Лекция2

1. Природа проводимости и основные характеристики проводниковых материалов.

2. Классификация проводниковых материалов. Материалы высокой проводимости. Материалы высокого удельного сопротивления. Технология их получения и основные сферы применения.

3. Явление сверхпроводимости. Высокотемпературные сверхпроводники.

1. Проводниками электрического тока могут служить твердые тела, жидкости, а при соответствующих условиях и газы. Твердыми проводниками являются металлы, металлические сплавы и некоторые модификации углерода. К металлам относят пластичные вещества с характерным для них блеском, которые хорошо проводят электрический ток и теплоту. К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Как правило, температура плавления металлов высока, за исключением ртути и галлия, у которых онасоставляет 39∘С и 29,8∘С соответственно. Поэтому при нормальной температуре в качестве жидкого металлического проводникаможет быть применена только ртуть. Другие металлы являются жидкими проводниками лишь при высоких температурах. Механизм прохождения тока по металлам в твердом и жидком состояниях обусловлен движением свободных электронов, вследствие чего их называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода.

Электролитами, или проводниками второго рода, являются растворы (в основном водные) кислот, щелочей и солей, а также расплавы ионных соединений. Прохождение тока через такие проводники связано с переносом вместе с электрическими зарядами частей молекул (ионов), в результате чего состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукты электролиза. Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов и положительных ионов в единице объема представляет собой особую равновесную проводящую среду плазму. К материалам высокой проводимости принято относить проводники с удельным электрическим сопротивлением в нормальных условиях не более 0,1 мкОм·м. Наиболее распространенными среди этих материалов являются медь и алюминий.

Среди материалов электронной техники металлы занимают одно из важнейших мест. Металлы имеют кристаллическое строение: в узлах кристаллической решетки находятся положительно заряженные ионы, окруженные коллективизированными электронами (электронным газом). Свободные электроны хаотически перемещаются по кристаллу со средней тепловой скоростью и = 10⁵ м/с. Наличие свободных делокализованных электронов обуславливает высокую пластичность, характерный блеск металлов, высокую электро- и теплопроводность.

Электрофизические, а также механические свойства проводников весьма разнообразны и характеризуются широким набором параметров: удельная проводимость или удельное сопротивление, температурный коэффициент удельного сопротивления, температурный коэффициент линейного расширения, работа выхода, теплопроводность, плотность, температура плавления, относительное удлинение при разрыве, твердость, прочность и т.д. Для решения области задач в электронике и электротехнике наиболее важными являются первые четыре.

Температурная зависимость удельного сопротивления металлов

Как известно удельное сопротивление для тел правильной формы определяется:

а удельная проводимость

где S – площадь поперечного сечения, l – длина проводника.

Относительное изменение удельного сопротивления металлов при изменении температуры характеризует температурный коэффициент удельного сопротивления:

Температурный коэффициент линейного расширения

Робота выхода φ – численно равна энергии, необходимой для удаления электрона из вещества в вакуум без сообщения ему кинетической энергии.

Зависимость удельного электрического сопротивления металлов от температуры

Металлы имеют положительное значение α_ρ, т.е. с ростом температуры ρ увеличивается, что связано с увеличением амплитуды тепловых колебаний узлов кристаллической решетки. Причем удельное сопротивление растет пропорционально температуре. Однако линейная зависимость ρ(Т) нарушается при низких температурах из-за снижения амплитуды и частоты тепловых колебаний атомов. Максимальная частота тепловых колебаний определяет характеристическую температуру - температуру Дебая ( θ_D ≈ 400 K)

где h - постоянная Планка; k - постоянная Больцмана.

Температурная зависимость удельного сопротивления металлов приведена на рис. 3. В области сверхнизких температур, близких к абсолютному нулю, значение ρ практически не зависит от температуры (участок I) и определяется остаточным сопротивлением ρ_ост. В этой области у некоторых металлов наблюдается состояние сверхпроводимости (Тсв - критическая температура сверхпроводимости). В узкой переходной области II (до температуры θ_D) удельное сопротивление растет по степенной зависимо сти ρ~Tⁿ. В области линейной зависимости (III) удельное электрическое сопротивление определяется по формуле

ρ = ρ₀[1+ α_ρ (T −T₀ )]

где ρ₀ - удельное сопротивление при начальной температуре (при комнатной Т₀ = 293 К).

При переходе из твердого состояния в жидкое у большинства металлов наблюдается резкое увеличение удельного сопротивления (в 1,5…2 раза), связанное с нарушением ближнего порядка в

расположении атомов. Исключение составляют висмут, сурьма, галлий, объем которых при плавлении уменьшается, что сопровождается уменьшением удельного сопротивления.

Термоэлектродвижущая сила.

Следует отметить также возможность возникновения между различными металлическими проводниками в месте их соединения контактной разности потенциалов, обусловленной различием работы выхода электронов из разных металлов, неодинаковой концентрацией электронов и давлением электронного газа.

Разность потенциалов U, появляющаяся на концах разомкнутой электрической цепи , состоящей из двух различных проводников, контакты которых находятся при различных температурах (Т1 и Т2) называется термоэлектродвижущей силой (эффект Зеебека)

U = λ_Т( Т2 - Т1 )

где - λ_Т относительная дифференциальная (удельная) термо - э.д.с.

Причины термо - э.д.с.: температурная зависимость контактной разности потенциалов; диффузия носителей заряда от горячих спаев к холодным; увлечение электронов фононами.