Mevsimler

Evöğretmene

Elektronik iletkenlik

metaller

20. yüzyılın başında, metallerin elektriksel ve termal özelliklerinin çoğunun basit ve görsel bir açıklamasını sağlayan klasik elektronik metal iletkenlik teorisi oluşturuldu (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904). Bu teorinin bazı hükümlerini ele alalım.

Serbest elektronlar

Metal iletken aşağıdakilerden oluşur:

1) denge konumu etrafında salınan pozitif yüklü iyonlar ve 2) iletkenin tüm hacmi boyunca hareket edebilen serbest elektronlar. Böylece, elektriksel özellikler metallerin oluşumu, yaklaşık olarak atom konsantrasyonuna karşılık gelen, 1028 m-3 düzeyinde bir konsantrasyona sahip serbest elektronların varlığından kaynaklanmaktadır. Bu elektronlara iletim elektronları denir. Metal atomlarından uzaklaştırılarak oluşturulurlar değerlik elektronları. Bu tür elektronlar herhangi bir atoma ait değildir ve vücudun tüm hacmi boyunca hareket edebilirler. Yokluğunda metalde elektrik alanıİletim elektronları düzensiz hareket eder ve çoğunlukla iyonlarla çarpışır kristal kafes(Şekil 1). Bu elektronların toplamı yaklaşık olarak belirli bir sayı olarak kabul edilebilir. elektron gazı, yasalara tabi

ideal gaz

. Oda sıcaklığında elektronların ortalama termal hareket hızı yaklaşık 105 m/s'dir.

Şekil 1 Metallerde elektrik akımı Metal kristal kafesin iyonları akımın oluşumunda yer almaz. Akımın geçişi sırasındaki hareketleri, gözlenemeyen, iletken boyunca madde aktarımı anlamına gelecektir. Örneğin E. Riecke'nin (1901) deneylerinde kütle ve

kimyasal bileşim Bir yıl boyunca akım geçtiğinde iletken değişmedi. Metallerdeki akımın serbest elektronlar tarafından oluşturulduğuna dair deneysel kanıt, L.I. Mandelstam ve N.D. Papaleksi (1912, sonuçlar yayınlanmadı) ve ayrıca T. Stewart ve R. Tolman (1916). Hızla dönen bir bobinin aniden durduğunu keşfettiler.

elektrik akımı

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

Metallerdeki elektrik akımı, harici bir elektrik alanının etkisi altında ortaya çıkar. Bu alanda bulunan iletim elektronları şunlardan etkilenir: elektrik kuvveti onlara alan kuvveti vektörünün tersi yönde ivme kazandırıyor. Sonuç olarak, elektronlar belirli bir ek hız kazanır (buna sürüklenme denir). Bu hız, elektron metal kristal kafesindeki bir atomla çarpışana kadar artar. Bu tür çarpışmalar sırasında elektronlar fazla kinetik enerjilerini kaybederek iyonlara aktarırlar. Daha sonra elektronlar yine elektrik alanı tarafından hızlandırılır, yine iyonlar vb. tarafından yavaşlatılır. Ortalama elektron sürüklenme hızı çok küçüktür, yaklaşık 10-4 m/s.

Mevcut yayılma hızı ile sürüklenme hızı aynı şey değildir. Akımın yayılma hızı, elektrik alanının uzayda yayılma hızına eşittir; 3⋅108 m/s.

İyonlarla çarpışırken, iletim elektronları kinetik enerjinin bir kısmını iyonlara aktarır, bu da kristal kafesin iyonlarının hareket enerjisinde bir artışa ve sonuç olarak iletkenin ısınmasına yol açar.

Metallerin direnci

Metallerin direnci, iletken elektronların kristal kafesin iyonlarıyla çarpışmasıyla açıklanır. Bu durumda, açıkçası, bu tür çarpışmalar ne kadar sık ​​meydana gelirse, yani bir elektronun çarpışmalar arasındaki ortalama serbest seyahat süresi (τ) ne kadar kısa olursa, o kadar büyük olur. direnç maden

Buna karşılık, τ süresi kafes iyonları arasındaki mesafeye, titreşimlerinin genliğine, elektronların iyonlarla etkileşiminin doğasına ve elektronların termal hareket hızına bağlıdır. Metalin sıcaklığı arttıkça iyon titreşimlerinin genliği ve elektronların termal hareket hızı artar. Kristal kafes kusurlarının sayısı da artar. Bütün bunlar, metalin sıcaklığı arttıkça elektronların iyonlarla çarpışmasının daha sık meydana geleceği gerçeğine yol açmaktadır; τ süresi azalır ve metalin direnci artar.

Elektronun hareketini aydınlatmak için Mandelstam ve Papaleksi'nin deneyi

Eğer bir elektronun kütlesi varsa, o zaman kütlesi ya da eylemsizlikle hareket etme yeteneği yalnızca elektrik alanında değil, her yerde ortaya çıkmalıdır. Rus bilim adamları L. I. Mandelstam (1879-1949; radyofizikçiler okulunun kurucusu) ve N. D. Papaleksi (1880 - 1947; en büyüğü) Sovyet fizikçisi, akademisyen, SSCB Bilimler Akademisi Tüm Birlik Radyofizik ve Radyo Mühendisliği Bilimsel Konseyi başkanı) 1913'te orijinal bir deney gerçekleştirdi. Bir tel bobini alıp onu farklı yönlere bükmeye başladılar.

Örneğin saat yönünde dönecekler, sonra aniden duracak ve sonra geri dönecekler.

Şöyle bir mantık yürüttüler: Eğer elektronların gerçekten kütlesi varsa, o zaman bobin aniden durduğunda, elektronların bir süre ataletle hareket etmeye devam etmeleri gerekir. Elektronların bir tel boyunca hareketi bir elektrik akımıdır. Planladığımız gibi oldu. Telin uçlarına telefon bağladık ve bir ses duyduk. Telefonda ses duyulduğu için üzerinden akım akar.

Mandelstam ve Papaleksi'nin deneyimi 1916'da Amerikalı bilim adamları Tolman ve Stewart tarafından tekrarlandı. Bobini de büktüler ama uçlarına telefon yerine şarjı ölçecek bir cihaz bağladılar. Sadece elektron kütlesinin varlığını kanıtlamayı değil, aynı zamanda onu ölçmeyi de başardılar. Tolman ve Stewart'ın verileri daha sonra diğer bilim adamları tarafından birçok kez kontrol edildi ve geliştirildi ve artık elektronun kütlesinin 9.109 10-31 kilogram olduğunu biliyorsunuz.

Bu deneyleri kurarken şu düşünceden yola çıktık. Bir metalde kütlesi olan serbest yükler varsa, bunların eylemsizlik yasasına uyması gerekir. Örneğin soldan sağa doğru hızla hareket eden bir iletken, bu yönde hareket eden ve kendileriyle birlikte hareket eden metal atomlarının bir topluluğudur. ücretsiz masraflar. Böyle bir iletken aniden durduğunda bileşimindeki atomlar da durur; Atalet nedeniyle serbest yükler, çeşitli engeller (duran atomlarla çarpışmalar) onları durdurana kadar soldan sağa doğru hareket etmeye devam etmelidir. Ortaya çıkan olay, bir tramvayın aniden durması, "gevşek" nesnelerin ve araca bağlı olmayan insanların bir süre ataletle ilerlemeye devam etmesi durumunda gözlemlenen olaya benzer.

1) denge konumu etrafında salınan pozitif yüklü iyonlar ve kısa zaman iletken durduktan sonra içindeki serbest yüklerin bir yönde hareket etmesi gerekir. Ancak yüklerin belirli bir yönde hareketi bir elektrik akımıdır. Sonuç olarak, eğer muhakememiz doğruysa, iletkenin ani bir şekilde durmasının ardından, içinde kısa süreli bir akımın ortaya çıkmasını beklemeliyiz. Bu akımın yönü burcu değerlendirmemize olanak sağlayacaktır. Şarj. Bu yönde hareket ederlerse negatif masraflar, o zaman sağdan sola ve tersi yönde bir akım gözlemlenmelidir. Ortaya çıkan akım, yüklere ve taşıyıcılarının, müdahaleye rağmen, yani kütlelerine rağmen, atalet yoluyla hareketlerini az çok uzun bir süre sürdürme yeteneklerine bağlıdır. Böylece, bu deney yalnızca metalde serbest yüklerin varlığına ilişkin varsayımı test etmeyi mümkün kılmakla kalmaz, aynı zamanda yüklerin kendilerini, işaretlerini ve taşıyıcılarının kütlesini (daha kesin olarak yük-kütle oranını) belirlemeyi de mümkün kılar. karaağaç).

Deneyin pratik uygulamasında ilerici değil, kullanmanın daha uygun olduğu ortaya çıktı. dönme hareketi iletken. Böyle bir deneyin diyagramı Şekil 2'de gösterilmektedir.

Şekil 2

Bobine, iki yarım eksenin (00) birbirinden izole edildiği bir tel spiral (1) bağlanır. Spiralin uçları, eksenin her iki yarısına lehimlenir ve kayan kontaklar (2) ("fırçalar") kullanılarak bağlanır. hassas bir galvanometreye 3. Bobin sürülür hızlı dönüş ve sonra aniden yavaşladım. Deney aslında bu durumda galvanometrede bir elektrik akımının ortaya çıktığını ortaya çıkardı. Bu akımın yönü, negatif yüklerin ataletle hareket ettiğini gösteriyordu. Bu kısa süreli akımın taşıdığı yükü ölçerek serbest yükün taşıyıcının kütlesine oranını bulmak mümkün oldu. Bu oranın e/m=1.8 1011 C/kg'a eşit olduğu ortaya çıktı; bu, elektronlar için bu oranın diğer yöntemlerle belirlenen değeriyle çok iyi örtüşüyor.

Metallerin elektronik iletkenliği ilk kez 1901'de Alman fizikçi E. Ricke tarafından deneysel olarak kanıtlandı. Birbirine sıkıca bastırılmış üç cilalı silindir sayesinde - bakır, alüminyum ve yine bakır - uzun zaman(bir yıl boyunca) elektrik akımından geçti. Bu süre zarfında geçirilen toplam yük 3,5·10 6 C'ye eşitti. Bakır ve alüminyum atomlarının kütleleri birbirinden önemli ölçüde farklı olduğundan, yük taşıyıcıları iyon olsaydı silindirlerin kütlelerinin gözle görülür şekilde değişmesi gerekirdi.

Deney sonuçları her silindirin kütlesinin değişmediğini gösterdi. Temas eden yüzeylerde yalnızca metallerin karşılıklı nüfuzunun küçük izleri bulundu; bu, atomların olağan difüzyonunun sonuçlarını aşmadı. katılar. Buradan, özgür medya Metallerdeki yük iyonlar değil, bakır ve alüminyumda aynı olan parçacıklardır. Yalnızca elektronlar bu tür parçacıklar olabilir.

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

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

Makara hızlı dönüşe getirilir ve ardından aniden durdurulur. Bobinin ani durmasından sonra, serbest yüklü parçacıklar iletken boyunca ataletle bir süre hareket edecek ve bunun sonucunda bobinde bir elektrik akımı ortaya çıkacaktır. Akım var olacak kısa zamançünkü iletkenin direnci nedeniyle yüklü parçacıklar yavaşlar ve parçacıkların düzenli hareketi durur.

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

Böylece metallerde elektrik akımı, negatif yüklü elektron parçacıklarının hareketi ile yaratılır. Klasiklere göre elektron teorisi metallerin iletkenliği (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904), bir metal iletken olarak düşünülebilir. fiziksel sistem iki alt sistemin birleşimi:

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

Bir kristalde serbest elektronların görünümü şu şekilde açıklanabilir.

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

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

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

Elektronlar etkilendi sabit kuvvet elektrik alanından hareket ederek belirli bir düzenli hareket hızı elde eder (buna sürüklenme denir). Bu hız zamanla daha fazla artmaz, çünkü elektronlar kristal kafesin iyonlarıyla çarpıştığında elektrik alanında edinilen kinetik enerjiyi kristal kafese aktarır. İlk yaklaşıma göre, ortalama serbest yolda (bu, bir elektronun iyonlarla birbirini takip eden iki çarpışması arasında kat ettiği mesafedir), elektronun ivmeyle hareket ettiğini ve onun sürüklenme hızı zamanla doğrusal olarak artar

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

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

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

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

1911 yılında Hollandalı fizikçi G. Kamerlingh-Onnes bu değişimi inceliyor. elektrik direnci cıva düşük sıcaklıklar, yaklaşık 4 K sıcaklıkta (yani -269 ° C'de) direncin aniden (Şekil 3) neredeyse sıfıra düştüğünü keşfetti. G. Kamerlingh-Onnes, bu elektrik direnci olgusunu süperiletkenliğin ortadan kalkması olarak adlandırdı.

Daha sonra 25'ten fazla olduğu ortaya çıktı. kimyasal elementler- metaller çok düşük sıcaklıklarda süper iletken hale gelir. Her birinin kendine ait kritik sıcaklık sıfır dirençli bir duruma geçiş. En düşük değeri tungsten için - 0,012K, en yüksek değeri ise niyobyum için - 9K'dır.

Süperiletkenlik sadece saf metallerde değil aynı zamanda pek çok metalde de görülmektedir. kimyasal bileşikler ve alaşımlar. Üstelik süperiletken bileşiği oluşturan elementlerin kendisi de süperiletken olmayabilir. Örneğin, NiBi, Au 2 Bi, PdTe, PtSb ve diğerleri.

Süper iletken durumdaki maddeler olağandışı özelliklere sahiptir:

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

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

Şu anda elektrik hatlarında enerjinin% 10 - 15'i tellerin direncini aşmak için harcanmaktadır. Süper iletken hatlar veya en azından girdiler büyük şehirler büyük tasarruf sağlayacak. Süperiletkenliğin bir diğer uygulama alanı da taşımadır.

Süper iletken filmlere dayalı olarak bilgisayarlar için bir dizi yüksek hızlı mantıksal ve depolama öğesi oluşturulmuştur. Şu tarihte: uzay araştırması süperiletken solenoidlerin kullanımı umut vericidir radyasyondan korunma kozmonotlar, plazma roket motorları için gemilerin yanaşması, frenlenmesi ve yönlendirilmesi.

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

Metallerin değeri doğrudan kimyasal ve fiziksel özelliklerine göre belirlenir. Elektrik iletkenliği gibi bir gösterge söz konusu olduğunda bu ilişki o kadar basit değildir. Ölçüldüğünde elektriksel olarak en iletken metal bu gösterge oda sıcaklığında (+20 °C), - gümüş.

Ancak yüksek maliyet elektrik mühendisliği ve mikroelektronikte gümüş parçaların kullanımını sınırlar. Bu tür cihazlardaki gümüş elementler yalnızca ekonomik olarak mümkünse kullanılır.

İletkenliğin fiziksel anlamı

Metal iletkenlerin kullanımının uzun bir geçmişi vardır. Elektriği kullanan bilim ve teknoloji alanlarında çalışan bilim adamları ve mühendisler, teller, terminaller, kontaklar vb. için malzemeler üzerinde uzun süredir karar verdiler. Bu, dünyadaki elektriksel olarak en iletken metalin belirlenmesine yardımcı olur. fiziksel miktar buna elektriksel iletkenlik denir.

İletkenlik kavramı elektriksel direncin tersidir. İletkenliğin niceliksel ifadesi direnç birimiyle ilgilidir; uluslararası sistem birimler (SI) Ohm cinsinden ölçülür. SI birimi siemens'tir. Rus tanımı bu birimin - Cm, uluslararası - S. Elektrik iletkenliği 1 cm alanlı arsa mevcuttur elektrik ağı 1 ohm'luk bir dirençle.

İletkenlik

Bir maddenin elektrik akımını iletme yeteneğinin ölçüsüne, elektriksel olarak en yüksek iletkenliğe sahip olan metal denir. Bu özellik herhangi bir madde veya ortam için araçsal olarak belirlenebilir ve sayısal ifade. Birim uzunluk ve birim kesit alanına sahip silindirik bir iletkenin değeri, bu iletkenin direnci ile ilgilidir.

İletkenlik için sistem birimi metre başına siemens - S/m'dir. Dünyadaki elektriksel olarak en iletken metalin hangi metal olduğunu bulmak için deneysel olarak belirlenen iletkenliklerini karşılaştırmak yeterlidir. Direnci özel bir cihaz - bir mikroohmmetre kullanarak belirleyebilirsiniz. Bu özellikler ters bağımlıdır.

Metallerin iletkenliği

Yüklü parçacıkların yönlendirilmiş akışı kavramı, metallerin kristal kafes karakteristiğine dayanan maddeler için daha uyumlu görünüyor. Metallerde elektrik akımı oluştuğunda yük taşıyıcıları iyonlar değil serbest elektronlardır. sıvı ortam. Metallerde bir akım oluştuğunda iletkenler arasında madde parçacıkları aktarımının olmadığı deneysel olarak tespit edilmiştir.

Metalik maddeler atom seviyesinde daha gevşek bağlara sahip olmaları nedeniyle diğerlerinden farklılık gösterir. İç yapı metaller varlığı ile ayırt edilir büyük sayı"yalnız" elektronlar. elektromanyetik kuvvetlerin en ufak etkisinde yönlendirilmiş bir akış oluşturan. Bu nedenle, metallerin elektrik akımını en iyi iletmeleri boşuna değildir ve tam da bunlardır. moleküler etkileşimler elektriksel olarak en iletken metal olarak öne çıkıyor. Metallerin bir başka spesifik özelliği, metallerin kristal kafesinin yapısal özelliklerine dayanmaktadır - yüksek ısı iletkenliği.

En iyi iletkenler - metaller

4 metal var pratik önemi Elektrik iletkeni olarak kullanımları için S/m cinsinden ölçülen spesifik iletkenlik değerine göre aşağıdaki sıraya göre dağıtılırlar:

1. Gümüş - 62.500.000.
2. Bakır - 59.500.000.
3. Altın - 45.500.000.
4. Alüminyum - 38.000.000.

Elektriksel olarak en iletken metalin gümüş olduğu görülebilir. Ancak altın gibi elektrik şebekesini düzenlemek için yalnızca özel durumlarda kullanılır. Nedeni ise yüksek maliyet.

Ancak bakır ve alüminyum, elektrik akımına karşı düşük dirençleri ve uygun fiyatlarından dolayı elektrikli ev aletleri ve kablo ürünleri için en yaygın seçenektir. Diğer metaller nadiren iletken olarak kullanılır.

Metallerin iletkenliğini etkileyen faktörler

Elektriksel olarak en iletken metal bile başka katkı maddeleri ve safsızlıklar içeriyorsa iletkenliğini azaltır. Alaşımlar "saf" metallerden farklı bir kristal kafes yapısına sahiptir. Simetri ihlali, çatlaklar ve diğer kusurlarla karakterizedir. Ortam sıcaklığının artmasıyla iletkenlik de azalır.

Alaşımların doğasında bulunan artan direnç, ısıtma elemanlarında kullanılır. Elektrikli fırınların ve ısıtıcıların çalışma elemanlarının üretiminde nikrom, fekral ve diğer alaşımların kullanılması tesadüf değildir.

Elektriği en iletken metal, çoğunlukla kuyumcular tarafından madeni para vb. basmak için kullanılan değerli gümüştür. Ancak aynı zamanda teknoloji ve alet yapımında da özel kimyasal ve kimyasal maddeler kullanılır. fiziksel özellikler yaygın olarak kullanılmaktadır. Örneğin, direnci azaltılmış bileşenlerde ve düzeneklerde kullanılmasının yanı sıra gümüş kaplama, kontak gruplarını oksidasyondan korur. Gümüşün ve ona dayalı alaşımların benzersiz özellikleri, yüksek maliyetine rağmen kullanımını sıklıkla haklı kılmaktadır.

Uygulanan dış alanların etkisi altında hareket ettiklerinde dengesiz durumdaki bir metaldeki iletken elektronların davranışını ele alalım. Bu tür işlemlere denir aktarım fenomeni.

Bilindiği üzere elektriksel iletkenlik (elektriksel iletkenlik) o, elektrik akımı yoğunluğunu ve voltajı ilişkilendiren bir miktardır. yerel kanun Ohm: j - oE(bkz. formül (14.15) bölüm 1). Elektrik iletkenliğinin doğasına göre tüm maddeler üç sınıfa ayrılır: metaller, yarı iletkenler ve dielektrikler.

Karakteristik özellik metaller onların metalik iletkenliğidir - artan sıcaklıkla (sabit bir akım taşıyıcı konsantrasyonunda) elektriksel iletkenlikte bir azalma. Metallerdeki elektriksel direncin fiziksel nedeni saçılmadır. elektron dalgaları safsızlıklar ve kafes kusurlarının yanı sıra fononlar üzerinde.

En önemli özellik yarı iletkenler etki altında son derece geniş sınırlar içerisinde özelliklerini değiştirebilme yetenekleridir. çeşitli etkiler: sıcaklık, elektrik ve manyetik alanlar, aydınlatma vb. Örneğin, içsel iletkenlik saf yarı iletkenlerin sayısı ısıtıldığında katlanarak artar.

Şu tarihte: T> 300 K, yarı iletkenlerle ilgili malzemelerin spesifik iletkenliği 10~ 5 ile 10 6 (Ohm m) -1 arasında geniş bir aralıkta değişirken, metaller için o 10 6 (Ohm m) -1'den fazladır.

Düşük olan maddeler iletkenlik, emir 10~ 5 (Ohm m) -1 veya daha az, bkz. dielektrikler.İletkenlikleri çok yüksek sıcaklıklar.

Kuantum teorisi elektriksel iletkenlik için aşağıdaki ifadeye yol açar metaller:

Nerede N- serbest elektronların konsantrasyonu; t - dinlenme süresi; T* - Bir elektronun etkin kütlesi.

Dinlenme zamanıörneğin ani bir katılımla bozulan elektronlar ve kafes arasında denge kurma sürecini karakterize eder dış alan E.

“Serbest elektron” terimi, elektronun herhangi bir etkiden etkilenmediği anlamına gelir. kuvvet alanları. Bir kristaldeki iletim elektronunun etkisi altında hareketi dış kuvvet F ve bazı durumlarda kristal kafesten gelen kuvvetler hareket olarak tanımlanabilir. serbest elektron sadece zorla uygulanan F(Newton'un ikinci yasası, bkz. formül (3.5) bölüm 1), ancak etkili kütle T*, kütleden farklı yani. serbest elektron.

(30.18) ifadesini kullanan hesaplamalar, metallerin elektriksel iletkenliğinin o~1/T. Deney doğruluyor bu sonuç kuantum teorisi, klasik teoriye göre

o ~ l/fr.

İÇİNDE yarı iletkenler Mobil taşıyıcıların konsantrasyonu, atomların konsantrasyonundan önemli ölçüde düşüktür ve sıcaklıktaki değişiklikler, aydınlatma, parçacık akışıyla ışınlama, bir elektrik alanına maruz kalma veya nispeten az miktarda yabancı maddenin eklenmesiyle değişebilir. İletim bandındaki yarı iletkenlerdeki yük taşıyıcıları elektronlardır (iletken elektronlar) ve değerlik bandındaki pozitif yüklü quasipartiküllerdir. delikler. Herhangi bir nedenle değerlik bandından bir elektron kaybolduğunda, bu elektronun bir boşluk (boş durum) oluşturduğu söylenir. Delikler ve iletim elektronları kavramları tanımlamak için kullanılır. elektronik sistem yarı iletkenler, yarı metaller ve metaller.

Termodinamik denge durumunda, yarı iletkenlerdeki elektron ve deliklerin konsantrasyonu hem sıcaklığa hem de elektriksel olarak aktif yabancı maddelerin konsantrasyonuna ve A bant aralığına bağlıdır. E.

Kendi var ve safsızlık yarı iletkenleri. Kendi yarı iletkenleri kimyasal olarak saf yarı iletkenlerdir (örneğin, germanyum Ge, selenyum Se). İçlerindeki elektron sayısı delik sayısına eşittir. İletkenlik bu tür yarı iletkenlere denir sahip olmak.

İçsel yarı iletkenlerde T= OK değerlik bandı tamamen doludur ve iletim bandı serbesttir. Bu nedenle ne zaman T= Dış uyarılmanın yokluğunda, içsel yarı iletkenler dielektrikler gibi davranır. Isıl uyarımdan dolayı sıcaklık arttıkça değerlik bandının üst seviyelerindeki elektronlar iletim bandına doğru hareket edecektir. Aynı zamanda değerlik bandındaki elektronların boşalan bantlara geçmesi de mümkün hale gelir. üst seviyeler. İletim bandındaki elektronlar ve değerlik bandındaki delikler elektriksel iletkenliğe katkıda bulunacaktır.

Bir elektronun valans bandından iletim bandına geçmesi için gerekli olan enerjiye denir. aktivasyon enerjisi kendi iletkenliği.

Bir kristale harici bir elektrik alanı uygulandığında, elektronlar bu alana karşı hareket ederek bir elektrik akımı oluşturur. Bir dış alanda, komşu bir değerlik elektronu boş bir yere hareket ettirildiğinde, onun yerine bir delik "karıştırılır". Sonuç olarak delik, tıpkı iletim bandına geçen elektron gibi, kristal boyunca ancak yönünde hareket edecektir. ters hareket elektron. Biçimsel olarak bir parçacık pozitif yük, eşit mutlak değer elektron yükü. Eylemin hesabını vermek için temel masraflar iç alan Delikler için kristalde etkin kütle w* kavramı tanıtılmıştır. Bu nedenle problemleri çözerken, etkin kütleye sahip bir deliğin yalnızca bir dış alanın etkisi altında hareket ettiğini varsayabiliriz.

Dış alanda, elektronların ve deliklerin hızlarının yönü zıttır, ancak bunların yarattığı elektrik akımı aynı yöne, yani elektrik alanının yönüne sahiptir. Dolayısıyla, bir yarı iletkenin içsel iletkenliği sırasındaki akım yoğunluğu, e'deki elektronların ve d'deki deliklerin akım yoğunluğunun toplamıdır:

Elektriksel iletkenlik o, taşıyıcıların sayısıyla orantılıdır; bu, içsel yarı iletkenler için bunun kanıtlanabileceği anlamına gelir.

ve sıcaklığa bağlıdır üstel yasa. Elektronların ve deliklerin katkısı farklıdır ve bu da etkin kütlelerindeki farklılıkla açıklanmaktadır.

Nispeten yüksek sıcaklıklarda, tüm yarı iletkenlerde içsel iletkenlik hakimdir. Aksi takdirde, bir yarı iletkenin elektriksel özellikleri safsızlıklar (diğer elementlerin atomları) tarafından belirlenir ve sonra hakkında konuşuruz. kirlilik iletkenliği. Elektriksel iletkenlik, içsel ve safsızlık iletkenliklerinden oluşacaktır.

Safsızlık yarı iletkenleri yarı iletkenler denir bireysel atomlar bunların yerini yabancı maddeler alır. İçlerindeki elektronların ve deliklerin konsantrasyonu önemli ölçüde farklılık gösterir. Elektron sağlayan safsızlıklara denir bağışçılar. Değerlik bandından elektronları yakalayan safsızlıklara denir. kabul edenler.

Bant aralığına bir yabancı maddenin eklenmesinin bir sonucu olarak, iletim bandının altına yakın veya altına yakın olan bant aralığında ilave izin verilen elektronik enerji seviyeleri ortaya çıkar ( bağışçı seviyeleri) veya değerlik bandının tepesine ( alıcı seviyeleri). Bu, yarı iletkenlerin elektriksel iletkenliğini önemli ölçüde artırır.

Donör safsızlığına sahip i tipi yarı iletkenlerde (İngilizce'den, negatif - negatif) gerçekleştirilir elektronik iletim mekanizması.İçlerindeki iletkenlik, değeri ana atomların değerinden bir birim daha büyük olan safsızlığın fazla elektronları ile sağlanır.

Alıcı safsızlığına sahip p tipi yarı iletkenlerde (İngilizceden, pozitif - pozitif) gerçekleşir. delik iletim mekanizması.İçlerindeki iletkenlik, değeri ana atomların değerinden bir eksik olan bir safsızlığın eklenmesi nedeniyle delikler tarafından sağlanır.

Pozitif deliklerin gerçekliğine dair ikna edici kanıt şu şekilde sağlanmaktadır: Salon etkisi(1879). Bu etki manyetik alana yerleştirilmiş, y akım yoğunluğuna sahip bir metalin (veya yarı iletkenin) görünümünden oluşur İÇİNDE, dik yönde ek elektrik alanı İÇİNDE ve sen. Hall etkisinin kullanılması (maddeye bağlı olarak Hall katsayısının ölçülmesi), bir iletkendeki yük taşıyıcılarının konsantrasyonunu ve hareketliliğini belirlemenin yanı sıra yarı iletkenin iletkenliğinin (elektronik veya delik) doğasını belirlemeyi mümkün kılar.

Şu anda mikroelektronik için malzemelerin geliştirilmesinde çeşitli yarı iletken malzemeler geniş bant aralığına sahip olanlar da dahil. Yarı iletken mikro devreler, mikroelektroniğin umut verici alanlarından biri olarak kabul edilir ve güvenilir ve işlevsel olarak karmaşık entegre devrelerin oluşturulmasına olanak tanır.