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

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

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

u =< v >/ E = (e τ e) / m

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

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

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

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

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

Peralihan elektron melalui jurang jalur dalam badan sedemikian boleh dicapai, contohnya, melalui pengujaan haba. Dalam kes ini, sebahagian daripada tahap - jalur valens - dilepaskan dan tahap jalur bebas berikut (jalur pengaliran) diisi sebahagiannya. Bahan-bahan ini adalah semikonduktor.

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

logam

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

n = (1 / 3π 2) · (2mE F / ђ 2) 3/2

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

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

u ~ λ e / ~ T -1

dan di kawasan suhu rendah

u ~ λ e / ~const(T).

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

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

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

ρ rehat (atau ρ lebih kurang) = const (T)

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

Kebergantungan kerintangan ρ pada suhu ditunjukkan dalam Rajah. 10.2

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

ρ = ρ lebih kurang + ρ f

Ungkapan (10.6) mewakili peraturan Matthiessen tentang aditiviti rintangan. Perlu diingatkan bahawa kedua-dua elektron-phonon dan penyerakan kekotoran elektron adalah sifat huru-hara.

Semikonduktor

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

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

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

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

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

σ = σ n + σ ρ = e n n u n + e n ρ u ρ

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

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

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

di mana n no dan n pо ialah kepekatan elektron dan lubang pada T → ∞,
k = 1.38 · 10 –23 J/K - pemalar Boltzmann.

Rajah 10.3a menunjukkan graf kebergantungan logaritma kekonduksian elektrik ln σ semikonduktor intrinsik pada suhu songsang 1 / T: ln σ = = ƒ(1 / T). Graf ialah garis lurus, cerunnya boleh digunakan untuk menentukan jurang jalur ∆E.

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

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

Di atas suhu T S1 dan sehingga suhu peralihan kepada kekonduksian intrinsik T i1 (lihat titik B, lengkung 1, Rajah 10.3, b), kekonduksian elektrik berkurangan dan rintangan semikonduktor meningkat. Di atas suhu T i1, kekonduksian elektrik intrinsik mendominasi, i.e. Disebabkan pengujaan terma, pembawa cas sendiri bergerak ke jalur pengaliran. Di kawasan kekonduksian intrinsik, σ meningkat dan ρ berkurangan.

Untuk semikonduktor terdop berat, di mana kepekatan kekotoran ialah n ~ 10 26 m–3, i.e. adalah sepadan dengan kepekatan pembawa cas dalam logam (lihat lengkung 3, Rajah 10.3b), pergantungan σ pada suhu diperhatikan hanya di kawasan kekonduksian intrinsik. Dengan peningkatan kepekatan bendasing, nilai selang AB (AB > A"B" > A"B") berkurangan (lihat Rajah 10.3,b).

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Penampilan elektron bebas dalam kristal boleh dijelaskan seperti berikut.

Apabila atom bergabung menjadi kristal logam, elektron luar yang paling lemah dikaitkan dengan nukleus atom dipisahkan daripada atom (Rajah 2). Oleh itu, ion positif terletak di nod kekisi kristal logam, dan elektron yang tidak dikaitkan dengan nukleus atom mereka bergerak di ruang antara mereka. Elektron ini dipanggil percuma atau elektron pengaliran. Mereka melakukan pergerakan huru-hara yang serupa dengan pergerakan molekul gas. Oleh itu, pengumpulan elektron bebas dalam logam dipanggil gas elektron.

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

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

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

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

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

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

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

Pada tahun 1911, ahli fizik Belanda G. Kamerlingh-Onnes, mengkaji perubahan dalam rintangan elektrik merkuri pada suhu rendah, mendapati bahawa pada suhu kira-kira 4 K (iaitu pada -269 ° C) kerintangan berkurangan secara mendadak (Rajah 3). hampir kepada sifar. Fenomena rintangan elektrik menjadi sifar ini dipanggil superkonduktiviti oleh G. Kamerlingh-Onnes.

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

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

Bahan dalam keadaan superkonduktor mempunyai sifat luar biasa:

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

Sehingga baru-baru ini, penggunaan superkonduktiviti yang meluas telah dihalang oleh kesukaran yang berkaitan dengan keperluan untuk penyejukan kepada suhu ultra-rendah, yang mana helium cecair digunakan. Namun begitu, di sebalik kerumitan peralatan, kekurangan dan kos helium yang tinggi, sejak tahun 60-an abad ke-20, magnet superkonduktor telah dicipta tanpa kehilangan haba dalam belitannya, yang membolehkan secara praktikal untuk mendapatkan medan magnet yang kuat secara relatifnya. jumlah yang besar. Magnet inilah yang diperlukan untuk mencipta pemasangan gabungan termonuklear terkawal dengan kurungan plasma magnetik, dan untuk pemecut zarah bercas yang berkuasa. Superkonduktor digunakan dalam pelbagai alat pengukur, terutamanya dalam instrumen untuk mengukur medan magnet yang sangat lemah dengan ketepatan yang melampau.

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

Sejumlah elemen logik dan storan berkelajuan tinggi untuk komputer telah dicipta berdasarkan filem superkonduktor. Dalam penyelidikan angkasa lepas, ia menjanjikan untuk menggunakan solenoid superkonduktor untuk perlindungan sinaran angkasawan, dok kapal, brek dan orientasinya, dan untuk enjin roket plasma.

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

Teori klasik kekonduksian elektrik logam berasal pada awal abad kedua puluh. Pengasasnya ialah ahli fizik Jerman Karl Rikke. Beliau secara eksperimen membuktikan bahawa laluan cas melalui logam tidak melibatkan pemindahan atom konduktor, tidak seperti elektrolit cecair. Walau bagaimanapun, penemuan ini tidak menjelaskan apa sebenarnya pembawa impuls elektrik dalam struktur logam.

Eksperimen saintis Stewart dan Tolman, yang dijalankan pada tahun 1916, membolehkan kami menjawab soalan ini. Mereka dapat menentukan bahawa zarah bercas terkecil - elektron - bertanggungjawab untuk pemindahan elektrik dalam logam. Penemuan ini membentuk asas teori elektronik klasik kekonduksian elektrik logam. Mulai saat ini, era baru penyelidikan ke dalam konduktor logam bermula. Terima kasih kepada keputusan yang diperoleh, hari ini kami berpeluang menggunakan perkakas rumah, peralatan pengeluaran, mesin dan banyak peranti lain.

Bagaimanakah kekonduksian elektrik bagi logam yang berbeza berbeza?

Teori elektronik kekonduksian elektrik logam telah dibangunkan dalam penyelidikan Paul Drude. Dia dapat menemui sifat seperti rintangan, yang diperhatikan apabila arus elektrik melalui konduktor. Pada masa hadapan, ini akan membolehkan untuk mengelaskan bahan yang berbeza mengikut tahap kekonduksian mereka. Daripada keputusan yang diperoleh, mudah untuk memahami logam mana yang sesuai untuk pembuatan kabel tertentu. Ini adalah perkara yang sangat penting, kerana bahan yang dipilih secara salah boleh menyebabkan kebakaran akibat terlalu panas daripada laluan arus voltan yang berlebihan.

Logam perak mempunyai kekonduksian elektrik yang paling tinggi. Pada suhu +20 darjah Celsius, ia adalah 63.3 * 104 sentimeter-1. Tetapi membuat pendawaian dari perak sangat mahal, kerana ia adalah logam yang agak jarang berlaku, yang digunakan terutamanya untuk pengeluaran barang kemas dan hiasan atau syiling jongkong.

Logam yang mempunyai kekonduksian elektrik tertinggi di antara semua unsur kumpulan asas ialah kuprum. Penunjuknya ialah 57*104 sentimeter-1 pada suhu +20 darjah Celsius. Tembaga adalah salah satu konduktor yang paling biasa digunakan untuk tujuan rumah dan industri. Ia menahan beban elektrik yang berterusan dengan baik, tahan lama dan boleh dipercayai. Takat lebur yang tinggi membolehkan anda bekerja untuk masa yang lama dalam keadaan panas tanpa masalah.

Dari segi kelimpahan, hanya aluminium boleh bersaing dengan tembaga, yang menduduki tempat keempat dalam kekonduksian elektrik selepas emas. Ia digunakan dalam rangkaian voltan rendah, kerana ia mempunyai hampir separuh takat lebur tembaga dan tidak mampu menahan beban yang melampau. Pengagihan lebih lanjut tempat boleh didapati dengan melihat jadual kekonduksian elektrik logam.

Perlu diingat bahawa mana-mana aloi mempunyai kekonduksian yang jauh lebih rendah daripada bahan tulen. Ini disebabkan oleh penggabungan rangkaian struktur dan, sebagai akibatnya, gangguan fungsi normal elektron. Sebagai contoh, dalam pengeluaran wayar tembaga, bahan dengan kandungan kekotoran tidak lebih daripada 0.1% digunakan, dan untuk beberapa jenis kabel penunjuk ini lebih ketat - tidak lebih daripada 0.05%. Semua penunjuk yang diberikan adalah kekonduksian elektrik logam, yang dikira sebagai nisbah antara ketumpatan arus dan magnitud medan elektrik dalam konduktor.

Teori klasik kekonduksian elektrik logam

Prinsip asas teori kekonduksian elektrik logam mengandungi enam mata. Pertama: tahap kekonduksian elektrik yang tinggi dikaitkan dengan kehadiran sejumlah besar elektron bebas. Kedua: arus elektrik timbul melalui pengaruh luaran pada logam, di mana elektron bergerak dari gerakan rawak kepada satu tertib.

Ketiga: kekuatan arus yang melalui konduktor logam dikira mengikut hukum Ohm. Keempat: bilangan zarah asas yang berbeza dalam kekisi kristal membawa kepada rintangan logam yang tidak sama. Kelima: arus elektrik dalam litar berlaku serta-merta selepas permulaan tindakan ke atas elektron. Keenam: apabila suhu dalaman logam meningkat, tahap rintangannya juga meningkat.

Sifat kekonduksian elektrik logam dijelaskan oleh titik kedua peruntukan. Dalam keadaan senyap, semua elektron bebas berputar secara huru-hara di sekeliling nukleus. Pada masa ini, logam tidak dapat mengeluarkan semula cas elektrik secara bebas. Tetapi sebaik sahaja anda menyambungkan sumber pengaruh luaran, elektron serta-merta berbaris dalam urutan berstruktur dan menjadi pembawa arus elektrik. Dengan peningkatan suhu, kekonduksian elektrik logam berkurangan.

Ini disebabkan oleh fakta bahawa ikatan molekul dalam kekisi kristal menjadi lemah, zarah asas mula berputar dalam susunan yang lebih huru-hara, jadi membina elektron ke dalam rantai menjadi lebih rumit. Oleh itu, adalah perlu untuk mengambil langkah-langkah untuk mengelakkan terlalu panas konduktor, kerana ini menjejaskan sifat prestasinya secara negatif. Mekanisme kekonduksian elektrik logam tidak boleh diubah kerana undang-undang fizik semasa. Tetapi adalah mungkin untuk meneutralkan pengaruh luaran dan dalaman negatif yang mengganggu perjalanan normal proses.

Logam dengan kekonduksian elektrik yang tinggi

Kekonduksian elektrik logam alkali berada pada tahap yang tinggi, kerana elektronnya lemah melekat pada nukleus dan mudah berbaris dalam urutan yang dikehendaki. Tetapi kumpulan ini dicirikan oleh takat lebur yang rendah dan aktiviti kimia yang besar, yang dalam kebanyakan kes tidak membenarkan penggunaannya untuk pembuatan wayar.

Logam dengan kekonduksian elektrik yang tinggi apabila dibuka sangat berbahaya bagi manusia. Menyentuh wayar kosong akan mengakibatkan kebakaran elektrik dan pelepasan yang kuat ke semua organ dalaman. Ini sering mengakibatkan kematian serta-merta. Oleh itu, bahan penebat khas digunakan untuk keselamatan orang ramai.

Bergantung pada aplikasi, mereka boleh menjadi pepejal, cecair atau gas. Tetapi semua jenis direka untuk satu fungsi - mengasingkan arus elektrik di dalam litar supaya ia tidak menjejaskan dunia luar. Kekonduksian elektrik logam digunakan dalam hampir semua bidang kehidupan manusia moden, jadi memastikan keselamatan adalah keutamaan.

Kekonduksian elektrik logam

Apabila logam terdedah kepada medan elektrik (atau magnet) (atau perbezaan suhu), aliran zarah bercas dan tenaga muncul di dalamnya.

Fenomena kejadian aliran atau arus ini biasanya dipanggil kesan kinetik atau fenomena pemindahan, sebaliknya kesan pengangkutan, bermaksud kesan medan pegun pada konduktor pegun. Dalam kes ini, arus atau fluks adalah berkadar dengan beza keupayaan (atau perbezaan suhu), dan pekali perkadaran hanya ditentukan oleh dimensi geometri konduktor dan sifat fizikal logam itu sendiri.

Untuk dimensi geometri unit, pekali ini hanya bergantung pada sifat logam tertentu dan merupakan ciri fizikal asasnya, yang dipanggil pekali kinetik. Apabila konduktor berada dalam medan ulang-alik, arus yang timbul di dalamnya bergantung bukan sahaja pada dimensi geometri dan pekali kinetik, tetapi juga pada frekuensi medan ulang-alik, bentuk konduktor, dan kedudukan relatif unsur-unsur litar elektrik.

Rintangan konduktor di bawah arus ulang alik banyak bergantung pada kekerapannya, disebabkan oleh kesan putaran - anjakan arus dari pusat konduktor ke pinggir. Daripada banyak kemungkinan fenomena kinetik, dua yang paling terkenal dalam teknologi: kekonduksian elektrik - keupayaan bahan untuk mengalirkan arus elektrik yang berterusan di bawah pengaruh medan elektrik yang tidak berubah dari semasa ke semasa, dan kekonduksian terma - sama berkaitan dengan perbezaan suhu dan aliran haba. Kedua-dua fenomena ini dinyatakan (secara kuantitatif) oleh hukum Ohm dan Fourier, masing-masing:

j = γ E; ω = k T.

di mana j ialah ketumpatan semasa, A/m;

γ - pekali kinetik kekonduksian elektrik);

E - kekuatan medan elektrik V/m;

ω - ketumpatan arus haba;

T - perbezaan suhu;

k – pekali kekonduksian terma.

Dalam amalan, kerintangan elektrik atau ringkasnya kerintangan, Ohm m, biasanya digunakan

Walau bagaimanapun, untuk konduktor dibenarkan menggunakan unit ukuran bukan sistem Ohm mm2/m, atau disyorkan untuk menggunakan unit SI yang setara μOhm/m. Peralihan dari satu unit ke unit lain dalam kes ini: 1 Ohm m = 10 6 μOhm m = 10 6 Ohm mm2/m.

Rintangan konduktor dengan dimensi sewenang-wenang dengan keratan rentas malar ditentukan oleh:

di mana l ialah panjang konduktor, m;

S – kawasan konduktor, m2.

Logam biasanya dicirikan sebagai bahan plastik dengan ciri kilauan "logam" yang merupakan pengalir arus elektrik dan haba yang baik.

Untuk kekonduksian elektrik logam, berikut adalah tipikal: nilai kerintangan yang rendah pada suhu normal, peningkatan yang ketara dalam rintangan dengan peningkatan suhu, agak hampir dengan perkadaran langsung; apabila suhu menurun kepada suhu hampir kepada sifar mutlak, rintangan logam berkurangan kepada nilai yang sangat kecil, berjumlah 10-3 untuk logam paling tulen atau bahkan pecahan yang lebih kecil daripada rintangan pada suhu biasa, + 20 0C,.

Mereka juga dicirikan oleh kehadiran hubungan antara kekonduksian elektrik dan kekonduksian terma, yang digambarkan oleh undang-undang Wiedemann-Franz empirikal sebagai nisbah k / γ adalah lebih kurang sama untuk bahan yang berbeza pada suhu yang sama. Hasil bagi k / γ dibahagikan dengan suhu mutlak T (L0 = k / (γ T)). dipanggil nombor Lorentz, adalah (untuk semua logam) nilai yang berbeza sedikit pada semua suhu.

Teori fenomena kinetik dalam logam boleh menerangkan bentuk pergantungan pekali kinetik pada suhu, tekanan dan faktor lain, dan dengan bantuannya juga mungkin untuk mengira nilainya. Untuk melakukan ini, pertimbangkan struktur dalaman logam.

Idea asas cabang fizik ini timbul pada pergantian abad ke-19 dan ke-20: atom logam diionkan, dan elektron valens yang dipisahkan daripadanya adalah bebas, iaitu, ia tergolong dalam keseluruhan kristal.

Ion-ion dipesan dengan ketat dan membentuk kekisi kristal biasa; interaksi mereka dengan awan bercas negatif elektron bebas adalah sedemikian rupa sehingga menjadikan kristal itu pembentukan yang stabil dan stabil.

Kehadiran elektron bebas dengan baik menerangkan kekonduksian elektrik logam yang tinggi, dan penyahtempatan mereka memberikan keplastikan yang tinggi. Ini bermakna bahawa ciri paling ciri struktur dalaman konduktor logam ialah kehadiran elektron jelajah, yang mengesahkan struktur elektronik mereka. Dalam model termudahnya, koleksi elektron jelajah dijelaskan sebagai gas elektron di mana zarah-zarah berada dalam gerakan terma huru-hara.

Keseimbangan ditubuhkan (jika kita mengabaikan perlanggaran antara elektron) disebabkan oleh perlanggaran elektron dengan ion. Oleh kerana gerakan terma tidak diperintahkan sepenuhnya, maka, walaupun cas elektron, tiada arus (makroskopik) diperhatikan dalam litar. Jika medan elektrik luaran dikenakan pada konduktor, maka elektron bebas, setelah menerima pecutan, berbaris menjadi komponen tersusun, yang berorientasikan sepanjang medan.

Oleh kerana ion-ion di tapak kekisi adalah pegun, susunan pergerakan elektron akan nyata sebagai arus elektrik makroskopik. Kekonduksian khusus dalam kes ini boleh dinyatakan dengan mengambil kira laluan bebas min λ elektron dalam medan pecutan kekuatan E:

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

di mana e ialah cas elektron;

n ialah bilangan elektron bebas per unit isipadu logam;

λ ialah laluan bebas purata elektron antara dua perlanggaran;

m ialah jisim elektron;

v τ ialah kelajuan purata pergerakan haba bagi elektron bebas dalam logam.

Mengambil kira peruntukan mekanik kuantum

γ = K p2/3 / λ,

di mana K ialah pekali berangka.

Julat kerintangan konduktor logam pada suhu normal hanya tiga urutan magnitud. Untuk logam yang berbeza, kelajuan pergerakan terma huru-hara elektron pada suhu tertentu adalah lebih kurang sama.

Kepekatan elektron bebas berbeza sedikit, jadi nilai kerintangan terutamanya bergantung pada min laluan bebas elektron dalam konduktor tertentu, dan ia ditentukan oleh struktur bahan konduktor. Semua logam tulen dengan kekisi kristal yang paling biasa mempunyai nilai kerintangan minimum. Kekotoran, memutarbelitkan kekisi, membawa kepada peningkatan kerintangan

Pekali suhu kerintangan atau pekali suhu purata kerintangan dinyatakan sebagai

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

di mana ρ1 dan ρ2 ialah kerintangan konduktor pada suhu T1 dan T2, masing-masing, pada T2 > T1.

Buku rujukan teknikal biasanya memberikan nilai α`, yang dengannya anda boleh menentukan ρ pada suhu sewenang-wenangnya T:

ρ = ρ1 (1 + αρ` (T - T1)).

Ungkapan ini memberikan nilai tepat kerintangan p hanya untuk pergantungan linear ρ(T). Dalam kes lain, kaedah ini adalah anggaran; semakin sempit selang suhu yang digunakan untuk menentukan αρ`, semakin sempitnya.

Kerintangan kebanyakan logam, yang meningkat dalam isipadu apabila cair, mengurangkan ketumpatannya. Bagi logam yang mengurangkan isipadunya semasa lebur, kerintangan berkurangan; Logam ini termasuk galium, antimoni dan bismut.

Kerintangan aloi sentiasa lebih besar daripada logam tulen. Ini amat ketara jika, selepas pelakuran, mereka membentuk penyelesaian pepejal, i.e. menghablur bersama semasa pemejalan dan atom-atom satu logam memasuki kekisi logam yang lain.

Jika aloi dua logam mencipta penghabluran berasingan dan larutan pepejal - campuran kristal setiap komponen, maka kekonduksian khusus γ aloi sedemikian berubah dengan perubahan komposisi hampir secara linear. Dalam larutan pepejal, pergantungan ini (pada kandungan setiap logam) tidak linear dan mempunyai maksimum sepadan dengan nisbah komponen aloi tertentu.

Kadangkala, pada nisbah tertentu antara komponen, mereka membentuk sebatian kimia (sebatian antara logam), dan mereka tidak mempunyai kekonduksian logam, tetapi merupakan semikonduktor elektronik.

Pekali suhu pengembangan linear konduktor ditentukan dengan cara yang sama seperti untuk dielektrik menggunakan formula

ТКl = α(l) = l / l (dl / dТ), (3.1)

di mana TKl = α(l) ialah pekali suhu pengembangan linear K-1

Pekali ini mesti diketahui agar dapat menilai prestasi bahan mengawan dalam pelbagai struktur, serta mengecualikan keretakan atau gangguan sambungan vakum logam dengan kaca atau seramik apabila suhu berubah. Di samping itu, ia termasuk dalam pengiraan pekali suhu rintangan elektrik wayar

ТКR = α(R) = α(ρ) - α(l).

ThermoEMF konduktor

ThermoEMF berlaku apabila dua konduktor (atau semikonduktor) berbeza bersentuhan jika suhu persimpangan mereka tidak sama. Jika dua konduktor berbeza bersentuhan, perbezaan potensi sentuhan timbul di antara mereka. Untuk logam A dan B

Ucb - Uc + K T / e ln(n0с / nob),

di mana U c dan U b ialah potensi untuk menghubungi logam; kepekatan elektron dalam logam yang sepadan;

K ialah pemalar Boltzmann;

T - suhu;

e ialah nilai mutlak cas elektron.

Jika suhu simpang logam adalah sama, maka jumlah beza keupayaan dalam litar tertutup ialah sifar. Jika suhu lapisan berbeza (T2 dan T1, sebagai contoh), maka dalam kes ini

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

Dalam amalan, ungkapan (3.2) tidak selalu diperhatikan, dan pergantungan thermoEMF pada suhu mungkin tidak linear. Kawat yang terdiri daripada dua wayar berpenebat daripada logam atau aloi yang berbeza dipanggil termokopel dan digunakan untuk mengukur suhu.

Dalam kes sedemikian, mereka cuba menggunakan bahan yang mempunyai pekali thermoEMF yang besar dan stabil. untuk mengukur suhu tinggi, kadangkala perlu (terutamanya apabila mengukur suhu dalam persekitaran yang agresif) menggunakan termokopel dengan pekali thermoEdS yang lebih rendah, tetapi menahan suhu tinggi dan tidak mengoksida dalam persekitaran yang agresif.

Aloi untuk termokopel mempunyai pelbagai kombinasi, termasuk satu elektrod yang boleh dibuat daripada logam tulen. Yang paling biasa ialah aloi nikel dan tembaga-nikel. Untuk suhu dalam julat 1000 - 1200 0C, termokopel chromel - alumel (TCA) digunakan pada suhu yang lebih tinggi, elektrod platinum - platinumrhodium digunakan; dalam aloi ini, rhodium berkisar antara 6.7 hingga 40.5%. Jenama termokopel tersebut adalah seperti berikut: PlRd-7, PlRd-10, PlRd-30, PlRd-40.

Kekonduksian elektrik mencirikan keupayaan badan untuk mengalirkan arus elektrik. Kekonduksian - nilai rintangan. Dalam formula, ia adalah berkadar songsang dengan rintangan elektrik, dan ia sebenarnya digunakan untuk menandakan sifat bahan yang sama. Kekonduksian diukur dalam Siemens: [Sm]=.

Jenis kekonduksian elektrik:

— Kekonduksian elektronik, di mana pembawa cas adalah elektron. Kekonduksian ini terutamanya ciri logam, tetapi terdapat pada satu darjah atau yang lain dalam hampir semua bahan. Apabila suhu meningkat, kekonduksian elektronik berkurangan.

— Kekonduksian ionik. Ia wujud dalam media gas dan cecair di mana terdapat ion bebas yang turut membawa cas, bergerak ke seluruh isipadu medium di bawah pengaruh medan elektromagnet atau pengaruh luar yang lain. Digunakan dalam elektrolit. Apabila suhu meningkat, kekonduksian ionik meningkat apabila lebih banyak ion bertenaga tinggi dihasilkan dan kelikatan medium berkurangan.

— Kekonduksian lubang. Kekonduksian ini disebabkan oleh kekurangan elektron dalam kekisi kristal bahan. Sebenarnya, elektron sekali lagi memindahkan cas ke sini, tetapi ia seolah-olah bergerak di sepanjang kekisi, menduduki ruang bebas secara berurutan di dalamnya, berbeza dengan pergerakan fizikal elektron dalam logam. Prinsip ini digunakan dalam semikonduktor, bersama dengan kekonduksian elektronik.

Dari segi sejarah, bahan pertama yang mula digunakan dalam kejuruteraan elektrik ialah logam dan dielektrik (penebat yang mempunyai kekonduksian elektrik yang rendah). Semikonduktor kini digunakan secara meluas dalam elektronik. Mereka menduduki kedudukan pertengahan antara konduktor dan dielektrik dan dicirikan oleh fakta bahawa jumlah kekonduksian elektrik dalam semikonduktor boleh dikawal oleh pelbagai pengaruh. Kebanyakan konduktor moden diperbuat daripada silikon, germanium dan karbon. Di samping itu, bahan lain boleh digunakan untuk membuat PP, tetapi ia digunakan lebih kurang kerap.

Transmisi semasa dengan kerugian minimum adalah penting. Dalam hal ini, logam dengan kekonduksian elektrik yang tinggi dan, oleh itu, rintangan elektrik yang rendah memainkan peranan penting. Yang terbaik dalam hal ini ialah perak (62,500,000 S/m), diikuti oleh tembaga (58,100,000 S/m), emas (45,500,000 S/m), aluminium (37,000,000 S/m). Selaras dengan kebolehlaksanaan ekonomi, aluminium dan kuprum paling kerap digunakan, manakala kuprum sedikit lebih rendah dalam kekonduksian kepada perak. Semua logam lain tidak mempunyai kepentingan industri untuk pengeluaran konduktor.