pásma. Súčasne je možné, aby sa elektróny valenčného pásma posunuli do jeho uvoľnených horných úrovní. Elektróny vo vodivom pásme a diery vo valenčnom pásme budú prispievať k elektrickej vodivosti.
Energia potrebná na prenos elektrónu z valenčného pásma do vodivého pásma sa nazýva aktivačnej energie vlastnú vodivosť.
Keď sa na kryštál aplikuje vonkajšie elektrické pole, elektróny sa pohybujú proti poľu a vytvárajú elektrický prúd. Vo vonkajšom poli, keď sa susedný valenčný elektrón presunie na voľné miesto, sa na jeho miesto „zamieša“ diera. Výsledkom je, že diera, rovnako ako elektrón, ktorý prešiel do vodivého pásma, sa bude pohybovať cez kryštál, ale v smere opačnom k pohybu elektrónu. Formálne sa častica s kladným nábojom rovným absolútnej hodnote náboja elektrónu pohybuje pozdĺž kryštálu v smere poľa. Na zohľadnenie vplyvu vnútorného poľa kryštálu na elementárne náboje sa pre diery zavádza pojem efektívna hmotnosť w*. Preto pri riešení úloh môžeme predpokladať, že diera s efektívnou hmotnosťou sa pohybuje len pod vplyvom jedného vonkajšieho poľa.
Vo vonkajšom poli je smer rýchlostí elektrónov a dier opačný, ale nimi vytvorený elektrický prúd má rovnaký smer - smer elektrického poľa. Prúdová hustota počas vlastnej vodivosti polovodiča je teda súčtom prúdovej hustoty elektrónov v e a dier v d:
Elektrická vodivosť o je úmerná počtu nosičov, čo znamená, že je možné dokázať, že pre vlastné polovodiče
a závisí od teploty podľa exponenciálneho zákona. Príspevok elektrónov a dier k o je odlišný, čo sa vysvetľuje rozdielom v ich efektívnych hmotnostiach.
Pri relatívne vysokých teplotách prevláda vo všetkých polovodičoch vlastná vodivosť. V opačnom prípade sú elektrické vlastnosti polovodiča určené prímesami (atómami iných prvkov) a potom hovoríme o vodivosť nečistôt. Elektrická vodivosť bude pozostávať z vlastnej vodivosti a vodivosti nečistôt.
Nečistotné polovodiče sa nazývajú polovodiče, ktorých jednotlivé atómy sú nahradené nečistotami. Koncentrácia elektrónov a dier v nich sa výrazne líši. Nečistoty, ktoré sú zdrojom elektrónov, sa nazývajú darcov. Nečistoty, ktoré zachytávajú elektróny z valenčného pásma, sa nazývajú akceptorov.
V dôsledku vnesenia nečistoty do zakázaného pásma sa v pásme v blízkosti alebo na spodku vodivého pásma objavia dodatočné povolené úrovne elektronickej energie ( úrovne darcov), alebo na vrchol valenčného pásma ( hladiny akceptora). To výrazne zvyšuje elektrickú vodivosť polovodičov.
V polovodičoch typu i (z angl. negatív - negatív) s prímesou darcu sa realizuje elektronický vodivý mechanizmus. Vodivosť v nich je zabezpečená prebytočnými elektrónmi nečistoty, ktorých valencia je o jednotku väčšia ako valencia hlavných atómov.
V polovodičoch typu p (z angličtiny pozitívny - pozitívny) s prímesou akceptora sa realizuje mechanizmus vedenia otvoru. Vodivosť v nich je zabezpečená otvormi v dôsledku zavedenia nečistoty, ktorej valencia je o jednu menšia ako valencia hlavných atómov.
Presvedčivý dôkaz o realite pozitívnych dier poskytuje Hallov efekt(1879). Tento efekt spočíva vo vzhľade kovu (alebo polovodiča) s prúdovou hustotou y umiestnenom v magnetickom poli IN, dodatočné elektrické pole v smere kolmom na IN a vy Použitie Hallovho javu (meranie Hallovho koeficientu v závislosti od látky) umožňuje určiť koncentráciu a pohyblivosť nosičov náboja vo vodiči, ako aj určiť povahu vodivosti polovodiča (elektronická alebo dierová).
V súčasnosti pri vývoji materiálov pre mikroelektroniku vznikajú rôzne polovodičové materiály, vrátane tých so širokým pásmovým odstupom. Polovodičové mikroobvody sú považované za jednu zo sľubných oblastí mikroelektroniky, ktorá umožňuje vytváranie spoľahlivých a funkčne zložitých integrovaných obvodov.
Klasická teória elektrickej vodivosti kovov vznikla na začiatku dvadsiateho storočia. Jeho zakladateľom bol nemecký fyzik Karl Rikke. Experimentálne zistil, že prechod náboja cez kov nezahŕňa prenos atómov vodiča, na rozdiel od kvapalných elektrolytov. Tento objav však nevysvetlil, čo presne je nositeľom elektrických impulzov v kovovej konštrukcii.
Experimenty vedcov Stewarta a Tolmana uskutočnené v roku 1916 nám umožnili odpovedať na túto otázku. Dokázali zistiť, že najmenšie nabité častice - elektróny - sú zodpovedné za prenos elektriny v kovoch. Tento objav vytvoril základ klasickej elektronickej teórie elektrickej vodivosti kovov. Od tohto momentu sa začala nová éra výskumu kovových vodičov. Vďaka získaným výsledkom máme dnes možnosť využívať domáce spotrebiče, výrobné zariadenia, stroje a mnohé ďalšie zariadenia.
Ako sa líši elektrická vodivosť rôznych kovov?
Elektronická teória elektrickej vodivosti kovov bola vyvinutá vo výskume Paula Drudea. Dokázal objaviť takú vlastnosť, ako je odpor, ktorý sa pozoruje pri prechode elektrického prúdu cez vodič. V budúcnosti to umožní klasifikovať rôzne látky podľa úrovne ich vodivosti. Zo získaných výsledkov je ľahké pochopiť, ktorý kov je vhodný na výrobu konkrétneho kábla. Toto je veľmi dôležitý bod, pretože nesprávne zvolený materiál môže spôsobiť požiar v dôsledku prehriatia pri prechode nadmerného napätia.
Strieborný kov má najvyššiu elektrickú vodivosť. Pri teplote +20 stupňov Celzia je to 63,3 * 104 centimetrov-1. Výroba drôtov zo striebra je však veľmi nákladná, keďže ide o pomerne vzácny kov, ktorý sa používa najmä na výrobu šperkov a dekoratívnych predmetov alebo zlatých mincí.
Kov s najvyššou elektrickou vodivosťou spomedzi všetkých prvkov základnej skupiny je meď. Jeho ukazovateľ je 57*104 centimetrov-1 pri teplote +20 stupňov Celzia. Meď je jedným z najbežnejších vodičov používaných pre domáce a priemyselné účely. Dobre odoláva konštantnému elektrickému zaťaženiu, je odolný a spoľahlivý. Vysoký bod topenia umožňuje bez problémov pracovať dlhú dobu v zahriatom stave.
Čo sa týka množstva, meď môže konkurovať iba hliník, ktorý je po zlate na štvrtom mieste v elektrickej vodivosti. Používa sa v sieťach nízkeho napätia, keďže má takmer polovičný bod topenia ako meď a nie je schopný odolávať extrémnym zaťaženiam. Ďalšie rozmiestnenie miest nájdete pri pohľade na tabuľku elektrickej vodivosti kovov.
Stojí za zmienku, že akákoľvek zliatina má oveľa nižšiu vodivosť ako čistá látka. Je to spôsobené zlúčením štrukturálnej siete a v dôsledku toho narušením normálneho fungovania elektrónov. Napríklad pri výrobe medeného drôtu sa používa materiál s obsahom nečistôt najviac 0,1% a pre niektoré typy káblov je tento indikátor ešte prísnejší - nie viac ako 0,05%. Všetky uvedené ukazovatele sú elektrická vodivosť kovov, ktorá sa vypočíta ako pomer medzi hustotou prúdu a veľkosťou elektrického poľa vo vodiči.
Klasická teória elektrickej vodivosti kovov
Základné princípy teórie elektrickej vodivosti kovov obsahujú šesť bodov. Po prvé: vysoká úroveň elektrickej vodivosti je spojená s prítomnosťou veľkého počtu voľných elektrónov. Po druhé: elektrický prúd vzniká vonkajším vplyvom na kov, počas ktorého sa elektróny pohybujú z náhodného pohybu do usporiadaného pohybu.
Po tretie: sila prúdu prechádzajúceho kovovým vodičom sa vypočíta podľa Ohmovho zákona. Po štvrté: rôzne počty elementárnych častíc v kryštálovej mriežke vedú k nerovnakému odporu kovov. Po piate: elektrický prúd v obvode vzniká okamžite po začiatku vystavenia elektrónom. Po šieste: so zvyšujúcou sa vnútornou teplotou kovu sa zvyšuje aj úroveň jeho odporu.
Povaha elektrickej vodivosti kovov je vysvetlená druhým bodom ustanovení. V pokojnom stave všetky voľné elektróny chaoticky rotujú okolo jadra. V tomto momente kov nie je schopný samostatne reprodukovať elektrické náboje. Ale akonáhle pripojíte externý zdroj vplyvu, elektróny sa okamžite zoradia v štruktúrovanom poradí a stanú sa nosičmi elektrického prúdu. So zvyšujúcou sa teplotou sa elektrická vodivosť kovov znižuje.
Je to spôsobené tým, že molekulárne väzby v kryštálovej mriežke zoslabnú, elementárne častice začnú rotovať v ešte chaotickejšom poradí, takže tvorba elektrónov v reťazci sa stáva zložitejšou. Preto je potrebné prijať opatrenia na zabránenie prehriatia vodičov, pretože to negatívne ovplyvňuje ich výkonové vlastnosti. Mechanizmus elektrickej vodivosti kovov nie je možné meniť vzhľadom na súčasné fyzikálne zákony. Ale je možné neutralizovať negatívne vonkajšie a vnútorné vplyvy, ktoré narúšajú normálny priebeh procesu.
Kovy s vysokou elektrickou vodivosťou
Elektrická vodivosť alkalických kovov je na vysokej úrovni, pretože ich elektróny sú slabo pripojené k jadru a ľahko sa zoradia v požadovanom poradí. Ale táto skupina sa vyznačuje nízkymi teplotami topenia a obrovskou chemickou aktivitou, ktorá vo väčšine prípadov neumožňuje ich použitie na výrobu drôtov.
Kovy s vysokou elektrickou vodivosťou pri otvorení sú pre človeka veľmi nebezpečné. Dotyk s holým drôtom bude mať za následok elektrické popálenie a silný výboj do všetkých vnútorných orgánov. To často vedie k okamžitej smrti. Preto sa pre bezpečnosť ľudí používajú špeciálne izolačné materiály.
V závislosti od použitia môžu byť pevné, kvapalné alebo plynné. Ale všetky typy sú navrhnuté pre jednu funkciu - izoláciu elektrického prúdu vo vnútri obvodu tak, aby nemohol ovplyvniť vonkajší svet. Elektrická vodivosť kovov sa používa takmer vo všetkých oblastiach moderného ľudského života, takže zaistenie bezpečnosti je najvyššou prioritou.
« Fyzika - 10. ročník"
Ako sa pohybujú elektróny v kovovom vodiči, keď v ňom nie je elektrické pole?
Ako sa zmení pohyb elektrónov, keď sa na kovový vodič privedie napätie?
Elektrický prúd je vedený pevnými, kvapalnými a plynnými telesami. Ako sa tieto vodiče navzájom líšia?
Oboznámili ste sa s elektrickým prúdom v kovových vodičoch a s experimentálne stanovenou prúdovo-napäťovou charakteristikou týchto vodičov – Ohmovým zákonom.
Spolu s kovmi sú dobrými vodičmi, teda látkami s veľkým počtom voľných nabitých častíc, vodné roztoky alebo taveniny elektrolytov a ionizovaný plyn - plazma. Tieto vodiče sú široko používané v technológii.
Vo vákuových elektronických zariadeniach je elektrický prúd tvorený tokmi elektrónov.
Kovové vodiče sú široko používané pri prenose elektriny zo zdrojov prúdu k spotrebiteľom. Okrem toho sa tieto vodiče používajú v elektromotoroch a generátoroch, elektrických vykurovacích zariadeniach atď.
Okrem vodičov A dielektriká(látky s relatívne malým počtom voľných nabitých častíc), existuje skupina látok, ktorých vodivosť je stredná medzi vodičmi a dielektrikami. Tieto látky nevedú elektrinu dostatočne dobre, aby sa mohli nazývať vodičmi, ale nie tak zle, aby boli klasifikované ako dielektriká. Preto dostali meno polovodičov.
Polovodiče dlho nehrali významnú praktickú úlohu. V elektrotechnike a rádiotechnike sa používali výlučne rôzne vodiče a dielektrika. Situácia sa výrazne zmenila, keď bola najskôr teoreticky predpovedaná a potom objavená a študovaná ľahko realizovateľná možnosť kontroly elektrickej vodivosti polovodičov.
Univerzálny nosič prúdu neexistuje. Tabuľka zobrazuje aktuálnych operátorov v rôznych prostrediach.
Elektronická vodivosť kovov.
Začnime s kovovými vodičmi. Poznáme prúdovo-napäťovú charakteristiku týchto vodičov, ale doteraz sa nepovedalo nič o jej vysvetlení z hľadiska molekulárnej kinetickej teórie.
Nosičmi voľných nábojov v kovoch sú elektróny. Ich koncentrácia je vysoká - asi 10 28 1/m 3 .
Tieto elektróny sa podieľajú na náhodnom tepelnom pohybe. Pod vplyvom elektrického poľa sa začnú pohybovať usporiadaným spôsobom s priemernou rýchlosťou rádovo 10 -4 m/s.
Experimentálny dôkaz existencie voľných elektrónov v kovoch.
Experimentálny dôkaz, že vodivosť kovov je spôsobená pohybom voľných elektrónov, bol daný v experimentoch Mandelstama a Papaleksiho (1913), Stewarta a Tolmana (1916). Schéma týchto experimentov je nasledovná.
Na cievku je navinutý drôt, ktorého konce sú prispájkované na dva kovové kotúče izolované od seba (obr. 16.1). Na konce diskov je pomocou posuvných kontaktov pripojený galvanometer.
Navijak sa rýchlo otáča a potom sa náhle zastaví. Po náhlom zastavení cievky sa voľné nabité častice nejaký čas pohybujú vzhľadom na vodič zotrvačnosťou a následne v cievke vzniká elektrický prúd. Prúd existuje krátky čas, pretože v dôsledku odporu vodiča sa nabité častice spomalia a usporiadaný pohyb častíc, ktoré tvoria prúd, sa zastaví.
Smer prúdu v tomto experimente naznačuje, že je vytvorený pohybom záporne nabitých častíc. Prenesený náboj je v tomto prípade úmerný pomeru náboja častíc tvoriacich prúd k ich hmotnosti, t.j. |q|/m. Preto meraním náboja prechádzajúceho cez galvanometer počas existencie prúdu v obvode bolo možné určiť tento pomer. Ukázalo sa, že sa rovná 1,8 10 11 C/kg. Táto hodnota sa zhodovala s pomerom náboja elektrónu k jeho hmotnosti e/m, ktorý sa zistil skôr z iných experimentov.
Pohyb elektrónov v kove.
Voľné elektróny v kove sa pohybujú náhodne. Pri pripojení vodiča k zdroju prúdu sa v ňom vytvorí elektrické pole a na elektróny začne pôsobiť Coulombova sila = q e. Pod vplyvom tejto sily sa elektróny začnú pohybovať smerovo, t.j. chaotický pohyb elektrónov sa superponuje s rýchlosťou smerového pohybu a narastá po určitú dobu t 0, kým sa elektróny nezrazia s iónmi kryštálovej mriežky. V tomto prípade elektróny stratia svoj smer pohybu a potom sa začnú opäť smerovo pohybovať. Rýchlosť smerového pohybu elektrónu sa teda mení z nuly na určitú maximálnu hodnotu rovnajúcu sa V dôsledku toho sa priemerná rýchlosť usporiadaného pohybu elektrónov ukáže byť rovnaká, t.j. úmerná sile elektrického poľa v vodič: υ ~ E a teda rozdiel potenciálov na koncoch vodiča, takže kde l je dĺžka vodiča.
Intenzita prúdu vo vodiči je úmerná rýchlosti usporiadaného pohybu častíc (pozri vzorec (15.2)). Preto môžeme povedať, že sila prúdu je úmerná potenciálnemu rozdielu na koncoch vodiča: I ~ U.
Toto je kvalitatívne vysvetlenie Ohmovho zákona na základe elektrónovej teórie vodivosti kovov.
Nie je možné skonštruovať uspokojivú kvantitatívnu teóriu pohybu elektrónov v kove na základe zákonov klasickej mechaniky. Faktom je, že podmienky pre pohyb elektrónov v kove sú také, že Newtonova klasická mechanika nie je použiteľná na opis tohto pohybu. Tento fakt potvrdzuje napríklad závislosť odporu od teploty. Podľa klasickej teórie kovov, v ktorej sa pohyb elektrónov uvažuje na základe druhého Newtonovho zákona, je odpor vodiča úmerný, ale experiment ukazuje lineárnu závislosť odporu od teploty.
Elektrická vodivosť kovov
Keď je kov vystavený elektrickému (alebo magnetickému) poľu (alebo teplotnému rozdielu), objavujú sa v ňom toky nabitých častíc a energie.
Výskyt týchto tokov alebo prúdov sa zvyčajne nazýva kinetické efekty alebo prenosové javy, inak transportné efekty, čo znamená vplyv stacionárnych polí na stacionárne vodiče. V tomto prípade je prúd alebo tok úmerný potenciálnemu rozdielu (alebo teplotnému rozdielu) a koeficient úmernosti je určený iba geometrickými rozmermi vodiča a fyzikálnymi vlastnosťami samotného kovu.
Pre jednotkové geometrické rozmery tento koeficient závisí len od vlastností daného kovu a je jeho základnou fyzikálnou charakteristikou, ktorá sa nazýva kinetický koeficient. Keď sa vodič nachádza v striedavom poli, prúdy v ňom vznikajúce závisia nielen od geometrických rozmerov a kinetického koeficientu, ale aj od frekvencie striedavého poľa, tvaru vodiča a vzájomnej polohy prvkov. elektrický obvod.
Odpor vodiča pri striedavom prúde výrazne závisí od jeho frekvencie, ktorá je spôsobená spinovým efektom - posunutím prúdu zo stredu vodiča na perifériu. Z množstva možných kinetických javov sú v technike najznámejšie dva: elektrická vodivosť - schopnosť látky viesť konštantný elektrický prúd pod vplyvom elektrického poľa, ktoré sa v čase nemení, a tepelná vodivosť - podobne vo vzťahu k teplotný rozdiel a tepelný tok. Oba tieto javy sú vyjadrené (kvantitatívne) Ohmovým a Fourierovým zákonom, v tomto poradí:
j = yE; ω = k T.
kde j je prúdová hustota, A/m;
γ - kinetický koeficient elektrickej vodivosti);
E - intenzita elektrického poľa V/m;
ω - hustota tepelného prúdu;
T – teplotný rozdiel;
k – súčiniteľ tepelnej vodivosti.
V praxi sa zvyčajne používa elektrický odpor alebo jednoducho odpor, Ohm m
Pre vodiče je však povolené použiť nesystémovú jednotku merania Ohm mm2/m, alebo sa odporúča použiť ekvivalentnú jednotku SI μOhm/m. Prechod z jednej jednotky na druhú v tomto prípade: 1 Ohm m = 10 6 μOhm m = 10 6 Ohm mm2/m.
Odpor vodiča ľubovoľných rozmerov s konštantným prierezom je určený:
kde l je dĺžka vodiča, m;
S – plocha vodiča, m2.
Kovy sú zvyčajne charakterizované ako plastické hmoty s charakteristickým „kovovým“ leskom, ktoré sú dobrými vodičmi elektrického prúdu a tepla.
Pre elektrickú vodivosť kovov sú typické: nízka hodnota rezistivity pri normálnej teplote, výrazný nárast odporu so zvyšujúcou sa teplotou, celkom blízko priamej úmernosti; keď teplota klesne na teploty blízke absolútnej nule, odpor kovov klesá na veľmi malé hodnoty, dosahujúce 10-3 pre najčistejšie kovy alebo dokonca menší zlomok odporu pri normálnych, + 20 0C, teplotách.
Vyznačujú sa tiež prítomnosťou vzťahu medzi elektrickou vodivosťou a tepelnou vodivosťou, ktorý je opísaný empirickým Wiedemann-Franzovým zákonom ako pomer k/γ je približne rovnaký pre rôzne materiály pri rovnakej teplote. Podiel k / γ vydelený absolútnou teplotou T (L0 = k / (γ T)). nazývané Lorentzove číslo, je (pre všetky kovy) hodnotou, ktorá sa pri všetkých teplotách len málo líši.
Teória kinetických javov v kovoch dokáže vysvetliť tvar závislostí kinetických koeficientov od teploty, tlaku a iných faktorov a s jej pomocou je možné aj vypočítať ich hodnoty. Za týmto účelom zvážte vnútornú štruktúru kovov.
Základná myšlienka tohto odvetvia fyziky vznikla na prelome 19. a 20. storočia: atómy kovov sú ionizované a od nich oddelené valenčné elektróny sú voľné, t.j. patria celému kryštálu.
Ióny sú prísne usporiadané a tvoria pravidelnú kryštálovú mriežku; ich interakcia so záporne nabitým oblakom voľných elektrónov je taká, že robí z kryštálu stabilnú, stabilnú formáciu.
Prítomnosť voľných elektrónov dobre vysvetľuje vysokú elektrickú vodivosť kovov a ich delokalizácia poskytuje vysokú plasticitu. To znamená, že najcharakteristickejším znakom vnútornej štruktúry kovových vodičov je prítomnosť putujúcich elektrónov, čo potvrdzuje ich elektronickú štruktúru. Vo svojom najjednoduchšom modeli je súbor putujúcich elektrónov vysvetlený ako elektrónový plyn, v ktorom sú častice v chaotickom tepelnom pohybe.
Rovnováha vzniká (ak zanedbáme zrážky medzi elektrónmi) v dôsledku zrážky elektrónov s iónmi. Pretože tepelný pohyb nie je úplne usporiadaný, potom napriek náboju elektrónov nie je v obvode pozorovaný žiadny prúd (makroskopický). Ak sa na vodič aplikuje vonkajšie elektrické pole, voľné elektróny sa po zrýchlení zoradia do usporiadanej zložky, ktorá je orientovaná pozdĺž poľa.
Keďže ióny na miestach mriežky sú stacionárne, poriadok v pohybe elektrónov sa prejaví ako makroskopický elektrický prúd. Špecifickú vodivosť v tomto prípade možno vyjadriť s prihliadnutím na strednú voľnú dráhu λ elektrónu v urýchľovacom poli o sile E:
λ = e E τ / (2 m) ako γ = e2 n λ / (2 m vτ),
kde e je elektrónový náboj;
n je počet voľných elektrónov na jednotku objemu kovu;
λ je priemerná voľná dráha elektrónu medzi dvoma zrážkami;
m je hmotnosť elektrónu;
v τ je priemerná rýchlosť tepelného pohybu voľného elektrónu v kove.
Berúc do úvahy ustanovenia kvantovej mechaniky
γ = K p2/3 / λ,
kde K je číselný koeficient.
Rozsah rezistivity kovových vodičov pri normálnej teplote je len tri rády. Pre rôzne kovy sú rýchlosti chaotického tepelného pohybu elektrónov pri určitej teplote približne rovnaké.
Koncentrácie voľných elektrónov sa mierne líšia, takže hodnota rezistivity závisí najmä od strednej voľnej dráhy elektrónov v danom vodiči a je určená štruktúrou materiálu vodiča. Všetky čisté kovy s najpravidelnejšou kryštálovou mriežkou majú minimálne hodnoty odporu. Nečistoty, ktoré deformujú mriežku, vedú k zvýšeniu odporu
Teplotný koeficient odporu alebo priemerný teplotný koeficient odporu je vyjadrený ako
a = 1/p (dρ / dt); α` = 1 / ρ (ρ2 - ρ1) / (T2 - T1),
kde ρ1 a ρ2 sú odpory vodičov pri teplotách T1 a T2 pri T2 > T1.
V technických príručkách sa zvyčajne uvádza hodnota α`, pomocou ktorej môžete približne určiť ρ pri ľubovoľnej teplote T:
ρ = ρ1 (1 + αρ` (T - T1)).
Tento výraz udáva presnú hodnotu rezistivity p len pre lineárnu závislosť ρ(T). V ostatných prípadoch je táto metóda približná; čím užší je teplotný interval použitý na určenie αρ`, tým je užší.
Odpor väčšiny kovov, ktoré pri roztavení zväčšujú svoj objem, znižuje ich hustotu. Pri kovoch, ktoré pri tavení zmenšujú svoj objem, sa rezistivita znižuje; Medzi tieto kovy patrí gálium, antimón a bizmut.
Odpor zliatin je vždy väčší ako odpor čistých kovov. Toto je obzvlášť viditeľné, ak pri fúzii tvoria tuhý roztok, t.j. počas tuhnutia spolu kryštalizujú a atómy jedného kovu vstupujú do mriežky druhého kovu.
Ak zliatina dvoch kovov vytvára oddelenú kryštalizáciu a stuhnutý roztok - zmes kryštálov každej zo zložiek, potom sa merná vodivosť γ takejto zliatiny mení so zmenou zloženia takmer lineárne. V tuhých roztokoch táto závislosť (od obsahu každého kovu) nie je lineárna a má maximum zodpovedajúce určitému pomeru zložiek zliatiny.
Niekedy pri určitom pomere medzi komponentmi tvoria chemické zlúčeniny (intermetalické zlúčeniny) a nemajú kovovú vodivosť, ale sú to elektronické polovodiče.
Teplotný koeficient lineárnej rozťažnosti vodičov sa určuje rovnakým spôsobom ako pri dielektrikách pomocou vzorca
ТКl = α(l) = l / l (dl / dТ), (3.1)
kde TKl = α(l) - teplotný koeficient lineárnej rozťažnosti K-1
Tento koeficient musí byť známy, aby bolo možné vyhodnotiť výkon párovacích materiálov v rôznych štruktúrach, ako aj vylúčiť praskanie alebo narušenie vákuového spojenia kovu so sklom alebo keramikou pri zmene teploty. Okrem toho je zahrnutý do výpočtu teplotného koeficientu elektrického odporu drôtov
ТКR = α(R) = α(ρ) - α(l).
ThermoEMF vodičov
ThermoEMF nastáva, keď sa dva rôzne vodiče (alebo polovodiče) dostanú do kontaktu, ak teplota ich spojov nie je rovnaká. Ak sa dva rôzne vodiče dostanú do kontaktu, vznikne medzi nimi rozdiel kontaktných potenciálov. Pre kovy A a B
Ucb - Uc + K T / e ln(n0с / nob),
kde Uc a Ub sú potenciály kontaktujúcich kovov; koncentrácia elektrónov v zodpovedajúcich kovoch;
K je Boltzmannova konštanta;
T - teplota;
e je absolútna hodnota náboja elektrónu.
Ak je teplota kovových spojov rovnaká, potom je súčet rozdielu potenciálov v uzavretom okruhu nulový. Ak sú teploty vrstiev odlišné (napríklad T2 a T1), potom v tomto prípade
U = K/e(T1-T2)ln(nc/nb). (3.2)
V praxi sa výraz (3.2) nie vždy dodržiava a závislosť termoEMF od teploty môže byť nelineárna. Drôt vyrobený z dvoch izolovaných drôtov z rôznych kovov alebo zliatin sa nazýva termočlánok a používa sa na meranie teplôt.
V takýchto prípadoch sa snažia použiť materiály, ktoré majú veľký a stabilný termoEMF koeficient. na meranie vysokých teplôt je niekedy potrebné (najmä pri meraní teplôt v agresívnom prostredí) použiť termočlánky s nižšími koeficientmi termoEdS, avšak odolávajúce vysokým teplotám a neoxidujúce v agresívnom prostredí.
Zliatiny pre termočlánky majú rôzne kombinácie, vrátane jednej elektródy, ktorá môže byť vyrobená z čistého kovu. Najbežnejšie sú nikel a zliatiny medi a niklu. Pre teploty v rozmedzí 1000 - 1200 0C sa používajú termočlánky chromel - alumel (TCA) pri vyšších teplotách sa používajú platino - platino-ródiové elektródy; v týchto zliatinách sa obsah ródia pohybuje od 6,7 do 40,5 %. Značky takýchto termočlánkov sú nasledovné: PlRd-7, PlRd-10, PlRd-30, PlRd-40.
