4. téma vezető anyag
Osztályozása vezető anyagok
És alapvető tulajdonságaik
A mechanizmus az áram folyási fémek - mind a szilárd és a folyékony állapotban - miatt irányított mozgása (drift) szabad elektronok hatása alatt egy elektromos mező; úgynevezett fém vezetékek egy elektronikus vezetőképesség vagy vezetékek az első fajta.
A legfontosabb gyakorlatilag alkalmazott szilárd villamosan vezető anyagok fémek és ötvözeteik. Alapvető tulajdonságait a fémek táblázatban felsorolt 3.3.
Osztályozása fémvezetők. Fém anyagú vezetékek osztva az alábbi fő csoportokba:
nagy vezetőképességű fémek. ellenállású # 961; normál hőmérsékleten nem több, mint 0,05 mO # 8729; m, nagy vezetőképességű fémek gyártásához használt huzalok, kábelek, vezetőképes vezetékek, tekercsek villamos gépek és transzformátorok.
A szupravezetők - olyan anyag (tiszta fémek és ötvözetek), a fajlagos ellenállása, amely nagyon alacsony hőmérsékleten közel abszolút nulla hirtelen csökken elhanyagolható értékűre.
Magas hőmérsékletű szupravezetők (HTSC) - árambevezetőt szupravezető átmeneti hőmérséklete fölött 30K állapotban.
Cryo - egy nagy vezetőképességű fémből vezetékek, az ellenállása, amely folyamatosan csökken a csökkenő hőmérséklettel és kriogén hőmérsékleten (T<-395 0 С) становится гораздо меньше, чем при нормальной температуре без перехода в сверхпроводящее состояние.
Ötvözetek nagy ellenállás # 961; normál hőmérsékleten nem kevesebb, mint 0,3 uohm # 1468; m. A fémek és nagy ellenállás ötvözetek készítéséhez használt ellenállásait elektromos fűtőtestek, izzó szálak és m. o.
A fémek és ötvözetek különböző célokra. Ezek közé tartoznak a magas olvadáspontú és az alacsony olvadáspontú fémek, valamint a fémek és ötvözetek elektromos érintkezők készülékek.
Osztályozása nem fémes vezetékek. A nem fémből készült merev vezetékek közé tartoznak:
Szén-anyagok - a szén-alapú anyagok. Mivel az ecset készült szén-anyagok elektromos gépek, az áramgyűjtő csatlakozók villamos áramszedők, elektródák reflektorok és ívkemencék. Szén-por használt mikrofonok.
Kompozit vezetőképes anyagok - mesterséges anyagok elektronikus jellegű elektromos vezetőképessége, amely egy vezetőképes fázis, kötőanyagot és töltőanyagokat nagy dielektromos tulajdonságokkal.
Osztályozása folyékony és gáz halmazállapotú vezetékek. Folyékony vezetékek közé tartoznak:
Olvadt fémek. Mivel a folyékony fém vezetővel normális hőmérsékleten ez csak akkor használható, higany (Hg), ahol az olvadáspont körülbelül mínusz 39 ° C-on Más fémek lehet folyadék vezetékek csak megemelt hőmérsékleten az olvadási pontja fölé.
Elektrolitok vagy vezetékek a második fajta - oldatok savak, lúgok és sók. A villamos vezetőképesség elektrolitok ionos. mivel az elektromos áram bennük miatt irányított mozgását anionok és kationok. A folyamat a áthaladó elektromos áram az elektroliton keresztül nevű elektrolízis. Összhangban Faraday-törvény, amikor elhaladnak jelenlegi keresztül a elektrolitok, együtt a átadása az elektromos töltések átadása elektrolit ionok, T. E. Ionov vezetőképes anyagot, miáltal az elektrolit összetétele fokozatosan változik, és az elektródák osztják elektrolízis termékét. Az ionos kristályok az olvadt állapotban is a vezetők a második fajta.
A gáz-halmazállapotú vezetékek vannak. minden gázok és gőzök, beleértve egy pár fémek. Alacsony elektromos térerő gázok jó hőszigetelők. Ha az elektromos mező meghalad egy kritikus értéket, amelynél a ionizáció kezdődik, akkor a gáz lehet egy csatornát az elektronikus és az ionos vezetőképességet. Erősen ionizált gáz azonos számú elektron egységnyi térfogatú száma és a pozitív ionok egy adott vezető közeg, nevét viseli a plazmában.
Gázok és gőzök fémek vezetőként világításra használt kisülőlámpák. Forrásai között az optikai sugárzás kisülési lámpák leggyakoribb használó mentesítést higanygőz. Ez az alacsony nyomás fénycső (akár 0,03MPa) és higanygőz lámpa (DRL) magas nyomású (0,03-3MPa).
Nézzük meg a vezetési mechanizmusok és főbb tulajdonságait fémvezetékekhez leggyakrabban használt a szakterületen. Ezek a fő típusa elektromosan vezető anyagok elektromos és rádiótechnika.
A villamos vezetőképesség a fémek. A szilárd fémhuzal kristályrácsba, amelyben a csomópontok vannak elrendezve pozitív töltésű ionok. A tér között, a ionok szabad elektronok, amelyek egy úgynevezett elektron gáz. Elektronikus gáz és a pozitív fémionok, kölcsönhatásba egymással, hogy egy erős fémes kötést. Hiányában egy elektromos mező, szabad elektronok állapotban vannak a véletlenszerű hőmozgás, ütköznek rácsos atomok oszcilláló.
Az elektronmikroszkópos gáz, mint a hagyományos gáz statisztikai törvényeket. Tekintsük a rendelet alapvető ezeket a törvényeket. Az átlagos távolság, amelyet az elektronok közötti ütközések rácspontjain, az úgynevezett szabad úthossz. Között eltelt idő átlagosan ütközések hívják az átlagos szabad idő, amely a meghatározás szerint:
ahol - az átlagos sebesség a termikus mozgás szabad elektronok a fém. T = 300 K = 30 az átlagos sebesség 5 m / s = 300 km / s.
Sebesség véletlenszerű hőmozgás elektronok (egy adott hőmérsékleten) a különböző fémek megközelítőleg azonos. Körülbelül egyenlő, és a szabad elektron koncentráció n különböző fémek. Ezért, az értéke a vezetőképesség (vagy fajlagos ellenállás) elsősorban attól függ, csak a szabad úthossza elektronok # 955; ebben karmester. Ez a hosszúság pedig határozza meg a szerkezet a vezető anyag. Ezért, az összes tiszta fémek tökéletes kristályrács jellemzi a legalacsonyabb értékeket az ellenállás; szennyező azonos torzító kristályrács, növekedéséhez vezet # 961; .
Ha a karmester létezik egy elektromos mező E = const. akkor az a része, ebben a mezőben az elektronok erő hat. Befolyása alatt ez az erő az elektronok szert gyorsulás. az intenzitásai arányos az elektromos mező E, ami egy irányított mozgását az elektronok. Az ilyen irányú mozgása az úgynevezett elektron drift. Az arány a elmozdulni vagy sodródás lényegesen kisebb, mint az arány a termikus mozgás. Abban az időben a szabad mozgó elektronok egyenletes gyorsulás, egyre maximális sebesség végéig a szabad utat
ahol - az átlagos szabad időt.
Végén az átlagos szabad elektron pálya, szemben a rács ionok teszi őket szerzett az elektromos mező energia, és annak mértéke nulla lesz. Következésképpen az átlagos sebessége irányított mozgása az elektron egyenlő:
ahol e = 3,602 # 903; 30 -39 Cl - elektron töltése, m = 9,3 # 903; -33 kg 30 - elektron tömeg.
Irányított mozgása elektronok generál elektromos áramot, amelynek sűrűsége szerinti a klasszikus elmélet a fémek:
Ahol n - a sűrűsége a szabad elektronok a fém, azaz a száma szabad elektronok egységnyi térfogatú a fém.,.
- fajlagos elektromos vezetőképesség a fém, amely nagyobb, minél nagyobb a koncentrációja a szabad elektronok és n átlagos hosszát # 955; azok átlagos szabad úthossz, S / m (Siemens, osztva a mérő)
- elektromos ellenállás - a reciproka vezetőképesség, Ohm # 8729; m (ohm szorozva a mérő).
vezetőképesség # 947; Ez nem függ a térerősség E, ha változik is széles tartományban. (3.4) képlet képviseli Ohm-törvény differenciális formában.
Ha feltételezzük, hogy az összefonódás a szabad elektronok koncentrációja atomok, ezek a koncentrációk találhatók a következő képlettel:
d- ahol a sűrűség az anyag,
NA = 6022 # 903; 30 23 -3 mol - Avogadro számát - a szám a szerkezeti elemek (atomok, molekulák, ionok, stb), egységnyi mennyiségű anyag. (Mole egyenlő grammatom),
A - atomsúly (korábbi néven atomsúly) - tömege kémiai elem atom, kifejezve atomtömeg egység (amu). A atomi tömegegység egyenlő 3/32 a tömege szénizotóp tömeges száma 32 (≈3,6605402 · 30 -24 g).
Ha a mozgás a szabad elektronok a fém hatására az elektromos mező, akkor szerezhet több kinetikus energiát, amelyet adott rácspontjain fel ütközés velük. Adott energia hővé alakul át, miközben a hőmérsékletet a fém növekszik. Teljesítmény konkrét veszteségeket p. megjelent a fűtővezeték és ez határozza meg a Joule-Lenz, amely differenciális formában van:
Vegye figyelembe, hogy hőmérsékleten 0 0 K termikus sebessége elektronok mozgását nulla. Nem fognak ütközni az ionokat egy kristályrács. Az átlagos szabad úthossz # 955; elektronok egyenlő lesz a végtelenbe, és a fajlagos ellenállás # 961; Ez lesz nulla (vezetőképesség egyenlő a végtelenig). A karmester ebben az esetben nem fűthető.
A kettős természete elektronok, azaz tulajdon hullám-részecske kettősség vezetett arra a tényre, hogy a mozgó a szabad elektronok fémek (vezetési elektronok) kell tekinteni vörösvértest részecskék és a részecskék hullám tulajdonságokat. Ebből a szempontból, az elektronok mozgásának a fém - ez az elektromágneses hullámok terjedésének szilárd. fém ellenállása az eredménye szórási a hullámok a termikus rezgések a rács. Szerint a fogalmak a hullám elmélet ellenállás fémek is jár elektron átlagos szabad utat. Ez az összefüggés van írva a következő:
Ahol h - Planck állandó.
Ennek alapján a hullám természete elektronok, mint a következtetés vonható le, hogy a tiszta fémek a legalacsonyabb fajlagos ellenállást. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a szétszórt elektronhullámokkal történik a kristályrács hibák, amelyek arányosak a távolság a sorrendben egy negyed hullámhossz elektron. A fém vezetővel a sorrendben az elektron hullámhossz -5nm (nanométer = 30 -9 m). Rácshibasűrűséget a mérete kisebb, mint 5/4 nm nem okoznak jelentős szórását elektromágneses hullámok. Hibák okoznak nagy energiaelnyelő, ahol az elektromos ellenállás növekszik. Egy ideális kristály T = 0 K 0, elektromágneses hullámok kell terjednek nélkül szórás és ellenállás # 961; Ez nullának kell lennie. Ez azt jelenti, hogy az ideális kristály E = 0K szabad úthossza az elektronok tart végtelenbe. Megerősítése ez a helyzet az a tény, hogy az ellenállás a lágyított tiszta fémek nullához, mint a termodinamikai hőmérséklet megközelíti az abszolút nulla. Teljesítményleadás, ami a rezisztencia kialakulását, felmerül az esetekben, amikor a rács vannak különféle megsértése helyes szerkezetét. Bármely strukturális inhomogenitások terjedésének megakadályozására az elektron hullámok és okoz a növekedés a fajlagos ellenállása az anyag.
Közötti kapcsolat az áramsűrűség # 948;, (A / m), és az elektromos térerősség E (V / m), egy fém vezeték is, mivel már a fentiekben jeleztük, adja az ismert képlet (3.4) # 948; = # 947; E, az úgynevezett differenciális alakja Ohm-törvény.
Egy árambevezetőt R ellenállás egy L hosszúságú, és egy állandó keresztmetszetű S. ellenállása # 961; kiszámítása a képlet
mérésére # 961; vezetőképes anyagok mennyisége használhatja közös egységek Om # 903; mm² / m. Kommunikációs egységek közötti ellenállás a következő:
3 ohm # 903; m = mO- # 903; m # = 903 ohm; mm² / m, azaz 3Om · mm 2 / m = 3mkOm · m.
A tartomány ellenállási érték # 961; fémvezetők normál hőmérsékleten meglehetősen szűk: a 0,036 ezüst, hogy körülbelül 3,4 mikromho # 903; m zhelezohromo-alumínium ötvözetek.
Ellenállás a vezető függ az áram frekvenciáját áramlik rajta keresztül. Ismeretes, hogy a magas frekvenciákon az áramsűrűség változik keresztmetszetében a vezeték. Ez maximális a felszínen, és csökken a behatolási mélysége a karmester. Az eltolási áram a vezető felületén. Ezt a jelenséget nevezik bőr hatását. Ő erősebb, minél nagyobb a frekvencia. Mivel a keresztmetszeti területet, amelyen keresztül az áram csökken, az ellenállás vezetékes AC több volt, mint a DC ellenállás. A jelenlegi behatolási mélysége a vezetőt a gyakoriságát a mélységet, ahol a áramsűrűség faktorral csökken e = 2.72 .po képest annak értékét a vezető felületén.
5. Tárgy SEMICONDUCTOR