Elektriksel iletkenlik, bir vücudun bir elektrik alanının etkisi altında elektrik akımını geçirme yeteneğidir. Bu olguyu karakterize etmek için spesifik elektriksel iletkenlik değeri σ kullanılır. Teorinin gösterdiği gibi, σ değeri, serbest yük taşıyıcılarının konsantrasyonu n, bunların yükü e, kütle m, serbest yol süresi τe, serbest yol uzunluğu λe ve ortalama sürüklenme hızı ile ifade edilebilir.< v >yük tasıyıcıları. Metaller için serbest elektronlar serbest yük taşıyıcıları olarak hareket eder, dolayısıyla:

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

taşıyıcı hareketliliği neredesiniz, yani birim kuvvetteki bir alanda taşıyıcılar tarafından elde edilen sürüklenme hızına sayısal olarak eşit bir fiziksel miktar, yani

sen =< v >/ E = (e τ e) / m

σ'ya bağlı olarak tüm maddeler bölünür; iletkenlere - σ > 10 6 (Ohm m) -1 ile, dielektriklere - σ > 10 -8 (Ohm m) -1 ve yarı iletkenlere - σ ara değerine sahip.

Bant teorisi açısından bakıldığında, maddelerin iletkenlere, yarı iletkenlere ve dielektriklere bölünmesi, kristalin değerlik bandının 0 K'da kısmen veya tamamen elektronlarla nasıl doldurulduğuna göre belirlenir.

Zayıf bir elektrik alanı tarafından bile elektronlara verilen enerji, enerji bandındaki seviyeler arasındaki mesafeyle karşılaştırılabilir. Bölgede serbest seviyeler varsa, harici bir elektrik alanı tarafından uyarılan elektronlar bunları dolduracaktır. Elektron sisteminin kuantum durumu değişecek ve kristalde elektronların alana karşı tercihli (yönlü) hareketi görünecektir; elektrik. Bu tür gövdeler (Şekil 10.1, a) iletkenlerdir.

Değerlik bandı tamamen doluysa, elektron sisteminin durumunda bir değişiklik ancak bant aralığından geçtiklerinde meydana gelebilir. Harici bir elektrik alanının enerjisi böyle bir geçişi gerçekleştiremez. Tamamen dolu bir bölgedeki elektronların yeniden düzenlenmesi sistemin kuantum durumunu değiştirmez çünkü Elektronların kendileri ayırt edilemez.

Bu tür kristallerde (Şekil 10.1,b), harici bir elektrik alanı elektrik akımının ortaya çıkmasına neden olmayacak ve bunlar iletken olmayan (dielektrikler) olacaktır. Bu grup maddelerden bant aralığı ΔE ≤ 1 eV (1 eV = 1,6 · 10 -19 J) olanlar izole edildi.

Bu tür cisimlerde elektronların bant aralığından geçişi örneğin termal uyarım yoluyla gerçekleştirilebilir. Bu durumda seviyelerin bir kısmı (valans bandı) serbest bırakılır ve onu takip eden serbest bandın (iletim bandı) seviyeleri kısmen dolar. Bu maddeler yarı iletkenlerdir.

İfade (10.1)'e göre, cisimlerin elektriksel iletkenliğinde (elektrik direncinde) sıcaklıkla bir değişiklik, yük taşıyıcılarının konsantrasyonundaki (n) bir değişiklikten veya onların hareketliliklerindeki (u) bir değişiklikten kaynaklanabilir.

Metaller

Kuantum mekaniği hesaplamaları, metaller için serbest yük taşıyıcılarının (elektronların) konsantrasyonunun n'ye eşit olduğunu göstermektedir:

n = (1 / 3π 2) · (2mE F / ђ 2) 3/2

burada ђ = h / 2π = 1,05 · 10 -34 J · s normalleştirilmiş Planck sabitidir, E F Fermi enerjisidir.

E F pratikte T sıcaklığına bağlı olmadığından, yük taşıyıcılarının konsantrasyonu sıcaklığa bağlı değildir. Sonuç olarak, metallerin elektriksel iletkenliğinin sıcaklığa bağımlılığı, formül (10.1)'den aşağıdaki gibi tamamen elektronların hareketliliği u tarafından belirlenecektir. Daha sonra yüksek sıcaklık bölgesinde

u ~ λ e / ~ T-1

ve düşük sıcaklık bölgesinde

u ~ λ e / ~const(T).

Yük taşıyıcı hareketliliğinin derecesi saçılma işlemleriyle belirlenecektir; Elektronların periyodik kafes alanıyla etkileşimi. İdeal bir kafesin alanı kesinlikle periyodik olduğundan ve elektronların durumu sabit olduğundan, saçılma (metalin elektriksel direncinin ortaya çıkması) yalnızca kusurlardan (kirli atomlar, yapı bozulmaları vb.) ve termal titreşimlerden kaynaklanabilir. kafes (fononlar).

Kafesin termal titreşimlerinin yoğunluğunun ve fonon konsantrasyonunun sıfıra yakın olduğu 0 K yakınında, safsızlıklar (elektron-kirlilik saçılması) tarafından saçılma baskındır. Bu durumda iletkenlik, formül (10.4)'ten takip edildiği gibi pratik olarak değişmez ve direnç

belirli artık direnç ρ dinlenme veya belirli safsızlık direnci ρ yaklaşık olarak adlandırılan sabit bir değere sahiptir;

ρ dinlenme (veya ρ yaklaşık) = sabit (T)

Metallerde yüksek sıcaklıklarda elektron-fonon saçılma mekanizması baskın hale gelir. Bu saçılma mekanizması ile formül (10.3)'ten görülebileceği gibi elektriksel iletkenlik sıcaklıkla ters orantılı, özdirenç ise sıcaklıkla doğru orantılıdır:

Direnç ρ'nin sıcaklığa bağımlılığı Şekil 2'de gösterilmektedir. 10.2

0 K dışındaki sıcaklıklarda ve yeterince büyük miktarda safsızlıklarda, hem elektron-fonon hem de elektron-empürite saçılması meydana gelebilir; toplam direnç şu şekildedir

ρ = ρ yaklaşık + ρ f

İfade (10.6), Matthiessen'in direncin toplanabilirliği hakkındaki kuralını temsil eder. Hem elektron-fonon hem de elektron-katışıklık saçılımının doğası gereği kaotik olduğuna dikkat edilmelidir.

Yarı iletkenler

Yarı iletkenlerde taşıyıcı hareketliliğine ilişkin kuantum mekaniksel hesaplamalar, öncelikle artan sıcaklıkla birlikte taşıyıcı hareketliliğinin azaldığını ve hareketliliğin belirlenmesinde belirleyici faktörün, en düşük hareketliliğe neden olan saçılma mekanizması olduğunu göstermiştir. İkinci olarak, yük taşıyıcı hareketliliğinin doping seviyesine bağımlılığı (safsızlık konsantrasyonu), düşük bir doping seviyesinde hareketliliğin kafes titreşimleri tarafından saçılma ile belirleneceğini ve dolayısıyla safsızlık konsantrasyonuna bağlı olmaması gerektiğini gösterir.

Yüksek katkılama seviyelerinde iyonize katkı maddesi tarafından saçılma yoluyla belirlenmeli ve katkı konsantrasyonunun artmasıyla azalmalıdır. Bu nedenle, yük taşıyıcılarının hareketliliğindeki bir değişiklik, yarı iletkenin elektrik direncindeki değişikliğe gözle görülür bir katkı sağlamamalıdır.

İfade (10.1)'e uygun olarak, yarı iletkenlerin elektriksel iletkenliğindeki değişime asıl katkı, yük taşıyıcılarının konsantrasyonundaki (n) bir değişiklikle yapılmalıdır.

Yarı iletkenlerin ana özelliği iletkenliğin aktivasyon doğasıdır; taşıyıcı konsantrasyonunun sıcaklık, ışınlama vb. gibi dış etkenlere belirgin bir bağımlılığı. Bu, bant aralığının darlığıyla açıklanmaktadır (ΔE< 1 эВ) у собственных полупроводников и наличием дополнительных уровней в запрещенной зоне у примесных полупроводников.

Kimyasal olarak saf yarı iletkenlerin elektriksel iletkenliğine denir. kendi iletkenliği. Yarı iletkenlerin içsel iletkenliği, elektronların (n) değerlik bandının üst seviyelerinden iletim bandına geçişi ve değerlik bandında deliklerin (p) oluşması sonucu ortaya çıkar:

σ = σ n + σ ρ = e n n sen n + e n ρ sen ρ

burada n n ve n ρ elektronların ve deliklerin konsantrasyonudur,
u n ve u ρ - hareketliliklerine göre,
e taşıyıcının ücretidir.

Artan sıcaklıkla birlikte iletim bandındaki elektronların ve değerlik bandındaki deliklerin konsantrasyonu üstel olarak artar:

n n = sen hayır · exp(-ΔE / 2kT) = n ρ = n ρо · exp(-ΔE / 2kT)

burada n hayır ve n pо T → ∞'daki elektron ve delik konsantrasyonlarıdır,
k = 1,38 · 10 –23 J/K - Boltzmann sabiti.

Şekil 10.3a, içsel yarı iletkenin elektriksel iletkenliği ln σ'nin logaritmasının ters sıcaklık 1 / T'ye bağımlılığının bir grafiğini gösterir: ln σ = = ƒ(1 / T). Grafik, eğimi ∆E bant aralığını belirlemek için kullanılabilen düz bir çizgidir.

Katkılı yarı iletkenlerin elektriksel iletkenliği, içlerindeki yabancı madde merkezlerinin varlığından kaynaklanmaktadır. Bu tür yarı iletkenlerin sıcaklığa bağımlılığı yalnızca çoğunluk taşıyıcılarının konsantrasyonuyla değil aynı zamanda safsızlık merkezleri tarafından sağlanan taşıyıcıların konsantrasyonuyla da belirlenir. İncirde. 10.3b, farklı katkı derecelerine (n1) sahip yarı iletkenler için ln σ = ƒ (1 / T) bağımlılığının grafiklerini gösterir.< n2 < n3, где n – концентрация примеси).

Hafif katkılı yarı iletkenler için, düşük sıcaklık bölgesinde safsızlık seviyelerini içeren geçişler baskındır. Sıcaklık arttıkça yabancı madde taşıyıcılarının konsantrasyonu artar, bu da yabancı madde iletkenliğinin de arttığı anlamına gelir. t A'ya ulaşıldığında (bkz. Şekil 10.3, b; eğri 1) - safsızlık tükenme sıcaklığı T S1 - tüm safsızlık taşıyıcıları iletim bandına aktarılacaktır.

T S1 sıcaklığının üzerinde ve içsel iletkenliğe T i1 geçiş sıcaklığına kadar (bkz. B noktası, eğri 1, Şekil 10.3, b), elektriksel iletkenlik düşer ve yarı iletkenin direnci artar. T i1 sıcaklığının üzerinde, içsel elektrik iletkenliği hakimdir; Termal uyarılma nedeniyle kendi yük taşıyıcıları iletim bandına doğru hareket eder. İçsel iletkenlik bölgesinde σ artar ve ρ azalır.

Safsızlık konsantrasyonunun n ~ 10 · 26 m–3 olduğu ağır katkılı yarı iletkenler için; metallerdeki yük taşıyıcılarının konsantrasyonu ile orantılıdır (bkz. eğri 3, Şekil 10.3b), σ'nun sıcaklığa bağımlılığı yalnızca içsel iletkenlik bölgesinde gözlenir. Safsızlık konsantrasyonunun artmasıyla AB (AB > A"B" > A"B") aralığının değeri azalır (bkz. Şekil 10.3,b).

Hem safsızlık iletkenliği bölgesinde hem de içsel iletkenlik bölgesinde elektron-fonon saçılma mekanizması hakimdir. Safsızlık tükenmesi bölgesinde (AB, A"B", A"B" aralıkları) T sıcaklığına yakın elektron safsızlık saçılması hakimdir. Sıcaklık arttıkça (T i'ye geçiş), elektron-fonon saçılması hakim olmaya başlar. Böylece, safsızlık tükenmesi bölgesi olarak adlandırılan AB aralığı (A"B" veya A"B") aynı zamanda safsızlık iletkenliği mekanizmasından içsel iletkenlik mekanizmasına geçiş bölgesidir.

Metallerin elektronik iletkenliği ilk kez 1901'de Alman fizikçi E. Ricke tarafından deneysel olarak kanıtlandı. Uzun bir süre (bir yıldan fazla) birbirine sıkıca bastırılmış üç cilalı silindirden (bakır, alüminyum ve yine bakır) bir elektrik akımı geçirildi. . Bu süre zarfında geçirilen toplam yük 3,5·10 6 C'ye eşitti. Bakır ve alüminyum atomlarının kütleleri birbirinden önemli ölçüde farklı olduğundan, yük taşıyıcıları iyon olsaydı silindirlerin kütlelerinin gözle görülür şekilde değişmesi gerekirdi.

Deney sonuçları her silindirin kütlesinin değişmediğini gösterdi. Temas eden yüzeylerde, katılarda atomların olağan difüzyonunun sonuçlarını aşmayan, metallerin yalnızca küçük karşılıklı nüfuz izleri bulundu. Sonuç olarak, metallerdeki serbest yük taşıyıcıları iyonlar değil, hem bakır hem de alüminyumda aynı olan parçacıklardır. Yalnızca elektronlar bu tür parçacıklar olabilir.

Bu varsayımın geçerliliğinin doğrudan ve ikna edici kanıtı, 1913'te L. I. Mandelstam ve N. D. Papaleksi ve 1916'da T. Stewart ve R. Tolman tarafından gerçekleştirilen deneylerde elde edildi.

Uçları birbirinden izole edilmiş iki metal diske lehimlenen bir bobin üzerine bir tel sarılır (Şekil 1). Kayan kontaklar kullanılarak disklerin uçlarına bir galvanometre bağlanır.

Makara hızlı dönüşe getirilir ve ardından aniden durdurulur. Bobinin ani durmasından sonra, serbest yüklü parçacıklar iletken boyunca ataletle bir süre hareket edecek ve bunun sonucunda bobinde bir elektrik akımı ortaya çıkacaktır. İletkenin direnci nedeniyle yüklü parçacıklar engellendiğinden ve parçacıkların düzenli hareketi durduğundan akım kısa bir süre için mevcut olacaktır.

Akımın yönü, negatif yüklü parçacıkların hareketiyle oluştuğunu gösterir. Bu durumda aktarılan yük, akımı oluşturan parçacıkların yükünün kütlelerine oranıyla orantılıdır; . Bu nedenle devredeki akımın tüm varlığı boyunca galvanometreden geçen yükü ölçerek oranı belirlemek mümkün oldu. 1,8·10 11 C/kg'a eşit olduğu ortaya çıktı. Bu değer, daha önce diğer deneylerden bulunan elektron yükünün kütlesine oranıyla örtüşmektedir.

Böylece metallerde elektrik akımı, negatif yüklü elektron parçacıklarının hareketi ile yaratılır. Metallerin klasik elektronik iletkenlik teorisine göre (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904), bir metal iletken iki alt sistemin birleşiminden oluşan fiziksel bir sistem olarak düşünülebilir:

1. ~ 10 · 28 m -3 konsantrasyonuna sahip serbest elektronlar ve
2. Pozitif yüklü iyonlar bir denge konumu etrafında titreşir.

Bir kristalde serbest elektronların görünümü şu şekilde açıklanabilir.

Atomlar bir metal kristali halinde birleştiğinde, atomun çekirdeğiyle en zayıf şekilde ilişkili olan dış elektronlar atomlardan ayrılır (Şekil 2). Bu nedenle, metal kristal kafesin düğümlerinde pozitif iyonlar bulunur ve atomlarının çekirdekleriyle ilişkili olmayan elektronlar, aralarındaki boşlukta hareket eder. Bu elektronlara denir özgür veya iletim elektronları. Gaz moleküllerinin hareketine benzer kaotik bir hareket gerçekleştirirler. Bu nedenle metallerdeki serbest elektronların toplanmasına denir. elektron gazı.

Bir iletkene harici bir elektrik alanı uygulanırsa, serbest elektronların rastgele kaotik hareketi, bir elektrik akımı üreten elektrik alan kuvvetlerinin etkisi altında yönlendirilmiş hareketle üst üste gelir. Elektronların iletken içindeki hareket hızı saniyede bir milimetrenin birkaç kesiridir, ancak iletkende ortaya çıkan elektrik alanı, vakumdaki ışık hızına yakın bir hızda iletkenin tüm uzunluğu boyunca yayılır (3) ·10 8 m/s).

Metallerdeki elektrik akımı serbest elektronlar tarafından oluşturulduğundan metal iletkenlerin iletkenliğine denir. elektronik iletkenlik.

Elektrik alanından etki eden sabit bir kuvvetin etkisi altındaki elektronlar, belirli bir düzenli hareket hızı kazanır (buna sürüklenme denir). Bu hız zamanla daha fazla artmaz, çünkü elektronlar kristal kafesin iyonlarıyla çarpıştığında elektrik alanında elde edilen kinetik enerjiyi kristal kafese aktarır. İlk yaklaşıma göre, ortalama serbest yolda (bu, bir elektronun iyonlarla birbirini takip eden iki çarpışması arasında kat ettiği mesafedir), elektronun ivmeyle hareket ettiğini ve sürüklenme hızının zamanla doğrusal olarak arttığını varsayabiliriz.

Çarpışma anında elektron kinetik enerjiyi kristal kafesine aktarır. Daha sonra tekrar hızlanır ve süreç tekrarlanır. Sonuç olarak, elektronların düzenli hareketinin ortalama hızı, iletkendeki elektrik alan kuvvetiyle ve dolayısıyla iletkenin uçlarındaki potansiyel farkla orantılıdır, çünkü l iletkenin uzunluğudur.

Bir iletkendeki akım kuvvetinin parçacıkların düzenli hareket hızıyla orantılı olduğu bilinmektedir.

bu, öncekine göre, akım gücünün iletkenin uçlarındaki potansiyel farkla orantılı olduğu anlamına gelir: I ~ U. Bu, Ohm yasasının metallerin klasik elektronik iletkenlik teorisine dayanan niteliksel bir açıklamasıdır.

Ancak bu teoride zorluklar ortaya çıktı. Teoriden, direncin sıcaklığın karekökü () ile orantılı olması gerektiği, bu arada deneyime göre ~ T olduğu anlaşıldı. Ayrıca, bu teoriye göre metallerin ısı kapasitesi, ısıdan önemli ölçüde daha büyük olmalıdır. Tek atomlu kristallerin kapasitesi. Gerçekte metallerin ısı kapasitesi, metalik olmayan kristallerin ısı kapasitesinden çok az farklıdır. Bu zorlukların üstesinden ancak kuantum teorisinde gelindi.

1911 yılında, düşük sıcaklıklarda cıvanın elektrik direncindeki değişimi inceleyen Hollandalı fizikçi G. Kamerlingh-Onnes, yaklaşık 4 K sıcaklıkta (yani -269 ° C'de) direncin aniden azaldığını keşfetti (Şekil 3). ) neredeyse sıfıra kadar. Elektrik direncinin sıfıra düşmesi olgusuna G. Kamerlingh-Onnes tarafından süperiletkenlik adı verildi.

Daha sonra 25'ten fazla kimyasal elementin (metaller) çok düşük sıcaklıklarda süper iletken hale geldiği keşfedildi. Her birinin sıfır dirençli bir duruma geçiş için kendi kritik sıcaklığı vardır. En düşük değeri tungsten için - 0,012K, en yüksek değeri ise niyobyum için - 9K'dır.

Süperiletkenlik sadece saf metallerde değil aynı zamanda birçok kimyasal bileşik ve alaşımda da görülmektedir. Üstelik süperiletken bileşiği oluşturan elementlerin kendisi de süperiletken olmayabilir. Örneğin, NiBi, Au 2 Bi, PdTe, PtSb ve diğerleri.

Süper iletken durumdaki maddeler olağandışı özelliklere sahiptir:

1. bir süperiletkendeki elektrik akımı, bir akım kaynağı olmadan uzun süre var olabilir;
2. Süper iletken durumdaki bir maddenin içinde manyetik alan oluşturmak imkansızdır:
3. manyetik alan süperiletkenlik durumunu yok eder. Süperiletkenlik, kuantum teorisi açısından açıklanan bir olgudur. Oldukça karmaşık açıklaması, okuldaki fizik dersinin kapsamının ötesine geçiyor.

Yakın zamana kadar süperiletkenliğin yaygın kullanımı, sıvı helyumun kullanıldığı ultra düşük sıcaklıklara soğutma ihtiyacından kaynaklanan zorluklar nedeniyle sekteye uğramaktaydı. Bununla birlikte, ekipmanın karmaşıklığına, helyumun kıtlığına ve yüksek maliyetine rağmen, 20. yüzyılın 60'lı yıllarından beri, sarımlarında termal kayıplar olmadan süper iletken mıknatıslar yaratılmış ve bu da nispeten güçlü manyetik alanlar elde etmeyi pratik olarak mümkün kılmıştır. büyük hacimler. Manyetik plazma hapsi ile kontrollü termonükleer füzyon kurulumları ve güçlü yüklü parçacık hızlandırıcıları oluşturmak için gerekenler bu mıknatıslardır. Süperiletkenler çeşitli ölçüm cihazlarında, özellikle de çok zayıf manyetik alanları son derece hassas bir şekilde ölçen cihazlarda kullanılır.

Şu anda elektrik hatlarında, tellerin direncini aşmak için enerjinin% 10 - 15'i harcanmaktadır. Süper iletken hatlar veya en azından büyük şehirlere olan bağlantılar çok büyük tasarruflar sağlayacaktır. Süperiletkenliğin bir diğer uygulama alanı da taşımadır.

Süper iletken filmlere dayanarak, bilgisayarlar için bir dizi yüksek hızlı mantıksal ve depolama öğesi oluşturulmuştur. Uzay araştırmalarında astronotların radyasyondan korunması, gemilerin yanaşması, frenlenmesi ve yönlendirilmesi ve plazma roket motorları için süper iletken solenoidlerin kullanılması ümit vericidir.

Şu anda, daha yüksek sıcaklıklarda - 100K'nın üzerinde, yani nitrojenin kaynama noktasının üzerindeki bir sıcaklıkta süper iletkenliğe sahip seramik malzemeler yaratılmıştır. Süper iletkenleri, buharlaşma ısısı daha yüksek olan sıvı nitrojenle soğutma yeteneği, tüm kriyojenik ekipmanların maliyetini önemli ölçüde basitleştirir ve azaltır ve büyük bir ekonomik etki vaat eder.

Metallerin elektriksel iletkenliğine ilişkin klasik teori yirminci yüzyılın başında ortaya çıktı. Kurucusu Alman fizikçi Karl Rikke'ydi. Deneysel olarak, bir metalin içinden bir yükün geçişinin, sıvı elektrolitlerden farklı olarak iletken atomların transferini içermediğini tespit etti. Ancak bu keşif, metal yapıdaki elektriksel uyarıların taşıyıcısının tam olarak ne olduğunu açıklayamadı.

Bilim adamlarının Stewart ve Tolman'ın 1916'da yaptıkları deneyleri bu soruyu cevaplamamızı sağladı. Metallerdeki elektriğin aktarımından en küçük yüklü parçacıkların (elektronlar) sorumlu olduğunu tespit edebildiler. Bu keşif, metallerin elektriksel iletkenliğine ilişkin klasik elektronik teorinin temelini oluşturdu. Bu andan itibaren metal iletkenlere yönelik yeni bir araştırma dönemi başladı. Elde edilen sonuçlar sayesinde bugün ev aletleri, üretim ekipmanları, makineler ve daha birçok cihazı kullanma imkanına sahibiz.

Farklı metallerin elektriksel iletkenliği nasıl farklılık gösterir?

Metallerin elektriksel iletkenliğinin elektronik teorisi Paul Drude'un araştırmasında geliştirildi. Elektrik akımı bir iletkenden geçtiğinde gözlemlenen direnç gibi bir özelliği keşfetmeyi başardı. Gelecekte bu, farklı maddelerin iletkenlik düzeylerine göre sınıflandırılmasını mümkün kılacaktır. Elde edilen sonuçlardan belirli bir kablonun üretimi için hangi metalin uygun olduğunu anlamak kolaydır. Bu çok önemli bir noktadır çünkü yanlış seçilen malzeme aşırı gerilim akımının geçmesinden dolayı aşırı ısınma sonucu yangına neden olabilir.

Gümüş metali en yüksek elektrik iletkenliğine sahiptir. +20 santigrat derece sıcaklıkta 63,3 * 104 santimetre-1'dir. Ancak gümüşten kablo yapmak çok pahalıdır, çünkü çoğunlukla mücevher ve dekoratif eşyaların veya külçe madeni paraların üretiminde kullanılan oldukça nadir bir metaldir.

Baz grubun tüm elemanları arasında elektrik iletkenliği en yüksek olan metal bakırdır. Göstergesi +20 santigrat derece sıcaklıkta 57*104 santimetre-1'dir. Bakır, ev ve endüstriyel amaçlar için kullanılan en yaygın iletkenlerden biridir. Sabit elektrik yüklerine iyi dayanır, dayanıklı ve güvenilirdir. Yüksek erime noktası, ısıtılmış halde uzun süre sorunsuz çalışmanıza olanak tanır.

Bolluk açısından yalnızca alüminyum, elektrik iletkenliği açısından altından sonra dördüncü sırada yer alan bakırla rekabet edebilir. Bakırın erime noktasının neredeyse yarısına sahip olması ve aşırı yüklere dayanamaması nedeniyle alçak gerilim şebekelerinde kullanılır. Yerlerin daha fazla dağılımı, metallerin elektriksel iletkenlik tablosuna bakarak bulunabilir.

Herhangi bir alaşımın saf maddeden çok daha düşük iletkenliğe sahip olduğunu belirtmekte fayda var. Bunun nedeni yapısal ağın birleşmesidir ve bunun sonucunda elektronların normal işleyişinin bozulmasıdır. Örneğin, bakır tel üretiminde, safsızlık içeriği% 0,1'den fazla olmayan bir malzeme kullanılır ve bazı kablo türleri için bu gösterge daha da katıdır -% 0,05'ten fazla değildir. Verilen tüm göstergeler, akım yoğunluğu ile iletkendeki elektrik alanının büyüklüğü arasındaki oran olarak hesaplanan metallerin elektriksel iletkenliğidir.

Metallerin elektriksel iletkenliğinin klasik teorisi

Metallerin elektriksel iletkenliği teorisinin temel prensipleri altı nokta içerir. Birincisi: yüksek düzeyde elektriksel iletkenlik, çok sayıda serbest elektronun varlığıyla ilişkilidir. İkincisi: elektrik akımı, elektronların rastgele hareketten düzenli harekete geçtiği metal üzerindeki dış etki yoluyla ortaya çıkar.

Üçüncüsü: Bir metal iletkenden geçen akımın gücü Ohm kanununa göre hesaplanır. Dördüncüsü: Kristal kafesteki farklı sayıdaki temel parçacıklar, metallerin eşit olmayan direncine yol açar. Beşinci: Devredeki elektrik akımı, elektronlara maruz kalmanın başlamasından hemen sonra ortaya çıkar. Altıncı: Metalin iç sıcaklığı arttıkça direnç seviyesi de artar.

Metallerin elektrik iletkenliğinin niteliği hükümlerin ikinci maddesinde açıklanmaktadır. Sessiz bir durumda, tüm serbest elektronlar çekirdeğin etrafında düzensiz bir şekilde döner. Şu anda metal, elektrik yüklerini bağımsız olarak yeniden üretemiyor. Ancak harici bir etki kaynağı bağladığınız anda, elektronlar anında yapılandırılmış bir sırayla sıraya girer ve elektrik akımının taşıyıcıları haline gelir. Sıcaklık arttıkça metallerin elektriksel iletkenliği azalır.

Bunun nedeni, kristal kafesteki moleküler bağların zayıflaması, temel parçacıkların daha da kaotik bir düzende dönmeye başlaması, dolayısıyla zincirde elektron oluşumunun daha karmaşık hale gelmesidir. Bu nedenle iletkenlerin aşırı ısınmasını engelleyecek önlemlerin alınması gerekir çünkü bu durum iletkenlerin performans özelliklerini olumsuz etkiler. Metallerin elektriksel iletkenlik mekanizması mevcut fizik yasalarına göre değiştirilemez. Ancak sürecin normal seyrini engelleyen olumsuz dış ve iç etkileri etkisiz hale getirmek mümkündür.

Elektrik iletkenliği yüksek metaller

Alkali metallerin elektrik iletkenliği, elektronlarının çekirdeğe zayıf bir şekilde bağlanması ve istenilen sırayla kolayca dizilmesi nedeniyle yüksek düzeydedir. Ancak bu grup, çoğu durumda tel üretiminde kullanılmasına izin vermeyen düşük erime noktaları ve muazzam kimyasal aktivite ile karakterize edilir.

Açıldığında elektrik iletkenliği yüksek olan metaller insanlar için oldukça tehlikelidir. Çıplak bir tele dokunmak, elektrik yanmasına ve tüm iç organlarda güçlü bir boşalmaya neden olur. Bu genellikle anında ölümle sonuçlanır. Bu nedenle insanların güvenliği için özel yalıtım malzemeleri kullanılmaktadır.

Uygulamaya bağlı olarak katı, sıvı veya gaz halinde olabilirler. Ancak tüm tipler tek bir işlev için tasarlanmıştır; devre içindeki elektrik akımını dış dünyayı etkilemeyecek şekilde izole etmek. Metallerin elektriksel iletkenliği modern insan yaşamının hemen hemen her alanında kullanılmaktadır, bu nedenle güvenliğin sağlanması en önemli önceliktir.

Metallerin elektriksel iletkenliği

Bir metal bir elektrik (veya manyetik) alana (veya sıcaklık farkına) maruz kaldığında, içinde yüklü parçacıkların ve enerjinin akışı ortaya çıkar.

Bu akışların veya akımların meydana gelmesine genellikle kinetik etkiler veya transfer olgusu denir, aksi halde taşıma etkileri, yani sabit alanların sabit iletkenler üzerindeki etkisi anlamına gelir. Bu durumda akım veya akı potansiyel farkla (veya sıcaklık farkıyla) orantılıdır ve orantı katsayısı yalnızca iletkenin geometrik boyutları ve metalin kendisinin fiziksel özellikleriyle belirlenir.

Birim geometrik boyutlar için bu katsayı yalnızca belirli bir metalin özelliklerine bağlıdır ve kinetik katsayı adı verilen temel fiziksel özelliğidir. Bir iletken alternatif bir alanda olduğunda, içinde ortaya çıkan akımlar yalnızca geometrik boyutlara ve kinetik katsayıya değil aynı zamanda alternatif alanın frekansına, iletkenin şekline ve iletkenin elemanlarının göreceli konumuna da bağlıdır. elektrik devresi.

Bir iletkenin alternatif akım altındaki direnci, dönme etkisinin (akımın iletkenin merkezinden çevreye doğru yer değiştirmesi) neden olduğu frekansına önemli ölçüde bağlıdır. Pek çok olası kinetik olaydan ikisi teknolojide en iyi bilinmektedir: elektriksel iletkenlik - bir maddenin zamanla değişmeyen bir elektrik alanının etkisi altında sabit bir elektrik akımı iletme yeteneği ve termal iletkenlik - benzer şekilde Sıcaklık farkı ve ısı akışı. Bu olayların her ikisi de sırasıyla Ohm ve Fourier yasalarıyla (niceliksel olarak) ifade edilir:

j = γ E; ω = k T.

burada j akım yoğunluğudur, A/m;

γ - elektriksel iletkenliğin kinetik katsayısı);

E - elektrik alan kuvveti V/m;

ω - termal akım yoğunluğu;

T – sıcaklık farkı;

k – ısıl iletkenlik katsayısı.

Uygulamada genellikle elektriksel direnç veya basitçe direnç, Ohm m kullanılır.

Ancak iletkenler için sistem dışı ölçü birimi Ohm mm2/m'nin kullanılmasına izin verilir veya eşdeğer SI birimi μOhm/m'nin kullanılması tavsiye edilir. Bu durumda bir birimden diğerine geçiş: 1 Ohm m = 10 6 μOhm m = 10 6 Ohm mm2/m.

Sabit kesitli, isteğe bağlı boyutlardaki bir iletkenin direnci şu şekilde belirlenir:

burada l iletkenin uzunluğudur, m;

S – iletken alanı, m2.

Metaller genellikle elektrik akımını ve ısıyı iyi ileten, karakteristik "metalik" parlaklığa sahip plastik maddeler olarak tanımlanır.

Aşağıdakiler metallerin elektriksel iletkenliği için tipiktir: normal sıcaklıkta düşük bir özdirenç değeri, artan sıcaklıkla dirençte önemli bir artış, doğru orantılılığa oldukça yakın; sıcaklık mutlak sıfıra yakın sıcaklıklara düştüğünde metallerin direnci çok küçük değerlere düşer, en saf metaller için 10-3'e, hatta normal +20 0C sıcaklıklardaki direncin daha küçük bir kısmına kadar düşer.

Bunlar aynı zamanda elektriksel iletkenlik ile termal iletkenlik arasında ampirik Wiedemann-Franz yasasıyla tanımlanan, k / γ oranının aynı sıcaklıktaki farklı malzemeler için yaklaşık olarak aynı olduğu bir ilişkinin varlığıyla da karakterize edilir. k / γ bölümü mutlak sıcaklık T'ye bölünür (L0 = k / (γ T)). Lorentz sayısı olarak adlandırılan (tüm metaller için) tüm sıcaklıklarda çok az farklılık gösteren bir değerdir.

Metallerdeki kinetik fenomen teorisi, kinetik katsayıların sıcaklığa, basınca ve diğer faktörlere bağımlılığının şeklini açıklayabilir ve onun yardımıyla değerlerini hesaplamak da mümkündür. Bunu yapmak için metallerin iç yapısını düşünün.

Bu fizik dalının temel fikri 19. ve 20. yüzyılların başında ortaya çıktı: metal atomları iyonize edilir ve onlardan ayrılan değerlik elektronları serbesttir, yani tüm kristale aittirler.

İyonlar kesin bir şekilde sıralanmıştır ve düzenli bir kristal kafes oluşturur; negatif yüklü serbest elektron bulutu ile etkileşimleri, kristali kararlı, kararlı bir oluşum haline getirecek şekildedir.

Serbest elektronların varlığı metallerin yüksek elektriksel iletkenliğini iyi açıklar ve bunların delokalizasyonu yüksek plastisite sağlar. Bu, metal iletkenlerin iç yapısının en karakteristik özelliğinin, elektronik yapılarını doğrulayan gezici elektronların varlığı olduğu anlamına gelir. En basit modelinde, gezici elektronlardan oluşan bir koleksiyon, parçacıkların kaotik termal hareket içinde olduğu bir elektron gazı olarak açıklanır.

Elektronların iyonlarla çarpışması nedeniyle denge kurulur (elektronlar arasındaki çarpışmaları ihmal edersek). Isıl hareket tam olarak düzenli olmadığından, elektronların yüküne rağmen devrede herhangi bir akım (makroskopik) gözlenmez. Bir iletkene harici bir elektrik alanı uygulanırsa, ivme alan serbest elektronlar, alan boyunca yönlendirilmiş düzenli bir bileşen halinde sıralanır.

Kafes bölgelerindeki iyonlar sabit olduğundan, elektronların hareketindeki düzen makroskobik bir elektrik akımı olarak kendini gösterecektir. Bu durumda spesifik iletkenlik, hızlanan E kuvvet alanındaki bir elektronun ortalama serbest yolu λ dikkate alınarak ifade edilebilir:

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

burada e elektron yüküdür;

n, metalin birim hacmi başına serbest elektronların sayısıdır;

λ, bir elektronun iki çarpışma arasındaki ortalama serbest yoludur;

m elektron kütlesidir;

v τ metaldeki serbest elektronun ortalama termal hareketinin hızıdır.

Kuantum mekaniğinin hükümleri dikkate alınarak

γ = K p2/3 / λ,

burada K sayısal bir katsayıdır.

Normal sıcaklıkta metal iletkenlerin direnç aralığı yalnızca üç büyüklük mertebesindedir. Farklı metaller için elektronların belirli bir sıcaklıkta kaotik termal hareket hızları yaklaşık olarak aynıdır.

Serbest elektronların konsantrasyonları biraz farklılık gösterir, bu nedenle direnç değeri esas olarak belirli bir iletkendeki elektronların ortalama serbest yoluna bağlıdır ve iletken malzemenin yapısı tarafından belirlenir. En düzenli kristal örgüye sahip tüm saf metaller minimum direnç değerlerine sahiptir. Kafesi bozan yabancı maddeler direncin artmasına neden olur

Sıcaklık direnci katsayısı veya ortalama sıcaklık direnci katsayısı şu şekilde ifade edilir:

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

burada ρ1 ve ρ2, T2 > T1'de sırasıyla T1 ve T2 sıcaklıklarındaki iletken dirençleridir.

Teknik referans kitapları genellikle, isteğe bağlı bir T sıcaklığında yaklaşık olarak ρ'yi belirleyebileceğiniz α` değerini verir:

ρ = ρ1 (1 + αρ` (T - T1)).

Bu ifade, yalnızca ρ(T) doğrusal bağımlılığı için direnç p'nin tam değerini verir. Diğer durumlarda bu yöntem yaklaşıktır; αρ`yı belirlemek için kullanılan sıcaklık aralığı ne kadar dar olursa, o kadar dar olur.

Eritildiğinde hacmi artan çoğu metalin direnci yoğunluğunu azaltır. Erime sırasında hacmi azalan metallerin özdirençleri azalır; Bu metaller galyum, antimon ve bizmutu içerir.

Alaşımların direnci her zaman saf metallerden daha yüksektir. Bu, özellikle füzyon sırasında katı bir çözelti oluşturduklarında fark edilir; Katılaşma sırasında birlikte kristalleşir ve bir metalin atomları diğerinin kafesine girer.

İki metalden oluşan bir alaşım, ayrı kristalleşme ve katılaşmış bir çözelti (bileşenlerin her birinin kristallerinin bir karışımı) oluşturursa, o zaman böyle bir alaşımın spesifik iletkenliği γ, bileşimdeki bir değişiklikle neredeyse doğrusal olarak değişir. Katı çözeltilerde bu bağımlılık (her metalin içeriğine) doğrusal değildir ve belirli bir alaşım bileşeni oranına karşılık gelen bir maksimuma sahiptir.

Bazen bileşenler arasında belirli bir oranda kimyasal bileşikler (metallerarası bileşikler) oluştururlar ve metalik iletkenliğe sahip değiller, elektronik yarı iletkenlerdir.

İletkenlerin doğrusal genleşmesinin sıcaklık katsayısı, formülü kullanan dielektriklerle aynı şekilde belirlenir.

ТКl = α(l) = l / l (dl / dТ), (3.1)

burada TKl = α(l) - doğrusal genleşmenin sıcaklık katsayısı K-1

Çeşitli yapılardaki eşleşme malzemelerinin performansını değerlendirebilmek ve sıcaklık değiştiğinde metalin cam veya seramik ile vakum bağlantısının çatlamasını veya bozulmasını dışlayabilmek için bu katsayının bilinmesi gerekir. Ayrıca tellerin elektriksel direncinin sıcaklık katsayısının hesaplanmasına dahil edilir.

ТКR = α(R) = α(ρ) - α(l).

İletkenlerin TermoEMF'si

ThermoEMF, bağlantı noktalarının sıcaklığı aynı değilse iki farklı iletken (veya yarı iletken) temas ettiğinde meydana gelir. İki farklı iletken temas ederse aralarında bir temas potansiyeli farkı ortaya çıkar. A ve B metalleri için

Ucb - Uc + KT / e ln(n0с / nob),

burada Uc ve Ub temas eden metallerin potansiyelleridir; karşılık gelen metallerdeki elektron konsantrasyonu;

K Boltzmann sabitidir;

T - sıcaklık;

e, elektron yükünün mutlak değeridir.

Metal bağlantı noktalarının sıcaklığı aynı ise kapalı devredeki potansiyel farkın toplamı sıfırdır. Katmanların sıcaklıkları farklıysa (örneğin T2 ve T1), o zaman bu durumda

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

Pratikte ifade (3.2) her zaman gözlenmez ve termoEMF'nin sıcaklığa bağımlılığı doğrusal olmayabilir. Farklı metal veya alaşımlardan yapılmış iki yalıtılmış telden oluşan tele termokupl denir ve sıcaklıkları ölçmek için kullanılır.

Bu gibi durumlarda büyük ve kararlı termoEMF katsayısına sahip malzemeler kullanmaya çalışırlar. yüksek sıcaklıkları ölçmek için bazen (özellikle agresif ortamlarda sıcaklıkları ölçerken) daha düşük termoEdS katsayılarına sahip, ancak yüksek sıcaklıklara dayanıklı ve agresif ortamlarda oksitlenmeyen termokuplların kullanılması gerekir.

Termokupllar için alaşımlar, saf metalden yapılabilen bir elektrot da dahil olmak üzere çeşitli kombinasyonlara sahiptir. En yaygın olanları nikel ve bakır-nikel alaşımlarıdır. 1000 - 1200 0C aralığındaki sıcaklıklar için kromel - alümel (TCA) termokupllar, daha yüksek sıcaklıklarda platin - platin - rodyum elektrotlar; bu alaşımlarda rodyumun oranı %6,7 ile %40,5 arasında değişmektedir. Bu tip termokuplların markaları şu şekildedir: PlRd-7, PlRd-10, PlRd-30, PlRd-40.

Elektriksel iletkenlik, vücudun elektrik akımını iletme yeteneğini karakterize eder. İletkenlik - direnç değeri. Formülde elektrik direnci ile ters orantılıdır ve aslında malzemenin aynı özelliklerini belirtmek için kullanılırlar. İletkenlik Siemens'te ölçülür: [Sm]=.

Elektriksel iletkenlik türleri:

— Elektronik iletkenlik burada yük taşıyıcıları elektronlardır. Bu iletkenlik öncelikle metallerin karakteristik özelliğidir, ancak hemen hemen her malzemede bir dereceye kadar mevcuttur. Sıcaklık arttıkça elektronik iletkenlik azalır.

— İyonik iletkenlik. Elektromanyetik alanın veya başka bir dış etkinin etkisi altında ortamın hacmi boyunca hareket eden, aynı zamanda yük taşıyan serbest iyonların bulunduğu gazlı ve sıvı ortamlarda bulunur. Elektrolitlerde kullanılır. Sıcaklık arttıkça iyonik iletkenlik artar, daha fazla yüksek enerjili iyon üretilir ve ortamın viskozitesi azalır.

— Delik iletkenliği. Bu iletkenlik, malzemenin kristal kafesindeki elektron eksikliğinden kaynaklanır. Aslında, elektronlar burada yine yükü aktarıyorlar, ancak metallerdeki elektronların fiziksel hareketinin aksine, kafes boyunca hareket ediyor gibi görünüyorlar, içinde sırayla boş alanlar kaplıyorlar. Bu prensip yarı iletkenlerde elektronik iletkenlikle birlikte kullanılır.

Elektrik mühendisliğinde kullanılmaya başlanan ilk malzemeler tarihsel olarak metaller ve dielektriklerdi (düşük elektrik iletkenliğine sahip yalıtkanlar). Yarı iletkenler artık elektronikte yaygın olarak kullanılmaktadır. İletkenler ve dielektrikler arasında bir ara pozisyon işgal ederler ve yarı iletkenlerdeki elektriksel iletkenlik miktarının çeşitli etkilerle düzenlenebilmesiyle karakterize edilirler. Modern iletkenlerin çoğu silikon, germanyum ve karbondan yapılır. Ayrıca PP yapmak için başka maddeler de kullanılabilir, ancak bunlar çok daha az sıklıkla kullanılır.

Minimum kayıpla akım iletimi önemlidir. Bu konuda elektrik iletkenliği yüksek ve buna bağlı olarak elektrik direnci düşük olan metaller önemli rol oynamaktadır. Bu konuda en iyisi gümüş (62.500.000 S/m), onu bakır (58.100.000 S/m), altın (45.500.000 S/m), alüminyum (37.000.000 S/m) takip ediyor. Ekonomik fizibiliteye uygun olarak, alüminyum ve bakır en sık kullanılırken bakırın iletkenliği gümüşe göre biraz daha düşüktür. Diğer metallerin hiçbirinin iletken üretimi açısından endüstriyel önemi yoktur.