Металлын хамгийн өндөр цахилгаан дамжуулах чанар.

Металлын электрон дамжуулалтГэр Цахилгаан дамжуулах чанаргэдэг нь гадны нөлөөгөөр бодисын цахилгаан гүйдэл дамжуулах чадвар юм цахилгаан орон . Цахилгаан дамжуулах чанар нь харилцан хамааралтай = 1/ цахилгаан эсэргүүцэл.

Л ρ Р Хаана - эсэргүүцэл, Ом м; – - тодорхой цахилгаан дамжуулах чанар, S / м (Siemens / метр);С хөндлөн огтлол , м 2; л - дамжуулагчийн урт, м) ().

цахилгаан химийн хувьд тодорхой цахилгаан дамжуулах чанар (

) унших - каппа L хэмжилтийн нэгж нь Siemens (Sm), 1 Sm = 1 Ом -1.

Цахилгаан дамжуулах чанар

, (2.5)

Л α уусмал нь 1 м 2 талбайтай, бие биенээсээ 1 м зайд байрлах хоёр зэрэгцээ электродын хооронд бэхлэгдсэн уусмалын эзэлхүүний дамжуулах чанарыг тодорхойлдог. SI хэмжилтийн нэгж нь Sm m -1 байна. Электролитийн уусмалын тусгай дамжуулалтыг цахилгаан гүйдэл дамжуулдаг ионуудын тоо, тэдгээрийн шилжилтийн хурдаар тодорхойлно.- электролитийн диссоциацийн зэрэг; ХАМТ – эквивалентийн молийн концентраци, моль/м3;
- Ф– Фарадей дугаар, 96485 С/моль;

үнэмлэхүй хурд катион ба анионы хөдөлгөөн (1 В/м талбайн потенциалын градиент дахь хурд); Хурдны хэмжилтийн нэгж нь м 2 В -1 с -1 байна. (2.5) тэгшитгэлээс дараах нь гарч ирнэхүчтэй ба аль алиных нь концентрацаас хамаарна

сул электролит

(Зураг 2.1): Зураг 2.1 – Усан уусмал дахь электролитийн концентрациас тодорхой цахилгаан дамжуулалтын хамаарал С → 0-ийн шингэрүүлсэн уусмалд 3 Усны цахилгаан дамжуулах чанар нь ойролцоогоор 10-6 С/м байх хандлагатай байдаг бөгөөд энэ нь ионуудтай холбоотой юм. + Н ТУХАЙ - Тэгээд ТЭР . Электролитийн концентраци нэмэгдэх тусамэхлээд нэмэгддэг бөгөөд энэ нь уусмал дахь ионуудын тоо нэмэгдсэнтэй тохирч байна. Гэсэн хэдий ч хүчтэй электролитийн уусмал дахь ион их байх тусам ионы харилцан үйлчлэл илүү хүчтэй болж, ионы хөдөлгөөний хурд буурахад хүргэдэг. Төвлөрсөн уусмал дахь сул электролитийн хувьд диссоциацийн зэрэг, улмаар цахилгаан дамжуулах ионуудын тоо мэдэгдэхүйц буурдаг. Тиймээс бараг үргэлж, тодорхой хамааралтай байдаг

цахилгаан дамжуулах чанар

электролитийн агууламжаас хамгийн их хэмжээгээр дамждаг. 2.1.3 Моляр ба эквивалент цахилгаан дамжуулалт Ионы харилцан үйлчлэлийн үр нөлөөг тодруулахын тулд цахилгаан дамжуулах чанар(С, моль/м3) ба авна молийн цахилгаан дамжуулах чанар ; эсвэл эквивалентийн молийн концентрацид хувааж авна эквивалент дамжуулалт.

. (2.6)

Хэмжилтийн нэгж м 2 С/моль байна. Эквивалент дамжуулалтын физик утга нь дараах байдалтай байна: эквивалент дамжуулалт нь 1 м-ийн зайд байрлах хоёр зэрэгцээ электродын хооронд бэхлэгдсэн уусмалын цахилгаан дамжуулах чадвартай тоогоор тэнцүү бөгөөд электродуудын хоорондох уусмалын эзэлхүүнийг агуулсан талбайтай байна. нэг моль эквивалент ууссан бодис (молийн цахилгаан дамжуулалтын хувьд - нэг моль ууссан бодис). Иймд энэ эзэлхүүн дэх цахилгаан дамжуулалтын эквивалент тохиолдолд аливаа электролитийн уусмал бүрэн задарсан тохиолдолд N A эерэг ба N А сөрөг цэнэгүүд байх болно (N A нь Авогадрогийн тоо). Тиймээс, хэрэв ионууд хоорондоо харилцан үйлчлэлцээгүй бол бүх концентрацид тогтмол байх болно. Бодит системд агууламжаас хамаарна (Зураг 2.2). C → 0 үед,
→ 1, утга тэмүүлдэг
, ионы харилцан үйлчлэл байхгүйтэй харгалзах. Тэгшитгэлээс (2.5 ба 2.6) дараах байдалтай байна.

Ажил
дуудсан ионуудын эквивалент цахилгаан дамжуулах чанарыг хязгаарлах, эсвэл эцсийн хөдөлгөөнт байдалионууд:

. (2.9)

(2.9) харилцааг Колрауш үүсгэсэн бөгөөд үүнийг нэрлэсэн ионуудын бие даасан хөдөлгөөний хууль . Хамгийн их хөдөлгөөн нь тухайн төрлийн ионы тодорхой утга бөгөөд зөвхөн уусгагч болон температурын шинж чанараас хамаарна. Молийн цахилгаан дамжуулалтын тэгшитгэл нь (2.10) хэлбэртэй байна.

, (2.10)

Хаана
- 1 моль давс үүсгэхэд шаардагдах катион ба анионуудын эквивалентийн тоо.

Жишээ:

HCl гэх мэт моновалент электролитийн хувьд
, өөрөөр хэлбэл моляр ба эквивалент цахилгаан дамжуулалт ижил байна.

Зураг 2.2 – Хүчтэй (a) ба сул (b) электролитийн концентрацаас эквивалент цахилгаан дамжуулалтын хамаарал

Сул электролитийн уусмалын хувьд эквивалент цахилгаан дамжуулах чанар нь маш бага концентраци хүртэл бага хэвээр байгаа бөгөөд үүнд хүрэх үед энэ нь харьцангуй утгатай болтлоо огцом өсдөг. хүчтэй электролитууд. Энэ нь диссоциацийн зэрэг нэмэгдсэнтэй холбоотой юм сонгодог онолэлектролитийн диссоциаци нь шингэлэх тусам нэмэгдэж, хязгаарт нэгдмэл байх хандлагатай байдаг.

Диссоциацийн зэргийг (2.7) тэгшитгэлийг (2.8) хуваах замаар илэрхийлж болно:

Төвлөрөл нэмэгдэх тусам хүчтэй электролитийн уусмалууд бага зэрэг буурдаг. Колрауш үүнийг харуулсан Бага концентрацид ийм уусмалууд нь тэгшитгэлийг дагаж мөрддөг.

, (2.11)

Л А– уусгагчийн шинж чанар, электролитийн температур, валентын төрлөөс хамааран тогтмол.

Дебай-Онсагерын онолын дагуу хүчтэй электролитийн уусмалын эквивалент цахилгаан дамжуулах чанар буурах нь ион ба электролитийн хоорондох электростатик харилцан үйлчлэлийн улмаас үүссэн ионы хөдөлгөөнийг дарангуйлах хоёр нөлөөгөөр ионы хөдөлгөөний хурд буурсантай холбоотой юм. түүний ионы уур амьсгал. Ион бүр нь эсрэг цэнэгийн ионуудаар өөрийгөө хүрээлэх хандлагатай байдаг. Цэнэгийн үүл гэж нэрлэдэг ионАгаар мандал нь дунджаар бөмбөрцөг хэлбэртэй тэгш хэмтэй байдаг.

Эхний нөлөө нь үр нөлөө юм электрофоретик дарангуйлал. Цахилгаан орон үйлчлэх үед ион нь нэг чиглэлд, ионы уур амьсгал нь эсрэг чиглэлд хөдөлдөг. Гэхдээ ионы уур амьсгалтай бол атмосферийн ионуудын чийгшлийн улмаас уусгагчийн нэг хэсэг нь шингэж, төв ион хөдөлж байх үед эсрэг чиглэлд хөдөлж буй уусгагчийн урсгалтай тулгардаг бөгөөд энэ нь ионы нэмэлт наалдамхай дарангуйлал үүсгэдэг.

Хоёр дахь нөлөө - тайвшруулах саатал. Гадны талбарт ион хөдөлж байх үед агаар ионы ард алга болж, урд талд нь үүсэх ёстой. Эдгээр үйл явц хоёулаа шууд тохиолддоггүй. Иймээс ионы урд талд эсрэг тэмдэгтэй ионы тоо араас нь бага, өөрөөр хэлбэл үүл тэгш бус болж, агаар мандлын цэнэгийн төв буцаж, ион ба агаар мандлын цэнэгүүд эсрэг байвал ионы хөдөлгөөн удааширдаг. Тайвшруулах, электрофорезийн дарангуйлах хүчийг уусмалын ионы хүч, уусгагчийн шинж чанар, температураар тодорхойлно. Ижил электролитийн хувьд бусад тогтмол нөхцөлд эдгээр хүч нь уусмалын концентраци нэмэгдэх тусам нэмэгддэг.

Цахилгаан дамжуулах чанар нь биеийн цахилгаан гүйдэл дамжуулах чадварыг тодорхойлдог. Дамжуулах чадвар - эсэргүүцлийн утга. Томъёонд энэ нь цахилгаан эсэргүүцэлтэй урвуу хамааралтай бөгөөд тэдгээр нь үнэндээ материалын ижил шинж чанарыг илэрхийлэхэд ашиглагддаг. Дамжуулах чадварыг Siemens-д хэмждэг: [Sm]=.

Цахилгаан дамжуулах чанарын төрлүүд:

— Электрон дамжуулалт , цэнэг зөөгч нь электронууд байдаг. Энэ дамжуулалт нь үндсэндээ металлын шинж чанартай боловч бараг бүх материалд нэг хэмжээгээр байдаг. Температур нэмэгдэхийн хэрээр электрон дамжуулалт буурдаг.

— Ионы дамжуулалт. Хийн болон шингэн орчин, Нөлөөллийн дор байгаа орчны эзэлхүүн даяар хөдөлж, цэнэгийг дамжуулдаг чөлөөт ионууд байдаг цахилгаан соронзон оронэсвэл бусад гадны нөлөө. Электролитэд ашигладаг. Температур нэмэгдэхийн хэрээр ионы дамжуулалт нэмэгддэг илүүионуудтай өндөр энерги, мөн орчны зуурамтгай чанар буурдаг.

— Нүх дамжуулах чанар. Энэ дамжуулалт нь материалын болор торонд электрон дутагдсанаас үүсдэг. Үнэн хэрэгтээ электронууд дахин цэнэгийг энд авч явдаг боловч торны дагуу дараалан байрлаж байгаа мэт хөдөлдөг. үнэгүй суудалдотор нь ялгаатай биеийн хөдөлгөөнметалл дахь электронууд. Энэ зарчмыг хагас дамжуулагч, электрон дамжуулагчийн хамт ашигладаг.

Цахилгааны инженерчлэлд ашиглаж эхэлсэн хамгийн анхны материал бол түүхийн хувьд метал ба диэлектрик (цахилгаан дамжуулалт багатай тусгаарлагч) байв. Одоо хагас дамжуулагчийг электроникийн салбарт өргөнөөр ашиглаж байна. Тэд эзэлдэг завсрын байрлалдамжуулагч ба диэлектрикийн хооронд байдаг ба хагас дамжуулагч дахь цахилгаан дамжуулах чанарыг тохируулах боломжтой гэдгээрээ онцлог юм. янз бүрийн нөлөө. Ихэнх орчин үеийн дамжуулагчийг цахиур, германий болон нүүрстөрөгчөөр хийдэг. Үүнээс гадна бусад бодисыг PP хийхэд ашиглаж болох боловч тэдгээр нь хамаагүй бага ашиглагддаг.

IN чухал-тэй одоогийн дамжуулалттай хамгийн бага алдагдал. Үүнтэй холбогдуулан чухал үүрэгөндөр цахилгаан дамжуулах чадвартай металлууд, үүний дагуу цахилгаан эсэргүүцэл багатай тоглодог. Энэ талаар хамгийн шилдэг нь мөнгө (62,500,000 S/m), дараа нь зэс (58,100,000 S/m), алт (45,500,000 S/m), хөнгөн цагаан (37,000,000 S/m) юм. Эдийн засгийн үндэслэлийн дагуу хөнгөн цагаан, зэсийг ихэвчлэн ашигладаг бол зэс нь мөнгөнөөс бага зэрэг доогуур байдаг. Бусад бүх металлууд байдаггүй аж үйлдвэрийн үнэ цэнэдамжуулагч үйлдвэрлэх зориулалттай.

МЕТАЛ, ХАГАС ДАМЖУУЛАГЧДЫН ЦАХИЛГААН ДАМЖУУЛАЛТ

Металлын цахилгаан дамжуулах чанар

Тохиромжтой квант механик тооцоолол нь хамгийн тохиромжтой болор торны хувьд дамжуулагч электронууд хөдөлгөөний явцад ямар ч эсэргүүцэл үзүүлэхгүй бөгөөд металлын цахилгаан дамжуулах чанар хязгааргүй их байх болно. Гэсэн хэдий ч болор тор хэзээ ч төгс байдаггүй. Торны хатуу давтамжийг зөрчих нь бохирдол, сул орон зай (жишээлбэл, тухайн талбайд атом байхгүй байх), түүнчлэн тор дахь дулааны чичиргээнээс үүдэлтэй байдаг. Бохир атом ба фотонуудад электронууд тараагдах нь металлын цахилгаан эсэргүүцэл үүсэхэд хүргэдэг. Металл цэвэр, температур бага байх тусам энэ эсэргүүцэл бага байна.

Металлын цахилгаан эсэргүүцлийг дараах байдлаар илэрхийлж болно

Л  тоо - торны дулааны чичиргээнээс үүсэх эсэргүүцэл,  ойролцоогоор.- хольцын атомууд дээр электрон тархалтаас үүсэх эсэргүүцэл. Хугацаа  температур буурах тусам тоо буурч, T = 0K үед тэг болно. Хугацаа  ойролцоогоор.бага хэмжээний хольцтой үед энэ нь температураас хамаардаггүй бөгөөд үүнийг үүсгэдэг үлдэгдэл эсэргүүцэлметалл (өөрөөр хэлбэл металлын 0К-д байгаа эсэргүүцэл).

Металлын нэгж эзэлхүүнтэй байх ёстой n чөлөөт электронууд. Эдгээр электронуудын дундаж хурдыг нэрлэе шилжилтийн хурд . Тодорхойлолтоор

Гадны орон байхгүй үед шилжилтийн хурд нь тэг бөгөөд метал дотор цахилгаан гүйдэл байхгүй болно. Металл руу гадны цахилгаан орон үйлчлэхэд шилжилтийн хурд тэгээс ялгаатай болно - металл дотор цахилгаан гүйдэл үүсдэг. Хуулийн дагуу Омшилжилтийн хурд нь хязгаарлагдмал бөгөөд хүчтэй пропорциональ байна
.

Тогтвортой хөдөлгөөний хурд нь биед үзүүлэх гадны хүчинтэй пропорциональ байдаг гэдгийг механикаас мэддэг. ХАМТтохиолдолд, хүчнээс гадна - ХАМТ, бие нь биеийн хурдтай пропорциональ (жишээ нь наалдамхай орчинд жижиг бөмбөг унах болно) дундаас татах хүчний нөлөөгөөр биеийг үйлчилдэг. Эндээс бид хүч чадлаас гадна гэж дүгнэж байна
, металл дахь дамжуулагч электронууд нь "үрэлтийн" хүчээр үйлчилдэг бөгөөд дундаж утга нь

(r-пропорциональ коэффициент).

"Дундж" электроны хөдөлгөөний тэгшитгэл нь хэлбэртэй байна

Л м * нь электроны үр дүнтэй масс юм. Энэ тэгшитгэл нь тогтвортой төлөвийн утгыг олох боломжийг бидэнд олгодог .

Хэрэв хөдөлгөөнгүй байдлыг тогтоосны дараа гадаад талбарыг унтраа , шилжилтийн хурд буурч эхлэх ба электронууд болон торны хоорондох тэнцвэрт байдалд хүрмэгц алга болно. Гадаад талбарыг унтраасны дараа шилжилтийн хурд буурах хуулийг олцгооё. Оруулж байна
, бид тэгшитгэлийг авна

Бид энэ төрлийн тэгшитгэлийг мэддэг. Үүний шийдэл нь хэлбэртэй байна

Хаана
-утга шилжилтийн хурдодоогоор талбай унтарсан байна.

Үүнээс үзэхэд тухайн хугацаанд

дрифтийн хурдны утга багасна днэг удаа. Ийнхүү хэмжигдэхүүн нь гадаад талбайн үйлчлэлээр эвдэрсэн электрон ба торны хооронд тэнцвэрийг бий болгох үйл явцыг тодорхойлдог тайвшрах хугацааг илэрхийлдэг. .

Өгөгдсөн томъёог дараах байдлаар бичиж болно.

Хүчний нийлбэрийг тэгтэй тэнцүүлэх замаар шилжилтийн хурдны тогтвортой байдлын утгыг олж болно.
ба үрэлтийн хүч:

Бид энэ утгыг үржүүлснээр одоогийн нягтын тогтвортой байдлын утгыг олж авна электрон цэнэг тутамд - дба электрон нягт n:

хооронд пропорциональ хүчин зүйл
цахилгаан дамжуулах чанарыг илэрхийлдэг  . Тиймээс,

Металлын цахилгаан дамжуулах чанарын сонгодог илэрхийлэл нь хэлбэртэй байдаг

Л   - электронуудын чөлөөт хөдөлгөөний дундаж хугацаа, м - энгийн (үр дүнтэй биш) электрон масс.

Томьёог харьцуулж үзэхэд сулрах хугацаа нь металл дахь электронуудын чөлөөт замын хугацаатай томьёоны дарааллаар давхцаж байна.

Физик хүчин зүйл дээр үндэслэн илэрхийлэлд орсон хэмжигдэхүүнийг тооцоолж, улмаар цахилгаан дамжуулах чанарыг дарааллаар нь тооцоолох боломжтой.  . Энэ аргаар олж авсан утгууд нь туршилтын өгөгдөлтэй сайн тохирч байна. Түүнчлэн, туршлагаас харахад энэ нь харагдаж байна  хуулийн дагуу температурын өөрчлөлт 1/ Т. Сонгодог онол үүнийг өгдөг гэдгийг санаарай  урвуу пропорциональ
.

Томьёог гаргахад хүргэсэн тооцоолол нь метал дахь дамжуулагч электронуудын хөдөлгөөний сонгодог тайлбар болон квант механик тайлбарт адилхан тохиромжтой гэдгийг анхаарна уу. Эдгээр хоёр тайлбарын ялгаа нь дараах байдалтай байна. Сонгодог үүднээс авч үзвэл бүх электронууд гадны цахилгаан оронтой холбоотой гэж үздэг бөгөөд үүний дагуу томьёоны нэр томъёо бүр чиглэлд нэмэлтийг хүлээн авдаг.

эсрэг . Квантын механик тайлбарт зөвхөн Ферми түвшний ойролцоох төлөвийг эзэлдэг электронууд нь талбайн нөлөөнд автаж, хурдаа өөрчилдөг гэдгийг анхаарч үзэх хэрэгтэй. Гүн түвшинд байрлах электронууд талбайн нөлөөнд автдаггүй бөгөөд нийлбэрт оруулах хувь нэмэр өөрчлөгддөггүй. Нэмж дурдахад, сонгодог тайлбараар томъёоны хуваагч нь электроны ердийн массыг агуулсан байх ёстой. м, квант механик тайлбарт ердийн массын оронд электроны үр дүнтэй массыг авах ёстой. м * . Энэ нөхцөл байдал нь ерөнхий дүрмийн нэг илрэл бөгөөд үүний дагуу чөлөөт электрон ойролцоолсон харьцаа нь электроны жинхэнэ массыг солих тохиолдолд торны үечилсэн талбарт хөдөлж буй электронуудад хүчинтэй байх болно. мүр дүнтэй масс м * .

Хэт дамжуулалт

Хэд хэдэн Келвиний дарааллын температурт хэд хэдэн металл, хайлшийн цахилгаан эсэргүүцэл гэнэт тэг бодис болж хувирдаг. хэт дамжуулагч төлөв. Энэ шилжилтийн температурыг нэрлэдэг чухал температурболон томилогдсон Тк. Хамгийн их ажиглагдсан утга Т k нь  20 К.

Хэт дамжуулалтыг туршилтаар хоёр аргаар ажиглаж болно.

1) ерөнхийд нь оруулсан цахилгаан хэлхээхэт дамжуулагч холбоос. Хэт дамжуулагч төлөвт шилжих мөчид энэ холбоосын төгсгөлд боломжит зөрүү тэг болно;

2) хэт дамжуулагчийн цагиргийг түүнд перпендикуляр соронзон орон дээр байрлуулах замаар. Дараа нь доорх бөгжийг хөргөсний дараа талбайг унтраа. Үүний үр дүнд цагирагт тасралтгүй цахилгаан гүйдэл үүсдэг. Ийм цагирагт гүйдэл хязгааргүй эргэлддэг.

Хэт дамжуулагчийн үзэгдлийг нээсэн Голландын эрдэмтэн Г.Камерлингх Оннес түүгээр дамждаг гүйдэл бүхий хэт дамжуулагч цагиргийг Лейденээс Кембриж хүртэл зөөвөрлөсөн нь үүнийг харуулсан. Хэд хэдэн туршилтаар нэг жил орчим хугацаанд хэт дамжуулагч цагираг дахь гүйдлийн уналт байхгүй байсан нь ажиглагдсан. 1959 онд Коллинз хоёр жил хагасын хугацаанд гүйдэл буураагүй гэж мэдэгджээ.

Цахилгаан эсэргүүцэл байхгүйгээс гадна хэт дамжуулагч төлөв нь соронзон орон нь хэт дамжуулагчийн зузаан руу нэвтэрдэггүй гэдгээрээ онцлог юм. Энэ үзэгдлийг гэж нэрлэдэг Мейснер эффект. Хэрэв хэт дамжуулагч дээжийг соронзон орон дотор байрлуулж хөргөхөд хэт дамжуулагч төлөвт шилжих үед талбар нь дээжээс шахагдаж, дээж дэх соронзон индукц тэг болно. Албан ёсоор бид хэт дамжуулагчийг тэг соронзон нэвчилттэй гэж хэлж болно (  = 0). бүхий бодисууд  < 1-ийг диамагнит материал гэж нэрлэдэг. Тиймээс хэт дамжуулагч нь хамгийн тохиромжтой диамагнит юм.

Хангалттай хүчтэй гадны соронзон орон нь хэт дамжуулагч төлөвийг устгадаг. Энэ үүсэх соронзон индукцийн утгыг нэрлэдэг чухал талбарболон томилогдсон Бк. Утга Б k нь дээжийн температураас хамаарна. Чухал температурт Б k = 0, температур буурах үед утга Бк өсөх хандлагатай байна - тэг температурт эгзэгтэй талбайн утга. Ойролцоогоор харахэнэ хамаарлыг 1-р зурагт үзүүлэв

Хэрэв бид нийтлэг хэлхээнд холбогдсон хэт дамжуулагчаар урсах гүйдлийг олшруулах юм бол одоогийн утгаараа I k хэт дамжуулагч төлөв устсан. Энэ одоогийн утгыг нэрлэдэг чухал гүйдэл. Утга I k температураас хамаарна. Энэ хамаарлын хэлбэр нь хамааралтай төстэй Бк-аас Т(1-р зургийг үз).

Хэт дамжуулалт гэдэг нь квант механик нөлөөлөл нь микроскопийн масштаб дээр биш, харин том, макроскопийн масштабаар илэрдэг үзэгдэл юм. Хэт дамжуулалтын онолыг 1957 онд Ж.Бардин, Л.Купер, Ж.Шриффер нар бүтээжээ. Үүнийг товчхондоо BCS онол гэж нэрлэдэг. Энэ онол нь маш нарийн төвөгтэй юм. Тиймээс бид үүнийг шинжлэх ухааны алдартай номын түвшинд толилуулахаар хязгаарлагдахаас өөр аргагүй болсон нь ухаалаг уншигчдын сэтгэлд бүрэн нийцэхгүй бололтой.

Хэт дамжуулагчийн хариулт нь металл дахь электронууд нь Кулоны түлхэлтээс гадна хэт дамжуулагч төлөвт түлхэлтээс давамгайлсан харилцан таталцлын тусгай хэлбэрийг мэдэрдэгт оршино. Үүний үр дүнд дамжуулагч электронууд нэгддэг Cooper хосууд. Ийм хос дахь электронууд нь эсрэгээр чиглэсэн эргэлттэй байдаг. Тиймээс хос нь тэг спинтэй бөгөөд бозон юм. Бозонууд ихэвчлэн хуримтлагдах хандлагатай байдаг эрчим хүчний төлөв, үүнээс тэднийг сэтгэл хөдөлгөм байдалд шилжүүлэх нь харьцангуй хэцүү байдаг. Тиймээс, Cooper хосууд, зохицуулалттай хөдөлгөөнд орж ирснээр энэ төлөвт хязгааргүй хэвээр үлдэнэ. Хосуудын энэхүү зохицуулалттай хөдөлгөөн нь хэт дамжуулагч гүйдэл юм.

Үүнийг илүү дэлгэрэнгүй тайлбарлая. Метал дотор хөдөлж буй электрон эерэг ионуудаас бүрдэх болор торыг деформацид (туйлшруулдаг). Энэхүү хэв гажилтын үр дүнд электрон эерэг цэнэгийн "үүл"-ээр хүрээлэгдсэн бөгөөд электронтой хамт торны дагуу хөдөлдөг. Электрон ба түүний эргэн тойрон дахь үүл нь эерэг цэнэгтэй системийг бүрдүүлдэг бөгөөд өөр электрон татагддаг. Тиймээс ионы тор нь завсрын орчны үүрэг гүйцэтгэдэг бөгөөд энэ нь электронуудын хооронд таталцахад хүргэдэг.

Квантын механик хэлээр электронуудын хоорондох таталцлыг торны өдөөх кванта-фононуудын электронуудын солилцооны үр дүнд тайлбарладаг. Метал дотор хөдөлж буй электрон нь торны чичиргээний горимыг эвдэж, фононуудыг өдөөдөг. Өдөөлтийн энерги нь фононыг шингээдэг өөр электрон руу шилждэг. Фононуудын энэхүү солилцооны үр дүнд электронуудын хооронд нэмэлт харилцан үйлчлэл үүсдэг бөгөөд энэ нь таталцлын шинж чанартай байдаг. Бага температурт хэт дамжуулагч бодисуудын энэхүү таталцал нь Кулоны түлхэлтээс давж гардаг.

Фононуудын солилцооноос үүдэлтэй харилцан үйлчлэл нь эсрэг талын момент ба спинтэй электронуудын хувьд хамгийн тод илэрдэг. Үүний үр дүнд ийм хоёр электрон нийлж Куперийн хосыг үүсгэдэг. Энэ хосыг хоорондоо наалдсан хоёр электрон гэж ойлгож болохгүй. Эсрэгээр, хосын электронуудын хоорондох зай маш том, ойролцоогоор 10 -4 см, өөрөөр хэлбэл. нь болор дахь атом хоорондын зайнаас 4 дахин их байна. Ойролцоогоор 10 6 Cooper хос мэдэгдэхүйц давхцаж байна, өөрөөр хэлбэл. нийт эзлэхүүнийг эзэлнэ.

Бүх дамжуулагч электронуудыг Купер хос болгон нэгтгэдэггүй. Температурт Т, ялгаатай үнэмлэхүй тэг, энэ хос устах магадлал бага байна. Тиймээс хосуудын хамт ердийн аргаар болороор дамждаг "хэвийн" электронууд үргэлж байдаг. Илүү ойр Т Тэгээд Тк, хэвийн электронуудын эзлэх хувь нэмэгдэх тусам 1 болж хувирна Т = Тк. . Тиймээс, түүнээс дээш температурт Т k хэт дамжуулагч төлөв байж болно.

Куперын хосууд үүсэх нь металлын энергийн спектрийн бүтцийг өөрчлөхөд хүргэдэг. Хэт дамжуулагч төлөвт байгаа электрон системийг өдөөхийн тулд эрчим хүч шаарддаг дор хаяж нэг хосыг устгах шаардлагатай. энергитэй тэнцүүхарилцаа холбоо Эхос электронуудын sv. Энэ энергийг илэрхийлдэг хамгийн бага тоо хэмжээхэт дамжуулагч дахь электронуудын системд шингээж авах энерги. Иймээс хэт дамжуулагч төлөвт байгаа электронуудын энергийн спектрт өргөний цоорхой үүсдэг. ЭФерми түвшний бүсэд байрладаг St. Энэ цоорхойд хамаарах эрчим хүчний утгыг хориглоно. Цоорхой байгаа нь туршилтаар батлагдсан.

Тиймээс хэт дамжуулагч төлөвт байгаа электрон системийн өдөөгдсөн төлөв нь үндсэн төлөвөөс өргөн энергийн зөрүүгээр тусгаарлагддаг. Э St. Тиймээс энэ системийн квант шилжилт үргэлж боломжгүй байх болно. Хөдөлгөөний бага хурдтай үед (бага гүйдлийн хүчтэй тохирч байна Iк) түүний цахим систем нь сэтгэл хөдөлгөх бөгөөд энэ нь үрэлтгүй хөдөлгөөн гэсэн үг, өөрөөр хэлбэл. цахилгаан эсэргүүцэлгүй.

Эрчим хүчний цоорхойн өргөн Э sv нь температур нэмэгдэх тусам буурч, чухал температурт тэг болно Тк. Үүний дагуу Куперын бүх хосууд устаж, бодис нь хэвийн (хэт дамжуулагч бус) төлөвт ордог.

Хэт дамжуулалтын онолоос үзэхэд гүйдэл эргэлдэж буй хэт дамжуулагч цагираг (эсвэл цилиндр) -тэй холбоотой соронзон урсгал Ф нь бүхэл үржвэр байх ёстой.
, Хаана q - одоогийн тээвэрлэгчийн төлбөр

Хэмжээ

төлөөлдөг соронзон урсгалын квант.

Соронзон урсгалын квантчлалыг 1961 онд Девер, Фэйрбанк нар туршилтаар, Долл, Небауэр нар бие даан нээсэн. Дивер, Фэйрбанк нарын туршилтаар дээж нь 10-3 см-ийн диаметртэй зэс утсан дээр байрлуулсан цагаан тугалга тууз байсан бөгөөд утас нь хүрээний үүрэг гүйцэтгэж, хэт дамжуулагч төлөвт шилждэггүй. Эдгээр туршилтууд дахь соронзон урсгалын хэмжсэн утгууд нь Долл, Небауэр нарын туршилтын нэгэн адил бүхэл үржвэр болох утгын бүхэл үржвэр болж хувирав. qта электроны хоёр дахин цэнэгийг авах хэрэгтэй ( q = - 2д) . Энэ нь BCS-ийн онолын зөв байдлын нэмэлт баталгаа болж өгдөг бөгөөд үүний дагуу хэт дамжуулагч дахь гүйдэл дамжуулагч нь Купер хосууд бөгөөд тэдгээрийн цэнэг нь хоёр электроны нийт цэнэгтэй тэнцүү байна. - 2д.

Хагас дамжуулагч

Хагас дамжуулагч нь талст бодисууд, үүнд валентийн зурвас бүрэн электроноор дүүрсэн, зурвасын ялгаа бага (1 эВ-ээс ихгүй дотоод хагас дамжуулагчийн хувьд). Хагас дамжуулагч нь цахилгаан дамжуулах чанарын хувьд метал ба диэлектрикийн хооронд завсрын байрлалыг эзэлдэгтэй холбоотой. Гэсэн хэдий ч тэдгээрийн онцлог шинж чанар нь цахилгаан дамжуулах чанар биш, харин температур нэмэгдэх тусам дамжуулах чанар нь нэмэгддэг (металлуудын хувьд энэ нь буурдаг гэдгийг санаарай).

Ялгах эзэмшдэгТэгээд хольцхагас дамжуулагч. Үүнд химийн цэвэр хагас дамжуулагч орно. Хольцын хагас дамжуулагчийн цахилгаан шинж чанарыг тэдгээрт байгаа зохиомлоор оруулсан хольцоор тодорхойлно.

Хагас дамжуулагчийн цахилгаан шинж чанарыг авч үзэхэд "нүх" гэсэн ойлголт чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Энэ ойлголтын биет утгыг тодруулахад анхаарлаа хандуулцгаая.

IN өөрийн гэсэн хагас дамжуулагчүнэмлэхүй тэг үед валентын зурвасын бүх түвшний электронууд бүрэн дүүрэн байх ба дамжуулалтын зурваст электрон байхгүй (Зураг 2a). Цахилгаан орон нь электронуудыг валентийн зурвасаас дамжуулалтын зурваст шилжүүлж чадахгүй. Тиймээс дотоод хагас дамжуулагч нь үнэмлэхүй тэг үед диэлектрик шиг ажилладаг. 0 К-ээс өөр температурт зарим электронууд нь дээд түвшинвалентын зурвас нь дулааны өдөөлтийн үр дүнд дамжуулах зурвасын доод түвшинд дамждаг (Зураг 2, b). Эдгээр нөхцөлд цахилгаан орон нь дамжуулалтын зурваст байрлах электронуудын төлөвийг өөрчлөх боломжтой байдаг. Нэмж дурдахад, валентын зурваст хоосон түвшин үүсдэг тул энэ зурвас дахь электронууд нь гадаад талбайн нөлөөн дор хурдаа өөрчилж чаддаг. Үүний үр дүнд хагас дамжуулагчийн цахилгаан дамжуулах чанар 0 биш болно.

Хоосон түвшин байгаа тохиолдолд валентын зурвасын электронуудын зан төлөвийг "нүх" гэж нэрлэгддэг эерэг цэнэгтэй хагас бөөмсийн хөдөлгөөнөөр илэрхийлж болно. Бүрэн дүүргэсэн валентын зурвасын дамжуулах чанар тэг байдгаас ийм зурвас дахь бүх электронуудын хурдны нийлбэр тэгтэй тэнцүү байна.

Энэ хэмжээнээс хурдыг гаргаж авцгаая к th электрон

Олж авсан хамаарлаас үзвэл хэрэв к th электрон валентийн зурваст байхгүй бол үлдсэн электронуудын хурдны нийлбэр тэнцүү болж хувирна.
. Тиймээс эдгээр бүх электронууд нь тэнцүү гүйдлийг бий болгоно
. Тиймээс үүссэн гүйдэл нь цэнэгтэй бөөмийн үүсгэх гүйдэлтэй тэнцүү болж хувирна + д, энэ нь алга болсон электроны хурдтай байдаг. Энэхүү төсөөллийн бөөмс бол нүх юм.

Нүхний тухай ойлголтыг дараахь аргаар олж авч болно. Валентын зурвасын дээд хэсэгт хоосон түвшин үүсдэг. Дээр дурдсанчлан энергийн зурвасын дээд хэсэгт байрлах электроны үр дүнтэй масс сөрөг байна. Сөрөг цэнэгтэй бөөмс байхгүй байх (- д) Мөн сөрөг масс м * -тэй бөөмс байгаатай тэнцүү байна эерэг цэнэг (+д) ба эерэг масс | м * | тэдгээр. нүхнүүд.

Тэгэхээр цахилгаан шинж чанарын хувьд цөөхөн тооны хоосон төлөвтэй валентын зурвас нь нүх гэж нэрлэгддэг цөөн тооны эерэг цэнэгтэй хагас бөөмс агуулсан хоосон зурвастай тэнцэнэ.

Нүхний хөдөлгөөн нь бодит эерэг цэнэгтэй бөөмийн хөдөлгөөн биш гэдгийг бид онцолж байна. Нүхний санаа нь хагас дамжуулагч дахь бүхэл бүтэн олон электрон системийн хөдөлгөөний мөн чанарыг тусгадаг.

Хагас дамжуулагчийн дотоод дамжуулалт

Дотоод дамжуулалт нь электронууд валентын зурвасын дээд түвшнээс дамжуулалтын зурваст шилжсэний үр дүнд үүсдэг. Энэ тохиолдолд дамжуулах зурваст тодорхой тооны гүйдэл зөөгч гарч ирдэг - электронууд, зурвасын ёроолд ойр байрлах түвшингүүдтэй зэрэгцэн, валентын зурваст, дээд түвшний ижил тооны газрууд чөлөөлөгдөнө Үүний үр дүнд нүх гарч ирдэг

Валентын зурвас ба дамжуулах зурвасын түвшинд электронуудын тархалтыг Ферми-Дирак функцээр тодорхойлно. Энэ хуваарилалтыг Зураг дээр үзүүлсэн шиг дүрсэлж маш тодорхой болгож болно. тархалтын функцийн графикийг диаграммын хамт эрчим хүчний бүсүүд.

Холбогдох тооцоолол нь дотоод хагас дамжуулагчийн хувьд валентын зурвасын дээд хэсгээс хэмжсэн Ферми түвшний утга нь тэнцүү байна.

хаана  Энь зурвасын өргөн, ба м d*i м e * нь дамжуулалтын зурваст байрлах нүх ба электроны үр дүнтэй масс юм. Ихэвчлэн хоёр дахь нэр томъёо нь ач холбогдолгүй бөгөөд бид таамаглаж болно
. Энэ нь фермийн түвшин нь зурвасын завсарт байрладаг гэсэн үг юм. Тиймээс дамжуулалтын зурваст орсон электронуудын хувьд хэмжигдэхүүн Э - Э ХАМТзурвасын хагасаас бага зэрэг ялгаатай. Дамжуулах зурвасын түвшин нь тархалтын муруйны сүүл хэсэгт байрладаг. Тиймээс тэдгээрийг электроноор дүүргэх магадлалыг өмнөх догол мөрийн (1.23) томъёог ашиглан олж болно. Энэ томъёонд оруулах
, бид үүнийг ойлгодог

Дамжуулах зурваст шилжсэн электронуудын тоо, улмаар үүссэн нүхний тоо нь магадлалтай пропорциональ байх болно. Эдгээр электрон ба нүхнүүд нь гүйдэл дамжуулагч юм. Дамжуулах чадвар нь тээвэрлэгчдийн тоотой пропорциональ байдаг тул илэрхийлэлтэй пропорциональ байх ёстой. Иймээс дотоод хагас дамжуулагчийн цахилгаан дамжуулах чанар нь температурын дагуу хурдацтай нэмэгдэж, хуулийн дагуу өөрчлөгддөг.

хаана  Э- зурвасын өргөн,  0 - температурын нөлөөгөөр экспоненциалаас хамаагүй удаан өөрчлөгддөг хэмжигдэхүүн, тиймээс эхний ойролцоолсноор үүнийг тогтмол гэж үзэж болно.

Хэрэв ln хамаарлыг график дээр зурвал  -аас Т, дараа нь дотоод хагас дамжуулагчийн хувьд шулуун шугамыг 4-р зурагт үзүүлэв. Энэ шулуун шугамын налуугаас  зурвасын зөрүүг тодорхойлж болно Э.

Ердийн хагас дамжуулагч нь IV бүлгийн элементүүд юм үечилсэн хүснэгтМенделеев - германий ба цахиур. Тэдгээр нь алмааз хэлбэрийн тор үүсгэдэг бөгөөд атом бүр нь хоорондоо ижил зайтай орших дөрвөн хөрш атомтай ковалент (хос электрон) холбоогоор холбогддог. Уламжлал ёсоор атомуудын энэхүү харилцан зохицуулалтыг Зураг дээр үзүүлсэн хавтгай бүтэц хэлбэрээр дүрсэлж болно. 5. Тэмдэгтэй аяга эерэг цэнэгтэй атомын үлдэгдэл (жишээлбэл, валентийн электроныг зайлуулсны дараа үлдсэн атомын хэсэг), тэмдэг бүхий дугуйг тэмдэглэнэ. - валентын электронууд, давхар шугам - ковалент холбоо.

Хангалттай өндөр температурт дулааны хөдөлгөөн нь бие даасан хосуудыг задалж, нэг электроныг чөлөөлдөг. Электроноор хаягдсан газар нь саармаг байхаа больж, түүний ойролцоо илүүдэл эерэг цэнэг гарч ирдэг. , өөрөөр хэлбэл нүх үүссэн (5-р зурагт үүнийг тасархай тойрогоор дүрсэлсэн). Хөрш зэргэлдээх хосуудын аль нэгнийх нь электрон энэ газар руу үсрэх боломжтой. Үүний үр дүнд нүх нь чөлөөлөгдсөн электрон шиг болорыг тойрон тэнүүчилж эхэлдэг.

Чөлөөт электрон нүхтэй таарвал тэдгээр нь дахин нэгтгэх(холбох). Энэ нь электрон нүхний ойролцоо байгаа илүүдэл эерэг цэнэгийг саармагжуулж, болор торноос өөрийгөө суллах хангалттай энергийг дахин авах хүртэл хөдөлгөөний эрх чөлөөгөө алддаг гэсэн үг юм. Рекомбинацын үр дүнд чөлөөт электрон ба нүх нэгэн зэрэг алга болно. Түвшингийн диаграммд рекомбинацын процесс нь электрон дамжуулалтын зурвасаас аль нэг рүү шилжихтэй тохирч байна. үнэгүй түвшинвалентын зурвас.

Тиймээс, дотоод хагас дамжуулагчийн хувьд хоёр процесс нэгэн зэрэг явагддаг: хос чөлөөт электрон ба нүхийг үүсгэх, дахин нэгтгэх нь электрон ба нүхний хос алга болоход хүргэдэг. Эхний процессын магадлал нь температурын хурдацтай нэмэгддэг. Рекомбинацын магадлал нь чөлөөт электронуудын тоо болон нүхний тоотой пропорциональ байна. Тиймээс температур бүр нь электрон ба нүхний тодорхой тэнцвэрийн концентрацид тохирч, температурын хувьд илэрхийлэлтэй пропорциональ өөрчлөгддөг.

Гадны цахилгаан орон байхгүй үед дамжуулагч электронууд болон нүхнүүд санамсаргүй байдлаар хөдөлдөг. Талбайг асаахад эмх замбараагүй хөдөлгөөн нь эмх цэгцтэй хөдөлгөөнөөр давхцдаг: талбайн эсрэг электронууд ба талбайн чиглэл дэх нүхнүүд. Нүх ба электронуудын хөдөлгөөн хоёулаа болорын дагуу цэнэгийг шилжүүлэхэд хүргэдэг. Үүний үр дүнд дотоод цахилгаан дамжуулах чанарыг сөрөг электрон ба эерэг нүх гэсэн хоёр тэмдгийн цэнэгийн тээвэрлэгчээр тодорхойлдог.

Хангалттай өндөр температурт бүх хагас дамжуулагчийн дотоод дамжуулалт ажиглагдаж байгааг анхаарна уу. Гэсэн хэдий ч хольц агуулсан хагас дамжуулагчийн цахилгаан дамжуулах чанар нь дотоод болон хольцын дамжуулалтаас бүрдэнэ.

Хагас дамжуулагчийн хольцын дамжуулалт

Тухайн хагас дамжуулагчийн зарим атомыг болор торны зангилаанууд дээр валент нь үндсэн атомуудын валентаас нэгээр ялгаатай атомуудаар сольсон тохиолдолд хольцын дамжуулалт үүсдэг. 6-р зурагт таван валент фосфорын атомын хольцтой германий торыг уламжлалт байдлаар үзүүлэв. Хөршүүдтэйгээ ковалент холбоо үүсгэхийн тулд фосфорын атомд ердөө дөрвөн электрон хэрэгтэй. Иймээс тав дахь валентийн электрон нь илүүц мэт санагдаж, дулааны хөдөлгөөний энергийн улмаас атомаас амархан салж, тэнүүчилсэн чөлөөт электрон үүсгэдэг.

Өмнөх догол мөрөнд хэлэлцсэн тохиолдлоос ялгаатай нь чөлөөт электрон үүсэх нь ковалент холбоог зөрчихөд хүргэдэггүй, i.e. нүх үүсэх. Хэдийгээр хольцын атомын ойролцоо илүүдэл эерэг цэнэг гарч ирдэг ч энэ атомтай холбогдож, торыг тойрон хөдөлж чадахгүй.

Энэхүү цэнэгийн ачаар хольцын атом нь ойртож буй электроныг барьж чаддаг боловч баригдсан электрон ба атомын хоорондох холбоо нь эмзэг байх бөгөөд торны дулааны чичиргээний улмаас дахин амархан тасардаг.

Ийнхүү валент нь үндсэн атомуудын валентаас нэг нэгжээр их байдаг хольцтой хагас дамжуулагчд зөвхөн нэг төрлийн гүйдэл дамжуулагч байдаг - электронууд. Үүний дагуу ийм хагас дамжуулагчийг электрон дамжуулалттай эсвэл хагас дамжуулагч гэж нэрлэдэг n- төрөл (үгээс сөрөг - сөрөг). Дамжуулах электроныг нийлүүлдэг хольцын атомуудыг нэрлэдэг хандивлагчид.

Металлын цахилгаан дамжуулах чанарын сонгодог онол нь ХХ зууны эхээр үүссэн. Түүний үүсгэн байгуулагч нь Германы физикч Карл Рикке юм. Тэрээр туршилтаар металлаар дамжин цэнэг дамжих нь шингэн электролитээс ялгаатай нь дамжуулагч атомуудыг шилжүүлэхгүй гэдгийг тогтоожээ. Гэсэн хэдий ч энэхүү нээлт нь яг юу тээвэрлэгч болохыг тайлбарлаагүй байна цахилгаан импульсметаллын бүтцэд.

Эрдэмтэд Стюарт, Толман нарын 1916 онд хийсэн туршилтууд энэ асуултад хариулах боломжийг бидэнд олгосон юм. Тэд хамгийн жижиг цэнэгтэй тоосонцор болох электронууд нь метал дахь цахилгаан дамжуулах үүрэгтэй болохыг тогтоож чадсан. Энэхүү нээлт нь сонгодог зохиолын үндэс суурийг тавьсан юм электрон онолметаллын цахилгаан дамжуулах чанар. Энэ мөчөөс эхэлсэн шинэ эрин үеметалл дамжуулагчийн судалгаа. Хүлээн авсан үр дүнгийн ачаар өнөөдөр бид ашиглах боломжтой болсон гэр ахуйн цахилгаан хэрэгсэл, үйлдвэрлэлийн тоног төхөөрөмж, машин болон бусад олон төхөөрөмж.

Янз бүрийн металлын цахилгаан дамжуулах чанар юугаараа ялгаатай вэ?

Металлын цахилгаан дамжуулалтын электрон онолыг Пол Друдын судалгаагаар боловсруулсан. Тэрээр өнгөрөх үед ажиглагддаг эсэргүүцэл гэх мэт шинж чанарыг олж илрүүлж чадсан цахилгаан гүйдэлдамжуулагчаар дамжуулан. Ирээдүйд энэ нь бидэнд ангилах боломжийг олгоно янз бүрийн бодисууддамжуулалтын түвшингээр. Хүлээн авсан үр дүнгээс харахад аль металл нь тодорхой кабель хийхэд тохиромжтой болохыг ойлгоход хялбар байдаг. Энэ их чухал цэг, буруу сонгосон материал нь илүүдэл хүчдэлийн гүйдэл дамжихаас хэт халалтын үр дүнд гал түймэр үүсгэж болзошгүй тул.

Мөнгөний метал нь хамгийн өндөр цахилгаан дамжуулах чадвартай. Цельсийн +20 хэмийн температурт 63.3 * 104 сантиметр-1 байна. Гэхдээ мөнгөнөөс утас хийх нь нэлээд үнэтэй тул маш үнэтэй байдаг ховор металл, голчлон үнэт эдлэл, гоёл чимэглэлийн зүйл эсвэл гулдмай зоос үйлдвэрлэхэд ашигладаг.

Суурийн бүлгийн бүх элементүүдийн дунд хамгийн өндөр цахилгаан дамжуулах чадвартай металл бол зэс юм. Түүний үзүүлэлт нь +20 хэмийн температурт 57*104 сантиметр-1 байна. Зэс бол ахуйн болон үйлдвэрлэлийн зориулалтаар ашиглагддаг хамгийн түгээмэл дамжуулагчуудын нэг юм. Энэ нь байнгын цахилгаан ачааллыг сайн тэсвэрлэдэг, бат бөх, найдвартай байдаг. Өндөр температурхайлах нь танд асуудалгүй ажиллах боломжийг олгодог удаан хугацаагаархалсан төлөвт.

Элбэг дэлбэг байдлын хувьд цахилгаан дамжуулах чанараараа алтны дараа дөрөвдүгээрт ордог зэстэй зөвхөн хөнгөн цагаан л өрсөлдөж чадна. Зэсийн хайлах цэгийн бараг тал хувьтай, хэт их ачааллыг тэсвэрлэх чадваргүй тул бага хүчдэлийн сүлжээнд ашигладаг. Газрын цаашдын хуваарилалтыг металлын цахилгаан дамжуулах чанарын хүснэгтээс харж болно.

Аливаа хайлш нь цахилгаан дамжуулах чанараас хамаагүй бага байдаг гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй цэвэр бодис. Энэ нь бүтцийн сүлжээг нэгтгэж, улмаар электронуудын хэвийн үйл ажиллагааг тасалдуулж байгаатай холбоотой юм. Жишээлбэл, үйлдвэрлэлд зэс утас 0.1% -иас ихгүй хольц бүхий материалыг ашигладаг бөгөөд зарим төрлийн кабелийн хувьд энэ үзүүлэлт илүү хатуу байдаг - 0.05% -иас ихгүй байна. Өгөгдсөн бүх үзүүлэлтүүд нь металлын цахилгаан дамжуулах чанар бөгөөд энэ нь дамжуулагч дахь гүйдлийн нягт ба цахилгаан талбайн хэмжээ хоорондын харьцаагаар тооцогддог.

Металлын цахилгаан дамжуулах чанарын сонгодог онол

Металлын цахилгаан дамжуулах чанарын онолын үндсэн зарчмууд нь зургаан цэгийг агуулдаг. Нэгдүгээрт: цахилгаан дамжуулах чанарын өндөр түвшин нь байгаатай холбоотой их тоочөлөөт электронууд. Хоёрдугаарт: цахилгаан гүйдэл нь метал дээрх гадны нөлөөллөөр үүсдэг бөгөөд энэ үед электронууд санамсаргүй хөдөлгөөнөөс эмх цэгцтэй хөдөлгөөн рүү шилждэг.

Гуравдугаарт: металл дамжуулагчаар дамжин өнгөрөх гүйдлийн хүчийг Ом хуулийн дагуу тооцоолно. Дөрөвдүгээрт: өөр тоодахь энгийн тоосонцор болор торметаллын тэгш бус эсэргүүцэлд хүргэдэг. Тавдугаарт: хэлхээн дэх цахилгаан гүйдэл нь электронд өртөж эхэлсний дараа шууд үүсдэг. Зургаадугаарт: Металлын дотоод температур нэмэгдэхийн хэрээр түүний эсэргүүцлийн түвшин нэмэгддэг.

Металлын цахилгаан дамжуулах чанарын шинж чанарыг заалтын хоёр дахь хэсэгт тайлбарлав. Чимээгүй байдалд бүх чөлөөт электронууд цөмийн эргэн тойронд эмх замбараагүй эргэлддэг. Энэ үед метал өөрөө нөхөн үржих чадваргүй болно. цахилгаан цэнэг. Гэхдээ та зүгээр л холбогдох хэрэгтэй гадаад эх үүсвэрэлектронууд шууд бүтэцтэй дарааллаар эгнэж, цахилгаан гүйдэл тээгч болдог. Температур нэмэгдэхийн хэрээр металлын цахилгаан дамжуулах чанар буурдаг.

Энэ нь суларч байгаатай холбоотой молекулын холбооболор торонд, энгийн бөөмсбүр илүү эмх замбараагүй дарааллаар эргэлдэж эхэлдэг тул электронуудыг хэлхээнд бий болгох нь илүү төвөгтэй болдог. Тиймээс дамжуулагчийн хэт халалтаас урьдчилан сэргийлэх арга хэмжээ авах шаардлагатай бөгөөд энэ нь тэдгээрийн гүйцэтгэлийн шинж чанарт сөргөөр нөлөөлдөг. Металлын цахилгаан дамжуулалтын механизмыг өөрчлөх боломжгүй одоогийн хууль тогтоомжфизик. Гэхдээ үйл явцын хэвийн үйл явцад саад учруулж буй гадны болон дотоод сөрөг нөлөөллийг саармагжуулах боломжтой.

Өндөр цахилгаан дамжуулах чадвартай металлууд

Цахилгаан дамжуулах чанар шүлтлэг металлуудасаалттай байна өндөр түвшин, учир нь тэдгээрийн электронууд нь цөмд сул наалддаг бөгөөд хүссэн дарааллаар нь амархан эгндэг. Гэхдээ энэ бүлэг нь бага хайлах цэг, асар их химийн идэвхжилээр тодорхойлогддог бөгөөд энэ нь ихэнх тохиолдолд утас үйлдвэрлэхэд ашиглахыг зөвшөөрдөггүй.

Нээх үед цахилгаан дамжуулах өндөр чадвартай металлууд нь хүний хувьд маш аюултай. Нүцгэн утсанд хүрэх нь цахилгааны түлэгдэлт болон бүх хэсэгт хүчтэй цохилт өгөх болно. дотоод эрхтнүүд. Энэ нь ихэвчлэн шууд үхэлд хүргэдэг. Тиймээс хүмүүсийн аюулгүй байдлыг хангах үүднээс тусгай тусгаарлагч материалыг ашигладаг.

Хэрэглээнээс хамааран тэдгээр нь хатуу, шингэн эсвэл хийн хэлбэртэй байж болно. Гэхдээ бүх төрлүүд нь нэг функцэд зориулагдсан байдаг - хэлхээний доторх цахилгаан гүйдлийг тусгаарлах, ингэснээр нөлөөлөхгүй гадаад ертөнц. Металлын цахилгаан дамжуулах чанарыг бараг бүх салбарт ашигладаг орчин үеийн амьдралхүн төрөлхтний хувьд аюулгүй байдлыг хангах нь нэн тэргүүний зорилт юм.

Хэлтэс хатуу бодисдамжуулагч, хагас дамжуулагч ба диэлектрик дээр тэдгээрийн энергийн зурвасын бүтэцтэй холбоотой. Энэхүү цуврал бүтээлийн оршил хэсэгт энергийн зурвасын онолыг авч үзсэн болно.

Металлын хувьд дамжуулалтын зурвас нь электроноор бүрэн дүүрдэггүй, харин зөвхөн хэсэгчлэн, ойролцоогоор Ферми түвшинд хүрдэг. Энэ шалтгааны улмаас метал дахь электронууд нь чөлөөтэй бөгөөд сул цахилгаан орны нөлөөн дор эзлэгдсэн түвшнээс чөлөөт түвшинд шилжиж чаддаг. Метал дахь чөлөөт электронуудын агууламж өндөр (ойролцоогоор ~ 10 28 м -3) байдаг тул температур болон бусад гадаад хүчин зүйлүүдэнэ нь сул хамааралтай. Ийм учраас (6)-ын дагуу температурын хамаарал дамжуулах чанар, улмаар эсэргүүцэл нь электроны хөдөлгөөний өөрчлөлтөөр тодорхойлогддог. Энэ тохиолдолд метал дахь электрон хий байх нь чухал юм доройтох, өөрөөр хэлбэл түүний энерги нь температур биш харин электрон концентраци юм. Үнэн хэрэгтээ метал дахь электронууд эзэлдэг эрчим хүчний түвшинвалентын зурвасын "доод" хэсгээс хэд хэдэн электрон вольт болох Ферми түвшин хүртэл. Энгийн температурт электронуудын дулааны энерги (~) нь ~ 10 -2 эВ дарааллаар хамаагүй бага байдаг. Тиймээс шингээнэ дулааны энергидээд түвшний хэдхэн электрон л чадна. Дундаж эрчим хүчТиймээс электронууд температур нэмэгдэхэд бараг өөрчлөгдөөгүй хэвээр байна.

У электрон хий, доройтлын төлөвт байгаа тул электронуудын эмх замбараагүй хөдөлгөөний хурд нь биеийн температураар бус харин цэнэгийн тээвэрлэгчдийн концентрациар тодорхойлогддог. Эдгээр хурд нь хэдэн арван дахин их байж болно дундаж хурддулааны хөдөлгөөн, сонгодог онолоор тооцоолсон ( » 10 5 м/с), i.e. »10 6 м/с.

Хөдөлгөөнт электронууд нь корпускуляр ба долгионы шинж чанар. Электрон долгионы уртыг де Бройлийн томъёогоор тодорхойлно.

, (8)

Планкийн тогтмол хаана байна,

Электрон хурд,

Үр дүнтэй массэлектрон (түүний хатуу биет дэх зөөвөрлөгчийн хөдөлгөөнийг тайлбарлахын тулд ойлголтыг нэвтрүүлсэн).

=10 6 м/с хурдны утгыг (8) орлуулснаар метал дахь электроны де Бройлийн долгионы урт нь 0.4 – 0.9 нм байна.

Тиймээс электрон долгионы урт нь 0.5 нм-ийн дараалалтай металл дамжуулагчийн хувьд бичил согог нь ихээхэн тархалтыг үүсгэдэг. электрон долгион. Электронуудын чиглэлтэй хөдөлгөөний хурд буурч, энэ нь (4) дагуу хөдөлгөөнийг бууруулахад хүргэдэг. Метал дахь электронуудын хөдөлгөөн харьцангуй бага байдаг. Хүснэгт 1-д зарим металл ба хагас дамжуулагчийн электрон хөдөлгөөнийг харуулав.

Хүснэгт 1. Электрон хөдөлгөөнт байдал төрөл бүрийн материал=300 К

Температур нэмэгдэхийн хэрээр торны зангилааны чичиргээ нэмэгдэж, электронуудын чиглэсэн хөдөлгөөний замд улам олон саад тотгор гарч, цахилгаан дамжуулах чанар буурч, металлын эсэргүүцэл нэмэгддэг.

Туршлагаас харахад цэвэр металлын хувьд температурын хамаарал шугаман байна.

, (9)