Надо Знать

добавить знаний



Электропроводность



План:


Введение

Электропроводность - способность вещества проводить электрический ток.

Электропроводность возникает в электрическом поле.

Электропроводность присуща всем веществам, но для того, чтобы она была значительной, необходимо, чтобы в веществе были свободные заряды.


1. Удельная электропроводность

Электропроводностью также называют удельную электропроводность - количественную меру этой способности.

Удельная электропроводность обратно пропорциональна удельному сопротивлению.

Удельная электропроводность обычно обозначается греческой буквой σ и измеряется в СИ в Сименс на метр, в СГС размерность электропроводности - обратная секунда (с -1). Она устанавливает связь между плотностью тока \ Mathbf {j} и напряженностью электрического поля \ Mathbf {E}

\ Mathbf {j} = \ hat {\ sigma} \ mathbf {E}

В общем случае удельная электропроводность является тензором второго ранга, но в для многих веществ этот тензор сводится к скаляра.


Понятие удельной электропроводности можно применять тогда, когда выполняется закон Ома. Во многих неоднородных системах закон Ома несправедлив, и даже при очень малых приложенных полях, зависимость тока от напряжения нелинейная.


2. Природа электропроводности

Электропроводность обусловлена ​​преимущественным движением заряженных частиц, носителей заряда в направлении электрического поля. Носителями заряда могут быть электроны, дыры или ионы. Для обеспечения проводимости носители заряда должны быть свободными.

В электрическом поле на носитель заряда действует сила q \ mathbf {E} , Где q - заряд, а \ Mathbf {E} - напряженность электрического поля. Под действием этой силы носитель заряда ускоряется и набирает энергию. Однако это ускорение не безгранично. На пути ему становятся столкновения с другими носителями заряда, ионами или нейтральными атомами. Во время таких столкновений энергия электрона рассеивается и превращается в тепло. Прохождение тока через вещество всегда сопровождается выделением тепла. Величина электропроводности зависит, таким образом, не только от концентрации свободных носителей заряда и напряженности поля, но и от частоты столкновений носителей заряда, которая описывается так называемой длиной свободного пробега.

С квантовомеханической точки зрения определяющими факторами для проводимости также акты рассеяния - столкновение носителей заряда с различными дефектами структуры. Одним из выводов зонной теории утверждает то, что свободные квазичастицы - электроны и дырки, движутся через идеальный кристалл, как сквозь вакуум, не испытывая присутствии ионов в узлах кристаллической решетки. Рассеяния носителей заряда происходит на дефектах кристаллической решетки: атомах примеси, атомах кристалла, смещенных со своего положения благодаря тепловым колебаниям т.д.. Важную роль в определении проводимости играет принцип исключения Паули, который запрещает носителям заряда переходить в состояния, заняты другими носителями заряда того же рода.


Проводимость различных сред лежит в очень широких пределах - от бесконечно малой и бесконечно большой. Бесконечно малую проводимость имеет вакуум, в котором отсутствуют заряженные частицы, бесконечно большое - сверхпроводники. В зависимости от величины проводимости материалы делят на проводники и изоляторы. Промежуточную позицию между этими двумя группами занимают полупроводники.


2.1. Проводимость различных сред

3. Вакуум

В вакууме отсутствуют электрические заряды, поэтому его проводимость бесконечно мала. Однако, если инжектуваты электроны в вакуум, то он становится хорошим проводником. Это явление используется в вакуумных лампах. Электроны в них инжектируются в вакуум из нагретого катода благодаря явлению термоэлектронной эмиссии. Проводимость вакуума ограничена образованием области пространственного заряда - отрицательно заряженной электронного облака между катодом и анодом, которая оказывает преграды вылета электронов из катода.


4. Газы

Как и в вакууме, в газах обычно нет свободных носителей заряда. Их можно инжектуваты из катода. Однако при своем движении к аноду инжектированные в газ электроны испытывают столкновений с атомами газа и рассеиваются. С одной стороны это уменьшает проводимость, но с другой стороны, электроны, разогнанные электрическим полем до высоких скоростей, могут ионизировать атомы газа, выбивая из них электроны и создавая положительные ионы. Новые электроны и ионы движутся к аноду или катоду, соответственно, увеличивая электрический ток. В зависимости от приложенного напряжения и химического состава газа эти явления приводят к возникновению ряда различных типов газовых разрядов, расслоение промежутке между анодом и катодом на зоны с различными свойствами и т.д..


5. Электролиты

Большинство жидкостей не имеют свободных носителей заряда и являются диэлектриками. Исключение составляют электролиты, например вода или растворы солей в воде. В электролитах часть нейтральных молекул диссоциирует, образуя отрицательно и положительно заряженные ионы. Электропроводность электролитов обусловлена ​​движением этих ионов в анода и катода, соответственно. На аноде и катоде ионы восстанавливаются или окисляются, вступают в химические реакции. Все это приводит к возникновению разнообразных гальванических эффектов.


6. Металлы

В металлах есть свободные носители зарядов - электроны. Зонная структура металлов характеризуется наполовину заполненной валентной зоной. Однако лишь электроны с энергиями близкими к уровню химического потенциала могут ускоряться электрическим полем. На пути ускорения электронов с меньшей энергией становится принцип исключения Паули. Таким образом, в проводимость вносят вклад только электроны с энергиями, лежащими в промежутке \ Pm k T (K <- постоянная Больцмана, Т - температура) от уровня Ферми. Проводимость металлов ограничена актами рассеяния ускоренных электронов в результате столкновения с другими электронами, рассеяние на колебаниях кристаллической решетки, примесях и т.д.. Проводимость металлов уменьшается с увеличением температуры благодаря тому, что при высоких температурах усиливаются колебания атомов кристаллической решетки и акты рассеяния учащаются.


7. Полупроводники

Собственные полупроводники обычно имеют небольшую концентрацию свободных носителей заряда, электронов и дырок, которая зависит от ширины запрещенной зоны и температуры. При увеличении температуры концентрация свободных электронов и дырок очень быстро растет. Эффект этого роста намного превышает эффект от увеличения частоты актов рассеяния, поэтому проводимость собственных полупроводников резко увеличивается при высоких температурах.

Другим фактором, который увеличивает проводимость собственных полупроводников, является создание повышенной концентрации свободных носителей заряда световым облучением или инжекцией. При поглощении кванта света с энергией больше ширины запрещенной зоны в полупроводнике образуется пар носителей заряда - электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости, оставляя за собой дыру. Если освещенного полупроводника приложить напряжение, то в полупроводнике потечет довольно значительный ток. Такая проводимость называется фотопроводностью и широко используется в различных фотоэлементах. Аналогичную проводимость можно создать при облучении быстрыми частицами, служит основой работы полупроводниковых детекторов радиации.

На инжекция зарядов в полупроводник через контакт основывается работа различных полупроводниковых приборов, например, биполярных транзисторов. Приложенное к контакту электрическое поле помогает части носителей заряда преодолеть потенциальный барьер, отделяющий полупроводник от контакта. Далее проводимость происходит по принципам близкими к принципам работы вакуумных ламп: создается область пространственного заряда, которая ограничивает ток, а следовательно проводимость.

В легированных полупроводниках даже при комнатных температурах концентрация электронов в зоне проводимости ( полупроводники n-типа) или дырок в валентной зоне ( полупроводники p-типа) высокая, поскольку для перехода между зоной и примесным уровнем электронную нужно набрать гораздо меньшую энергию (глубина примесных уровней обычно не превышает 0.5 эВ). Поэтому проводимость легированных полупроводников достаточно высока и приближается к проводимости металлов. Она тоже растет с температурой, поскольку для нее фактор увеличения концентрации носителей в зоне важнее увеличение частоты актов рассеяния.

Контакты между областями n-типа и p-типа, которые называют pn переходами имеют особую одностороннюю проводимость. На этом факте базируется работа различных полупроводниковых устройств - диодов, транзисторов, фотодиодов, полупроводниковых солнечных элементов, активного слоя копировальных машин, лазерных принтеров и т..


8. Сверхпроводники

Сверхпроводники могут бесконечно долго поддерживать электрический ток даже когда электрическое поле, которое его вызвало, исключить.

Формально проводимость полупроводников бесконечна. Сверхпроводящее состояние существует только при низких температурах, хотя теоретически верхняя граница температуры перехода из сверхпроводящего в обычное состояние не установлена.

Физическая природа бесконечной проводимости сверхпроводников в том, что в сверхпроводниках подавлены каналы рассеяния энергии. Носителями заряда в сверхпроводниках является куперовских пары - связаны состояния двух электронов с противоположными спинами и противоположными направлениями движения.

Куперовских пары образуются благодаря косвенному притяжения между электронами, обусловленном взаимодействием с кристаллической решеткой. Электрон, двигаясь в кристалле, деформирует решетку, создавая "канал", который притягивает другой электрон. Куперовских пары имеют уникальные свойства. В них невозможно забрать энергию, поскольку электроны, которые вошли в их состав, уже отдали энергию на образование пары.

Развалить пару можно лишь предоставив ей довольно значительную порцию энергии, но при низких температурах такую ​​энергию взять неоткуда - энергии теплового движения не хватает. Таким образом, куперовских пары, образовавшись, обречены вечно блуждать кристаллом, перенося с собой два электрические заряды и создавая электрический ток.

Куперовских пары разваливаются, когда температура становится выше определенной критической температуры, или же в достаточно сильном внешнем магнитном поле (высшем за определенное критическое значение).


9. Изоляторы

Изоляторы или диэлектрики похожи по зонной структурой на полупроводники, только с очень широкой запрещенной зоной. Большая ширина запрещенной зоны приводит к тому, что вероятность теплового возбуждения электронов из валентной зоны в зону проводимости становится ничтожно малым. Фотопроводимость возможна, но для этого нужен свет с частотой, которая лежит в ультрафиолетовом диапазоне.

Однако, если инжектукваты электроны в диэлектрике, приложив к ним очень сильное электрическое поле, некоторые из них прекрасно ведут ток. Это явление называется пробоем диэлектрика. При этом обычно выделяется настолько большая энергия, что диэлектрик начинает плавиться.

Кроме брака носителей заряда, причиной низкой проводимости может служить чрезвычайно частое рассеяния электронов благодаря взаимодействию с другими электронами. В сильно загрязненных веществах электроны могут застревать в определенных ловушках, удаленных друг от друга, что приводит к совершенно другому виду проводимости, так называемой прыжковой проводимости.


10. Суперионных проводников

В некоторых кристаллах носителями заряда выступают не электроны или дырки, а ионы. Такие проводники называются суперионных проводников. К этому классу проводников относится ряд щелочно-галоидных кристаллов. Структура энергетических зон в них характерна для диэлектриков, поэтому электронной проводимости практически нет, однако эти кристаллы состоят из ионов различного типа, по крайней мере одни из которых могут легко двигаться, создавая проводимость аналогичную проводимости электролитов.


См.. также


Физика Это незавершенная статья по физики.
Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив ее.

код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам