tihonova (523116), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Электрические свойства металловСовременные представления об электропроводности металлов.Все проводники имеют незаполненные энергетические состояния выше уровня,соответствующего энергии Ферми. В противоположность этому в изоляторах зонывалентных электронов полностью заполнены. Таким образом, проводимость определяется нечислом электронов как таковым, а числом электронов, способных переходить на болеевысокие энергетические уровни.Перемещение электрона в электрическом поле на конечное расстояние обязательно должносопровождаться увеличением его скорости при движении к положительному электроду илиуменьшением скорости при движении к отрицательному электроду.
Возрастание скоростиозначает повышение энергии, т.е. существует возможность перехода валентных электронов вболее высокие, незанятые энергетические состояния. Это происходит в металлическихпроводниках, так как у них не заполнена валентная зона. Электрон, имеющий более высокуюэнергию, оставляет вакантное состояние ниже уровня Ферми, что дает возможность другимэлектронам, движущимся к отрицательному электроду, перейти на более низкийэнергетический уровень.Поскольку ни одно из указанных изменений энергии не может происходить при заполненнойзоне валентных электронов, то изоляторы не обладают проводимостью.Проводимость в металлах.
Роль активных носителей заряда могут играть лишь электроны,энергия которых очень близка к энергии Ферми, так как удаление электронов из нижнихуровней энергетической зоны требует слишком большой энергии. Но даже в этом случаечисло электронов в верхних энергетических состояниях оказывается достаточно большим дляобеспечения проводимости. Поэтому проводимость металлов ограничивается не количествомэлектронов, а их подвижностью.Подвижность электрона определяется средней длиной свободного пробега. Для определениядлины свободного пробега кратко рассмотрим механизм движения электронов в металле.Движение электронов не независимо от присутствующих атомов.
В противном случае придвижении к положительному электроду происходило бы непрерывное увеличение скоростиэлектрона до скорости света. В действительности электроны отражаются или рассеиваютсяна несовершенствах кристаллической решетки. Если получивший ускорение электрон послеупругого рассеяния начинает двигаться в обратном направлении, то в соответствии спредыдущими рассуждениями его скорость должна уменьшаться. Расстояние между точкамиизменения траектории играет важную роль, так как увеличение этого расстояния означает,что электрон большую часть времени ускоряется (или замедляется), скорость дрейфаувеличивается.
Среднее расстояние между точками, в которых происходит рассеяние,называется средней длиной свободного пробега.Повышение температуры увеличивает тепловое возбуждение и создает дополнительнуюнеупорядоченность структуры, в результате чего увеличиваются отражение и рассеяниеэлектронов, что приводит к снижению проводимости (увеличению электросопротивления).Температурная зависимость удельного электросопротивления: за исключением области оченьнизкой температуры, удельное электрическое сопротивление линейно зависит оттемпературы:где- удельное электрическое сопротивление приДля чистых металловтемпературный коэффициент электросопротивлениясоставляетВлияние примесей на электросопротивление металловЛокальное поле, возникающее вокруг атома растворенного элемента, отличается от поля,существующего вокруг атомов элемента-растворителя.
Эти локальные нарушения полявызывают рассеяние электронов и уменьшение проводимости, как это происходит в сплавахмеди с цинком и никелем. Изменение удельного электросопротивления в результателегирования с образованием твердого раствора выражается соотношениемгде Х - мольная доля растворенного элемента. "Примесный" коэффициентэлектросопротивления [альфа икс] возрастает в случае большой разницы между размерами ивалентностями атомов растворенного элемента и атомов элемента-растворителя.
Приразбавленных растворах получаем более простое соотношение:Упорядоченный твердый раствор имеет более низкое электросопротивление (увеличеннуюпроводимость), чем неупорядоченный, так как электроны движутся в решетке, образованнойправильно чередующимися атомами.Материалы, применяемые в качетве электротехнических, делят на проводниковые, у которыхсопротивление прохождению электрического тока должно быть минимальным, и сплавыэлектросопротивления (с повышенным электросопротивлением).В качестве проводниковых материалов применяют чистые металлы: медь, алюминий, реже серебро, железо, поскольку легирование и наклеп создают искажения в решетке и повышаютэлектросопротивление. Приведем значения электросопротивления для некоторых металлов:Все примеси уменьшают электропроводность меди, также понижает электропроводностьнаклеп.
Поэтому, если провода не должны быть особо прочными, применяют отожженнуюмедь.Для элементов электросопротивления, напротив, требуется низкая электропроводность,поэтому в данном случае применяют не чистые металлы, а сплавы из металлов, образующихтвердые растворы.СверхпроводимостьПри очень низкой температуре некоторые металлы и многие интерметаллические соединенияобладают сверхпроводимостью, т.е. нулевым удельным электрическим сопротивлением.Происхождение сверхпроводимости может быть объяснено лишь на основе положенийквантовой механики. Отметим ряд характерных особенностей сверхпроводимости,представляющих практический интерес для инженеров.Переход от обычной проводимости в сверхпроводящее состояние совершается скачком изависит от температуры и магнитного поля.
Известно, что 23 металла могут переходить всверхпроводящее состояние. Однако все щелочные металлы, ферромагнитные и благородныеметаллы не обнаруживают сверхпроводимости при охлаждении до температуры ~0,1°К.Обобщение эмпирических результатов приводит к выводу, что сверхпроводящее состояниелегче всего возникает в металлах с низкой обычной проводимостью и в металлах, имеющих3, 5 или 7 валентных электронов. Выявленные закономерности позволили создать множествоинтерметаллических соединений с высокой температурой перехода в сверхпроводящеесостояние.Эффект ХоллаЕсли движущийся заряд пересекает магнитное поле, то на него воздействуетперпендикулярная сила, согласно известному правилу "правой руки".
В итоге возникаетнапряжение ЕН, как это изображено на рис. 6.1 для случая, когда носителями заряда являютсяэлектроны. Если же носителями заряда служат дырки, то напряжение будет иметьпротивоположный знак. Следовательно, по знаку напряжения можно установить природуосновных носителй в данном полупроводнике, т.е. определить, к n- или p-типу относитсяполупроводник.Воздействующая на электрон отклоняющая сила равнагдеВ случае полупроводников р-типа с противоположным знаком носителей заряда получаем:Таким образом, используя эффект Холла, определяют тип носителей заряда, а такжевычисляют их плотность и подвижность.Лекция 7.
Поведение твердых тел в магнитном полеМагнитные свойства твердых тел. Петля магнитного гистерезисаВ 1845 году Фарадей применил большой электромагнит для исследования влияниямагнитного поля на ряд веществ и установил, что все вещества подвержены действиюмагнитных сил, но не все проявляют такой магнетизм, как железо. В настоящее времяизвестно, что влияние магнитного поля на все вещества состоит в изменении их строения, ново многих случаях это изменение невелико и может быть зарегистрировано только спомощью очень чувствительных инструментов.Магнитное поле с напряженностью Н создает магнитную индукцию В. В вакууме магнитнаяиндукция связана с напряженностью магнитного поля через магнитную проницаемостьВ материале магнитная индукция отличается от магнитной индукции, возникающей ввакууме:где - относительная магнитная проницаемость.
Относительная магнитная проницаемостьпарамагнитных материалов несколько больше единицы, диамагнитных - несколько меньшеединицы. Ферромагнитные материалы обладают очень высокой проницаемостью - онадостигает десятков и сотен единиц.Для материаловедов особый интерес представляет составляющая магнитной индукции,вызванная присутствием материала. Магнитная индукция, создаваемая в присутствииматериала, описывается соотношениемгде М - намагниченность. Из уравнения (7.2) получаемМагнитная восприимчивостьсвязана с другими характеристиками соотношениемОсновные сведения о магнитных свойствах дают кривые намагничивания рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
