Elektronska vodljivost metala. Elektronska vodljivost metala - Hipermarket znanja

Vrijednost metala izravno je određena njihovim kemijskim i fizikalnim svojstvima. U slučaju takvog pokazatelja kao što je električna vodljivost, ovaj odnos nije tako jednostavan. Električni najvodljiviji 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 izvedivosti.

Fizičko značenje vodljivosti

Upotreba metalnih vodiča ima dugu povijest. Znanstvenici i inženjeri koji rade u područjima znanosti i tehnologije koja koriste električnu energiju odavno su odlučili o materijalima za žice, terminale, kontakte itd. Fizička veličina koja se naziva električna vodljivost pomaže u određivanju električni najvodljivijih metala na svijetu.

Koncept vodljivosti je inverzan električnom otporu. Kvantitativni izraz vodljivosti povezan je s jedinicom otpora, koja se u međunarodnom sustavu jedinica (SI) mjeri u omima. SI jedinica je siemens. Ruska oznaka za ovu jedinicu je Sm, međunarodna je S. Električna vodljivost od 1 Sm ima dio električne mreže s otporom od 1 ohma.

Provodljivost

Mjera sposobnosti tvari da provodi električnu struju naziva se najviši takav pokazatelj ima najviše električki vodljiv metal. Ova se karakteristika može odrediti instrumentalno za bilo koju tvar ili medij i ima numerički izraz. cilindrični vodič jedinične duljine i jedinične površine poprečnog presjeka povezan je s otporom tog vodiča.

Sistemska jedinica vodljivosti je siemens po metru - Sm/m. Da bismo saznali koji je od metala električki najvodljiviji na svijetu, dovoljno je usporediti njihovu specifičnu vodljivost, utvrđenu eksperimentalno. Otpornost možete odrediti pomoću posebnog uređaja - mikroohmetra. Ove karakteristike su obrnuto ovisne.

Vodljivost metala

Sam koncept usmjerenog protoka nabijenih čestica čini se skladnijim za tvari koje se temelje na kristalnim rešetkama karakterističnim za metale. Nositelji naboja u slučaju električne struje u metalima su slobodni elektroni, a ne ioni, kao što je slučaj u tekućim medijima. Eksperimentalno je utvrđeno da pri pojavi struje u metalima nema prijenosa čestica tvari između vodiča.

Metalne tvari razlikuju se od ostalih po labavijim vezama na atomskoj razini. Unutarnju strukturu metala karakterizira prisutnost velikog broja "usamljenih" elektrona. koji i pri najmanjem utjecaju elektromagnetskih sila stvaraju usmjereno strujanje. Stoga nisu uzalud metali najbolji vodiči električne struje, a upravo takve molekularne interakcije odlikuju električni najvodljiviji metal. Još jedno specifično svojstvo metala temelji se na strukturnim značajkama kristalne rešetke metala - visoka toplinska vodljivost.

Vrhunski najbolji vodiči - metali

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

Srebro - 62 500 000.
Bakar - 59.500.000.
Zlato - 45 500 000.
Aluminij - 38.000.000.

Vidi se da je metal koji najviše električki vodi srebro. Ali kao i zlato, koristi se za organiziranje električne mreže samo u posebnim slučajevima. Razlog je visoka cijena.

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

Čimbenici koji utječu na vodljivost metala

Čak i električki najvodljiviji metal smanjuje svoju vodljivost ako su u njemu prisutni drugi dodaci i nečistoće. Legure imaju drugačiju strukturu kristalne rešetke od "čistih" metala. Razlikuje se kršenjem simetrije, pukotinama i drugim nedostacima. Vodljivost također opada s povećanjem temperature okoline.

Povećana otpornost svojstvena legurama nalazi primjenu u grijaćim elementima. Nije slučajno da se nikrom, fehral i druge legure koriste za izradu radnih elemenata električnih peći, grijača.

Metal s najvećom električnom vodljivošću je plemenito srebro, koje više koriste draguljari za kovanje novčića itd. Ali u tehnologiji i izradi instrumenata, njegova posebna kemijska i fizikalna svojstva naširoko se koriste. Na primjer, osim što se koristi u jedinicama i sklopovima sa smanjenom otpornošću, posrebrenje štiti kontaktne skupine od oksidacije. Jedinstvena svojstva srebra i njegovih legura često čine njegovu upotrebu opravdanom, unatoč visokoj cijeni.

Električna vodljivost je sposobnost tijela da propušta električnu struju pod utjecajem električnog polja. Ovu pojavu karakterizira vrijednost električne vodljivosti σ. Kao što teorija pokazuje, vrijednost σ može se izraziti u smislu koncentracije n slobodnih nositelja naboja, njihovog naboja e, mase m, vremena slobodnog puta τ e , duljine slobodnog puta λe i prosječne brzine drifta< v >nositelji 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 nositelja, tj. fizička veličina brojčano jednaka brzini driftanja koju stječu nosioci u polju jediničnog intenziteta, naime

u=< v >/ E = (e τ e) / m

Ovisno o σ, sve se tvari dijele; na vodičima - s σ\u003e 10 6 (Ohm m) -1, dielektricima - s σ\u003e 10 -8 (Ohm m) -1 i poluvodičima - s srednjom vrijednošću σ.

Sa stajališta vrpčne teorije, podjela tvari na vodiče, poluvodiče i dielektrike određena je time kako je valentna vrpca kristala ispunjena elektronima pri 0 K: djelomično ili potpuno.

Energija koju daje elektronima čak i slabo električno polje usporediva je s udaljenosti između razina u energetskom pojasu. Ako u pojasu postoje slobodne razine, tada će ih ispuniti elektroni pobuđeni vanjskim električnim poljem. Kvantno stanje sustava elektrona će se promijeniti, au kristalu će se pojaviti preferencijalno (usmjereno) gibanje elektrona protiv polja, tj. struja. Takva tijela (slika 10.1, a) su vodiči.

Ako je valentna vrpca potpuno ispunjena, tada se promjena stanja sustava elektrona može dogoditi tek kada oni prođu kroz zabranjeni pojas. Energija vanjskog električnog polja ne može napraviti takav prijelaz. Permutacija elektrona unutar potpuno ispunjene zone ne uzrokuje promjenu kvantnog stanja sustava, 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 nevodiči (dielektrici). Iz ove skupine tvari odabrane su one s zabranjenim pojasom ΔE ≤ 1 eV (1eV = 1,6 10 -19 J).

Prijelaz elektrona kroz zabranjeni pojas u takvim tijelima može se izvesti, na primjer, toplinskom pobudom. U tom slučaju dolazi do oslobađanja dijela razina - valentnog pojasa, a razine slobodnog pojasa koji slijede (vodljivi pojas) djelomično se popunjavaju. Ove tvari su poluvodiči.

Prema izrazu (10.1), promjena električne vodljivosti (električnog otpora) tijela s temperaturom može biti uzrokovana promjenom koncentracije n nositelja naboja ili promjenom njihove pokretljivosti u.

Metali

Kvantno mehanički proračuni pokazuju da je za metale koncentracija n slobodnih nositelja naboja (elektrona) jednaka:

n = (1 / 3π 2) (2mE F / đ 2) 3/2

gdje je đ \u003d h / 2π \u003d 1,05 10 -34 J s normalizirana Planckova konstanta, E F je Fermijeva energija.

Kako E F praktički ne ovisi o temperaturi T, ni koncentracija nositelja naboja ne ovisi o temperaturi. Prema tome, temperaturna ovisnost električne vodljivosti metala bit će potpuno određena pokretljivošću 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).

Stupanj mobilnosti nositelja naboja bit će određen procesima raspršenja, tj. interakcija elektrona s periodičkim poljem rešetke. Budući da je polje idealne rešetke strogo periodično, a stanje elektrona stacionarno, raspršenje (pojava električnog otpora metala) mogu uzrokovati samo defekti (atomi nečistoća, strukturna iskrivljenja itd.) i toplinske vibracije rešetke (fononi).

U blizini 0 K, gdje su intenzitet toplinskih vibracija rešetke i koncentracija fonona blizu nule, prevladava raspršenje na nečistoćama (elektron-primjesno raspršenje). U ovom slučaju, vodljivost se praktički ne mijenja, kao što slijedi iz formule (10.4), a otpor

ima konstantnu vrijednost, koja se naziva specifični rezidualni otpor ρ rest ili specifični otpor nečistoća ρ cca, tj.

ρ ostatak (ili ρ primarni) = const (T)

U području visokih temperatura u metalima prevladava elektron-fononski mehanizam raspršenja. S takvim mehanizmom raspršenja, električna vodljivost je obrnuto proporcionalna temperaturi, kao što se može vidjeti iz formule (10.3), a otpor je izravno proporcionalan temperaturi:

Grafikon ovisnosti otpora ρ o temperaturi prikazan je na sl. 10.2

Na temperaturama različitim od 0 K i dovoljno velikim količinama nečistoća može doći do raspršenja elektron-fonon i elektron-primjesa; ukupni otpor ima oblik

ρ = ρ prim + ρ f

Izraz (10.6) je Mathyssenovo pravilo o aditivnosti otpora. Treba primijetiti da je raspršenje i elektron-fonon i elektron-primjesa kaotično.

Poluvodiči

Kvantno-mehanički proračuni pokretljivosti nositelja u poluvodičima pokazali su da, prvo, mobilnost nositelja u opada s porastom temperature, a mehanizam raspršenja koji uzrokuje najmanju pokretljivost je odlučujući u određivanju mobilnosti. Drugo, ovisnost pokretljivosti nositelja naboja o razini dopiranja (koncentracija nečistoća) pokazuje da će, na niskoj razini dopiranja, mobilnost biti određena raspršenjem vibracijama rešetke i stoga ne bi trebala ovisiti o koncentraciji nečistoća.

Pri visokim razinama dopiranja treba se odrediti raspršenjem na ioniziranom dopantu i smanjivati s povećanjem koncentracije nečistoća. Dakle, promjena mobilnosti nositelja naboja ne bi trebala značajno pridonijeti promjeni električnog otpora poluvodiča.

U skladu s izrazom (10.1), glavni doprinos promjeni električne vodljivosti poluvodiča trebala bi dati promjena koncentracije n nositelja naboja.

Glavna značajka poluvodiča je aktivacijska priroda vodljivosti, tj. izražena ovisnost koncentracije nositelja o vanjskim utjecajima, kao što su temperatura, zračenje i dr. To je zbog uskog zabranjenog pojasa (ΔE< 1 эВ) у собственных полупроводников и наличием дополнительных уровней в запрещенной зоне у примесных полупроводников.

Električna vodljivost kemijski čistih poluvodiča naziva se vlastitu vodljivost. Vlastita vodljivost poluvodiča nastaje kao rezultat prijelaza elektrona (n) iz gornjih razina valentnog pojasa u vodljivi pojas i stvaranja 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 šupljina,
u n i u ρ - njihova pokretljivost,
e je naknada prijevoznika.

Kako temperatura raste, koncentracija elektrona u vodljivom pojasu i šupljina 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 šupljina pri T → ∞,
k \u003d 1,38 10 -23 J / K - Boltzmannova konstanta.

Slika 10.3,a prikazuje krivulju logaritma električne vodljivosti ln σ vlastitog poluvodiča na recipročnoj temperaturi 1 / T: ln σ \u003d ƒ (1 / T). Graf je ravna linija, čiji se nagib može koristiti za određivanje zabranjenog pojasa ∆E.

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

Za slabo dopirane poluvodiče na niskim temperaturama prevladavaju prijelazi koji uključuju razine nečistoća. S porastom temperature raste koncentracija nositelja nečistoća, što znači da se povećava i vodljivost nečistoća. Nakon postizanja t. A (vidi sl. 10.3, b; krivulja 1) - temperatura osiromašenja nečistoća T S1 - svi nosači nečistoća bit će prebačeni u vodljivi pojas.

Iznad temperature T S1 i do temperature prijelaza na vlastitu vodljivost T i1 (vidi t. B, krivulja 1, sl. 10.3, b), električna vodljivost pada, a otpor poluvodiča raste. Iznad temperature T i1 prevladava vlastita električna vodljivost, tj. zbog toplinske pobude vlastiti nosioci naboja prelaze u vodljivi pojas. U području intrinzične vodljivosti σ raste, dok ρ opada.

Za jako dopirane poluvodiče, u kojima je koncentracija primjesa n ~ 1026 m–3, tj. je razmjerna koncentraciji nositelja naboja u metalima (vidi krivulju 3, sl. 10.3, b), ovisnost σ o temperaturi opaža se samo u području intrinzične vodljivosti. S povećanjem koncentracije nečistoća, vrijednost intervala AB (AB\u003e A "B"\u003e A "B") se smanjuje (vidi sl. 10.3, b).

I u području nečistoće vodljivosti iu području vlastite vodljivosti prevladava elektron-fononski mehanizam raspršenja. U području osiromašenja nečistoća (intervali AB, A"B", A"B") blizu temperature T S prevladava raspršenje elektrona na nečistoćama. Kako temperatura raste (prijelaz na T i), elektron-fononsko raspršenje počinje prevladavati. Dakle, interval AB (A"B" ili A"B"), nazvan područje osiromašenja nečistoća, također je područje prijelaza iz mehanizma provođenja nečistoća u mehanizam intrinzičnog provođenja.

« Fizika - 10. razred"

Kako se gibaju elektroni u metalnom vodiču kada u njemu nema električnog polja?
Kako se mijenja gibanje elektrona kada se na metalni vodič dovede napon?

Električnu struju provode čvrsta, tekuća i plinovita tijela. Po čemu se ti vodiči razlikuju jedan od drugoga?

Upoznali ste električnu struju u metalnim vodičima i eksperimentalno utvrđenu strujno-naponsku karakteristiku tih vodiča – Ohmov zakon.

Uz metale, dobri vodiči, odnosno tvari s velikim brojem slobodnih nabijenih čestica, jesu vodene otopine ili taline elektrolita i ionizirani plin - plazma. Ovi vodiči imaju široku primjenu u inženjerstvu.

U vakuumskim elektroničkim uređajima električna struja nastaje protokom elektrona.

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

Osim dirigenti i dielektrici(tvari s relativno malim brojem slobodnih nabijenih čestica), postoji skupina tvari čija vodljivost zauzima srednji položaj između vodiča i dielektrika. Ove tvari ne provode električnu struju dovoljno dobro da bi se mogle nazvati vodičima, ali nisu toliko loše da bi se mogle klasificirati kao dielektrici. Zato su i dobili ime poluvodiči.

Dugo vremena poluvodiči nisu imali značajnu praktičnu ulogu. U elektrotehnici i radiotehnici korišteni su samo razni vodiči i dielektrici. Situacija se bitno promijenila kada je najprije teorijski predviđena, a zatim otkrivena i proučavana lako izvediva mogućnost upravljanja električnom vodljivošću poluvodiča.

Ne postoji univerzalni nositelj struje. Tablica prikazuje trenutne nositelje u različitim medijima.

Elektronska vodljivost metala.

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

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

Ti su elektroni uključeni u nasumično toplinsko gibanje. Pod djelovanjem električnog polja počinju se gibati uredno s prosječnom brzinom od oko 10 -4 m/s.

Eksperimentalni dokaz postojanja slobodnih elektrona u metalima.

Eksperimentalni dokazi da je vodljivost metala posljedica kretanja slobodnih elektrona dati su u pokusima 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 međusobno izolirana (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 gibaju se neko vrijeme u odnosu na vodič po inerciji i, posljedično, u zavojnici se pojavljuje električna struja. Struja postoji kratko, jer se zbog otpora vodiča nabijene čestice usporavaju i prestaje uređeno kretanje čestica koje tvori struju.

Smjer struje u ovom pokusu pokazuje da je ona nastala kretanjem negativno nabijenih čestica. Preneseni naboj u ovom slučaju proporcionalan je omjeru naboja čestica koje stvaraju struju i njihove mase, tj. |q|/m. Stoga je mjerenjem naboja koji prolazi kroz galvanometar tijekom postojanja struje u strujnom krugu bilo moguće odrediti taj omjer. Pokazalo se da je jednak 1,8 10 11 C/kg. Ova se vrijednost poklapala 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. Kad se vodič spoji na izvor struje, u njemu se stvara električno polje, a na elektrone počinje djelovati Coulombova sila = q e. Pod djelovanjem te sile elektroni se počinju gibati u smjeru, tj. superponira se kaotično gibanje elektrona.Brzina usmjerenog gibanja raste neko vrijeme t 0 dok ne dođe do sudara elektrona s ionima kristalne rešetke. . U tom slučaju elektroni gube smjer kretanja, a zatim se ponovno počinju kretati usmjereno. Dakle, brzina usmjerenog kretanja elektrona mijenja se od nule do određene maksimalne vrijednosti jednake Kao rezultat toga, prosječna brzina uređenog kretanja elektrona ispada da je jednaka, tj. proporcionalna jakosti električnog polja u vodič: υ ~ E i, prema tome, razlika potencijala na krajevima vodiča, tako da gdje je l duljina vodiča.

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

To je što kvalitativno objašnjenje Ohmovog zakona na temelju elektroničke teorije vodljivosti metala.

Nemoguće je izgraditi zadovoljavajuću kvantitativnu teoriju gibanja elektrona u metalu temeljenu na zakonima klasične mehanike. Činjenica je da su uvjeti za kretanje elektrona u metalu takvi da je Newtonova klasična mehanika neprimjenjiva za opisivanje tog kretanja. Ova činjenica potvrđuje, na primjer, ovisnost otpora o temperaturi. Prema klasičnoj teoriji metala, u kojoj se gibanje elektrona razmatra na temelju drugog Newtonovog zakona, otpor vodiča proporcionalan je eksperimentu, dok eksperiment pokazuje linearnu ovisnost otpora o temperaturi.

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

U Međunarodnom sustavu jedinica električna vodljivost je predstavljena slovom S i mjeri se u siemenima.

Ovisno o vrsti i prirodi nositelja naboja vodljivost je elektronska, ionska i šupljina. Metali imaju elektronsku vodljivost. Takva vodljivost postoji u gornjim slojevima atmosfere, gdje je gustoća tvari mala, zbog koje se elektroni mogu slobodno kretati bez spajanja s pozitivno nabijenim ionima.Tekući elektroni imaju ionsku vodljivost. Ioni, koji su nositelji naboja, pokreću tvar pri kretanju, uslijed čega se ona oslobađa na elektrodama.Mehanizam provođenja moguć je zbog prekida valentne veze, što dovodi do pojave praznog mjesta s odsutnom vezom. . Takvo "prazno" mjesto s nedostajućim veznim elektronima naziva se rupa. Pojava rupe u kristalu vodiča stvara dodatnu priliku za prijenos naboja. Ovaj proces, popraćen kretanjem elektrona, naziva se kondukcija šupljina.

Električna vodljivost metala. Vrste električne vodljivosti. Fermijeva razina.

Vrste električne vodljivosti

Ovisno o vrsti i prirodi nositelja naboja vodljivost je elektronska, ionska i šupljina.

Metali imaju elektronsku vodljivost.

Tekuće tvari imaju ionsku vodljivost. Ioni, koji su nositelji naboja, pokreću tvar pri kretanju, uslijed čega se ona oslobađa na elektrodama.

Moguć je mehanizam provođenja, zbog kidanja valentne veze, što dovodi do pojave praznog mjesta s odsutnom vezom. Takvo "prazno" mjesto s nedostajućim veznim elektronima naziva se rupa. Pojava rupe u kristalu vodiča stvara dodatnu priliku za prijenos naboja. Ovaj proces, popraćen kretanjem elektrona, naziva se kondukcija šupljina.

Kao vodiči električne struje mogu poslužiti čvrste tvari, tekućine i, pod odgovarajućim uvjetima, plinovi.

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

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

Tekući vodiči uključuju rastaljene metale i razne elektrolite. U pravilu je talište metala visoko, s izuzetkom žive (Hg) koja ima temperaturu od -39°C. Stoga se pri normalnoj temperaturi kao tekući metalni vodič može koristiti samo živa. Galij (Ga) također ima temperaturu blizu normalne (29,8 °C). Ostali metali su tekući vodiči samo pri povišenim ili visokim temperaturama.

Mehanizam prolaska struje kroz metale u krutom i tekućem stanju posljedica je kretanja slobodnih elektrona. Zbog toga se nazivaju vodičima s elektronskom električnom vodljivošću ili vodičima prve vrste.

Elektroliti ili vodiči druge vrste su otopine (uglavnom vodene) kiselina, lužina i soli, kao i taline ionskih spojeva. Prolaz struje kroz takve vodiče povezan je s prijenosom dijelova molekula (iona) 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 jakostima električnog polja. Međutim, ako je jakost polja veća od određene kritične vrijednosti, koja osigurava nastanak udara i fotoionizacije, tada plin može postati vodič s elektronskom i ionskom električnom vodljivošću. Jako ionizirani plin s jednakim brojem elektrona i pozitivnih iona po jedinici volumena je ravnotežni vodljivi medij koji se naziva plazma.

Klasična elektronička teorija metala, koju su razvili Drude i Lorentz, temelji se na ideji elektronskog plina koji se sastoji od slobodnih elektrona. Elektronskom plinu pripisuju se svojstva idealnog plina, tj. gibanje elektrona pokorava se zakonima klasične statistike

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

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

Prisutnost slobodnih elektrona također je odgovorna za visoku toplinsku vodljivost metala. Budući da su u neprekidnom kretanju, elektroni se neprestano sudaraju s ionima i s njima razmjenjuju energiju. Stoga se titraji iona, koji su se u danom dijelu metala zbog zagrijavanja pojačali, odmah prenose na susjedne ione, s njih na sljedeće itd., te se toplinsko stanje metala brzo izravnava; cijela masa metala uzima istu temperaturu.

Toplinska vodljivost može se definirati kao svojstvo tvari da provodi (prenosi) toplinski tok pod djelovanjem temperaturne razlike koja se ne mijenja tijekom vremena.

Fermijeva energija E F- najveća vrijednost energije koju elektron može imati pri temperaturi apsolutnoj nuli. Fermijeva energija podudara se s vrijednostima kemijskog potencijala fermionskog plina pri T \u003d 0 K, odnosno Fermijeva razina za elektrone ima ulogu razine kemijskog potencijala za nenabijene čestice. Njegov odgovarajući potencijal j F = E F /e naziva se elektrokemijski potencijal.

Dakle, Fermijeva razina ili Fermijeva energija u metalima je energija koju elektron može imati na temperaturi apsolutnoj nuli. Kada se metal zagrijava, neki elektroni koji su blizu Fermijeve razine su pobuđeni (zbog toplinske energije, čija je vrijednost reda veličine kT). Ali na bilo kojoj temperaturi, za razinu s energijom koja odgovara Fermijevoj razini, vjerojatnost punjenja je 1/2. Sve razine ispod Fermijeve razine imaju vjerojatnost veću od 1/2 ispunjeni su elektronima, a sve razine iznad Fermijeve razine vjerojatnije su od 1/2 bez elektrona.

Postojanje Fermijeve energije je posljedica Paulijevog principa. Vrijednost Fermijeve energije bitno ovisi o svojstvima sustava.

Elektronsku vodljivost metala prvi je eksperimentalno dokazao njemački fizičar E. Rikke 1901. godine. Kroz tri uglačana cilindra čvrsto stisnuta jedan uz drugi - bakar, aluminij i opet bakar - dugo je (tijekom godinu dana) prolazila električna struja. . Ukupni naboj koji je prošao tijekom tog vremena 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 značajno promijeniti da su nositelji naboja ioni.

Rezultati pokusa pokazali su da je masa svakog od cilindara ostala nepromijenjena. Na dodirnim površinama pronađeni su tek neznatni tragovi međusobnog prodiranja metala, koji nisu prelazili rezultate uobičajene difuzije atoma u čvrstim tijelima. Posljedično, slobodni nositelji naboja u metalima nisu ioni, već čestice koje su iste i u bakru i u aluminiju. Samo bi elektroni mogli biti takve čestice.

Izravan i uvjerljiv dokaz o valjanosti ove pretpostavke dobiven je u pokusima koje su 1913. godine postavili L. I. Mandelstam i N. D. Papaleksi te 1916. godine T. Stuart i R. Tolman.

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

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

Smjer struje pokazuje da ona nastaje kretanjem negativno nabijenih čestica. Naboj koji se prenosi u ovom slučaju proporcionalan je omjeru naboja čestica koje stvaraju struju i njihove mase, tj. . Dakle, mjerenjem naboja koji prolazi kroz galvanometar za cijelo vrijeme postojanja struje u krugu, bilo je moguće odrediti omjer. Pokazalo se da je jednak 1,8·10 11 C/kg. Ova vrijednost podudara se s omjerom naboja elektrona i njegove mase koji je ranije pronađen iz drugih eksperimenata.

Dakle, električna struja u metalima nastaje kretanjem negativno nabijenih čestica elektrona. Prema klasičnoj elektroničkoj teoriji vodljivosti metala (P. Drude, 1900., H. Lorenz, 1904.), metalni vodič može se smatrati fizičkim sustavom kombinacije dvaju podsustava:

slobodnih elektrona s koncentracijom ~ 10 28 m -3 i
pozitivno nabijeni ioni koji titraju 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 atomsku jezgru odvajaju se od atoma (slika 2). Stoga se pozitivni ioni nalaze u čvorovima kristalne rešetke metala, au međuprostoru se kreću elektroni koji nisu povezani s jezgrama svojih atoma. Ti se elektroni nazivaju besplatno ili elektroni vodljivosti. Izvode kaotično kretanje, slično kretanju molekula plina. Stoga se ukupnost slobodnih elektrona u metalima naziva elektronski plin.

Ako se na vodič primijeni vanjsko električno polje, tada se usmjereno gibanje superponira na slučajno kaotično kretanje slobodnih elektrona pod djelovanjem sila električnog polja, što stvara električnu struju. Brzina kretanja samih elektrona u vodiču je nekoliko frakcija milimetra u sekundi, međutim, električno polje koje nastaje u vodiču širi se duž cijele duljine vodiča brzinom bliskom brzini svjetlosti u vakuumu ( 3 10 8 m/s).

Budući da električnu struju u metalima tvore slobodni elektroni, naziva se vodljivost metalnih vodiča elektronska vodljivost.

Elektroni pod utjecajem stalne sile koja djeluje iz električnog polja poprimaju određenu brzinu uređenog gibanja (naziva se drift). Ta se brzina s vremenom dalje ne povećava, jer pri sudaru s 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 (ovo je udaljenost koju elektron prijeđe između dva uzastopna sudara s ionima), elektron giba s akceleracijom i njegova driftna brzina raste linearno s vremenom

U trenutku sudara elektron predaje kinetičku energiju kristalnoj rešetki. Zatim se ponovno ubrzava i proces se ponavlja. Kao rezultat toga, prosječna brzina uređenog kretanja elektrona proporcionalna je jakosti električnog polja u vodiču i, posljedično, razlici potencijala na krajevima vodiča, jer , gdje je l duljina vodiča.

Poznato je da je jakost struje u vodiču proporcionalna brzini uređenog kretanja čestica

pa je prema prethodnom jakost struje proporcionalna razlici potencijala na krajevima vodiča: I ~ U. To je kvalitativno objašnjenje Ohmovog zakona temeljeno na klasičnoj elektronskoj teoriji vodljivosti metala.

Međutim, postoje poteškoće s ovom teorijom. Iz teorije proizlazi da bi otpor trebao biti proporcionalan kvadratnom korijenu temperature (), dok je, prema iskustvu, ~ T. Osim toga, toplinski kapacitet metala, prema ovoj teoriji, trebao bi biti mnogo veći od toplinski kapacitet monoatomskih kristala. U stvarnosti se toplinski kapacitet metala malo razlikuje od toplinskog kapaciteta nemetalnih kristala. Te poteškoće su prevladane tek u kvantnoj teoriji.

Godine 1911. nizozemski 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), otpornost naglo opada (Sl. 3) gotovo do nule. Ovu pojavu pretvaranja električnog otpora u nulu G. Kamerling-Onnes nazvao je supravodljivost.

Kasnije je utvrđeno da više od 25 kemijskih elemenata - metala na vrlo niskim temperaturama postaju supravodiči. Svaki od njih ima svoju kritičnu temperaturu prijelaza u stanje s nultim otporom. Njegova najniža vrijednost za volfram je 0,012K, najveća za niobij je 9K.

Supravodljivost se uočava ne samo u čistim metalima, već iu mnogim kemijskim spojevima i legurama. U ovom slučaju, sami elementi, koji su dio supravodljivog spoja, ne moraju biti supravodiči. Na primjer, NiBi, Au 2 Bi, PdTe, PtSb i drugi.

Tvari u supravodljivom stanju imaju neobična svojstva:

električna struja u supravodiču može postojati dugo vremena bez izvora struje;
unutar tvari u supravodljivom stanju nemoguće je stvoriti magnetsko polje:
magnetsko polje uništava stanje supravodljivosti. Supervodljivost je fenomen koji se objašnjava sa stajališta kvantne teorije. Njegov prilično kompliciran opis nadilazi okvire školskog tečaja fizike.

Sve donedavno široku primjenu supravodljivosti ometale su poteškoće povezane s potrebom hlađenja na ultraniske temperature, za što se koristio tekući helij. Ipak, unatoč složenosti opreme, nedostatku i visokoj cijeni helija, od 60-ih godina XX. stoljeća stvaraju se supravodljivi magneti bez toplinskih gubitaka u njihovim namotima, što je praktički omogućilo dobivanje jakih magnetskih polja u relativno velikim svezaci. Upravo su takvi magneti potrebni za stvaranje objekata za kontroliranu termonuklearnu fuziju s magnetskim ograničenjem plazme, za snažne akceleratore nabijenih čestica. Supravodiči se koriste u raznim mjernim uređajima, prvenstveno u uređajima za mjerenje vrlo slabih magnetskih polja s najvećom točnošću.

Trenutno se 10 - 15% energije troši na svladavanje otpora žica u dalekovodima. Supervodljivi vodovi, ili barem inputi velikim gradovima, donijet će ogromne uštede. Još jedno polje primjene supravodljivosti je transport.

Na temelju supravodljivih filmova stvoren je niz logičkih i memorijskih elemenata velike brzine za računalne uređaje. U istraživanju svemira perspektivna je uporaba 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 100 K, odnosno na temperaturi iznad vrelišta dušika. Mogućnost hlađenja supravodiča tekućim dušikom, koji ima za red veličine veću toplinu isparavanja, uvelike pojednostavljuje i pojeftinjuje svu kriogenu opremu, a obećava i golem ekonomski učinak.