Электрон дамжуулалтметаллууд
20-р зууны эхээр металлын цахилгаан дамжуулах чанарын сонгодог электрон онолыг бий болгосон (П. Друд, 1900, Х. Лоренц, 1904), энэ нь металын ихэнх цахилгаан болон дулааны шинж чанарыг энгийн бөгөөд нүдээр тайлбарласан юм. Энэ онолын зарим заалтыг авч үзье.
Чөлөөт электронууд
Металл дамжуулагч нь дараахь зүйлээс бүрдэнэ.
1) тэнцвэрийн байрлалыг тойрон хэлбэлзэх эерэг цэнэгтэй ионууд ба
2) дамжуулагчийн бүх эзэлхүүнээр шилжих чадвартай чөлөөт электронууд.
Тиймээс, цахилгаан шинж чанарметаллууд нь тэдгээрийн доторх 1028 м-3 орчим концентрацитай чөлөөт электронууд байгаатай холбоотой бөгөөд энэ нь атомын концентрацтай ойролцоогоор тохирч байна. Эдгээр электронуудыг дамжуулагч электрон гэж нэрлэдэг. Тэдгээрийг металлын атомаас салгаснаар үүсдэг валентын электронууд. Ийм электронууд нь ямар нэгэн тодорхой атомд хамаарахгүй бөгөөд биеийн бүх эзлэхүүнээр хөдөлж чаддаг. Байхгүй тохиолдолд металлд цахилгаан орондамжуулагч электронууд эмх замбараагүй хөдөлж, ихэвчлэн ионуудтай мөргөлддөг болор тор(Зураг 1). Эдгээр электронуудын нийлбэрийг ойролцоогоор тодорхой гэж үзэж болно электрон хий, хуульд захирагдана хамгийн тохиромжтой хий. Өрөөний температурт электронуудын дулааны хөдөлгөөний дундаж хурд ойролцоогоор 105 м/с байна.
Зураг 1
Металлын цахилгаан гүйдэл
Металл болор торны ионууд нь гүйдэл үүсгэхэд оролцдоггүй. Гүйдэл дамжуулах явцад тэдний хөдөлгөөн нь дамжуулагчийн дагуух бодисыг шилжүүлэх гэсэн үг бөгөөд энэ нь ажиглагддаггүй. Жишээлбэл, E. Riecke (1901) туршилтанд масс ба химийн найрлаганэг жилийн хугацаанд гүйдэл өнгөрөхөд дамжуулагч өөрчлөгдөөгүй.
Металлын гүйдэл нь чөлөөт электронуудаар үүсгэгддэг туршилтын нотолгоог Л.И. Манделстам, Н.Д.Папалекси (1912, үр дүн нь хэвлэгдээгүй), түүнчлэн Т.Стюарт, Р.Толман (1916). Тэд хурдан эргэдэг ороомог гэнэт зогсоход а цахилгаан, сөрөг цэнэгтэй бөөмс - электронуудаар үүсгэгддэг.
Иймээс метал дахь цахилгаан гүйдэл нь чөлөөт электронуудын чиглэлтэй хөдөлгөөн юм.
Металлын цахилгаан гүйдэл нь чөлөөт электронуудаар үүсгэгддэг тул металл дамжуулагчийн дамжуулалтыг электрон дамжуулалт гэж нэрлэдэг.
Металлын цахилгаан гүйдэл нь гадны цахилгаан орны нөлөөн дор үүсдэг. Энэ талбарт байрлах цахилгаан дамжуулах электронууд нөлөөлнө цахилгаан хүч, тэдгээрт талбайн хүч чадлын векторын эсрэг чиглэлд чиглэсэн хурдатгал өгөх. Үүний үр дүнд электронууд тодорхой нэмэлт хурдыг олж авдаг (үүнийг дрейф гэж нэрлэдэг). Энэ хурд нь электрон металлын болор торны атомтай мөргөлдөх хүртэл нэмэгддэг. Ийм мөргөлдөөний үед электронууд илүүдэл кинетик энергийг алдаж, ион руу шилжүүлдэг. Дараа нь электронууд дахин цахилгаан талбайн нөлөөгөөр хурдасч, дахин ионоор удаашрах гэх мэт. Электроны шилжилтийн дундаж хурд маш бага буюу ойролцоогоор 10-4 м/с байна.
Одоогийн тархалтын хурд ба шилжилтийн хурд нь ижил зүйл биш юм. Одоогийн тархалтын хурд нь орон зай дахь цахилгаан талбайн тархалтын хурдтай тэнцүү, i.e. 3⋅108 м/с.
Ионуудтай мөргөлдөх үед дамжуулагч электронууд кинетик энергийн нэг хэсгийг ион руу шилжүүлдэг бөгөөд энэ нь болор торны ионуудын хөдөлгөөний энергийг нэмэгдүүлж, улмаар дамжуулагчийг халаахад хүргэдэг.
Металлын эсэргүүцэл
Металлын эсэргүүцлийг дамжуулагч электронууд болор торны ионуудтай мөргөлдсөнөөр тайлбарладаг. Энэ тохиолдолд ийм мөргөлдөөн ихэвчлэн тохиолддог, өөрөөр хэлбэл мөргөлдөөний хоорондох электроны чөлөөт дундаж хугацаа богино байх тусам τ их байх болно. эсэргүүцэлметалл
Хариуд нь τ хугацаа нь торны ионуудын хоорондох зай, тэдгээрийн чичиргээний далайц, электронуудын ионуудтай харилцан үйлчлэх шинж чанар, электронуудын дулааны хөдөлгөөний хурд зэргээс хамаарна. Металлын температур нэмэгдэхийн хэрээр ионы чичиргээний далайц, электронуудын дулааны хөдөлгөөний хурд нэмэгддэг. Кристал торны согогийн тоо бас нэмэгддэг. Энэ бүхэн нь металлын температур нэмэгдэхийн хэрээр ионуудтай электронуудын мөргөлдөөн илүү олон удаа тохиолддог, өөрөөр хэлбэл. хугацаа τ багасч, металлын эсэргүүцэл нэмэгдэнэ.
Манделстам, Папалекси нарын электроны хөдөлгөөнийг тодруулах туршилт
Хэрэв электрон масстай бол түүний масс буюу инерцээр хөдлөх чадвар нь зөвхөн цахилгаан орон зайд бус хаа сайгүй илрэх ёстой. Оросын эрдэмтэд Л.И.Манделстам (1879-1949; радиофизикчдийн сургуулийг үндэслэгч), Н.Д.Папалекси (1880 - 1947; хамгийн том Зөвлөлтийн физикч, академич, ЗХУ-ын ШУА-ийн дэргэдэх Радиофизик ба радиотехникийн бүх холбооны шинжлэх ухааны зөвлөлийн дарга) анхны туршилтыг 1913 онд хийжээ. Тэд ороомог утас аваад янз бүрийн чиглэлд мушгиж эхлэв.
Тэд, жишээлбэл, цагийн зүүний дагуу эргэлдэж, дараа нь гэнэт зогсоод буцаж ирнэ.
Тэд иймэрхүү үндэслэлийг гаргасан: хэрэв электронууд үнэхээр масстай бол ороомог гэнэт зогсоход электронууд хэсэг хугацаанд инерцээр хөдөлж байх ёстой. Утасны дагуух электронуудын хөдөлгөөн нь цахилгаан гүйдэл юм. Энэ нь бидний төлөвлөснөөр болсон. Бид утасны төгсгөлд утас холбож, дуу чимээ сонсогдов. Утсанд дуу чимээ сонсогддог тул гүйдэл түүгээр урсдаг.
Манделстам, Папалекси нарын туршлагыг 1916 онд Америкийн эрдэмтэн Толман, Стюарт нар давтсан. Тэд мөн ороомогыг мушгисан боловч утасны оронд түүний төгсгөлд төхөөрөмж холбосон бөгөөд цэнэгийг хэмжжээ. Тэд зөвхөн электрон масс байгааг нотлоод зогсохгүй түүнийг хэмжиж чадсан. Толман, Стюарт нарын өгөгдлийг дараа нь бусад эрдэмтэд олон удаа шалгаж, сайжруулсан бөгөөд одоо та электроны масс 9.109 10-31 кг болохыг мэдэж байна.
Эдгээр туршилтуудыг хийхдээ бид дараах бодлоор ажилласан. Хэрэв масстай металлд чөлөөт цэнэг байгаа бол тэдгээр нь инерцийн хуулийг дагаж мөрдөх ёстой. Хурдан хөдөлж буй дамжуулагч нь жишээлбэл, зүүнээс баруун тийш хөдөлж буй металлын атомуудын цуглуулга юм. үнэгүй төлбөр. Ийм дамжуулагч гэнэт зогсоход түүний найрлагад орсон атомууд зогсдог; чөлөөт цэнэгүүд нь инерцийн хувьд янз бүрийн саад тотгорууд (зогсоосон атомуудтай мөргөлдөх) тэднийг зогсоох хүртэл зүүнээс баруун тийш шилжих ёстой. Энэ үзэгдэл нь трамвай гэнэт зогсох, "сул" объектууд болон машинд холбогдоогүй хүмүүс хэсэг хугацаанд инерцээр урагшлах үед ажиглагддагтай төстэй юм.
Тиймээс, Богино хугацаадамжуулагч зогссоны дараа түүний доторх чөлөөт цэнэгүүд нэг чиглэлд шилжих ёстой. Гэхдээ тодорхой чиглэлд цэнэгийн хөдөлгөөн нь цахилгаан гүйдэл юм. Тиймээс, хэрэв бидний үндэслэл зөв бол дамжуулагч гэнэт зогссоны дараа бид богино хугацааны гүйдэл үүсэхийг хүлээх хэрэгтэй. Энэ гүйдлийн чиглэл нь тэмдгийг шүүж үзэх боломжийг бидэнд олгоно. Цэнэглэх. Хэрэв тэд энэ чиглэлд шилжих юм бол сөрөг цэнэгүүд, дараа нь баруунаас зүүн тийш болон эсрэгээр гүйдэл ажиглагдах ёстой. Үүссэн гүйдэл нь цэнэг, тэдгээрийн тээвэрлэгчдийн хөдөлгөөнийг хөндлөнгийн оролцоотой, өөрөөр хэлбэл массаас үл хамааран инерцийн дагуу удаан хугацаагаар хадгалах чадвараас хамаарна. Тиймээс энэхүү туршилт нь метал дахь чөлөөт цэнэг байгаа гэсэн таамаглалыг шалгах төдийгүй цэнэг өөрөө, тэдгээрийн тэмдэг, тээвэрлэгчдийн массыг (илүү нарийвчлалтай, цэнэгийн массын харьцаа) тодорхойлох боломжийг олгодог. хайлаас).
Туршилтыг практикт хэрэгжүүлэхэд дэвшилтэт биш, харин ашиглахад илүү тохиромжтой болсон эргэлтийн хөдөлгөөндамжуулагч. Ийм туршилтын диаграммыг 2-р зурагт үзүүлэв.
Зураг 2
Утасны спираль 1 нь хоёр хагас тэнхлэг 00 тусгаарлагдсан ороомог дээр суурилагдсан бөгөөд спираль төгсгөлүүд нь тэнхлэгийн хоёр тал руу гагнаж, гулсах контактуудыг 2 ("сойз") ашиглан холбодог. мэдрэмтгий гальванометр 3. Ороомог дотогшоо хөдөлдөг хурдан эргэлттэгээд гэнэт удааширсан. Туршилт нь энэ тохиолдолд гальванометрт цахилгаан гүйдэл үүссэн болохыг тогтоожээ. Энэ гүйдлийн чиглэл нь сөрөг цэнэгүүд инерцээр хөдөлж байгааг харуулсан. Энэхүү богино хугацааны гүйдлийн цэнэгийг хэмжсэнээр чөлөөт цэнэгийн тээвэрлэгчийн масстай харьцуулсан харьцааг олох боломжтой байв. Энэ харьцаа нь e/m=l.8 1011 C/kg-тэй тэнцүү болсон нь бусад аргаар тодорхойлсон электронуудын хувьд энэ харьцааны утгатай сайн давхцаж байна.
Металлын электрон дамжуулалтыг анх 1901 онд Германы физикч Э.Рик туршилтаар баталжээ. Зэс, хөнгөн цагаан, дахин зэс гэсэн гурван өнгөлсөн цилиндрээр бие биендээ нягт дарагдсан. урт хугацаа(нэг жилийн турш) цахилгаан гүйдэл дамжуулсан. Энэ хугацаанд дамжуулсан нийт цэнэг нь 3.5·10 6 С-тэй тэнцүү байв. Зэс ба хөнгөн цагаан атомын масс нь бие биенээсээ эрс ялгаатай тул цэнэг зөөгч нь ион байсан бол цилиндрийн масс мэдэгдэхүйц өөрчлөгдөх ёстой.
Туршилтын үр дүнгээс харахад цилиндр бүрийн масс өөрчлөгдөөгүй байна. Холбоо барих гадаргууд зөвхөн металлын харилцан нэвтрэлтийн бага зэргийн ул мөр олдсон бөгөөд энэ нь атомын ердийн тархалтын үр дүнгээс хэтрэхгүй байна. хатуу бодис. Тиймээс, чөлөөт хэвлэл мэдээллийн хэрэгсэлМеталлын цэнэг нь ион биш, харин зэс, хөнгөн цагааны аль алинд нь ижил хэсгүүд байдаг. Зөвхөн электронууд ийм бөөмс байж болно.
Энэхүү таамаглалын үнэн зөвийг шууд бөгөөд баттай нотлох баримтыг 1913 онд Л.И.Манделстам, Н.Д.Папалекси, 1916 онд Т.Стюарт, Р.Толман нарын хийсэн туршилтаар олж авсан.
Ороомог дээр утас ороож, төгсгөлүүд нь бие биенээсээ тусгаарлагдсан хоёр металл дискэнд гагнагдсан байна (Зураг 1). Гальванометрийг гулсах контактуудыг ашиглан дискний төгсгөлд холбодог.
Ороомог хурдан эргэлтэнд оруулж, дараа нь гэнэт зогсдог. Ороомог гэнэт зогссоны дараа чөлөөт цэнэглэгдсэн хэсгүүд хэсэг хугацаанд дамжуулагчийн дагуу инерцийн дагуу хөдөлж, улмаар ороомогт цахилгаан гүйдэл үүснэ. Одоогийн байх болно богино хугацаа, учир нь дамжуулагчийн эсэргүүцлийн улмаас цэнэглэгдсэн хэсгүүд удааширч, бөөмсийн дараалсан хөдөлгөөн зогсдог.
Гүйдлийн чиглэл нь сөрөг цэнэгтэй бөөмсийн хөдөлгөөнөөр үүссэнийг харуулж байна. Энэ тохиолдолд шилжүүлсэн цэнэг нь гүйдэл үүсгэж буй бөөмсийн цэнэгийн масстай харьцуулсан харьцаатай пропорциональ байна, өөрөөр хэлбэл. . Тиймээс хэлхээнд гүйдэл байгаа бүх хугацаанд гальванометрээр дамжин өнгөрөх цэнэгийг хэмжих замаар харьцааг тодорхойлох боломжтой болсон. Энэ нь 1.8·10 11 С/кг-тай тэнцүү болсон. Энэ утга нь бусад туршилтуудаас өмнө олж мэдсэн электрон цэнэгийн масстай харьцуулсан харьцаатай давхцаж байна.
Ийнхүү металл дахь цахилгаан гүйдэл нь сөрөг цэнэгтэй электрон хэсгүүдийн хөдөлгөөнөөр үүсдэг. Сонгодог ёсоор электрон онолметаллын дамжуулах чанар (P.Drude, 1900, H. Lorenz, 1904), металл дамжуулагч гэж үзэж болно. физик системхоёр дэд системийн хослол:
- ~ 10 28 м -3 концентрацитай чөлөөт электронууд ба
- эерэг цэнэгтэй ионууд тэнцвэрийн байрлалыг тойрон чичирдэг.
Кристал дахь чөлөөт электронуудын харагдах байдлыг дараах байдлаар тайлбарлаж болно.
Атомууд металл болор болж нэгдэх үед атомын цөмтэй хамгийн сул холбогддог гадаад электронуудатомуудаас салах (Зураг 2). Тиймээс металлын болор торны зангилаанууд байдаг эерэг ионууд, тэдгээрийн хоорондын зайд атомын цөмтэй холбоогүй электронууд хөдөлдөг. Эдгээр электронуудыг нэрлэдэг үнэгүйэсвэл дамжуулагч электронууд. Тэд хийн молекулуудын хөдөлгөөнтэй төстэй эмх замбараагүй хөдөлгөөнийг гүйцэтгэдэг. Тиймээс метал дахь чөлөөт электронуудын цуглуулгыг нэрлэдэг электрон хий.
Хэрэв дамжуулагч руу гадны цахилгаан орон нөлөөлсөн бол чөлөөт электронуудын санамсаргүй эмх замбараагүй хөдөлгөөн нь цахилгаан гүйдлийг үүсгэдэг цахилгаан орны хүчний нөлөөн дор чиглэсэн хөдөлгөөнөөр давхцдаг. Дамжуулагч дахь электронуудын хөдөлгөөний хурд нь секундэд хэдэн миллиметрийн фракцтай байдаг боловч дамжуулагч дотор үүссэн цахилгаан орон нь дамжуулагчийн бүх уртын дагуу вакуум дахь гэрлийн хурдтай ойролцоо хурдтай тархдаг (3·). 10 8 м/с).
Металлын цахилгаан гүйдэл нь чөлөөт электронуудаар үүсгэгддэг тул металл дамжуулагчийн дамжуулалтыг гэж нэрлэдэг электрон дамжуулалт.
Электронууд нөлөөлсөн тогтмол хүч, цахилгаан талбараас ажиллаж, захиалгат хөдөлгөөний тодорхой хурдыг олж авдаг (үүнийг зөрөх гэж нэрлэдэг). Болор торны ионуудтай мөргөлдөх үед электронууд цахилгаан талбайд олж авсан кинетик энергийг болор тор руу шилжүүлдэг тул энэ хурд нь цаг хугацаа өнгөрөх тусам нэмэгдэхгүй. Эхний ойролцоо байдлаар бид дундаж чөлөөт замд (энэ нь электрон хоёр дараалсан ионтой мөргөлдөх хооронд явах зай) электрон хурдатгалын дагуу хөдөлдөг гэж үзэж болно. шилжилтийн хурдцаг хугацааны явцад шугаман нэмэгддэг
Мөргөлдөх мөчид электрон кинетик энергийг болор тор руу шилжүүлдэг. Дараа нь дахин хурдасч, процесс давтагдана. Үр дүнд нь дундаж хурдэлектронуудын эрэмбэлэгдсэн хөдөлгөөн нь дамжуулагч дахь цахилгаан орны хүч чадал, тиймээс дамжуулагчийн төгсгөл дэх потенциалын зөрүүтэй пропорциональ байна, учир нь l нь дамжуулагчийн урт юм.
Дамжуулагч дахь гүйдлийн хүч нь бөөмсийн дараалсан хөдөлгөөний хурдтай пропорциональ гэдгийг мэддэг
Энэ нь өмнөхийн дагуу одоогийн хүч нь дамжуулагчийн төгсгөлийн потенциалын зөрүүтэй пропорциональ байна гэсэн үг: I ~ U. Энэ нь металын дамжуулалтын сонгодог электрон онол дээр үндэслэсэн Ом хуулийн чанарын тайлбар юм.
Гэсэн хэдий ч энэ онолын хүрээнд бэрхшээлүүд гарч ирэв. Онолын дагуу эсэргүүцэл нь температурын квадрат язгууртай пропорциональ байх ёстой (), туршлагын дагуу ~ T. Үүнээс гадна, энэ онолын дагуу металлын дулааны багтаамж нь мэдэгдэхүйц байх ёстой. илүү дулаан багтаамжтайнэг атомын талстууд. Бодит байдал дээр металлын дулааны багтаамж нь металл бус талстуудын дулааны багтаамжаас бага зэрэг ялгаатай байдаг. Эдгээр бэрхшээлийг зөвхөн онд л даван туулсан квант онол.
1911 онд Голландын физикч Г.Камерлингх-Оннес өөрчлөлтийг судалжээ. цахилгаан эсэргүүцэлмөнгөн ус at бага температур, ойролцоогоор 4 К температурт (өөрөөр хэлбэл -269 ° C-д) эсэргүүцэл нь огцом буурч (Зураг 3) бараг тэг болж байгааг олж мэдсэн. Г.Камерлингх-Оннес цахилгаан эсэргүүцэл арилах энэ үзэгдлийг хэт дамжуулагч гэж нэрлэсэн.
Сүүлд 25 гаруй болсон нь тогтоогдсон химийн элементүүд- металлууд маш бага температурт хэт дамжуулагч болдог. Тэд тус бүр өөрийн гэсэн онцлогтой чухал температуртэг эсэргүүцэлтэй төлөвт шилжих. Үүний хамгийн бага утга нь вольфрамын хувьд - 0.012К, ниобигийн хувьд хамгийн өндөр нь - 9К байна.
Хэт дамжуулалт нь зөвхөн цэвэр металлаас гадна олон зүйлд ажиглагддаг химийн нэгдлүүдболон хайлш. Түүнээс гадна хэт дамжуулагч нэгдлийг бүрдүүлдэг элементүүд нь хэт дамжуулагч биш байж болно. Жишээлбэл, NiBi, Au 2 Bi, PdTe, PtSbмөн бусад.
Хэт дамжуулагч төлөвт байгаа бодисууд нь ер бусын шинж чанартай байдаг.
- хэт дамжуулагч дахь цахилгаан гүйдэл нь одоогийн эх үүсвэргүйгээр удаан хугацаанд оршин тогтнох боломжтой;
- Хэт дамжуулагч төлөвт байгаа бодис дотор соронзон орон үүсгэх боломжгүй.
- соронзон орон нь хэт дамжуулалтын төлөвийг устгадаг. Хэт дамжуулалт бол квант онолын үүднээс тайлбарласан үзэгдэл юм. Түүний нэлээд төвөгтэй тайлбар нь үүнээс давж гардаг сургуулийн курсфизик.
Саяхныг хүртэл хэт бага температурт хөргөх хэрэгцээтэй холбоотой хүндрэлүүд нь хэт дамжуулалтыг өргөнөөр ашиглахад саад болж байсан бөгөөд үүнд шингэн гелийг ашигладаг байв. Гэсэн хэдий ч тоног төхөөрөмжийн нарийн төвөгтэй байдал, гелий хомсдол, өндөр өртөгтэй байсан ч 20-р зууны 60-аад оноос хойш хэт дамжуулагч соронзыг ороомогт дулааны алдагдалгүйгээр бий болгосон нь харьцангуй хүчтэй соронзон орныг олж авах боломжтой болсон. их хэмжээний эзэлхүүн. Эдгээр соронз нь хяналттай суурилуулалтыг бий болгоход шаардлагатай байдаг. термоядролын нэгдэлхүчирхэг цэнэглэгдсэн бөөмийн хурдасгуурт зориулсан соронзон плазмын хязгаарлалттай. Хэт дамжуулагчийг янз бүрийн хэмжих хэрэгсэлд, ялангуяа маш сул соронзон орныг хэт нарийвчлалтайгаар хэмжих хэрэгсэлд ашигладаг.
Одоогийн байдлаар цахилгаан дамжуулах шугамд эрчим хүчний 10-15% нь утаснуудын эсэргүүцлийг даван туулахад зарцуулагддаг. Хэт дамжуулагч шугам эсвэл хамгийн багадаа оролт том хотуудасар их хэмнэлт авчрах болно. Хэт дамжуулагчийг ашиглах өөр нэг талбар бол тээвэрлэлт юм.
Хэт дамжуулагч хальсан дээр үндэслэн компьютерт зориулсан өндөр хурдны логик болон хадгалах хэд хэдэн элементүүдийг бүтээсэн. At сансрын судалгаахэт дамжуулагч соленоидыг ашиглах нь ирээдүйтэй цацрагийн хамгаалалтсансрын нисэгчид, хөлөг онгоцны залгах, тэдгээрийн тоормослох, чиглүүлэх, плазмын пуужингийн хөдөлгүүрт зориулсан.
Одоогийн байдлаар илүү өндөр температурт - 100К-аас дээш, өөрөөр хэлбэл азотын буцалгах цэгээс дээш температурт хэт дамжуулагчтай керамик материалыг бүтээжээ. Хэт дамжуулагчийг хөргөх чадвар шингэн азот, ууршилтын дулааны дараалалтай, бүх криоген төхөөрөмжийн өртөгийг ихээхэн хөнгөвчлөх, бууруулж, эдийн засгийн асар их үр нөлөөг амлаж байна.
Металлын үнэ цэнэ нь химийн болон физик шинж чанараараа шууд тодорхойлогддог. Цахилгаан дамжуулах чанар гэх мэт үзүүлэлтийн хувьд энэ хамаарал нь тийм ч хялбар биш юм. Хэмжихэд хамгийн их цахилгаан дамжуулагч металл энэ үзүүлэлтөрөөний температурт (+20 ° C), - мөнгө.
Гэхдээ өндөр үнэцахилгаан инженерчлэл, микроэлектроникийн салбарт мөнгөн эд анги ашиглахыг хязгаарладаг. Ийм төхөөрөмж дэх мөнгөн элементүүдийг эдийн засгийн хувьд боломжтой тохиолдолд л ашигладаг.
Дамжуулах чадварын физик утга
Металл дамжуулагчийг ашиглах нь удаан хугацааны түүхтэй. Цахилгаан эрчим хүчийг ашигладаг шинжлэх ухаан, технологийн салбарт ажиллаж буй эрдэмтэн, инженерүүд утас, терминал, контакт гэх мэт материалыг удаан хугацаанд шийдсээр ирсэн. Энэ нь дэлхийн хамгийн цахилгаан дамжуулагч металлыг тодорхойлоход тусалдаг. физик хэмжигдэхүүн, цахилгаан дамжуулах чанар гэж нэрлэдэг.
Дамжуулах чадварын тухай ойлголт нь цахилгаан эсэргүүцлийн урвуу утга юм. Дамжуулах чадварын тоон илэрхийлэл нь эсэргүүцлийн нэгжтэй холбоотой байдаг олон улсын системнэгжийг (SI) омоор хэмждэг. SI нэгж нь Siemens юм. Оросын нэршилэнэ нэгжийн - Cm, олон улсын - С. Цахилгаан дамжуулах чанар 1 см талбайтай талбайтай цахилгаан сүлжээ 1 ом эсэргүүцэлтэй.
Дамжуулах чадвар
Бодисын цахилгаан гүйдэл дамжуулах чадварыг хэмжих хэмжүүрийг хамгийн их цахилгаан дамжуулагч металл гэж нэрлэдэг. Энэ шинж чанарыг ямар ч бодис, орчинд багажаар тодорхойлж болно тоон илэрхийлэл. нэгж урт ба хөндлөн огтлолын талбай бүхий цилиндр дамжуулагчийн хувьд энэ дамжуулагчийн эсэргүүцэлтэй холбоотой.
Дамжуулах чадварын системийн нэгж нь метр тутамд siemens - S / м. Дэлхийн хамгийн цахилгаан дамжуулагч металл болохыг мэдэхийн тулд тэдгээрийн туршилтаар тодорхойлсон дамжуулалтыг харьцуулах нь хангалттай юм. Та тусгай төхөөрөмж - микроомметр ашиглан эсэргүүцлийг тодорхойлж болно. Эдгээр шинж чанарууд нь урвуу хамааралтай байдаг.
Металлын дамжуулалт
Цэнэглэгдсэн хэсгүүдийн чиглэсэн урсгалын тухай ойлголт нь металлын шинж чанар бүхий болор тор дээр суурилсан бодисуудад илүү зохицсон мэт санагддаг. Металд цахилгаан гүйдэл үүсэх үед цэнэглэгч нь ион биш харин чөлөөт электронууд байдаг. шингэн орчин. Металд гүйдэл үүсвэл дамжуулагчийн хооронд бодисын бөөмс дамжихгүй гэдгийг туршилтаар тогтоосон.
Металл бодисууд нь атомын түвшинд илүү сул холбоо байдгаараа бусдаас ялгаатай. Дотоод зохион байгуулалтметаллууд байгаагаараа ялгагдана их тоо"ганцаардсан" электронууд. цахилгаан соронзон хүчний өчүүхэн нөлөөгөөр чиглэсэн урсгалыг үүсгэдэг. Тиймээс металууд нь цахилгаан гүйдлийн хамгийн сайн дамжуулагч байдаг нь утгагүй зүйл биш бөгөөд яг эдгээр нь юм. молекулын харилцан үйлчлэлхамгийн цахилгаан дамжуулагч металл гэдгээрээ онцлог. Металлын өөр нэг өвөрмөц шинж чанар нь металлын болор торны бүтцийн онцлогт суурилдаг - өндөр дулаан дамжуулалт.
Шилдэг шилдэг дамжуулагч - металл
4 металлтай практик ач холбогдолцахилгаан дамжуулагч болгон ашиглахын тулд тэдгээрийг S/m-ээр хэмжсэн тусгай дамжуулалтын утгатай харьцуулан дараах дарааллаар хуваарилна.
- Мөнгө - 62,500,000.
- Зэс - 59,500,000.
- Алт - 45,500,000.
- Хөнгөн цагаан - 38,000,000.
Эндээс харахад хамгийн цахилгаан дамжуулагч металл бол мөнгө юм. Гэхдээ алтны нэгэн адил цахилгааны сүлжээг зөвхөн онцгой тохиолдолд зохион байгуулахад ашигладаг. Шалтгаан нь өндөр өртөгтэй.
Гэхдээ зэс, хөнгөн цагаан нь цахилгаан гүйдэлд тэсвэртэй, хямд өртөгтэй тул цахилгаан хэрэгсэл, кабелийн бүтээгдэхүүний хамгийн түгээмэл сонголт юм. Бусад металлыг дамжуулагч болгон ашиглах нь ховор байдаг.
Металлын дамжуулах чанарт нөлөөлөх хүчин зүйлүүд
Хамгийн цахилгаан дамжуулагч металл ч гэсэн бусад нэмэлт бодис, хольц агуулсан бол цахилгаан дамжуулах чанараа бууруулдаг. Хайлш нь "цэвэр" металлаас өөр болор торны бүтэцтэй байдаг. Энэ нь тэгш хэм, хагарал болон бусад согогийг зөрчсөнөөр тодорхойлогддог. Хүрээлэн буй орчны температур нэмэгдэхийн хэрээр цахилгаан дамжуулах чанар буурдаг.
Хайлшаас үүссэн эсэргүүцлийг халаалтын элементүүдэд ашигладаг. Нихром, фехрал болон бусад хайлшийг цахилгаан зуух, халаагчийн ажлын элементүүдийг үйлдвэрлэхэд ашигладаг нь санамсаргүй хэрэг биш юм.
Хамгийн цахилгаан дамжуулагч металл бол үнэт мөнгө бөгөөд ихэвчлэн үнэт эдлэлчид зоос цутгахад ашигладаг. Гэхдээ технологи, багаж хэрэгсэл үйлдвэрлэхэд түүний тусгай химийн болон физик шинж чанарөргөн хэрэглэгддэг. Жишээлбэл, мөнгөн бүрэх нь эсэргүүцэл багатай эд анги, угсралтад ашиглагдахаас гадна контакт бүлгүүдийг исэлдэлтээс хамгаалдаг. Мөнгө, түүн дээр суурилсан хайлшийн өвөрмөц шинж чанар нь өндөр өртөгтэй хэдий ч түүний хэрэглээг үндэслэлтэй болгодог.
Тэнцвэргүй төлөвт байгаа метал дахь дамжуулагч электронууд нь хэрэглэсэн гадаад талбайн нөлөөн дор хөдөлж байх үеийн зан төлөвийг авч үзье. Ийм үйл явц гэж нэрлэдэг шилжүүлэх үзэгдлүүд.
Мэдэгдэж байгаагаар, цахилгаан дамжуулах чанар (цахилгаан дамжуулалт) o нь цахилгаан гүйдлийн нягт ба хүчдэлтэй холбоотой хэмжигдэхүүн юм орон нутгийн хуульОма: j - oE(томъёо (14.15) 1-р хэсгийг үзнэ үү). Цахилгаан дамжуулах шинж чанарын дагуу бүх бодисыг металл, хагас дамжуулагч, диэлектрик гэсэн гурван ангилалд хуваадаг.
Онцлог шинж чанар металлууднь тэдний металл дамжуулалт юм - температур нэмэгдэхийн хэрээр цахилгаан дамжуулах чанар буурах (гүйдлийн тээвэрлэгчдийн тогтмол концентрацид). Металлын цахилгаан эсэргүүцлийн физик шалтгаан нь тархалт юм электрон долгионхольц ба торны согог, түүнчлэн фонон дээр.
Хамгийн чухал шинж чанар хагас дамжуулагчнөлөөллийн дор маш өргөн хүрээнд шинж чанараа өөрчлөх чадвар юм янз бүрийн нөлөө: температур, цахилгаан ба соронзон орон, гэрэлтүүлэг гэх мэт. Жишээлбэл, дотоод дамжуулалтХалах үед цэвэр хагас дамжуулагчийн хэмжээ экспоненциалаар нэмэгддэг.
At Т> 300 К бол хагас дамжуулагчтай холбоотой материалын хувийн дамжуулалт o 10~ 5-аас 10 6 (Ом м) -1 хооронд хэлбэлздэг бол металлын хувьд 10 6 (Ом м) -1-ээс их байна.
Бага агууламжтай бодисууд дамжуулах чанар, захиалга 10~ 5 (Ом м) -1 ба түүнээс бага, лавлана уу диэлектрик.Тэдний цахилгаан дамжуулах чанар маш их тохиолддог өндөр температур.
Квантын онол нь цахилгаан дамжуулах чанарыг дараах илэрхийлэлд хүргэдэг металлууд:
Хаана П- чөлөөт электронуудын концентраци; t - амрах хугацаа; Т* -электроны үр дүнтэй масс.
Амрах цагЭнэ нь электрон ба торны хооронд тэнцвэрийг бий болгох үйл явцыг тодорхойлдог бөгөөд жишээлбэл, гэнэт оруулах замаар эвдэрсэн. гадаад талбар Э.
"Чөлөөт электрон" гэсэн нэр томъёо нь электронд ямар ч нөлөө үзүүлэхгүй гэсэн үг юм хүчний талбарууд. -ийн нөлөөгөөр болор дахь дамжуулагч электроны хөдөлгөөн гадаад хүч Фба болор торноос ирэх хүчийг зарим тохиолдолд хөдөлгөөн гэж тодорхойлж болно чөлөөт электрон, энэ нь зөвхөн хүчээр үйлдэгддэг Ф(Ньютоны хоёр дахь хууль, томъёо (3.5) 1-р хэсгийг үзнэ үү), гэхдээ хамт үр дүнтэй масс T*,массаас ялгаатай өөрөөр хэлбэлчөлөөт электрон.
(30.18) илэрхийллийг ашиглан тооцоолол нь металлын цахилгаан дамжуулах чанарыг харуулж байна o~1/T.Туршилт баталж байна энэ дүгнэлтквант онол бол сонгодог онолын дагуу
o ~ l/fr.
IN хагас дамжуулагчхөдөлгөөнт тээвэрлэгчдийн концентраци нь атомын концентрациас хамаагүй бага бөгөөд температурын өөрчлөлт, гэрэлтүүлэг, бөөмийн урсгалаар цацраг туяа, цахилгаан орон зайд өртөх, харьцангуй бага хэмжээний хольц оруулах зэргээр өөрчлөгдөж болно. Дамжуулах зурвас дахь хагас дамжуулагчийн цэнэг зөөгч нь электронууд (дамжуулагчийн электронууд), валентын зурваст - эерэг цэнэгтэй хагас бөөмс юм. нүхнүүд.Ямар нэгэн шалтгаанаар валентын зурваст электрон байхгүй бол нүх (хоосон төлөв) үүссэн гэж үздэг. Нүх ба дамжуулагч электронуудын тухай ойлголтыг тайлбарлахад ашигладаг цахим системхагас дамжуулагч, хагас металл ба металл.
Термодинамикийн тэнцвэрт байдалд хагас дамжуулагч дахь электрон ба нүхний концентраци нь температур ба цахилгаан идэвхтэй хольцын концентраци ба A зурвасын ялгаанаас хамаарна. Э.
Өөрийн гэсэн болон байдаг хольцын хагас дамжуулагч. Өөрийн гэсэн хагас дамжуулагчхимийн хувьд цэвэр хагас дамжуулагч (жишээлбэл, германий Ge, selenium Se). Тэдгээрийн электронуудын тоо нь нүхний тоотой тэнцүү байна. Дамжуулах чадварийм хагас дамжуулагч гэж нэрлэдэг эзэмшдэг.
Дотоод хагас дамжуулагчид at Т= O K валентын зурвас бүрэн дүүрсэн ба дамжуулалтын зурвас чөлөөтэй байна. Тиймээс, хэзээ T=Гадны өдөөлт байхгүй тохиолдолд дотоод хагас дамжуулагч нь диэлектрик шиг ажилладаг. Дулааны өдөөлтөөс болж температур нэмэгдэхэд валентын зурвасын дээд түвшний электронууд дамжуулалтын зурваст шилжинэ. Үүний зэрэгцээ валентын зурвасын электронууд суллагдсан хэсэгт шилжих боломжтой болно дээд түвшин. Дамжуулах зурвас дахь электронууд ба валентын зурвас дахь нүхнүүд нь цахилгаан дамжуулах чанарыг нэмэгдүүлэх болно.
Электроныг валентийн зурвасаас дамжуулалтын зурвас руу шилжүүлэхэд шаардагдах энергийг нэрлэдэг идэвхжүүлэх энергиөөрийн дамжуулах чадвар.
Кристалд гадны цахилгаан орон үйлчлэхэд электронууд талбайн эсрэг хөдөлж, цахилгаан гүйдэл үүсгэдэг. Гадны талбарт хөрш валентын электроныг хоосон газар шилжүүлэхэд нүх нь түүний байранд "холилдог". Үүний үр дүнд нүх нь дамжуулалтын зурваст орсон электронтой адил болорыг хөндлөн, харин чиглэлд шилжих болно. эсрэг хөдөлгөөнэлектрон. Албан ёсоор бол бөөмс эерэг цэнэг, тэнцүү үнэмлэхүй үнэ цэнээлектрон цэнэг. дээр үйлдлийг тооцох энгийн төлбөр дотоод талбарнүхэнд зориулсан болор, үр дүнтэй масс w* гэсэн ойлголтыг нэвтрүүлсэн. Тиймээс асуудлыг шийдэхдээ үр дүнтэй масстай нүх нь зөвхөн нэг гадаад талбайн нөлөөн дор хөдөлдөг гэж бид үзэж болно.
Гаднах талбарт электрон ба нүхний хурдны чиглэл нь эсрэгээрээ байдаг боловч тэдгээрийн үүсгэсэн цахилгаан гүйдэл нь ижил чиглэлтэй байдаг - цахилгаан талбайн чиглэл. Тиймээс хагас дамжуулагчийн дотоод дамжуулалтын үеийн гүйдлийн нягт нь e дахь электронуудын гүйдлийн нягт ба d дахь нүхний нийлбэр юм.
Цахилгаан дамжуулах чанар o нь тээвэрлэгчдийн тоотой пропорциональ бөгөөд энэ нь дотоод хагас дамжуулагчийн хувьд гэдгийг баталж болно гэсэн үг юм.
ба температураас хамаарна экспоненциал хууль. Электрон ба нүхний o-д оруулах хувь нэмэр өөр өөр байдаг нь тэдгээрийн үр дүнтэй массын ялгаагаар тайлбарлагддаг.
Харьцангуй өндөр температурт бүх хагас дамжуулагчийн дотоод дамжуулалт давамгайлдаг. Үгүй бол хагас дамжуулагчийн цахилгаан шинж чанар нь хольцоор (бусад элементийн атомууд) тодорхойлогддог бөгөөд дараа нь бид ярьдаг. хольц дамжуулах чанар.Цахилгаан дамжуулах чанар нь дотоод болон хольцын дамжуулалтаас бүрдэнэ.
Хагас дамжуулагч хольцхагас дамжуулагч гэж нэрлэдэг бие даасан атомуудтэдгээр нь хольцоор солигддог. Тэдгээрийн электронууд ба нүхний концентраци ихээхэн ялгаатай байна. Электроны эх үүсвэр болох хольцыг нэрлэдэг хандивлагчид.Валентын зурвасаас электронуудыг барьж авдаг хольцыг нэрлэдэг хүлээн авагчид.
Хамгаалалтын завсарт хольц орсны үр дүнд дамжуулалтын зурвасын ойролцоо эсвэл доод зурваст зөвшөөрөгдсөн нэмэлт электрон энергийн түвшин гарч ирдэг ( донорын түвшин), эсвэл валентын зурвасын дээд талд ( хүлээн авагчийн түвшин).Энэ нь хагас дамжуулагчийн цахилгаан дамжуулах чанарыг ихээхэн нэмэгдүүлдэг.
Донорын хольцтой i төрлийн хагас дамжуулагчид (англи хэлнээс сөрөг - сөрөг) үүнийг хэрэгжүүлдэг. электрон дамжуулалтын механизм.Тэдгээрийн дамжуулалт нь валент нь үндсэн атомуудын валентаас нэг нэгжээр их байдаг хольцын илүүдэл электронуудаар хангагдана.
Акцепторын хольцтой р хэлбэрийн хагас дамжуулагчид (англи хэлнээс эерэг - эерэг) үүнийг хэрэгжүүлдэг. нүх дамжуулах механизм.Тэдгээрийн доторх дамжуулалт нь валент нь үндсэн атомуудын валентаас нэгээр бага байдаг хольц орсны улмаас нүхээр хангадаг.
Эерэг нүхний бодит байдлын итгэл үнэмшилтэй нотолгоог өгсөн Холл эффект(1879). Энэ нөлөөсоронзон орон дотор байрлуулсан гүйдлийн нягт y металл (эсвэл хагас дамжуулагч) дотор харагдахаас бүрдэнэ. IN, перпендикуляр чиглэлд нэмэлт цахилгаан орон INХарин чи. Холл эффектийг ашиглах (бодисоос хамааран Холл коэффициентийг хэмжих) нь дамжуулагч дахь цэнэгийн тээвэрлэгчдийн концентраци, хөдөлгөөнийг тодорхойлох, мөн хагас дамжуулагчийн дамжуулалтын шинж чанарыг (цахим эсвэл нүх) тодорхойлох боломжийг олгодог.
Одоогийн байдлаар микроэлектроникийн материалыг боловсруулахад янз бүрийн хагас дамжуулагч материал, түүний дотор өргөн хүрээтэй. Хагас дамжуулагч микро схемүүд нь найдвартай, функциональ нарийн төвөгтэй нэгдсэн хэлхээг бий болгох боломжийг олгодог микроэлектроникийн ирээдүйтэй чиглэлүүдийн нэг гэж тооцогддог.
