Elektrisk ledningsevne er en krops evne til at lede elektrisk strøm under påvirkning af et elektrisk felt. For at karakterisere dette fænomen bruges værdien af ​​specifik elektrisk ledningsevne σ. Som teorien viser, kan værdien af ​​σ udtrykkes gennem koncentrationen n af frie ladningsbærere, deres ladning e, masse m, fri vejtid τ e, fri vejlængde λe og gennemsnitlig drifthastighed< v >ladningsbærere. For metaller fungerer frie elektroner som frie ladningsbærere, så:

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

hvor u er transportørens mobilitet, dvs. en fysisk størrelse, der numerisk er lig med den afdriftshastighed, som bærere erhverver i et felt med enhedsstyrke, nemlig

u =< v >/ E = (e τ e) / m

Afhængig af σ er alle stoffer opdelt; til ledere - med σ > 10 6 (Ohm m) -1, dielektrika - med σ > 10 -8 (Ohm m) -1 og halvledere - med en mellemværdi på σ.

Fra et båndteorisynspunkt bestemmes opdelingen af ​​stoffer i ledere, halvledere og dielektrika af, hvordan krystallens valensbånd er fyldt med elektroner ved 0 K: delvist eller helt.

Den energi, der overføres til elektroner, selv af et svagt elektrisk felt, er sammenlignelig med afstanden mellem niveauer i energibåndet. Hvis der er frie niveauer i zonen, vil elektroner exciteret af et eksternt elektrisk felt fylde dem. Elektronsystemets kvantetilstand vil ændre sig, og en foretrukken (retningsbestemt) bevægelse af elektroner mod feltet vil optræde i krystallen, dvs. elektricitet. Sådanne legemer (fig. 10.1, a) er ledere.

Hvis valensbåndet er fuldstændigt fyldt, kan en ændring i elektronsystemets tilstand kun forekomme, når de passerer gennem båndgabet. Energien fra et eksternt elektrisk felt kan ikke udføre en sådan overgang. Omlejringen af ​​elektroner inden for en fuldstændig fyldt zone forårsager ikke en ændring i systemets kvantetilstand, fordi Elektronerne selv kan ikke skelnes.

I sådanne krystaller (fig. 10.1,b) vil et eksternt elektrisk felt ikke forårsage fremkomsten af ​​en elektrisk strøm, og de vil være ikke-ledere (dielektriske). Fra denne gruppe af stoffer blev dem med et båndgab ΔE ≤ 1 eV (1 eV = 1,6 · 10 -19 J) isoleret.

Overgangen af ​​elektroner gennem båndgabet i sådanne legemer kan opnås, for eksempel gennem termisk excitation. I dette tilfælde frigives en del af niveauerne - valensbåndet - og niveauerne af det følgende frie bånd (ledningsbånd) er delvist udfyldt. Disse stoffer er halvledere.

Ifølge udtryk (10.1) kan en ændring i den elektriske ledningsevne (elektrisk modstand) af legemer med temperatur være forårsaget af en ændring i koncentrationen n af ladningsbærere eller en ændring i deres mobilitet u.

Metaller

Kvantemekaniske beregninger viser, at for metaller er koncentrationen n af frie ladningsbærere (elektroner) lig med:

n = (1 / 3π 2) · (2mE F / ђ 2) 3/2

hvor ђ = h / 2π = 1,05 · 10 -34 J · s er den normaliserede Planck-konstant, EF er Fermi-energien.

Da EF praktisk talt ikke afhænger af temperatur T, afhænger koncentrationen af ​​ladningsbærere ikke af temperaturen. Følgelig vil temperaturafhængigheden af ​​metallers elektriske ledningsevne være fuldstændig bestemt af elektronernes mobilitet u, som følger af formel (10.1). Derefter i højtemperaturområdet

u ~ λ e / ~ T -1

og i lavtemperaturområdet

u ~ λ e / ~konst(T).

Graden af ​​ladebærers mobilitet vil blive bestemt ved spredningsprocesser, dvs. interaktion af elektroner med et periodisk gitterfelt. Da feltet af et ideelt gitter er strengt periodisk, og elektronernes tilstand er stationær, kan spredning (fremkomsten af ​​elektrisk modstand af metallet) kun forårsages af defekter (urenhedsatomer, strukturforvrængninger osv.) og termiske vibrationer af gitteret (fononer).

Nær 0 K, hvor intensiteten af ​​termiske vibrationer af gitteret og fononkoncentrationen er tæt på nul, er spredning af urenheder (elektron-urenhedsspredning) fremherskende. I dette tilfælde ændres ledningsevnen praktisk talt ikke, som følger af formel (10.4), og resistiviteten

har en konstant værdi, som kaldes den specifikke restmodstand ρ hvile eller den specifikke urenhedsmodstand ρ ca, dvs.

ρ hvile (eller ρ ca.) = const (T)

Ved høje temperaturer i metaller bliver elektron-fonon-spredningsmekanismen dominerende. Med denne spredningsmekanisme er den elektriske ledningsevne omvendt proportional med temperaturen, som det kan ses af formel (10.3), og resistiviteten er direkte proportional med temperaturen:

Afhængigheden af ​​resistivitet ρ af temperatur er vist i fig. 10.2

Ved andre temperaturer end 0 K og en tilstrækkelig stor mængde urenheder kan både elektron-fonon- og elektron-urenhedsspredning forekomme; den samlede resistivitet har formen

ρ = ρ ca. + ρ f

Udtryk (10.6) repræsenterer Matthiessens regel om resistens additivitet. Det skal bemærkes, at både elektron-fonon- og elektron-urenhedsspredning er kaotisk af natur.

Halvledere

Kvantemekaniske beregninger af bærermobilitet i halvledere har vist, at for det første, med stigende temperatur, falder bærermobilitet u, og den afgørende faktor ved bestemmelse af mobiliteten er den spredningsmekanisme, der forårsager den laveste mobilitet. For det andet viser afhængigheden af ​​ladningsbærermobilitet af dopingniveauet (urenhedskoncentration), at ved et lavt dopingniveau vil mobiliteten blive bestemt af spredning af gittervibrationer og bør derfor ikke afhænge af urenhedskoncentrationen.

Ved høje dopingniveauer bør det bestemmes ved spredning af det ioniserede dopingmiddel og falde med stigende dopingkoncentration. En ændring i ladningsbærernes mobilitet bør således ikke yde et mærkbart bidrag til ændringen i halvlederens elektriske modstand.

I overensstemmelse med udtryk (10.1) bør hovedbidraget til ændringen i den elektriske ledningsevne af halvledere komme fra en ændring i koncentrationen n af ladningsbærere.

Hovedtræk ved halvledere er ledningsevnens aktiveringsnatur, dvs. en udtalt afhængighed af bærerkoncentrationen af ​​ydre påvirkninger, såsom temperatur, bestråling mv. Dette forklares af snæverheden af ​​båndgabet (ΔE< 1 эВ) у собственных полупроводников и наличием дополнительных уровней в запрещенной зоне у примесных полупроводников.

Den elektriske ledningsevne af kemisk rene halvledere kaldes egen ledningsevne. Den iboende ledningsevne af halvledere opstår som et resultat af overgangen af ​​elektroner (n) fra de øvre niveauer af valensbåndet til ledningsbåndet og dannelsen af ​​huller (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 koncentrationen af ​​elektroner og huller,
u n og u ρ - alt efter deres mobilitet,
e er transportørens afgift.

Med stigende temperatur øges koncentrationen af ​​elektroner i ledningsbåndet og huller i valensbåndet eksponentielt:

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

hvor n no og n pо er koncentrationerne af elektroner og huller ved T → ∞,
k = 1,38 · 10 –23 J/K - Boltzmanns konstant.

Figur 10.3a viser en graf over afhængigheden af ​​logaritmen af ​​den iboende halvleders elektriske ledningsevne ln σ af den inverse temperatur 1 / T: ln σ = = ƒ(1 / T). Grafen er en ret linje, hvis hældning kan bruges til at bestemme båndgabet ∆E.

Den elektriske ledningsevne af doterede halvledere skyldes tilstedeværelsen af ​​urenhedscentre i dem. Temperaturafhængigheden af ​​sådanne halvledere bestemmes ikke kun af koncentrationen af ​​de fleste bærere, men også af koncentrationen af ​​bærere, der leveres af urenhedscentre. I fig. 10.3b viser grafer for afhængigheden ln σ = ƒ (1 / T) for halvledere med forskellige grader af doping (n1< n2 < n3, где n – концентрация примеси).

For let doterede halvledere dominerer overgange, der involverer urenhedsniveauer, i lavtemperaturområdet. Når temperaturen stiger, stiger koncentrationen af ​​urenhedsbærere, hvilket betyder, at urenhedskonduktiviteten også stiger. Ved at nå t. A (se fig. 10.3, b; kurve 1) - urenhedsudtømningstemperaturen T S1 - vil alle urenhedsbærere blive overført til ledningsbåndet.

Over temperaturen T S1 og op til overgangstemperaturen til indre ledningsevne T i1 (se punkt B, kurve 1, Fig. 10.3, b), falder den elektriske ledningsevne, og halvlederens modstand stiger. Over temperatur T i1 dominerer den indre elektriske ledningsevne, dvs. På grund af termisk excitation bevæger egne ladningsbærere sig ind i ledningsbåndet. I området med indre ledningsevne stiger σ og ρ falder.

For stærkt dopede halvledere, hvor urenhedskoncentrationen er n ~ 10 26 m–3, dvs. står mål med koncentrationen af ​​ladningsbærere i metaller (se kurve 3, fig. 10.3b), observeres afhængigheden af ​​σ af temperaturen kun i området for indre ledningsevne. Med stigende koncentration af urenheder falder værdien af ​​intervallet AB (AB > A"B" > A"B") (se fig. 10.3,b).

Både i området med urenhedskonduktivitet og i området for indre ledningsevne dominerer elektron-fonon-spredningsmekanismen. I området med urenhedsudtømning (intervaller AB, A"B", A"B") nær temperatur T S er elektron-urenhedsspredning fremherskende. Når temperaturen stiger (overgang til Ti), begynder elektron-fonon-spredning at dominere. Således er intervallet AB (A"B" eller A"B"), kaldet området for urenhedsudtømning, også området for overgangen fra mekanismen for urenhedskonduktivitet til mekanismen med indre ledningsevne.

Metallers elektroniske ledningsevne blev første gang eksperimentelt bevist af den tyske fysiker E. Ricke i 1901. En elektrisk strøm blev ført gennem tre polerede cylindre, der var tæt presset til hinanden - kobber, aluminium og igen kobber - i lang tid (over et år) . Den samlede ladning, der blev passeret i løbet af denne tid, var lig med 3,5·10 6 C. Da masserne af kobber- og aluminiumatomer adskiller sig væsentligt fra hinanden, skulle cylindrenes masser ændre sig mærkbart, hvis ladningsbærerne var ioner.

De eksperimentelle resultater viste, at massen af ​​hver cylinder forblev uændret. Kun mindre spor af gensidig gennemtrængning af metaller blev fundet i de kontaktflader, som ikke oversteg resultaterne af den sædvanlige diffusion af atomer i faste stoffer. Frie ladningsbærere i metaller er derfor ikke ioner, men partikler, der er ens i både kobber og aluminium. Kun elektroner kunne være sådanne partikler.

Direkte og overbevisende bevis for gyldigheden af ​​denne antagelse blev opnået i eksperimenter udført i 1913 af L. I. Mandelstam og N. D. Papaleksi og i 1916 af T. Stewart og R. Tolman.

En ledning er viklet på en spole, hvis ender er loddet til to metalskiver, der er isoleret fra hinanden (fig. 1). Et galvanometer er fastgjort til enderne af skiverne ved hjælp af glidende kontakter.

Spolen bringes i hurtig rotation og stoppes derefter brat. Efter et pludseligt stop af spolen vil frie ladede partikler bevæge sig langs lederen ved inerti i nogen tid, og følgelig vil der opstå en elektrisk strøm i spolen. Strømmen vil eksistere i kort tid, da på grund af lederens modstand hæmmes de ladede partikler, og den ordnede bevægelse af partiklerne stopper.

Strømmens retning indikerer, at den er skabt ved bevægelse af negativt ladede partikler. Ladningen, der overføres i dette tilfælde, er proportional med forholdet mellem ladningen af ​​partiklerne, der skaber strømmen, og deres masse, dvs. . Ved at måle ladningen, der passerer gennem galvanometeret under hele eksistensen af ​​strømmen i kredsløbet, var det derfor muligt at bestemme forholdet. Det viste sig at være lig med 1,8·10 11 C/kg. Denne værdi falder sammen med forholdet mellem elektronladningen og dens masse, fundet tidligere fra andre eksperimenter.

Således skabes elektrisk strøm i metaller ved bevægelse af negativt ladede elektronpartikler. Ifølge den klassiske elektroniske teori om metallers ledningsevne (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904) kan en metalleder betragtes som et fysisk system af en kombination af to undersystemer:

1. frie elektroner med en koncentration på ~ 10 28 m -3 og
2. positivt ladede ioner, der vibrerer omkring en ligevægtsposition.

Forekomsten af ​​frie elektroner i en krystal kan forklares som følger.

Når atomer kombineres til en metalkrystal, adskilles de ydre elektroner, der er svagest forbundet med atomets kerne, fra atomerne (fig. 2). Derfor er positive ioner placeret ved noderne af metalkrystalgitteret, og elektroner, der ikke er forbundet med kernerne i deres atomer, bevæger sig i rummet mellem dem. Disse elektroner kaldes gratis eller ledningselektroner. De udfører en kaotisk bevægelse, der ligner bevægelsen af ​​gasmolekyler. Derfor kaldes samlingen af ​​frie elektroner i metaller elektrongas.

Hvis et eksternt elektrisk felt påføres en leder, så overlejres den tilfældige kaotiske bevægelse af frie elektroner af rettet bevægelse under påvirkning af elektriske feltkræfter, som genererer en elektrisk strøm. Bevægelseshastigheden af ​​selve elektronerne i lederen er flere brøkdele af en millimeter i sekundet, men det elektriske felt, der opstår i lederen, spredes langs hele lederens længde med en hastighed tæt på lysets hastighed i et vakuum (3 ·108 m/s).

Da elektrisk strøm i metaller er dannet af frie elektroner, kaldes ledningsevnen af ​​metalledere elektronisk ledningsevne.

Elektroner, under påvirkning af en konstant kraft, der virker fra det elektriske felt, opnår en vis hastighed af ordnet bevægelse (det kaldes drift). Denne hastighed øges ikke yderligere med tiden, da elektroner, når de kolliderer med ioner i krystalgitteret, overfører den kinetiske energi, der er erhvervet i det elektriske felt, til krystalgitteret. Til en første tilnærmelse kan vi antage, at ved den gennemsnitlige frie vej (dette er den afstand, som en elektron rejser mellem to på hinanden følgende kollisioner med ioner), bevæger elektronen sig med acceleration, og dens drifthastighed stiger lineært med tiden

I kollisionsøjeblikket overfører elektronen kinetisk energi til krystalgitteret. Så accelererer det igen, og processen gentages. Som følge heraf er gennemsnitshastigheden af ​​den ordnede bevægelse af elektroner proportional med den elektriske feltstyrke i lederen og følgelig med potentialforskellen ved enderne af lederen, da , hvor l er længden af ​​lederen.

Det er kendt, at strømstyrken i en leder er proportional med hastigheden af ​​den ordnede bevægelse af partikler

hvilket betyder, ifølge det foregående, at strømstyrken er proportional med potentialforskellen ved enderne af lederen: I ~ U. Dette er en kvalitativ forklaring af Ohms lov baseret på den klassiske elektroniske teori om metallers ledningsevne.

Imidlertid opstod der vanskeligheder inden for denne teori. Det fulgte af teorien, at resistiviteten skulle være proportional med kvadratroden af ​​temperaturen (), i mellemtiden, ifølge erfaring, ~ T. Derudover skulle varmekapaciteten af ​​metaller ifølge denne teori være væsentligt større end varmen kapacitet af monoatomiske krystaller. I virkeligheden adskiller varmekapaciteten af ​​metaller sig lidt fra varmekapaciteten af ​​ikke-metalliske krystaller. Disse vanskeligheder blev kun overvundet i kvanteteorien.

I 1911 opdagede den hollandske fysiker G. Kamerlingh-Onnes, der studerede ændringen i den elektriske modstand af kviksølv ved lave temperaturer, at ved en temperatur på omkring 4 K (dvs. ved -269 ° C) falder resistiviteten brat (fig. 3) ) til næsten nul. G. Kamerlingh-Onnes kaldte dette fænomen med elektrisk modstand for forsvindende superledning.

Senere viste det sig, at mere end 25 kemiske grundstoffer - metaller - bliver superledere ved meget lave temperaturer. Hver af dem har sin egen kritiske temperatur for overgang til en tilstand med nul modstand. Dens laveste værdi er for wolfram - 0,012K, den højeste for niobium - 9K.

Superledningsevne observeres ikke kun i rene metaller, men også i mange kemiske forbindelser og legeringer. Desuden er grundstofferne selv, der udgør den superledende forbindelse, muligvis ikke superledere. For eksempel, NiBi, Au2Bi, PdTe, PtSb og andre.

Stoffer i en superledende tilstand har usædvanlige egenskaber:

1. elektrisk strøm i en superleder kan eksistere i lang tid uden en strømkilde;
2. Det er umuligt at skabe et magnetfelt inde i et stof i en superledende tilstand:
3. magnetfeltet ødelægger superledningstilstanden. Superledning er et fænomen forklaret ud fra kvanteteoriens synspunkt. Dens ret komplekse beskrivelse går ud over omfanget af et skolefysikkursus.

Indtil for nylig var den udbredte brug af superledning hæmmet af vanskeligheder forbundet med behovet for afkøling til ultralave temperaturer, hvortil flydende helium blev brugt. Ikke desto mindre er der, på trods af udstyrets kompleksitet, knapheden og de høje omkostninger ved helium, siden 60'erne af det 20. århundrede blevet skabt superledende magneter uden termiske tab i deres viklinger, hvilket har gjort det praktisk muligt at opnå stærke magnetfelter i relativt store mængder. Det er disse magneter, der er nødvendige for at skabe kontrollerede termonuklear fusionsinstallationer med magnetisk plasmaindeslutning og til kraftige ladede partikelacceleratorer. Superledere bruges i en række forskellige måleinstrumenter, primært i instrumenter til måling af meget svage magnetfelter med ekstrem præcision.

I øjeblikket bruges 10 - 15% af energien i elledninger på at overvinde ledningernes modstand. Superledende linjer, eller i det mindste forbindelser til store byer, vil give enorme besparelser. Et andet anvendelsesområde for superledning er transport.

Baseret på superledende film er der skabt en række højhastighedslogiske og lagerelementer til computere. Inden for rumforskning er det lovende at bruge superledende solenoider til strålingsbeskyttelse af astronauter, dokning af skibe, deres bremsning og orientering og til plasmaraketmotorer.

I øjeblikket er der skabt keramiske materialer, der har superledning ved højere temperaturer - over 100K, det vil sige ved en temperatur over nitrogens kogepunkt. Evnen til at afkøle superledere med flydende nitrogen, som har en størrelsesorden højere fordampningsvarme, forenkler og reducerer omkostningerne ved alt kryogent udstyr betydeligt og lover en enorm økonomisk effekt.

Den klassiske teori om metallers elektriske ledningsevne opstod i begyndelsen af ​​det tyvende århundrede. Dens grundlægger var den tyske fysiker Karl Rikke. Han fastslog eksperimentelt, at passage af en ladning gennem et metal ikke involverer overførsel af lederatomer, i modsætning til flydende elektrolytter. Denne opdagelse forklarede dog ikke, hvad der præcist er bæreren af ​​elektriske impulser i metalstrukturen.

Eksperimenterne fra forskerne Stewart og Tolman, udført i 1916, gjorde det muligt for os at besvare dette spørgsmål. De kunne konstatere, at de mindst ladede partikler - elektroner - er ansvarlige for overførslen af ​​elektricitet i metaller. Denne opdagelse dannede grundlaget for den klassiske elektroniske teori om elektrisk ledningsevne af metaller. Fra dette øjeblik begyndte en ny æra med forskning i metalledere. Takket være de opnåede resultater har vi i dag mulighed for at bruge husholdningsapparater, produktionsudstyr, maskiner og mange andre enheder.

Hvordan adskiller den elektriske ledningsevne af forskellige metaller sig?

Den elektroniske teori om metallers elektriske ledningsevne blev udviklet i Paul Drudes forskning. Han var i stand til at opdage en sådan egenskab som modstand, som observeres, når elektrisk strøm passerer gennem en leder. Dette vil i fremtiden gøre det muligt at klassificere forskellige stoffer efter deres ledningsevneniveau. Fra de opnåede resultater er det let at forstå, hvilket metal der er egnet til fremstilling af et bestemt kabel. Dette er et meget vigtigt punkt, da forkert valgt materiale kan forårsage brand som følge af overophedning fra passage af overskydende spændingsstrøm.

Sølvmetal har den højeste elektriske ledningsevne. Ved en temperatur på +20 grader Celsius er det 63,3 * 104 centimeter-1. Men at lave ledninger fra sølv er meget dyrt, da det er et ret sjældent metal, der hovedsageligt bruges til fremstilling af smykker og dekorative genstande eller guldmønter.

Metallet med den højeste elektriske ledningsevne blandt alle elementer i basisgruppen er kobber. Dens indikator er 57*104 centimeter-1 ved en temperatur på +20 grader Celsius. Kobber er en af ​​de mest almindelige ledere, der bruges til husholdnings- og industriformål. Den modstår konstante elektriske belastninger godt, er holdbar og pålidelig. Det høje smeltepunkt giver dig mulighed for at arbejde i lang tid i opvarmet tilstand uden problemer.

Med hensyn til overflod er det kun aluminium, der kan konkurrere med kobber, som ligger på en fjerdeplads i elektrisk ledningsevne efter guld. Det bruges i netværk med lav spænding, da det har næsten halvdelen af ​​smeltepunktet for kobber og ikke er i stand til at modstå ekstreme belastninger. Den videre fordeling af steder kan findes ved at se på tabellen over elektrisk ledningsevne af metaller.

Det er værd at bemærke, at enhver legering har meget lavere ledningsevne end det rene stof. Dette skyldes sammensmeltningen af ​​det strukturelle netværk og som en konsekvens forstyrrelse af elektronernes normale funktion. For eksempel i produktionen af ​​kobbertråd bruges et materiale med et urenhedsindhold på højst 0,1%, og for nogle typer kabel er denne indikator endnu strengere - ikke mere end 0,05%. Alle givne indikatorer er metallers elektriske ledningsevne, som beregnes som forholdet mellem strømtætheden og størrelsen af ​​det elektriske felt i lederen.

Klassisk teori om elektrisk ledningsevne af metaller

De grundlæggende principper for teorien om elektrisk ledningsevne af metaller indeholder seks punkter. For det første: et højt niveau af elektrisk ledningsevne er forbundet med tilstedeværelsen af ​​et stort antal frie elektroner. For det andet: elektrisk strøm opstår gennem ekstern påvirkning af metallet, hvor elektroner bevæger sig fra tilfældig bevægelse til ordnet.

For det tredje: styrken af ​​strømmen, der passerer gennem en metalleder, beregnes i henhold til Ohms lov. For det fjerde: forskelligt antal elementarpartikler i krystalgitteret fører til ulige modstand af metaller. For det femte: elektrisk strøm i kredsløbet opstår øjeblikkeligt efter starten af ​​eksponering for elektroner. For det sjette: når metallets indre temperatur stiger, stiger niveauet af dets modstand også.

Karakteren af ​​den elektriske ledningsevne af metaller forklares af det andet punkt i bestemmelserne. I en stille tilstand roterer alle frie elektroner kaotisk rundt om kernen. I dette øjeblik er metallet ikke i stand til selvstændigt at reproducere elektriske ladninger. Men så snart du forbinder en ekstern indflydelseskilde, stiller elektronerne øjeblikkeligt op i en struktureret rækkefølge og bliver bærere af elektrisk strøm. Med stigende temperatur falder den elektriske ledningsevne af metaller.

Det skyldes, at molekylebindingerne i krystalgitteret svækkes, elementarpartikler begynder at rotere i en endnu mere kaotisk rækkefølge, så dannelsen af ​​elektroner i en kæde bliver mere kompliceret. Derfor er det nødvendigt at træffe foranstaltninger for at forhindre overophedning af lederne, da dette negativt påvirker deres ydeevneegenskaber. Mekanismen for elektrisk ledningsevne af metaller kan ikke ændres på grund af fysikkens nuværende love. Men det er muligt at neutralisere negative ydre og indre påvirkninger, der forstyrrer processens normale forløb.

Metaller med høj elektrisk ledningsevne

Den elektriske ledningsevne af alkalimetaller er på et højt niveau, da deres elektroner er svagt knyttet til kernen og let stiller sig op i den ønskede rækkefølge. Men denne gruppe er kendetegnet ved lave smeltepunkter og enorm kemisk aktivitet, som i de fleste tilfælde ikke tillader deres brug til fremstilling af ledninger.

Metaller med høj elektrisk ledningsevne, når de åbnes, er meget farlige for mennesker. Berøring af en blottet ledning vil resultere i en elektrisk forbrænding og en kraftig udledning til alle indre organer. Dette resulterer ofte i øjeblikkelig død. Derfor bruges specielle isoleringsmaterialer til menneskers sikkerhed.

Afhængigt af anvendelsen kan de være faste, flydende eller gasformige. Men alle typer er designet til én funktion - isolering af den elektriske strøm inde i kredsløbet, så den ikke kan påvirke omverdenen. Den elektriske ledningsevne af metaller bruges i næsten alle områder af det moderne menneskeliv, så sikring af sikkerhed er en topprioritet.

Elektrisk ledningsevne af metaller

Når et metal udsættes for et elektrisk (eller magnetisk) felt (eller temperaturforskel), opstår der strømme af ladede partikler og energi i det.

Forekomsten af ​​disse strømme eller strømme kaldes normalt kinetiske effekter eller overførselsfænomener, ellers transporteffekter, hvilket betyder påvirkningen af ​​stationære felter på stationære ledere. I dette tilfælde er strømmen eller fluxen proportional med potentialforskellen (eller temperaturforskellen), og proportionalitetskoefficienten bestemmes kun af lederens geometriske dimensioner og selve metallets fysiske egenskaber.

For enhedsgeometriske dimensioner afhænger denne koefficient kun af egenskaberne af et givet metal og er dets grundlæggende fysiske egenskab, som kaldes den kinetiske koefficient. Når en leder er i et vekselfelt, afhænger strømmene, der opstår i den, ikke kun af de geometriske dimensioner og kinetiske koefficienter, men også af frekvensen af ​​vekselfeltet, lederens form og den relative position af elementerne i lederen. elektriske kredsløb.

Modstanden af ​​en leder under vekselstrøm afhænger væsentligt af dens frekvens, som er forårsaget af spin-effekten - forskydningen af ​​strøm fra midten af ​​lederen til periferien. Af de mange mulige kinetiske fænomener er to mest kendte inden for teknologien: elektrisk ledningsevne - et stofs evne til at lede en konstant elektrisk strøm under påvirkning af et elektrisk felt, der ikke ændrer sig over tid, og termisk ledningsevne - tilsvarende ift. temperaturforskellen og varmeflowet. Begge disse fænomener er udtrykt (kvantitativt) af henholdsvis Ohms og Fouriers love:

j = yE; ω = k T.

hvor j er strømtætheden, A/m;

γ - kinetisk koefficient for elektrisk ledningsevne);

E - elektrisk feltstyrke V/m;

ω - termisk strømtæthed;

T - temperaturforskel;

k – varmeledningskoefficient.

I praksis bruges normalt elektrisk resistivitet eller blot resistivitet, Ohm m

For ledere er det dog tilladt at bruge den ikke-systemmæssige måleenhed Ohm mm2/m, eller det anbefales at bruge den tilsvarende SI-enhed μOhm/m. Overgang fra en enhed til en anden i dette tilfælde: 1 Ohm m = 10 6 μOhm m = 10 6 Ohm mm2/m.

Modstanden af ​​en leder af vilkårlige dimensioner med et konstant tværsnit bestemmes af:

hvor l er længden af ​​lederen, m;

S – lederareal, m2.

Metaller karakteriseres normalt som plastiske stoffer med en karakteristisk "metallisk" glans, der er gode ledere af elektrisk strøm og varme.

Følgende er typiske for metallers elektriske ledningsevne: en lav værdi af resistivitet ved normal temperatur, en signifikant stigning i modstand med stigende temperatur, ret tæt på direkte proportionalitet; når temperaturen falder til temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt, falder modstanden af ​​metaller til meget små værdier, svarende til 10-3 for de reneste metaller eller endda en mindre del af modstanden ved normale, + 20 0C, temperaturer.

De er også kendetegnet ved tilstedeværelsen af ​​et forhold mellem elektrisk ledningsevne og termisk ledningsevne, hvilket er beskrevet af den empiriske Wiedemann-Franz lov, da forholdet k / γ er omtrent det samme for forskellige materialer ved samme temperatur. Kvotienten af ​​k / γ divideret med den absolutte temperatur T (L0 = k / (γ T)). kaldet Lorentz-tallet, er (for alle metaller) en værdi, der afviger lidt ved alle temperaturer.

Teorien om kinetiske fænomener i metaller kan forklare formen af ​​kinetiske koefficienters afhængighed af temperatur, tryk og andre faktorer, og med dens hjælp er det også muligt at beregne deres værdier. For at gøre dette skal du overveje den indre struktur af metaller.

Den grundlæggende idé om denne gren af ​​fysik opstod ved begyndelsen af ​​det 19. og 20. århundrede: metalatomer ioniseres, og valenselektronerne, der er adskilt fra dem, er frie, dvs. de tilhører hele krystallen.

Ionerne er strengt ordnede og danner et regulært krystalgitter; deres interaktion med den negativt ladede sky af frie elektroner er sådan, at det gør krystallen til en stabil, stabil formation.

Tilstedeværelsen af ​​frie elektroner forklarer godt den høje elektriske ledningsevne af metaller, og deres delokalisering giver høj plasticitet. Dette betyder, at det mest karakteristiske træk ved den indre struktur af metalledere er tilstedeværelsen af ​​omrejsende elektroner, hvilket bekræfter deres elektroniske struktur. I sin simpleste model er en samling af omrejsende elektroner forklaret som en elektrongas, hvor partiklerne er i kaotisk termisk bevægelse.

Ligevægt etableres (hvis vi negligerer kollisioner mellem elektroner) på grund af kollisionen af ​​elektroner med ioner. Da termisk bevægelse ikke er fuldstændig ordnet, observeres der på trods af elektronernes ladning ingen strøm (makroskopisk) i kredsløbet. Hvis et eksternt elektrisk felt påføres en leder, vil de frie elektroner, efter at de har modtaget acceleration, opstilles i en ordnet komponent, som er orienteret langs feltet.

Da ionerne på gittersteder er stationære, vil orden i elektronernes bevægelse manifestere sig som en makroskopisk elektrisk strøm. Specifik ledningsevne i dette tilfælde kan udtrykkes under hensyntagen til den gennemsnitlige frie vej λ for en elektron i et accelererende styrkefelt E:

λ = e E τ / (2 m) som γ = e2 n λ / (2 m vτ),

hvor e er elektronladningen;

n er antallet af frie elektroner pr. volumenenhed metal;

λ er den gennemsnitlige frie vej for en elektron mellem to kollisioner;

m er elektronmassen;

v τ er den gennemsnitlige hastighed af termisk bevægelse af en fri elektron i metallet.

Under hensyntagen til kvantemekanikkens bestemmelser

γ = K p2/3 / λ,

hvor K er en numerisk koefficient.

Resistivitetsområdet for metalledere ved normal temperatur er kun tre størrelsesordener. For forskellige metaller er hastighederne for kaotisk termisk bevægelse af elektroner ved en bestemt temperatur omtrent den samme.

Koncentrationerne af frie elektroner afviger lidt, så værdien af ​​resistivitet afhænger hovedsageligt af den gennemsnitlige frie vej af elektroner i en given leder, og den bestemmes af ledermaterialets struktur. Alle rene metaller med det mest regelmæssige krystalgitter har minimale resistivitetsværdier. Urenheder, der forvrænger gitteret, fører til en stigning i resistivitet

Tempeller den gennemsnitlige teudtrykkes som

a = 1/p (dp/dt); α` = 1 / ρ (ρ2 - ρ1) / (T2 – T1),

hvor ρ1 og ρ2 er lederresistiviteterne ved temperaturerne T1 og T2, henholdsvis ved T2 > T1.

Tekniske opslagsværker giver sædvanligvis værdien α`, hvormed man omtrent kan bestemme ρ ved en vilkårlig temperatur T:

ρ = ρ1 (1 + αρ` (T - T1)).

Dette udtryk giver kun den nøjagtige værdi af resistivitet p for en lineær afhængighed ρ(T). I andre tilfælde er denne metode omtrentlig; jo smallere temperaturintervallet bruges til at bestemme αρ`, jo smallere er det.

Resistiviteten af ​​de fleste metaller, som øges i volumen, når de smeltes, reducerer deres densitet. For metaller, der reducerer deres volumen under smeltning, falder resistiviteten; Disse metaller omfatter gallium, antimon og vismut.

Resistiviteten af ​​legeringer er altid større end for rene metaller. Dette er især mærkbart, hvis de ved sammensmeltning danner en fast opløsning, dvs. krystalliserer sammen under størkning, og atomerne i det ene metal kommer ind i det andet metals gitter.

Hvis en legering af to metaller skaber separat krystallisation og en størknet opløsning - en blanding af krystaller af hver af komponenterne, så ændres den specifikke ledningsevne γ af en sådan legering med en ændring i sammensætning næsten lineært. I faste opløsninger er denne afhængighed (af indholdet af hvert metal) ikke lineær og har et maksimum svarende til et vist forhold mellem legeringskomponenter.

Nogle gange danner de i et vist forhold mellem komponenterne kemiske forbindelser (intermetalliske forbindelser), og de har ikke en metallisk ledningsevne, men er elektroniske halvledere.

Temperaturkoefficienten for lineær udvidelse af ledere bestemmes på samme måde som for dielektrikum ved hjælp af formlen

ТКl = α(l) = l / l (dl / dТ), (3.1)

hvor TKl = α(l) - temperaturkoefficient for lineær udvidelse K-1

Denne koefficient skal være kendt for at kunne evaluere ydeevnen af ​​parringsmaterialer i forskellige strukturer, samt for at udelukke revner eller afbrydelse af vakuumforbindelsen af ​​metal med glas eller keramik, når temperaturen ændres. Derudover er det inkluderet i beregningen af ​​temperaturkoefficienten for elektrisk modstand af ledninger

ТКR = α(R) = α(ρ) - α(l).

ThermoEMF af ledere

ThermoEMF opstår, når to forskellige ledere (eller halvledere) kommer i kontakt, hvis temperaturen på deres krydsninger ikke er den samme. Hvis to forskellige ledere kommer i kontakt, opstår der en kontaktpotentialforskel mellem dem. Til metallerne A og B

Ucb - Uc + K T / e ln(n0с / nob),

hvor Uc og Ub er potentialerne for at komme i kontakt med metaller; elektronkoncentration i de tilsvarende metaller;

K er Boltzmanns konstant;

T - temperatur;

e er den absolutte værdi af elektronladningen.

Hvis temperaturen af ​​metalforbindelserne er den samme, er summen af ​​potentialforskellen i et lukket kredsløb nul. Hvis temperaturen på lagene er forskellige (f.eks. T2 og T1), så i dette tilfælde

U = K/e (T1 - T2) ln(nc/nb). (3.2)

I praksis observeres udtryk (3.2) ikke altid, og termoEMF's afhængighed af temperaturen kan være ulineær. En ledning, der består af to isolerede ledninger af forskellige metaller eller legeringer, kaldes et termoelement og bruges til at måle temperaturer.

I sådanne tilfælde forsøger de at bruge materialer, der har en stor og stabil termoEMF-koefficient. for at måle høje temperaturer er det nogle gange nødvendigt (især når man måler temperaturer i aggressive miljøer) at bruge termoelementer med lavere thermoEdS-koefficienter, men som tåler høje temperaturer og ikke oxiderer i aggressive miljøer.

Legeringer til termoelementer har forskellige kombinationer, herunder en elektrode, der kan være lavet af rent metal. De mest almindelige er nikkel og kobber-nikkel legeringer. Til temperaturer i området 1000 - 1200 0C anvendes chromel - alumel (TCA) termoelementer, ved højere temperaturer anvendes platin - platin-rhodium elektroder; i disse legeringer varierer rhodium fra 6,7 ​​til 40,5%. Mærkerne af sådanne termoelementer er som følger: PlRd-7, PlRd-10, PlRd-30, PlRd-40.

Elektrisk ledningsevne karakteriserer kroppens evne til at lede elektrisk strøm. Ledningsevne - modstandsværdi. I formlen er den omvendt proportional med elektrisk modstand, og de bruges faktisk til at betegne materialets samme egenskaber. Ledningsevne måles i Siemens: [Sm]=.

Typer af elektrisk ledningsevne:

— Elektronisk ledningsevne, hvor ladningsbærerne er elektroner. Denne ledningsevne er primært karakteristisk for metaller, men er til stede i en eller anden grad i næsten ethvert materiale. Når temperaturen stiger, falder den elektroniske ledningsevne.

— Ionisk ledningsevne. Det findes i gasformige og flydende medier, hvor der er frie ioner, der også bærer ladninger, der bevæger sig gennem hele mediets volumen under påvirkning af et elektromagnetisk felt eller anden ekstern påvirkning. Anvendes i elektrolytter. Når temperaturen stiger, stiger ionkonduktiviteten, efterhånden som der produceres flere højenergi-ioner, og mediets viskositet falder.

— Hulledningsevne. Denne ledningsevne er forårsaget af mangel på elektroner i materialets krystalgitter. Faktisk overfører elektroner igen ladning her, men de ser ud til at bevæge sig langs gitteret og optager sekventielt frie rum i det, i modsætning til den fysiske bevægelse af elektroner i metaller. Dette princip bruges i halvledere sammen med elektronisk ledningsevne.

De allerførste materialer, der begyndte at blive brugt i elektroteknik, var historisk set metaller og dielektrika (isolatorer, der har lav elektrisk ledningsevne). Halvledere er nu meget brugt i elektronik. De indtager en mellemposition mellem ledere og dielektrikum og er kendetegnet ved, at mængden af ​​elektrisk ledningsevne i halvledere kan reguleres af forskellige påvirkninger. De fleste moderne ledere er lavet af silicium, germanium og kulstof. Derudover kan andre stoffer bruges til at lave PP, men de bruges meget sjældnere.

Strømtransmission med minimale tab er vigtig. I denne henseende spiller metaller med høj elektrisk ledningsevne og følgelig lav elektrisk modstand en vigtig rolle. Det bedste i denne henseende er sølv (62.500.000 S/m), efterfulgt af kobber (58.100.000 S/m), guld (45.500.000 S/m), aluminium (37.000.000 S/m). I overensstemmelse med økonomisk gennemførlighed anvendes aluminium og kobber oftest, mens kobber er lidt ringere i ledningsevne i forhold til sølv. Alle andre metaller har ingen industriel betydning for produktionen af ​​ledere.