Электрическая проводимость – это способность веществ проводить электрический ток под действием внешнего электрического поля. Электрическая проводимость – величина, обратная электрическому сопротивлению L = 1/ R .
где ρ
– удельное
сопротивление, Ом·м;
- удельная электрическая проводимость,
См/м (сименс/метр);S
– поперечное сечение, м 2 ;
l
– длина
проводника, м) (в электрохимии
удельная электрическая проводимость
(
)
читается - каппа
).
Единица измерения L – сименс (См), 1 См = 1 Ом -1 .
Удельная электрическая проводимость раствора характеризует проводимость объема раствора, заключенного между двумя параллельными электродами, имеющими площадь по 1 м 2 и расположенными на расстоянии 1 м друг от друга. Единица измерения в системе СИ - См·м -1 .
Удельная проводимость раствора электролита определяется количеством ионов, переносящих электричество и скоростью их миграции:
,
(2.5)
где α
– степень диссоциации электролита; С
– молярная концентрация эквивалента,
моль/м 3 ;
F
– число
Фарадея, 96485 Кл/моль;
- абсолютные скорости движения катиона
и аниона (скорости при градиенте
потенциала поля, равном 1 В/м); единица
измерения скорости - м 2 В -1 с -1 .
Из уравнения (2.5)
следует, что
зависит от концентрации как для сильных
так и для слабых электролитов (рисунок
2.1):
Рисунок 2.1 – Зависимость удельной электрической проводимости от концентрации электролитов в водных растворах
В разбавленных
растворах при С → 0
стремится к удельной электропроводности
воды, которая составляет около 10 -6
См/м и обусловлена присутствием ионов
Н
3
О
+
и
ОН
-
.
С ростом концентрации электролита,
вначале увеличивается, что отвечает
увеличению числа ионов в растворе.
Однако, чем больше ионов в растворе
сильных электролитов, тем сильнее
проявляется ионное взаимодействие,
приводящее к уменьшению скорости
движения ионов. У слабых электролитов
в концентрированных растворах заметно
снижается степень диссоциации и,
следовательно, количество ионов,
переносящих электричество. Поэтому,
почти всегда, зависимость удельной
электрической проводимости от концентрации
электролита проходит через максимум.
2.1.3 Молярная и эквивалентная электрические проводимости
Чтобы выделить
эффекты ионного взаимодействия, удельную
электрическую проводимость
делят на молярную концентрацию
(С, моль/м 3),
и получают молярную
электрическую проводимость
;
или делят на молярную концентрацию
эквивалента и получаютэквивалентную
проводимость.
.
(2.6)
Единицей измерения
является м 2 См/моль.
Физический смысл эквивалентной
проводимости состоит в следующем:
эквивалентная проводимость численно
равна электрической проводимости
раствора, заключенного между двумя
параллельными электродами, расположенными
на расстоянии 1 м и имеющими такую
площадь, что объем раствора между
электродами содержит один моль эквивалента
растворенного вещества (в случае молярной
электрической проводимости – один моль
растворенного вещества). Таким образом,
в случае эквивалентной электрической
проводимости в этом объеме будет N А
положительных и N А
отрицательных зарядов для раствора
любого электролита при условии его
полной диссоциации (N А
– число Авогадро). Поэтому, если бы ионы
не взаимодействовали друг с другом, то
сохранялась бы постоянной при всех
концентрациях. В реальных системах
зависит от концентрации (рисунок 2.2).
При С → 0,
→ 1, величина
стремится к
,
отвечающей отсутствию ионного
взаимодействия. Из уравнений (2.5 и 2.6)
следует:
Произведение
называютпредельной
эквивалентной электрической проводимостью
ионов
, или
предельной
подвижностью
ионов:
.
(2.9)
Соотношение (2.9) установлено Кольраушем и называется законом независимого движения ионов . Предельная подвижность является специфической величиной для данного вида ионов и зависит только от природы растворителя и температуры. Уравнение для молярной электрической проводимости принимает вид (2.10):
,
(2.10)
где
- число эквивалентов катионов и анионов,
необходимых для образования 1 моль соли.
Пример:
В случае одновалентного
электролита, например, HCl,
,
то есть молярная и эквивалентная
электрические проводимости совпадают.
Рисунок 2.2 – Зависимость эквивалентной электропроводности от концентрации для сильных (а) и слабых (б) электролитов
Для растворов
слабых электролитов эквивалентная
электрическая проводимость остается
небольшой вплоть до очень низких
концентраций, по достижении которых
она резко поднимается до значений,
сравнимых с
сильных электролитов. Это происходит
за счет увеличения степени диссоциации,
которая, согласно классической теории
электролитической диссоциации, растет
с разбавлением и, в пределе, стремится
к единице.
Степень диссоциации можно выразить, разделив уравнение (2.7) на (2.8):
.
С увеличением
концентрации
растворов сильных электролитов
уменьшается, но незначительно. Кольрауш
показал, что
таких растворов при невысоких концентрациях
подчиняется уравнению:
,
(2.11)
где А – постоянная, зависящая от природы растворителя, температуры и валентного типа электролита.
По теории Дебая – Онзагера снижение эквивалентной электрической проводимости растворов сильных электролитов связано с уменьшением скоростей движения ионов за счет двух эффектов торможения движения ионов, возникающих из-за электростатистического взаимодействия между ионом и его ионной атмосферой. Каждый ион стремится окружить себя ионами противоположного заряда. Облако заряда называют ионной атмосферой, в среднем оно сферически симметрично.
Первый эффект – эффект электрофоретического торможения . При наложении электрического поля ион движется в одну сторону, а его ионная атмосфера – в противоположную. Но с ионной атмосферой за счет гидратации ионов атмосферы увлекается часть растворителя, и центральный ион при движении встречает поток растворителя, движущегося в противоположном направлении, что создает дополнительное вязкостное торможение иона.
Второй эффект – релаксационного торможения . При движении иона во внешнем поле атмосфера должна исчезать позади иона и образовываться впереди него. Оба эти процесса происходят не мгновенно. Поэтому впереди иона количество ионов противоположного знака меньше, чем позади, то есть облако становится несимметричным, центр заряда атмосферы смещается назад, и поскольку заряды иона и атмосферы противоположны, движение иона замедляется. Силы релаксационного и электрофоретического торможения определяются ионной силой раствора, природой растворителя и температурой. Для одного и того же электролита, при прочих постоянных условиях, эти силы возрастают с увеличением концентрации раствора.
Ценность металлов напрямую определяется их химическими и физическими свойствами. В случае с таким показателем, как электропроводимость, эта связь не так прямолинейна. Самый электропроводный металл, если измерять данный показатель при комнатной температуре (+20 °C), - серебро.
Но высокая стоимость ограничивает применение деталей из серебра в электротехнике и микроэлектронике. Серебряные элементы в таких приборах применяются только в случае экономической целесообразности.
Физический смысл проводимости
Использование металлических проводников имеет давнишнюю историю. Ученые и инженеры, работающие в областях науки и техники, использующих электроэнергию, давно определились с материалами для проводов, клемм, контактов, и т. д. Определить самый электропроводный металл в мире помогает физическая величина, называемая электрической проводимостью.
Понятие проводимости обратно электрическому сопротивлению. Количественное выражение проводимости связано с единицей сопротивления, которое в международной системе единиц (СИ) измеряется в Омах. Единица в системе СИ - сименс. Русское обозначение этой единицы - См, интернациональное - S. Электрической проводимостью в 1 См обладает участок электрической сети с сопротивлением в 1 Ом.
Удельная проводимость
Мера способности вещества проводить электроток называется Самым высоким подобным показателем обладает самый электропроводный металл. Эта характеристика может быть определена для любого вещества или среды инструментально и имеет числовое выражение. цилиндрического проводника единичной длины и единичной площади сечения связана с удельным сопротивлением данного проводника.
Системной единицей удельной проводимости является сименс на метр - См/м. Чтобы выяснить, какой из металлов самый электропроводный металл в мире, достаточно сравнить их удельную проводимость, определенную экспериментально. Можно определить удельное сопротивление при помощи специального прибора - микроомметра. Эти характеристики являются обратнозависимыми.
Проводимость металлов
Само понятие как направленного потока заряженных частиц кажется более гармоничным для веществ, основанных на кристаллических решетках свойственных металлам. Носителями зарядов при возникновении электрического тока в металлах являются свободные электроны, а не ионы, как это бывает в жидких средах. Экспериментально установлено, что при возникновении тока в металлах не происходит переноса частиц вещества между проводниками.
Металлические вещества отличаются от других более свободными связями на атомарном уровне. Внутреннее устройство металлов отличается присутствием большого числа «одиноких» электронов. которые при малейшем воздействии электромагнитных сил образуют направленный поток. Поэтому не зря именно металлы являются лучшими проводниками электрического тока, и именно такие молекулярные взаимодействия отличают самый электропроводный металл. На особенностях структуры кристаллической решетки металлов основано еще одно их специфическое свойство - высокая теплопроводность.
Топ лучших проводников - металлов
4 металла, имеющие практическое значение для их применения в качестве электропроводников распределяются в следующем порядке относительно величины удельной проводимости, измеряемой в См/м:
- Серебро - 62 500 000.
- Медь - 59 500 000.
- Золото - 45 500 000.
- Алюминий - 38 000 000.
Видно, что самый электропроводный металл - серебро. Но подобно золоту, оно используется для организации электрической сети лишь в особых специфических случаях. Причина - высокая стоимость.
Зато медь и алюминий - самый распространенный вариант для электроприборов и кабельной продукции благодаря низкому сопротивлению электрическому току и ценовой доступности. Другие металлы применяются в качестве проводников редко.
Факторы, влияющие на проводимость металлов
Даже самый электропроводный металл снижает свою проводимость, если в нём присутствуют другие добавки и примеси. У сплавов иная, чем у «чистых» металлов, структура кристаллической решетки. Она отличается нарушением в симметрии, трещинами и другими дефектами. Снижается проводимость и при повышении температуры окружающей среды.
Повышенное сопротивление, присущее сплавам, находит применение в нагревательных элементах. Неслучайно для изготовления рабочих элементов электропечей, обогревателей применяют нихром, фехраль и другие сплавы.
Самый электропроводный металл - это драгоценное серебро, больше используемое ювелирами, для чеканки монет и т. д. Но и в технике и приборостроении его особые химические и физические свойства находят широкое применение. Например, кроме использования в узлах и агрегатах с пониженным сопротивлением, серебряное напыление предохраняет контактные группы от окисления. Уникальные свойства серебра и сплавов на его основе часто делают его применение оправданным, несмотря на высокую стоимость.
Электронная проводимость металлов
Классификация проводников
ТЕМА 3 ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В ПРОВОДНИКАХ
Особенности проводимости металлов, тепловое и дрейфовое движение электропроводимости.
В электронной промышленности широко применяются металлы и их сплавы, из которых делают проводники.
Классифицируются по агрегатному состоянию: газообразные, жидкие, твёрдые.
Газообразные – пары веществ и газы при напряжённости электрического поля, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ обеспечивает ионизацию молекул. В них электрический ток создаётся как электронами, так и ионами. Используются в газоразрядных приборах.
Жидкие – растворы различных солей, кислот, щелочей, а также их расплавы (электролиты). Ток связан с переносом ионов, при этом состав электролита изменяется, а на электродах, погружённых в электролит, происходит выделение вещества из раствора.
Твёрдые - ϶ᴛᴏ металлы, которые занимают в таблице Менделеева более 75%. Ток в них создаётся только электронами, а в связи с этим нет переноса вещества от одного электрода к другому.
По применению металлические материалы подразделяются:
Металлы высокой проводимости;
Сплавы высокого сопротивления.
Металлы высокой проводимости : серебро, медь, алюминий, железо, золото.
Сверхпроводники (при низких t 0 C): алюминий, ртуть, свинец, ниобий, соединения с оловом, титаном, цирконием.
Сплавы высокого сопротивления :
Медно-марганцовые (манганин);
Медно-никелевые (константаны);
Железа, никеля и хрома (нихромы).
Элементы первой группы таблицы Менделеева одновалентны. Валентный электрон слабо связан со своим ядром и при любых внешних воздействиях разрывает связь с ядром и становится свободным. По этой причине в узлах кристаллической решётки находятся положительно заряженные атомы (ионы), а между ними перемещаются свободные электроны.
Ионы и электроны находятся в беспорядочном движении. Энергия этого движения представляет внутреннюю энергию тока.
Движение ионов, образующих решётку, состоит лишь в колебаниях около своих положений равновесия. Свободные электроны могут перемещаться по всему объёму металла. При отсутствии внутри металла электрического поля, движение электронов хаотично, в каждый момент скорости различных электронов различны и имеют всевозможные направления. Электроны подобны газу, в связи с этим их часто называют электронным газом.
Тепловое движение не вызывает никакого тока, так как вследствие полной хаотичности в каждом направлении будет двигаться столько же электронов, сколько в противоположном, и в связи с этим суммарный заряд, переносимый через любую площадку внутри, будет равен нулю.
В случае если на концах проводника создать разность потенциалов, ᴛ.ᴇ. создать внутри электрическое поле, то на каждый электрон будет действовать сила, каждый электрон получит дополнительные скорости, направленные в одну сторону. Движение станет направленным, ᴛ.ᴇ. будет электрический ток.
Вывод:
Хаотическое движение обусловлено воздействием внешних факторов (тепла). Направленное движение за счёт разности потенциалов принято называть дрейфовым.
Проводимость разных металлов различная, так как обусловлена:
Различным количеством свободных электронов в единице объёма;
Условиями движения электронов, связанных с различной длинной свободного пробега, ᴛ.ᴇ. пути, проходимого в среднем электроном между двумя соударениями с ионами.
На практике используют понятия: удельная проводимость и удельное сопротивление:
s - удельная проводимость, МСu/м
r - удельное сопротивление, Ом*мм 2 / м
r = 1/s = 1/еnm = 2mu т /е 2 n l ср,
где е – заряд электрона = 1,6 * 10 -19 ;
n – количество свободных электронов;
m - подвижность электрона, обусловленная электрическим полем;
m – масса электрона = 9,1 * 10 -31 кг;
l ср - средняя длина свободного пробега;
u т – средняя скорость теплового движения.
Значения u т ,n , в различных проводниках примерно одинаковы, к примеру:
n меди = 8,5*10 28 м -3 , n алюм = 8,3*10 28 м -3 , значение скорости теплового движения приблизительно u т = 10 5 м/с.
Для каждого металла существует определённый температурный коэффициент сопротивления при изменении Т 0 на 1 0 С, отнесённый к 10м начального сопротивления (a):
a = R 2 -R 1 / R 1 (T 2 -T 1) ,
где R 1 – сопротивление при T 1
R 2 – сопротивление при T 2
отсюда R 2 = R 1
Это соотношение справедливо для температур 100-150 0 С.
Электронная проводимость металлов - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Электронная проводимость металлов" 2017, 2018.
Рассмотрим поведение электронов проводимости в металле в неравновесном состоянии, когда они движутся под действием приложенных внешних полей. Такие процессы называются явлениями переноса.
Как известно, электропроводность (удельная электрическая проводимость) о - это величина, связывающая плотность электрического тока и напряженность в локальном законе Ома: j - оЕ (см. формулу (14.15) ч. 1). Все вещества по характеру электропроводности делятся на три класса: металлы, полупроводники и диэлектрики.
Характерной особенностью металлов является их металлическая проводимость - уменьшение электропроводности при повышении температуры (при постоянной концентрации носителей тока). Физической причиной электрического сопротивления в металлах является рассеяние электронных волн на примесях и дефектах решетки, а также на фононах.
Наиболее существенной особенностью полупроводников является их способность изменять свои свойства в чрезвычайно широких пределах под влиянием различных воздействий: температуры, электрического и магнитного полей, освещения и т.д. Например, собственная проводимость чистых полупроводников при их нагревании экспоненциально возрастает.
При Т > 300 К удельная проводимость о материалов, относящихся к полупроводникам, изменяется в широком интервале от 10~ 5 до 10 6 (Ом м) -1 , тогда как у металлов о составляет более 10 6 (Ом м) -1 .
Вещества, обладающие малой удельной проводимостью, порядка 10~ 5 (Ом м) -1 и менее, относятся к диэлектрикам. Проводимость у них возникает при очень высоких температурах.
Квантовая теория приводит к следующему выражению для электропроводности металлов:
где п - концентрация свободных электронов; т - время релаксации; т* - эффективная масса электрона.
Время релаксации характеризует процесс установления равновесия между электронами и решеткой, нарушенного, например, внезапным включением внешнего поля Е.
Термин «свободный электрон» означает, что на электрон не действуют никакие силовые поля. Движение электрона проводимости в кристалле под действием внешней силы F и сил со стороны кристаллической решетки в ряде случаев может быть описано как движение свободного электрона, на который действует только сила F (второй закон Ньютона, см. формулу (3.5) ч. 1), но с эффективной массой т*, отличной от массы т е свободного электрона.
Расчеты с использованием выражения (30.18) показывают, что электропроводность металлов о~1/Т. Эксперимент подтверждает данный вывод квантовой теории, в то время как согласно классической теории
о ~ l/fr.
В полупроводниках концентрация подвижных носителей значительно ниже, чем концентрация атомов, и может изменяться при изменении температуры, освещения, при облучении потоком частиц, воздействии электрического поля или введении относительно малого количества примесей. Носителями заряда в полупроводниках в зоне проводимости являются электроны (электроны проводимости), а в валентной зоне - положительно заряженные квазичастицы дырки. Когда в валентной зоне по какой-либо причине отсутствует электрон, то говорят, что в ней образовалась дырка (вакантное состояние). Представления о дырках и электронах проводимости используются для описания электронной системы полупроводников, полуметаллов и металлов.
В состоянии термодинамического равновесия концентрации электронов и дырок в полупроводниках зависят как от температуры и концентрации электрически активных примесей, так и от ширины запрещенной зоны АЕ.
Различают собственные и примесные полупроводники. Собственными полупроводниками являются химически чистые полупроводники (например, германий Ge, селен Se). Число электронов в них равно числу дырок. Проводимость таких полупроводников называется собственной.
В собственных полупроводниках при Т = О К валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости - свободна. Поэтому при Т= О К и отсутствии внешнего возбуждения собственные полупроводники ведут себя как диэлектрики. При повышении температуры вследствие термического возбуждения электроны с верхних уровней валентной зоны будут переходить в зону проводимости. Одновременно становится возможным переход электронов валентной зоны на ее освободившиеся верхние уровни. Электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне будут давать вклад в электропроводность.
Необходимая для переброски электрона из валентной зоны в зону проводимости энергия называется энергией активации собственной проводимости.
При наложении на кристалл внешнего электрического поля электроны перемещаются против поля и создают электрический ток. Во внешнем поле, когда на вакантное место перемешается соседний валентный электрон, дырка «перемешается» на его место. В результате дырка, так же как и перешедший в зону проводимости электрон, будет двигаться по кристаллу, но в направлении, противоположном движению электрона. Формально по кристаллу в направлении поля движется частица с положительным зарядом, равным абсолютной величине заряда электрона. Для учета действия на элементарные заряды внутреннего поля кристалла для дырок вводят понятие эффективной массы ш*. Поэтому при решении задач можно считать, что дырка с эффективной массой движется только под действием одного внешнего поля.
Во внешнем поле направление скоростей движения электронов и дырок противоположны, но создаваемый ими электрический ток имеет одинаковое направление - направление электрического поля. Таким образом, плотность тока при собственной проводимости полупроводника складывается из плотности тока электронов у э и дырок у д:
Электропроводность о пропорциональна числу носителей, значит, можно доказать, что для собственных полупроводников
и зависит от температуры по экспоненциальному закону. Вклад в о электронов и дырок различен, что объясняется различием их эффективных масс.
При сравнительно высоких температурах во всех полупроводниках преобладает собственная проводимость. Иначе электрические свойства полупроводника определяются примесями (атомами других элементов), и тогда говорят о примесной проводимости. Электропроводность будет слагаться из собственной и примесной проводимостей.
Примесными полупроводниками называются полупроводники, отдельные атомы которых замещаются примесями. Концентрация электронов и дырок в них значительно отличается. Примеси, являющиеся источниками электронов, называются донорами. Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны, называются акцепторами.
В результате введения примеси в запрещенной зоне возникают дополнительные разрешенные электронные уровни энергии, расположенные в запрещенной зоне близко или ко дну зоны проводимости (донорные уровни ), или к потолку валентной зоны (акцепторные уровни). Это существенно увеличивает электропроводность полупроводников.
В полупроводниках я-типа (от англ, negative - отрицательный) с донорной примесью реализуется электронный механизм проводимости. Проводимость в них обеспечивается избыточными электронами примеси, валентность которой на единицу больше валентности основных атомов.
В полупроводниках р-типа (от англ, positive - положительный) с акцепторной примесью реализуется дырочный механизм проводимости. Проводимость в них обеспечивается дырками вследствие введения примеси, валентность которой на единицу меньше валентности основных атомов.
Убедительное доказательство реальности положительных дырок дает эффект Холла (1879). Данный эффект заключается в возникновении в металле (или полупроводнике) с током плотностью у, помещенном в магнитное поле В , дополнительного электрического поля в направлении, перпендикулярном В и у. Использование эффекта Холла (измерение коэффициента Холла, зависящего от вещества) позволяет определять концентрацию и подвижность носителей заряда в проводнике, а также устанавливать природу проводимости полупроводника (электронная или дырочная).
В настоящее время при разработке материалов для микроэлектроники создаются различные полупроводниковые материалы, в том числе с широкой запрещенной зоной. Полупроводниковые микросхемы считаются одним из перспективных направлений микроэлектроники, позволяя создавать надежные и достаточно сложные в функциональном отношении интегральные схемы.
Электрическая проводимость характеризует способность тела проводить электрический ток. Проводимость — величина обтаная сопротивлению . В формуле она обратно пропорциональна электрическому сопротивлению, и используются они фактически для обозначения одних и тех же свойств материала. Измеряется проводимость в Сименсах : [См]=.
Виды электропроводимости:
— Электронная проводимость , где переносчиками зарядов являются электроны. Такая проводимость характерна в первую очередь для металлов, но присутствует в той или иной степени практически в любых материалах. С увеличением температуры электронная проводимость снижается.
— Ионная проводимость . Существует в газообразных и жидких средах, где имеются свободные ионы, которые также переносят заряды, перемещаясь по объёму среды под действием электромагнитного поля или другого внешнего воздействия. Используется в электролитах. С ростом температуры ионная проводимость увеличивается, поскольку образуется большее количество ионов с высокой энергией, а также снижается вязкость среды.
— Дырочная проводимость . Эта проводимость обуславливается недостатком электронов в кристаллической решётке материала. Фактически, переносят заряд здесь опять же электроны, но они как бы движутся по решётке, занимая последовательно свободные места в ней, в отличии от физического перемещения электронов в металлах. Такой принцип используется в полупроводниках, наряду с электронной проводимостью.
Самыми первыми материалами, которые стали использоваться в электротехнике исторически были металлы и диэлектрики (изоляторы, которым присуща маленькая электрическая проводимость). Сейчас получили широкое применение в электронике полупроводники. Они занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками и характеризуются тем, что величину электрической проводимости в полупроводниках можно регулировать различным воздействием. Для производства большинства современных проводников используются кремний, германий и углерод. Кроме того, для изготовления ПП могут использоваться другие вещества, но они применяются гораздо реже.
В важное значение имеет передача тока с минимальными потерями. В этом отношении важную роль играют металлы с большой электропроводностью и, соответственно, маленьким электросопротивлением. Самым лучшим в этом отношении является серебро (62500000 См/м), далее следуют медь (58100000 См/м), золото (45500000 См/м), алюминий (37000000 См/м). В соответствии с экономической целесообразностью чаще всего используются алюминий и медь, при этом медь по проводимости совсем немного уступает серебру. Все остальные металлы не имеют промышленного значения для производства проводников.