ТЕМА 3 ФІЗИЧНІ дія в провіднику
Особливості провідності металів, теплове і дрейфовий рух електропровідності.
В електронній промисловості широко застосовуються метали і їх сплави, з яких роблять провідники.
Класифікуються за агрегатним станом: газоподібні, рідкі, тверді.
Газоподібні - пари речовин і гази при напруженості електричного поля, яке забезпечує іонізацію молекул. У них електричний струм створюється як електронами, так і іонами. Використовуються в газорозрядних приладах.
Рідкі - розчини різних солей, кислот, лугів, а також їх розплави (електроліти). Струм пов'язаний з переносом іонів, при цьому склад електроліту змінюється, а на електродах, занурених в електроліт, відбувається виділення речовини з розчину.
Тверді - це метали, які займають в таблиці Менделєєва більше 75%. Струм в них створюється тільки електронами, а тому немає перенесення речовини від одного електрода до іншого.
По застосуванню металеві матеріали поділяються:
- метали високої провідності;
- сплави високого опору.
Метали високої провідності. срібло, мідь, алюміній, залізо, золото.
Надпровідники (при низьких t 0 C): алюміній, ртуть, свинець, ніобій, з'єднання з оловом, титаном, цирконієм.
Сплави високого опору:
- заліза, нікелю і хрому (ніхроми).
Елементи першої групи таблиці Менделєєва одновалентних. Валентний електрон має слабкий зв'язок зі своїм ядром і при будь-яких зовнішніх впливах розриває зв'язок з ядром і стає вільним. Тому в вузлах кристалічної решітки знаходяться позитивно заряджені атоми (іони), а між ними переміщуються вільні електрони.
Іони і електрони перебувають в хаотичному русі. Енергія цього руху являє внутрішню енергію струму.
Рух іонів, що утворюють грати, складається лише в коливаннях біля своїх положень рівноваги. Вільні електрони можуть переміщатися по всьому об'єму металу. При відсутності всередині металу електричного поля, рух електронів хаотично, в кожен момент швидкості різних електронів різні і мають різні напрямки. Електрони подібні газу, тому їх часто називають електронним газом.
Тепловий рух не викликає ніякого струму, так як внаслідок повної хаотичності в кожному напрямку буде рухатися стільки ж електронів, скільки в протилежному, і тому сумарний заряд, стерпний через будь-який майданчик всередині, буде дорівнює нулю.
Якщо на кінцях провідника створити різницю потенціалів, тобто створити всередині електричне поле, то на кожен електрон буде діяти сила, кожен електрон отримає додаткові швидкості, спрямовані в одну сторону. Рух стане спрямованим, тобто буде електричний струм.
Хаотичний рух обумовлено впливом зовнішніх чинників (тепла). Направлений рух за рахунок різниці потенціалів називається дрейфовим.
Провідність різних металів різна, так як обумовлена:
- різною кількістю вільних електронів в одиниці об'єму;
- умовами руху електронів, пов'язаних з різною довжиною вільного пробігу, тобто відстані, яку проходить в середньому електроном між двома зіткненнями з іонами.
На практиці використовують поняття: питома провідність і питомий опір:
s - питома провідність, МСu / м
r - питомий опір, Ом * мм 2 / м
n - кількість вільних електронів;
m - рухливість електрона, обумовлена електричним полем;
Uт - середня швидкість теплового руху.
Значення Uт, n. в різних провідниках приблизно однакові, наприклад:
nмеді = 8,5 * 10 28 м -3. nалюм = 8,3 * 10 28 м -3. значення швидкості теплового руху приблизно Uт = 10 5 м / с.
Для кожного металу існує певний температурний коефіцієнт опору при зміні Т 0 на 1 0 С, віднесений до 10м початкового опору (a):
Це співвідношення справедливо для температур 100-150 0 С.