Высокая электрическая проводимость металлов обусловлена

Высокая электропроводность — металл

Высокая электропроводность металлов говорит о том, что электроны способны сравнительно свободно перемещаться внутри всей кристаллической решетки металла. [1]

Высокая электропроводность металлов обусловлена присутствием в кристаллах свободных электронов, которые направленно перемещаются при наложении электрического поля. При нагревании в кристалле колебательные движения ионов усиливаются, что затрудняет передвижение электронов и ведет к снижению электропроводности. Но при охлаждении электропроводность растет и вблизи абсолютного нуля переходит в сверхпроводимость. [2]

Высокая электропроводность металла используется для передачи токов большой силы по трубам, заполненным натрием. Натрий обладает высокой теплопроводностью, поэтому применяется в качестве теплоносителя в различных двигателях и установках. Широкое применение находит натрий в качестве восстановителя многих металлов из их соединений: титана, циркония, тантала, ниобия. [3]

Высокая электропроводность металлов обусловлена тем, что либо не все уровни валентной зоны заняты, либо две зоны — валентная и возбужденная — перекрывают одна другую и также имеют достаточное число вакансий. Так как расстояние внутри данной зоны мало, то уже при незначительной энергии поля электроны будут переходить на следующие уровни и принимать участие в переносе тока. [4]

Высокая электропроводность металлов обусловлена высшей степенью делокализации электронов, наличием в кристаллической решетке электронов проводимости, отличающихся большой подвижностью ( см. разд. Создание разности потенциалов в металле приводит к направленному движению электронов — носителей электричества, возникает электрический ток. [6]

Высокая электропроводность металлов обусловлена тем, что либо не все уровни валентной зоны заняты, либо две зоны — валентная и возбужденная — перекоывают одна другую и также имеют достаточное число вакансий. Так как расстояние внутри данной зоны мало, то уже при незначительной энергии поля электроны будут переходить на следующие уровни и принимать участие в переносе тока. [7]

Упоминавшаяся выше высокая электропроводность металлов уже давно была объяснена присутствием так называемых свободных электронов. [8]

Ввиду высокой электропроводности металлов внутри анодов и катодов не может возникнуть никакой разности потенциалов. [9]

Этим объясняется высокая электропроводность металлов . [10]

Чем обусловлена высокая электропроводность металлов . [11]

Таким образом, высокая электропроводность металлов определяется подвижностью электронов на МО, охватывающих весь кристалл, и отсутствием щели между заполненными и незаполненными орбиталями. Отсутствие щели объясняется тем, что зона заполнена лишь частично. [13]

С этим связана высокая электропроводность металлов . [15]

Читайте также:

1. Вывоз драгоценных металлов и драгоценных камней
2. Гидроксиды щелочных металлов и аммиак.
3. Действием солей тяжелых металлов (высаливание) и спиртов. Процесс
4. Другие производства по обработке металлов
5. Из металлов
6. Изучение температурной зависимости сопротивления металлов и полупроводников
7. Инструменты и приспособления для механической отделки изделий из металлов.
8. Криминалистическое исследование изделий из металлов и сплавов
9. Назначение и сущность токарной обработки металлов.главное движение и движение подачи при точении.
10. При повреждении клеток электропроводность обычно (1)
11. Примесная электропроводность полупроводников
12. Производства по обработке металлов. Павловские промыслы

Дрейф электронов определяет величину плотности электрического тока в кристалле. Построим мысленно в объеме проводника цилиндр с основанием, равным единице площади, и образующей, равной скорости дрейфа v_др и направленной вдоль дрейфа (рис. 4.2). Все электроны, заключенные в этом цилиндре, в течение 1 с пройдут через его основание и образуют ток с плотностью

, (4.8)

Рис. 4.2. К расчету удельной электропроводности металла

здесь n — концентрация электронов проводимости.

Выражение (4.8) имеет форму закона Ома. Электропроводность _n металлов (электронная электропроводность) есть по определению коэффициент пропорциональности между плотностью тока j и напряженность электрического поля Е, т.е. j=_nЕ. Следовательно, из (4.6) и (4.8) имеем

. (4.9)

Величина _n, обратная удельной электропроводности, называется удельным электросопротивлением:

. (4.10)

Таким образом, электропроводность (электросопротивление) металлов обусловлена концентрацией электронов проводимости и их подвижностью. Концентрация электронов проводимости металлов от температуры практически не зависит. Подвижность электронов в кристалле определяется механизмами рассеяния электронов проводимости и существенно зависит от температуры. Как указывалось выше, электросопротивление большинства металлов обусловлено рассеянием электронов на различных видах нарушений регулярной кристаллической структуры решетки. Эти нарушения можно разделить на две группы: 1) тепловые колебания ионов кристаллической решетки (фононы); 2) статические дефекты кристаллической решетки (точечные дефекты, дислокации, статические геометрические искажения и др.).

В соответствии с этим и электросопротивление реального металла, в котором в той или иной степени присутствуют все виды рассеяния электронов проводимости, приближенно представляют в виде двух слагаемых

, (4.11)

здесь _о — часть удельного электросопротивления, обусловленная рассеянием электронов на статических дефектах, (T) — часть удельного электросопротивления, обусловленная рассеянием на фононах.

При комнатной температуре и выше основное значение имеет взаимодействие электронов с решеточными фононами (электрон-фононное рассеяние). Этим механизмом рассеяния обусловлена хорошо известная линейная зависимость удельного электросопротивления металлов от температуры:

.

Постоянная  называется температурным коэффициентом сопротивления.

Рис. 4.3. Зависимость удельного электро-сопротивления металла от температуры

При очень низких температурах, когда влиянием тепловых колебаний на рассеяние электронов можно пренебречь, сопротивление металлов практически перестает зависеть от температуры (рис. 4.3). Предельное значение _о, к которому стремится сопротивление металловпо мере понижения температуры к абсолютному нулю, называется остаточным сопротивлением. Остаточное сопротивление металлов является очень важной характеристикой, чувствительной к концентрации дефектов в решетке. Например, для кристалла меди чистоты 99,999% остаточное сопротивление приблизительно в 1000 раз меньше удельного электросопротивления при комнатной температуре. Для цинка чистоты 99,99999% (один из наиболее чистых полученных в настоящее время металлов) это отношение составляет 10 5 .

В промежуточной области температур электросопротивление металлов определяется приближенной формулой:

, (4.12)

здесь A и B — величины, не зависящие от температуры.

Дата добавления: 2015-06-04 ; Просмотров: 798 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

См. также: Портал:Физика

Электропроводность (электри́ческая проводи́мость, проводимость) — способность тела (среды) проводить электрический ток, свойство тела или среды, определяющее возникновение в них электрического тока под воздействием электрического поля. Также физическая величина, характеризующая эту способность и обратная электрическому сопротивлению [1] .

В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения электрической проводимости является сименс (русское обозначение: См; международное: S), определяемый как 1 См = 1 Ом −1 , то есть, как электрическая проводимость участка электрической цепи сопротивлением 1 Ом [2] .

Также термин электропроводность (электропроводность среды, вещества) применяется для обозначения удельной электропроводности (см. ниже).

Под электропроводностью подразумевается способность проводить прежде всего постоянный ток (под воздействием постоянного поля), в отличие от способности диэлектриков откликаться на переменное электрическое поле колебаниями связанных зарядов (переменной поляризацией), создающими переменный ток. Ток проводимости практически не зависит от частоты приложенного поля (до определенных пределов, в области низких частот).

Электропроводность среды (вещества) связана со способностью заряженных частиц (электронов, ионов), содержащихся в этой среде, достаточно свободно перемещаться в ней. Величина электропроводности и ее механизм зависят от природы (строения) данного вещества, его химического состава, агрегатного состояния, а также от физических условий, прежде всего таких, как температура.

Содержание

Удельная электропроводность [ править | править код ]

Удельной электропроводностью (удельной проводимостью) называют меру способности вещества проводить электрический ток. Согласно закону Ома в линейном изотропном веществе удельная проводимость является коэффициентом пропорциональности между плотностью возникающего тока и величиной электрического поля в среде:

J → = σ E → , <displaystyle <vec >=sigma ,<vec >,>

σ <displaystyle sigma >— удельная проводимость, J → <displaystyle <vec >>— вектор плотности тока, E → <displaystyle <vec >>— вектор напряжённости электрического поля.

• Электрическая проводимость G однородного проводника длиной L с постоянным поперечным сечением площадью S может быть выражена через удельную проводимость вещества, из которого сделан проводник:

G = σ S L . <displaystyle G=sigma <frac >.>

• В системе СИ удельная электропроводность измеряется в сименсах на метр (См/м) или в Ом −1 ·м −1 . В СГСЭ единицей удельной электропроводности является обратная секунда (с −1 ).

В неоднородной среде σ может зависеть (и в общем случае зависит) от координат, то есть не совпадает в различных точках проводника.

Удельная проводимость анизотропных (в отличие от изотропных) сред является, вообще говоря, не скаляром, а тензором (симметричным тензором ранга 2), и умножение на него сводится к матричному умножению:

J i = ∑ k = 1 3 σ i k E k , <displaystyle J_=sum limits _^<3>sigma _,E_,>

при этом векторы плотности тока и напряжённости поля в общем случае не коллинеарны.

Для любой линейной среды можно выбрать локально (а если среда однородная, то и глобально) т. н. собственный базис — ортогональную систему декартовых координат, в которых матрица σ i k <displaystyle sigma _> становится диагональной, то есть приобретает вид, при котором из девяти компонент σ i k <displaystyle sigma _> отличными от нуля являются лишь три: σ 11 <displaystyle sigma _<11>> , σ 22 <displaystyle sigma _<22>> и σ 33 <displaystyle sigma _<33>> . В этом случае, обозначив σ i i <displaystyle sigma _> как σ i <displaystyle sigma _> , вместо предыдущей формулы получаем более простую

J i = σ i E i . <displaystyle J_=sigma _E_.>

Величины σ i <displaystyle sigma _> называют главными значениями тензора удельной проводимости. В общем случае приведённое соотношение выполняется только в одной системе координат [3] .

Величина, обратная удельной проводимости, называется удельным сопротивлением.

Вообще говоря, линейное соотношение, написанное выше (как скалярное, так и тензорное), верно в лучшем случае [4] приближённо, причём приближение это хорошо только для сравнительно малых величин E . Впрочем, и при таких величинах E , когда отклонения от линейности заметны, удельная электропроводность может сохранять свою роль в качестве коэффициента при линейном члене разложения, тогда как другие, старшие, члены разложения дадут поправки, обеспечивающие хорошую точность.

Также в случае нелинейной зависимости J от E (то есть в общем случае) может явно вводиться дифференциальная удельная электропроводность, зависящая от E :

σ = d J / d E <displaystyle sigma =dJ/dE> (для анизотропных сред: σ i k = d J i / d E k <displaystyle sigma _=dJ_/dE_> ).

Электропроводность и носители тока [ править | править код ]

Электропроводность всех веществ связана с наличием в них носителей тока (носителей заряда) — подвижных заряженных частиц (электронов, ионов) или квазичастиц (например, дырок в полупроводнике), способных перемещаться в данном веществе на большое расстояние, упрощенно можно сказать, что имеется в виду что такая частица или квазичастица должна быть способна пройти в данном веществе сколь угодно большое, по крайней мере макроскопическое, расстояние, хотя в некоторых частных случаях носители могут меняться, рождаясь и уничтожаясь (вообще говоря, иногда, возможно, и через очень небольшое расстояние), и переносить ток, сменяя друг друга [5] .

Поскольку плотность тока определяется формулой

j → = q n v → c p . <displaystyle <vec >=qn<vec >_> для одного типа носителей, где q — заряд одного носителя, n — концентрация носителей, v_ср. — средняя скорость их движения,

j → = ∑ i q i n i v → i c p . <displaystyle <vec >=sum _q_n_<vec >_> для более чем одного вида носителей, нумеруемых индексом i, принимающим значение от 1 до количества типов носителей, у каждого из которых может быть свой заряд (отличающийся величиной и знаком), своя концентрация, своя средняя скорость движения (суммирование в этой формуле подразумевается по всем имеющимся типам носителей),

то, учитывая, что (установившаяся) средняя скорость каждого типа частиц при движении в конкретном веществе (среде) пропорциональна приложенному электрическому полю (в том случае, когда движение вызвано именно этим полем, что мы здесь и рассматриваем):

v → c p . = μ E → , <displaystyle <vec >_=mu <vec >,>

где μ — коэффициент пропорциональности, называемый подвижностью и зависящий от вида носителя тока в данной конкретной среде [6] ,

видим, что для электропроводности справедливо:

σ = q n μ <displaystyle sigma =qnmu >

σ = ∑ i q i n i μ i <displaystyle sigma =sum _q_n_mu _> для более чем одного вида носителей.

Механизмы электропроводности и электропроводность различных классов веществ [ править | править код ]

Электропроводность металлов [ править | править код ]

Ещё до открытия электронов было обнаружено, что протекание тока в металлах, в отличие от тока в жидких электролитах, не обусловлено переносом вещества металла. Эксперимент, который выполнил немецкий физик Карл Виктор Эдуард Рикке (Riecke Carl Viktor Eduard) в 1901 году, состоял в том, что через контакты различных металлов, — двух медных и одного алюминиевого цилиндра с тщательно отшлифованными торцами, поставленными один на другой, в течение года пропускался постоянный электрический ток. Затем исследовался состав материала вблизи контактов. Оказалось, что переноса вещества металла через границу не происходит и вещество по разные стороны границы раздела имеет тот же состав, что и до пропускания тока. Таким образом было показано, что перенос электрического тока осуществляется не атомами и молекулами металлов. Однако эти опыты не дали ответа на вопрос о природе носителей заряда в металлах [7] .

Связь с коэффициентом теплопроводности [ править | править код ]

Закон Видемана — Франца, выполняющийся для металлов при высоких температурах, устанавливает однозначную связь удельной электрической проводимости σ <displaystyle sigma > с коэффициентом теплопроводности K :

K σ = π 2 3 ( k e ) 2 T , <displaystyle <frac <sigma >>=<frac <pi ^<2>><3>><left(<frac >
ight)^<2>>T,>

где k — постоянная Больцмана, e — элементарный заряд. Эта связь основана на том факте, что как электропроводность, так и теплопроводность в металлах обусловлены движением свободных электронов проводимости.

Электропроводность растворов [ править | править код ]

Скорость движения ионов зависит от напряженности электрического поля, температуры, вязкости раствора, радиуса и заряда иона и межионного взаимодействия.

У растворов сильных электролитов наблюдается характер концентрационной зависимости электрической проводимости объясняется действием двух взаимнопротивоположных эффектов. С одной стороны, с ростом разбавления уменьшается число ионов в единице объёма раствора. С другой стороны, возрастает их скорость за счет ослабления торможения ионами противоположного знака.

Для растворов слабых электролитов наблюдается характер концентрационной зависимости электрической проводимости можно объяснить тем, что рост разбавления ведёт, с одной стороны, к уменьшению концентрации молекул электролита. В то же время возрастает число ионов за счёт роста степени ионизации.

В отличие от металлов (проводники 1-го рода) электрическая проводимость растворов как слабых, так и сильных электролитов (проводники 2-го рода) при повышении температуры возрастает. Этот факт можно объяснить увеличением подвижности в результате понижения вязкости раствора и ослаблением межионного взаимодействия

Электрофоретический эффект — возникновение торможения носителей вследствие того, что ионы противоположного знака под действием электрического поля двигаются в направлении, обратном направлению движения рассматриваемого иона

Релаксационый эффект — торможение носителей в связи с тем, что ионы при движении расположены асимметрично по отношению к их ионным атмосферам. Накопление зарядов противоположного знака в пространстве за ионом приводит к торможению его движения.

При больших напряжениях электрического поля скорость движения ионов настолько велика, что ионная атмосфера не успевает образоваться. В результате электрофоретическое и релаксационное торможение не проявляется.

Удельная электропроводность некоторых веществ (таблица) [ править | править код ]

Удельная проводимость приведена при температуре +20 °C [8] :