Студопедия КАТЕГОРИИ: АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция |
Физические процессы в проводниках
Для твердых металлических проводников характерны высокие электро- и теплопроводность, обусловленные особенностями металлической связи между атомами, в частности наличием в проводнике среды коллективизированных электронов («электронного газа»). Наличие электронного газа в металлах легко подтверждают экспериментально. Например, в момент остановки быстро двигавшегося проводника между его концами появляется разность потенциалов что объясняется смещением электронного газа по инерции к одному краю проводника. Далее, при нагревании металлов наблюдают вылет (эмиссию) электронов. Это становится понятным, если учесть, что скорости теплового движения электронов возрастают с ростом температуры металла и достигают такой величины, которая достаточна для вылета электронов наружу из металла. К электронному газу в металлах, с некоторыми ограничениями, применимы понятия и законы обычных газов. Так рассмотрение двух состояний электронного газа — теплового хаотического движения электронов и направленного движения под действием внешнего электрического поля — приводит к теоретическому установлению закона Ома. На основании классической электронной теории электропроводности металлов для удельного электрического сопротивления проводника ρ, измеряемого в Ом·м, запишем (4.1) где е, т - величина заряда и масса электрона, А·с, кг; vТ - средняя скорость теплового движения электронов в металле, м/с; п - концентрация свободных электронов, м-3; lср - средняя длина свободного пробега электронов, м; µ - подвижность электронов, обусловленная действием электрического поля напряженностью Е, м2/(В·с). При движении электронного газа под действием электрического поля происходит столкновение электронов с ионами кристаллической решетки. При этом энергия электронов передается ионам металла, и проводник нагревается. Мощность удельных тепловых потерь Р, выделяющаяся в проводнике, измеряемая в Вт/м3, подчиняется закону Джоуля - Ленца: (4.2) Средние скорости vТ в различных проводниках примерно одинаковы, незначительно отличаются также и концентрации свободных электронов п. Например, в нормальных условиях для меди n=8,5 1028 м-3, для алюминия n=8,3·1028 м-3. Наиболее существенно у различных проводников отличаются значения µ и lср, зависящие от структуры и состава проводника и определяющие его сопротивление электрическому току. Любые искажения правильности кристаллической решетки металла (примеси, вакансии, деформация решетки) приводят к снижению значений lср, и µ и к повышению удельного сопротивления проводникового материала (рис. 4.1). Вот почему материалы высокой проводимости (чистые металлы) должны иметь совершенную кристаллическую структуру, находиться в ненапряженном (отожженном) состоянии и практически не содержать примесей. Материалы высокого сопротивления — это, как правило, различные сплавы, содержащие несколько резко отличающихся по свойствам металлов. Эти материалы часто имеют весьма мелкозернистую структуру с большим числом дефектов (например, резистивные металлические пленки). Сам материал, как правило, находится в напряженном состоянии, создаваемом механической и термической обработкой (прокатом, волочением, закалкой и т. д.). Все это приводит к минимальным значениям µ и lср и соответственно к максимальным значениям ρ. Характерным свойством всех металлов и сплавов является повышение их электрического сопротивления с ростом температуры (рис. 4.2). Зависимость ρ от температуры определяется из (4.1): (4.3) где k – постоянная Больцмана, равная 1,38·10-23 Дж/К; Т – термодинамическая температура, К.
Такой характер зависимости ρ~Т½ получен в предположении, что п и lср не зависят от температуры. На практике с ростом температуры происходит усиление колебательных движений атомов кристаллической решетки металла и хаотических движений свободных электронов, в результате чего снижаются значения средней длины свободного пробега электронов lср, и их подвижность µ. Это приводит к более сложным формам зависимости ρ от Т, которые лучше соответствуют экспериментальным данным. Классическая теория электропроводности (теория «электронного газа») объясняет также возникновение термоэлектродвижущей силы на контакте двух металлов. При соприкосновении двух различных металлов между ними возникает контактная разность потенциалов U. Ее появление обусловлено различием концентраций свободных электронов (пА, пВ) в соприкасающихся металлах А и В, что приводит по законам диффузии к переходу части электронов в металл с меньшей их концентрацией. Однако чтобы покинуть пределы металла, электрон должен иметь определенную энергию, называемую работой выхода электрона WВЭ. Эта величина характерна для каждого проводника и определяет, в частности, эмиссионные свойства металла, т. е. его способность быть источником электронов. Величина контактной разности потенциалов для различных пар металлов колеблется в пределах от десятых долей вольта до нескольких вольт. Еслив замкнутой цепи двух проводников (рис. 4.3) один контакт нагреть до температуры t1 другой —до температуры t2, то в цепи возникает термо-э.д.с. U, измеряемая в В: (4.4) где К — коэффициент термо-э. д. с, постоянный для данной пары проводников, В/К. Такая пара изолированных друг от друга различных проводников со спаем на конце, называемая термопарой, широко используется в технике для температурных измерений (см. гл. 6). Высокая теплопроводность металлов также легко объясняется посредством передачи тепловой энергии атомов нагретого участка металла атомам холодного участка за счет переноса этой энергии коллективизированными электронами. Так как механизм электропроводности и теплопроводности в металлах обусловлен одними и теми же факторами - движением электронного газа и его плотностью,— становится понятным, почему металлы с высокой электропроводностью являются также хорошими проводниками тепла и почему диэлектрики обладают не только низкой электропроводностью, но и низкой теплопроводностью. Для металлов количественное соотношение между электропроводностью и теплопроводностью устанавливает закон Видемана – Франца - Лорентца: (4.5) где γт - коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К); γ - удельная проводимость металла, См·м-¹, величина, обратная ρ; L0 - число Лорентца, равное 2,45·10-8 В2/К2; Т - абсолютная температура металла, К. Этот закон хорошо подтверждается экспериментально для большинства металлов при температурах, близких к нормальным. Однако не все физические процессы в проводниках могут быть объяснены классической теорией «электронного газа». С позиции классической теории нельзя удовлетворительно объяснить, например, явление сверхпроводимости некоторых проводниковых материалов На современном этапе развития науки наиболее точную картину физических процессов, происходящих в проводниковых материалах, дает зонная теория твердых тел, опирающаяся на квантовую волновую механику, согласно которой движущиеся в металле электроны обладают свойствами как частицы, так и волны. При этом параметрами являются не только масса, скорость, энергия электрона, но и длина волны, соответствующая этой энергии. Более подробно отдельные вопросы зонной теории затронуты при рассмотрении электропроводности полупроводниковых материалов в части IV. Криопроводимость. При охлаждении проводника тепловое движение электронов и тепловые колебания атомной решетки замедляются, число соударений электронов и атомов сокращается, и сопротивление проводника падает [см. формулу (4.3)]. При достижении криогенных температур, лежащих в диапазоне температур сжижения гелия (4,21К), водорода (20,3К), азота (77,4К), удельная проводимость металлов возрастает в сотни и тысячи раз (криопроводимость) по сравнению с проводимостью при нормальной температуре (рис. 4.4). Для достижения особо высоких значений криопроводимости при заданной температуре охлаждения необходима высокая чистота и минимальное число искажений кристаллической решетки металла. Влияние этих факторов на удельную проводимость металла сказывается при криогенных температурах значительно сильнее, чем при нормальной температуре. Сверхпроводимость относится к одному из фундаментальных свойств вещества. Она проявляется при достаточно низких температурах в резком снижении удельного сопротивления материала практически до нулевых значений (на 14 порядков и более). Это явление обнаружил в 1911 г. голландский ученый Г. Каммерлинг-Оннес при охлаждении кольца ртути до температуры 4,2К. Критическую температуру охлаждения, при которой у данного материала наблюдается переход в сверхпроводящее состояние, называют температурой сверхпроводникового перехода Ткр. Переход и сверхпроводящее состояние является обратимым, т. е. с повышением температуры до Т>Ткр удельное сопротивление сверхпроводника вновь приобретает определенное значение. Ряд элементов переходит в сверхпроводящее состояние только при низких температурах и высоких давлениях (кремний, германий, висмут и др.). Явление сверхпроводимости по своей физической сущности принципиально отличается от явления криопроводимости, хотя оба явления выражаются в резком снижении удельного сопротивления материала при глубоком охлаждении. У криопроводников, например у меди, серебра, получить сверхпроводящее состояние не удается даже при самых низких температурах, достигнутых в настоящее время. У сверхпроводников по мере понижения температуры сначала наблюдается явление криопроводимости, которое затем переходит в состояние сверхпроводимости. Если сверхпроводник поместить в магнитное поле, то при достижении критического значения напряженности Нкр состояние сверхпроводимости разрушается. Это может быть вызвано также магнитным полем критического тока Iкр, проходящего по сверхпроводнику. Чем больше значение Hкр сверхпроводника, тем лучше его эксплуатационные характеристики, тем при больших плотностях тока его можно использовать, не нарушая сверхпроводящего состояния. Очень важным свойством сверхпроводников является эффект вытеснения постоянного магнитного поля из объема сверхпроводника, открытый в 1933 г. немецкими физиками В. Майснером и Р. Оксенфельдом. В зависимости от поведения в магнитном поле выделяют два основных типа сверхпроводников. Сверхпроводники I рода (мягкие) характеризуются резким переходом в сверхпроводящее состояние при одном значении Hкр При этом происходит полное вытеснение магнитного поля из объема сверх проводника. Сверхпроводники II рода (твердые) характеризуются при переходе в сверхпроводящее состояние двумя значениями Hкр1 и Hкр2 (Hкр1>Hкр2). Область Hкр1-Hкр2 соответствует смешанному состоянию проводимости материала (сверхпроводимости и криопроводимости) и частичному вытеснению магнитного поля из объема сверхпроводника. Необходимо отметить, что термины «мягкий» и «твердый» сверхпроводник не означают их механической твердости, а связаны с малыми значениями Hкр у «мягких» сверхпроводников (I рода) и высокими значениями Hкр у «твердых» сверхпроводников (II рода). Для конкретного сверхпроводника каждому значению температуры Ткр соответствует свое значение напряженности магнитного поля Hкр Совокупности значений Ткр и Hкр разграничивают области сверхпроводящего состояния материала и нормального его состояния (криопроводимости). Пересечение пограничной кривой Hкр=f(Ткр) (рис. 4.5) в результате повышения температуры или напряженности магнитного поля приводит к разрушению состояния сверхпроводимости. Наибольшие возможные значения Ткр0 и Нкр0 являются важными характеристиками сверхпроводниковых материалов (см. табл. 5.3). Рис. 4.5 Диаграммы состояния некоторых твердых сверхпроводников: 1 – Nb0,79 (Al0,75Ge0,25)0,21; 2 – Nb3Sn; 3 – V3Ga В переменных электромагнитных полях с частотой выше некоторой граничной fгр состояние сверхпроводимости разрушается и сверхпроводник ведет себя как обычный металл. Значения fгр сверхпроводников лежат в пределах десятков — сотен гигагерц. Физическая сущность явления сверхпроводимости весьма сложна. Это явление может быль объяснено только на основе представлений лонной теории твердых тел, примененных к физическим процессам в металлах и сплавах.
|
||||
Последнее изменение этой страницы: 2018-04-12; просмотров: 865. stydopedya.ru не претендует на авторское право материалов, которые вылажены, но предоставляет бесплатный доступ к ним. В случае нарушения авторского права или персональных данных напишите сюда... |