Электропроводность металла: Электропроводность — Что такое Электропроводность?

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Электропроводность металлов — Справочник химика 21

    Одно из наиболее характерных свойств металлов — высокая электропроводность, обусловленная направленным переносом их электронов в электрическом поле. С другой стороны, имеется большая группа твердых тел с молекулярной, ионной или ковалентной решеткой, которые образуют класс диэлектриков. Их электропроводность на двадцать—тридцать порядков ниже электропроводности металлов. [c.81]









    Самую большую и разнообразную группу составляют полупроводники, т. е. вещества со значениями электропроводности в интервале примерно от Ю» до 10 ом -см . К ним относятся многие простые тела (германий, кремний, бор, иод), сплавы (например, сплав цинка с сурьмой), различные неорганические соединения (окислы, сульфиды) и довольно большое число органических веществ (сложные ароматические соединения, белки, ряд синтетических полимеров). Однако особенности электрических свойств полупроводников не ограничиваются только величинами электропроводности. Одним из наиболее существенных отличий полупроводника от металла является характер зависимости электропроводности от температуры. В то время как сопротивле- [c.274]

    Электропроводность металлов сильно зависит от степени очистки металла и понижается по мере появления новых примесей, что связано с нарушением упорядоченности в кристаллической решетке и возникновением новых препятствий направленному движению электронов. Металлы по своим электрическим свойствам относятся к проводникам. [c.323]

    Металлические пигменты. Пигменты этой группы— порошки металлов, из которых наиболее широко применяются алюминиевая пудра и цинковая пыль. Ограниченное применение имеют бронзовые пудры и свинцовый порошок. Металлические пигменты по ряду свойств (электропроводность, теплостойкость, отражательная способность и др.) существенно отличаются от большинства неорганических пигментов, представляющих собой соли или оксиды. Это обусловливает и некоторые специфические области их применения. Так, при достаточном наполнении металлическими пигментами лакокрасочные покрытия приобретают электропроводящие свойства и применяются для защиты электросварных конструкций, в печатных электрических схемах, а при наполнении цинковой пылью — в качестве протекторных грунтовок [21]. [c.66]

    Растворы солей проводят электрический ток, и это их свойство сыграло чрезвычайно важную роль на первой стадии развития теорий химической связи. Электропроводность металлов обусловлена перемешением в них электронов ионы металла при протекании через него электрического тока остаются на своих местах. Кристаллические соли вообще не проводят электрический ток, но если расплавить соль, положительные и отрицательные ионы при наличии электрического напряжения могут в жидкости направленно мигрировать в противоположные стороны. Подвижность ионов соли оказывается еще большей, если соль растворена в воде и, следовательно, если ее ионы гидратированы.  [c.40]

    При повышении температуры проводимость полупроводников в отличие от металлов обычно возрастает (см. 2). Электропроводность диэлектриков тоже возрастает. При температуре, близкой к абсолютному нулю, проводимость полупроводников и диэлектриков практически нулевая. По электрическим свойствам полупроводники стоят ближе к диэлектрикам, чем к металлам, от которых они имеют принципиальное качественное отличие. [c.232]

    Часть 6 — электрические свойства электропроводность металлов и твердых ионных проводников — кристаллов полупроводники свойства пьезоэлектрических кристаллов диэлектрические свойства термогальванический и другие эффекты. [c.45]

    Какие свойства этого металла предопределили его использование в электрических генераторах Конечно, пластичность меди сделала очень удобным изготовление из нее сложных изогнутых конструкций генераторов. Кроме того, очень полезным свойством меди в этом случае является ее хорошая электропроводность. При производстве столь больших дорогих машин, несомненно, хорошо и то, что медь — коррозионно-стойкий материал. [c.148]

    Практическое применение находят почти все металлы или в чистом виде, или в виде сплавов друг с другом. Их использование определяется свойствами самих металлов и сплавов. Наиболее широко применяют железо и алюминий, а также их сплавы (главы IX и X). Чистая медь имеет большую электропроводность, уступающую только серебру, и применяется для изготовления электрических проводов и радиотехнической аппаратуры. Сплавы меди с цинком называют томпаками (до 10% 2п) или латунями (10—40% 2п), а с другими металлами — бронзами. Алюминиевые бронзы (5—11% А1) обладают высокой коррозионной стойкостью и золотистым блеском служат для изготовления лент, пружин, шестерен и художественных изделий. Кремнистые бронзы (4—5% 51) обладают высокими механическими и антикоррозионными свойствами. Их применяют в химической промышленности для изготовления сеток, проводов, трубопроводов.  [c.131]

    До сравнительно недавнего времени носитель рассматривали как инертную составляющую катализатора. Обычно как доказательство инертности носителей приводится отсутствие у них каталитической активности. Однако, как указывалось несколько выше, и у других типов сложных катализаторов один из компонентов может не обладать каталитической активностью. Шваб [87] показал, что при варьировании носителей для одного и того же активного компонента изменяется не только удельная каталитическая активность последнего, но и электрические свойства получаемого катализатора (электропроводность). Следовательно, влияние носителя может иметь электронную природу, что должно также вытекать из теории явлений в пограничных слоях металлов и полупроводников. [c.46]

    Электрические и оптические свойства. Наиболее важной из электрических характеристик элементарных веществ является их электропроводность. Их классификация в значительной мере основана на электропроводности металлы являются проводниками электричества первого рода, металлоиды — полупроводниками, элементарные окислители — диэлектриками, благородные газы — скользящими проводниками электричества.  [c.43]

    В последнее время полупроводники стали важнейшими материалами новой техники. По определению А. М. Иоффе, полупроводники — это неметаллические проводники с электронным механизмом тока. Сходство их с металлами и состоит в одинаковом электронном механизме проводимости. Длительное прохождение электрического тока через металлы и полупроводники не изменяет их физические и химические свойства. Большой интерес к полупроводникам вызван тем, что по величинам электропроводности они занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. [c.243]

    Возможность вычисления электропроводности жидких металлов по значениям интерференционной функции и псевдопотенциала подтверждает наличие прямой связи между структурой и электрическими свойствами. На это впервые указал А. Ф. Иоффе. По мысли ученого, процесс образования электронов проводимости непосредственно связан с ближним порядком и электронной конфигурацией атомов. [c.54]

    Свойства растворов щелочных металлов в жидком аммиаке сильно зависят от концентрации. В разбавленных растворах имеются катионы металла, а вместо анионов-электроны, которые, однако, не могут свободно передвигаться, так как связаны с молекулами аммиака. Именно такие соль-ватированные электроны придают растворам красивый синий цвет. Электрический ток разбавленные растворы обычно проводят плохо, но с повышением концентрации металла, когда электроны приобретают способность перемещаться в растворе, электропроводность увеличивается исключительно сильно-иногда в триллионы раз, от 10 Ом см (что типично для диэлектриков) до 10 Ом х X см (что приближается уже к электропроводности металлов). Разбавленные и концентрированные растворы щелочных металлов в жидком аммиаке сильно различаются и по другим физическим свойствам. Иногда даже трудно поверить, что это растворы одного и того же вещества. Недаром концентрированные растворы называют жидкими металлами они имеют отчетливый металлический блеск, с золотисто-бронзовым отливом. Это свойство сохраняется также в твердом состоянии, когда раствор замораживают.  [c.25]

    Некоторые физические свойства металлов в свете зонной теории. Электропроводность металлов связана, как известно, с тем, что внешнее электрическое поле, приложенное к [c.203]

    В заключение обратим внимание еще на одно обстоятельство. Химическая связь в полупроводниках проявляется почти полностью как ковалентная. Доля металлической связи незначительна. Это связано с незначительным числом носителей зарядов, ответственных за металлическую связь. Но в то же время это незначительное число носителей зарядов создает вполне измеримые электрические свойства, такие же, как у металлов. Объяснение такого различия заключается в том, что электрические свойства (например, электропроводность) определяются не только числом свободных носителей зарядов, но и их подвижностью, т. е. средней добавочной скоростью, создаваемой единичным внешним электрическим полем. У полупроводников эта подвижность имеет довольно большую величину.  [c.217]

    Первичным актом гетерогенного катализа, как известно, является слабая или прочная адсорбция по меньщей мере одного из реагирующих веществ [1, 2]. С точки зрения электронной теории катализа, химическая адсорбция осуществляется путем взаимодействия электронов сорбента и сорбата. Если при этом изменяется электронное состояние катализатора, то тем самым обнаруживается связь между каталитическими и электрическими свойствами последнего. Такая связь обнаружена в ряде исследований. Р. Зурман и Г. Цеш [3] нашли соотнощение между изменением работы выхода на металлах при адсорбции атомов водорода и каталитической активностью металлов в отношении реакции рекомбинации этих атомов. Вагнер (4] рассмотрел обмен электронами между реагентами и катализатором при изучении электропроводности и предложил схему разложения закиси азота на окисных катализаторах. Исходя из того, что селективность катализатора определяется положением уровня Ферми, К. Хауффе [5] рассмотрел механизм ряда реакций на поверхности полупроводников. Связь между типом проводи- [c.81]

    Электропроводность — характерное свойство металлов (проводников первого рода), которые проводят электрический ток без химических изменений. Лучшими проводниками электричества считают серебро и медь, худшими — свинец и ртуть. С повышением температуры электропроводность металлов падает, а при понижении температуры снова растет. Около абсолютного нуля она стремится к бесконечности — явление сверхпроводимости. [c.240]

    Значительная часть металлических элементов в газовой фазе существует в виде нейтральных двухатомных молекул (см. рис. 5.10). Остальные металлические элементы в газовой фазе чаще всего одноатомны и электрически нейтральны. Однако все металлы, конденсируясь в жидкости и кристаллы, образуют фазы, которые являются хорошими проводниками электричества и характеризуются высокими координационными числами, как показано на рис. 5.13. Электропроводность металлов в жидком и кристаллическом состояниях почти полностью обусловлена подвижностью электронов, а не ионов. Очевидно, в конденсированном состоянии металлы содержат электроны, которые не локализованы на конкретных атомах или небольших группах атомов. Часть электронов в конденсированных металлах делокализована— эти электроны могут перемещаться по всей конденсированной фазе под действием даже небольшой разности электрических потенциалов. Свойства металлов более подробно обсуждаются в гл. 16, 17 и 33. [c.462]

    ПОЛУПРОВОДНИКИ — вещества с электронной проводимостью, величина электропроводности которых лежит между электропроводностью металлов и изоляторов. Характерной особенностью П. является положительный температурный коэффициент электропроводности (в отличие от металлов). Электропроводность П. зависит от температуры, количества и природы примесей, влияния электрического поля, света и других внешних факторов. К П. относятся простые вещества — бор, углерод (алмаз), кремний, германий, олово (серое), селен, теллур, а также соединения — карбид кремния, соединения типа filmen (инднй — сурьма, индий — мышьяк, галлий — сурьма, алюминий — сурьма), соединения двух или трех элементов, в состав которых входит хотя бы один элемент IV—VII групп периодической системы элементов Д. И. Менделеева, некоторые органические вещества — полицены, азоаромати-ческие соединения, фталоцианин, некоторые свободные радикалы и др. К чистоте полупроводниковых материалов предъявляют повышенные требования, например, в германии контролируют примеси 40 элементов, в кремнии — 27 элементов и т. д. Тем не менее некоторые примеси придают П. определенные свойства и тип проводимости, а потому и являются необходимыми. Содержание примесей не должно превышать 10 —Ш %. П. применяются в приборах в виде монокристаллов с точно определенным содержанием примесей. Применение П. в различных отраслях техники, в радиотехнике, автоматике необычайно возросло в связи с большими преимуществами полупроводниковых приборов — они экономичны, надежны, имеют высокий КПД, малые размеры и др. [c.200]

    Часть 6 (1959 г.). Электрические свойства. I. Электропроводность металлов и твердых ионных проводников. Полупроводники. Диэлектрические свойства. Термогальванический и другие эффекты. [c. 97]

    Электрические и оптические свойства. Наиболее характерное свойство металлов, обусловленное целиком их внутренней структурой, — электропроводность. Металлы — проводники первого рода. Способность проводить электричество обусловлена наличием в их кристаллических решетках свободных электронов, которые при наложении электрического поля на металлический проводник получают направленное движение. Для возникновения этого движения, т. е. электрического тока, достаточно даже очень небольшого напряжения поля (небольшой разности потенциалов иа концах проводника). С повышением температуры электропроводность металлов уменьшается. Это объясняется тем, что ионы, находящиеся в узлах кристаллической решетки металла, способны совершать колебательные движения, которые усиливаются с повышением температуры, что препятствует направленному движению электронов. Сильно уменьшается электропроводность при плавлении Металлов. [c.203]

    Действительно, теперь имеется метод получения таких чистых металлов — зонная плавка. Первое применение этого метода не относилось к металлам в узком смысле слова. Оказалось, что электропроводность германия и кремния практически полностью опр-еделяется наличием примесей. При помощи зонной плавки электропроводность постепенно уменьшали при возрастающей степени чистоты, и лишь при концентрации примесей 10 атомов проводимость упала до такой степени, что образцы можно было использовать для изготовления транзисторов. Оказалось возможным достигнуть степени чистоты германия 10, не принимая во внимание содержание кислорода. Но оказалось также, что в этих образцах кислород может находиться в количествах, еще легко определяемых аналитически, и, тем не менее, не оказывает заметного влияния на электрические свойства. Зонная плавка является столь эффективным методом именно потому, что ее можно провести таким образом, чтобы весьма чистый металл не соприкасался с другими веществами. Этот метод уже успешно применен к таким тугоплавким металлам, как титан и молибден, находившимся в виде свободно расположенных образцов.  [c.350]

    Физические свойства металлов. Металлы в твердом и жидком состоянии обладают более или менее ярко выраженными общими физическими свойствами. Так, они хорощо проводят электричество и теплоту. Причина этого — подвижность свободных электронов в твердом и расплавленном металле. Лучшими проводника.ми теплоты и электричества являются серебро, медь и алюминий. Вследствие значительной теплопроводности и электропроводности металлы широко используют в электротехнической промышленности. По мере повышения температуры электропроводность металлов уменьшается. Нагревание усиливает колебательные движения ионов металла, вследствие чего перемещение электронов между ними затрудняется. Чистые металлы проводят электрический ток лучше, чем металлы, содержащие примеси. Примеси нарушают правильную структуру металла, что увеличивает сопротивление прохождению тока. Поэтому в качестве материала для электрических проводов используют возможно более чистые металлы. [c.192]

    Таким образом, в металлах имеются положительно заряженные ионы, электроны и небольшое количество нейтральных атомов. Этот особый тип химической связи и обусловливает наличие определенных физических свойств. Высокая электропроводность металлов объясняется наличием свободных электронов. В электрическом поле беспорядочное движение электронов становится направленным они перемещаются от отрицательного полюса к положительному. [c.390]

    С этой особенностью внутренней структуры металлов связаны их характерные физические свойства. Так как электроны в металлах не связаны с определенными ионами, то они легко могут перемещаться под влиянием уже небольшой разности потенциалов, что и обусловливает хорошую электропроводность металлов. Легкой подвижностью свободных электронов в кристаллах металлов объясняется также и их высокая теплопроводность. Поэтому по способности проводить тепло и электрический ток металлы располагаются в одном и том же порядке (рис. 56). Лучшими проводниками являются серебро, медь и алюминий. [c.285]

    Тепло- и электропроводность металлов почти на два порядка больше, чем у полимерных материалов и поэтому в случае металлов не возникает никаких проблем в отводе тепла от локального источника (например, в корпусах подшипников, плитах разъема). На практике при расчете теплопередачи к жидкостям через металлические стенки редко возникала необходимость принимать во внимание тепловое сопротивление стенки. Несколько отличная картина наблюдается в случае композиционных материалов, теплопроводность которых определяется теплопроводностью матрицы и армирующего наполнителя, причем и матрица, и наполнитель являются худшими проводниками, чем металлы, которые они могут заменять. Естественно, что с увеличением масштабов использования высокопрочных композиционных материалов появилась необходимость в получении информации об их теплофизических и электрических свойствах. [c.285]

    Электрическим свойствам кристаллического кварца посвящено много исследований. Иоффе [1] и Шапошников [2] установили, что электропроводность кристаллического кварца обусловлена в основном примесными ионами. Было замечено [3], что перенос ионов щелочных металлов через кристаллы с последующей их нейтрализацией находится в полном соответствии с законом Фарадея.  [c.83]

    Часть 6 — раздел 27 — электрические свойства (электропроводность металлов и твердых ионных проводни- [c.49]

    Электрические свойства. Электропроводность К. меняется в чрезвычайно широком диапазоне разница в проводимости хороших диэлектриков и хороших проводников достигает величины порядка 10 . В К. имеют место оба крайних типа электропроводности ионная и электронная. Ионная проводимость является характерной для Na l, электронная — для металлов. Обычно в К. имеет место промежуточная форма электропроводности. К. со смешанной проводимостью, как, например, полупроводники, играют исключительную роль в технике. В теории ионной и электронной проводимости важная роль отводится дефектам структуры. В ионных соеди-шениях со стехиометрич. составом различают 4 типа [c.430]

    При образовании твердого раствора электропроводность металла снижается. При размещении в пространственной решетке растворителя чуждых атомов растворенного вещества электрическое поле решетки растворителя искажается, и рассеяние элеюронов увеличивается. Электрические свойства твердого раствора обусловлены также химическим взаимодействием компонентов. При наклепе удельное электрическое сопротивление твердых растворов, так же как и чистых металлов, повьш1ается, а при отжиге понижается. При наклепе и отжиге твердых растворов, даже слабо-концентрирюванных, их электрическое сопротивление изменяется в большей степени, чем сопротивление чистых металлов в тех же условиях. [c.58]

    Каждый, кто когда-нибудь имел дело с куском медной проволоки или железным болтом либо рассматривал свежеотрезанный кусок натрия, знает, что металлам присущи характерные физические свойства. Три только что упомянутых металла значительно отличаются друг от друга по своим физическим свойствам, однако во многом их свойства сходны. Наряду с характерным блеском металлы лучше всего характеризуются высокими электропроводностью и теплопроводностью. Если к куску металла приложено напряжение, в нем возникает электрический ток. Протекание тока через металлы не сопровождается перемещением их атомов. Электрический ток в металлах обусловлен перемещениями электронов. Электропроводные металлы характеризуются низким сопротивлением, возрастающим при повышении температуры. [c.360]

    Наличие в металлах свободных электронов обусловливает их специфические физические свойства электропроводность, теплопроводность, непрозрачность и блеск (отражательная способность). Электроны, свободно передвигаясь в металле, не могут выйти наружу из-за потенциального барьера. Для преодоления электроном этого барьера необходимо затратить работу. Если при этом затрачивается лучистая энергия, то эффект отрыва электрона вызывает так называемый фотоэлектрический эффект. Аналогичный эффект наблюдается и у го-меополярных соединений. Вырванный из молекулярной орбиты электрон, оставаясь внутри кристалла, обусловливает у последнего металлическую проводимость (внутренний фотоэлектрический эффект). В нормальных же условиях (без облучения) такие соединения не являются проводниками электрического тока ни в кристаллическом, ни в расплавленном состояниях.  [c.244]

    Исследование закономерностей химической адсорбции на полупроводниковых контактах, электрические свойства которых регулируются растворением в их решетке примесей, позволяет сделать некоторые выводы о природе активных центров адсорбции и причинах изменения энергий активации с ростом заполнения поверхности. Совместно с Л. Н. Куцевой [1, см. также стр. 82 наст, сб.] и Г. И. Чижиковой [2, см. также стр. 77 наст, сб.] были исследованы окисные контакты относящиеся к разным классам полупроводников закись никеля—дырочный полупроводник и окись цинка — электронный. Электропроводность их изменялась на 5—7 порядков при растворении окислов одно-и трехвалентных металлов, оказывающих на нее противоположное влия ние. [c.73]

    Металлы в твердом и жидком состоянии обладают более или менее ярко выраженными общими фгззл ческимн свойствами. Так, они хорошо проводят электричество и теплоту. Лучшими проводниками теплоты и электричества являются серебро, медь и алюминий. Вследствие значительной теплопроводности и электропроводности металлы широко используются в электротехнической промышленности. Чистые металлы проводят электрический ток лучше, чем металлы, содержащие примеси. Примеси нарушают правильную структуру металла, что увеличивает сопротивлизие прохождению тока. Поэтому в качестве материала для электрических проводов используют возможно более чистые металлы. [c.147]

    Для изучения электронного фактора при хемосорбции некоторые экспериментальные методы оказались особенно пригодными. Два из них, а именно определение изменений электропроводности полупроводников и магнитной восприимчивости, рассмотрены в гл. 5, в частности применительно к окислам. Изменение электропроводности при хемосорбции было также изучено на очень тонких металлических пленках, например никеля [29], молибдена [30] и меди [31 ]. Электрические свойства этих пленок заметно отличаются от свойств массивного металла, и де Бур и Краак [30] отметили, что пленки проявляют некоторые особенности, характерные для полупроводников. Изменения электропроводности, которые Твигг [32] наблюдал при хемосорбции газов на серебряном катализаторе, на носителе следует отнести за счет изменения контактных сопротивлений. [c.492]

    Получение высокочистых селена и теллура в настоящее время является важной проблемой в связи со все растущей потребностью народного хозяйства в этих металлах. Элементарный селен широко используется для изготовления выпрямителей, фотоэлементов, в электронографии. Селениды и теллуриды нашли применение в качестве фотосопротивлений, люминофоров, кристаллических счетчиков. На основе селена и теллура получены сплавы с высокими термо- и фотоэлектрическими характеристиками. Однако микропримеси различных металлов, а также кислорода и галогенов оказывают большое влияние на свойства получаемых на основе селена и теллура. полупроводниковых материалов. Так, мйк-ропримеси кадмия изменяют электропроводность селена. Таллий очень сильно влияет на кристаллизацию селена. Чем больше таллия, тем более крупнозернистым получается селен. Наличие таллия также сказывается на тепло- и электропроводности селена. Примеси кислорода в селене в количествах 10 — 10- % изменяют проводимость селена. Также сильное влияние оказывают следы влаги. Известно, что галогены изменяют электрические свойства металлического селена при содержании 10 — [c.445]

    Электропроводность металлов. Изотопические эффекты в электропроводности металлов возникают главным образом по двум причинам 1) из-за изменения фононного спектра при полном изотопическом замещении атомов решётки и 2) в результате появления динамических и статических возмущений электрического поля вблизи изотопической примеси в изотонически разупорядоченном металле. Изотопические эффекты в свойствах собственно электронной подсистемы металла (форма поверхности Ферми, закон дисперсии) как ожидается должны быть незаметными. Измерения теплоёмкости металлов Li [127] и Мо [129] при низких температурах, где электронная часть теплоёмкости значительно больше решёточной, не обнаружили изотопического эффекта в электронной теплоёмкости. Этот результат согласуется с тем, что электронный спектр металла и электрон-фононное взаимодействие в первом приближении не меняются с массой изотопа. [c.76]

    Электрические свойства. Образование неупорядоченных твердых р-ров приводит к значительному понижению электропроводности С. (по сравнению с чистым металлом — основой С.) в результате рассеяния электронных волн на искажениях решетки, вызванных наличием чужеродных атомов. По мере роста степени упорядочения электронровод-пость возрастает в связи с постепенным восстановлением правильной периодичности электрич. поля внутри С., но все же остается ниже электропроводности чистого металла-основы, даже в полностью упорядоченных С. Образование интерметаллич. соединения по тем же причинам сопровождается нек-рым возрастанием электропроводности но сравнению с неупорядоченным твердым р-ром.У многих С. при низких температурах обнаружено свойство сверхпроводимости, причем даже в тех случаях, когда ни один из компонентов этих С. сам по себе не является сверхпроводником (напр., МоС или W2 ). [c.503]

Электропроводность металлов — Энциклопедия по машиностроению XXL

Электрический ток передается в металлах движением электронов, образующих электронный газ. При отсутствии внешнего электрического поля электроны движутся во всех направлениях, и это движение электронов проводимости носит неупорядоченный характер. Под влиянием же разности потенциалов, приложенной к металлу извне, появляется направленное движение электронов. Движение электронов и осуществляет передачу электричества. Чем слабее электроны связаны с атомами, тем больше будет электропроводность металла.  [c.10]











Металлы относятся к проводникам первого ряда для них характерно прохождение тока, не сопровождающееся химическим изменением материала. В отличие от растворов электролитов, электропроводность металла не связана с переносом вещества и носит название электронной или металлической.  [c.10]

В главе о дисперсии. Действительно, взяв для меди, например, статическое значение электропроводности о = 5,14 10 с , найдем для желтого света, т. е. для V = 5 10 с , что о/у = 1000, тогда как = 1,67. Точно так же произведение для ртути значительно больше, чем для натрия, тогда как обычная электропроводность натрия несравненно больше, чем для ртути. Однако проверка указанных соотношений возможна, если определять д и х для более низких частот (инфракрасных), где и для оптических свойств металлов главную роль играют свободные электроны. Так, например, для X = 12 мкм требуемая теорией связь между оптическими константами и коэффициентом электропроводности металла хорошо оправдывается на опыте.  [c.494]

К ионным кристаллам относятся большинство диэлектриков с высокими значениями удельного электрического сопротивления. Электропроводность ионных кристаллов при комнатной температуре более чем на двадцать порядков меньше электропроводности металлов. Электропроводность в ионных кристаллах осуществляется, в основном, ионами.  [c.71]

Металлические твердые тела в отличие от других типов твердых тел, обладают рядом интересных особенностей. К этим особенностям следует отнести высокую электропроводность, металлический блеск, связанный с большими коэффициентами отражения электромагнитных волн, высокую пластичность (ковкость) и др. Удельная электропроводность металлов при комнатных температурах составляет 10 —10 Ом -м-, тогда как типичные неметаллы, например кварц, проводят электрический ток примерно в 10 раз хул е типичного металла серебра. Для металлов характерно возрастание электропроводности с понижением температуры. Из 103 элементов таблицы Менделеева 19 не являются металлами.  [c.82]

ЗАВИСИМОСТЬ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ МЕТАЛЛОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ  [c.255]

Соотношение между величинами потоков отраженной и поглощенной энергии должно зависеть от электропроводности металла. Опыт показывает, что чем больше электропроводность металла, тем выше его отражающая способность (например, благородные и щелочные металлы являются хорошими отражателями). Металлы с худшей электропроводностью (например, железо) имеют более низкий коэффициент отражения.  [c.25]

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ )  [c.153]

Действительно, огромное чпсло экспериментальных исследований, которые велись в течение по крайней мере столетия, еще не привели пас к полному пониманию природы электрического сопротивления металлов, однако вместе с тем такого обилия полезных сведений, которое получено при изучении электропроводности металлов, вероятно, нельзя было бы иметь с помощью каких-либо других измерений.  [c.153]

Л. III. Д- МАКДОНАЛЬД. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ  [c.168]

В случаях электропроводности металлов или теплопроводности неметаллов поле (или температурный градиент) приводит к постоянному возрастанию J, которое должно быть уравновешено процессами, в которых J не сохраняется. В случае теплопроводности металлов возрастание J уравновешивается термоэлектрическим полем, возникающим прп наложении условия, заключающегося в том, что электрический ток должен обращаться в нуль.  [c.286]

Дуговая плазменная струя — интенсивный источник теплоты с Бшроким диапазоном технологических свойств. Ее можно исполь зовать для нагрева, сварки или резки как электропроводных металлов (обе схемы рис. 53), так и неэлектропроводпых материалов, таких как стекло, керамика и др. (плазменная струя косвенного действия, рис. 53, б). Тепловая эффективность дуговой плазмониой струи зависит от величины сварочного тока и напряжения, состава, расхода и скорости истечения плазмообразующего газа, расстояния от сопла до поверхности изделия, скорости  [c.65]

Металлическая связь возникает при образовании из внешних (относительно слабо связанных с ядром) электронов отрицательно заряженного элек-тронного газа , в результате чего положительно заряженные ионы создают плотную, но пластичную кристаллическую решетку. Электроны, свободно перемещаясь между атомами, обеспечивают высокую электропроводность металлов. Металлическая связь усиливается при повышении концентрации электронного газа .  [c.6]

Металлические связи образуют структуры путем взаимодействия положительных ионов решетки (атомных остатков) и делока-лизированных, обобществленных электронов. Эти связи являются гомеополярными. Они по существу не относятся к химическим, и понятие металлические связи можно считать качественным, так как металлы не имеют молекулярного строения, а их атомы соединяются в кристаллические образования. Этот вид связи и обусловливает высокую прочность, пластичность и электропроводность металлов. Энергия связи — около Ю Дж/моль. Прочная металлическая связь наблюдается при образовании интер-металлидов и некоторых твердых растворов. Одна из ее особенностей — отсутствие насыщения, определяемого валентностью соответствующих атомов.  [c.10]

Взаимодействие света с металлом приводит к возникновению вынужденных колебаний свободных электронов, находящихся внутри металлов. Такие колебания вызывают вторичные волны, приводящие к сильному отражению света от металлической поверхности и сравнительно слабой волне, идущей внут])ь металла. Чем больше электропроводность металлов, тем сильнее происходит отражение света от нх поверхности. В идеальном проводнике, для которого а -> оо, поглощение полностью отсутствует н весь падающий на его поверхность свет отражается. Поэтому заметный слой металла является непрозрачным для видимого света. Сильное поглощение проникающей внутрь металла световой волны обусловлено превращением энергии волны в джоулево тепло благодаря взаимодействию почти свободных электро1Юв, испытываюидих вынужденные колебания под действием световой волны.  [c.61]

Таким образом, характерная особенность металла, состоящая в его высокой отражательной способности и проявляющаяся в наличии особого металлического блеска чистой (не покрытой окислами) поверхности металлов, связана с электропроводностью металла. Чем больще коэффициент электропроводности, тем, вообще говоря, выше отражательная способность металлов.  [c.489]

Подвижность носителей. Подвижность носителей заряда определяется согласно (7.124) временем релаксации т. Время релаксации было введено в модели свободных электронов Друде для объяснения теплопроводности и электропроводности металлов. Предполагалось, что за единичнре время любой электрон испытывает столкновение с вероятностью, равной 1/т, т. е. считалось, что результат столкновения не зависит от состояния электронов в момент рассеяния. Такое упрощение является чрезмерным. Частота столкновений электрона сильно зависит, например, от распределения других электронов, так как в силу принципа Паули электроны после столкновений могут переходить только на свободные уровни. Кроме того, в твердом теле существуют различные механизмы рассеяния. Поэтому при таком описании столкновений от приближения времени релаксации отказываются. Вместо введения времени релаксации предполагают существование некоторой вероятности того, что за единичное время электрон из зоны п с волновым вектором к в результате столкновения перейдет в зону с волновым вектором ki. Эту вероятность находят с помощью соответствующих микроскопических расчетов. Такой подход, однако, очень сильно осложняет рассмотрение.  [c.249]

В предыдущей главе при обсуждении вклада электронов проводимости в теплопроводность и теплоемкость металлов было установлено, что электронный газ в металлах является сильно вырожденным. Поскольку в этом случае концентрация электронов от температуры практически не зависит, температурная зависимость электропроводности металла o=e/ip, определяется зависимостьк> подвижности от Т. В области высоких. температур в металлах, так же как и в полупроводниках, доминирует рассеяние электронов на фононах. Выше было показано, что для вырожденного электронного газа подвижность, обусловленная рассеянием на фононах, обратно пропорциональна температуре (7.164).  [c.255]

В 1911, г., проводя эксперименты по исследованию влияния примесей на остаточное соаротивление металлов, голландский физик Г. Камерлинг-Оннес обнаружил новое явление, получившее название сверхпроводимости. Изучая зависимость сопротивления ртути от температуры, он установил, что при очень низких температурах сопротивление образца исчезало, причем самым неожиданным образом. При температуре 4,2 К удельное электрическое сопротивление резко обращалось в нуль (рис. 7.31). Изложенная выше теория электропроводности металлов предсказывает, что в образцах без примесей и дефектов удельное f сопротивление должно стремиться к нулю при  [c.262]

Электропроводность металлов и сплавов Содержание

Электропроводность металлов и сплавов

Содержание : • Электропроводность проводников • Электропроводность полупроводников • Электропроводность диэлектриков • Электропроводность металлов • Электропроводность сплавов

Теоретические сведения 1) Проводник — тело, в котором имеются свободные носители заряда, то есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри этого тела. 2) Полупроводник — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. 3) Диэлектрик — вещество, плохо проводящее электрический ток. 4) Электропроводность — способность тела проводить электрический ток, а также физическая величина, характеризующая эту способность и обратная электрическому сопротивлению. 5) Сплав — макроскопически однородный металлический материал, состоящий из смеси двух или большего числа химических элементов с преобладанием металлических компонентов.

Электропроводность проводников • • Рис 1. 1 • • Рис 1. 2 Проводники обладают высокой электропроводностью. Различают проводники первого и второго рода. К проводникам первого рода относятся все металлы, некоторые сплавы и уголь. Они обладают электронной проводимостью. К проводникам второго рода относятся электролиты. В них имеет место ионная проводимость. Если проводник поместить в электростатическое поле, то под действием этого поля происходит перемещение зарядов в проводнике: положительных – в направлении внешнего поля, отрицательных – в противоположном направлении (рис. 1. 1 а). Такое разделение зарядов в проводнике под действием внешнего поля называется электростатической индукцией. Разделённые внутри проводника заряды создают своё электрическое поле, направленное от положительных зарядов к отрицательным, т. е. против внешнего поля (рис. 1. 1 а). Очевидно, разделение зарядов в проводнике прекратится тогда, когда напряжённость поля разделённых зарядов Eвнутр станет равной напряжённости внешнего поля в проводнике Eвнешн, т. е. Eвнутр = Eвнешн, а результирующее поле Е = Eвнутр – Eвнешн = 0 Таким образом, результирующее поле внутри проводника станет равным нулю (рис. 1. 1 б). На этом принципе работает электростатический экран, защищающий часть пространства от внешних электрических полей (рис. 1. 2). Для того чтобы внешние электрические поля не влияли на точность электроизмерения, измерительный прибор помещают внутрь замкнутой проводящей оболочки (экран), в которой электростатическое поле отсутствует.

Электропроводность полупроводников • • В примесном полупроводнике n ¹ p, поэтому электропроводность выражается следующей формулой: • Рис. 2. 1 Полупроводник, не содержащий примесей, в нормальных условиях обладает так называемой собственной проводимостью или проводимостью типа i. Собственная проводимость обусловлена генерацией пар «электрон-дырка». Если концентрация электронов в зоне проводимости – ni , а дырок в валентной зоне – pi и ni = pi, то собственная проводимость полупроводника: В широком диапазоне температур и для различного содержания примесей имеют место температурные зависимости концентрации носителей заряда в полупроводнике n-типа, изображенные на рис. 2. 1. В области низких температур участок нижней ломаной между точками а и б характеризует только концентрацию носителей, обусловленную примесями. Наклон прямой на этом участке определяется энергией активации примесей. С увеличением температуры число носителей, поставляемых примесями, возрастает, пока не истощатся электронные ресурсы примесных атомов (точка б). На участке б – в примеси уже истощены, перехода электронов через запрещенную зону еще не обнаруживается. Участок кривой с постоянной концентрацией носителей заряда называют областью истощения примесей. В дальнейшем температура настолько велика, что начинается быстрый рост концентрации носителей вследствие перехода электронов через запрещенную зону ( участок в – и). Наклон этого участка характеризует ширину запрещенной зоны полупроводника. Угол наклона участка а – б зависит от концентрации примесей. Вторая компонента, обуславливающая электропроводность полупроводников – подвижность носителей заряда. При повышении температуры энергия электронов, а следовательно, и подвижность увеличивается. Но, начиная с некоторой температуры Т усиливаются колебания узлов кристаллической решетки полупроводника, которые мешают перемещению свободных носителей зарядов. Следовательно, их подвижность падает (рис. 2. 2. ). • • Рис. 2. 2

Электропроводность диэлектриков • • Рис. 3. 1 • • Электропроводность диэлектриков практически равна нулю в силу весьма сильной связи между электронами и ядром атомов диэлектрика. Если диэлектрик поместить в электростатическое поле, то в нём произойдёт поляризация атомов, т. е. смещение разноимённых зарядов в самом атоме, но не разделение их (рис. 3. 1 а). Поляризованный атом может рассматриваться как электрический диполь (рис. 3. 1 б), в котором «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются. Диполь – это система двух разноимённых зарядов, расположенных на малом расстоянии друг от друга в замкнутом пространстве атома или молекулы. Электрический диполь – это атом диэлектрика, в котором орбита электрона вытягивается в направлении, противоположном направлению внешнего поля Eвнешн (рис. 3. 11 б). Поляризованные атомы создают своё электрическое поле, напряжённость которого направлена против внешнего поля. В результате поляризации результирующее поле внутри диэлектрика ослабляется. Интенсивность поляризации диэлектрика зависит от его диэлектрической проницаемости. Чем она больше, тем интенсивнее поляризация в диэлектрике и тем слабее электрическое поле в нём. Е = Eвнешн – Eвнутр Если диэлектрик поместить в сильное электрическое поле, напряжённость которого можно увеличивать, то при каком-то значении напряжённости произойдёт пробой диэлектрика, при этом электроны отрываются от атома, т. е. происходит ионизация диэлектрика, и он становится проводником. Напряжённость внешнего поля, при которой происходит пробой диэлектрика, называется пробивной напряжённостью диэлектрика. А напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, называют напряжением пробоя, или электрической прочностью диэлектрика.

Электропроводность металлов • Электрический ток в металлах согласно классической электронной теории проводимости это упорядоченное движение электронов под действием сторонних сил. Согласно этой теории металл состоит из положительных ионов находящихся в узлах кристаллической решётки. А в свободном пространстве между ними движутся электроны подобно одноатомному идеальному газу. • Однако если в газе атомы соударяются между собой то в проводнике электроны ударяются об узлы решетки, отдавая таким образами им свою энергию. Как же была получена эта теория. Для начала нужно было выяснить, что является носителями зарядов в проводнике. С этой целью ученый Рикке в 1899 году провел такой эксперимент. Он взял три одинаковых цилиндра с тонко обработанными торцами. Два из них были медные, а третий алюминиевый. Сжал их между собой так, чтобы алюминиевый цилиндр оказался посередине и включил всю это конструкцию в главный питающий провод на трамвайной подстанции. • Рис. 4. 1 строение металла • Спустя год он разобрал конструкцию и тщательно обследовал места соединения цилиндров. И обнаружил, что диффузии металлов друга не произошло. То есть атомы меди не проникли в алюминий и наоборот. Из этого эксперимента можно сделать вывод что под действием электрического тока по проводнику не перемещаются ионы. А движутся лишь свободные электроны.

Электропроводность металлов • • • Рис. 4. 2 катушка с проводом вращаемая вокруг продольной оси • • То, что по проводнику движутся электроны, было установлено благодаря еще одному опыту. Для него необходимо взять катушку из проволоки и раскрутить ее. К катушке должен быть подключен амперметр. В момент резкой остановки катушки прибор покажет кратковременный ток. Этот ток обусловлен тем, что электроны продолжают двигаться по инерции, в то время как катушка уже остановилась. То есть наблюдается движение электронов по проводу хоть и кратковременное. В проводнике без электрического поля свободные электроны находятся в непрерывном хаотическом движении как молекулы газа. Но при создании внешнего электрического поля электроны сохраняя свое хаотическое движение, начнут двигаться под действием сил поля. Вот это направленное движение и называется током. Сами электроны под действием поля движутся достаточно медленно. Приблизительно пару миллиметров в секунду. Так как же лампочка, которую мы включаем, загорается так быстро ведь провод, которым она подключена достаточно длинный. И электрон от выключателя как минимум пару минут должен двигаться к спирали лампы. На самом деле все немного по другому. Ведь провода спираль и выключатель состоят из проводника и в них присутствуют электроны по всей длине. И при замыкании выключателя чтобы ток начал оказывать действие необязательно, чтобы электрон от выключателя попал в спираль. Ведь электроны в ней уже есть. При замыкании по проводникам начинает двигаться электрическое поле практически со скоростью света вот оно та и передает энергию. Представьте себе тонкую трубку набитую шариками внешним диаметром чуть меньше диаметра трубы. Когда мы всунем еще шарик с одной стороны, то с другого конца выпадет другой шарик. То есть по трубке двигалось усилие, передаваясь от шарика к шарику, а не ток шарик, который мы впихнули.

Электропроводность сплавов Идеальная решётка металла имеет строго периодический потенциал (рис. 2. 2, а). Если часть атомов меди беспорядочно замещена атомами другого элемента, то поле вблизи примесных атомов не такое, как вблизи собственных. Потенциал решётки становится непериодическим (рис. 2. 2, б). Он нарушается беспорядочно распределёнными примесями, что приводит к рассеянию носителей и дополнительному электрическому сопротивлению. В сплавах примеси вызывают более сильное нарушение периодичности потенциала решётки, чем тепловые колебания. Поэтому сопротивление сплава ρ(спл) значительно больше сопротивления ρ чистых металлов и определяется в основном рассеянием носителей на примесях. Как показал Нордгейм, подвижность для бинарных сплавов, обусловленная рассеянием их на нарушениях периодичности потенциала решётки, определяется следующим приближённым соотношением: где p и 1− p – относительные доли металлов, образующих сплав. Подставим в выражение σ = qnµ соотношение для подвижности сплава, учитывая, что ρ=1/σ, получим выражение удельного сопротивления для бинарного (двойного) сплава: где β – коэффициент пропорциональности. Функция p(1− p) имеет максимум при p = 1/2, т. е. при равном содержании в сплаве обоих компонентов. Если сплавляемые металлы при определённом соотношении компонентов образуют соединение с упорядоченной внутренней структурой, то периодичность решётки восстанавливается (рис. 2. 2, в) и сопротивление, обусловленное рассеянием на примесях, практически полностью исчезает. Этот факт является подтверждением квантовой теории электропроводности, согласно которой причиной электрического сопротивления твёрдых материалов является не столкновение свободных электронов с атомами решётки, а рассеяние их на дефектах решётки, вызывающих нарушение периодичности потенциала

Вывод: • Мы изучили электропроводность проводников, полупроводников, диэлектриков, также в частности металлов и сплавов, узнали какие факторы влияют на их электропроводность.

Контрольные вопросы: 1) Дать определение проводника 2) Какие вы знаете виды проводников? 3) Дайте определение собственной проводимости полупроводника. 4) Что такое диполь? 5) Дайте определение электрического диполя. 6) Что такое электропроводность? 7) Дайте определение электрического тока в металлах согласно классической электронной теории проводимости. • 8) Дайте определение сплава. • 9) Напишите уравнение подвижности для бинарных сплавов. • 10) Дайте определение диэлектрика. • •

PCE-COM 20 прибор для измерения электропроводности металлов

Тестер PCE-COM 20 предназначен для измерения электропроводности цветных металлов, таких как алюминий или медь и относится к группе устройств неразрушающего контроля. Электропроводность металлических материалов может быть определена быстро и точно с помощью проверенного принципа измерения вихревых токов. При рабочей частоте 60 кГц измеритель проводимости имеет широкий диапазон измерения 0,51…112% IACS и достигает точности +/-0,5% при 20°C с разрешением до 0,01% IACS. Благодаря компенсации температуры устройство может работать при различных условиях окружающей среды. Компенсация высоты до 500 мкм позволяет измерять даже покрытые или корродированными металлы. Типичные области применения включают в себя оценку различий в прочности термически обработанных или закаленных материалов, проверку подлинности монетных сплавов, проверку неоднородностей сплавов в критических компонентах и ​​сортировку металлолома. Измеритель проводимости питается от аккумуляторной батареи. USB-интерфейс предназначен для считывания показаний устройства на ПК. Таким образом, доступен детальный анализ отдельных измерений или целых серий измерений.

Диапазон измерений
Сопротивление	0,015388 … 3,33333 Ω•мм²/м
Температура объектов (контактный способ)	0. ..+50°C
Электропроводность	0,51…112 %IACS 0,3…65 MS/m
Точность
Температура объектов (контактный способ)	±0,5°C
Электропроводность	±0,5 % при +20°C ±1 % в диапазоне 0…+40°C
Шаг измерения
Электропроводность	0,01 %IACS (при <51 %IACS) 0,1 %IACS (при 51…112%IACS)
Запись данных
Количество записей	до 500 значений
Общие положения
Компенсация по высоте	до 0,5 мм (измерение покрытых лаком/краской поверхностей или корродированых поверхностей)
Компенсация температуры	автоматическая
Частотный диапазон	60 kHz
Дисплей	LCD с подсветкой
Функции/особенности	для мобильного использования переключаемая подсветка автоматическая калибровка встроенный аккумуляторный блок рабочая частота при 60 кГц память измерений до 500 значений компенсация высоты и температуры
Питание	аккумулятор
Страна производитель	Германия
Гарантия	12 мес.
Комплект поставки	1 х тестер PCE-COM 20; 1 х датчик; 1 х набор калибровочных пластин; 1 х программное обеспечение; 1 х USB кабель; 1 х зарядное устройство; 1 х шестигранный ключ; 1 х калибровочный сертификат (нем. яз.) 1 х чемодан для транспортировки; 1 х руководство пользователя.
Условия эксплуатации
Рабочаяя температура	0…+50°C / отн. влажн. менее 95%
Размеры/вес
Размеры прибора (Д/Ш/В)	220 x 95 x 35 мм диаметр датчика Ø14 мм
Вес	415 г

Электропроводность металлов и полупроводников | Квантовая физика

Содержание работы

Электропроводность есть способность тела пропускать электрический ток под действием электрического поля. Для характеристики этого явления служит величина удельной электропроводности σ. Как показывает теория [1-3], величину σ можно выразить через концентрацию n свободных носителей заряда, их заряд е, массу m, время свободного пробега τ_e, длину свободного пробега λe и среднюю дрейфовую скорость носителей заряда. Для металлов в роли свободных носителей заряда выступают свободные электроны, так что:

σ = ne² · τе / m = (n · e² /  m) · (λe  / < v >) = e · n · u

(10.1)

где u — подвижность носителей, т.е. физическая величина, численно равная дрейфовой скорости, приобретенной носителями в поле единичной напряженности , а именно

u = < v > / E = (e · τ_е) / m

В зависимости от σ все вещества подразделяются; на проводники — с σ > 10⁶ (Ом · м)^-1, диэлектрики — с σ > 10^-8 (Ом · м)^-1 и полупроводники — с промежуточным значением σ.

С точки зрения зонной теории деление веществ на проводники, полупроводники и диэлектрики определяется тем, как заполнена электронами при 0 К валентная зона кристалла: частично или полностью.

Энергия, которая сообщается электронам даже слабым электрическим полем, сравнима с расстоянием между уровнями в энергетической зоне. Если в зоне есть свободные уровни, то электроны, возбужденные внешним электрическим полем, будут заполнять их. Квантовое состояние системы электронов будет изменяться, и в кристалле появится преимущественное (направленное) движение электронов против поля, т.е. электрический ток. Такие тела (рис.10.1,а) являются проводниками.

Если валентная зона заполнена целиком, то изменение состояния системы электронов может произойти только при переходе их через запрещенную зону. Энергия внешнего электрического поля такой переход осуществить не может. Перестановка электронов внутри полностью заполненной зоны не вызывает изменения квантового состояния системы, т.к. сами по себе электроны неразличимы.

В таких кристаллах (рис. 10.1,б) внешнее электрическое поле не вызовет появление электрического тока, и они будут непроводниками (диэлектриками). Из этой группы веществ выделены те у которых ширина запрещенной зоны ΔE ≤ 1 эВ (1эВ = 1,6 · 10^-19 Дж).

Переход электронов через запрещенную зону у таких тел можно осуществить, например, посредством теплового возбуждения. При этом освобождается часть уровней — валентной зоны и частично заполняются уровни следующей за ней свободной зоны (зоны проводимости). Эти вещества являются полупроводниками.

Согласно выражению (10.1) изменение электропроводности (электрического сопротивления) тел с температурой может быть вызвано изменением концентрации n носителей заряда или изменением их подвижности u .

Металлы

Квантово-механические расчеты показывают, что для металлов концентрация n свободных носителей заряда (электронов) равна:

n = (1 / 3π²) · (2mE_F / ђ²)^3/2

(10.2)

где ђ = h / 2π = 1,05 · 10^-34 Дж · с — нормированная постоянная Планка, E_F — энергия Ферми.

Так как E_F практически от температуры T не зависит, то и концентрация носителей заряда от температуры не зависит. Следовательно, температурная зависимость электропроводности металлов будет полностью определяться подвижностью u электронов, как и следует из формулы (10.1). Тогда в области высоких температур

u ~ λ_e / <v> ~ T^-1

(10.3)

а в области низких температур

u ~ λ_e / <v> ~ const (T).

(10.4)

Степень подвижности носителей заряда будет определяться процессами рассеяния, т.е. взаимодействием электронов с периодическим полем решетки. Так как поле идеальной решетки строго периодическое, а состояние электронов — стационарное, то рассеяние (возникновение электрического сопротивления металла) может быть вызвано только дефектами (примесными атомами, искажениями структуры и т.д.) и тепловыми колебаниями решетки (фононами).

Вблизи 0 К , где интенсивность тепловых колебаний решетки и концентрация фононов близка к нулю, преобладает рассеяние на примесях (электрон-примесное рассеяние). Проводимость при этом практически не меняется, как следует из формулы (10. 4), а удельное сопротивление

имеет постоянное значение, которое называется удельным остаточным сопротивлением ρ_ост или удельным примесным сопротивлением ρ_прим, т.е.

ρ_ост (или ρ_прим) = const (T)

(10.5)

В области высоких температур у металлов становится преобладающим электрон-фононный механизм рассеяния. При таком механизме рассеяния электропроводность обратно пропорциональна температуре, как видно из формулы (10.3), а удельное сопротивление прямо пропорционально температуре:

График зависимости удельного сопротивления ρ от температуры приведен на рис. 10.2

При температурах отличных от 0 К и достаточно большом количестве примесей могут иметь место как электрон-фононное, так и электрон-примесное рассеяние; суммарное удельное сопротивление имеет вид

ρ = ρ_прим + ρ_ф

(10.6)

Выражение (10.6) представляет собой правило Матиссена об аддитивности сопротивления. Следует отметить, что как электрон-фононное, так и электрон-примесное рассеяние носит хаотический характер.

Полупроводники

Квантово-механические расчеты подвижности носителей в полупроводниках показали, что, во-первых, с повышением температуры подвижность носителей u убывает, и решающим в определении подвижности является тот механизм рассеяния, который обуславливает наиболее низкую подвижность. Во-вторых, зависимость подвижности носителей заряда от уровня легирования (концентрации примесей) показывает, что при малом уровне легирования подвижность будет определяться рассеянием на колебаниях решетки и, следовательно, не должна зависеть от концентрации примесей.

При высоких уровнях легирования она должна определяться рассеиванием на ионизированной легирующей примеси и уменьшаться с увеличением концентрации примеси. Таким образом, изменение подвижности носителей заряда не должно вносить заметного вклада в изменение электрического сопротивления полупроводника.

В соответствии с выражением (10.1) основной вклад в изменение электропроводности полупроводников должно вносить изменение концентрации п носителей заряда [1-3].

Главным признаком полупроводников является активационная природа проводимости, т.е. резко выраженная зависимость концентрации носителей от внешних воздействий, как-то температуры, облучения и т.д. Это объясняется узостью запрещенной зоны (ΔЕ < 1 эВ) у собственных полупроводников и наличием дополнительных уровней в запрещенной зоне у примесных полупроводников.

Электропроводность химически чистых полупроводников называется собственной проводимостью. Собственная проводимость полупроводников возникает в результате перехода электронов (n) с верхних уровней валентной зоны в зону проводимости и образованием дырок (p) в валентной зоне:

σ = σ_n + σ_ρ = e · n_n · u_n + e · n_ρ · u_ρ

(10.7)

где n_n и· n_ρ — концентрация электронов и дырок,
u_n и u_ρ — соответственно их подвижности,
e — заряд носителя.

С повышением температуры концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне экспоненциально возрастает:

n_n = u_nо · exp(-ΔE / 2kT) = n_ρ = n_ρо· exp(-ΔE / 2kT)

(10. 8)

где n_nо и n_pо — концентрации электронов и дырок при Т → ∞,
k = 1,38 · 10^–23 Дж/ К — постоянная Больцмана.

На рисунке 10.3,а приведен график зависимости логарифма электропровод-ности ln σ собственного полупроводника от обратной температуры 1 / Т : ln σ = = ƒ(1 / Т). График представляет собой прямую, по наклону которой можно опреде-лить ширину запрещенной зоны ∆Е.

Электропроводность легированных полупроводников обусловлена наличием в них примесных центров. Температурная зависимость таких полупроводников определяется не только концентрацией основных носителей, но и концентрацией носителей, поставляемых примесными центрами. На рис. 10.3,б приведены графики зависимости ln σ = ƒ (1 / Т) для полупроводников с различной степенью легирования (n1

Для слаболегированных полупроводников в области низких температур преобладают переходы с участием примесных уровней. С повышением температуры растет концентрация примесных носителей, значит растет и примесная проводимость. При достижении т. А (см. рис. 10.3,б; кривая 1) – температуры истощения примеси Т_S1 – все примесные носители будут переведены в зону проводимости.

Выше температуры Т_S1 и до температуры перехода к собственной проводимости Т_i1 (см. т. В, кривая 1, рис. 10.3,б) электропроводность падает, а сопротивление полупроводника растет. Выше температуры Т_i1 преобладает собственная электропроводность, т.е. в зону проводимости вследствие теплового возбуждения переходят собственные носители заряда. В области собственной проводимости σ растет, а ρ падает.

Для сильнолегированных полупроводников, у которых концентрация примеси n ~ 10²⁶ м^–3, т.е. соизмерима с концентрацией носителей заряда в металлах (см. кривая 3, рис. 10.3,б), зависимость σ от температуры наблюдается только в области собственной проводимости. С ростом концентрации примесей величина интервала АВ (АВ > A’B’ > A»B») уменьшается (см. рис. 10.3,б).

Как в области примесной проводимости, так и в области собственной проводимости преобладает электрон-фононный механизм рассеяния. В области истощения примеси (интервалы AB, A’B’, A»B») вблизи температуры Т_S преобладает электрон-примесное рассеяние. По мере увеличения температуры (перехода к Т_i) начинает преобладать электрон-фононное рассеяние. Таким образом, интервал АВ (A’B’ или A»B»), называемый областью истощения примеси, является также областью перехода от механизма примесной проводимости к механизму собственной проводимости.

Электропроводность токопроводящих жил кабелей и проводов

Если металл поместить в электрическое поле, то свободные электроны, помимо хаотического теплового движения, начнут участвовать в направленном движении вдоль силовых линий поля. В промежутках от одного столкновения до другого электроны движутся с ускорением, равным еЕ/т, где Е- напряженность электрического поля в металле; е и т — заряд и масса электрона. Если τ — время свободного пробега, то средняя добавочная скорость электронов в направлении электрического поля

Благодаря направленному движению электронов в металле возникает ток, плотность которого

пропорциональна напряженности электрического поля и соответствует основному закону электропроводности металлов — закону Ома.

Удельное сопротивление металлов с учетом коэффициента рассеяния

Металлы являются хорошими проводниками электрического тока и характеризуются минимальными величинами удельного электрического сопротивления. При технических расчетах пользуются удельной проводимостью γ и величиной, обратной ей — удельным сопротивлением ρ.

Явление электропроводности связано с электронной структурой металла. Наибольшей электропроводностью обладают одновалентные металлы, т. е. металлы группы меди, и щелочные металлы (алюминий, натрий и др.). С увеличением валентности наблюдается значительное уменьшение электропроводности. В кристаллах цинка, имеющего структуру типа гексагональной плотной упаковки, несколько растянутой по главной оси, величина удельного сопротивления вдоль главной оси больше, чем в перпендикулярном ей направлении.

Повышение температуры металлов увеличивает их электрическое сопротивление. При умеренно низких температурах сопротивление металлов растет пропорционально температуре. При плавлении наблюдается увеличение сопротивления металлов примерно в 2 раза. При весьма низких температурах наблюдается отступление от линейной зависимости и приближение сопротивления к некоторой постоянной для данного металла величине ρ
_о
, называемой остаточным сопротивлением, которое зависит от содержания примесей и нарушений структуры, вызванных пластической деформацией. Чем чище металл и чем менее он деформирован, тем меньше его остаточное сопротивление.

При прохождении электрического тока через металлы происходит столкновение электронов проводимости с относительно неподвижными атомами в кристаллической решетке, что вызывает нагрев металла. В неравномерно нагретом кристалле металла свободные электроны участвуют в переносе тепловой энергии от более нагретых участков к менее нагретым. Отношение коэффициентов тепло- и электропроводности металлов пропорционально абсолютной температуре.

Электрическое сопротивление токопроводящей жилы кабеля, провода и шнура постоянному току при 20° С на единицу длины

где ρ — удельное электрическое сопротивление при 20° С, равное для алюминия 0,028264 ом-мм
²
/м, для меди 0,017241 ом-мм
²
/м и для стали 0,139 ом-мм
^г
/м.

Обычно сопротивление жил кабелей и проводов пересчитывают на длину 1 км и сечение 1 мм
²
и приводят к температуре 20° С с использованием формулы

Согласно рекомендациям МЭК приведение электрического сопротивления токопроводящих жил к 20° С и 1 км длины следует производить по формулам: . для медных жил с температурным коэффициентом 0,00393 1/°С

для алюминиевых жил с температурным коэффициентом 0,00403 1/°С

где R
_t
— электрическое сопротивление кабеля длиной L при t
^o
в момент измерения, ом.

Электрическое сопротивление биметаллического провода

где R
₀₁
и R
₀₂
— сопротивления составляющих провода.

Электрическое сопротивление любой жилы, скрученной в кабель, будет больше теоретического на величину укрутки χ, равную от 1,002 до 1,030 в зависимости от скрутки жилы кабеля, т. е.

к содержанию

Электропроводность металлов и сплавов

9 слайд

Идеальная решётка металла имеет строго периодический потенциал (рис. 2.2, а).
Если часть атомов меди беспорядочно замещена атомами другого элемента, то поле вблизи примесных атомов не такое, как вблизи собственных. Потенциал решётки становится непериодическим (рис. 2.2, б). Он нарушается беспорядочно распределёнными примесями, что приводит к рассеянию носителей и дополнительному электрическому сопротивлению.
В сплавах примеси вызывают более сильное нарушение периодичности потенциала решётки, чем тепловые колебания.
Поэтому сопротивление сплава ρ(спл) значительно больше сопротивления ρ чистых металлов и определяется в основном рассеянием носителей на примесях.
Как показал Нордгейм, подвижность для бинарных сплавов, обусловленная рассеянием их на нарушениях периодичности потенциала решётки, определяется следующим приближённым соотношением:

где p и 1− p – относительные доли металлов, образующих сплав.
Подставим в выражение σ = qnµ соотношение для подвижности сплава, учитывая, что ρ=1/σ, получим выражение удельного сопротивления для бинарного (двойного) сплава:

где β – коэффициент пропорциональности.
Функция p(1− p) имеет максимум при p = 1/2, т.е. при равном содержании в сплаве обоих компонентов. Если сплавляемые металлы при определённом соотношении компонентов образуют соединение с упорядоченной внутренней
структурой, то периодичность решётки восстанавливается (рис. 2.2, в) и сопротивление, обусловленное рассеянием на примесях, практически полностью исчезает.
Этот факт является подтверждением квантовой теории электропроводности, согласно которой причиной
электрического сопротивления твёрдых материалов является не столкновение свободных электронов с атомами решётки, а
рассеяние их на дефектах решётки, вызывающих нарушение периодичности потенциала
Электропроводность
сплавов

Что такое электропроводность? — Matmatch

Электропроводность — это показатель того, насколько легко материал пропускает через себя электрический ток. И наоборот, удельное электрическое сопротивление измеряет, насколько сильно материал сопротивляется потоку электрического тока. Эти два свойства являются точными противоположностями друг друга. Электропроводность обозначается греческой буквой σ , а удельное электрическое сопротивление обозначается греческой буквой ρ .

Материалы часто выбирают или отбрасывают для приложений из-за их электропроводности, когда прохождение электрического тока имеет решающее значение для функциональности их применения.Металлы, как правило, являются лучшими проводниками электричества, а полимеры — наименее проводниками электричества. Серебро — лучший проводник электричества, но оно редко используется для этой цели из-за его дефицита и, как следствие, непомерно высокой стоимости.

В этой статье вы узнаете о:

• Что такое электропроводность
• Измерение электропроводности
• Применение электропроводности
• Будущие материалы и применение

Сечение подземного электрического кабеля.

Что такое электропроводность?

Хорошие проводники электричества также часто являются хорошими проводниками тепла, что очевидно для большинства металлов. Температура материала может влиять на его проводимость не столь прямолинейным образом. Для материалов, известных как проводники, повышение температуры обычно снижает их проводимость и наоборот. Но для изоляторов дело обстоит наоборот, так как повышение температуры фактически увеличивает их проводимость.Эта взаимосвязь между температурой и электропроводностью полезна при создании сверхпроводников. Сверхпроводник — это материал, который почти идеально проводит электричество, практически не имея сопротивления. До сих пор всем известным сверхпроводникам для проявления этого свойства требуются чрезвычайно низкие температуры (до -234 ^o C).

Электропроводность материала определяется по формуле

`\sigma =\frac{1}{\rho}` 

Где ρ — удельное сопротивление материала.

Удельное сопротивление измеряется в ом·метрах (Ом·м), а проводимость измеряется в сименсах на метр (См/м) , что является обратной величиной единицы удельного сопротивления. Электропроводность или удельное сопротивление материала является неизменным свойством, которое не изменяется в зависимости от размера или формы материала.

Проводимость материала зависит от температуры, но она также может меняться в зависимости от приложенного магнитного поля. До сих пор мы предполагали, что все материалы однородны и изотропны; гомогенный означает, что свойства материала одинаковы независимо от того, откуда взят образец, и изотропный означает, что эти свойства имеют одинаковое значение независимо от того, в каком направлении они измеряются.Однако это не всегда так, особенно для полупроводников, представляющих собой особые материалы, обладающие различной проводимостью в разных направлениях. Кроме того, проводимость и сопротивление не следует путать с проводимостью или удельным сопротивлением соответственно. Хотя они связаны, они не одно и то же и не взаимозаменяемы. Проводимость и сопротивление изменяются в зависимости от размера рассматриваемого материала, в то время как проводимость и удельное сопротивление не .

Таблица 1. Удельное сопротивление и электропроводность обычных материалов при 20°C [1]

Измерение электропроводности

Двухточечный и четырехточечный методы являются двумя наиболее распространенными методами измерения электропроводности [2].

Двухточечная техника

Этот метод включает пропускание тока (через источник напряжения) через образец (прямоугольный стержень) материала. Этот ток подается через два медных узла, прикрепленных к обоим концам стержня (отсюда и название «двухточечный метод»). Измеряется величина тока, протекающего через стержень, и, поскольку напряжение уже известно, сопротивление рассчитывается по формуле ниже

.

`R =\frac{V}{I}`

Где R = сопротивление в Ом, В = напряжение в вольтах и ​​ I = ток в амперах.

Электропроводность стержня можно рассчитать как

`\sigma =\frac{l}{Rwh}`

Где σ — проводимость в См/м, R — измеренное сопротивление в Ом, а w , h и l — ширина, высота и длина стержня образца соответственно.

Четырехточечная техника

Двухточечный метод по своей природе подвержен ошибкам, потому что измерительное оборудование эффективно обладает свойствами, которые также измеряются одновременно с испытуемым образцом. {1}}{Vwh}`

Где σ — проводимость, измеренная в См/м, I — ток, измеренный амперметром, в амперах, В — напряжение, измеренное вольтметром, в вольтах, l ¹ — длина между две точки, в которых измеряется напряжение, w и h — ширина и высота стержня образца соответственно.

Приложения и материалы

Электропроводность

находит применение в различных отраслях промышленности, от передачи электроэнергии до электроники. Вот несколько примеров распространенных применений принципа проводимости [3].

• Воздушные линии электропередач, используемые для передачи электроэнергии, обычно изготавливаются из алюминия, так как он является очень хорошим проводником электричества. Точно так же большинство изоляторов сделаны из полимера с очень низкой проводимостью для защиты людей от поражения электрическим током.
• Во избежание электростатического разряда (ЭСР) электропроводящие пластмассы и композиты рассеивают статическое электричество. Это важно в электронике, где пластмассы используются для корпусов и других приложений, где электростатический разряд может вызвать воспламенение легковоспламеняющегося газа или жидкости.
• Электрическая проводимость может использоваться датчиком для определения границы раздела двух жидкостей, если они имеют значительную разницу в проводимости. Это может быть полезно при химической обработке и производстве продуктов питания и напитков.
• Опреснение морской воды использует электропроводность для контроля того, насколько хорошо растворенные ионные твердые вещества удаляются из воды, и, таким образом, дает представление о полноте процесса очистки.

Будущие материалы и области применения

Редкость некоторых материалов, стоимость их производства и другие факторы означают, что не всегда выбирается наилучший материал для определенного применения с точки зрения электропроводности.Серебро, известное как лучший металлический проводник, идеально подошло бы для применения в интегральных схемах, поскольку оно инертно. Золото, хотя и менее проводящее, было бы лучше, чем серебро, когда важна защита от радиации. Алмаз, материал с наименьшей проводимостью, который мы упоминали до сих пор, может быть единственным вариантом, когда речь идет о высоких давлениях. Наконец, сверхпроводники являются почти идеальными материалами, но для их работы требуются температуры, близкие к абсолютному нулю. Квантовые суперкомпьютеры разрабатываются таким образом, что им потребуются сверхпроводники, поскольку их расчеты основаны на точном числе разрядов электронов для работы с их скоростью и точностью [4].

Для линий электропередач требуется комбинация материалов, обладающих свойствами электропроводности и удельного электрического сопротивления.

[1] А. Хельменстин, «Таблица удельного электрического сопротивления и проводимости», [онлайн] Доступно по адресу: https://sciencenotes.org/table-of-electrical-resistivity-and-conductivity/, 2019.

[2] Хини, Майкл Б. «Электропроводность и удельное сопротивление». Электрические измерения, обработка сигналов и отображение .Эд. Джон Г. Вебстер. CRC Press, 2003.

[3] «Теория и применение проводимости», Emerson Process Management [онлайн] Доступно по адресу: https://www.emerson.com/documents/automation/application-data-sheet-theory-application-of-conductivity -rosemount-en-68442.pdf

[4] G. Maglione, «Изучение сферы проводимости», [онлайн] Доступно по адресу: https://ysjournal.com/exploring-the-realm-of-conductivity/

Введение в тепло- и электропроводность (все содержание)

Примечание. Учебно-обучающие пакеты DoITPoMS предназначены для интерактивного использования на компьютере! Эта версия TLP для печати предоставляется для удобства, но не отображает все содержимое TLP.Например, отсутствуют какие-либо видеоролики и ответы на вопросы. Форматирование (разрывы страниц и т. д.) печатной версии непредсказуемо и сильно зависит от вашего браузера.

Содержимое

• Цели
• Прежде чем начать
• Введение
• Введение в дирижирование
• Металлы: модель электропроводности Друде
• Факторы, влияющие на электропроводность
• Металлы с теплопроводностью
• Электропроводность: неметаллы
• Неметаллы: тепловые фононы
• Приложения
• Резюме
• вопросов
• Идем дальше

Цели

По завершении этого пакета TLP вы должны:

• Понимать основные механизмы и модели тепло- и электропроводности в металлах и неметаллах.
• Помните о некоторых факторах, влияющих на оба типа проводимости.
• Знайте некоторые области применения обоих типов проводников и изоляторов.

Перед началом работы

Этот TLP является вводным, поэтому никаких специальных предварительных знаний не требуется. Однако существуют и другие TLP, которые охватывают более сложные темы, такие как полупроводники, ссылки на которые приведены в разделе «Дополнительная литература».

Введение

Электрическая проводимость охватывает невероятно большой порядок величины (30!) от изоляторов до металлов и даже может быть бесконечной в сверхпроводниках.Знание того, как управлять им, позволило совершить компьютерную революцию и постоянно увеличивать миниатюризацию

Теплопроводность, хотя для известных материалов она составляет всего около 10 порядков, по-прежнему имеет решающее значение для многих важных технологических достижений, от реактивных турбин и космических полетов до USB-холодильников для напитков.

Чтобы по-настоящему оценить эти достижения, необходимо иметь представление о том, как возникает проводимость в материалах. Существуют простые модели, которые можно использовать для прогнозирования поведения многих материалов; существуют тесные параллели между теплопроводностью и электропроводностью металлов, тогда как механизмы проводимости неметаллов совершенно различны.

Введение в дирижирование

Электропроводность

Важно не путать проводимость, электропроводность, сопротивление и удельное сопротивление.

Свойства материалов: электропроводность, σ , и удельное электрическое сопротивление, ρ

Электропроводность материала определяется как количество электрического заряда, переносимого в единицу времени через единицу площади под действием единичного градиента потенциала: J = σ E

, где J — плотность тока (ток на единицу площади), а E — градиент потенциала.Это еще один способ выражения закона Ома, который чаще формулируется как \(V = I R \).

Для изотропного материала:

\[ \sigma = \frac 1 \rho \]

Единицами измерения удельного электрического сопротивления являются омметры ( Ом·м ), а для проводимости – обратные единицы ( Ом ^-1 м ^-1 ). Для фактического образца длиной l и площадью поперечного сечения A сопротивление R рассчитывается по формуле:

\[ R = \rho \frac l A \]

Электрические сигналы распространяются со скоростью, близкой к скорости света, хотя это означает, что , а не , сами электроны движутся так же быстро. Вместо этого типичная скорость дрейфа электронов (их средняя скорость) намного ниже: менее 1 мм с ^-1 . Это расширено в разделе модели Drude.

Еще одно уместное напоминание касается потенциала и тока: ток — это поток электронов, а потенциал — это движущая сила, которая заставляет их течь. При достаточном потенциале электроны могут нести заряд через любой материал, включая вакуум (см. ЭЛТ), хотя они бессильны без какого-либо чистого тока.

Лучшими электрическими проводниками (кроме сверхпроводников) являются чистая медь и чистое серебро с удельным сопротивлением 16,78 и 15,87 нОм соответственно. Для сравнения, полистирол имеет удельное сопротивление до 10 ²⁸ нОм, разница на 27 порядков!

Теплопроводность:

Чтобы понять теплопроводность материалов, важно ознакомиться с концепцией теплопередачи, которая представляет собой перемещение тепловой энергии от более горячего тела к более холодному.Это происходит в нескольких случаях:

• Когда температура объекта отличается от температуры окружающей среды;
• Когда температура объекта отличается от температуры другого объекта, находящегося с ним в контакте;
• Когда внутри объекта существует градиент температуры.

Направление теплопередачи определяется вторым законом термодинамики, который гласит, что энтропия изолированной системы, не находящейся в тепловом равновесии, имеет тенденцию к увеличению со временем, приближаясь к максимальному значению при равновесии.Это означает, что передача тепла всегда происходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой и будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнуто тепловое равновесие.

Перенос тепловой энергии происходит только тремя способами: проводимостью, конвекцией и излучением. Каждая мода имеет свой механизм и скорость теплопередачи, и, таким образом, в любой конкретной ситуации скорость теплопередачи зависит от того, насколько преобладает конкретная мода.
 
Проводимость включает передачу тепловой энергии за счет комбинации диффузии электронов и фононных колебаний – применимо к твердым телам.

Конвекция связана с передачей тепловой энергии в движущейся среде – горячий газ/жидкость движется через более холодную среду (обычно из-за различий в плотности).

Излучение включает передачу тепловой энергии электромагнитным излучением. Солнце — хороший пример передачи энергии через (почти) вакуум.

Этот TLP фокусируется на проводимости в кристаллических твердых телах.

Теплопроводность, К,  – это свойство материалов, которое указывает на способность проводить тепло.Первый закон Фурье дает тепловой поток, пропорциональный разности температур, площади поверхности и длине образца:

\[ H = \frac{\Delta Q}{\Delta t} = \kappa A\frac {\Delta T}{l}\]

, где ΔQ / Δt — скорость теплопередачи, A — площадь поверхности, а l — длина.

Лучшими металлическими теплопроводниками являются чистая медь и серебро. При комнатной температуре технически чистая медь обычно имеет проводимость около 360 Вт·м ^-1 К ^-1 (хотя теплопроводность монокристалла меди была измерена при 12 200 Вт·м ^-1 К ^-1 при температура 20.8 К). В металлах движение электронов преобладает над теплопроводностью.

Сыпучий материал с самой высокой теплопроводностью (помимо сверхтекучего гелия II), как это ни удивительно, является неметаллом: чистым монокристаллическим алмазом, который имеет теплопроводность при комнатной температуре около 2200 Вт·м ^-1 К ^-1 . Высокая проводимость используется даже для проверки подлинности бриллианта. Сильные ковалентные связи внутри молекулы ответственны за высокую проводимость, хотя свободных электронов нет, тепло проводится фононами.Большинство природных алмазов также содержат атомы бора, замещающие атомы углерода в кристаллической матрице, которые также обладают высокой теплопроводностью.

Металлы: модель электропроводности Друде

Из-за квантово-механической природы электронов полное моделирование движения электронов в твердом теле (т. е. проводимости) потребует рассмотрения не только всех ядер положительных ионов, взаимодействующих с каждым электроном, , но также каждого электрона с каждым другим электроном . Даже с помощью продвинутых моделей это быстро становится слишком сложным для адекватного моделирования материала макроскопического масштаба.

Модель Друде значительно упрощает ситуацию, используя классическую механику, и рассматривает твердое тело как фиксированный массив ядер в «море» несвязанных электронов. Кроме того, электроны движутся прямолинейно, не взаимодействуют друг с другом и случайным образом рассеиваются ядрами.

Вместо моделирования всей решетки используются два статистически полученных числа:
τ , среднее время между столкновениями ( время рассеяния ) и
l , среднее расстояние, пройденное между столкновениями ( среднее свободное путь )

Под действием поля E электроны испытывают силу –e E и, таким образом, получают ускорение от F = m a

Для электрона, выходящего из столкновения со скоростью v ₀ , скорость после времени t определяется как:

\[v =v_{0} — \frac{eEt}{m} \]

Конечно, если электроны рассеиваются случайным образом при каждом столкновении, v ₀ будет равно нулю. {2}\tau E}{м} \]

Проводимость σ = n e μ, где μ — подвижность , которая определяется как

\[ \mu = \frac{|v|}{E} = \frac{eE\tau}{mE} = \frac{e\tau}{m} \]

Конечным результатом всей этой математики является разумная аппроксимация проводимости ряда одновалентных металлов. При комнатной температуре с использованием кинетической теории газов для оценки скорости дрейфа модель Друде дает σ ~ 10 ⁶ Ω ^-1 м ^-1 .Это примерно правильный порядок величины для многих одновалентных металлов, таких как натрий ( σ   ~ 2,13 × 10 ⁵ Ω ^-1 м ^-1 ).

Модель Друде можно визуализировать с помощью следующего моделирования. Без приложенного поля видно, что электроны движутся хаотично. Используйте ползунок, чтобы применить поле, чтобы увидеть его влияние на движение электронов.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 8 или более поздней версии, который можно загрузить здесь.

Однако важно отметить, что для неметаллов, многовалентных металлов и полупроводников модель Друде с треском терпит неудачу. Чтобы иметь возможность более точно предсказывать проводимость этих материалов, необходимы квантово-механические модели, такие как модель почти свободных электронов. Они выходят за рамки данного TLP

.

Сверхпроводники также не объясняются такими простыми моделями, хотя дополнительную информацию можно найти в TLP по сверхпроводимости.

Факторы, влияющие на электропроводность

Электропроводность большинства металлических проводников (не полупроводников!) легко вычислить.Есть три важных случая:

Чистые и почти чистые металлы

Для чистых металлов при комнатной температуре удельное сопротивление линейно зависит от температуры.

\[ \rho_2 = \rho_1 [1 + \alpha(T_2 — T_1)]\]

Однако при низких температурах проводимость перестает быть линейной (сверхпроводники рассматриваются отдельно), а удельное сопротивление связано с температурой правилом Маттисена:

\[ \ rho (T) = {\ rho _ {{\ rm {дефект}}}} + {\ rho _ {{\ rm {тепловой}}}} \]

Низкотемпературное удельное сопротивление ( \({\rho _{{\rm{дефект}}}}\)) зависит от концентрации дефектов решетки, таких как дислокации, границы зерен, вакансии и межузельные атомы. Следовательно, она ниже в отожженных образцах металла с большими кристаллами и выше в сплавах и нагартованных металлах. Вы можете подумать, что при более высоких температурах у электронов будет больше энергии, чтобы они могли двигаться через материал, поэтому, возможно, довольно удивительно, что удельное сопротивление увеличивается (и, следовательно, уменьшается проводимость) при повышении температуры. Причина этого в том, что при повышении температуры электроны чаще рассеиваются на колебаниях решетки или фононах, что вызывает увеличение удельного сопротивления.Этот вклад в удельное сопротивление описывается как ρ _{тепловое} .

Температурная зависимость проводимости чистых металлов схематически показана в следующем моделировании. Используйте ползунок, чтобы изменить температуру, чтобы увидеть, как это влияет на движение электронов через решетку. Вы также можете ввести межузельные атомы, щелкнув внутри решетки.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 или более поздней версии, который можно загрузить здесь.

Сплавы — Твердый раствор

Как и прежде, добавление примеси (в данном случае другого элемента) снижает проводимость. Для твердого раствора изменение удельного сопротивления в зависимости от состава определяется правилом Нордгейма:

.

\[ \rho = \chi_{\alpha}\rho_{\alpha} +  \chi_{\beta}\rho_{\beta} + C\chi_{\alpha}\chi_{\beta} \]

, где C — константа, а CA и CB — атомные доли металлов A и B, удельное сопротивление которых равно ρA и ρB соответственно.2 \]

, где ΔZ — разница валентности растворенного вещества и растворителя.

Таким образом, растворенные атомы с более высоким (или более низким) зарядом, чем решетка, будут оказывать большее влияние на удельное сопротивление.

Многофазные сплавы

Для сплава, в котором есть две или более различных фаз, вклады просто линейно влияют на общее удельное сопротивление (хотя влияние многих границ зерен немного увеличивает удельное сопротивление).

\[ \rho = \chi_\alpha\rho_\alpha +  \chi_\beta\rho_\beta \]

Следующая анимация иллюстрирует правило Маттейзена, правило Нордгейма и смешанное правило.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 8 или более поздней версии, который можно загрузить здесь.

Металлы с теплопроводностью

Металлы обычно имеют относительно высокую концентрацию свободных электронов проводимости, и они могут передавать тепло при движении через решетку. Фононная проводимость также имеет место, но ее эффект перекрывается электронной проводимостью.

Следующее моделирование показывает, как электроны могут проводить тепло, сталкиваясь с ядрами и передавая тепловую энергию.Нажмите кнопку «источник», чтобы применить источник тепла к одной стороне образца. График покажет температурный градиент внутри образца, и вы также можете применить теплоотвод к противоположной стороне образца, используя кнопку «sink».

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 или более поздней версии, который можно загрузить здесь.

Закон Видемана-Франца

Поскольку преобладающий метод проводимости в металлах один и тот же для теплопроводности и электропроводности (т. {- 2}}\]

Закон можно объяснить тем, что свободные электроны в металле участвуют в механизмах переноса как тепла, так и электричества. Теплопроводность увеличивается со средней скоростью электронов, поскольку это увеличивает прямой перенос энергии. Однако электрическая проводимость уменьшается с увеличением скорости частиц, потому что столкновения отклоняют электроны от прямого переноса заряда.

Электропроводность: неметаллы

Хотя модель друда достаточно хорошо работает для одновалентных металлов, она не позволяет предсказать свойства полупроводников, сверхпроводников или неметаллических проводников.

Сверхпроводники и полупроводники лучше всего объясняются в их собственных TLP.

Ионная проводимость

Для некоторых материалов нет чистого движения электронов, но они все же проводят электричество.

Механизмом является ионная проводимость, при которой некоторые заряженные ионы могут двигаться через объемную решетку (посредством обычных механизмов диффузии, за исключением движущей силы электрического поля).

Такие ионные проводники используются в твердооксидных топливных элементах, хотя, например, для оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (YZT), рабочие температуры составляют от 500 до 1000 градусов Цельсия.Поскольку они проводят по механизму, подобному диффузии, более высокие температуры приводят к более высокой проводимости, что противоположно тому, что предсказывает простая модель Друде.

Напряжение пробоя

Существует важный и потенциально смертельный механизм, с помощью которого изолятор может стать проводящим. В воздухе это обычно можно распознать как молнию. Следует отметить, что этот механизм может ионизировать «изолятор», делая его временно более проводящим.

Газы обычно ионизируются в бытовых осветительных приборах.Наиболее распространены люминесцентные лампы и неоновые лампы.

Для первоначального возбуждения паров ртути в лампе люминесцентного типа необходим всплеск напряжения, превышающий напряжение пробоя. Это можно заметить при включении такой лампочки как внезапное зажигание с сопутствующим всплеском радиопомех. Неисправная трубка может не полностью ионизироваться, что приведет к небольшому свечению на концах.

Под высоким напряжением даже оргстекло может проводить ток. Временно ионизированный путь непрозрачен при охлаждении, что в данном случае дает фигуру Лихтенберга. Изображение «Фигура Лихтенберга» Берт Хикман

Более подробная информация доступна на странице TLP диэлектриков по поломке

.

Неметаллы: тепловые фононы

Как упоминалось ранее, у металлов есть два режима теплопроводности: электронный и фононный. Для неметаллов свободных электронов относительно немного, поэтому преобладает фононный метод.

Теплоту можно рассматривать как меру энергии колебаний атомов в материале.Как и во всех вещах на атомном уровне, существуют квантово-механические соображения; энергия каждой вибрации квантуется (и пропорциональна частоте). Фонон — это квант колебательной энергии, и при сочетании (суперпозиции) многих фононов макроскопически наблюдается тепло.

Энергия данного колебания решетки в жесткой кристаллической решетке квантуется в квазичастицу, называемую фононом . Это аналогично фотону в электромагнитной волне; тепловые колебания в кристаллах можно описать как термически возбужденные фононы, которые могут быть связаны с термически возбужденными фотонами.Фононы являются основным фактором, определяющим электрическую и тепловую проводимость материала.

Фонон — это квантово-механическая адаптация нормальных модальных колебаний в классической механике. Ключевым свойством фононов является корпускулярно-волновой дуализм; нормальные моды имеют волнообразные явления в классической механике, но приобретают корпускулярное поведение в квантовой механике.

Энергия фонона пропорциональна его угловой частоте ω:

\[\varepsilon = (n + \frac{1}{2})\hbar \omega \]

с квантовым числом n .Член \(\frac{1}{2}\hbar \omega \) – это энергия нулевой точки моды. Это определяется как наименьшая возможная энергия, которой обладает система, и является энергией основного состояния.

Если твердое тело имеет более одного типа атомов в элементарной ячейке, будет два возможных типа фононов: «акустические» и «оптические» фононы. Частота акустических фононов близка к частоте звука, а оптических фононов близка к частоте инфракрасного света. Их называют оптическими, потому что в ионных кристаллах они легко возбуждаются электромагнитным излучением.

Если кристаллическая решетка находится при нулевой температуре, она находится в основном состоянии и не содержит фононов. Когда решетку нагревают и выдерживают при ненулевой температуре, ее энергия не постоянна, а случайным образом флуктуирует около некоторого среднего значения. Эти колебания энергии вызваны случайными колебаниями решетки, которую можно рассматривать как газ фононов. Поскольку эти фононы порождаются температурой решетки, их иногда называют тепловыми фононами . Тепловые фононы могут быть созданы или уничтожены случайными флуктуациями энергии.

Принято считать, что фононы также обладают импульсом и поэтому могут проводить энергию через решетку. В отличие от электронов, здесь происходит суммарное движение фононов — от более горячей к более холодной части решетки, где они и разрушаются. Электроны должны поддерживать нейтральность заряда в решетке, поэтому нет чистого движения электронов во время теплопроводности.

Следующая симуляция схематично показывает оптические и акустические фононы в двумерной решетке и имеет возможность анимировать двумерный волновой вектор, определяемый щелчком внутри зеленого прямоугольника.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 или более поздней версии, который можно загрузить здесь.

Рассеивание Умклаппа

При столкновении двух фононов результирующий фонон имеет векторную сумму их импульсов. Способ квантово-механической обработки частиц, движущихся в решетке, в рамках схемы редуцированных зон (которая выходит за рамки данного TLP, но более подробно исследуется в TLP «Зоны Бриллюэна») приводит к концептуально странному эффекту. Если импульс слишком велик (вне первой зоны Бриллюэна), то результирующий фонон движется почти в противоположном направлении.Это рассеяние Умклаппа , и оно преобладает при более высоких температурах, уменьшая теплопроводность при повышении температуры.

Приложения

Кремниевые чипы

Поскольку электрические свойства зависят от микроструктуры, был разработан тип компьютерной памяти, называемый оперативной памятью с фазовым переходом (PC-RAM). Используемый материал представляет собой халькогенид, обозначаемый как GST (Ge ₂ Sb ₂ Te ₅ ).

Аморфное состояние является полупроводниковым, а в (поли)кристаллической форме – металлическим.Нагрев выше температуры стеклования, но ниже точки плавления кристаллизует ранее полупроводниковую аморфную ячейку. Точно так же полное плавление, а затем быстрое охлаждение ячейки оставляет ее в металлическом кристаллическом состоянии.

Это изменение удельного сопротивления в зависимости от микроструктуры имеет решающее значение для работы таких устройств. Изменяя условия нагрева, различная доля каждой ячейки GST может быть кристаллической и аморфной — применяется правило смеси, поскольку она фактически состоит из двух фаз.Это позволяет использовать несколько различимых уровней сопротивления на ячейку, повышая плотность хранения и снижая стоимость мегабайта.
 

Наиболее распространенной проблемой кремниевых устройств является рассеивание тепла.

Современный процессор имеет расчетную тепловую мощность более 70 Вт (Intel i7 3770, техпроцесс 22 нм). Охладитель должен рассеивать заданное количество тепла с поверхности кристалла, которая обычно не превышает 10 см ² . Обычно радиаторы имеют медный блок, прикрепленный к корпусу микропроцессора с помощью термопасты и давления.Основная часть радиатора обычно изготавливается из гораздо более дешевого алюминия, хотя для интерфейса необходима высокая теплопроводность меди. Термопаста, хотя и является лучшим проводником тепла, чем воздух, гораздо хуже, чем большинство металлов, поэтому она используется только в виде тонкого слоя для замены воздушных зазоров.

Теплопроводность — не самый эффективный метод отвода тепла к отдельному радиатору, поэтому можно использовать конвекцию и скрытую теплоту испарения. Тепловые трубы, обычно изготовленные из меди, заполнены жидкостью с низкой температурой кипения, которая кипит на горячем конце и конденсируется на холодном конце трубы.Это гораздо более быстрый способ передачи тепла на большие расстояния.

Космос

Существует множество применений теплоизоляторов, развитие которых связано с попытками улучшить объемные механические свойства при сохранении изоляционных свойств (т. е. не пропускать тепло, но не плавиться)

Особенно известное применение теплоизоляции — это (теперь снятые с производства) плитки космического челнока, которые отвечают за защиту шаттла во время входа в атмосферу.Они такие хорошие изоляторы, что снаружи могут раскалить докрасна, а внутри шаттла астронавты все еще живы.

Одним из лучших теплоизоляторов является кремнеземный аэрогель.

Аэрогель представляет собой твердотельный материал чрезвычайно низкой плотности, изготовленный из геля, в котором жидкая фаза геля заменена газом. В результате получается твердое вещество с чрезвычайно низкой плотностью, что делает его эффективным теплоизолятором.

Одно из применений аэрогеля — сборщик легких микрометеоритов, использовался аэрогель.Несмотря на то, что он очень легкий, он достаточно силен, чтобы улавливать микрометеоры.

Спички остаются холодными в миллиметрах от паяльной лампы, большое количество кирпичей из аэрогеля готово к запуску в космос, а полученная космическая пыль фотографируется по возвращении на Землю

Аэрогели могут быть изготовлены из различных материалов, но имеют универсальную структуру. (аморфные «нанопены» с открытыми порами). Однако наиболее распространенным материалом является силикат. Аэрогели кремнезема были впервые обнаружены в 1931 году.

Аэрогели имеют экстремальную структуру и экстремальные физические свойства. Высокопористая природа структуры аэрогеля обеспечивает низкую плотность. Процент открытого пространства в структуре аэрогеля составляет около 94% для геля плотностью 100 кг м ^{— 3} .

Аэрогели являются хорошими теплоизоляторами, поскольку они исключают три метода передачи тепла (конвекцию, теплопроводность и излучение). Они являются хорошими конвективными изоляторами из-за того, что воздух не может циркулировать по решетке.Аэрогель кремнезема является особенно хорошим проводящим изолятором, потому что кремнезем плохо проводит тепло, а металлический аэрогель, с другой стороны, был бы менее эффективным изолятором. Углеродный аэрогель является эффективным изолятором излучения, поскольку углерод способен поглощать инфракрасное излучение, передающее тепло. Следовательно, для максимальной теплоизоляции лучшим аэрогелем является кремнезем, легированный углеродом.

Трансмиссия

Одним из самых масштабных применений электрических проводников является передача электроэнергии.

К сожалению, свойства, желательные для прочного кабеля, кажутся противоположными свойствам хорошего проводника.

Алюминиевые сплавы

могут быть очень прочными для своей плотности, но, следуя правилу Нордгейма, являются гораздо худшими проводниками.

Существует огромное разнообразие сталей, но опять же, внедренные атомы углерода повышают сопротивление по сравнению с чистым железом. Это означает, что необходим трос большего диаметра, который из-за плотности стали получается очень тяжелым и дорогим.Более тяжелый кабель также означает, что мы должны построить дополнительные опоры, что составляет большую часть стоимости.

Медь

, хотя и подходит для домашней проводки, плотная и все более дорогая.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 или более поздней версии, который можно загрузить здесь.

Для большинства воздушных кабелей решение состоит в использовании двух материалов: стального сердечника, окруженного множеством отдельных алюминиевых сердечников. Это позволяет получить легкие, высокопрочные кабели с приемлемой электропроводностью.

Сверхпроводники были опробованы для передачи энергии, но только под землей и при значительно более высокой стоимости (и эффективности!).

Термоэлектрический эффект

Термоэлектрический эффект – это прямое преобразование разницы температур в электрическое напряжение и наоборот. Проще говоря, термоэлектрический прибор создает напряжение, когда на каждой стороне прибора разная температура. Он также может работать «назад», поэтому при подаче на него напряжения создается разница температур.Этот эффект можно использовать для выработки электроэнергии, измерения температуры, охлаждения объектов или их нагрева. Поскольку знак приложенного напряжения определяет направление нагрева и охлаждения, термоэлектрические устройства представляют собой очень удобные регуляторы температуры.

Эффект Пельтье заключается в том, что при протекании (постоянного) тока через переход металл-полупроводник тепло либо поглощается, либо выделяется. Это связано с тем, что средняя энергия электронов в двух материалах различна, и тепло компенсирует эту разницу.

Для более полного понимания требуется знание зонной структуры, которая более подробно рассматривается в TLP по полупроводникам.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 или более поздней версии, который можно загрузить здесь.

Резюме

Теперь мы рассмотрели основы электро- и теплопроводности, а также некоторые из наиболее распространенных приложений. Вы должны понимать роль электронов и фононов в теплопроводности, а также то, как взаимодействия между ними приводят к изменению электропроводности с температурой.Вы должны понимать, что у металлов больше механизмов теплопередачи, чем у их неметаллических аналогов, что объясняет, почему они имеют более высокую теплопроводность. Кроме того, этот TLP должен был затронуть некоторые из основных областей применения тепловых и электрических проводников и изоляторов. Наконец, установлена ​​связь между теплопроводностью и электропроводностью в металлах, включая закон Видемана-Франца.

Обобщим факторы, влияющие на электропроводность:

• Температура – ​​при повышении температуры средняя энергия на фонон увеличивается, а благодаря механизму рассеяния с перебросом теплопроводность снижается.Фононы также сильнее рассеивают электроны.

• Электронная плотность (в металлах) – если электроны являются проводниками, большее количество (валентных) электронов обычно приводит к лучшей проводимости.

• Легирование – междоузлия рассеивают электроны и снижают проводимость. Границы фаз, примеси, дислокации и т. д. снижают проводимость даже при низкой температуре.

Вопросы

Быстрые вопросы

Вы сможете без особого труда ответить на эти вопросы после изучения этого TLP.Если нет, то вы должны пройти через это снова!

1. Для фононов нормальные моды

2. Используя предположения модели свободных электронов, как кристаллические решетки влияют на электроны?

3. Рассеяние Умклаппа:

4. Согласно закону Видемана-Франца, что из следующего верно?

5. Какие из следующих утверждений об электропроводности почти чистых материалов верны?

6. Какой из них является правильным порядком с точки зрения электропроводности от лучшей к худшей (предполагается, что чистые материалы)?

   		Nb 3 Sn при 4К, Ag при 300К, Au при 300К, Nb 3 Sn при 300К, Cu при 300К.
   	б	Ag при 300K, Cu при 300K, Nb 3 Sn при 4K, Au при 300K, Nb 3 Sn при 300K.
   	с	Nb 3 Sn при 4K, Ag при 300K, Cu при 300K, Au при 300K, Nb 3 Sn при 300K.
   	д	Nb 3 Sn при 300К, Cu при 300К, Ag при 300К, Au при 300К, Nb 3 Sn при 4К.
   	е	Nb 3 Sn при 4К, Cu при 300К, Nb 3 Sn при 300К, Ag при 300К, Au при 300К.

Идем дальше

Книги

Курс NST IB по химии A и/или курс NST IB Physics A также более подробно рассматривает проводимость.

веб-сайтов

Академический консультант: Джесс Гвинн (Кембриджский университет)
Разработка контента: Эндрю Уитти
Фото и видео:
Веб-разработка: Лиан Сэллоуз и Дэвид Брук

DoITPoMS финансируется Великобританией
Центр материального образования и кафедра
Материаловедения и металлургии, Кембриджский университет

Электропроводность – металлы – электроны, температура, ток и ион

В настоящее время известно, что металлы в первую очередь представляют собой элементы, характеризующиеся атомами, у которых на самой внешней орбитальной оболочке очень мало электронов с соответствующими значениями энергии. Наивысшая проводимость наблюдается у металлов, в которых только один электрон занимает состояние в этой оболочке. Серебро, , медь и золото являются примерами металлов с высокой проводимостью. Металлы находятся в основном в левой части периодической таблицы 91 250 элементов и в переходных столбцах. Электроны, вносящие вклад в их проводимость, также являются электронами, определяющими их химическую валентность в образующихся соединениях. Некоторые металлические проводники представляют собой сплавы двух или более металлических элементов , таких как сталь , латунь, бронза и олово.

Кусок металла представляет собой блок металлических атомов. В отдельных атомах валентные электроны слабо связаны со своими ядрами. В блоке при комнатной температуре эти электроны имеют достаточную кинетическую энергию, чтобы позволить им уйти от своих первоначальных местоположений. Однако этой энергии недостаточно, чтобы полностью удалить их из блока из-за потенциальной энергии поверхности, самого внешнего слоя атомов. Таким образом, в своих местах атомы ионизируются, то есть остаются с чистым положительным зарядом, и называются ионными ядрами.В целом металл электрически нейтрален, поскольку заряды электронов и ионных остовов равны и противоположны. Электроны проводимости связаны с блоком в целом, а не с ядрами.

Эти электроны движутся как облако через пространства, разделяющие ионные ядра. Их движение случайное , имеющее некоторое сходство с молекулами газа, особенно рассеяние, но природа рассеяния иная. Электроны не подчиняются классическим газовым законам; их движение в деталях должно быть проанализировано квантово-механически.Однако большая часть информации о проводимости может быть понята классически.

Конкретный образец металла может иметь удобную правильную форму, такую ​​как цилиндр (проволока) или призма (стержень). Когда батарея подключена к концам провода, электрохимическая энергия батареи создает разность потенциалов или напряжение между концами. Эта разность электрических потенциалов аналогична холму в гравитационной системе. Затем заряженные частицы будут двигаться в направлении, аналогичном нисходящему.В металле доступные электроны будут двигаться к положительной клемме или аноду батареи. Когда они достигают анода, батарея впрыскивает электроны в провод в равных количествах, тем самым сохраняя провод электрически нейтральным. Эта циркуляция заряженных частиц называется током, а замкнутый путь называется цепью. Аккумулятор действует как электрический аналог насоса. В отличие от гравитационной аналогии, в которой объекты могут падать и приземляться, перенос заряженных частиц требует замкнутого контура.

Ток определяется с точки зрения переноса заряда:

, где I — ток, q — заряд, t — , время . Таким образом, q/t — это скорость переноса заряда по проводу. В металле, пока его температура остается постоянной, ток прямо пропорционален напряжению. Эта прямая пропорция в математических терминах называется линейной, потому что ее можно описать простым линейным алгебраическим уравнением:

В этом уравнении V — это напряжение, а G — константа пропорциональности, известная как проводимость, которая не зависит от V и остается постоянной при постоянной температуре. Это уравнение является одной из форм закона Ома, принципа, применимого только к материалам с линейной электропроводностью. В свою очередь, такие материалы называются омиками.

Более известная форма закона Ома:

, где R равно 1/G и называется сопротивлением.

Концептуально идея сопротивления прохождению тока в историческом развитии предшествовала идее переноса заряда.

Сравнение разности электрических потенциалов с холмом в гравитационных системах приводит к идее градиента или уклона.Скорость изменения напряжения по длине провода, измеренная относительно любого конца, называется электрическим полем:

Поле E прямо пропорционально V и обратно пропорционально L в линейном или омическом проводнике. Это поле совпадает с электростатическим полем, определенным в статье по электростатике. Знак минус связан с необходимостью отрицательного градиента для обозначения «спуска». Электрическое поле в этом описании концептуально аналогично гравитационному полю вблизи земной поверхности.

Экспериментальные измерения тока и напряжения в металлических проводах различных размеров при постоянной температуре показывают, что сопротивление увеличивается прямо пропорционально длине и обратно пропорционально площади поперечного сечения. Эти вариации позволяют рассматривать сам металл отдельно от размеров образца. Использование константы пропорциональности для свойства материала дает соотношение:

, где ρ называется удельным сопротивлением металла. При инвертировании этого уравнения на первое место ставится проводимость, а не сопротивление:

, где σ — проводимость, — обратная величина (1/ρ) удельного сопротивления.

Этот анализ может быть расширен заменой эквивалентных выражений:

Введение понятия плотности тока или тока, протекающего на единицу площади поперечного сечения:

дает выражение без всех внешних измерений, необходимых для его фактического вычисления:

Это уравнение называется полевой формой закона Ома и является первым из двух физических определений проводимости, а не математическим.

Природа проводимости в металлах может быть изучена более глубоко, если рассматривать электроны в объеме металла.Такой подход называется микроскопическим, в отличие от макроскопических свойств металлического образца. Под влиянием внутреннего электрического поля в материале электронное облако будет дрейфовать к аноду батареи. Этот дрейф очень медленный по сравнению со случайными тепловыми движениями отдельных электронов. Облако можно охарактеризовать концентрацией электронов, определяемой как общее количество на единицу объема :

, где n — концентрация, N — общее количество, а U — объем металла (здесь U используется для обозначения объема вместо V, который в качестве алгебраического символа зарезервирован для напряжения).Тогда общий дрейфующий заряд составит:

, где e — заряд каждого электрона.

N слишком велико для перечисления; однако, если в качестве первого приближения каждый атом рассматривать как вклад одного валентного электрона в облако, число атомов можно оценить по объему образца, плотности металла и атомной массе . Вычисленное таким образом значение n не совсем точно даже для одновалентного металла, но по порядку величины согласуется.(Поправки носят квантово-механический характер; металлы более высокой валентности и сплавы требуют более сложных квантовых поправок.) Средняя скорость дрейфа облака есть отношение длины проволоки к среднему времени, необходимому для электрона. пройти эту длину. Алгебраические замены, подобные показанным ранее, покажут, что плотность тока пропорциональна скорости дрейфа:

Скорость дрейфа накладывается на тепловое движение электронов.Эта комбинация движений, при которой электроны отскакивают от металла, приводит к микроскопическому описанию электрического сопротивления, которое включает в себя идею предела поступательного движения. Лимит выражен в термине мобильность:

, так что подвижность, отношение скорости дрейфа к электрическому полю, является конечной и характерной для конкретного металла.

Объединение этих двух последних уравнений дает второе физическое определение проводимости:

Движение электронов среди вибрирующих ионных ядер может быть проанализировано с помощью второго закона Ньютона, который гласит, что результирующая сила , действующая на массу, производит ускорение :

Ускорение, в свою очередь, приводит к увеличению скорости. Если бы не было противодействия движению электрона в пространстве между ионными ядрами, подключение батареи к концам провода произвело бы ток, увеличивающийся со временем пропорционально такому увеличению скорости. Эксперимент показывает, что ток стабилен, так что результирующего ускорения нет.

Тем не менее, батарея создает электрическое поле в проводе, которое, в свою очередь, создает электрическую силу, действующую на каждый электрон:

Таким образом, должна быть равная и противоположная сила, связанная с поведением ионных ядер.Аналогией здесь является воздействие молекул воздуха на объект, падающий в атмосферу, например на каплю дождя. Эта жидкость трения создает силу, пропорциональную скорости, которая достигает конечного значения, когда сила трения становится равной весу. Это стационарное состояние, для которого результирующая сила равна нулю , соответствует дрейфовой скорости электронов в проводнике. Подобно тому, как капля дождя быстро достигает постоянной скорости падения, электроны в металле гораздо быстрее достигают постоянной скорости дрейфа, проявляющейся в постоянном токе.

До сих пор это обсуждение требовало поддержания постоянной температуры. Для металлов экспериментальные измерения показывают, что проводимость уменьшается с повышением температуры. Исследования показывают, что для металла с фиксированными n и e именно снижение подвижности объясняет это снижение проводимости. Установлено, что при умеренном повышении температуры экспериментальное изменение соответствует линейной зависимости:

Здесь индекс «0» относится к начальным значениям, а называется температурным коэффициентом удельного сопротивления.Установлено, что этот коэффициент меняется при больших изменениях температуры.

Чтобы изучить взаимосвязь между температурой и подвижностью электронов в металле, необходимо рассмотреть поведение ионных остовов. Ионные ядра расположены в трехмерной кристаллической решетке . В большинстве распространенных металлов структура кубическая, и транспортные функции не сильно зависят от направления. Тогда металл можно рассматривать как изотропный, то есть не зависящий от направления, и все предыдущие уравнения применяются так, как написано. Для анизотропных материалов ориентационная зависимость переноса в кристаллах приводит к семействам уравнений с наборами коэффициентов направления, заменяющих используемые здесь простые константы.

Температура связана с колебательной кинетической энергией ионных ядер, находящихся в движении относительно своего положения равновесия. Их можно уподобить массам, соединенным между собой пружинами в трех измерениях, причем их связи действуют как пружины. Электроны, пытающиеся двигаться среди них, будут случайным образом отклоняться или рассеиваться этими колебаниями решетки, которые квантуются.Колебательные кванты называются фононами по аналогии с фотонами. Усовершенствованная теория проводимости основана на анализе рассеяния электронов фононами.

С увеличением колебательной энергии при повышении температуры рассеяние увеличивается, так что дрейфовое движение подвергается большему нарушению. Таким образом, для поддержания данного тока потребуется более сильное поле при более высокой температуре.

Если бы ионные ядра определенного металла были идентичными и стационарными в своих точных равновесных узлах решетки, электронное облако могло бы дрейфовать между ними без сопротивления, то есть без сопротивления.Таким образом, можно выделить три фактора сопротивления: (а) колебания решетки, (б) смещение ионного ядра из узлов решетки и (в) химические примеси, которые являются неправильными ионными ядрами. Факторы (а) и (б) зависят от температуры, и посторонние атомы вносят свой вклад в их тепловое движение, а также в их неправильность. Кроме того, места, где отсутствуют ионы или вакансии, также являются неправильными и способствуют рассеянию. Смещения, вакансии и примеси относятся к дефектам решетки.

Прямое распространение теплового поведения вниз к абсолютному нулю температуры предполагает, что сопротивление должно падать до нуля монотонно.Этого не происходит, потому что дефекты решетки остаются неправильными, а колебательная энергия не падает до нуля. Квантовая механика объясняет остаточную энергию нулевой точки. Однако во многих металлах и многих других веществах при температуре, близкой к нулю, наблюдается совершенно новое явление — внезапное падение удельного сопротивления до нуля. Это называется сверхпроводимостью.

Электропроводность Электропроводность металла, полупроводника и изолятора | Band Theory

Что такое проводимость?

Если мы приложим одинаковую разность потенциалов к разным проводникам, мы увидим, что по ним текут разные токи.На самом деле, какой ток будет течь через конкретный проводник при определенной приложенной к нему разности потенциалов, зависит от конкретного свойства проводника, называемого электрической проводимостью .

Это свойство определяет, насколько легко ток может течь по проводнику. Как мы знаем, сопротивление – это такое свойство проводника, которое сопротивляется протеканию по нему тока. Это означает, что электрическая проводимость является обратной характеристикой сопротивления. Обычно проводимость обозначается как

Определение электрической проводимости

Электрическая проводимость определяется как особое свойство проводника, которое определяет, насколько легко ток может течь через него.

Уравнение или формула электрической проводимости

Возьмем кусок проводника длиной l и площадью поперечного сечения A. Если длину проводника увеличить, электронам придется пройти больше путей. Отсюда большая вероятность межатомных столкновений. Это означает, что ток проходит гораздо более трудный путь, а это означает, что электрическая проводимость проводника уменьшается.

Таким образом, проводимость обратно пропорциональна длине проводника.

Если площадь поперечного сечения проводника увеличивается, то ток получает больше дрейфующих электронов.Следовательно, проводимость проводника увеличивается.

Из уравнения (1) и (2),

Где σ = константа пропорциональности, известная как проводимость или удельная проводимость.

Удельная проводимость или проводимость

В уравнении проводимости мы уже упоминали термин σ или сигма как проводимость. Теперь в этом уравнении, если мы положим l = 1m и A = 1m ² , тогда G = σ. Это означает, что σ — проводимость проводника, длина которого составляет 1 м, а площадь поперечного сечения — 1 м ² .То средняя удельная проводимость или электропроводность – это проводимость проводника, объем которого 1 м × 1 м ² = 1 м ³ .

Определение электропроводности

Электропроводность материала на единицу объема.
Электропроводность является основным свойством материала. Благодаря этому свойству один материал может проводить электричество. Некоторые материалы являются хорошими проводниками электричества, что означает, что через них очень легко проходит ток; опять же, некоторые материалы не пропускают через себя ток.Материал, через который легко проходит ток, называют хорошим проводником электричества, другими словами, электропроводность этих материалов высока. С другой стороны, материалы, не пропускающие ток через себя, называются электрическими изоляторами. Есть некоторые материалы, электрическая проводимость которых не такая высокая, как у проводника, а также не такая плохая, как у изолятора, они имеют промежуточную проводимость, и такие материалы известны как полупроводники.

Единица проводимости

Как мы упоминали ранее, проводимость обратно пропорциональна сопротивлению сопротивления.То есть

Единицей сопротивления является ом и поэтому единица проводимости обычно пишется как мхо – обратное написание ома. Современная электротехника, mho названа Siemens.

Единица проводимости

Уравнение проводимости, которое мы уже вывели как,

Следовательно, единица проводимости

Здесь S — Сименс.

Таблица удельного сопротивления и проводимости различных материалов на 20

^o C Материал Удельное сопротивление Удельное сопротивление при 20 ^o C Проводимость 20 ^O C Air 1.3 × 10 ¹⁶ до 3.3 × 10 ¹⁶ 3 × 10 3 × 10 ^-15 до 8 × 10 ^-15 алюминий 2,82 × 10 ^-8 3,5 × 10 ⁷ отжигают меди 1. 72 × 10 ^-8 5.80 × 10 ⁷

кальций 3.36 × 10 ^-8 2.98 × 10 ⁷ Углерод (аморфный) 5 × 10 ^-4 до 8 × 10 ^-4 1.25-2 × 10 ³ углерода (Diamond) 1 × 10 ¹² ~ 10 -13

~ 10 ^-13 углерода (графит) 2,5 × 10 ^-6 5.0 × 10 ^-6 // Базальный самолет 2 до 3 × 10 ⁵ // Базальный самолет Углеродистая сталь -10 10

1.43 × 10-7 Constantan 4,9 × 10 ^-7 2.04 × 10 ⁶ медь

1,68 × 10 ^-8 5.96 × 10 ⁷

Деонизированные воды 1.8 × 10 ⁵ 5,5 × 10 ^-6 питьевой воды 2 × 10 ¹ до 2 × 10 ³ 5 × 10 ^-4 до 5 × 10 ^{-4 -2} Fused кварц 7,5 × 10 ¹⁷ 1. 3 × 10 ^{-18 -18} GaAs 5 × 10 ^-7 до 10 × 10 ^-3 5 × 10 ^-8 до 10 ³ Germium 4.6 × 10 ^{-1 -1} 2.17 10 × 10 ¹⁰ до 10 × 10 ¹⁴ 10 ^-11 до 10 ^-15 Gold 2,44 × 10 ^-8 4.10 × 10 ⁷ Зерно-ориентированная электрическая сталь 4,60 × 10 ^-7 2,17 × 10 ⁶

Жесткая резина 1 × 10 ¹³ 10 ^{— 14} Iron 1,0 × 10 ^-7 1,00 × 10 ⁷ 22 × 10 ^-7 4,55 × 10 ⁶ Литий 9. 28 × 10 ^-8 1.08 × 10 ⁷ Manganin 4,82 × 10 ^-7 2,07 × 10 ⁶ Mercury 9,8 × 10 ^-7 1.02 × 10 ⁶ Nichrome 1,10 × 10 ^-6 9.09 × 10 ⁵ Nickel 6.95 × 10 ^-8 1.43 × 10 ⁷ Paraffin Wax 1 × 10

17

Pet 10 × 10 ²⁰ 10 -21

10 ^-21 Platinum 1.06 × 10 ^{-7 -7} 9.43 × 10 ⁶ 2 × 10 2 × 10

-1 4,8 Silicon 6.40 × 10 ² 1,56 × 10 ^{-3 -3} Silver 1,59 × 10 ^-8 6. 30 × 10 ⁷

Нержавеющая сталь 6.9 × 10 ^-7 1,45 × 10 ⁶ Sulfur 1 × 10 ¹⁵ 10 -16

Teflon 10 × 10 ²² до 10 × 10 ²⁴ 10 -25

до 10 ^-23 Олово 1.09 × 10 ^{-7 -7} 9.17 × 10 ⁶ Titanium 4.20 × 10 ^-7 2,38 × 10 ⁶ Tungsten 5.60 × 10 ^-8 1.79 × 10 ⁷ дерева (влажный) 1 × 10 ³ до 4 10 ^-4

до 10 ^-3 дерева (духовка сухая) 1 × 10 ¹⁴ до 16 10 ^-16 до 10 ^-14 Цинк 5. 90 × 10 ^-8 1,69 × 10 ⁷

Зонная теория электропроводности

Электроны на самой внешней орбите атома испытывают наименьшую силу притяжения. Таким образом, самый внешний атом может быть легко отделен от родительского атома. Давайте объясним детали с помощью теории полос.
При сближении нескольких атомов электроны одного атома испытывают силы других атомов. Этот эффект наиболее заметен на большинстве внешних орбит.Благодаря этой силе энергетические уровни, четко очерченные в изолированном атоме, теперь расширяются в энергетические зоны. Из-за этого явления обычно образуются две зоны, а именно валентная зона и зона проводимости.

Валансная полоса

Самая дальняя орбиталь атома, где электроны настолько тесно связаны, что; они не могут быть удалены как свободный электрон.

Зона проводимости

Это самый высокий энергетический уровень или орбиталь в самой внешней оболочке, в которой электроны достаточно свободны для движения.

Запрещенная зона

Существует одна энергетическая щель, которая разделяет эти две зоны, валентную зону и зону проводимости. Эта щель называется запрещенной энергетической щелью.

Электропроводность металла

В металлах атомы настолько плотно упакованы, что электрон одного атома испытывает достаточно значительную силу других замкнутых атомов. В результате валентная зона и зона проводимости в металлах сближаются и даже могут перекрываться. Следовательно, получая очень небольшое количество энергии от внешнего источника тепла или электроэнергии, электроны легко поднимаются на более высокие уровни в металле.Такие электроны известны как свободные электроны. Эти свободные электроны ответственны за ток, протекающий через металл. Когда внешний электрический источник подключен к куску металла, эти свободные электроны начинают течь к клемме источника с более высоким потенциалом, вызывая протекание тока в металле. В металле плотность свободных электронов в зоне проводимости намного выше, чем в других материалах, поэтому металл называют очень хорошим электрическим проводником. Другими словами, электропроводность металла очень хорошая.

Таблица для проводимости разных металлов

Metals	Проводимость в Siemens / Meter на 20 O C
Silver	6.30 × 10 7
COMPE	5.96 × 10 7
алюминий	3,5 × 10 7
отжигают меди	5,80 × 10 7
Caltium	2.98 × 10 7
Углеродистая сталь (1010)	6.99 × 10 6
Constantan	2,04 × 10 6
GaAs	5 × 10 -8 до 10 3 3
Gold	4.10 × 10 7
	2,17 × 10 6
Iron	1,00 × 10 7
Свинец	4. 55 × 10 6
Литий	1,08 × 10 7
Манганин	2,07 × 10 6
Ртуть	1,02 × 10 6
Нихром	9.09 × 10	9.09 × 10 5
Nickel	1.43 × 10 7
Platinum	9.43 × 10 6
Нержавеющая сталь	1.45 × 10 6
Олово	9,17 × 10 6
титана	2,38 × 10 6
Вольфрам	1,79 × 10 7
Цинк	1,69 × 10 7

Электропроводность полупроводника

В полупроводнике валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной зоной достаточной ширины.При низкой температуре ни один электрон не обладает достаточной энергией, чтобы занять зону проводимости, и, следовательно, движение заряда невозможно. Но при комнатной температуре некоторые электроны могут отдавать достаточную энергию и совершать переходы в зоне проводимости. Плотность электронов в зоне проводимости при комнатной температуре не так высока, как в металлах, поэтому они не могут проводить ток так же хорошо, как металл. Электропроводность полупроводника не такая высокая, как у металла, но и не такая плохая, как у электрического изолятора.Вот почему этот тип материала называется полупроводником, что означает полупроводник.

Таблица для проводимости различных полупроводников

^O

полупроводник	проводимость в Siemens / Meter на 20 O C	Germanium
Silicon	1,56 × 10 — 3

Электропроводность изолятора

В идеале электрическая проводимость электрического изолятора равна нулю.Атомы в молекулах изолятора достаточно электрически стабильны. Внешние оболочки этих атомов полностью заполнены электронами. В таком материале, где запрещенная зона очень велика, и в результате энергия, необходимая электрону для перехода в зону проводимости, практически достаточно велика. Изоляторы плохо проводят электричество. Это означает, что электропроводность изолятора очень плохая.

Таблица для проводимости различных изоляторов

Изолятор	Проводимость в Siemens на метр на 20 O C
Air	3 × 10 -15 до 8 × 10 -15
Плавленый кварц	1.3 × 10 -18 -18
10 -11	10 -11 до 10 -15
30091
10 -14
Paraffin Wax	10 -18
	ПЭТ 10 -21
	Сера 10 -16
	Тефлон 10 -25 до 10 -23
	Вуд 10 -16 до 10 -14

Существует ли связь между электропроводностью и теплопроводностью?

Автор вопроса:

Дарелл Хейс

Ответить

Для металлов существует зависимость, известная как закон Видемана-Франца. Металлы
хорошие электрические проводники, потому что в них много свободных зарядов. Свобода
заряды обычно представляют собой отрицательные электроны, но в некоторых металлах, например в вольфраме, они
положительные «дыры». В целях обсуждения предположим, что у нас есть свободные заряды электронов.

Когда между двумя точками в металле существует разность потенциалов, возникает электрический разряд.
поле, которое заставляет электроны двигаться, т. е. вызывает ток. Конечно,
электроны сталкиваются с некоторыми неподвижными атомами (на самом деле, с «ионными ядрами») металла и
это фрикционное «сопротивление» имеет тенденцию замедлять их.Сопротивление зависит от
конкретный тип металла, с которым мы имеем дело. Например, трение в серебре намного меньше, чем
это в железе. Чем большее расстояние может пройти электрон, не наткнувшись на
ионного ядра, тем меньше сопротивление, т. е. больше электрическое
проводимость. Среднее расстояние, которое электрон может пройти без столкновения, называется
‘длина свободного пробега. ‘ Но есть и другой фактор. Электроны, которые свободны
реагировать на электрическое поле имеют тепловую скорость, составляющую значительный процент от скорости
свет, но поскольку они движутся случайным образом с такой высокой скоростью, в среднем они никуда не уходят,
я.т. е. сама по себе эта тепловая скорость не создает никакого тока.

Теплопроводность этого металла, как и электропроводность, определяется
преимущественно свободными электронами. Предположим теперь, что металл имеет различные температуры при
его концы. Электроны движутся немного быстрее на горячем конце и медленнее на холодном.
конец. Более быстрые электроны передают энергию более холодным и медленным, сталкиваясь с
их, и так же, как и для электропроводности, чем больше длина свободного пробега, тем быстрее
энергия может быть передана, т.е.е., тем больше теплопроводность. Но скорость
определяется также очень высокой тепловой скоростью: чем выше скорость, тем быстрее
течет ли тепловая энергия (т. е. тем быстрее происходят столкновения). На самом деле термальный
проводимость прямо пропорциональна произведению длины свободного пробега на тепловую
скорость.

И теплопроводность, и электропроводность одинаково зависят не только от средней свободной
пути, но и на другие свойства, такие как масса электрона и даже количество свободных
электронов в единице объема.Но, как мы видели, они по-разному зависят от теплового
скорость электропроводности электронов обратно пропорциональна ей, а тепловая
проводимость прямо пропорциональна ему. В результате отношение теплового к
электропроводность зависит прежде всего от квадрата тепловой скорости. Но это
квадрат пропорционален температуре, в результате чего отношение зависит от
температура, T, и две физические константы: постоянная Больцмана, k, и электронная
зарядка, т.Постоянная Больцмана в этом контексте является мерой того, сколько кинетической энергии
электрон имеет на градус температуры.

Если сложить все вместе, отношение теплопроводности к электропроводности равно:

( ² / 3 ) * ( (к/э) ² ) * Т

значение константы, умножающей T: 2,45×10 ^-8 Вт-Ом-К-квадрат.

Ответил:

Фрэнк Манли, доктор философии, адъюнкт-профессор физики, Колледж Роанок

Электропроводность за период 3

Результаты обучения

Изучив эту страницу, вы сможете:

• описать и объяснить, как электропроводность меняется в течение периода 3

Электропроводность

В таблице приведены значения электропроводности элементов от Na до Ar по отношению к алюминию.

Элемент	Символ	Атомный номер	Электропроводность
натрий	На	11	0,55
магний	мг	12	0,61
алюминий	Ал	13	1. 00
кремний	Си	14	0,10
фосфор	Р	15	0
сера	С	16	0
хлор	Кл	17	0
аргон	Ар	18	0

Вещества проводят электричество, если они содержат заряженные частицы, которые могут перемещаться с места на место при приложении разности потенциалов.

В таблице приведены некоторые сведения о различных веществах.

Вещество	Примечания
металл	проводить в твердом или жидком состоянии
ковалентные вещества	не проводить (исключение составляет графит)
ионные соединения	поведение в растворенном или жидком состоянии

Описание тренда

На графике показано изменение электропроводности в течение периода 3.

На этом графике много всего происходит, поэтому часто проще разделить его на три части. В таблице ниже приведен краткий обзор этих разделов.

Электропроводность

.

Элементы	Тип элемента	Тип конструкции	Описание
Na, Mg, Al	металл	металлический	проводимость увеличивается от Na до Al
Си	металлоид	гигантская ковалентная связь	значительно меньше, чем у Na, Mg и Al
P, S, Cl, Ar	неметаллический	простой молекулярный (Ar одноатомный)	не проводят электричество

Когда вы нажмете на символ загрузки, вы сможете загрузить график в виде файла изображения или файла PDF, сохранить его данные, аннотировать его и распечатать. Обратите внимание, что графики будут помечены водяными знаками.
×

Объяснение этой тенденции

Натрий, магний и алюминий

Натрий, магний и алюминий — все это металлы. Они имеют металлическую связь, при которой ядра атомов металла притягиваются к делокализованным электронам.

Переход от натрия к алюминию:

• число делокализованных электронов увеличивается …
• есть больше электронов, которые могут двигаться и нести заряд через структуру …
• увеличивается электропроводность.

Кремний

Кремний имеет гигантскую ковалентную структуру. Это полупроводник, поэтому он не является хорошим проводником или хорошим изолятором.

Фосфор, сера, хлор и аргон

Остальные элементы периода 3 не проводят электричество. У них нет свободных электронов, которые могут перемещаться и переносить заряд с места на место.

Металлическую связь часто неправильно описывают как притяжение между положительными ионами металла и делокализованными электронами. Однако металлы по-прежнему состоят из атомов, но внешние электроны не связаны с каким-либо конкретным атомом.

Подобным образом графит (неметалл) также имеет делокализованные электроны. Однако вы не понимаете, что он состоит из ионов углерода.

Гигантская решетчатая структура кремния похожа на структуру алмаза. Каждый атом кремния ковалентно связан с четырьмя другими атомами кремния в тетраэдрическом расположении.

Атомы в молекулах фосфора, серы и хлора удерживаются вместе ковалентными связями.

21.3 Зонная теория электропроводности

    B и теория  утверждают, что делокализованные (свободные) электроны свободно перемещаются по перекрывающимся 1 молекулярным орбиталям3 через «полосы». Движение электронов вызывает, как знают дети-физики, электрический ток, поэтому, чтобы понять проводимость металла, мы должны применить эту теорию и наши знания квантовой механики.

Я с группой

    В металлическом кристалле атомы металла расположены очень близко друг к другу, что приводит к перекрытию орбиталей. Надо понимать, что даже в маленьком кусочке металла невероятно большое количество электронов, поэтому количество орбиталей тоже безумно велико. Из-за близости этих орбиталей их проще называть «полосой». Заполненные энергетические уровни составляют валентную зону , а пустые или делокализованные орбитали (обнаруженные в верхней половине энергетических уровней) образуют зону проводимости .

кредит на http://www4.nau.edu/meteorite/meteorite/Images/ConductionBand.jpg

Вот видео, в котором более подробно рассказывается о формировании этих «полос».

Chris Colangelo vs. Duck® (Проводники и изоляторы)

    Металлы являются проводниками , что означает, что они  являются проводниками , то есть они способны проводить3 электрический ток .   Поскольку между зоной проводимости и валентной зоной мало места, требуется небольшая энергия, чтобы переместить валентный электрон в зону проводимости, где он может свободно перемещаться через металл,  движение, проводящее электрический ток. Способность металлов проводить электрический ток обусловлена ​​близостью зон проводимости и валентной зоны — изоляторы или неэффективные проводники электричества , имеют значительно больший зазор между зонами, что требует больше энергии для перемещения электронов в область с большей амплитудой движений. Без этой энергии электроны не двигаются, а отсутствие движения не может проводить электрический ток.

Здесь становится жарко, так что сними все свои электроны — Полупроводники раздеваются

    Полупроводники проводят электричество только при повышенных температурах или в сочетании с небольшим количеством некоторых других элементов .

    Полупроводники имеют меньший зазор между их зоной проводимости и валентной зоной, чем изоляторы, но все же требуют энергии для возбуждения валентных электронов в зону проводимости. При подаче этой энергии твердое тело становится проводником — таким образом, добавочное тепло обеспечивает необходимую энергию в материи, противоположной металлу.

    Донорские примеси  (названы так потому, что они обеспечивают электроны проводимости ) дают полупроводникам лишний электрон, который можно легко удалить (с помощью напряжения на твердом теле) и позволить ему функционировать как электрон проводимости. Твердые тела, содержащие донорные примеси  , называются полупроводниками n-типа , где n  обозначает отрицательный (заряд добавленного электрона). Напротив, акцепторные примеси  являются электронодефицитными , создают вакансию на орбитали, которая заставляет электроны двигаться в одном направлении — вакансии движутся в противоположном направлении, и движение проводит электрический ток . Полупроводники , содержащие акцепторные примеси  , называются полупроводниками р-типа , где p  обозначает положительный (заряд от удаления электрона).

Вот сравнение «полос» металлов, полупроводников и изоляторов.

Кредит до

http://2012books.lardbucket.org/books/principles-of-general-chemistry-v1.0/section_16/fa16422f214

fc2633abe061C723.jpg

Добро пожаловать в реальный мир Junior

В последние десятилетия использование полупроводников (например, кремния!) в транзисторах и других устройствах произвело революцию в электронной промышленности. Полупроводники являются важными компонентами почти всех электронных устройств.Использование твердых материалов, таких как кремниевые «твердотельные» устройства, позволяет увеличить соотношение оборудования к объему, что становится все более важным при разработке космических путешествий, портативных устройств и микропроцессоров.

Вот видео о том, как работают полупроводники в транзисторах — основных компонентах электронных устройств.