Conductivity ya umeme ni uwezo wa mwili kupitisha sasa umeme chini ya ushawishi wa shamba la umeme. Ili kuashiria jambo hili, thamani ya conductivity maalum ya umeme σ hutumiwa. Kama nadharia inavyoonyesha, thamani ya σ inaweza kuonyeshwa kupitia mkusanyiko n wa wabebaji wa malipo ya bure, malipo yao e, wingi wa m, wakati wa njia ya bure τ e, urefu wa njia ya bure λe na kasi ya wastani ya kuteleza.< v >malipo flygbolag. Kwa metali, elektroni zisizolipishwa hufanya kama wabebaji wa malipo ya bure, kwa hivyo:

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

ambapo wewe ni carrier uhamaji, i.e. idadi halisi ya nambari sawa na kasi ya kuteleza inayopatikana na wabebaji katika uwanja wa nguvu ya kitengo, ambayo ni.

wewe =< v >/ E = (e τ e) / m

Kulingana na σ, vitu vyote vinagawanywa; kwa makondakta - na σ > 10 6 (Ohm m) -1, dielectri - na σ > 10 -8 (Ohm m) -1 na halvledare - yenye thamani ya kati ya σ.

Kutoka kwa mtazamo wa nadharia ya bendi, mgawanyiko wa vitu katika conductors, semiconductors na dielectrics imedhamiriwa na jinsi bendi ya valence ya kioo imejaa elektroni kwa 0 K: sehemu au kabisa.

Nishati inayotolewa kwa elektroni hata kwa uwanja dhaifu wa umeme inalinganishwa na umbali kati ya viwango vya bendi ya nishati. Ikiwa kuna viwango vya bure katika ukanda, basi elektroni zinazosisimua na shamba la nje la umeme litawajaza. Hali ya quantum ya mfumo wa elektroni itabadilika, na harakati ya upendeleo (mwelekeo) ya elektroni dhidi ya shamba itaonekana kwenye kioo, i.e. umeme. Miili hiyo (Mchoro 10.1, a) ni waendeshaji.

Ikiwa bendi ya valence imejaa kabisa, basi mabadiliko katika hali ya mfumo wa elektroni yanaweza kutokea tu wakati wanapitia pengo la bendi. Nishati ya uwanja wa nje wa umeme hauwezi kutekeleza mabadiliko kama haya. Upangaji upya wa elektroni ndani ya eneo lililojazwa kabisa haisababishi mabadiliko katika hali ya mfumo, kwa sababu. Elektroni zenyewe haziwezi kutofautishwa.

Katika fuwele hizo (Mchoro 10.1, b), shamba la nje la umeme halitasababisha kuonekana kwa sasa ya umeme, na watakuwa wasio na conductors (dielectrics). Kutoka kwa kundi hili la vitu, wale walio na pengo la bendi ΔE ≤ 1 eV (1 eV = 1.6 · 10 -19 J) walitengwa.

Mpito wa elektroni kupitia pengo la bendi katika miili hiyo inaweza kukamilika, kwa mfano, kupitia msisimko wa joto. Katika kesi hii, sehemu ya viwango - bendi ya valence - inatolewa na viwango vya bendi ya bure ifuatayo (bendi ya uendeshaji) imejaa sehemu. Dutu hizi ni semiconductors.

Kwa mujibu wa kujieleza (10.1), mabadiliko katika conductivity ya umeme (upinzani wa umeme) wa miili yenye joto inaweza kusababishwa na mabadiliko katika mkusanyiko n wa flygbolag za malipo au mabadiliko katika uhamaji wao u.

Vyuma

Mahesabu ya mitambo ya quantum yanaonyesha kuwa kwa metali mkusanyiko n wa wabebaji wa malipo ya bure (elektroni) ni sawa na:

n = (1 / 3π 2) · (2mE F / ђ 2) 3/2

ambapo ђ = h / 2π = 1.05 · 10 -34 J · s ni mpangilio wa kawaida wa Planck, E F ni nishati ya Fermi.

Kwa kuwa E F kivitendo haitegemei joto la T, mkusanyiko wa flygbolag za malipo hautegemei joto. Kwa hivyo, utegemezi wa joto wa conductivity ya umeme ya metali itaamuliwa kabisa na uhamaji wa elektroni, kama ifuatavyo kutoka kwa formula (10.1). Kisha katika eneo la joto la juu

u ~ λ e / ~ T -1

na katika eneo la joto la chini

u ~ λ e / ~const(T).

Kiwango cha uhamaji wa carrier wa malipo kitatambuliwa na taratibu za kueneza, i.e. mwingiliano wa elektroni na uwanja wa kimiani wa mara kwa mara. Kwa kuwa uwanja wa kimiani bora ni wa mara kwa mara, na hali ya elektroni imesimama, kutawanya (kuonekana kwa upinzani wa umeme wa chuma) kunaweza tu kusababishwa na kasoro (atomi za uchafu, uharibifu wa muundo, nk) na vibrations ya mafuta. kimiani (fononi).

Karibu 0 K, ambapo ukubwa wa mitetemo ya joto ya kimiani na mkusanyiko wa phononi ni karibu na sifuri, kutawanyika kwa uchafu (kutawanyika kwa uchafu wa elektroni) hutawala. Katika kesi hii, conductivity kivitendo haibadilika, kama ifuatavyo kutoka kwa formula (10.4), na resistivity.

ina thamani ya mara kwa mara, ambayo inaitwa upinzani maalum wa mabaki ρ mapumziko au upinzani maalum wa uchafu ρ takriban, i.e.

ρ kupumzika (au ρ takriban) = const (T)

Kwa joto la juu katika metali, utaratibu wa kutawanya elektroni-phonon unakuwa mkubwa. Kwa utaratibu huu wa kutawanya, upitishaji wa umeme ni sawia na joto, kama inavyoweza kuonekana kutoka kwa fomula (10.3), na upinzani wa kupinga ni sawia moja kwa moja na joto:

Utegemezi wa resistivity ρ kwenye joto unaonyeshwa kwenye Mtini. 10.2

Kwa joto zaidi ya 0 K na kiasi kikubwa cha uchafu wa kutosha, kutawanyika kwa elektroni-phonon na elektroni-uchafu kunaweza kutokea; jumla ya resistivity ina fomu

ρ = ρ takriban + ρ f

Usemi (10.6) unawakilisha sheria ya Matthiessen kuhusu nyongeza ya ukinzani. Ikumbukwe kwamba wote elektroni-phonon na elektroni-uchafu kutawanya ni machafuko katika asili.

Semiconductors

Mahesabu ya mitambo ya Quantum ya uhamaji wa carrier katika semiconductors imeonyesha kuwa, kwanza, kwa kuongezeka kwa joto, uhamaji wa carrier u hupungua, na sababu ya kuamua katika kuamua uhamaji ni utaratibu wa kueneza unaosababisha uhamaji wa chini kabisa. Pili, utegemezi wa uhamaji wa carrier wa malipo kwenye kiwango cha doping (mkusanyiko wa uchafu) unaonyesha kuwa katika kiwango cha chini cha doping uhamaji utatambuliwa kwa kutawanyika kwa mitetemo ya kimiani na, kwa hiyo, haipaswi kutegemea mkusanyiko wa uchafu.

Katika viwango vya juu vya doping, inapaswa kuamua kwa kueneza kwa dopant ya ionized na kupungua kwa kuongezeka kwa mkusanyiko wa dopant. Kwa hivyo, mabadiliko katika uhamaji wa flygbolag za malipo haipaswi kutoa mchango unaoonekana kwa mabadiliko katika upinzani wa umeme wa semiconductor.

Kwa mujibu wa kujieleza (10.1), mchango mkuu wa mabadiliko katika conductivity ya umeme ya semiconductors inapaswa kufanywa na mabadiliko katika mkusanyiko n wa flygbolag za malipo.

Kipengele kikuu cha semiconductors ni asili ya uanzishaji wa conductivity, i.e. utegemezi uliotamkwa wa mkusanyiko wa carrier juu ya mvuto wa nje, kama vile joto, mionzi, nk. Hii inafafanuliwa na wembamba wa pengo la bendi (ΔE< 1 эВ) у собственных полупроводников и наличием дополнительных уровней в запрещенной зоне у примесных полупроводников.

Conductivity ya umeme ya semiconductors safi ya kemikali inaitwa conductivity mwenyewe. Uendeshaji wa ndani wa semiconductors huibuka kama matokeo ya mpito wa elektroni (n) kutoka viwango vya juu vya bendi ya valence hadi bendi ya upitishaji na uundaji wa mashimo (p) kwenye bendi ya valence:

σ = σ n + σ ρ = e n n u n + e n ρ u ρ

ambapo n n na n ρ ni mkusanyiko wa elektroni na mashimo,
u n na u ρ - kulingana na uhamaji wao,
e ni malipo ya mtoa huduma.

Kwa kuongezeka kwa joto, mkusanyiko wa elektroni kwenye bendi ya upitishaji na mashimo kwenye bendi ya valence huongezeka kwa kasi:

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

ambapo n no na n pо ni viwango vya elektroni na mashimo katika T → ∞,
k = 1.38 · 10 -23 J/K - Boltzmann ya mara kwa mara.

Mchoro 10.3a unaonyesha grafu ya utegemezi wa logariti ya conductivity ya umeme ln σ ya semiconductor ya ndani kwenye joto la kinyume 1 / T: ln σ = = ƒ (1 / T). Grafu ni mstari wa moja kwa moja, mteremko ambao unaweza kutumika kuamua pengo la bendi ∆E.

Conductivity ya umeme ya semiconductors ya doped ni kutokana na kuwepo kwa vituo vya uchafu ndani yao. Utegemezi wa joto wa semiconductors vile huamua sio tu kwa mkusanyiko wa flygbolag wengi, lakini pia kwa mkusanyiko wa flygbolag zinazotolewa na vituo vya uchafu. Katika Mtini. 10.3b inaonyesha grafu za utegemezi ln σ = ƒ (1 / T) kwa semiconductors na viwango tofauti vya doping (n1< n2 < n3, где n – концентрация примеси).

Kwa semikondukta zenye dope nyepesi, mageuzi yanayohusisha viwango vya uchafu hutawala katika eneo la halijoto ya chini. Wakati joto linapoongezeka, mkusanyiko wa flygbolag za uchafu huongezeka, ambayo ina maana kwamba conductivity ya uchafu pia huongezeka. Baada ya kufikia t. A (angalia Mchoro 10.3, b; curve 1) - joto la kupungua kwa uchafu T S1 - flygbolag zote za uchafu zitahamishiwa kwenye bendi ya uendeshaji.

Juu ya joto la T S1 na hadi joto la mpito kwa conductivity ya ndani T i1 (angalia hatua B, curve 1, Mchoro 10.3, b), conductivity ya umeme inashuka na upinzani wa semiconductor huongezeka. Juu ya joto la T i1, conductivity ya ndani ya umeme inatawala, i.e. Kwa sababu ya msisimko wa joto, wabebaji wa chaji wenyewe huhamia kwenye bendi ya upitishaji. Katika eneo la conductivity ya ndani, σ huongezeka na ρ hupungua.

Kwa semiconductors yenye doped sana, ambayo mkusanyiko wa uchafu ni n ~ 10 26 m-3, i.e. inalingana na mkusanyiko wa flygbolag za malipo katika metali (angalia curve 3, Mchoro 10.3b), utegemezi wa σ juu ya joto huzingatiwa tu katika eneo la conductivity ya ndani. Kwa kuongezeka kwa mkusanyiko wa uchafu, thamani ya muda AB (AB > A"B" > A"B") hupungua (ona Mchoro 10.3,b).

Wote katika eneo la conductivity ya uchafu na katika eneo la conductivity ya ndani, utaratibu wa kutawanya elektroni-phonon hutawala. Katika eneo la upungufu wa uchafu (vipindi AB, A "B", A "B") karibu na joto la T S kutawanya kwa uchafu wa elektroni hutawala. Joto linapoongezeka (mpito hadi T i), mtawanyiko wa elektroni-phonon huanza kutawala. Kwa hivyo, muda wa AB (A"B" au A"B"), unaoitwa eneo la uharibifu wa uchafu, pia ni eneo la mpito kutoka kwa utaratibu wa conductivity ya uchafu hadi utaratibu wa conductivity ya ndani.

Uendeshaji wa elektroniki wa metali ulithibitishwa kwa majaribio na mwanafizikia wa Ujerumani E. Ricke mnamo 1901. Mkondo wa umeme ulipitishwa kupitia mitungi mitatu iliyosafishwa iliyoshinikizwa kwa kila mmoja - shaba, alumini na shaba tena - kwa muda mrefu (zaidi ya mwaka mmoja) . Gharama ya jumla iliyopitishwa wakati huu ilikuwa sawa na 3.5 · 10 6 C. Kwa kuwa wingi wa atomi za shaba na alumini hutofautiana kwa kiasi kikubwa kutoka kwa kila mmoja, wingi wa mitungi itabidi kubadilika sana ikiwa wabebaji wa malipo walikuwa ioni.

Matokeo ya majaribio yalionyesha kuwa wingi wa kila silinda ulibakia bila kubadilika. Athari ndogo tu za kupenya kwa metali zilipatikana kwenye nyuso za mawasiliano, ambazo hazikuzidi matokeo ya mgawanyiko wa kawaida wa atomi katika vitu vikali. Kwa hiyo, flygbolag za malipo ya bure katika metali sio ioni, lakini chembe ambazo ni sawa katika shaba na alumini. Elektroni pekee zinaweza kuwa chembe kama hizo.

Uthibitisho wa moja kwa moja na wa kushawishi wa uhalali wa dhana hii ulipatikana katika majaribio yaliyofanywa mwaka wa 1913 na L. I. Mandelstam na N. D. Papaleksi na mwaka wa 1916 na T. Stewart na R. Tolman.

Waya hupigwa kwenye coil, ambayo mwisho wake huuzwa kwa disks mbili za chuma zilizotengwa kutoka kwa kila mmoja (Mchoro 1). Galvanometer imeunganishwa kwenye mwisho wa disks kwa kutumia mawasiliano ya sliding.

Reel huletwa kwa mzunguko wa haraka na kisha kusimamishwa ghafla. Baada ya kuacha ghafla ya coil, chembe za kushtakiwa za bure zitasonga pamoja na conductor kwa inertia kwa muda fulani, na, kwa hiyo, sasa ya umeme itatokea kwenye coil. Ya sasa itakuwepo kwa muda mfupi, kwa kuwa kutokana na upinzani wa kondakta, chembe za kushtakiwa zimezuiwa na harakati iliyoagizwa ya chembe huacha.

Mwelekeo wa sasa unaonyesha kwamba huundwa na harakati za chembe za kushtakiwa vibaya. Malipo yaliyohamishwa katika kesi hii ni sawa na uwiano wa malipo ya chembe zinazounda sasa kwa wingi wao, i.e. . Kwa hiyo, kwa kupima malipo ya kupita kupitia galvanometer wakati wa kuwepo kwa sasa katika mzunguko, iliwezekana kuamua uwiano. Ilibadilika kuwa sawa na 1.8 · 10 11 C / kg. Thamani hii inalingana na uwiano wa malipo ya elektroni kwa wingi wake, iliyopatikana mapema kutoka kwa majaribio mengine.

Kwa hivyo, umeme wa sasa katika metali huundwa na harakati za chembe za elektroni zilizoshtakiwa vibaya. Kulingana na nadharia ya kitamaduni ya elektroniki ya conductivity ya metali (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904), kondakta wa chuma anaweza kuzingatiwa kama mfumo wa kimwili wa mchanganyiko wa mifumo miwili ndogo:

1. elektroni za bure na mkusanyiko wa ~ 10 28 m -3 na
2. ioni zenye chaji chanya zinazotetemeka karibu na nafasi ya msawazo.

Kuonekana kwa elektroni za bure kwenye fuwele kunaweza kuelezewa kama ifuatavyo.

Atomi zinapoungana katika kioo cha chuma, elektroni za nje zinazohusishwa kwa udhaifu zaidi na kiini cha atomi hutenganishwa na atomi (Mchoro 2). Kwa hivyo, ioni chanya ziko kwenye nodi za kimiani ya fuwele ya chuma, na elektroni ambazo hazihusiani na viini vya atomi zao husogea kwenye nafasi kati yao. Elektroni hizi zinaitwa bure au elektroni za upitishaji. Wanafanya harakati za machafuko sawa na harakati za molekuli za gesi. Kwa hiyo, mkusanyiko wa elektroni za bure katika metali huitwa gesi ya elektroni.

Ikiwa uwanja wa umeme wa nje unatumiwa kwa kondakta, basi harakati ya machafuko ya random ya elektroni za bure inasimamiwa na harakati iliyoelekezwa chini ya ushawishi wa nguvu za shamba za umeme, ambazo huzalisha sasa umeme. Kasi ya harakati ya elektroni zenyewe kwenye kondakta ni sehemu kadhaa za milimita kwa sekunde, lakini uwanja wa umeme unaotokea kwenye kondakta huenea kwa urefu wote wa kondakta kwa kasi karibu na kasi ya mwanga katika utupu (3·. 10 8 m/s).

Kwa kuwa sasa umeme katika metali huundwa na elektroni za bure, conductivity ya waendeshaji wa chuma inaitwa conductivity ya elektroniki.

Elektroni, chini ya ushawishi wa nguvu ya mara kwa mara inayofanya kutoka kwenye uwanja wa umeme, hupata kasi fulani ya mwendo ulioagizwa (inaitwa drift). Kasi hii haiongezeki zaidi kwa wakati, kwani wakati wa kugongana na ioni za kimiani ya fuwele, elektroni huhamisha nishati ya kinetic iliyopatikana kwenye uwanja wa umeme hadi kwenye kimiani ya fuwele. Kwa makadirio ya kwanza, tunaweza kudhani kuwa kwa maana ya njia ya bure (huu ndio umbali ambao elektroni husafiri kati ya migongano miwili mfululizo na ioni), elektroni husogea kwa kuongeza kasi na kasi yake ya kuteleza huongezeka kulingana na wakati.

Wakati wa mgongano, elektroni huhamisha nishati ya kinetic kwenye kimiani ya kioo. Kisha huharakisha tena, na mchakato unarudia. Matokeo yake, kasi ya wastani ya harakati iliyoagizwa ya elektroni ni sawa na nguvu ya shamba la umeme katika kondakta na, kwa hiyo, kwa tofauti ya uwezekano katika mwisho wa kondakta, tangu , ambapo l ni urefu wa kondakta.

Inajulikana kuwa nguvu ya sasa katika kondakta ni sawia na kasi ya harakati iliyoamuru ya chembe

ambayo ina maana, kwa mujibu wa uliopita, nguvu ya sasa ni sawia na tofauti ya uwezo katika mwisho wa kondakta: I ~ U. Hii ni maelezo ya ubora wa sheria ya Ohm kulingana na nadharia ya classical ya elektroniki ya conductivity ya metali.

Walakini, shida ziliibuka ndani ya nadharia hii. Ilifuata kutoka kwa nadharia kwamba resistivity inapaswa kuwa sawia na mizizi ya mraba ya joto (), wakati huo huo, kulingana na uzoefu, ~ T. Aidha, uwezo wa joto wa metali, kulingana na nadharia hii, inapaswa kuwa kubwa zaidi kuliko joto. uwezo wa fuwele za monatomic. Kwa kweli, uwezo wa joto wa metali hutofautiana kidogo na uwezo wa joto wa fuwele zisizo za metali. Shida hizi zilishindwa tu katika nadharia ya quantum.

Mnamo mwaka wa 1911, mwanafizikia wa Uholanzi G. Kamerlingh-Onnes, akisoma mabadiliko ya upinzani wa umeme wa zebaki kwa joto la chini, aligundua kuwa kwa joto la karibu 4 K (yaani -269 ° C) kupinga hupungua kwa ghafla (Mchoro 3). ) hadi karibu sifuri. G. Kamerlingh-Onnes aliita jambo hili la kutoweka kwa upinzani wa umeme.

Baadaye iligundua kuwa zaidi ya vipengele 25 vya kemikali - metali - huwa superconductors kwa joto la chini sana. Kila mmoja wao ana hali ya joto yake muhimu kwa mpito kwa hali yenye upinzani wa sifuri. Thamani yake ya chini kabisa ni ya tungsten - 0.012K, ya juu zaidi kwa niobium - 9K.

Superconductivity haizingatiwi tu katika metali safi, lakini pia katika misombo mingi ya kemikali na aloi. Zaidi ya hayo, vipengele vyenyewe vinavyounda kiwanja cha superconducting vinaweza kuwa sio superconductors. Kwa mfano, NiBi, Au 2 Bi, PdTe, PtSb na wengine.

Dutu katika hali ya superconducting ina mali isiyo ya kawaida:

1. sasa umeme katika superconductor inaweza kuwepo kwa muda mrefu bila chanzo cha sasa;
2. Haiwezekani kuunda uwanja wa sumaku ndani ya dutu katika hali ya juu zaidi:
3. shamba la magnetic huharibu hali ya superconductivity. Superconductivity ni jambo linaloelezewa kutoka kwa mtazamo wa nadharia ya quantum. Maelezo yake changamano zaidi ya upeo wa kozi ya fizikia ya shule.

Hadi hivi majuzi, matumizi makubwa ya superconductivity yalizuiliwa na shida zinazohusiana na hitaji la baridi hadi joto la chini sana, ambalo heliamu ya kioevu ilitumiwa. Walakini, licha ya ugumu wa vifaa, uhaba na gharama kubwa ya heliamu, tangu miaka ya 60 ya karne ya 20, sumaku za superconducting zimeundwa bila upotezaji wa joto kwenye vilima vyao, ambayo imefanya iwezekane kupata uwanja wenye nguvu wa sumaku. kiasi kikubwa. Ni sumaku hizi zinazohitajika kuunda usakinishaji wa muunganisho wa thermonuclear unaodhibitiwa na kizuizi cha sumaku ya plasma, na kwa vichapishi vyenye nguvu vya chaji. Superconductors hutumiwa katika aina mbalimbali za vyombo vya kupimia, hasa katika vyombo vya kupima mashamba ya sumaku dhaifu sana kwa usahihi uliokithiri.

Hivi sasa, katika mistari ya nguvu, 10 - 15% ya nishati hutumiwa kushinda upinzani wa waya. Laini za uendeshaji bora, au angalau miunganisho ya miji mikubwa, italeta akiba kubwa. Sehemu nyingine ya matumizi ya superconductivity ni usafiri.

Kulingana na filamu zenye ubora wa juu, idadi ya vipengele vya kasi ya juu vya mantiki na uhifadhi wa kompyuta vimeundwa. Katika utafiti wa anga za juu, inaahidi kutumia solenoidi zinazofanya kazi kwa kiwango cha juu zaidi kwa ulinzi wa mionzi ya wanaanga, uwekaji wa meli, kusimama kwao na mwelekeo, na kwa injini za roketi za plasma.

Hivi sasa, nyenzo za kauri zimeundwa ambazo zina superconductivity kwa joto la juu - zaidi ya 100K, yaani, kwa joto la juu ya kiwango cha kuchemsha cha nitrojeni. Uwezo wa kupoza superconductors na nitrojeni kioevu, ambayo ina mpangilio wa joto la juu la uvukizi, hurahisisha sana na kupunguza gharama ya vifaa vyote vya cryogenic na kuahidi athari kubwa ya kiuchumi.

Nadharia ya classical ya conductivity ya umeme ya metali ilianza mwanzoni mwa karne ya ishirini. Mwanzilishi wake alikuwa mwanafizikia wa Ujerumani Karl Rikke. Kwa majaribio aligundua kuwa kifungu cha malipo kupitia chuma hakihusishi uhamishaji wa atomi za kondakta, tofauti na elektroliti za kioevu. Hata hivyo, ugunduzi huu haukuelezea ni nini hasa carrier wa msukumo wa umeme katika muundo wa chuma.

Majaribio ya wanasayansi Stewart na Tolman, yaliyofanywa mwaka wa 1916, yalituruhusu kujibu swali hili. Waliweza kutambua kwamba chembe ndogo zaidi za kushtakiwa - elektroni - zinahusika na uhamisho wa umeme katika metali. Ugunduzi huu uliunda msingi wa nadharia ya classical ya elektroniki ya conductivity ya umeme ya metali. Kuanzia wakati huu, enzi mpya ya utafiti juu ya waendeshaji wa chuma ilianza. Shukrani kwa matokeo yaliyopatikana, leo tuna fursa ya kutumia vifaa vya nyumbani, vifaa vya uzalishaji, mashine na vifaa vingine vingi.

Je, conductivity ya umeme ya metali tofauti inatofautianaje?

Nadharia ya elektroniki ya conductivity ya umeme ya metali ilitengenezwa katika utafiti wa Paul Drude. Aliweza kugundua mali kama vile upinzani, ambayo huzingatiwa wakati umeme wa sasa unapita kupitia kondakta. Katika siku zijazo, hii itafanya iwezekanavyo kuainisha vitu tofauti kulingana na kiwango cha conductivity yao. Kutokana na matokeo yaliyopatikana, ni rahisi kuelewa ni chuma gani kinachofaa kwa ajili ya utengenezaji wa cable fulani. Hili ni jambo muhimu sana, kwani nyenzo zilizochaguliwa vibaya zinaweza kusababisha moto kama matokeo ya kuongezeka kwa joto kutoka kwa kifungu cha sasa cha voltage kupita kiasi.

Metali ya fedha ina conductivity ya juu zaidi ya umeme. Kwa joto la digrii +20 Celsius, ni 63.3 * 104 sentimita-1. Lakini kufanya wiring kutoka kwa fedha ni ghali sana, kwa kuwa ni chuma badala ya nadra, ambayo hutumiwa hasa kwa ajili ya uzalishaji wa vitu vya kujitia na mapambo au sarafu za bullion.

Ya chuma yenye conductivity ya juu ya umeme kati ya vipengele vyote vya kikundi cha msingi ni shaba. Kiashiria chake ni 57 * 104 sentimita-1 kwa joto la digrii +20 Celsius. Copper ni mojawapo ya waendeshaji wa kawaida kutumika kwa madhumuni ya kaya na viwanda. Inakabiliwa na mizigo ya mara kwa mara ya umeme vizuri, ni ya kudumu na ya kuaminika. Kiwango cha juu cha kuyeyuka kinakuwezesha kufanya kazi kwa muda mrefu katika hali ya joto bila matatizo.

Kwa upande wa wingi, alumini tu inaweza kushindana na shaba, ambayo ni nafasi ya nne katika conductivity ya umeme baada ya dhahabu. Inatumika katika mitandao yenye voltage ya chini, kwa kuwa ina karibu nusu ya kiwango cha kuyeyuka kwa shaba na haiwezi kuhimili mizigo kali. Usambazaji zaidi wa maeneo unaweza kupatikana kwa kuangalia meza ya conductivity ya umeme ya metali.

Ni muhimu kuzingatia kwamba alloy yoyote ina conductivity ya chini sana kuliko dutu safi. Hii ni kwa sababu ya kuunganishwa kwa mtandao wa kimuundo na, kama matokeo, usumbufu wa utendaji wa kawaida wa elektroni. Kwa mfano, katika uzalishaji wa waya wa shaba, nyenzo zilizo na uchafu wa si zaidi ya 0.1% hutumiwa, na kwa aina fulani za cable kiashiria hiki ni kali zaidi - si zaidi ya 0.05%. Viashiria vyote vilivyopewa ni conductivity ya umeme ya metali, ambayo huhesabiwa kama uwiano kati ya msongamano wa sasa na ukubwa wa uwanja wa umeme katika kondakta.

Nadharia ya classical ya conductivity ya umeme ya metali

Kanuni za msingi za nadharia ya conductivity ya umeme ya metali ina pointi sita. Kwanza: kiwango cha juu cha conductivity ya umeme kinahusishwa na kuwepo kwa idadi kubwa ya elektroni za bure. Pili: sasa umeme hutokea kwa njia ya ushawishi wa nje juu ya chuma, wakati ambapo elektroni huhama kutoka kwa mwendo wa random hadi kuamuru moja.

Tatu: nguvu ya sasa inayopita kupitia kondakta wa chuma huhesabiwa kulingana na sheria ya Ohm. Nne: idadi tofauti ya chembe za msingi katika kimiani ya kioo husababisha upinzani usio sawa wa metali. Tano: sasa umeme katika mzunguko hutokea mara moja baada ya kuanza kwa yatokanayo na elektroni. Sita: joto la ndani la chuma linapoongezeka, kiwango cha upinzani wake pia huongezeka.

Hali ya conductivity ya umeme ya metali inaelezwa na hatua ya pili ya masharti. Katika hali ya utulivu, elektroni zote za bure huzunguka kwa machafuko karibu na kiini. Kwa wakati huu, chuma haiwezi kuzalisha malipo ya umeme kwa kujitegemea. Lakini mara tu unapounganisha chanzo cha nje cha ushawishi, elektroni hujipanga mara moja katika mlolongo uliopangwa na kuwa wabebaji wa sasa wa umeme. Kwa kuongezeka kwa joto, conductivity ya umeme ya metali hupungua.

Hii ni kutokana na ukweli kwamba vifungo vya Masi katika kimiani ya kioo hudhoofisha, chembe za msingi huanza kuzunguka kwa utaratibu wa machafuko zaidi, hivyo uundaji wa elektroni kwenye mnyororo unakuwa ngumu zaidi. Kwa hiyo, ni muhimu kuchukua hatua za kuzuia overheating ya conductors, kwa kuwa hii inathiri vibaya mali zao za utendaji. Utaratibu wa conductivity ya umeme wa metali hauwezi kubadilishwa kutokana na sheria za sasa za fizikia. Lakini inawezekana kupunguza ushawishi mbaya wa nje na wa ndani ambao huingilia kati ya kawaida ya mchakato.

Vyuma na conductivity ya juu ya umeme

Conductivity ya umeme ya metali ya alkali iko kwenye kiwango cha juu, kwani elektroni zao zimeunganishwa kwa nguvu kwenye kiini na kwa urahisi hujipanga katika mlolongo unaohitajika. Lakini kikundi hiki kina sifa ya kiwango cha chini cha kuyeyuka na shughuli kubwa ya kemikali, ambayo mara nyingi hairuhusu matumizi yao kwa utengenezaji wa waya.

Vyuma na conductivity ya juu ya umeme wakati kufunguliwa ni hatari sana kwa wanadamu. Kugusa waya wazi itasababisha kuchomwa kwa umeme na kutokwa kwa nguvu kwa viungo vyote vya ndani. Hii mara nyingi husababisha kifo cha papo hapo. Kwa hiyo, vifaa maalum vya kuhami hutumiwa kwa usalama wa watu.

Kulingana na maombi, wanaweza kuwa imara, kioevu au gesi. Lakini aina zote zimeundwa kwa kazi moja - kutenganisha sasa ya umeme ndani ya mzunguko ili haiwezi kuathiri ulimwengu wa nje. Conductivity ya umeme ya metali hutumiwa karibu na maeneo yote ya maisha ya kisasa ya binadamu, hivyo kuhakikisha usalama ni kipaumbele cha juu.

Conductivity ya umeme ya metali

Wakati chuma kinakabiliwa na uwanja wa umeme (au magnetic) (au tofauti ya joto), mtiririko wa chembe za kushtakiwa na nishati huonekana ndani yake.

Kutokea kwa mitiririko hii au mikondo kwa kawaida huitwa athari za kinetic au matukio ya uhamishaji, vinginevyo athari za usafiri, kumaanisha athari ya sehemu zisizo na stationary kwa vikondakta vilivyosimama. Katika kesi hii, sasa au flux ni sawia na tofauti ya uwezo (au tofauti ya joto), na mgawo wa uwiano unatambuliwa tu na vipimo vya kijiometri vya kondakta na mali ya kimwili ya chuma yenyewe.

Kwa vipimo vya kijiometri vya kitengo, mgawo huu unategemea tu mali ya chuma iliyotolewa na ni tabia yake ya kimsingi ya kimwili, ambayo inaitwa mgawo wa kinetic. Wakati kondakta iko kwenye uwanja unaobadilishana, mikondo inayotokea ndani yake inategemea sio tu kwa vipimo vya kijiometri na mgawo wa kinetic, lakini pia juu ya mzunguko wa uwanja unaobadilishana, sura ya kondakta, na nafasi ya jamaa ya vipengele vya kondakta. mzunguko wa umeme.

Upinzani wa kondakta chini ya sasa ya kubadilisha inategemea kwa kiasi kikubwa juu ya mzunguko wake, unaosababishwa na athari ya spin - uhamisho wa sasa kutoka katikati ya kondakta hadi pembeni. Kati ya matukio mengi ya kinetic yanayowezekana, mawili yanajulikana zaidi katika teknolojia: conductivity ya umeme - uwezo wa dutu kufanya sasa ya umeme ya mara kwa mara chini ya ushawishi wa uwanja wa umeme ambao haubadilika kwa muda, na conductivity ya mafuta - vile vile kuhusiana na tofauti ya joto na mtiririko wa joto. Matukio haya yote mawili yanaonyeshwa (kiasi) na sheria za Ohm na Fourier, mtawalia:

j = γ E; ω = k T.

ambapo j ni msongamano wa sasa, A/m;

γ - mgawo wa kinetic wa conductivity ya umeme);

E - nguvu ya shamba la umeme V / m;

ω - wiani wa sasa wa joto;

T - tofauti ya joto;

k - mgawo wa conductivity ya mafuta.

Katika mazoezi, upinzani wa umeme au kupinga tu, Ohm m, hutumiwa kwa kawaida

Hata hivyo, kwa waendeshaji inaruhusiwa kutumia kitengo kisicho cha mfumo wa kipimo Ohm mm2 / m, au inashauriwa kutumia kitengo cha SI sawa μOhm / m. Mpito kutoka kitengo kimoja hadi kingine katika kesi hii: 1 Ohm m = 10 6 μOhm m = 10 6 Ohm mm2 / m.

Upinzani wa kondakta wa vipimo vya kiholela na sehemu ya msalaba ya mara kwa mara imedhamiriwa na:

ambapo l ni urefu wa kondakta, m;

S - eneo la kondakta, m2.

Vyuma kawaida hujulikana kama vitu vya plastiki vilivyo na mng'ao wa "chuma" ambao ni makondakta mzuri wa mkondo wa umeme na joto.

Yafuatayo ni ya kawaida kwa conductivity ya umeme ya metali: thamani ya chini ya kupinga kwa joto la kawaida, ongezeko kubwa la upinzani na joto la kuongezeka, karibu kabisa na uwiano wa moja kwa moja; wakati joto linapungua kwa joto karibu na sifuri kabisa, upinzani wa metali hupungua kwa maadili madogo sana, kiasi cha 10-3 kwa metali safi zaidi au hata sehemu ndogo ya upinzani kwa kawaida, + 20 0C, joto.

Pia zina sifa ya uwepo wa uhusiano kati ya conductivity ya umeme na conductivity ya mafuta, ambayo inaelezwa na sheria ya nguvu ya Wiedemann-Franz kama uwiano wa k / γ ni takriban sawa kwa vifaa tofauti kwa joto sawa. Mgawo wa k / γ umegawanywa na halijoto kamili T (L0 = k / (γ T)). inayoitwa nambari ya Lorentz, ni (kwa metali zote) thamani ambayo hutofautiana kidogo katika halijoto zote.

Nadharia ya matukio ya kinetic katika metali inaweza kuelezea sura ya utegemezi wa coefficients ya kinetic juu ya joto, shinikizo na mambo mengine, na kwa msaada wake inawezekana pia kuhesabu maadili yao. Kwa kufanya hivyo, fikiria muundo wa ndani wa metali.

Wazo la msingi la tawi hili la fizikia liliibuka mwanzoni mwa karne ya 19 na 20: atomi za chuma zimetiwa ionized, na elektroni za valence zilizotengwa nao ni bure, i.e., ni mali ya fuwele nzima.

Ions zimeagizwa madhubuti na huunda latiti ya kawaida ya kioo; mwingiliano wao na wingu lenye chaji hasi la elektroni za bure ni kwamba hufanya fuwele kuwa malezi thabiti na thabiti.

Uwepo wa elektroni za bure huelezea vizuri conductivity ya juu ya umeme ya metali, na delocalization yao hutoa plastiki ya juu. Hii ina maana kwamba kipengele cha sifa zaidi cha muundo wa ndani wa waendeshaji wa chuma ni kuwepo kwa elektroni zinazozunguka, ambazo zinathibitisha muundo wao wa elektroniki. Katika muundo wake rahisi zaidi, mkusanyo wa elektroni zinazozunguka unafafanuliwa kama gesi ya elektroni ambamo chembe hizo ziko katika mwendo wa mchafuko wa joto.

Usawa umeanzishwa (ikiwa tunapuuza migongano kati ya elektroni) kutokana na mgongano wa elektroni na ioni. Kwa kuwa mwendo wa joto haujaagizwa kabisa, basi, licha ya malipo ya elektroni, hakuna sasa (macroscopic) inayozingatiwa katika mzunguko. Ikiwa uwanja wa umeme wa nje unatumiwa kwa kondakta, basi elektroni za bure, baada ya kupokea kasi, hupanda kwenye sehemu iliyoagizwa, ambayo inaelekezwa kando ya shamba.

Kwa kuwa ioni kwenye tovuti za kimiani zimesimama, mpangilio katika harakati za elektroni utajidhihirisha kama mkondo wa umeme wa macroscopic. Uendeshaji maalum katika kesi hii unaweza kuonyeshwa kwa kuzingatia wastani wa njia ya bure λ ya elektroni katika uwanja wa kuongeza kasi wa E:

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

ambapo e ni malipo ya elektroni;

n ni idadi ya elektroni za bure kwa kitengo cha kiasi cha chuma;

λ ni njia ya wastani ya bure ya elektroni kati ya migongano miwili;

m ni molekuli ya elektroni;

v τ ni kasi ya wastani ya mwendo wa joto wa elektroni ya bure katika chuma.

Kwa kuzingatia masharti ya mechanics ya quantum

γ = K p2/3 / λ,

ambapo K ni mgawo wa nambari.

Upeo wa resistivity ya waendeshaji wa chuma kwa joto la kawaida ni amri tatu tu za ukubwa. Kwa metali tofauti, kasi ya mwendo wa joto wa machafuko ya elektroni kwenye joto fulani ni takriban sawa.

Mkusanyiko wa elektroni za bure hutofautiana kidogo, hivyo thamani ya resistivity inategemea hasa njia ya bure ya elektroni katika kondakta fulani, na imedhamiriwa na muundo wa nyenzo za conductor. Metali zote safi zilizo na kimiani ya kioo ya kawaida zaidi zina viwango vya chini vya kupinga. Uchafu, kupotosha kimiani, husababisha kuongezeka kwa upinzani

Mgawo wa joto wa kupinga au mgawo wa wastani wa joto wa kupinga huonyeshwa kama

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

ambapo ρ1 na ρ2 ni upinzani wa kondakta katika halijoto T1 na T2, mtawalia, kwa T2 > T1.

Vitabu vya marejeleo vya kiufundi kwa kawaida hutoa thamani α`, ambayo unaweza takriban kuamua ρ kwa halijoto kiholela T:

ρ = ρ1 (1 + αρ` (T - T1)).

Msemo huu unatoa thamani halisi ya resistivity p tu kwa utegemezi wa mstari ρ(T). Katika hali nyingine, njia hii ni takriban; kupunguza muda wa halijoto inayotumika kubainisha αρ`, ndivyo inavyopungua.

Upinzani wa metali nyingi, ambazo huongezeka kwa kiasi wakati wa kuyeyuka, hupunguza wiani wao. Kwa metali ambazo hupunguza kiasi chao wakati wa kuyeyuka, kupinga hupungua; Metali hizi ni pamoja na gallium, antimoni na bismuth.

Resistivity ya aloi daima ni kubwa zaidi kuliko ile ya metali safi. Hii inaonekana hasa ikiwa, juu ya fusion, huunda suluhisho imara, i.e. huangazia pamoja wakati wa kuganda na atomi za metali moja huingia kwenye kimiani ya nyingine.

Ikiwa aloi ya metali mbili huunda fuwele tofauti na suluhisho iliyoimarishwa - mchanganyiko wa fuwele za kila moja ya vipengele, basi conductivity maalum γ ya alloy vile hubadilika na mabadiliko katika muundo karibu linearly. Katika ufumbuzi imara, utegemezi huu (juu ya maudhui ya kila chuma) sio mstari na ina upeo unaofanana na uwiano fulani wa vipengele vya alloy.

Wakati mwingine, kwa uwiano fulani kati ya vipengele, huunda misombo ya kemikali (misombo ya intermetallic), na hawana conductivity ya metali, lakini ni semiconductors za elektroniki.

Mgawo wa joto wa upanuzi wa mstari wa kondakta imedhamiriwa kwa njia sawa na kwa dielectrics kwa kutumia formula.

ТКl = α(l) = l / l (dl / dТ), (3.1)

ambapo TKl = α (l) - mgawo wa joto wa upanuzi wa mstari K-1

Mgawo huu lazima ujulikane ili uweze kutathmini utendaji wa vifaa vya kuunganisha katika miundo mbalimbali, na pia kuwatenga kupasuka au kuvuruga kwa uunganisho wa utupu wa chuma na kioo au keramik wakati joto linabadilika. Kwa kuongeza, imejumuishwa katika hesabu ya mgawo wa joto wa upinzani wa umeme wa waya

ТКR = α(R) = α(ρ) - α(l).

ThermoEMF ya waendeshaji

ThermoEMF hutokea wakati makondakta wawili tofauti (au semiconductors) hugusana ikiwa hali ya joto ya makutano yao si sawa. Ikiwa kondakta mbili tofauti hugusana, tofauti ya uwezo wa kuwasiliana hutokea kati yao. Kwa metali A na B

Ucb - Uc + K T / e ln(n0с / nob),

ambapo U c na U b ni uwezo wa kuwasiliana na metali; ukolezi wa elektroni katika metali zinazofanana;

K ni Boltzmann mara kwa mara;

T - joto;

e ni thamani kamili ya malipo ya elektroni.

Ikiwa hali ya joto ya makutano ya chuma ni sawa, basi jumla ya tofauti inayowezekana katika mzunguko uliofungwa ni sifuri. Ikiwa joto la tabaka ni tofauti (T2 na T1, kwa mfano), basi katika kesi hii

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

Katika mazoezi, kujieleza (3.2) si mara zote kuzingatiwa, na utegemezi wa thermoEMF juu ya joto inaweza kuwa isiyo ya kawaida. Waya inayoundwa na waya mbili za maboksi za metali au aloi tofauti huitwa thermocouple na hutumiwa kupima joto.

Katika hali hiyo, wanajaribu kutumia vifaa ambavyo vina mgawo mkubwa na imara wa thermoEMF. kupima joto la juu, wakati mwingine ni muhimu (hasa wakati wa kupima joto katika mazingira ya fujo) kutumia thermocouples na coefficients ya chini ya thermoEdS, lakini kuhimili joto la juu na si oxidizing katika mazingira ya fujo.

Aloi za thermocouples zina mchanganyiko mbalimbali, ikiwa ni pamoja na electrode moja ambayo inaweza kufanywa kwa chuma safi. Ya kawaida ni aloi za nickel na shaba-nickel. Kwa hali ya joto katika anuwai ya 1000 - 1200 0C, thermocouples za chromel - alumel (TCA) hutumiwa; kwa joto la juu, elektroni za platinamu - platinamu-rhodium hutumiwa; katika aloi hizi, rhodium ni kati ya 6.7 hadi 40.5%. Chapa za thermocouples kama hizi ni kama ifuatavyo: PlRd-7, PlRd-10, PlRd-30, PlRd-40.

Conductivity ya umeme ina sifa ya uwezo wa mwili kufanya sasa umeme. Uendeshaji - thamani ya upinzani. Katika formula, ni kinyume chake na upinzani wa umeme, na kwa kweli hutumiwa kuteua mali sawa ya nyenzo. Uendeshaji hupimwa kwa Siemens: [Sm]=.

Aina za conductivity ya umeme:

— Conductivity ya elektroniki, ambapo flygbolag za malipo ni elektroni. Conductivity hii kimsingi ni tabia ya metali, lakini iko kwa kiwango kimoja au nyingine katika karibu nyenzo yoyote. Wakati joto linapoongezeka, conductivity ya elektroniki inapungua.

— Conductivity ya Ionic. Inapatikana katika vyombo vya habari vya gesi na kioevu ambapo kuna ioni za bure ambazo pia hubeba chaji, zikisonga katika kiwango cha kati chini ya ushawishi wa uwanja wa sumakuumeme au ushawishi mwingine wa nje. Inatumika katika electrolytes. Kadiri halijoto inavyoongezeka, upitishaji wa ioni huongezeka kadiri ioni zenye nishati nyingi zaidi zinavyotolewa na mnato wa kati hupungua.

— Uendeshaji wa shimo. Conductivity hii inasababishwa na ukosefu wa elektroni katika kimiani kioo cha nyenzo. Kwa kweli, elektroni huhamisha malipo hapa, lakini zinaonekana kusonga kando ya kimiani, zikichukua nafasi za bure ndani yake, tofauti na harakati za mwili za elektroni kwenye metali. Kanuni hii hutumiwa katika semiconductors, pamoja na conductivity ya elektroniki.

Vifaa vya kwanza kabisa ambavyo vilianza kutumika katika uhandisi wa umeme vilikuwa vya kihistoria vya metali na dielectri (vihami ambavyo vina conductivity ya chini ya umeme). Semiconductors sasa hutumiwa sana katika umeme. Wanachukua nafasi ya kati kati ya waendeshaji na dielectri na wanajulikana na ukweli kwamba kiasi cha conductivity ya umeme katika semiconductors inaweza kudhibitiwa na mvuto mbalimbali. Waendeshaji wengi wa kisasa hufanywa kutoka kwa silicon, germanium na kaboni. Kwa kuongeza, vitu vingine vinaweza kutumika kutengeneza PP, lakini hutumiwa mara chache sana.

Maambukizi ya sasa na hasara ndogo ni muhimu. Katika suala hili, metali na conductivity ya juu ya umeme na, ipasavyo, upinzani mdogo wa umeme una jukumu muhimu. Bora zaidi katika suala hili ni fedha (62,500,000 S/m), ikifuatiwa na shaba (58,100,000 S/m), dhahabu (45,500,000 S/m), alumini (37,000,000 S/m). Kwa mujibu wa uwezekano wa kiuchumi, alumini na shaba hutumiwa mara nyingi, wakati shaba ni duni kidogo katika conductivity kwa fedha. Metali nyingine zote hazina umuhimu wa viwanda kwa ajili ya uzalishaji wa makondakta.