Elektronska provodljivost metala. Elektronska provodljivost metala - Hipermarket znanja

Vrijednost metala je direktno određena njihovim hemijskim i fizičkim svojstvima. U slučaju takvog indikatora kao što je električna provodljivost, ovaj odnos nije tako jednostavan. Najelektričniji metal, ako se mjeri na sobnoj temperaturi (+20 °C), je srebro.

Ali visoka cijena ograničava upotrebu srebrnih dijelova u elektrotehnici i mikroelektronici. Srebrni elementi u takvim uređajima koriste se samo u slučaju ekonomske izvodljivosti.

Fizičko značenje provodljivosti

Upotreba metalnih provodnika ima dugu istoriju. Naučnici i inženjeri koji rade u oblastima nauke i tehnologije koji koriste električnu energiju dugo su se odlučili za materijale za žice, terminale, kontakte itd. Fizička veličina koja se zove električna provodljivost pomaže da se odredi najelektričniji metal na svetu.

Koncept provodljivosti je inverzan električnom otporu. Kvantitativni izraz provodljivosti povezan je sa jedinicom otpora, koja se u međunarodnom sistemu jedinica (SI) mjeri u omima. SI jedinica je siemens. Ruska oznaka za ovu jedinicu je Sm, međunarodna je S. Električna provodljivost od 1 Sm ima dio električne mreže otpora od 1 oma.

Provodljivost

Mjera sposobnosti tvari da provodi električnu struju naziva se najvišim, a takav pokazatelj ima najelektričniji metal. Ova karakteristika se može odrediti instrumentalno za bilo koju supstancu ili medij i ima numerički izraz. cilindrični vodič jedinične dužine i jedinične površine poprečnog presjeka povezan je sa otpornošću ovog vodiča.

Sistemska jedinica provodljivosti je simens po metru - Sm/m. Da bismo saznali koji je od metala najelektričniji metal na svijetu, dovoljno je uporediti njihovu specifičnu provodljivost, utvrđenu eksperimentalno. Otpornost možete odrediti pomoću posebnog uređaja - mikroohmmetra. Ove karakteristike su obrnuto zavisne.

Provodljivost metala

Sam koncept usmjerenog toka nabijenih čestica čini se harmoničnijim za tvari zasnovane na kristalnim rešetkama karakterističnim za metale. Nosioci naboja u slučaju električne struje u metalima su slobodni elektroni, a ne ioni, kao što je slučaj u tekućim medijima. Eksperimentalno je utvrđeno da kada se u metalima pojavi struja, nema prijenosa čestica tvari između provodnika.

Metalne supstance se razlikuju od drugih po labavijim vezama na atomskom nivou. Unutrašnju strukturu metala karakteriše prisustvo velikog broja "usamljenih" elektrona. koje pod najmanjim uticajem elektromagnetnih sila formiraju usmereno strujanje. Stoga nije uzalud da su metali najbolji provodnici električne struje, a upravo takve molekularne interakcije odlikuju najelektričniji metal. Još jedno specifično svojstvo metala zasniva se na strukturnim karakteristikama kristalne rešetke metala - visokoj toplotnoj provodljivosti.

Najbolji provodnici - metali

4 metala od praktične važnosti za njihovu upotrebu kao električni provodnici raspoređena su sljedećim redoslijedom s obzirom na vrijednost provodljivosti, mjerenu u S/m:

Srebro - 62.500.000.
Bakar - 59.500.000.
Zlato - 45.500.000.
Aluminijum - 38.000.000.

Može se vidjeti da je najelektričniji metal srebro. Ali kao i zlato, koristi se za organizaciju električne mreže samo u posebnim posebnim slučajevima. Razlog je visoka cijena.

Međutim, bakar i aluminij su najčešći izbor za električne uređaje i kablovske proizvode zbog njihovog niskog električnog otpora i pristupačnosti. Drugi metali se rijetko koriste kao provodnici.

Faktori koji utiču na provodljivost metala

Čak i najelektričniji metal smanjuje svoju provodljivost ako su u njemu prisutni drugi aditivi i nečistoće. Legure imaju drugačiju strukturu kristalne rešetke od "čistih" metala. Odlikuje se kršenjem simetrije, pukotinama i drugim nedostacima. Provodljivost se također smanjuje s povećanjem temperature okoline.

Povećana otpornost svojstvena legurama koristi se u grijaćim elementima. Nije slučajno da se nihrom, fechral i druge legure koriste za proizvodnju radnih elemenata električnih peći, grijača.

Najelektričniji metal je plemenito srebro, koje zlatari više koriste za kovanje novčića itd. Ali u tehnologiji i izradi instrumenata, njegova posebna hemijska i fizička svojstva se široko koriste. Na primjer, osim što se koristi u jedinicama i sklopovima sa smanjenim otporom, posrebrenje štiti kontaktne grupe od oksidacije. Jedinstvena svojstva srebra i njegovih legura često čine njegovu upotrebu opravdanom, unatoč visokoj cijeni.

Električna provodljivost je sposobnost tijela da propušta električnu struju pod utjecajem električnog polja. Za karakterizaciju ove pojave je vrijednost električne provodljivosti σ. Kao što teorija pokazuje, vrijednost σ može se izraziti kroz koncentraciju n slobodnih nosilaca naboja, njihov naboj e, masu m, vrijeme slobodnog puta τ e , dužinu slobodnog puta λe i prosječnu brzinu drifta< v >nosioci naboja. Za metale, slobodni elektroni djeluju kao slobodni nosioci naboja, tako da:

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

gdje je u pokretljivost nosioca, tj. fizička veličina numerički jednaka brzini drifta koju postižu nosioci u polju jediničnog intenziteta, tj.

u=< v >/ E = (e τ e) / m

U zavisnosti od σ, sve supstance se dele; na vodičima - sa σ\u003e 10 6 (Ohm m) -1, dielektricima - sa σ\u003e 10 -8 (Ohm m) -1 i poluvodičima - sa srednjom vrijednošću σ.

Sa stanovišta teorije pojasa, podjela tvari na provodnike, poluvodiče i dielektrike određena je načinom na koji je valentni pojas kristala ispunjen elektronima pri 0 K: djelomično ili potpuno.

Energija koju elektronima prenosi čak i slabo električno polje je uporediva sa rastojanjem između nivoa u energetskom pojasu. Ako u pojasu postoje slobodni nivoi, tada će ih elektroni pobuđeni vanjskim električnim poljem ispuniti. Kvantno stanje sistema elektrona će se promeniti, a u kristalu će se pojaviti preferencijalno (usmereno) kretanje elektrona prema polju, tj. struja. Takva tijela (slika 10.1, a) su provodnici.

Ako je valentni pojas potpuno popunjen, tada se promjena stanja sistema elektrona može dogoditi samo kada prođu kroz pojas. Energija vanjskog električnog polja ne može napraviti takav prijelaz. Permutacija elektrona unutar potpuno popunjene zone ne uzrokuje promjenu kvantnog stanja sistema, jer sami elektroni se ne mogu razlikovati.

U takvim kristalima (slika 10.1, b) vanjsko električno polje neće uzrokovati pojavu električne struje i oni će biti neprovodnici (dielektrici). Iz ove grupe supstanci odabrane su one sa zazorom ΔE ≤ 1 eV (1eV = 1,6 10 -19 J).

Prijelaz elektrona kroz pojas u takvim tijelima može se izvesti, na primjer, pomoću termičke pobude. U tom slučaju se dio nivoa – valentni pojas – oslobađa, a nivoi slobodnog pojasa koji ga prate (kondukcijski pojas) se djelimično popunjavaju. Ove supstance su poluprovodnici.

Prema izrazu (10.1), promjena električne provodljivosti (električni otpor) tijela s temperaturom može biti uzrokovana promjenom koncentracije n nosilaca naboja ili promjenom njihove pokretljivosti u.

Metali

Kvantnomehanički proračuni pokazuju da je za metale koncentracija n slobodnih nosilaca naboja (elektrona) jednaka:

n = (1 / 3π 2) (2mE F / đ 2) 3/2

gdje je đ = h / 2π = 1,05 10 -34 J s normalizirana Plankova konstanta, E F je Fermijeva energija.

Kako E F praktično ne zavisi od temperature T, ni koncentracija nosioca naboja ne zavisi od temperature. Posljedično, temperaturna ovisnost električne provodljivosti metala će biti u potpunosti određena mobilnošću elektrona u, kao što slijedi iz formule (10.1). Zatim na visokim temperaturama

u ~ λ e / ~T-1

i na niskim temperaturama

u ~ λ e / ~const(T).

Stepen pokretljivosti nosioca naboja određivat će se procesima raspršivanja, tj. interakcija elektrona sa periodičnim poljem rešetke. Budući da je polje idealne rešetke striktno periodično, a stanje elektrona stacionarno, raspršenje (pojava električnog otpora metala) može biti uzrokovano samo defektima (atomi nečistoća, izobličenja strukture, itd.) i toplinskim vibracijama rešetke (fononi).

Blizu 0 K, gdje su intenzitet termičkih vibracija rešetke i koncentracija fonona blizu nule, preovlađuje rasipanje nečistoćama (elektron-impurity scattering). U ovom slučaju, provodljivost se praktično ne mijenja, kao što slijedi iz formule (10.4), a otpornost

ima konstantnu vrijednost, koja se naziva specifičnim rezidualnim otporom ρ ostatak ili specifičnim otporom nečistoća ρ cca, tj.

ρ mirovanje (ili ρ prime) = const (T)

U oblasti visokih temperatura, mehanizam rasejanja elektron-fonona postaje dominantan u metalima. Kod takvog mehanizma raspršenja električna provodljivost je obrnuto proporcionalna temperaturi, kao što se može vidjeti iz formule (10.3), a otpornost je direktno proporcionalna temperaturi:

Grafikon zavisnosti otpornosti ρ od temperature prikazan je na sl. 10.2

Na temperaturama različitim od 0 K i dovoljno velikoj količini nečistoća, može doći do raspršivanja elektron-fonona i elektrona-nečistoće; ukupna otpornost ima oblik

ρ = ρ prim + ρ f

Izraz (10.6) je Mathyssenovo pravilo o aditivnosti otpora. Treba napomenuti da je rasejanje elektron-fonona i elektrona-nečistoće haotično.

Poluprovodnici

Kvantno-mehanički proračuni pokretljivosti nosača u poluvodičima pokazali su da, prvo, pokretljivost nosača u opada sa povećanjem temperature, a mehanizam raspršenja koji uzrokuje najmanju pokretljivost je odlučujući u određivanju mobilnosti. Drugo, ovisnost pokretljivosti nosioca naboja o nivou dopinga (koncentracija nečistoća) pokazuje da će, na niskom nivou dopinga, mobilnost biti određena rasipanjem vibracijama rešetke i stoga ne bi trebala ovisiti o koncentraciji nečistoća.

Pri visokim razinama dopinga, treba ga odrediti raspršivanjem na joniziranom dopantu i smanjiti s povećanjem koncentracije nečistoća. Dakle, promjena pokretljivosti nosilaca naboja ne bi trebala značajno doprinijeti promjeni električnog otpora poluvodiča.

U skladu sa izrazom (10.1), glavni doprinos promjeni električne provodljivosti poluvodiča treba dati promjena koncentracije n nosioca naboja.

Glavna karakteristika poluprovodnika je aktivaciona priroda provodljivosti, tj. izražena ovisnost koncentracije nosača o vanjskim utjecajima, kao što su temperatura, zračenje itd. To je zbog uskog pojasa (ΔE< 1 эВ) у собственных полупроводников и наличием дополнительных уровней в запрещенной зоне у примесных полупроводников.

Električna provodljivost hemijski čistih poluprovodnika naziva se vlastitu provodljivost. Intrinzična provodljivost poluprovodnika nastaje kao rezultat prijelaza elektrona (n) iz gornjih nivoa valentnog pojasa u pojas vodljivosti i formiranja rupa (p) u valentnom pojasu:

σ = σ n + σ ρ = e n n u n + e n ρ u ρ

gdje je n n i n ρ koncentracija elektrona i rupa,
u n i u ρ - njihova pokretljivost,
e je naplata nosioca.

Kako temperatura raste, koncentracija elektrona u pojasu provodljivosti i rupa u valentnom pojasu raste eksponencijalno:

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

gdje su n no i n po koncentracije elektrona i rupa na T → ∞,
k = 1,38 10 -23 J / K - Boltzmannova konstanta.

Slika 10.3,a prikazuje dijagram logaritma električne vodljivosti ln σ vlastitog poluvodiča na recipročnu temperaturu 1 / T: ln σ \u003d ƒ (1 / T). Grafikon je prava linija, čiji se nagib može koristiti za određivanje pojasnog pojasa ∆E.

Električna provodljivost dopiranih poluvodiča je posljedica prisutnosti centara nečistoća u njima. Temperaturna ovisnost takvih poluvodiča određena je ne samo koncentracijom većinskih nosača, već i koncentracijom nosača koje dovode centri nečistoće. Na sl. 10.3b prikazuje grafikone ln σ \u003d ƒ (1 / T) za poluvodiče s različitim stupnjevima dopinga (n1< n2 < n3, где n – концентрация примеси).

Za lagano dopirane poluprovodnike na niskim temperaturama preovlađuju prelazi koji uključuju nivoe nečistoća. Kako temperatura raste, povećava se koncentracija nosača nečistoća, što znači da se povećava i provodljivost nečistoća. Po dostizanju t.A (vidi sliku 10.3, b; krivulja 1) - temperatura iscrpljivanja nečistoća T S1 - svi nosači nečistoća će biti prebačeni u provodni pojas.

Iznad temperature T S1 i do temperature prijelaza na intrinzičnu provodljivost T i1 (vidi t. B, kriva 1, slika 10.3, b), električna provodljivost opada, a otpor poluprovodnika raste. Iznad temperature T i1 prevladava intrinzična električna provodljivost, tj. usled termičke pobude, sopstveni nosioci naelektrisanja prelaze u provodni pojas. U oblasti unutrašnje provodljivosti, σ raste, dok ρ opada.

Za jako dopirane poluvodiče, u kojima je koncentracija nečistoća n ~ 1026 m–3, tj. je srazmerno koncentraciji nosioca naboja u metalima (vidi krivu 3, sl. 10.3, b), zavisnost σ o temperaturi se primećuje samo u oblasti unutrašnje provodljivosti. S povećanjem koncentracije nečistoća, vrijednost intervala AB (AB\u003e A "B"\u003e A "B") se smanjuje (vidi sliku 10.3, b).

I u oblasti provodljivosti nečistoća iu oblasti unutrašnje provodljivosti, preovlađuje mehanizam rasejanja elektron-fonona. U oblasti iscrpljivanja nečistoća (intervali AB, A"B", A"B") u blizini temperature T S, preovlađuje rasipanje elektrona na nečistoćama. Kako temperatura raste (prijelaz u T i), rasipanje elektrona i fonona počinje da dominira. Dakle, interval AB (A"B" ili A"B"), nazvan područje iscrpljivanja nečistoća, je također područje prijelaza iz mehanizma provodljivosti nečistoća u mehanizam unutrašnje provodljivosti.

« fizika - 10. razred

Kako se elektroni kreću u metalnom provodniku kada u njemu nema električnog polja?
Kako se mijenja kretanje elektrona kada se na metalni provodnik dovede napon?

Električnu struju provode čvrsta, tečna i gasovita tela. Po čemu se ti provodnici razlikuju jedni od drugih?

Upoznali ste se sa električnom strujom u metalnim provodnicima i sa eksperimentalno utvrđenom strujno-naponskom karakteristikom ovih provodnika - Ohmovim zakonom.

Uz metale, dobri provodnici, odnosno tvari s velikim brojem slobodnih nabijenih čestica, su vodene otopine ili taline elektrolita i joniziranog plina - plazme. Ovi provodnici se široko koriste u inženjerstvu.

U vakuumskim elektronskim uređajima električnu struju formiraju tokovi elektrona.

Metalni provodnici se široko koriste u prijenosu električne energije od izvora struje do potrošača. Osim toga, ovi provodnici se koriste u elektromotorima i generatorima, električnim grijačima itd.

Osim provodnici i dielektrika(supstance sa relativno malim brojem slobodnih naelektrisanih čestica), postoji grupa supstanci čija vodljivost zauzima međupoziciju između vodiča i dielektrika. Ove supstance ne provode električnu energiju dovoljno dobro da bi se mogle nazvati provodnicima, ali nisu toliko loše da bi se klasifikovale kao dielektrici. Zato su i dobili ime poluprovodnici.

Dugo vremena poluprovodnici nisu igrali značajnu praktičnu ulogu. U elektrotehnici i radiotehnici korišteni su samo razni provodnici i dielektrici. Situacija se značajno promijenila kada je prvo teoretski predviđena, a potom otkrivena i proučavana lako izvodljiva mogućnost kontrole električne provodljivosti poluvodiča.

Ne postoji univerzalni nosilac struje. Tabela prikazuje trenutne nosioce u različitim medijima.

Elektronska provodljivost metala.

Počnimo s metalnim provodnicima. Znamo strujno-naponsku karakteristiku ovih vodiča, ali do sada ništa nije rečeno o njenom objašnjenju sa stanovišta molekularne kinetičke teorije.

Nosioci slobodnih naelektrisanja u metalima su elektroni. Njihova koncentracija je visoka - oko 10 28 1/m 3 .

Ovi elektroni su uključeni u slučajno termalno kretanje. Pod dejstvom električnog polja počinju da se kreću uredno sa prosečnom brzinom od oko 10 -4 m/s.

Eksperimentalni dokaz postojanja slobodnih elektrona u metalima.

Eksperimentalni dokazi da je provodljivost metala rezultat kretanja slobodnih elektrona dati su u eksperimentima Mandelstama i Papaleksija (1913), Stewarta i Tolmana (1916). Shema ovih eksperimenata je sljedeća.

Na zavojnicu je namotana žica čiji su krajevi zalemljeni na dva metalna diska izolirana jedan od drugog (slika 16.1). Galvanometar je spojen na krajeve diskova pomoću kliznih kontakata.

Zavojnica se dovodi u brzu rotaciju, a zatim se naglo zaustavlja. Nakon naglog zaustavljanja zavojnice, slobodne nabijene čestice se pomiču neko vrijeme u odnosu na provodnik po inerciji, te se, posljedično, u zavojnici pojavljuje električna struja. Struja postoji kratko, jer se zbog otpora provodnika naelektrisane čestice usporavaju i prestaje uređeno kretanje čestica koje stvara struju.

Smjer struje u ovom eksperimentu pokazuje da je stvorena kretanjem negativno nabijenih čestica. Preneseno naelektrisanje u ovom slučaju je proporcionalno odnosu naboja čestica koje stvaraju struju prema njihovoj masi, tj. |q|/m. Stoga je mjerenjem naboja koji prolazi kroz galvanometar za vrijeme postojanja struje u kolu bilo moguće odrediti ovaj omjer. Ispostavilo se da je jednako 1,8 10 11 C/kg. Ova vrijednost se poklopila s omjerom naboja elektrona i njegove mase e/m, koji je ranije pronađen iz drugih eksperimenata.

Kretanje elektrona u metalu.

Slobodni elektroni u metalu kreću se nasumično. Kada je provodnik spojen na izvor struje, u njemu se stvara električno polje, a na elektrone počinje djelovati Kulonova sila = q e. Pod dejstvom ove sile elektroni se pocinju kretati u pravcu, tj. dolazi do superponiranja haoticnog kretanja elektrona.Brzina usmerenog kretanja se povecava za neko vreme t 0 dok ne dodje do sudara elektrona sa jonima kristalne resetke. . U tom slučaju elektroni gube smjer kretanja, a zatim se ponovo počinju kretati u smjeru. Dakle, brzina usmjerenog kretanja elektrona mijenja se od nule do određene maksimalne vrijednosti jednake Kao rezultat toga, prosječna brzina uređenog kretanja elektrona ispada jednaka, tj. proporcionalna jačini električnog polja u provodnik: υ ~ E i, prema tome, razlika potencijala na krajevima provodnika, tako da je l dužina provodnika.

Jačina struje u provodniku je proporcionalna brzini uređenog kretanja čestica (vidi formulu (15.2)). Stoga možemo reći da je jačina struje proporcionalna razlici potencijala na krajevima vodiča: I ~ U.

Ovo je šta kvalitativno objašnjenje Ohmovog zakona zasnovan na elektronskoj teoriji provodljivosti metala.

Nemoguće je izgraditi zadovoljavajuću kvantitativnu teoriju kretanja elektrona u metalu na osnovu zakona klasične mehanike. Činjenica je da su uslovi za kretanje elektrona u metalu takvi da je Newtonova klasična mehanika neprimenljiva za opisivanje ovog kretanja. Ova činjenica potvrđuje, na primjer, ovisnost otpora o temperaturi. Prema klasičnoj teoriji metala, u kojoj se kretanje elektrona razmatra na osnovu drugog Newtonovog zakona, otpor provodnika je proporcionalan eksperimentu, dok eksperiment pokazuje linearnu zavisnost otpora od temperature.

Električna provodljivost metala je sposobnost elemenata i tijela da kroz sebe provedu određenu količinu negativno nabijenih čestica. Samo provođenje električne struje objašnjava se prilično jednostavno - kao rezultat utjecaja elektromagnetskog polja na vodljivi metal, elektron toliko ubrzava svoje kretanje da gubi vezu s atomom.

U Međunarodnom sistemu jedinica, električna provodljivost je predstavljena slovom S i mjeri se u simensu.

U zavisnosti od vrste i prirode nosioca naboja, provodljivost je elektronska, jonska i šupljina. Metali imaju elektronsku provodljivost. Takva provodljivost postoji u gornjim slojevima atmosfere, gde je gustina materije mala, zbog čega se elektroni mogu slobodno kretati bez spajanja sa pozitivno naelektrisanim jonima.Tečni elektroni imaju jonsku provodljivost. Joni, koji su nosioci naboja, pri kretanju pokreću supstancu, usled čega se ona oslobađa na elektrodama.Moguć je mehanizam provodljivosti zbog prekida valentne veze, što dovodi do pojave praznine sa odsutnom vezom. . Takvo „prazno“ mjesto sa nedostajućim elektronima veze naziva se rupa. Pojava rupe u kristalu provodnika stvara dodatnu priliku za prijenos naboja. Ovaj proces, praćen kretanjem elektrona, naziva se provodljivost kroz rupe.

Električna provodljivost metala. Vrste električne provodljivosti. Fermi nivo.

Vrste električne provodljivosti

U zavisnosti od vrste i prirode nosioca naboja, provodljivost je elektronska, jonska i šupljina.

Metali imaju elektronsku provodljivost.

Tečne supstance imaju jonsku provodljivost. Ioni, koji su nosioci naboja, pomiču tvar prilikom kretanja, zbog čega se oslobađa na elektrodama.

Moguć je mehanizam provodljivosti, zbog prekida valentne veze, što dovodi do pojave upražnjenog mjesta sa odsutnom vezom. Takvo „prazno“ mjesto sa nedostajućim elektronima veze naziva se rupa. Pojava rupe u kristalu provodnika stvara dodatnu priliku za prijenos naboja. Ovaj proces, praćen kretanjem elektrona, naziva se provodljivost kroz rupe.

Čvrste materije, tečnosti i, pod odgovarajućim uslovima, gasovi mogu poslužiti kao provodnici električne struje.

Čvrsti provodnici uključuju metale, metalne legure i neke modifikacije ugljika.

Metali su plastične tvari za njih karakterističnog sjaja, koje su dobri provodnici električne struje i topline. Među materijalima elektronske tehnologije, metali zauzimaju jedno od najvažnijih mjesta.

Tekući provodnici uključuju rastopljene metale i razne elektrolite. Tačka topljenja metala je po pravilu visoka, sa izuzetkom žive (Hg), koja ima temperaturu od -39°C. Stoga se pri normalnoj temperaturi samo živa može koristiti kao provodnik tekućeg metala. Galijum (Ga) takođe ima temperaturu blisku normalnoj (29,8 °C). Ostali metali su tekući provodnici samo na povišenim ili visokim temperaturama.

Mehanizam prolaska struje kroz metale u čvrstom i tekućem stanju je rezultat kretanja slobodnih elektrona. Stoga se nazivaju provodnicima s elektronskom električnom provodljivošću ili provodnicima prve vrste.

Elektroliti, ili provodnici druge vrste, su rastvori (uglavnom vodeni) kiselina, lužina i soli, kao i taline jonskih jedinjenja. Prolazak struje kroz takve vodiče povezan je s prijenosom dijelova molekula (jona) zajedno s električnim nabojima. Kao rezultat toga, sastav elektrolita se postupno mijenja, a proizvodi elektrolize se oslobađaju na elektrodama.

Svi plinovi i pare, uključujući metalne pare, ne provode struju pri niskim jačinama električnog polja. Međutim, ako je jačina polja veća od određene kritične vrijednosti, što osigurava početak udara i fotojonizacije, tada plin može postati provodnik s elektronskom i jonskom električnom provodljivošću. Jako jonizovani gas sa jednakim brojem elektrona i pozitivnih jona po jedinici zapremine je ravnotežni provodni medij koji se naziva plazma.

Klasična elektronska teorija metala, koju su razvili Drude i Lorentz, temelji se na ideji o elektronskom plinu koji se sastoji od slobodnih elektrona. Svojstva idealnog gasa pripisuju se elektronskom gasu, tj. kretanje elektrona je u skladu sa zakonima klasične statistike

U slučaju primjene vanjskog napona, elektroni će dobiti dodatnu brzinu usmjerenog kretanja u smjeru djelovanja sila polja, zbog čega nastaje električna struja.

U procesu usmjerenog kretanja, elektroni se sudaraju s atomima rešetkastih mjesta. U tom slučaju se brzina kretanja usporava, a zatim se pod utjecajem električnog polja ubrzavaju:

Prisustvo slobodnih elektrona je takođe odgovorno za visoku toplotnu provodljivost metala. Budući da su u neprekidnom kretanju, elektroni se stalno sudaraju s jonima i s njima razmjenjuju energiju. Zbog toga se vibracije jona, koje su se u datom delu metala pojačale usled zagrevanja, odmah prenose na susedne jone, sa njih na sledeće itd., i toplotno stanje metala se brzo izjednačava; cela masa metala ima istu temperaturu.

Toplotna provodljivost se može definirati kao svojstvo tvari da provodi (prenosi) toplinski tok pod djelovanjem temperaturne razlike koja se ne mijenja tokom vremena.

Fermi energija E F- maksimalna vrijednost energije koju elektron može imati na temperaturi apsolutne nule. Fermijeva energija se poklapa sa vrijednostima kemijskog potencijala fermionskog plina pri T \u003d 0 K, odnosno Fermijev nivo za elektrone igra ulogu nivoa hemijskog potencijala za nenaelektrisane čestice. Njegov odgovarajući potencijal j F = E F /e koji se naziva elektrohemijski potencijal.

Dakle, nivo Fermija ili Fermijeva energija u metalima je energija koju elektron može imati na temperaturi apsolutne nule. Kada se metal zagreje, neki elektroni koji su blizu Fermijevog nivoa se pobuđuju (zbog toplotne energije čija je vrednost reda kT). Ali na bilo kojoj temperaturi, za nivo sa energijom koja odgovara Fermijevom nivou, verovatnoća punjenja je 1/2. Svi nivoi ispod Fermijevog nivoa imaju vjerovatnoću veću od 1/2 su ispunjeni elektronima, a vjerovatniji su svi nivoi iznad Fermijevog nivoa 1/2 bez elektrona.

Postojanje Fermijeve energije je posljedica Paulijevog principa. Vrijednost Fermijeve energije u suštini zavisi od svojstava sistema.

Elektronsku provodljivost metala prvi je eksperimentalno dokazao njemački fizičar E. Rikke 1901. Kroz tri uglačana cilindra čvrsto pritisnuta jedan uz drugi - bakar, aluminij i opet bakar - dugo vremena (tokom godinu dana) prolazila je električna struja. . Ukupan naboj koji je prošao za to vrijeme bio je jednak 3,5·10 6 C. Budući da se mase atoma bakra i aluminija značajno razlikuju jedna od druge, mase cilindara bi se morale primjetno promijeniti da su nosioci naboja joni.

Rezultati eksperimenata su pokazali da je masa svakog od cilindara ostala nepromijenjena. Na dodirnim površinama pronađeni su samo neznatni tragovi međusobnog prodiranja metala, koji nisu nadmašili rezultate uobičajene difuzije atoma u čvrstim materijama. Shodno tome, slobodni nosioci naboja u metalima nisu joni, već čestice koje su iste i u bakru i u aluminijumu. Takve čestice mogu biti samo elektroni.

Direktan i uvjerljiv dokaz valjanosti ove pretpostavke dobijen je u eksperimentima koje su 1913. postavili L. I. Mandelstam i N. D. Papaleksi i 1916. T. Stuart i R. Tolman.

Na zavojnicu je namotana žica čiji su krajevi zalemljeni na dva metalna diska izolirana jedan od drugog (slika 1). Galvanometar je pričvršćen na krajeve diskova pomoću kliznih kontakata.

Zavojnica se dovodi u brzu rotaciju, a zatim se naglo zaustavlja. Nakon naglog zaustavljanja zavojnice, slobodne nabijene čestice će se neko vrijeme kretati duž vodiča po inerciji i, posljedično, u zavojnici će se pojaviti električna struja. Struja će postojati kratko, jer se zbog otpora provodnika usporavaju nabijene čestice i zaustavlja se uređeno kretanje čestica.

Smjer struje pokazuje da je stvorena kretanjem negativno nabijenih čestica. Naboj koji se prenosi u ovom slučaju proporcionalan je odnosu naboja čestica koje stvaraju struju prema njihovoj masi, tj. . Stoga je mjerenjem naboja koji prolazi kroz galvanometar za cijelo vrijeme postojanja struje u kolu bilo moguće odrediti omjer. Pokazalo se da je jednako 1,8·10 11 C/kg. Ova vrijednost se poklapa s omjerom naboja elektrona i njegove mase utvrđenim ranije iz drugih eksperimenata.

Dakle, električna struja u metalima nastaje kretanjem negativno nabijenih elektronskih čestica. Prema klasičnoj elektronskoj teoriji provodljivosti metala (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904), metalni provodnik se može posmatrati kao fizički sistem kombinacije dva podsistema:

slobodnih elektrona sa koncentracijom od ~ 10 28 m -3 i
pozitivno nabijeni joni koji vibriraju oko ravnotežnog položaja.

Pojava slobodnih elektrona u kristalu može se objasniti na sljedeći način.

Kada se atomi spoje u metalni kristal, vanjski elektroni koji su najslabije vezani za atomsko jezgro se odvajaju od atoma (slika 2). Stoga se pozitivni ioni nalaze na čvorovima kristalne rešetke metala, a elektroni koji nisu povezani s jezgrama njihovih atoma kreću se u prostoru između njih. Ovi elektroni se nazivaju besplatno ili elektrona provodljivosti. Izvode haotično kretanje, slično kretanju molekula plina. Stoga se naziva ukupnost slobodnih elektrona u metalima elektronski gas.

Ako se vanjsko električno polje primjenjuje na provodnik, tada se usmjereno kretanje superponira na nasumično kaotično kretanje slobodnih elektrona pod djelovanjem sila električnog polja koje stvara električnu struju. Brzina kretanja samih elektrona u vodiču je nekoliko djelića milimetra u sekundi, međutim, električno polje koje nastaje u vodiču širi se cijelom dužinom provodnika brzinom bliskom brzini svjetlosti u vakuumu ( 3 10 8 m/s).

Budući da električnu struju u metalima formiraju slobodni elektroni, provodljivost metalnih provodnika se naziva elektronska provodljivost.

Elektroni pod utjecajem konstantne sile koja djeluje iz električnog polja postižu određenu brzinu uređenog kretanja (to se naziva drift). Ova brzina se dalje ne povećava s vremenom, jer pri sudaru sa ionima kristalne rešetke, elektroni prenose kinetičku energiju stečenu u električnom polju na kristalnu rešetku. U prvoj aproksimaciji, možemo pretpostaviti da se preko srednjeg slobodnog puta (to je udaljenost koju elektron prijeđe između dva uzastopna sudara s jonima) elektron kreće ubrzano i da se njegova brzina pomicanja linearno povećava s vremenom

U trenutku sudara, elektron prenosi kinetičku energiju na kristalnu rešetku. Zatim se ponovo ubrzava i proces se ponavlja. Kao rezultat toga, prosječna brzina uređenog kretanja elektrona je proporcionalna jačini električnog polja u vodiču i, posljedično, razlici potencijala na krajevima vodiča, budući da je , gdje je l dužina provodnika.

Poznato je da je jačina struje u provodniku proporcionalna brzini uređenog kretanja čestica

i stoga je, prema prethodnom, jačina struje proporcionalna razlici potencijala na krajevima provodnika: I ~ U. Ovo je kvalitativno objašnjenje Ohmovog zakona zasnovanog na klasičnoj elektronskoj teoriji vodljivosti metala.

Međutim, postoje poteškoće s ovom teorijom. Iz teorije je slijedilo da otpornost treba biti proporcionalna kvadratnom korijenu temperature (), dok bi, prema iskustvu, ~T. Osim toga, toplinski kapacitet metala, prema ovoj teoriji, trebao bi biti mnogo veći od toplotni kapacitet monoatomskih kristala. U stvarnosti, toplotni kapacitet metala se malo razlikuje od toplotnog kapaciteta nemetalnih kristala. Ove poteškoće su prevaziđene samo u kvantnoj teoriji.

Godine 1911., holandski fizičar G. Kamerling-Onnes, proučavajući promjenu električnog otpora žive na niskim temperaturama, otkrio je da na temperaturi od oko 4 K (tj. na -269 ° C), otpor naglo opada (sl. 3) skoro do nule. Ovaj fenomen pretvaranja električnog otpora na nulu G. Kamerling-Onnes je nazvao supravodljivost.

Kasnije je otkriveno da više od 25 hemijskih elemenata - metala na veoma niskim temperaturama postaju supravodnici. Svaki od njih ima svoju kritičnu temperaturu prijelaza u stanje s nultim otporom. Njegova najniža vrijednost za volfram je 0,012K, a najviša za niobijum je 9K.

Superprovodljivost se opaža ne samo u čistim metalima, već iu mnogim hemijskim jedinjenjima i legurama. U ovom slučaju, sami elementi, koji su dio supravodljivog spoja, možda nisu supravodnici. Na primjer, NiBi, Au 2 Bi, PdTe, PtSb i drugi.

Supstance u supravodljivom stanju imaju neobična svojstva:

električna struja u superprovodniku može postojati dugo vremena bez izvora struje;
unutar supstance u supravodljivom stanju, nemoguće je stvoriti magnetsko polje:
magnetsko polje uništava stanje supravodljivosti. Superprovodljivost je fenomen objašnjen sa stanovišta kvantne teorije. Njegov prilično komplikovan opis izvan je okvira školskog kursa fizike.

Sve donedavno, široku upotrebu supravodljivosti ometale su poteškoće povezane s potrebom hlađenja na ultraniske temperature, za šta se koristio tečni helijum. Ipak, uprkos složenosti opreme, oskudici i visokoj ceni helijuma, od 60-ih godina XX veka, supravodljivi magneti su stvoreni bez toplotnih gubitaka u namotajima, što je praktično omogućilo dobijanje jakih magnetnih polja u relativno velikim tomovi. Upravo takvi magneti su potrebni za stvaranje objekata za kontroliranu termonuklearnu fuziju sa zadržavanjem magnetne plazme, za moćne akceleratore nabijenih čestica. Superprovodnici se koriste u raznim mjernim uređajima, prvenstveno u uređajima za mjerenje vrlo slabih magnetnih polja s najvećom preciznošću.

Trenutno se 10 - 15% energije troši na savladavanje otpora žica u dalekovodima. Superprovodne linije, ili barem ulazi u velike gradove, donijet će ogromne uštede. Drugo polje primjene supravodljivosti je transport.

Na osnovu supravodljivih filmova kreiran je niz brzih logičkih i memorijskih elemenata za računarske uređaje. U svemirskim istraživanjima, obećavajuća je upotreba supravodljivih solenoida za zaštitu od zračenja astronauta, pristajanje brodova, njihovo usporavanje i orijentaciju, te za plazma raketne motore.

Trenutno su stvoreni keramički materijali koji imaju supravodljivost na višoj temperaturi - preko 100K, odnosno na temperaturi iznad tačke ključanja azota. Sposobnost hlađenja superprovodnika tekućim dušikom, koji ima za red veličine veću toplinu isparavanja, uvelike pojednostavljuje i smanjuje cijenu sve kriogene opreme, a obećava ogroman ekonomski učinak.