ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПРОВОДНИКАХ И ИХ СВОЙСТВА

1. Общие сведения о проводниках

Проводниками электрического тока могут служить твердые тела, жидкости, а при соответствующих условиях газы.

Твердыми проводниками являются металлы, металлические сплавы, некоторые модификации углерода. Среди металлических проводников различают материалы, обладающие высокой проводимостью и металлы и сплавы, обладающие высоким сопротивлением. К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты (растворы кислот, щелочей, солей, расплавы ионных соединений).

Прохождение тока через электролиты 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. Однако при напряженности поля выше критического значения, газ может стать проводником, обладающим электронной и ионной электро-проводностью.

2. Физическая природа электропроводности металлов

В электропроводимости металлов принимают участие электроны с энергиями близкими к энергиям Ферми. Под действием электрического поля напряженностью Е свободные электроны помимо скорости теплового движения Vт приобретают дополнительную скорость направленного движения - дрейфовую скорость Vдр.

Vдр = a×t = F×t/m* = e×t×E/m*,

где a = F/m* - ускорение электрона под действием силы электрического поля;

m* - эффективная масса электрона;

t - среднее время свободного пробега между двумя соударениями.

Скорость пропорциональна напряженности поля Е:

Vдр = m×E; m = e×t/m*,

где m - коэффициент пропорциональности, называемый подвижностью носителя, см2/B.c .

При обычных условиях в металлах Vт>>Vдр и среднее время свободного пробега между двумя соударениями с узлами решетки будет определяться скоростью теплового движения:

t = lср/ Vт ,

где lср - средняя длина свободного пробега.

Тогда выражение для подвижности электронов приобретает вид:

m = e×lср/(m*×Vт).

Для металлов справедлива общая формула удельной электропроводимости:

s = N×e×m, м2/В·с,

где N - число электронов, участвующих в электропроводности, в единице объема.

Тогда удельная проводимость определяется выражением

s = N×e2 × lср/(m*×Vт), м2/В·с,

а удельное сопротивление:

r = 1/s = m*×Vт/(N×e2× lср), Ом×м.

Для различных проводников значения величин Vт и N приблизительно одинаковы. Следовательно подвижность электронов и величина удельного сопротивления зависят от средней длины свободного пробега в данном материале. Длина свободного пробега определяется рассеянием на тепловых колебаниях кристаллической решетки, рассеянием на атомах примеси, рассеянием на дефектах кристаллической структуры, рассеянием на границах вещества.

При возрастании температуры концентрация электронов в металле не изменяется, но усиливается колебание узлов кристаллической решетки и как следствие уменьшается средняя длина свободного пробега lср и соответственно подвижность электронов. Поэтому удельное сопротивление металлов с повышением температуры возрастает.

В области I, составляющей несколько Кельвинов, у ряда металлов может наступить состояние сверхпроводимости (r = 0, при T = Tсв). ............