Класифікація та основні властивості провідникових матеріалів

КЛАСИФІКАЦІЯ ТА ОСНОВНІ ВЛАСТИВОСТІ ПРОВІДНИКОВИХ МАТЕРІАЛІВ

Житомир 2009

1. Класифікація провідникових матеріалів (ПМ)

В якості провідників електричного струму використовуються матеріали, в трьох основних станах:

твердому – метали та їх сплави;

рідинному – розплавлені при високій температурі метали (окрім ртуті, у якої температура плавлення –39⁰С) та різноманітні електроліти;

газовому – при відповідних умовах іонізовані гази.

В свою чергу до металевих провідників можна віднести:

метали високої провідності (ρ≤ 0,05 [мкОм∙м],

при t=20⁰C). Застосування: виготовлення дротів, струмоведучих жил кабелів, обмоток електричних машин та трансформаторів, тощо.

сплави високого опору (ρ≥0,3 [мкОм∙м] при t=20⁰C). Застосування: виготовлення резисторів, електронагрівальних приладів, ниток ламп розжарювання, тощо.

надпровідники та кріопровідники (характеризуються незначним питомим опором при дуже низьких температурах).

Проходження струму в металах (як в твердому, так і в рідинному станах) – обумовлено дрейфом вільних електронів під дією електричного поля. Тому, метали називають провідниками з електронною електропровідністю або провідниками першого роду.

Провідниками другого роду або електролітами є розчини кислот, лугів та солей. Проходження струму крізь такі речовини пов’язане з рухом іонів, які разом з переносом заряду переносять і саму речовину у відповідності до законів Фарадея, внаслідок цього склад електроліту поступово зменшується, а на електродах виділяються продукти електролізу.

Всі гази та пари, у тому числі і металів при низьких значеннях напруженості електричного поля (Е, [В/м]) не є провідниками. Однак, якщо напруженість електричного поля перевищить деяке критичне значення (Екр), це забезпечить виникнення ударної та фотонної іонізацій, при яких газ стає провідником з електронною та іонною електропровідністю.

Сильно іонізований газ, в якому число електронів дорівнює числу іонів в одиниці об’єму, являє собою особливе провідне середовище, яке називається – плазмою.

2. Електропровідність металів

Твердий металевий провідник являє собою систему з кристалічної іонної решітки в середині якої знаходиться електронний газ з вільних колективізованих електронів. У вільний стан, від кожного атома металу переходить від одного до двох електронів.

До електронного газу застосовувалися уявлення та закони статистики звичайних газів.

При вивченні хаотичного (теплового) та направленого (під дією сили електричного поля) руху електронів, був отриманий закон Ома:

де n₀ – концентрація електронів; S – площа перерізу провідника; υ_сер – середня швидкість руху електронів під дією ЕП напруженістю Е; е – заряд електрону.

І=n₀·S·υ_сер·е,

Розгляд питання зштовхування електронів з вузлами кристалічної решітки, коли енергія, яка накопичилася за рахунок прискорення електронів в електричному полі, передається металевій основі провідника, за рахунок чого він розігрівається, привело до виведення закону Джоуля – Ленца:

Q = I²·R·t.

Експериментальні дослідження підтвердили гіпотезу про електронний газ в металах, а саме:

при тривалому проходженні струму крізь коло, що складається з різних металевих провідників, атоми одного металу не переходять в інший;

при нагріванні металу до високих температур збільшується швидкість теплового руху вільних електронів, а деякі найбільш швидкі з них здатні вилітати з металу, переборюючи при цьому сили поверхневого потенціального бар’єру (термо-електронна емісія);

якщо зразок металу несподівано зупинити після швидкого руху, то за законом інерції, відбудеться зміщення електронного газу в напрямку руху, що в свою чергу призведе до виникнення різниці потенціалів на кінцях зупиненого провідника.

при дії поперечного магнітного поля на металевий провідник, в ньому виникає поперечна ЕРС та змінюється його електричний опір, що є наслідком викривлення траєкторії електронів в металевому провіднику.

Між класичною теорією термодинаміки та реальною залежністю властивостей електронного газу від температури існують протиріччя. Пояснення дає квантова механіка, яка твердить, що електронний газ в металах при звичайній температурі знаходиться в стані виродження. В цьому стані енергія електронного газу практично не залежить від температури, тобто тепловий рух практично не змінює енергію електронів. Тому на нагрівання електронного газу теплота не витрачається.

В стан, аналогічний звичайним газам, електронний газ переходить при температурах тисяч кельвінів [К].

Уявляючи метал, як систему, в якій позитивні іони скріплюються за рахунок електронів, що здатні вільно рухатися, легко зрозуміти природу основних властивостей металів: пластичність, ковкість, значні електричну та теплову провідність.

Рухаючись в металі, електрони мають корпускулярно – хвильову природу, а тому основними їх параметрами є не тільки маса (m), швидкість (v), енергія частки (W), але і частота  та довжина хвилі:

де h – постійна Планка, h = 6,62 · 10 ^{- 34} [Дж·с].

При звичайних температурах електрони в металах підпорядковуються статистиці Фермі – Дірака. Якщо в енергетичній зоні електронів менше ніж потрібно, щоб заповнити «заповнену зону», то вони займають рівні починаючи від «дна» зони знизу доверху.

Імовірність заповнення рівнів залежить від їх енергії і верхня межа заповнення стає розмитою. Криву розраховують за допомогою статистики Фермі:

якщо W = W_f то Р (W) = ,

де: W – енергія рівня, ймовірність заповнення якого визначається; W_f – енергія етапного рівня, на якому ймовірність заповнення дорівнює 0,5; k =1,38 • 10 ^–23[Дж/K] – постійна Больцмана. Ця енергія відповідає верхній межі електронного розподілення при Р= 0, W_f – називають рівнем Фермі. Відповідний йому потенціал: називається електрохімічним потенціалом.