13. Электропроводность металлов

В металлах и полупроводниках ток переносится электронами, в диэлектриках – электронами и ионами. В отсутствие электрического поля электроны движутся хаотически, причем в некотором направлении движется столько же электронов, сколько и в противоположном направлении. Поэтому хаотическое движение не создает переноса заряда (тока). Если приложено электрическое поле, то в направлении против вектора напряженности поля движется больше электронов, чем в противоположном направлении, то есть появляется электрический ток. В этом случае движение электронов можно представить как сумму хаотического движения и упорядоченного движения против вектора Е со сравнительно небольшой средней скоростью, называемой скоростью дрейфа Vдр.

В металлах, где ток создают почти свободные электроны, называемые электронами проводимости, плотность тока пропорциональна их концентрации n и скорости дрейфа Vдр:

j=-enVдр

где e – модуль заряда электрона.

Двигаясь ускоренно в электрическом поле, электрон приобретает дополнительную скорость вдоль поля, которую теряет в результате очередного столкновения. Среднее значение этой скорости дрейфа пропорционально напряженности поля

Vдр=мю*E

мю – коэф пропорциональности

Коэффициент пропорциональности мю [М²/(сВ)] называется подвижностью электронов. Его численное значение, равное скорости дрейфа в поле единичной напряженности, зависит от материала и температуры.

Закон Ома: j=сигма*E

Сигма=e*n*мю

Таким образом, проводимость металла пропорциональна числу электронов проводимости в единице объема и их подвижности.

Большая проводимость металлов при различной температуре объясняется большой концентрацией электронов проводимости, сравнимой с концентрацией атомов, и не зависящей от температуры.

Сопротивление металлов при нагревании возрастает.

13. Сверхпроводники и их свойства

У многих металлов и сплавов при температурах, близких к абсолютному нулю, наблюдается резкое уменьшение удельного сопротивления. Это явление получило название сверхпроводимости, а температуру Т, при которой происходит переход в сверхпроводящее состояние, называют критической температурой перехода.

Если в кольце из сверхпроводника индуцировать электрический ток (например, с помощью магнитного поля), то он не будет затухать в течение длительного времени.

Существует ряд проводников, в которых потерь электроэнергии при протекании тока нет. Согласно классической электронной теории, движение электронов происходит в электрическом поле равноускоренно до столкновения с дефектом кристаллической решетки. После столкновения теряется энергия и передается кристаллической решетке.

Если электрон может поляризовать ближайший атом, то этот атом сместит следующий электрон, образуя пару электронов. При движении второй электрон как бы принимает энергию, которую передает первый электрон атому решетки.

Отсутствие сопротивление тождественно абсолютной диамагнитности материала.

В обычном проводнике есть магнитное поле и в этот проводник проникает магнитное поле. В сверхпроводнике магнитное поле не проникает, то есть тело – абсолютный диамагнетик. Характерно для слабых магнитных полей.

При некоторых больших магнитных полях, магнитное поле может проникать в проводник, при этом разрушается сверхпроводимость.

Для характеристики сверхпроводника нужно знать: Bc (индукция) и Tc(температура, при которой проводник переходит в сверхпроводящее состояние).

B=(мю_о*мю*J)/(2Пr) – для цилиндрического проводника

мю – магнитная проницаемость

мю_о – магнитная проницаемость в вакууме

В – индукция

При некоторой индукции В сверхпроводимость пропадает, следовательно, через проводник можно пропускать ток только в определенном значении.

Многие металлы являются сверхпроводниками при низких температурах.

Только для Cu и Ar сверхпроводимости не обнаружено.

Эффект Мейснера-Оксенфельда – явление обращения в нуль магнитной индукции в глубине массивного сверхпроводника.

Критическое поле сверхпроводника – это равновесное значение магнитного поля, при превышении которого сверхпроводник переходит в нормальное состояние.

Критическая температура (Тs) – значение температуры, при которой материал переходит в сверхпроводящее состояние.

Глубина проникновения магнитного поля – это расстояние от границы сверхпроводника, от которого существенно убывает магнитное поле.

Критический ток – значение электрического тока, при котором происходит разрушение сверхпроводимых материалов.

Свободные электроны, которые вращаются в разные стороны и имеющие разные импульсы и спины, образуются в пары (кулоновские пары).Электронные пары (мультиэлектроны) распространяются в кристаллической решетке, не рассеиваются, обтекая узлы решетки.