Độ dẫn điện là khả năng của cơ thể truyền dòng điện dưới tác dụng của điện trường. Để mô tả hiện tượng này, người ta sử dụng giá trị độ dẫn điện riêng σ. Theo lý thuyết cho thấy, giá trị của σ có thể được biểu thị thông qua nồng độ n của các hạt mang điện tự do, điện tích e, khối lượng m, thời gian đường tự do τ e, chiều dài đường tự do λe và vận tốc trôi trung bình< v >các hạt mang điện. Đối với kim loại, các electron tự do đóng vai trò là hạt mang điện tự do, vì vậy:

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

trong đó u là khả năng di chuyển của sóng mang, tức là một đại lượng vật lý bằng số với vận tốc trôi mà các sóng mang thu được trong một trường có cường độ đơn vị, cụ thể là

bạn =< v >/ E = (e τ e) / m

Tùy thuộc vào σ, tất cả các chất được phân chia; đến dây dẫn - với σ > 10 6 (Ohm m) -1, chất điện môi - với σ > 10 -8 (Ohm m) -1 và chất bán dẫn - có giá trị trung gian là σ.

Theo quan điểm của lý thuyết vùng, sự phân chia các chất thành chất dẫn điện, chất bán dẫn và chất điện môi được xác định bằng cách dải hóa trị của tinh thể chứa đầy các electron ở 0 K: một phần hoặc toàn bộ.

Năng lượng truyền cho các electron thậm chí bằng điện trường yếu cũng có thể so sánh với khoảng cách giữa các mức trong dải năng lượng. Nếu có các mức tự do trong vùng thì các electron bị kích thích bởi điện trường ngoài sẽ lấp đầy chúng. Trạng thái lượng tử của hệ thống điện tử sẽ thay đổi và chuyển động ưu tiên (có hướng) của các điện tử so với trường sẽ xuất hiện trong tinh thể, tức là. dòng điện. Những vật như vậy (Hình 10.1, a) là chất dẫn điện.

Nếu dải hóa trị được lấp đầy hoàn toàn thì sự thay đổi trạng thái của hệ electron chỉ có thể xảy ra khi chúng đi qua khoảng trống. Năng lượng của điện trường ngoài không thể thực hiện được quá trình chuyển đổi như vậy. Sự sắp xếp lại các electron trong vùng được lấp đầy hoàn toàn không gây ra sự thay đổi trạng thái lượng tử của hệ, bởi vì Bản thân các electron không thể phân biệt được.

Trong các tinh thể như vậy (Hình 10.1,b), điện trường bên ngoài sẽ không gây ra sự xuất hiện của dòng điện và chúng sẽ không dẫn điện (chất điện môi). Từ nhóm chất này, những chất có vùng cấm ΔE ≤ 1 eV (1 eV = 1,6 · 10 -19 J) đã được phân lập.

Sự chuyển tiếp của các electron qua vùng cấm trong các vật thể như vậy có thể được thực hiện, ví dụ, thông qua kích thích nhiệt. Trong trường hợp này, một phần các mức - dải hóa trị - được giải phóng và các mức của dải tự do sau (dải dẫn) được lấp đầy một phần. Những chất này là chất bán dẫn.

Theo biểu thức (10.1), sự thay đổi độ dẫn điện (điện trở) của vật thể theo nhiệt độ có thể được gây ra bởi sự thay đổi nồng độ n của các chất mang điện hoặc sự thay đổi độ linh động u của chúng.

Kim loại

Các tính toán cơ học lượng tử cho thấy đối với kim loại, nồng độ n của các hạt mang điện tự do (electron) bằng:

n = (1 / 3π 2) · (2mE F / ђ 2) 3/2

trong đó ђ = h / 2π = 1,05 · 10 -34 J · s là hằng số Planck chuẩn hóa, E F là năng lượng Fermi.

Vì E F thực tế không phụ thuộc vào nhiệt độ T nên nồng độ hạt mang điện không phụ thuộc vào nhiệt độ. Do đó, sự phụ thuộc nhiệt độ của độ dẫn điện của kim loại sẽ hoàn toàn được xác định bởi độ linh động u của electron, như sau từ công thức (10.1). Sau đó ở vùng nhiệt độ cao

u ~ λ e / ~ T -1

và ở vùng nhiệt độ thấp

u ~ λ e / ~const(T).

Mức độ di chuyển của hạt tải điện sẽ được xác định bằng các quá trình tán xạ, tức là tương tác của các electron với trường mạng tuần hoàn. Vì trường của mạng lý tưởng có tính tuần hoàn nghiêm ngặt và trạng thái của các electron là đứng yên nên sự tán xạ (xuất hiện điện trở của kim loại) chỉ có thể được gây ra bởi các khuyết tật (nguyên tử tạp chất, biến dạng cấu trúc, v.v.) và dao động nhiệt của mạng tinh thể (phonon).

Gần 0 K, nơi cường độ dao động nhiệt của mạng và nồng độ phonon gần bằng 0, tán xạ bởi tạp chất (tán xạ tạp chất điện tử) chiếm ưu thế. Trong trường hợp này, độ dẫn điện thực tế không thay đổi, như sau từ công thức (10.4) và điện trở suất

có một giá trị không đổi, được gọi là điện trở dư riêng ρ còn lại hoặc điện trở tạp chất riêng ρ xấp xỉ, tức là

ρ phần còn lại (hoặc ρ xấp xỉ) = const (T)

Ở nhiệt độ cao trong kim loại, cơ chế tán xạ electron-phonon trở nên chiếm ưu thế. Với cơ chế tán xạ này, độ dẫn điện tỷ lệ nghịch với nhiệt độ, như có thể thấy từ công thức (10.3), và điện trở suất tỷ lệ thuận với nhiệt độ:

Sự phụ thuộc của điện trở suất ρ vào nhiệt độ được thể hiện trên hình 2. 10.2

Ở nhiệt độ khác 0 K và một lượng tạp chất đủ lớn, cả sự tán xạ electron-phonon và tạp chất electron đều có thể xảy ra; điện trở suất tổng cộng có dạng

ρ = ρ xấp xỉ + ρ f

Biểu thức (10.6) thể hiện quy tắc Matthiessen về tính cộng của lực cản. Cần lưu ý rằng cả sự tán xạ electron-phonon và tạp chất electron đều có bản chất hỗn loạn.

Chất bán dẫn

Tính toán cơ học lượng tử về độ linh động của hạt tải điện trong chất bán dẫn đã chỉ ra rằng, trước hết, khi nhiệt độ tăng thì độ linh động của hạt tải điện u giảm và yếu tố quyết định độ linh động của hạt tải điện là cơ chế tán xạ gây ra độ linh động thấp nhất. Thứ hai, sự phụ thuộc của độ linh động của hạt tải điện vào mức độ pha tạp (nồng độ tạp chất) cho thấy ở mức độ pha tạp thấp, độ linh động sẽ được xác định bằng cách tán xạ trên các dao động của mạng và do đó, không nên phụ thuộc vào nồng độ tạp chất.

Ở mức độ pha tạp cao, nó cần được xác định bằng cách tán xạ bởi chất pha tạp bị ion hóa và giảm dần khi tăng nồng độ pha tạp. Do đó, sự thay đổi độ linh động của các hạt mang điện sẽ không góp phần đáng kể vào sự thay đổi điện trở của chất bán dẫn.

Theo biểu thức (10.1), nguyên nhân chính gây ra sự thay đổi độ dẫn điện của chất bán dẫn là do sự thay đổi nồng độ n của các hạt mang điện.

Đặc điểm chính của chất bán dẫn là tính chất kích hoạt của tính dẫn điện, tức là sự phụ thuộc rõ rệt của nồng độ chất mang vào các ảnh hưởng bên ngoài, chẳng hạn như nhiệt độ, bức xạ, v.v. Điều này được giải thích là do độ rộng vùng cấm (ΔE< 1 эВ) у собственных полупроводников и наличием дополнительных уровней в запрещенной зоне у примесных полупроводников.

Độ dẫn điện của chất bán dẫn tinh khiết về mặt hóa học được gọi là độ dẫn riêng. Độ dẫn điện nội tại của chất bán dẫn phát sinh do sự chuyển tiếp của các electron (n) từ các mức trên của vùng hóa trị sang vùng dẫn và sự hình thành các lỗ trống (p) trong vùng hóa trị:

σ = σ n + σ ρ = e n n u n + e n ρ u ρ

trong đó n n và n ρ là nồng độ của electron và lỗ trống,
u n và u ρ - theo khả năng di chuyển của chúng,
e là cước của người vận chuyển.

Khi nhiệt độ tăng, nồng độ electron trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hóa trị tăng theo cấp số nhân:

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

trong đó n no và n pо là nồng độ electron và lỗ trống tại T → ∞,
k = 1,38 · 10 –23 J/K - hằng số Boltzmann.

Hình 10.3a biểu diễn đồ thị phụ thuộc logarit của độ dẫn điện ln σ của chất bán dẫn nội tại vào nghịch đảo nhiệt độ 1 / T: ln σ = = ƒ(1 / T). Đồ thị là một đường thẳng, độ dốc của nó có thể được sử dụng để xác định khoảng cách vùng cấm ∆E.

Độ dẫn điện của chất bán dẫn pha tạp là do sự có mặt của các tâm tạp chất trong chúng. Sự phụ thuộc nhiệt độ của các chất bán dẫn như vậy được xác định không chỉ bởi nồng độ của các chất mang đa số mà còn bởi nồng độ của các chất mang được cung cấp bởi các tâm tạp chất. Trong hình. 10.3b biểu diễn đồ thị sự phụ thuộc ln σ = ƒ(1/T) đối với chất bán dẫn có mức độ pha tạp khác nhau (n1< n2 < n3, где n – концентрация примеси).

Đối với chất bán dẫn được pha tạp nhẹ, sự chuyển tiếp liên quan đến mức tạp chất chiếm ưu thế ở nhiệt độ thấp. Khi nhiệt độ tăng, nồng độ chất mang tạp chất tăng lên, nghĩa là độ dẫn tạp chất cũng tăng. Khi đạt đến t A (xem Hình 10.3, b; đường cong 1) - nhiệt độ suy giảm tạp chất T S1 - tất cả các chất mang tạp chất sẽ được chuyển sang dải dẫn.

Trên nhiệt độ T S1 và đến nhiệt độ chuyển sang độ dẫn nội tại T i1 (xem điểm B, đường cong 1, Hình 10.3, b), độ dẫn điện giảm và điện trở của chất bán dẫn tăng. Trên nhiệt độ T i1, độ dẫn điện nội tại chiếm ưu thế, tức là Do sự kích thích nhiệt, các hạt mang điện của chúng di chuyển vào vùng dẫn. Trong vùng có độ dẫn nội tại, σ tăng và ρ giảm.

Đối với chất bán dẫn bị pha tạp nặng, trong đó nồng độ tạp chất là n ~ 10 26 m–3, tức là tương xứng với nồng độ chất mang điện trong kim loại (xem đường cong 3, Hình 10.3b), sự phụ thuộc của σ vào nhiệt độ chỉ được quan sát thấy ở vùng có độ dẫn nội tại. Khi nồng độ tạp chất tăng lên, giá trị của khoảng AB (AB > A"B" > A"B") giảm (xem Hình 10.3,b).

Cả ở vùng dẫn tạp chất và vùng dẫn điện nội tại, cơ chế tán xạ electron-phonon chiếm ưu thế. Ở vùng suy giảm tạp chất (các khoảng AB, A"B", A"B") gần nhiệt độ T S tán xạ electron-tạp chất chiếm ưu thế. Khi nhiệt độ tăng (chuyển sang T i), sự tán xạ electron-phonon bắt đầu chiếm ưu thế. Như vậy, khoảng AB (A"B" hoặc A"B"), gọi là vùng suy giảm tạp chất, cũng là vùng chuyển từ cơ chế dẫn tạp chất sang cơ chế dẫn điện nội tại.

Tính dẫn điện của kim loại lần đầu tiên được chứng minh bằng thực nghiệm bởi nhà vật lý người Đức E. Ricke vào năm 1901. Một dòng điện chạy qua ba xi lanh được đánh bóng ép chặt vào nhau - lại là đồng, nhôm và đồng - trong một thời gian dài (hơn một năm) . Tổng điện tích truyền qua trong thời gian này bằng 3,5·10 6 C. Vì khối lượng của các nguyên tử đồng và nhôm khác nhau đáng kể nên khối lượng của các ống trụ sẽ phải thay đổi đáng kể nếu các hạt mang điện là ion.

Kết quả thí nghiệm cho thấy khối lượng của mỗi hình trụ không đổi. Chỉ có dấu vết nhỏ về sự xâm nhập lẫn nhau của kim loại được tìm thấy trên các bề mặt tiếp xúc, không vượt quá kết quả của sự khuếch tán thông thường của các nguyên tử trong chất rắn. Do đó, các hạt mang điện tự do trong kim loại không phải là ion mà là các hạt giống nhau ở cả đồng và nhôm. Chỉ có electron mới có thể là những hạt như vậy.

Bằng chứng trực tiếp và thuyết phục về giá trị của giả định này đã thu được trong các thí nghiệm được thực hiện vào năm 1913 bởi L. I. Mandelstam và N. D. Papaleksi và vào năm 1916 bởi T. Stewart và R. Tolman.

Một sợi dây được quấn vào một cuộn dây, các đầu của chúng được hàn vào hai đĩa kim loại cách ly với nhau (Hình 1). Một điện kế được gắn vào hai đầu của đĩa bằng các tiếp điểm trượt.

Cuộn quay được đưa vào trạng thái quay nhanh và sau đó dừng đột ngột. Sau khi cuộn dây dừng đột ngột, các hạt tích điện tự do sẽ di chuyển dọc theo dây dẫn theo quán tính trong một thời gian và do đó, một dòng điện sẽ xuất hiện trong cuộn dây. Dòng điện sẽ tồn tại trong thời gian ngắn, do điện trở của dây dẫn nên các hạt tích điện bị ức chế và chuyển động có trật tự của các hạt dừng lại.

Hướng của dòng điện cho thấy nó được tạo ra bởi sự chuyển động của các hạt tích điện âm. Điện tích được truyền trong trường hợp này tỷ lệ thuận với tỷ lệ điện tích của các hạt tạo ra dòng điện với khối lượng của chúng, tức là. . Do đó, bằng cách đo điện tích truyền qua điện kế trong suốt quá trình tồn tại của dòng điện trong mạch, người ta có thể xác định được tỷ số. Hóa ra nó bằng 1,8·10 11 C/kg. Giá trị này trùng với tỷ số giữa điện tích electron và khối lượng của nó, được tìm thấy trước đó từ các thí nghiệm khác.

Như vậy, dòng điện trong kim loại được tạo ra do sự chuyển động của các hạt electron mang điện tích âm. Theo lý thuyết điện tử cổ điển về độ dẫn điện của kim loại (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904), chất dẫn điện kim loại có thể được coi là một hệ thống vật lý của sự kết hợp của hai hệ thống con:

1. các electron tự do có nồng độ ~ 10 28 m -3 và
2. các ion mang điện dương dao động quanh vị trí cân bằng.

Sự xuất hiện của các electron tự do trong tinh thể có thể được giải thích như sau.

Khi các nguyên tử kết hợp thành một tinh thể kim loại, các electron bên ngoài liên kết yếu nhất với hạt nhân nguyên tử sẽ bị tách ra khỏi nguyên tử (Hình 2). Do đó, các ion dương nằm ở các nút của mạng tinh thể kim loại và các electron không liên kết với hạt nhân nguyên tử của chúng sẽ di chuyển trong không gian giữa chúng. Những electron này được gọi là miễn phí hoặc electron dẫn. Chúng thực hiện một chuyển động hỗn loạn tương tự như chuyển động của các phân tử khí. Vì vậy, sự tập hợp các electron tự do trong kim loại được gọi là khí điện tử.

Nếu đặt một điện trường ngoài vào vật dẫn thì chuyển động có hướng dưới tác dụng của lực điện trường sẽ chồng lên chuyển động hỗn loạn ngẫu nhiên của các electron tự do, tạo ra dòng điện. Tốc độ chuyển động của bản thân các electron trong dây dẫn là vài phần milimet trên giây, nhưng điện trường phát sinh trong dây dẫn lan truyền dọc theo toàn bộ chiều dài của dây dẫn với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng trong chân không (3 ·10 8 m/s).

Vì dòng điện trong kim loại được tạo thành bởi các electron tự do nên độ dẫn điện của kim loại được gọi là độ dẫn điện tử.

Các electron, dưới tác dụng của một lực không đổi tác dụng từ điện trường, đạt được một tốc độ chuyển động có trật tự nhất định (gọi là sự trôi dạt). Tốc độ này không tăng thêm theo thời gian, vì khi va chạm với các ion của mạng tinh thể, các electron sẽ truyền động năng thu được trong điện trường sang mạng tinh thể. Theo phép tính gần đúng đầu tiên, chúng ta có thể giả sử rằng tại quãng đường tự do trung bình (đây là khoảng cách mà một electron di chuyển giữa hai lần va chạm liên tiếp với các ion), electron chuyển động với gia tốc và tốc độ trôi của nó tăng tuyến tính theo thời gian.

Tại thời điểm va chạm, electron truyền động năng vào mạng tinh thể. Sau đó, nó tăng tốc trở lại và quá trình lặp lại. Kết quả là, tốc độ trung bình của chuyển động có thứ tự của các electron tỷ lệ thuận với cường độ điện trường trong dây dẫn và do đó tỷ lệ với hiệu điện thế ở hai đầu dây dẫn, vì , trong đó l là chiều dài của dây dẫn.

Biết rằng cường độ dòng điện trong vật dẫn tỉ lệ thuận với vận tốc chuyển động có trật tự của các hạt

có nghĩa là, theo phần trước, cường độ dòng điện tỷ lệ thuận với hiệu điện thế ở hai đầu dây dẫn: I ~ U. Đây là cách giải thích định tính về định luật Ohm dựa trên lý thuyết điện tử cổ điển về độ dẫn điện của kim loại.

Tuy nhiên, khó khăn nảy sinh trong lý thuyết này. Nó xuất phát từ lý thuyết cho rằng điện trở suất phải tỷ lệ với căn bậc hai của nhiệt độ (), trong khi đó, theo kinh nghiệm, ~ T. Ngoài ra, nhiệt dung của kim loại, theo lý thuyết này, phải lớn hơn đáng kể so với nhiệt lượng năng của tinh thể đơn nguyên tử. Trong thực tế, nhiệt dung của kim loại khác rất ít so với nhiệt dung của tinh thể phi kim loại. Những khó khăn này chỉ được khắc phục bằng lý thuyết lượng tử.

Năm 1911, nhà vật lý người Hà Lan G. Kamerlingh-Onnes, khi nghiên cứu sự thay đổi điện trở của thủy ngân ở nhiệt độ thấp, đã phát hiện ra rằng ở nhiệt độ khoảng 4 K (tức là -269 ° C), điện trở suất giảm đột ngột (Hình 3). ) đến gần bằng không. G. Kamerlingh-Onnes gọi hiện tượng điện trở này là siêu dẫn.

Sau đó người ta phát hiện ra rằng hơn 25 nguyên tố hóa học - kim loại - trở thành chất siêu dẫn ở nhiệt độ rất thấp. Mỗi người trong số họ có nhiệt độ tới hạn riêng để chuyển sang trạng thái có điện trở bằng 0. Giá trị thấp nhất của nó là vonfram - 0,012K, cao nhất đối với niobi - 9K.

Tính siêu dẫn không chỉ được quan sát thấy ở kim loại nguyên chất mà còn ở nhiều hợp chất hóa học và hợp kim. Hơn nữa, bản thân các nguyên tố tạo nên hợp chất siêu dẫn có thể không phải là chất siêu dẫn. Ví dụ, NiBi, Au 2 Bi, PdTe, PtSb và những người khác.

Các chất ở trạng thái siêu dẫn có những tính chất khác thường:

1. dòng điện trong chất siêu dẫn có thể tồn tại trong thời gian dài mà không cần nguồn dòng điện;
2. Không thể tạo ra từ trường bên trong một chất ở trạng thái siêu dẫn:
3. từ trường phá hủy trạng thái siêu dẫn. Siêu dẫn là một hiện tượng được giải thích theo quan điểm của lý thuyết lượng tử. Mô tả khá phức tạp của nó vượt ra ngoài phạm vi của một khóa học vật lý ở trường.

Cho đến gần đây, việc sử dụng rộng rãi chất siêu dẫn đã bị cản trở bởi những khó khăn liên quan đến nhu cầu làm mát đến nhiệt độ cực thấp, trong đó sử dụng helium lỏng. Tuy nhiên, bất chấp sự phức tạp của thiết bị, sự khan hiếm và giá thành cao của helium, kể từ những năm 60 của thế kỷ 20, nam châm siêu dẫn đã được tạo ra mà không gây tổn thất nhiệt trong cuộn dây của chúng, điều này giúp thực tế có thể thu được từ trường mạnh ở mức tương đối. khối lượng lớn. Chính những nam châm này cần thiết để tạo ra các cơ sở lắp đặt phản ứng tổng hợp nhiệt hạch có kiểm soát với sự giam giữ plasma từ tính và cho các máy gia tốc hạt tích điện mạnh. Chất siêu dẫn được sử dụng trong nhiều loại dụng cụ đo lường, chủ yếu là trong các dụng cụ đo từ trường rất yếu với độ chính xác cực cao.

Hiện nay, trong đường dây điện, 10 - 15% năng lượng được dùng để khắc phục điện trở của dây dẫn. Các đường dây siêu dẫn, hoặc ít nhất là kết nối tới các thành phố lớn, sẽ mang lại những khoản tiết kiệm khổng lồ. Một lĩnh vực ứng dụng khác của chất siêu dẫn là vận chuyển.

Một số thành phần lưu trữ và logic tốc độ cao cho máy tính đã được tạo ra dựa trên màng siêu dẫn. Trong nghiên cứu không gian, người ta hứa hẹn sẽ sử dụng các cuộn dây điện từ siêu dẫn để bảo vệ bức xạ cho các phi hành gia, neo đậu tàu, phanh và định hướng cũng như cho động cơ tên lửa plasma.

Hiện nay, vật liệu gốm đã được tạo ra có tính siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn - trên 100K, tức là ở nhiệt độ trên điểm sôi của nitơ. Khả năng làm mát chất siêu dẫn bằng nitơ lỏng, chất có nhiệt hóa hơi cao hơn rất nhiều, giúp đơn giản hóa và giảm đáng kể chi phí của tất cả các thiết bị đông lạnh và hứa hẹn mang lại hiệu quả kinh tế to lớn.

Lý thuyết cổ điển về tính dẫn điện của kim loại ra đời vào đầu thế kỷ XX. Người sáng lập của nó là nhà vật lý người Đức Karl Rikke. Ông đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng sự truyền điện tích qua kim loại không liên quan đến việc chuyển giao các nguyên tử dẫn điện, không giống như chất điện phân lỏng. Tuy nhiên, phát hiện này không giải thích chính xác chất mang xung điện trong cấu trúc kim loại là gì.

Các thí nghiệm của các nhà khoa học Stewart và Tolman, được thực hiện vào năm 1916, đã cho phép chúng ta trả lời câu hỏi này. Họ đã có thể chứng minh rằng các hạt tích điện nhỏ nhất - các electron - chịu trách nhiệm truyền điện trong kim loại. Khám phá này đã hình thành nên cơ sở của lý thuyết điện tử cổ điển về tính dẫn điện của kim loại. Kể từ thời điểm này, một kỷ nguyên nghiên cứu mới về chất dẫn điện kim loại bắt đầu. Nhờ kết quả đạt được, ngày nay chúng ta có cơ hội sử dụng các thiết bị gia dụng, thiết bị sản xuất, máy móc và nhiều thiết bị khác.

Độ dẫn điện của các kim loại khác nhau như thế nào?

Lý thuyết điện tử về tính dẫn điện của kim loại được phát triển trong nghiên cứu của Paul Drude. Ông đã có thể khám phá ra một đặc tính như điện trở, đặc tính này được quan sát thấy khi một dòng điện chạy qua một dây dẫn. Trong tương lai, điều này sẽ giúp phân loại các chất khác nhau theo mức độ dẫn điện của chúng. Từ kết quả thu được, có thể dễ dàng hiểu kim loại nào phù hợp để sản xuất một loại cáp cụ thể. Đây là một điểm rất quan trọng, vì vật liệu được lựa chọn không chính xác có thể gây ra hỏa hoạn do quá nhiệt do dòng điện quá mức đi qua.

Kim loại bạc có độ dẫn điện cao nhất. Ở nhiệt độ +20 độ C, nó là 63,3 * 104 cm-1. Nhưng việc chế tạo dây điện từ bạc rất tốn kém vì đây là kim loại khá hiếm, được sử dụng chủ yếu để sản xuất đồ trang sức và đồ trang trí hoặc tiền thỏi.

Kim loại có độ dẫn điện cao nhất trong số tất cả các nguyên tố thuộc nhóm bazơ là đồng. Chỉ số của nó là 57*104 cm-1 ở nhiệt độ +20 độ C. Đồng là một trong những chất dẫn điện phổ biến nhất được sử dụng cho mục đích gia đình và công nghiệp. Nó chịu được tải điện liên tục tốt, bền và đáng tin cậy. Điểm nóng chảy cao cho phép bạn làm việc trong thời gian dài ở trạng thái nóng mà không gặp vấn đề gì.

Xét về độ phong phú, chỉ có nhôm mới có thể cạnh tranh được với đồng, chất liệu đứng thứ tư về độ dẫn điện sau vàng. Nó được sử dụng trong các mạng có điện áp thấp, vì nó có nhiệt độ nóng chảy gần bằng một nửa đồng và không có khả năng chịu được tải trọng cực lớn. Sự phân bố tiếp theo của các địa điểm có thể được tìm thấy bằng cách nhìn vào bảng tính dẫn điện của kim loại.

Điều đáng chú ý là bất kỳ hợp kim nào cũng có độ dẫn điện thấp hơn nhiều so với chất nguyên chất. Điều này là do sự hợp nhất của mạng cấu trúc và do đó, làm gián đoạn hoạt động bình thường của các điện tử. Ví dụ, trong sản xuất dây đồng, người ta sử dụng vật liệu có hàm lượng tạp chất không quá 0,1% và đối với một số loại cáp, chỉ số này thậm chí còn nghiêm ngặt hơn - không quá 0,05%. Tất cả các chỉ số đã cho là độ dẫn điện của kim loại, được tính bằng tỷ số giữa mật độ dòng điện và cường độ điện trường trong dây dẫn.

Lý thuyết cổ điển về tính dẫn điện của kim loại

Các nguyên tắc cơ bản của lý thuyết về tính dẫn điện của kim loại có sáu điểm. Đầu tiên: mức độ dẫn điện cao có liên quan đến sự hiện diện của một số lượng lớn các electron tự do. Thứ hai: dòng điện phát sinh do tác động bên ngoài lên kim loại, trong đó các electron chuyển từ chuyển động ngẫu nhiên sang chuyển động có trật tự.

Thứ ba: cường độ dòng điện chạy qua dây dẫn kim loại được tính theo định luật Ohm. Thứ tư: số lượng hạt cơ bản khác nhau trong mạng tinh thể dẫn đến điện trở của kim loại không đồng đều. Thứ năm: dòng điện trong mạch phát sinh ngay sau khi bắt đầu tiếp xúc với điện tử. Thứ sáu: khi nhiệt độ bên trong của kim loại tăng lên thì mức điện trở của nó cũng tăng lên.

Bản chất tính dẫn điện của kim loại được giải thích bằng điểm thứ hai của điều khoản. Ở trạng thái tĩnh, tất cả các electron tự do đều quay hỗn loạn xung quanh hạt nhân. Tại thời điểm này, kim loại không thể tái tạo điện tích một cách độc lập. Nhưng ngay khi bạn kết nối một nguồn tác động bên ngoài, các electron ngay lập tức xếp thành một chuỗi có cấu trúc và trở thành vật mang dòng điện. Khi nhiệt độ tăng, độ dẫn điện của kim loại giảm.

Điều này là do các liên kết phân tử trong mạng tinh thể yếu đi, các hạt cơ bản bắt đầu quay theo một trật tự thậm chí còn hỗn loạn hơn, do đó việc tạo ra các electron thành chuỗi trở nên phức tạp hơn. Vì vậy, cần phải thực hiện các biện pháp để tránh quá nhiệt cho dây dẫn, vì điều này ảnh hưởng tiêu cực đến đặc tính hiệu suất của chúng. Cơ chế dẫn điện của kim loại không thể thay đổi theo các định luật vật lý hiện hành. Nhưng có thể vô hiệu hóa những tác động tiêu cực bên ngoài và bên trong cản trở quá trình bình thường của quá trình.

Kim loại có độ dẫn điện cao

Độ dẫn điện của kim loại kiềm ở mức cao, vì các electron của chúng liên kết yếu với hạt nhân và dễ dàng sắp xếp theo trình tự mong muốn. Nhưng nhóm này được đặc trưng bởi điểm nóng chảy thấp và hoạt động hóa học lớn, trong hầu hết các trường hợp không cho phép sử dụng chúng để sản xuất dây.

Kim loại có tính dẫn điện cao khi mở ra rất nguy hiểm cho con người. Chạm vào dây trần sẽ gây bỏng điện và phóng điện mạnh tới tất cả các cơ quan nội tạng. Điều này thường dẫn đến tử vong ngay lập tức. Vì vậy, vật liệu cách nhiệt đặc biệt được sử dụng để đảm bảo an toàn cho con người.

Tùy thuộc vào ứng dụng, chúng có thể ở dạng rắn, lỏng hoặc khí. Nhưng tất cả các loại đều được thiết kế cho một chức năng - cách ly dòng điện bên trong mạch để nó không ảnh hưởng đến thế giới bên ngoài. Tính dẫn điện của kim loại được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống con người hiện đại nên việc đảm bảo an toàn là ưu tiên hàng đầu.

Độ dẫn điện của kim loại

Khi kim loại tiếp xúc với điện trường (hoặc từ trường) (hoặc chênh lệch nhiệt độ), các dòng hạt tích điện và năng lượng sẽ xuất hiện trong đó.

Sự xuất hiện của các dòng hoặc dòng điện này thường được gọi là hiệu ứng động học hoặc hiện tượng truyền tải, hay nói cách khác là hiệu ứng vận chuyển, nghĩa là tác động của trường đứng yên lên dây dẫn đứng yên. Trong trường hợp này, dòng điện hoặc từ thông tỷ lệ thuận với chênh lệch điện thế (hoặc chênh lệch nhiệt độ) và hệ số tỷ lệ chỉ được xác định bởi kích thước hình học của dây dẫn và tính chất vật lý của chính kim loại.

Đối với kích thước hình học đơn vị, hệ số này chỉ phụ thuộc vào tính chất của kim loại nhất định và là đặc tính vật lý cơ bản của nó, được gọi là hệ số động học. Khi một dây dẫn ở trong điện trường xoay chiều, dòng điện xuất hiện trong nó không chỉ phụ thuộc vào kích thước hình học và hệ số động học mà còn phụ thuộc vào tần số của điện trường xoay chiều, hình dạng của dây dẫn và vị trí tương đối của các phần tử của dây dẫn. mạch điện.

Điện trở của dây dẫn dưới dòng điện xoay chiều phụ thuộc đáng kể vào tần số của nó, gây ra bởi hiệu ứng quay - sự dịch chuyển của dòng điện từ tâm dây dẫn ra ngoại vi. Trong số nhiều hiện tượng động học có thể xảy ra, có hai hiện tượng được biết đến nhiều nhất trong công nghệ: độ dẫn điện - khả năng của một chất dẫn dòng điện không đổi dưới tác dụng của điện trường không thay đổi theo thời gian và độ dẫn nhiệt - tương tự như vậy đối với chênh lệch nhiệt độ và dòng nhiệt. Cả hai hiện tượng này đều được biểu thị (định lượng) theo định luật Ohm và Fourier tương ứng:

j = γ E; ω = k T.

j là mật độ dòng điện, A/m;

γ - hệ số động năng dẫn điện);

E - cường độ điện trường V/m;

ω - mật độ dòng nhiệt;

T - chênh lệch nhiệt độ;

k - hệ số dẫn nhiệt.

Trong thực tế, điện trở suất hay đơn giản là điện trở suất, Ohm m, thường được sử dụng

Tuy nhiên, đối với dây dẫn, cho phép sử dụng đơn vị đo Ohm mm2/m không thuộc hệ thống, hoặc nên sử dụng đơn vị SI tương đương μOhm/m. Chuyển đổi từ đơn vị này sang đơn vị khác trong trường hợp này: 1 Ohm m = 10 6 μOhm m = 10 6 Ohm mm2/m.

Điện trở của một dây dẫn có kích thước tùy ý có tiết diện không đổi được xác định bởi:

l là chiều dài dây dẫn, m;

S - diện tích dây dẫn, m2.

Kim loại thường được đặc trưng là các chất dẻo có ánh kim loại đặc trưng, ​​​​là chất dẫn dòng điện và nhiệt tốt.

Đối với độ dẫn điện của kim loại, những đặc điểm sau đây là điển hình: giá trị điện trở suất thấp ở nhiệt độ thường, điện trở tăng đáng kể khi nhiệt độ tăng, khá gần với tỷ lệ trực tiếp; khi nhiệt độ giảm xuống nhiệt độ gần độ không tuyệt đối, điện trở của kim loại giảm xuống những giá trị rất nhỏ, lên tới 10-3 đối với kim loại nguyên chất nhất hoặc thậm chí một phần nhỏ hơn điện trở ở nhiệt độ bình thường, + 20 0C.

Chúng còn được đặc trưng bởi sự hiện diện của mối quan hệ giữa độ dẫn điện và độ dẫn nhiệt, mối quan hệ này được mô tả bằng định luật Wiedemann-Franz thực nghiệm là tỷ số k/γ xấp xỉ như nhau đối với các vật liệu khác nhau ở cùng nhiệt độ. Thương số k/γ chia cho nhiệt độ tuyệt đối T (L0 = k/(γ T)). được gọi là số Lorentz, là (đối với tất cả các kim loại) một giá trị ít khác nhau ở mọi nhiệt độ.

Lý thuyết về hiện tượng động học trong kim loại có thể giải thích hình dạng của sự phụ thuộc của các hệ số động học vào nhiệt độ, áp suất và các yếu tố khác, đồng thời với sự trợ giúp của nó, người ta cũng có thể tính được giá trị của chúng. Để làm điều này, hãy xem xét cấu trúc bên trong của kim loại.

Ý tưởng cơ bản của nhánh vật lý này nảy sinh vào đầu thế kỷ 19 và 20: các nguyên tử kim loại bị ion hóa và các electron hóa trị tách ra khỏi chúng là tự do, tức là chúng thuộc về toàn bộ tinh thể.

Các ion có trật tự chặt chẽ và tạo thành mạng tinh thể đều đặn; sự tương tác của chúng với đám mây mang điện tích âm của các electron tự do khiến tinh thể trở thành một hình dạng ổn định, ổn định.

Sự hiện diện của các electron tự do giải thích rõ ràng tính dẫn điện cao của kim loại và sự định vị của chúng mang lại độ dẻo cao. Điều này có nghĩa là đặc điểm đặc trưng nhất của cấu trúc bên trong của dây dẫn kim loại là sự hiện diện của các electron di chuyển, điều này khẳng định cấu trúc điện tử của chúng. Trong mô hình đơn giản nhất của nó, một tập hợp các electron chuyển động được giải thích là một loại khí electron trong đó các hạt chuyển động nhiệt hỗn loạn.

Trạng thái cân bằng được thiết lập (nếu bỏ qua va chạm giữa các electron) do sự va chạm của electron với các ion. Vì chuyển động nhiệt không hoàn toàn có trật tự nên mặc dù các electron mang điện nhưng không quan sát thấy dòng điện (vĩ mô) trong mạch. Nếu đặt một điện trường ngoài vào vật dẫn, thì các electron tự do, sau khi nhận được gia tốc, sẽ xếp thành một thành phần có trật tự, định hướng dọc theo điện trường.

Vì các ion ở vị trí mạng tinh thể đứng yên nên trật tự chuyển động của các electron sẽ biểu hiện dưới dạng dòng điện vĩ mô. Độ dẫn điện riêng trong trường hợp này có thể được biểu thị có tính đến đường tự do trung bình λ của electron trong trường gia tốc có cường độ E:

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

trong đó e là điện tích;

n là số electron tự do trên một đơn vị thể tích kim loại;

λ là quãng đường tự do trung bình của electron giữa hai lần va chạm;

m là khối lượng electron;

v τ là tốc độ chuyển động nhiệt trung bình của electron tự do trong kim loại.

Có tính đến các quy định của cơ học lượng tử

γ = K p2/3 / λ,

trong đó K là hệ số.

Phạm vi điện trở suất của dây dẫn kim loại ở nhiệt độ bình thường chỉ có ba bậc độ lớn. Đối với các kim loại khác nhau, tốc độ chuyển động nhiệt hỗn loạn của các electron ở nhiệt độ nhất định là gần như nhau.

Nồng độ của các electron tự do hơi khác nhau, do đó giá trị của điện trở suất chủ yếu phụ thuộc vào đường đi tự do trung bình của các electron trong một dây dẫn nhất định và nó được xác định bởi cấu trúc của vật liệu dẫn điện. Tất cả các kim loại nguyên chất có mạng tinh thể đều đặn nhất đều có giá trị điện trở suất tối thiểu. Các tạp chất làm biến dạng mạng, dẫn đến tăng điện trở suất

Hệ số nhiệt độ của điện trở suất hoặc hệ số nhiệt độ trung bình của điện trở suất được biểu thị bằng

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

trong đó ρ1 và ρ2 lần lượt là điện trở suất của dây dẫn ở nhiệt độ T1 và T2 tại T2 > T1.

Sách tham khảo kỹ thuật thường đưa ra giá trị α`, với giá trị này bạn có thể xác định gần đúng ρ ở nhiệt độ tùy ý T:

ρ = ρ1 (1 + αρ` (T - T1)).

Biểu thức này cho giá trị chính xác của điện trở suất p chỉ khi có sự phụ thuộc tuyến tính ρ(T). Trong các trường hợp khác, phương pháp này mang tính gần đúng; khoảng nhiệt độ được sử dụng để xác định αρ` càng hẹp thì nó càng hẹp.

Điện trở suất của hầu hết các kim loại, tăng thể tích khi nóng chảy, làm giảm mật độ của chúng. Đối với kim loại có thể tích giảm khi nóng chảy thì điện trở suất giảm; Những kim loại này bao gồm gali, antimon và bismuth.

Điện trở suất của hợp kim luôn lớn hơn điện trở suất của kim loại nguyên chất. Điều này đặc biệt đáng chú ý nếu khi hợp nhất, chúng tạo thành một dung dịch rắn, tức là. kết tinh lại với nhau trong quá trình đông đặc và các nguyên tử của kim loại này đi vào mạng tinh thể của kim loại kia.

Nếu hợp kim của hai kim loại tạo ra sự kết tinh riêng biệt và dung dịch đông đặc - hỗn hợp tinh thể của từng thành phần, thì độ dẫn điện riêng γ của hợp kim đó thay đổi với sự thay đổi thành phần gần như tuyến tính. Trong dung dịch rắn, sự phụ thuộc này (vào hàm lượng của từng kim loại) không tuyến tính và có giá trị cực đại tương ứng với một tỷ lệ nhất định của các thành phần hợp kim.

Đôi khi, ở một tỷ lệ nhất định giữa các thành phần, chúng tạo thành các hợp chất hóa học (hợp chất liên kim loại) và chúng không có tính dẫn điện kim loại mà là chất bán dẫn điện tử.

Hệ số nhiệt độ giãn nở tuyến tính của dây dẫn được xác định tương tự như đối với chất điện môi sử dụng công thức

ТКl = α(l) = l / l (dl / dТ), (3.1)

trong đó TKl = α(l) là hệ số nhiệt độ giãn nở tuyến tính K-1

Hệ số này phải được biết để có thể đánh giá hiệu suất của vật liệu giao phối trong các cấu trúc khác nhau, cũng như để loại trừ vết nứt hoặc gián đoạn kết nối chân không của kim loại với thủy tinh hoặc gốm khi nhiệt độ thay đổi. Ngoài ra, nó còn được đưa vào tính toán hệ số nhiệt độ của điện trở của dây dẫn

ТКR = α(R) = α(ρ) - α(l).

NhiệtEMF của dây dẫn

ThermoEMF xảy ra khi hai dây dẫn (hoặc chất bán dẫn) khác nhau tiếp xúc với nhau nếu nhiệt độ tại các điểm nối của chúng không giống nhau. Nếu hai vật dẫn khác nhau tiếp xúc nhau thì giữa chúng sẽ xuất hiện một hiệu điện thế tiếp xúc. Đối với kim loại A và B

Ucb - Uc + K T / e ln(n0с / nob),

trong đó U c và U b là điện thế tiếp xúc với kim loại; nồng độ electron trong kim loại tương ứng;

K là hằng số Boltzmann;

T - nhiệt độ;

e là giá trị tuyệt đối của điện tích electron.

Nếu nhiệt độ của các điểm nối kim loại bằng nhau thì tổng hiệu điện thế trong mạch kín bằng 0. Nếu nhiệt độ của các lớp khác nhau (ví dụ T2 và T1), thì trong trường hợp này

U = K/e(T1 – T2) ln(nc/nb). (3.2)

Trong thực tế, biểu thức (3.2) không phải lúc nào cũng được quan sát và sự phụ thuộc của thermoEMF vào nhiệt độ có thể là phi tuyến. Một dây được tạo thành từ hai dây cách điện bằng kim loại hoặc hợp kim khác nhau được gọi là cặp nhiệt điện và được sử dụng để đo nhiệt độ.

Trong những trường hợp như vậy, họ cố gắng sử dụng vật liệu có hệ số nhiệtEMF lớn và ổn định. để đo nhiệt độ cao, đôi khi cần thiết (đặc biệt khi đo nhiệt độ trong môi trường khắc nghiệt) phải sử dụng cặp nhiệt điện có hệ số thermoEdS thấp hơn nhưng chịu được nhiệt độ cao và không bị oxy hóa trong môi trường khắc nghiệt.

Hợp kim dùng cho cặp nhiệt điện có nhiều cách kết hợp khác nhau, trong đó có một điện cực có thể được làm bằng kim loại nguyên chất. Phổ biến nhất là hợp kim niken và đồng-niken. Đối với nhiệt độ trong khoảng 1000 - 1200 0C sử dụng cặp nhiệt điện chromel - alumel (TCA); ở nhiệt độ cao hơn sử dụng điện cực platin - platinrhodium; trong các hợp kim này, rhodium dao động từ 6,7 đến 40,5%. Các nhãn hiệu của cặp nhiệt điện như sau: PlRd-7, PlRd-10, PlRd-30, PlRd-40.

Độ dẫn điện đặc trưng cho khả năng dẫn dòng điện của cơ thể. Độ dẫn điện - giá trị điện trở. Trong công thức, nó tỷ lệ nghịch với điện trở và chúng thực sự được sử dụng để chỉ các đặc tính giống nhau của vật liệu. Độ dẫn điện được đo bằng Siemens: [Sm]=.

Các loại độ dẫn điện:

— Độ dẫn điện, trong đó hạt mang điện là electron. Độ dẫn điện này chủ yếu là đặc trưng của kim loại, nhưng hiện diện ở mức độ này hay mức độ khác ở hầu hết mọi vật liệu. Khi nhiệt độ tăng, độ dẫn điện giảm.

— Độ dẫn ion. Nó tồn tại trong môi trường khí và lỏng, nơi có các ion tự do cũng mang điện tích, di chuyển khắp thể tích của môi trường dưới tác động của trường điện từ hoặc tác động bên ngoài khác. Được sử dụng trong chất điện phân. Khi nhiệt độ tăng, độ dẫn ion tăng khi tạo ra nhiều ion năng lượng cao hơn và độ nhớt của môi trường giảm.

— Độ dẫn lỗ. Độ dẫn điện này là do thiếu electron trong mạng tinh thể của vật liệu. Trên thực tế, các electron lại chuyển điện tích ở đây, nhưng chúng dường như di chuyển dọc theo mạng, chiếm các khoảng trống tuần tự trong đó, trái ngược với chuyển động vật lý của các electron trong kim loại. Nguyên lý này được sử dụng trong chất bán dẫn, cùng với độ dẫn điện tử.

Những vật liệu đầu tiên bắt đầu được sử dụng trong kỹ thuật điện trước đây là kim loại và chất điện môi (chất cách điện có độ dẫn điện thấp). Chất bán dẫn hiện nay được sử dụng rộng rãi trong điện tử. Chúng chiếm vị trí trung gian giữa chất dẫn điện và chất điện môi và được đặc trưng bởi thực tế là độ dẫn điện trong chất bán dẫn có thể được điều chỉnh bởi nhiều ảnh hưởng khác nhau. Hầu hết các dây dẫn hiện đại đều được làm từ silicon, germanium và carbon. Ngoài ra, các chất khác có thể được sử dụng để sản xuất PP, nhưng chúng được sử dụng ít thường xuyên hơn.

Việc truyền tải dòng điện với tổn thất tối thiểu là rất quan trọng. Về vấn đề này, kim loại có độ dẫn điện cao và do đó, điện trở thấp đóng vai trò quan trọng. Tốt nhất về mặt này là bạc (62.500.000 S/m), tiếp theo là đồng (58.100.000 S/m), vàng (45.500.000 S/m), nhôm (37.000.000 S/m). Phù hợp với tính khả thi về kinh tế, nhôm và đồng thường được sử dụng nhiều nhất, trong khi đồng có độ dẫn điện kém hơn bạc một chút. Tất cả các kim loại khác không có tầm quan trọng công nghiệp để sản xuất dây dẫn.