Kekonduksian elektronik logam. Kekonduksian elektronik logam - Pasar Besar Pengetahuan

Nilai logam ditentukan secara langsung oleh sifat kimia dan fizikalnya. Dalam kes penunjuk seperti kekonduksian elektrik, hubungan ini tidak begitu mudah. Logam yang paling konduktif elektrik, jika diukur pada suhu bilik (+20 °C), ialah perak.

Tetapi kos yang tinggi mengehadkan penggunaan bahagian perak dalam kejuruteraan elektrik dan mikroelektronik. Unsur perak dalam peranti sedemikian hanya digunakan dalam kes kemungkinan ekonomi.

Maksud fizikal kekonduksian

Penggunaan konduktor logam mempunyai sejarah yang panjang. Para saintis dan jurutera yang bekerja dalam bidang sains dan teknologi yang menggunakan elektrik telah lama memutuskan bahan untuk wayar, terminal, sesentuh, dll. Kuantiti fizikal yang dipanggil kekonduksian elektrik membantu untuk menentukan logam yang paling konduktif elektrik di dunia.

Konsep kekonduksian adalah songsang kepada rintangan elektrik. Ungkapan kuantitatif kekonduksian dikaitkan dengan unit rintangan, yang dalam sistem unit antarabangsa (SI) diukur dalam ohm. Unit SI ialah siemens. Penamaan Rusia untuk unit ini ialah Sm, yang antarabangsa ialah S. Kekonduksian elektrik 1 Sm mempunyai bahagian rangkaian elektrik dengan rintangan 1 ohm.

Kekonduksian

Ukuran keupayaan bahan untuk mengalirkan arus elektrik dipanggil penunjuk tertinggi yang mempunyai logam paling konduktif elektrik. Ciri ini boleh ditentukan secara instrumental untuk sebarang bahan atau medium dan mempunyai ungkapan berangka. konduktor silinder panjang unit dan luas keratan rentas unit berkaitan dengan kerintangan konduktor ini.

Unit sistem kekonduksian ialah siemen per meter - Sm/m. Untuk mengetahui logam mana yang merupakan logam paling konduktif elektrik di dunia, cukup untuk membandingkan kekonduksian khusus mereka, ditentukan secara eksperimen. Anda boleh menentukan kerintangan menggunakan peranti khas - mikroohmmeter. Ciri-ciri ini bergantung secara songsang.

Kekonduksian logam

Konsep aliran terarah zarah bercas kelihatan lebih harmoni untuk bahan berdasarkan ciri kekisi kristal logam. Pembawa cas sekiranya berlaku arus elektrik dalam logam adalah elektron bebas, dan bukan ion, seperti yang berlaku dalam media cecair. Telah terbukti secara eksperimen bahawa apabila arus berlaku dalam logam, tiada pemindahan zarah bahan antara konduktor.

Bahan logam berbeza daripada yang lain dengan ikatan yang lebih longgar pada peringkat atom. Struktur dalaman logam dicirikan oleh kehadiran sejumlah besar elektron "kesepian". yang, di bawah pengaruh sedikit pun daya elektromagnet, membentuk aliran terarah. Oleh itu, tidak sia-sia bahawa logam adalah konduktor terbaik arus elektrik, dan interaksi molekul seperti itulah yang membezakan logam yang paling konduktif elektrik. Satu lagi sifat khusus logam adalah berdasarkan ciri-ciri struktur kekisi kristal logam - kekonduksian terma yang tinggi.

Konduktor terbaik teratas - logam

4 logam yang mempunyai kepentingan praktikal untuk kegunaannya sebagai konduktor elektrik diagihkan mengikut susunan berikut berkenaan dengan nilai kekonduksian, diukur dalam S/m:

Perak - 62,500,000.
Tembaga - 59,500,000.
Emas - 45,500,000.
Aluminium - 38,000,000.

Ia boleh dilihat bahawa logam yang paling konduktif elektrik adalah perak. Tetapi seperti emas, ia digunakan untuk mengatur rangkaian elektrik hanya dalam kes khusus khas. Sebabnya kos yang tinggi.

Walau bagaimanapun, tembaga dan aluminium adalah pilihan yang paling biasa untuk peralatan elektrik dan produk kabel kerana rintangan elektrik yang rendah dan kemampuannya. Logam lain jarang digunakan sebagai konduktor.

Faktor yang mempengaruhi kekonduksian logam

Malah logam yang paling konduktif elektrik mengurangkan kekonduksiannya jika bahan tambahan dan kekotoran lain terdapat di dalamnya. Aloi mempunyai struktur kekisi kristal yang berbeza daripada logam "tulen". Ia dibezakan oleh pelanggaran dalam simetri, retak dan kecacatan lain. Kekonduksian juga berkurangan dengan peningkatan suhu ambien.

Rintangan yang meningkat yang wujud dalam aloi didapati digunakan dalam elemen pemanas. Bukan kebetulan bahawa nichrome, fechral dan aloi lain digunakan untuk pembuatan elemen kerja relau elektrik, pemanas.

Logam yang paling konduktif elektrik ialah perak berharga, lebih banyak digunakan oleh tukang emas untuk mencetak syiling, dll. Tetapi dalam teknologi dan pembuatan instrumen, sifat kimia dan fizikal khasnya digunakan secara meluas. Sebagai contoh, selain digunakan dalam unit dan pemasangan dengan rintangan yang dikurangkan, penyaduran perak melindungi kumpulan kenalan daripada pengoksidaan. Sifat unik perak dan aloinya sering menjadikan penggunaannya wajar, walaupun kosnya tinggi.

Kekonduksian elektrik ialah keupayaan badan untuk menghantar arus elektrik di bawah pengaruh medan elektrik. Untuk mencirikan fenomena ini ialah nilai kekonduksian elektrik σ. Seperti yang ditunjukkan oleh teori, nilai σ boleh dinyatakan dari segi kepekatan n pembawa cas percuma, casnya e, jisim m, masa laluan bebas τ e , panjang laluan bebas λe dan halaju hanyut purata< v >pembawa caj. Bagi logam, elektron bebas bertindak sebagai pembawa cas bebas, supaya:

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

di mana u ialah mobiliti pembawa, i.e. kuantiti fizik secara berangka sama dengan halaju hanyutan yang diperoleh oleh pembawa dalam bidang keamatan unit, iaitu

u=< v >/ E = (e τ e) / m

Bergantung kepada σ, semua bahan dibahagikan; pada konduktor - dengan σ\u003e 10 6 (Ohm m) -1, dielektrik - dengan σ\u003e 10 -8 (Ohm m) -1 dan semikonduktor - dengan nilai perantaraan σ.

Dari sudut pandangan teori jalur, pembahagian bahan kepada konduktor, semikonduktor dan dielektrik ditentukan oleh bagaimana jalur valens kristal diisi dengan elektron pada 0 K: sebahagian atau sepenuhnya.

Tenaga yang diberikan kepada elektron walaupun oleh medan elektrik yang lemah adalah setanding dengan jarak antara tahap dalam jalur tenaga. Sekiranya terdapat tahap bebas dalam jalur, maka elektron yang teruja oleh medan elektrik luaran akan mengisinya. Keadaan kuantum sistem elektron akan berubah, dan gerakan keutamaan (diarahkan) elektron terhadap medan akan muncul dalam kristal, i.e. elektrik. Badan sedemikian (Rajah 10.1, a) adalah konduktor.

Jika jalur valens terisi sepenuhnya, maka perubahan dalam keadaan sistem elektron hanya boleh berlaku apabila ia melalui jurang jalur. Tenaga medan elektrik luaran tidak boleh membuat peralihan sedemikian. Permutasi elektron di dalam zon yang diisi sepenuhnya tidak menyebabkan perubahan dalam keadaan kuantum sistem, kerana elektron itu sendiri tidak dapat dibezakan.

Dalam kristal sedemikian (Rajah 10.1, b), medan elektrik luaran tidak akan menyebabkan arus elektrik muncul, dan ia akan menjadi bukan konduktor (dielektrik). Daripada kumpulan bahan ini, mereka yang mempunyai jurang jalur ΔE ≤ 1 eV (1eV = 1.6 10 -19 J) telah dipilih.

Peralihan elektron melalui jurang jalur dalam badan sedemikian boleh dilakukan, sebagai contoh, melalui pengujaan terma. Dalam kes ini, sebahagian daripada tahap - jalur valens - dilepaskan dan tahap jalur bebas yang mengikutinya (jalur pengaliran) diisi sebahagiannya. Bahan-bahan ini adalah semikonduktor.

Menurut ungkapan (10.1), perubahan dalam kekonduksian elektrik (rintangan elektrik) jasad dengan suhu boleh disebabkan oleh perubahan kepekatan n pembawa cas atau perubahan dalam mobilitinya u.

logam

Pengiraan mekanikal kuantum menunjukkan bahawa bagi logam kepekatan n pembawa cas bebas (elektron) adalah sama dengan:

n = (1 / 3π 2) (2mE F / ђ 2) 3/2

di mana ђ \u003d h / 2π \u003d 1.05 10 -34 J s ialah pemalar Planck ternormal, E F ialah tenaga Fermi.

Oleh kerana E F secara praktikalnya tidak bergantung pada suhu T, kepekatan pembawa cas juga tidak bergantung pada suhu. Akibatnya, pergantungan suhu kekonduksian elektrik logam akan ditentukan sepenuhnya oleh mobiliti elektron u, seperti berikut daripada formula (10.1). Kemudian pada suhu tinggi

u ~ λ e / ~T-1

dan pada suhu rendah

u ~ λ e / ~const(T).

Tahap mobiliti pembawa caj akan ditentukan oleh proses serakan, i.e. interaksi elektron dengan medan berkala kekisi. Oleh kerana medan kekisi yang ideal adalah berkala dengan ketat, dan keadaan elektron adalah pegun, penyebaran (kemunculan rintangan elektrik logam) hanya boleh disebabkan oleh kecacatan (atom kekotoran, herotan struktur, dll.) dan getaran haba daripada kekisi (fonon).

Berhampiran 0 K, di mana keamatan getaran terma kekisi dan kepekatan fonon adalah hampir kepada sifar, serakan oleh bendasing (penyerakan kekotoran elektron) mendominasi. Dalam kes ini, kekonduksian secara praktikal tidak berubah, seperti berikut dari formula (10.4), dan kerintangan

mempunyai nilai malar, yang dipanggil rintangan baki tertentu ρ rehat atau rintangan kekotoran spesifik ρ lebih kurang, i.e.

ρ rehat (atau ρ perdana) = const (T)

Di kawasan suhu tinggi, mekanisme penyerakan elektron-phonon menjadi dominan dalam logam. Dengan mekanisme serakan sedemikian, kekonduksian elektrik adalah berkadar songsang dengan suhu, seperti yang boleh dilihat dari formula (10.3), dan kerintangan adalah berkadar terus dengan suhu:

Graf kebergantungan kerintangan ρ pada suhu ditunjukkan dalam rajah. 10.2

Pada suhu selain daripada 0 K dan jumlah kekotoran yang cukup besar, kedua-dua elektron-phonon dan penyerakan kekotoran elektron boleh berlaku; jumlah kerintangan mempunyai bentuk

ρ = ρ prim + ρ f

Ungkapan (10.6) ialah peraturan Mathyssen tentang ketambahan rintangan. Perlu diingatkan bahawa kedua-dua penyerakan elektron-phonon dan kekotoran elektron adalah huru-hara.

Semikonduktor

Pengiraan kuantum-mekanikal mobiliti pembawa dalam semikonduktor telah menunjukkan bahawa, pertama, mobiliti pembawa u berkurangan dengan peningkatan suhu, dan mekanisme serakan yang menyebabkan mobiliti terendah adalah penentu dalam menentukan mobiliti. Kedua, pergantungan mobiliti pembawa cas pada tahap doping (kepekatan kekotoran) menunjukkan bahawa, pada tahap doping yang rendah, mobiliti akan ditentukan dengan serakan oleh getaran kekisi dan, oleh itu, tidak harus bergantung pada kepekatan kekotoran.

Pada tahap doping yang tinggi, ia harus ditentukan dengan penyebaran pada dopan terion dan berkurangan dengan peningkatan kepekatan bendasing. Oleh itu, perubahan dalam mobiliti pembawa cas tidak seharusnya memberi sumbangan yang ketara kepada perubahan dalam rintangan elektrik semikonduktor.

Selaras dengan ungkapan (10.1), sumbangan utama kepada perubahan dalam kekonduksian elektrik semikonduktor harus dibuat oleh perubahan dalam kepekatan n pembawa cas.

Ciri utama semikonduktor ialah sifat pengaktifan kekonduksian, i.e. pergantungan ketara kepekatan pembawa pada pengaruh luar, seperti suhu, penyinaran, dsb. Ini disebabkan oleh jurang jalur sempit (ΔE< 1 эВ) у собственных полупроводников и наличием дополнительных уровней в запрещенной зоне у примесных полупроводников.

Kekonduksian elektrik semikonduktor tulen secara kimia dipanggil kekonduksian sendiri. Kekonduksian intrinsik semikonduktor timbul akibat peralihan elektron (n) dari aras atas jalur valens ke jalur konduksi dan pembentukan lubang (p) dalam jalur valens:

σ = σ n + σ ρ = e n n u n + e n ρ u ρ

di mana n n dan n ρ ialah kepekatan elektron dan lubang,
u n dan u ρ - masing-masing mobiliti mereka,
e ialah caj pembawa.

Apabila suhu meningkat, kepekatan elektron dalam jalur konduksi dan lubang dalam jalur valens meningkat secara eksponen:

n n = u nо exp(-ΔE / 2kT) = n ρ = n ρо exp(-ΔE / 2kT)

di mana n nо dan n pо ialah kepekatan elektron dan lubang pada Т → ∞,
k \u003d 1.38 10 -23 J / K - pemalar Boltzmann.

Rajah 10.3,a menunjukkan plot logaritma kekonduksian elektrik ln σ semikonduktornya sendiri pada suhu timbal balik 1 / T: ln σ \u003d ƒ (1 / T). Graf ialah garis lurus, cerunnya boleh digunakan untuk menentukan jurang jalur ∆E.

Kekonduksian elektrik semikonduktor terdop adalah disebabkan oleh kehadiran pusat kekotoran di dalamnya. Kebergantungan suhu semikonduktor sedemikian ditentukan bukan sahaja oleh kepekatan pembawa majoriti, tetapi juga oleh kepekatan pembawa yang dibekalkan oleh pusat kekotoran. Pada rajah. 10.3b menunjukkan graf ln σ \u003d ƒ (1 / T) untuk semikonduktor dengan pelbagai darjah doping (n1< n2 < n3, где n – концентрация примеси).

Untuk semikonduktor doped ringan pada suhu rendah, peralihan yang melibatkan tahap kekotoran didominasi. Apabila suhu meningkat, kepekatan pembawa kekotoran meningkat, yang bermaksud bahawa kekonduksian kekotoran juga meningkat. Apabila mencapai t A (lihat Rajah 10.3, b; lengkung 1) - suhu penyusutan bendasing T S1 - semua pembawa bendasing akan dipindahkan ke jalur pengaliran.

Di atas suhu T S1 dan sehingga suhu peralihan kepada kekonduksian intrinsik T i1 (lihat t. B, lengkung 1, Rajah 10.3, b), kekonduksian elektrik menurun, dan rintangan semikonduktor meningkat. Di atas suhu T i1, kekonduksian elektrik intrinsik mendominasi, i.e. disebabkan pengujaan terma, pembawa cas mereka sendiri masuk ke jalur pengaliran. Dalam kawasan konduksi intrinsik, σ meningkat, manakala ρ berkurangan.

Untuk semikonduktor terdop berat, di mana kepekatan kekotoran ialah n ~ 1026 m–3, i.e. adalah sepadan dengan kepekatan pembawa cas dalam logam (lihat lengkung 3, Rajah 10.3, b), pergantungan σ pada suhu diperhatikan hanya di kawasan pengaliran intrinsik. Dengan peningkatan kepekatan kekotoran, nilai selang AB (AB\u003e A "B"\u003e A "B") berkurangan (lihat Rajah 10.3, b).

Kedua-dua di kawasan kekonduksian kekotoran dan di kawasan kekonduksian intrinsik, mekanisme penyerakan elektron-phonon berlaku. Di kawasan penyusutan kekotoran (selang AB, A"B", A"B") berhampiran suhu T S, penyebaran kekotoran elektron berlaku. Apabila suhu meningkat (peralihan kepada T i), penyerakan elektron-phonon mula mendominasi. Oleh itu, selang AB (A"B" atau A"B"), dipanggil kawasan penyusutan kekotoran, juga merupakan kawasan peralihan daripada mekanisme pengaliran kekotoran kepada mekanisme pengaliran intrinsik.

« Fizik - Darjah 10"

Bagaimanakah elektron bergerak dalam konduktor logam apabila tiada medan elektrik di dalamnya?
Bagaimanakah pergerakan elektron berubah apabila voltan dikenakan pada konduktor logam?

Arus elektrik dialirkan oleh badan pepejal, cecair dan gas. Bagaimanakah konduktor ini berbeza antara satu sama lain?

Anda telah berkenalan dengan arus elektrik dalam konduktor logam dan dengan ciri voltan arus yang telah dibuat secara eksperimen bagi konduktor ini - hukum Ohm.

Bersama dengan logam, konduktor yang baik, iaitu, bahan dengan sejumlah besar zarah bercas bebas, adalah larutan akueus atau cair elektrolit dan gas terion - plasma. Konduktor ini digunakan secara meluas dalam kejuruteraan.

Dalam peranti elektronik vakum, arus elektrik dibentuk oleh aliran elektron.

Konduktor logam digunakan secara meluas dalam penghantaran elektrik daripada sumber arus kepada pengguna. Di samping itu, konduktor ini digunakan dalam motor elektrik dan penjana, pemanas elektrik, dll.

Kecuali konduktor dan dielektrik(bahan dengan bilangan zarah bercas bebas yang agak kecil), terdapat sekumpulan bahan yang kekonduksian menduduki kedudukan pertengahan antara konduktor dan dielektrik. Bahan-bahan ini tidak menghantar elektrik dengan cukup baik untuk dipanggil konduktor, tetapi ia tidak begitu buruk untuk dikelaskan sebagai dielektrik. Itulah sebabnya mereka mendapat nama itu semikonduktor.

Untuk masa yang lama, semikonduktor tidak memainkan peranan praktikal yang penting. Dalam kejuruteraan elektrik dan radio, hanya pelbagai konduktor dan dielektrik digunakan. Keadaan berubah dengan ketara apabila ia mula-mula diramalkan secara teori, dan kemudian ditemui dan dikaji, kemungkinan yang mudah dilaksanakan untuk mengawal kekonduksian elektrik semikonduktor.

Tiada pembawa arus sejagat. Jadual menunjukkan pembawa semasa dalam pelbagai media.

Kekonduksian elektronik logam.

Mari kita mulakan dengan konduktor logam. Kita tahu ciri voltan semasa konduktor ini, tetapi setakat ini tiada apa yang dikatakan mengenai penjelasannya dari sudut pandangan teori kinetik molekul.

Pembawa caj percuma dalam logam ialah elektron. Kepekatannya tinggi - kira-kira 10 28 1/m 3 .

Elektron ini terlibat dalam gerakan terma rawak. Di bawah tindakan medan elektrik, mereka mula bergerak dengan teratur dengan kelajuan purata kira-kira 10 -4 m/s.

Bukti eksperimen kewujudan elektron bebas dalam logam.

Bukti eksperimen bahawa kekonduksian logam adalah disebabkan oleh pergerakan elektron bebas telah diberikan dalam eksperimen Mandelstam dan Papaleksi (1913), Stewart dan Tolman (1916). Skema eksperimen ini adalah seperti berikut.

Satu dawai dililit pada gegelung, hujungnya dipateri kepada dua cakera logam yang diasingkan antara satu sama lain (Rajah 16.1). Galvanometer disambungkan ke hujung cakera menggunakan sesentuh gelongsor.

Gegelung dibawa ke putaran pantas, dan kemudian dihentikan secara tiba-tiba. Selepas gegelung terhenti secara tiba-tiba, zarah bercas bebas bergerak untuk beberapa lama berbanding konduktor dengan inersia, dan, akibatnya, arus elektrik muncul dalam gegelung. Arus wujud untuk masa yang singkat, kerana disebabkan oleh rintangan konduktor, zarah bercas menjadi perlahan dan pergerakan zarah yang membentuk arus terhenti.

Arah arus dalam eksperimen ini menunjukkan bahawa ia dicipta oleh pergerakan zarah bercas negatif. Caj yang dipindahkan dalam kes ini adalah berkadar dengan nisbah cas zarah yang mencipta arus kepada jisimnya, iaitu |q|/m. Oleh itu, dengan mengukur cas yang melalui galvanometer semasa kewujudan arus dalam litar, adalah mungkin untuk menentukan nisbah ini. Ia ternyata bersamaan dengan 1.8 10 11 C/kg. Nilai ini bertepatan dengan nisbah cas elektron kepada jisimnya e/m, didapati lebih awal daripada eksperimen lain.

Pergerakan elektron dalam logam.

Elektron bebas dalam logam bergerak secara rawak. Apabila konduktor disambungkan kepada sumber arus, medan elektrik tercipta di dalamnya, dan daya Coulomb mula bertindak ke atas elektron = q e. Di bawah tindakan daya ini, elektron mula bergerak ke arah, iaitu, pergerakan elektron yang huru-hara ditindih.Kelajuan pergerakan yang diarahkan meningkat untuk beberapa waktu t 0 sehingga perlanggaran elektron dengan ion kekisi kristal berlaku. . Dalam kes ini, elektron kehilangan arah pergerakannya, dan kemudian sekali lagi mula bergerak mengikut arah. Oleh itu, kelajuan pergerakan elektron yang diarahkan berubah daripada sifar kepada nilai maksimum tertentu yang sama dengan Akibatnya, kelajuan purata pergerakan elektron tertib ternyata sama, iaitu, berkadar dengan kekuatan medan elektrik dalam konduktor: υ ~ E dan, oleh itu, beza keupayaan pada hujung konduktor, jadi dengan l ialah panjang konduktor.

Kekuatan arus dalam konduktor adalah berkadar dengan kelajuan pergerakan zarah yang teratur (lihat formula (15.2)). Oleh itu, kita boleh mengatakan bahawa kekuatan semasa adalah berkadar dengan beza potensi pada hujung konduktor: I ~ U.

Apakah ini penjelasan kualitatif hukum Ohm berdasarkan teori elektronik kekonduksian logam.

Adalah mustahil untuk membina teori kuantitatif yang memuaskan tentang pergerakan elektron dalam logam berdasarkan undang-undang mekanik klasik. Hakikatnya ialah syarat untuk pergerakan elektron dalam logam adalah sedemikian rupa sehingga mekanik klasik Newton tidak boleh digunakan untuk menerangkan pergerakan ini. Fakta ini mengesahkan, sebagai contoh, pergantungan rintangan pada suhu. Menurut teori klasik logam, di mana pergerakan elektron dianggap berdasarkan hukum kedua Newton, rintangan konduktor adalah berkadar dengan eksperimen, manakala eksperimen menunjukkan pergantungan linear rintangan pada suhu.

Kekonduksian elektrik logam ialah keupayaan unsur dan jasad untuk mengalirkan sejumlah zarah bercas negatif melalui diri mereka sendiri. Pengaliran arus elektrik dijelaskan dengan ringkas - akibat pengaruh medan elektromagnet pada logam konduktif, elektron mempercepatkan pergerakannya sehingga ia kehilangan hubungannya dengan atom.

Dalam Sistem Unit Antarabangsa, kekonduksian elektrik diwakili oleh huruf S dan diukur dalam siemens.

Bergantung pada jenis dan sifat pembawa cas, kekonduksian adalah elektronik, ionik dan lubang. Logam mempunyai kekonduksian elektronik. Terdapat kekonduksian sedemikian di lapisan atas atmosfera, di mana ketumpatan jirim adalah rendah, kerana elektron boleh bergerak bebas tanpa bergabung dengan ion bercas positif.Elektron cecair mempunyai kekonduksian ionik. Ion, yang merupakan pembawa cas, menggerakkan bahan apabila bergerak, akibatnya ia dilepaskan pada elektrod. Mekanisme pengaliran mungkin disebabkan oleh pemecahan ikatan valens, yang membawa kepada kemunculan kekosongan dengan ikatan yang tidak wujud. . Tempat "kosong" sedemikian dengan elektron ikatan yang hilang dipanggil lubang. Kemunculan lubang dalam kristal konduktor mewujudkan peluang tambahan untuk pemindahan caj. Proses ini, disertai dengan pergerakan elektron, dipanggil pengaliran lubang.

Kekonduksian elektrik logam. Jenis kekonduksian elektrik. Tahap Fermi.

Jenis kekonduksian elektrik

Bergantung pada jenis dan sifat pembawa cas, kekonduksian adalah elektronik, ionik dan lubang.

Logam mempunyai kekonduksian elektronik.

Bahan cecair mempunyai kekonduksian ionik. Ion, yang merupakan pembawa cas, menggerakkan bahan apabila bergerak, akibatnya ia dilepaskan pada elektrod.

Mekanisme pengaliran adalah mungkin, disebabkan oleh pemecahan ikatan valensi, yang membawa kepada kemunculan tapak kosong dengan ikatan yang tidak ada. Tempat "kosong" sedemikian dengan elektron ikatan yang hilang dipanggil lubang. Kemunculan lubang dalam kristal konduktor mewujudkan peluang tambahan untuk pemindahan caj. Proses ini, disertai dengan pergerakan elektron, dipanggil pengaliran lubang.

Pepejal, cecair, dan, dalam keadaan yang sesuai, gas boleh berfungsi sebagai pengalir arus elektrik.

Konduktor pepejal termasuk logam, aloi logam dan beberapa pengubahsuaian karbon.

Logam adalah bahan plastik dengan kilauan ciri untuknya, yang merupakan konduktor arus elektrik dan haba yang baik. Antara bahan teknologi elektronik, logam menduduki salah satu tempat yang paling penting.

Konduktor cecair termasuk logam cair dan pelbagai elektrolit. Sebagai peraturan, takat lebur logam adalah tinggi, kecuali merkuri (Hg), yang mempunyai suhu -39°C. Oleh itu, pada suhu biasa, hanya merkuri boleh digunakan sebagai konduktor logam cecair. Gallium (Ga) juga mempunyai suhu hampir normal (29.8 ° C). Logam lain adalah konduktor cecair hanya pada suhu tinggi atau tinggi.

Mekanisme laluan arus melalui logam dalam keadaan pepejal dan cecair adalah disebabkan oleh pergerakan elektron bebas. Oleh itu, ia dipanggil konduktor dengan kekonduksian elektrik elektronik atau konduktor jenis pertama.

Elektrolit, atau konduktor jenis kedua, adalah larutan (terutamanya berair) asid, alkali dan garam, serta leburan sebatian ionik. Laluan arus melalui konduktor tersebut dikaitkan dengan pemindahan bahagian molekul (ion) bersama dengan cas elektrik. Akibatnya, komposisi elektrolit secara beransur-ansur berubah, dan produk elektrolisis dilepaskan pada elektrod.

Semua gas dan wap, termasuk wap logam, tidak mengalirkan arus pada kekuatan medan elektrik yang rendah. Walau bagaimanapun, jika kekuatan medan lebih tinggi daripada nilai kritikal tertentu, yang memastikan permulaan kesan dan fotoionisasi, maka gas boleh menjadi konduktor dengan kekonduksian elektrik elektronik dan ionik. Gas terion kuat dengan bilangan elektron dan ion positif yang sama per unit isipadu ialah medium pengalir keseimbangan yang dipanggil plasma.

Teori logam elektronik klasik, yang dibangunkan oleh Drude dan Lorentz, adalah berdasarkan idea gas elektron yang terdiri daripada elektron bebas. Sifat-sifat gas ideal dikaitkan dengan gas elektron, i.e. pergerakan elektron mematuhi undang-undang statistik klasik

Dalam kes mengenakan voltan luaran, elektron akan menerima beberapa kelajuan tambahan pergerakan terarah ke arah daya bertindak medan, yang disebabkan oleh arus elektrik timbul.

Dalam proses pergerakan terarah, elektron berlanggar dengan atom tapak kekisi. Dalam kes ini, kelajuan pergerakan menjadi perlahan, dan kemudian, di bawah pengaruh medan elektrik, mereka mempercepatkan:

Kehadiran elektron bebas juga bertanggungjawab untuk kekonduksian haba logam yang tinggi. Berada dalam gerakan berterusan, elektron sentiasa berlanggar dengan ion dan bertukar tenaga dengan mereka. Oleh itu, getaran ion, yang telah bertambah kuat dalam bahagian tertentu logam akibat pemanasan, segera dipindahkan ke ion jiran, dari mereka ke seterusnya, dsb., dan keadaan haba logam dengan cepat mendatar; keseluruhan jisim logam mengambil suhu yang sama.

Kekonduksian terma boleh ditakrifkan sebagai sifat bahan untuk menjalankan (memindahkan) aliran haba di bawah tindakan perbezaan suhu yang tidak berubah dari semasa ke semasa.

tenaga Fermi E F- nilai maksimum tenaga yang boleh dimiliki oleh elektron pada suhu sifar mutlak. Tenaga Fermi bertepatan dengan nilai potensi kimia gas fermion di T \u003d 0 K, iaitu, tahap Fermi untuk elektron memainkan peranan tahap potensi kimia untuk zarah tidak bercas. Potensi yang sepadan j F = E F /e dipanggil potensi elektrokimia.

Oleh itu, tahap Fermi atau tenaga Fermi dalam logam ialah tenaga yang boleh dimiliki oleh elektron pada suhu sifar mutlak. Apabila logam dipanaskan, beberapa elektron yang berada berhampiran aras Fermi teruja (disebabkan oleh tenaga haba, yang nilainya mengikut urutan kT). Tetapi pada sebarang suhu, untuk tahap dengan tenaga yang sepadan dengan tahap Fermi, kebarangkalian pengisian ialah 1/2. Semua peringkat di bawah paras Fermi mempunyai kebarangkalian lebih besar daripada 1/2 diisi dengan elektron, dan semua peringkat di atas paras Fermi lebih berkemungkinan daripada 1/2 bebas daripada elektron.

Kewujudan tenaga Fermi adalah akibat daripada prinsip Pauli. Nilai tenaga Fermi pada asasnya bergantung pada sifat sistem.

Kekonduksian elektronik logam pertama kali dibuktikan secara eksperimen oleh ahli fizik Jerman E. Rikke pada tahun 1901. Melalui tiga silinder digilap yang ditekan rapat antara satu sama lain - kuprum, aluminium dan sekali lagi tembaga - arus elektrik dilalui untuk masa yang lama (selama setahun) . Jumlah caj yang berlalu pada masa ini adalah sama dengan 3.5·10 6 C. Oleh kerana jisim atom kuprum dan aluminium berbeza dengan ketara antara satu sama lain, jisim silinder perlu berubah dengan ketara jika pembawa cas adalah ion.

Keputusan eksperimen menunjukkan bahawa jisim setiap silinder kekal tidak berubah. Hanya kesan penembusan bersama logam yang tidak ketara ditemui pada permukaan yang bersentuhan, yang tidak melebihi keputusan resapan biasa atom dalam pepejal. Akibatnya, pembawa cas percuma dalam logam bukanlah ion, tetapi zarah yang sama dalam kedua-dua kuprum dan aluminium. Hanya elektron yang boleh menjadi zarah sedemikian.

Bukti langsung dan meyakinkan tentang kesahihan andaian ini diperolehi dalam eksperimen yang ditubuhkan pada tahun 1913 oleh L. I. Mandelstam dan N. D. Papaleksi dan pada tahun 1916 oleh T. Stuart dan R. Tolman.

Satu dawai dililit pada gegelung, hujungnya dipateri kepada dua cakera logam yang diasingkan antara satu sama lain (Rajah 1). Galvanometer dipasang pada hujung cakera menggunakan sesentuh gelongsor.

Gegelung dibawa ke putaran pantas, dan kemudian dihentikan secara tiba-tiba. Selepas gegelung berhenti secara mendadak, zarah bercas bebas akan bergerak di sepanjang konduktor dengan inersia untuk beberapa lama, dan, akibatnya, arus elektrik akan muncul dalam gegelung. Arus akan wujud untuk masa yang singkat, kerana disebabkan oleh rintangan konduktor, zarah bercas diperlahankan dan pergerakan zarah yang tersusun berhenti.

Arah arus menunjukkan bahawa ia dicipta oleh pergerakan zarah bercas negatif. Caj yang dipindahkan dalam kes ini adalah berkadar dengan nisbah cas zarah yang mencipta arus kepada jisimnya, i.e. . Oleh itu, dengan mengukur cas yang melalui galvanometer sepanjang masa kewujudan arus dalam litar, adalah mungkin untuk menentukan nisbah. Ia ternyata sama dengan 1.8·10 11 C/kg. Nilai ini bertepatan dengan nisbah cas elektron kepada jisimnya yang ditemui lebih awal daripada eksperimen lain.

Oleh itu, arus elektrik dalam logam dicipta oleh pergerakan zarah elektron bercas negatif. Menurut teori elektronik klasik kekonduksian logam (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904), konduktor logam boleh dianggap sebagai sistem fizikal gabungan dua subsistem:

elektron bebas dengan kepekatan ~ 10 28 m -3 dan
ion bercas positif bergetar di sekeliling kedudukan keseimbangan.

Penampilan elektron bebas dalam kristal boleh dijelaskan seperti berikut.

Apabila atom bergabung menjadi hablur logam, elektron luar yang paling lemah terikat pada nukleus atom akan terlepas daripada atom (Rajah 2). Oleh itu, ion positif terletak di nod kekisi kristal logam, dan elektron yang tidak bersambung dengan nukleus atomnya bergerak di ruang antara mereka. Elektron ini dipanggil percuma atau elektron pengaliran. Mereka melakukan pergerakan huru-hara, sama dengan pergerakan molekul gas. Oleh itu, jumlah elektron bebas dalam logam dipanggil gas elektron.

Jika medan elektrik luaran dikenakan pada konduktor, maka pergerakan terarah ditumpangkan pada pergerakan huru-hara rawak elektron bebas di bawah tindakan daya medan elektrik, yang menghasilkan arus elektrik. Kelajuan pergerakan elektron itu sendiri dalam konduktor adalah beberapa pecahan milimeter sesaat, walau bagaimanapun, medan elektrik yang timbul dalam konduktor merambat sepanjang keseluruhan konduktor pada kelajuan yang hampir dengan kelajuan cahaya dalam vakum ( 3 10 8 m / s).

Oleh kerana arus elektrik dalam logam dibentuk oleh elektron bebas, kekonduksian konduktor logam dipanggil kekonduksian elektronik.

Elektron di bawah pengaruh daya malar yang bertindak dari medan elektrik memperoleh kelajuan tertentu pergerakan tertib (ia dipanggil drift). Kelajuan ini tidak terus meningkat dengan masa, kerana apabila berlanggar dengan ion kekisi kristal, elektron memindahkan tenaga kinetik yang diperoleh dalam medan elektrik ke kekisi kristal. Dalam anggaran pertama, kita boleh mengandaikan bahawa di atas laluan bebas min (ini ialah jarak yang dilalui elektron antara dua perlanggaran berturut-turut dengan ion), elektron bergerak dengan pecutan dan halaju hanyutnya meningkat secara linear dengan masa.

Pada saat perlanggaran, elektron memindahkan tenaga kinetik ke kisi kristal. Kemudian ia mempercepatkan lagi, dan proses itu berulang. Akibatnya, kelajuan purata pergerakan tertib elektron adalah berkadar dengan kekuatan medan elektrik dalam konduktor dan, akibatnya, beza keupayaan pada hujung konduktor, kerana , di mana l ialah panjang konduktor.

Adalah diketahui bahawa kekuatan semasa dalam konduktor adalah berkadar dengan kelajuan pergerakan zarah yang diperintahkan

dan oleh itu, menurut yang sebelumnya, kekuatan semasa adalah berkadar dengan beza potensi pada hujung konduktor: I ~ U. Ini adalah penjelasan kualitatif hukum Ohm berdasarkan teori elektronik klasik kekonduksian logam.

Walau bagaimanapun, terdapat kesukaran dengan teori ini. Ia mengikuti dari teori bahawa kerintangan harus berkadar dengan punca kuasa dua suhu (), sementara itu, mengikut pengalaman, ~ T. Di samping itu, kapasiti haba logam, menurut teori ini, sepatutnya lebih besar daripada kapasiti haba kristal monatomik. Pada hakikatnya, kapasiti haba logam berbeza sedikit daripada kapasiti haba kristal bukan logam. Kesukaran ini diatasi hanya dalam teori kuantum.

Pada tahun 1911, ahli fizik Belanda G. Kamerling-Onnes, mengkaji perubahan rintangan elektrik merkuri pada suhu rendah, mendapati bahawa pada suhu kira-kira 4 K (iaitu pada -269 ° C), kerintangan secara tiba-tiba berkurangan (Gamb. 3) hampir turun kepada sifar. Fenomena menukar rintangan elektrik kepada sifar G. Kamerling-Onnes dipanggil superkonduktiviti.

Kemudian didapati lebih daripada 25 unsur kimia - logam pada suhu yang sangat rendah menjadi superkonduktor. Setiap daripada mereka mempunyai suhu peralihan kritikal sendiri kepada keadaan dengan rintangan sifar. Nilai terendah untuk tungsten ialah 0.012K, yang tertinggi untuk niobium ialah 9K.

Superkonduktiviti diperhatikan bukan sahaja dalam logam tulen, tetapi juga dalam banyak sebatian kimia dan aloi. Dalam kes ini, unsur-unsur itu sendiri, yang merupakan sebahagian daripada sebatian superkonduktor, mungkin bukan superkonduktor. Sebagai contoh, NiBi, Au 2 Bi, PdTe, PtSb dan lain lain.

Bahan dalam keadaan superkonduktor mempunyai sifat luar biasa:

arus elektrik dalam superkonduktor boleh wujud untuk masa yang lama tanpa sumber arus;
di dalam bahan dalam keadaan superkonduktor, adalah mustahil untuk mencipta medan magnet:
medan magnet memusnahkan keadaan superkonduktiviti. Superkonduktiviti adalah fenomena yang dijelaskan dari sudut pandangan teori kuantum. Penerangannya yang agak rumit adalah di luar skop kursus fizik sekolah.

Sehingga baru-baru ini, penggunaan superkonduktiviti yang meluas telah dihalang oleh kesukaran yang berkaitan dengan keperluan untuk penyejukan kepada suhu ultralow, yang mana helium cecair digunakan. Walau bagaimanapun, di sebalik kerumitan peralatan, kekurangan dan kos helium yang tinggi, sejak tahun 60-an abad XX, magnet superkonduktor telah dicipta tanpa kehilangan haba dalam belitannya, yang memungkinkan untuk mendapatkan medan magnet yang kuat dalam agak besar. jilid. Magnet sedemikianlah yang diperlukan untuk mencipta kemudahan bagi pelakuran termonuklear terkawal dengan kurungan plasma magnetik, untuk pemecut zarah bercas yang berkuasa. Superkonduktor digunakan dalam pelbagai peranti pengukur, terutamanya dalam peranti untuk mengukur medan magnet yang sangat lemah dengan ketepatan tertinggi.

Pada masa ini, 10 - 15% tenaga dibelanjakan untuk mengatasi rintangan wayar dalam talian kuasa. Talian superkonduktor, atau sekurang-kurangnya input ke bandar besar, akan membawa penjimatan yang besar. Satu lagi bidang aplikasi superkonduktiviti ialah pengangkutan.

Berdasarkan filem superkonduktor, beberapa elemen logik dan memori berkelajuan tinggi untuk peranti pengkomputeran telah dicipta. Dalam penyelidikan angkasa lepas, ia menjanjikan untuk menggunakan solenoid superkonduktor untuk perlindungan sinaran angkasawan, dok kapal, nyahpecutan dan orientasinya, dan untuk enjin roket plasma.

Pada masa ini, bahan seramik telah dicipta yang mempunyai superkonduktiviti pada suhu yang lebih tinggi - melebihi 100K, iaitu, pada suhu di atas takat didih nitrogen. Keupayaan untuk menyejukkan superkonduktor dengan nitrogen cecair, yang mempunyai susunan magnitud haba pengewapan yang lebih tinggi, sangat memudahkan dan mengurangkan kos semua peralatan kriogenik, dan menjanjikan kesan ekonomi yang besar.