Elektronisk ledningsevne av metaller. Elektronisk ledningsevne av metaller - Kunnskapshypermarked

Verdien av metaller er direkte bestemt av deres kjemiske og fysiske egenskaper. Når det gjelder en slik indikator som elektrisk ledningsevne, er dette forholdet ikke så enkelt. Det mest elektrisk ledende metallet, hvis det måles ved romtemperatur (+20 °C), er sølv.

Men de høye kostnadene begrenser bruken av sølvdeler innen elektroteknikk og mikroelektronikk. Sølvelementer i slike enheter brukes bare i tilfelle økonomisk gjennomførbarhet.

Den fysiske betydningen av ledningsevne

Bruken av metalliske ledere har en lang historie. Forskere og ingeniører som arbeider innen vitenskap og teknologi som bruker elektrisitet, har lenge bestemt seg for materialer til ledninger, terminaler, kontakter osv. En fysisk størrelse som kalles elektrisk ledningsevne hjelper til med å bestemme det mest elektrisk ledende metallet i verden.

Konseptet med ledningsevne er omvendt til elektrisk motstand. Det kvantitative uttrykket for konduktivitet er assosiert med motstandsenheten, som i det internasjonale enhetssystemet (SI) måles i ohm. SI-enheten er siemens. Den russiske betegnelsen for denne enheten er Sm, den internasjonale er S. En elektrisk ledningsevne på 1 Sm har en del av et elektrisk nettverk med en motstand på 1 ohm.

Konduktivitet

Et mål på et stoffs evne til å lede en elektrisk strøm kalles den høyeste slik indikatoren har det mest elektrisk ledende metallet. Denne egenskapen kan bestemmes instrumentelt for ethvert stoff eller medium og har et numerisk uttrykk. sylindrisk leder av enhetslengde og enhetstverrsnittsareal er relatert til resistiviteten til denne lederen.

Systemenheten for ledningsevne er siemens per meter - Sm/m. For å finne ut hvilket av metallene som er det mest elektrisk ledende metallet i verden, er det nok å sammenligne deres spesifikke ledningsevne, bestemt eksperimentelt. Du kan bestemme resistiviteten ved hjelp av en spesiell enhet - et mikroohmmeter. Disse egenskapene er omvendt avhengige.

Ledningsevne av metaller

Selve konseptet med en rettet strøm av ladede partikler virker mer harmonisk for stoffer basert på krystallgitter som er karakteristiske for metaller. Ladningsbærere ved elektrisk strøm i metaller er frie elektroner, og ikke ioner, slik tilfellet er i flytende medier. Det er eksperimentelt fastslått at når det oppstår en strøm i metaller, er det ingen overføring av stoffpartikler mellom ledere.

Metalliske stoffer skiller seg fra andre ved løsere bindinger på atomnivå. Den indre strukturen til metaller er preget av tilstedeværelsen av et stort antall "ensomme" elektroner. som under den minste påvirkning av elektromagnetiske krefter danner en rettet strømning. Derfor er det ikke forgjeves at metaller er de beste lederne av elektrisk strøm, og det er nettopp slike molekylære interaksjoner som skiller det mest elektrisk ledende metallet. En annen spesifikk egenskap til metaller er basert på de strukturelle egenskapene til krystallgitteret til metaller - høy varmeledningsevne.

Topp beste ledere - metaller

De 4 metallene som er av praktisk betydning for deres bruk som elektriske ledere, er fordelt i følgende rekkefølge med hensyn til verdien av konduktivitet, målt i S/m:

Sølv - 62 500 000.
Kobber - 59 500 000.
Gull - 45 500 000.
Aluminium - 38 000 000.

Det kan sees at det mest elektrisk ledende metallet er sølv. Men som gull, brukes det til å organisere det elektriske nettverket bare i spesielle spesifikke tilfeller. Årsaken er de høye kostnadene.

Imidlertid er kobber og aluminium det vanligste valget for elektriske apparater og kabelprodukter på grunn av deres lave elektriske motstand og rimelige priser. Andre metaller brukes sjelden som ledere.

Faktorer som påvirker ledningsevnen til metaller

Selv det mest elektrisk ledende metallet reduserer ledningsevnen hvis det er andre tilsetningsstoffer og urenheter i det. Legeringer har en annen krystallgitterstruktur enn "rene" metaller. Det kjennetegnes ved brudd i symmetri, sprekker og andre defekter. Konduktiviteten avtar også med økende omgivelsestemperatur.

Den økte motstanden som ligger i legeringer finner anvendelse i varmeelementer. Det er ingen tilfeldighet at nichrome, fechral og andre legeringer brukes til fremstilling av arbeidselementer til elektriske ovner, varmeovner.

Det mest elektrisk ledende metallet er edelt sølv, mer brukt av gullsmeder for å prege mynter osv. Men innen teknologi og instrumentproduksjon er dets spesielle kjemiske og fysiske egenskaper mye brukt. For eksempel, i tillegg til å brukes i enheter og sammenstillinger med redusert motstand, beskytter sølvbelegg kontaktgrupper mot oksidasjon. De unike egenskapene til sølv og dets legeringer gjør ofte bruken berettiget, til tross for de høye kostnadene.

Elektrisk ledningsevne er et legemes evne til å sende en elektrisk strøm under påvirkning av et elektrisk felt. For å karakterisere dette fenomenet er verdien av elektrisk ledningsevne σ. Som teori viser, kan verdien av σ uttrykkes i form av konsentrasjonen n av frie ladningsbærere, deres ladning e, masse m, fri banetid τ e , fri banelengde λe og gjennomsnittlig drifthastighet< v >ladebærere. For metaller fungerer frie elektroner som gratis ladningsbærere, slik at:

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

hvor u er transportørens mobilitet, dvs. en fysisk størrelse numerisk lik avdriftshastigheten oppnådd av bærere i et felt med enhetsintensitet, nemlig

u=< v >/ E = (e τ e) / m

Avhengig av σ er alle stoffer delt inn; på ledere - med σ\u003e 10 6 (Ohm m) -1, dielektrikum - med σ\u003e 10 -8 (Ohm m) -1 og halvledere - med en mellomverdi på σ.

Fra båndteoriens synspunkt bestemmes inndelingen av stoffer i ledere, halvledere og dielektriske stoffer av hvordan valensbåndet til krystallen er fylt med elektroner ved 0 K: delvis eller helt.

Energien som tildeles elektroner selv av et svakt elektrisk felt er sammenlignbar med avstanden mellom nivåene i energibåndet. Hvis det er frie nivåer i båndet, vil elektronene som eksiteres av det eksterne elektriske feltet fylle dem. Kvantetilstanden til elektronsystemet vil endre seg, og en fortrinnsvis (rettet) bevegelse av elektroner mot feltet vil vises i krystallen, dvs. elektrisitet. Slike legemer (fig. 10.1, a) er ledere.

Hvis valensbåndet er fullstendig fylt, kan en endring i tilstanden til elektronsystemet bare skje når de passerer gjennom båndgapet. Energien til et eksternt elektrisk felt kan ikke gjøre en slik overgang. Permutasjonen av elektroner inne i en fullstendig fylt sone forårsaker ikke en endring i systemets kvantetilstand, siden elektronene i seg selv kan ikke skilles fra hverandre.

I slike krystaller (fig. 10.1, b) vil ikke et eksternt elektrisk felt føre til at det oppstår en elektrisk strøm, og de vil være ikke-ledere (dielektriske). Fra denne gruppen av stoffer er de med et båndgap ΔE ≤ 1 eV (1eV = 1,6 10 -19 J) valgt.

Overgangen av elektroner gjennom båndgapet i slike legemer kan for eksempel utføres ved hjelp av termisk eksitasjon. I dette tilfellet frigjøres en del av nivåene - valensbåndet - og nivåene til det frie båndet som følger det (ledningsbåndet) er delvis fylt. Disse stoffene er halvledere.

I følge uttrykk (10.1) kan en endring i den elektriske ledningsevnen (elektrisk motstand) til legemer med temperatur være forårsaket av en endring i konsentrasjonen n av ladningsbærere eller en endring i deres mobilitet u.

Metaller

Kvantemekaniske beregninger viser at for metaller er konsentrasjonen n av frie ladningsbærere (elektroner) lik:

n = (1 / 3π 2) (2mE F / ђ 2) 3/2

hvor ђ \u003d h / 2π \u003d 1,05 10 -34 J s er den normaliserte Planck-konstanten, E F er Fermi-energien.

Siden EF praktisk talt ikke er avhengig av temperatur T, er heller ikke konsentrasjonen av ladningsbærere avhengig av temperaturen. Følgelig vil temperaturavhengigheten til den elektriske ledningsevnen til metaller være fullstendig bestemt av elektronmobiliteten u, som følger av formel (10.1). Deretter ved høye temperaturer

u ~ λ e / ~T-1

og ved lave temperaturer

u ~ λ e / ~konst(T).

Graden av mobilitet til ladningsbærere vil bli bestemt av spredningsprosesser, d.v.s. interaksjon av elektroner med det periodiske feltet til gitteret. Siden feltet til et ideelt gitter er strengt periodisk, og elektronenes tilstand er stasjonær, kan spredning (utseendet til den elektriske motstanden til et metall) bare forårsakes av defekter (urenhetsatomer, strukturforvrengninger, etc.) og termiske vibrasjoner av gitteret (fononer).

Nær 0 K, hvor intensiteten av termiske vibrasjoner av gitteret og konsentrasjonen av fononer er nær null, dominerer spredning av urenheter (elektron-urenhetsspredning). I dette tilfellet endres ledningsevnen praktisk talt ikke, som følger av formel (10.4), og resistiviteten

har en konstant verdi, som kalles den spesifikke restmotstanden ρ hvile eller spesifikk urenhetsmotstand ρ ca, dvs.

ρ hvile (eller ρ primtall) = const (T)

I området med høye temperaturer blir elektron-fonon-spredningsmekanismen dominerende i metaller. Med en slik spredningsmekanisme er den elektriske ledningsevnen omvendt proporsjonal med temperaturen, som man kan se av formel (10.3), og resistiviteten er direkte proporsjonal med temperaturen:

En graf over avhengigheten av resistivitet ρ av temperaturen er vist i fig. 10.2

Ved andre temperaturer enn 0 K og en tilstrekkelig stor mengde urenheter kan både elektron-fonon- og elektron-urenhetsspredning finne sted; den totale resistiviteten har formen

ρ = ρ prim + ρ f

Uttrykk (10.6) er Mathyssens regel om resistens additivitet. Det skal bemerkes at både elektron-fonon- og elektron-urenhetspredning er kaotisk.

Halvledere

Kvantemekaniske beregninger av bærermobiliteten i halvledere har vist at for det første avtar bærermobiliteten u med økende temperatur, og spredningsmekanismen som gir lavest mobilitet er avgjørende for å bestemme mobiliteten. For det andre viser avhengigheten av ladningsbærermobiliteten av dopingnivået (urenhetskonsentrasjon) at ved et lavt dopingnivå vil mobiliteten bestemmes av spredning av gittervibrasjoner og bør derfor ikke avhenge av urenhetskonsentrasjonen.

Ved høye dopingnivåer bør det bestemmes ved spredning på det ioniserte dopemiddelet og reduseres med økende urenhetskonsentrasjon. Dermed bør endringen i mobiliteten til ladningsbærere ikke gi et betydelig bidrag til endringen i den elektriske motstanden til halvlederen.

I samsvar med uttrykk (10.1) bør hovedbidraget til endringen i den elektriske ledningsevnen til halvledere gis av en endring i konsentrasjonen n av ladningsbærere.

Hovedtrekket til halvledere er aktiveringsnaturen til konduktivitet, dvs. en uttalt avhengighet av bærerkonsentrasjonen av ytre påvirkninger, som temperatur, bestråling, etc. Dette skyldes det smale båndgapet (ΔЕ< 1 эВ) у собственных полупроводников и наличием дополнительных уровней в запрещенной зоне у примесных полупроводников.

Den elektriske ledningsevnen til kjemisk rene halvledere kalles egen ledningsevne. Den iboende ledningsevnen til halvledere oppstår som et resultat av overgangen av elektroner (n) fra de øvre nivåene av valensbåndet til ledningsbåndet og dannelsen av hull (p) i valensbåndet:

σ = σ n + σ ρ = e n n u n + e n ρ u ρ

hvor n n og n ρ er konsentrasjonen av elektroner og hull,
u n og u ρ - henholdsvis deres mobilitet,
e er lasten til transportøren.

Når temperaturen øker, øker konsentrasjonen av elektroner i ledningsbåndet og hull i valensbåndet eksponentielt:

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

hvor n nо og n pо er konsentrasjonene av elektroner og hull ved T → ∞,
k \u003d 1,38 10 -23 J / K - Boltzmanns konstant.

Figur 10.3,a viser et plott av logaritmen til den elektriske ledningsevnen ln σ til sin egen halvleder på den resiproke temperaturen 1 / T: ln σ \u003d ƒ (1 / T). Grafen er en rett linje, hvis helning kan brukes til å bestemme båndgapet ∆E.

Den elektriske ledningsevnen til dopede halvledere skyldes tilstedeværelsen av urenhetssentre i dem. Temperaturavhengigheten til slike halvledere bestemmes ikke bare av konsentrasjonen av majoritetsbærere, men også av konsentrasjonen av bærere levert av urenhetssentre. På fig. 10.3b viser grafer av ln σ \u003d ƒ (1 / T) for halvledere med ulike grader av doping (n1< n2 < n3, где n – концентрация примеси).

For lett dopede halvledere ved lave temperaturer dominerer overganger som involverer urenhetsnivåer. Når temperaturen øker, øker konsentrasjonen av urenhetsbærere, noe som betyr at urenhetskonduktiviteten også øker. Ved å nå t. A (se fig. 10.3, b; kurve 1) - urenhetsutarmingstemperatur T S1 - vil alle urenhetsbærere overføres til ledningsbåndet.

Over temperaturen T S1 og opp til overgangstemperaturen til egenledningsevne T i1 (se t. B, kurve 1, fig. 10.3, b) synker den elektriske ledningsevnen, og motstanden til halvlederen øker. Over temperaturen T i1 dominerer egen elektrisk ledningsevne, dvs. på grunn av termisk eksitasjon passerer deres egne ladningsbærere inn i ledningsbåndet. I det indre ledningsområdet øker σ, mens ρ avtar.

For sterkt dopede halvledere, hvor urenhetskonsentrasjonen er n ~ 1026 m–3, dvs. er i samsvar med konsentrasjonen av ladningsbærere i metaller (se kurve 3, fig. 10.3, b), observeres avhengigheten av σ av temperaturen kun i det indre ledningsområdet. Med en økning i konsentrasjonen av urenheter, reduseres verdien av intervallet AB (AB\u003e A "B"\u003e A "B") (se fig. 10.3, b).

Både i området for urenhetsledningsevne og i området med indre ledningsevne råder elektron-fonon-spredningsmekanismen. I området med utarming av urenheter (intervall AB, A"B", A"B") nær temperaturen T S, råder spredning av elektron-urenhet. Når temperaturen øker (overgang til Ti), begynner elektron-fonon-spredning å dominere. Dermed er intervallet AB (A"B" eller A"B"), kalt området for urenhetsutarming, også området for overgang fra mekanismen for urenhetsledning til mekanismen for egenledning.

« Fysikk - klasse 10"

Hvordan beveger elektroner seg i en metallleder når det ikke er noe elektrisk felt i den?
Hvordan endres elektronenes bevegelse når en spenning påføres en metallleder?

Elektrisk strøm ledes av faste, flytende og gassformige legemer. Hvordan er disse lederne forskjellige fra hverandre?

Du ble kjent med den elektriske strømmen i metallledere og med den eksperimentelt etablerte strøm-spenningskarakteristikken til disse lederne - Ohms lov.

Sammen med metaller er gode ledere, det vil si stoffer med et stort antall gratis ladede partikler, vandige løsninger eller smelter av elektrolytter og ionisert gass - plasma. Disse lederne er mye brukt i ingeniørfag.

I vakuum elektroniske enheter dannes elektrisk strøm av elektronstrømmer.

Metallledere er mye brukt i overføring av elektrisitet fra strømkilder til forbrukere. I tillegg brukes disse lederne i elektriske motorer og generatorer, elektriske varmeovner, etc.

Unntatt konduktører og dielektrikum(stoffer med et relativt lite antall fritt ladede partikler), er det en gruppe stoffer hvis ledningsevne inntar en mellomposisjon mellom ledere og dielektrikum. Disse stoffene leder ikke elektrisitet godt nok til å kalles ledere, men de er ikke så ille at de kan klassifiseres som dielektriske stoffer. Det er derfor de fikk navnet halvledere.

I lang tid spilte ikke halvledere noen vesentlig praktisk rolle. I elektro- og radioteknikk ble det kun brukt forskjellige ledere og dielektrikum. Situasjonen endret seg betydelig da den først ble forutsagt teoretisk, og deretter oppdaget og studert, en lett gjennomførbar mulighet for å kontrollere den elektriske ledningsevnen til halvledere.

Det er ingen universell strømbærer. Tabellen viser aktuelle transportører i ulike medier.

Elektronisk ledningsevne av metaller.

La oss starte med metallledere. Vi kjenner strøm-spenningskarakteristikken til disse lederne, men så langt er ingenting blitt sagt om forklaringen fra molekylær kinetisk teori.

Bærerne av frie ladninger i metaller er elektroner. Konsentrasjonen deres er høy - omtrent 10 28 1/m 3 .

Disse elektronene er involvert i tilfeldig termisk bevegelse. Under påvirkning av et elektrisk felt begynner de å bevege seg på en ryddig måte med en gjennomsnittshastighet på omtrent 10 -4 m/s.

Eksperimentelt bevis på eksistensen av frie elektroner i metaller.

Eksperimentelle bevis på at ledningsevnen til metaller skyldes bevegelsen av frie elektroner ble gitt i eksperimentene til Mandelstam og Papaleksi (1913), Stewart og Tolman (1916). Oppsettet for disse eksperimentene er som følger.

En ledning er viklet på spolen, hvis ender er loddet til to metallskiver isolert fra hverandre (fig. 16.1). Et galvanometer er koblet til endene av skivene ved hjelp av glidekontakter.

Spolen bringes i rask rotasjon, og stoppes deretter brått. Etter en brå stopp av spolen beveger frie ladede partikler seg i noen tid i forhold til lederen ved treghet, og følgelig oppstår en elektrisk strøm i spolen. Strømmen eksisterer i kort tid, fordi på grunn av motstanden til lederen, bremser de ladede partiklene ned og den ordnede bevegelsen til partiklene som danner strømmen stopper.

Strømretningen i dette eksperimentet indikerer at den er skapt av bevegelse av negativt ladede partikler. Ladningen som overføres i dette tilfellet er proporsjonal med forholdet mellom ladningen til partiklene som skaper strømmen og massen deres, dvs. |q|/m. Derfor, ved å måle ladningen som passerer gjennom galvanometeret under eksistensen av strømmen i kretsen, var det mulig å bestemme dette forholdet. Det viste seg å være lik 1,8 10 11 C/kg. Denne verdien falt sammen med forholdet mellom elektronladningen og dens masse e/m, funnet tidligere fra andre eksperimenter.

Bevegelsen av elektroner i et metall.

Frie elektroner i et metall beveger seg tilfeldig. Når en leder kobles til en strømkilde, dannes det et elektrisk felt i den, og Coulomb-kraften begynner å virke på elektronene = q e. Under påvirkning av denne kraften begynner elektronene å bevege seg i en retning, det vil si at den kaotiske bevegelsen av elektroner overlappes. Hastigheten på den rettede bevegelsen øker i noen tid t 0 inntil det oppstår en kollisjon av elektroner med ioner i krystallgitteret . I dette tilfellet mister elektronene bevegelsesretningen, og begynner deretter å bevege seg retningsbestemt. Dermed endres hastigheten på den rettede bevegelsen til elektronet fra null til en viss maksimal verdi lik Som et resultat viser gjennomsnittshastigheten for den ordnede bevegelsen av elektroner seg å være lik, dvs. proporsjonal med den elektriske feltstyrken i leder: υ ~ E og derfor potensialforskjellen ved endene av lederen, slik at der l er lengden på lederen.

Styrken til strømmen i lederen er proporsjonal med hastigheten på den ordnede bevegelsen av partikler (se formel (15.2)). Derfor kan vi si at strømstyrken er proporsjonal med potensialforskjellen ved endene av lederen: I ~ U.

Dette er hva kvalitativ forklaring av Ohms lov basert på den elektroniske teorien om ledningsevne av metaller.

Det er umulig å bygge en tilfredsstillende kvantitativ teori om elektronenes bevegelse i et metall basert på lovene i klassisk mekanikk. Faktum er at betingelsene for bevegelse av elektroner i et metall er slik at Newtons klassiske mekanikk er ubrukelig for å beskrive denne bevegelsen. Dette faktum bekrefter for eksempel motstandens avhengighet av temperatur. I følge den klassiske teorien om metaller, hvor elektronenes bevegelse vurderes på grunnlag av Newtons andre lov, er motstanden til en leder proporsjonal med eksperimentet, mens eksperimentet viser en lineær motstandsavhengighet av temperatur.

Den elektriske ledningsevnen til metaller er evnen til elementer og kropper til å lede en viss mengde negativt ladede partikler gjennom seg selv. Selve ledningen av elektrisk strøm forklares ganske enkelt - som et resultat av påvirkningen av et elektromagnetisk felt på et ledende metall, akselererer et elektron sin bevegelse så mye at det mister forbindelsen med atomet.

I International System of Units er elektrisk ledningsevne representert med bokstaven S og måles i siemens.

Avhengig av typen og arten av ladningsbærere, er konduktiviteten elektronisk, ionisk og hull. Metaller har elektronisk ledningsevne. Det er slik ledningsevne i de øvre lagene av atmosfæren, hvor tettheten av materie er lav, på grunn av hvilken elektroner kan bevege seg fritt uten å kombineres med positivt ladede ioner.Væskeelektroner har ionisk ledningsevne. Ioner, som er ladningsbærere, beveger stoffet når det beveger seg, som et resultat av at det frigjøres på elektrodene. En ledningsmekanisme er mulig på grunn av brudd på valensbindingen, noe som fører til utseendet av en ledig stilling med en fraværende binding . Et slikt "tomt" sted med manglende bindingselektroner kalles et hull. Utseendet til et hull i en lederkrystall skaper en ekstra mulighet for ladningsoverføring. Denne prosessen, ledsaget av bevegelse av elektroner, kalles hullledning.

Elektrisk ledningsevne av metaller. Typer elektrisk ledningsevne. Fermi nivå.

Typer elektrisk ledningsevne

Avhengig av typen og arten av ladningsbærere, er konduktiviteten elektronisk, ionisk og hull.

Metaller har elektronisk ledningsevne.

Flytende stoffer har ionisk ledningsevne. Ioner, som er ladningsbærere, beveger stoffet under bevegelse, som et resultat av at det frigjøres på elektrodene.

En ledningsmekanisme er mulig på grunn av brudd på valensbindingen, noe som fører til utseendet til et ledig sted med en fraværende binding. Et slikt "tomt" sted med manglende bindingselektroner kalles et hull. Utseendet til et hull i en lederkrystall skaper en ekstra mulighet for ladningsoverføring. Denne prosessen, ledsaget av bevegelse av elektroner, kalles hullledning.

Faste stoffer, væsker og, under passende forhold, gasser kan tjene som ledere av elektrisk strøm.

Solide ledere inkluderer metaller, metallegeringer og noen modifikasjoner av karbon.

Metaller er plastiske stoffer med en karakteristisk glans for dem, som er gode ledere av elektrisk strøm og varme. Blant materialene til elektronisk teknologi okkuperer metaller en av de viktigste stedene.

Væskeledere inkluderer smeltede metaller og forskjellige elektrolytter. Som regel er metallets smeltepunkt høyt, med unntak av kvikksølv (Hg), som har en temperatur på -39°C. Derfor, ved normal temperatur, kan bare kvikksølv brukes som flytende metallleder. Gallium (Ga) har også en temperatur nær normalen (29,8 ° C). Andre metaller er væskeledere bare ved forhøyede eller høye temperaturer.

Mekanismen for strømpassasje gjennom metaller i fast og flytende tilstand skyldes bevegelsen av frie elektroner. Derfor kalles de ledere med elektronisk elektrisk ledningsevne eller ledere av den første typen.

Elektrolytter, eller ledere av den andre typen, er løsninger (hovedsakelig vandige) av syrer, alkalier og salter, samt smelter av ioniske forbindelser. Passasje av strøm gjennom slike ledere er assosiert med overføring av deler av molekyler (ioner) sammen med elektriske ladninger. Som et resultat endres sammensetningen av elektrolytten gradvis, og elektrolyseprodukter frigjøres på elektrodene.

Alle gasser og damper, inkludert metalldamper, leder ikke strøm ved lave elektriske feltstyrker. Men hvis feltstyrken er høyere enn en viss kritisk verdi, som sikrer utbruddet av støt og fotoionisering, kan gassen bli en leder med elektronisk og ionisk elektrisk ledningsevne. En sterkt ionisert gass med like mange elektroner og positive ioner per volumenhet er et likevektsledende medium kalt plasma.

Den klassiske elektroniske teorien om metaller, utviklet av Drude og Lorentz, er basert på ideen om en elektrongass bestående av frie elektroner. Egenskapene til en ideell gass tilskrives elektrongassen, dvs. elektronenes bevegelse adlyder lovene i klassisk statistikk

Ved påføring av en ekstern spenning vil elektronene motta en viss ekstra hastighet med rettet bevegelse i retning av feltets virkekrefter, på grunn av hvilken en elektrisk strøm oppstår.

I prosessen med rettet bevegelse kolliderer elektroner med atomer av gittersteder. I dette tilfellet reduseres bevegelseshastigheten, og deretter, under påvirkning av et elektrisk felt, akselererer de:

Tilstedeværelsen av frie elektroner er også ansvarlig for den høye termiske ledningsevnen til metaller. Ved å være i kontinuerlig bevegelse kolliderer elektroner konstant med ioner og utveksler energi med dem. Derfor overføres vibrasjonene til ionene, som har intensivert i en gitt del av metallet på grunn av oppvarming, umiddelbart til naboioner, fra dem til neste osv., og metallets termiske tilstand jevner seg raskt ut; hele metallmassen tar samme temperatur.

Termisk ledningsevne kan defineres som egenskapen til et stoff til å lede (overføre) en varmestrøm under påvirkning av en temperaturforskjell som ikke endres over tid.

Fermi energi E F- den maksimale verdien av energi som et elektron kan ha ved absolutt null temperatur. Fermi-energien faller sammen med verdiene for det kjemiske potensialet til fermiongassen ved T \u003d 0 K, det vil si at Fermi-nivået for elektroner spiller rollen som det kjemiske potensialnivået for uladede partikler. Dens tilsvarende potensial j F = E F /e kalt det elektrokjemiske potensialet.

Dermed er Fermi-nivået eller Fermi-energien i metaller energien som et elektron kan ha ved absolutt nulltemperatur. Når metallet varmes opp, eksiteres noen elektroner som er nær Fermi-nivået (på grunn av termisk energi, hvis verdi er i størrelsesorden kT). Men ved enhver temperatur, for et nivå med en energi som tilsvarer Fermi-nivået, er sannsynligheten for fylling 1/2. Alle nivåer under Fermi-nivået har en sannsynlighet større enn 1/2 er fylt med elektroner, og alle nivåer over Fermi-nivået er mer sannsynlige enn 1/2 fri for elektroner.

Eksistensen av Fermi-energien er en konsekvens av Pauli-prinsippet. Verdien av Fermi-energien avhenger i hovedsak av egenskapene til systemet.

Den elektroniske ledningsevnen til metaller ble først eksperimentelt bevist av den tyske fysikeren E. Rikke i 1901. Gjennom tre polerte sylindre tett presset mot hverandre - kobber, aluminium og igjen kobber - ble en elektrisk strøm ført i lang tid (i løpet av et år) . Den totale ladningen som passerte i løpet av denne tiden var lik 3,5·10 6 C. Siden massene av kobber- og aluminiumatomer skiller seg betydelig fra hverandre, ville massene til sylindrene måtte endres merkbart dersom ladningsbærerne var ioner.

Resultatene av eksperimentene viste at massen til hver av sylindrene forble uendret. Bare ubetydelige spor av gjensidig penetrering av metaller ble funnet i kontaktflatene, som ikke oversteg resultatene av den vanlige diffusjonen av atomer i faste stoffer. Følgelig er frie ladningsbærere i metaller ikke ioner, men partikler som er like i både kobber og aluminium. Bare elektroner kan være slike partikler.

Direkte og overbevisende bevis på gyldigheten av denne antakelsen ble oppnådd i eksperimentene satt opp i 1913 av L. I. Mandelstam og N. D. Papaleksi og i 1916 av T. Stuart og R. Tolman.

En ledning er viklet på spolen, hvis ender er loddet til to metallskiver isolert fra hverandre (fig. 1). Et galvanometer er festet til endene av skivene ved hjelp av glidekontakter.

Spolen bringes i rask rotasjon, og stoppes deretter brått. Etter en skarp stopp av spolen vil frie ladede partikler bevege seg langs lederen ved treghet i noen tid, og følgelig vil en elektrisk strøm oppstå i spolen. Strømmen vil eksistere i kort tid, fordi på grunn av motstanden til lederen, bremses de ladede partiklene og den ordnede bevegelsen til partiklene stopper.

Strømretningen indikerer at den er skapt av bevegelsen av negativt ladede partikler. Ladningen som overføres i dette tilfellet er proporsjonal med forholdet mellom ladningen til partiklene som skaper strømmen og deres masse, dvs. . Derfor, ved å måle ladningen som passerte gjennom galvanometeret for hele tiden av eksistensen av strømmen i kretsen, var det mulig å bestemme forholdet. Det viste seg å være lik 1,8·10 11 C/kg. Denne verdien sammenfaller med forholdet mellom elektronladningen og massen funnet tidligere fra andre eksperimenter.

Dermed skapes en elektrisk strøm i metaller ved bevegelse av negativt ladede elektronpartikler. I følge den klassiske elektroniske teorien om metallers ledningsevne (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904) kan en metallleder betraktes som et fysisk system av en kombinasjon av to delsystemer:

frie elektroner med en konsentrasjon på ~ 10 28 m -3 og
positivt ladede ioner som vibrerer rundt likevektsposisjonen.

Utseendet til frie elektroner i en krystall kan forklares som følger.

Når atomer kombineres til en metallkrystall, løsnes de ytre elektronene som er svakest bundet til atomkjernen fra atomene (fig. 2). Derfor er positive ioner lokalisert ved nodene til metallets krystallgitter, og elektroner som ikke er forbundet med kjernene til atomene deres beveger seg i rommet mellom dem. Disse elektronene kalles gratis eller ledningselektroner. De utfører en kaotisk bevegelse, lik bevegelsen til gassmolekyler. Derfor kalles totalen av frie elektroner i metaller elektrongass.

Hvis et eksternt elektrisk felt påføres lederen, legges en rettet bevegelse over den tilfeldige kaotiske bevegelsen av frie elektroner under påvirkning av kreftene til det elektriske feltet, som genererer en elektrisk strøm. Bevegelseshastigheten til selve elektronene i lederen er noen få brøkdeler av en millimeter per sekund, men det elektriske feltet som oppstår i lederen forplanter seg langs hele lederens lengde med en hastighet nær lysets hastighet i vakuum ( 3 10 8 m/s).

Siden den elektriske strømmen i metaller dannes av frie elektroner, kalles ledningsevnen til metallledere elektronisk ledningsevne.

Elektroner under påvirkning av en konstant kraft som virker fra det elektriske feltet, oppnår en viss hastighet med ordnet bevegelse (det kalles drift). Denne hastigheten øker ikke ytterligere med tiden, siden når de kolliderer med ioner i krystallgitteret, overfører elektroner den kinetiske energien som er oppnådd i det elektriske feltet til krystallgitteret. I den første tilnærmingen kan vi anta at over den gjennomsnittlige frie banen (dette er avstanden som et elektron beveger seg mellom to påfølgende kollisjoner med ioner), beveger elektronet seg med akselerasjon og dets drifthastighet øker lineært med tiden

I kollisjonsøyeblikket overfører elektronet kinetisk energi til krystallgitteret. Så akselererer det igjen, og prosessen gjentas. Som et resultat er gjennomsnittshastigheten for den bestilte bevegelsen av elektroner proporsjonal med den elektriske feltstyrken i lederen og følgelig potensialforskjellen ved endene av lederen, siden , hvor l er lengden på lederen.

Det er kjent at strømstyrken i lederen er proporsjonal med hastigheten på den ordnede bevegelsen av partikler

og derfor, i henhold til den forrige, er strømstyrken proporsjonal med potensialforskjellen i endene av lederen: I ~ U. Dette er den kvalitative forklaringen av Ohms lov basert på den klassiske elektroniske teorien om ledningsevnen til metaller.

Det er imidlertid vanskeligheter med denne teorien. Det fulgte av teorien at resistiviteten skulle være proporsjonal med kvadratroten av temperaturen (), i mellomtiden, ifølge erfaring, ~ T. I tillegg skulle varmekapasiteten til metaller, ifølge denne teorien, være mye større enn varmekapasiteten til monoatomiske krystaller. I virkeligheten skiller varmekapasiteten til metaller seg lite fra varmekapasiteten til ikke-metalliske krystaller. Disse vanskelighetene ble bare overvunnet i kvanteteorien.

I 1911 fant den nederlandske fysikeren G. Kamerling-Onnes, som studerte endringen i den elektriske motstanden til kvikksølv ved lave temperaturer, at ved en temperatur på rundt 4 K (dvs. ved -269 ° C), avtar motstanden brått (fig. 3) nesten ned til null. Dette fenomenet med å snu elektrisk motstand til null G. Kamerling-Onnes kalt superledning.

Senere ble det funnet at mer enn 25 kjemiske elementer - metaller ved svært lave temperaturer blir superledere. Hver av dem har sin egen kritiske overgangstemperatur til en tilstand med null motstand. Dens laveste verdi for wolfram er 0,012K, den høyeste for niob er 9K.

Superledningsevne observeres ikke bare i rene metaller, men også i mange kjemiske forbindelser og legeringer. I dette tilfellet kan ikke selve elementene, som er en del av den superledende forbindelsen, være superledere. For eksempel, NiBi, Au 2 Bi, PdTe, PtSb annen.

Stoffer i superledende tilstand har uvanlige egenskaper:

elektrisk strøm i en superleder kan eksistere i lang tid uten en strømkilde;
inne i et stoff i en superledende tilstand er det umulig å skape et magnetfelt:
magnetfeltet ødelegger superledningstilstanden. Superledning er et fenomen forklart fra kvanteteoriens synspunkt. Den ganske kompliserte beskrivelsen er utenfor rammen av et fysikkkurs på skolen.

Inntil nylig ble den utbredte bruken av superledning hindret av vanskelighetene knyttet til behovet for kjøling til ultralave temperaturer, som flytende helium ble brukt til. Likevel, til tross for kompleksiteten til utstyret, knappheten og høye kostnadene for helium, siden 60-tallet av XX-tallet, har superledende magneter blitt laget uten termiske tap i viklingene, noe som gjorde det praktisk mulig å oppnå sterke magnetiske felt i relativt store volumer. Det er nettopp slike magneter som kreves for å skape fasiliteter for kontrollert termonukleær fusjon med magnetisk plasma inneslutning, for kraftige ladede partikkelakseleratorer. Superledere brukes i ulike måleapparater, først og fremst i apparater for måling av svært svake magnetfelt med høyeste nøyaktighet.

For tiden brukes 10 - 15 % av energien på å overvinne motstanden til ledninger i kraftledninger. Superledende linjer, eller i det minste innganger til store byer, vil gi enorme besparelser. Et annet anvendelsesområde for superledning er transport.

På grunnlag av superledende filmer er det laget en rekke høyhastighets logiske og minneelementer for dataenheter. I romforskning er det lovende å bruke superledende solenoider for strålebeskyttelse av astronauter, dokking av skip, deres retardasjon og orientering, og for plasmarakettmotorer.

For tiden er det laget keramiske materialer som har superledning ved en høyere temperatur - over 100K, det vil si ved en temperatur over nitrogenets kokepunkt. Evnen til å avkjøle superledere med flytende nitrogen, som har en størrelsesorden høyere fordampningsvarme, forenkler og reduserer kostnadene for alt kryogent utstyr, og lover en enorm økonomisk effekt.