Электрическая проводимость различных веществ. Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводимость. Полупроводники

Электрическая проводимость

различных веществ.

Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводимость.

Полупроводники

Физика, 10 класс

ЕСЬКОВА НАДЕЖДА ДМИТРИЕВНА

МБОУ «ШКОЛА №30 Г.ДОНЕЦКА»

Чтобы изучить данный материал, вы можете :

• Прочитать § 108-110 учебника.
• Просмотреть видео

« Электрический ток в металлах »

https:// www.youtube.com/watch?v=xnCr2sT6eZg&list=PLHYZenZg0FRmkxDtN1LoaHm2IaD1axvOe&index=131

«Хейке ​Камерлинг-Оннес и сверхпроводники»

https:// www.youtube.com/watch?v=OiWgvfJ6ehI

«Электрический ток в полупроводниках» https:// www.youtube.com/watch?v=a4KBykeW47I&list=PLHYZenZg0FRmkxDtN1LoaHm2IaD1axvOe&index=133

• Ознакомиться с данной презентацией.

Проводниками электрического тока могут быть вещества и в твёрдом, и в жидком, и в газообразном состояниях.

Типичными представителями класса проводников являются металлы.

В металлических проводниках носители электрического заряда — свободные электроны. Под действием внешнего электрического поля свободные электроны упорядоченно движутся, создавая электрический ток

Экспериментальное подтверждение

электронной проводимости металлов

1901 г. , опыт К. Рикке

  В электрическую цепь были включены три прижатых друг к другу цилиндра: два медных по краям и один алюминиевый между ними. По этой цепи пропускался электрический ток в течение года.

За год сквозь цилиндры прошёл заряд более трёх миллионов кулон. 

Электрический ток в металлах не сопровождался переносом вещества, поэтому положительные ионы металла не принимают участия в создании тока.

1916 г. , опыт Р. Толмена и Т. Стюарта

  Катушка большим числом витков металлического провода приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. После резкого торможения катушки в цепи возникал импульс тока. Направление тока указывало на то, что он вызван движением отрицательных зарядов.

Стюарт и Толмен вычислили отношение q/m. Оно оказалось равно отношению e/m для электрона.

Носителями свободных зарядов в металлах являются свободные электроны.

Металлический проводник можно рассматривать как физическую систему, состоящую из свободных электронов («электронный газ») и положительно заряженных ионов, колеблющихся около положений равновесия.

Сопротивление металлических проводников зависит от рода вещества (удельного сопротивления ρ) и их геометрических размеров (длины  l  и площади поперечного сечения  S ):

Удельное сопротивление вещества металлического проводника зависит от концентрации свободных носителей заряда и частоты их столкновений с ионами кристаллической решётки, совершающими колебательные движения около положений устойчивого равновесия.

В металлических проводниках концентрация свободных электронов практически постоянна для данного проводника и не зависит от температуры. Однако частота столкновений свободных электронов с ионами кристаллической решётки с ростом температуры возрастает. Это приводит к возрастанию удельного сопротивления металлического проводника при повышении температуры.

При описании температурной зависимости удельного сопротивления проводника вводят  температурный коэффициент сопротивления  α , численно равный относительному изменению удельного сопротивления вещества проводника при приращении его температуры на 1 К:

ρ = ρ 0 (1 + αΔT)

R = R 0 (1 + αΔT) = R 0 (1 + αΔt)

Для большинства металлов (но не сплавов) при температурах от 0 для 100 °С среднее значение температурного коэффициента сопротивления 

Зависимость сопротивления металлов от температуры используют в специальных приборах — термометрах сопротивления.

Широкое распространение получили термометры сопротивления из чистых металлов, особенно платины и меди, которые конструктивно представляют собой металлическую проволоку, намотанную на жёсткий каркас (из кварца, фарфора, слюды), заключённый в защитную оболочку (из металла, кварца, фарфора, стекла) (рис. 199).Платиновые термометры сопротивления применяют для измерения температуры в пределах от –263 до 1064 °С, медные — от –50 до 180 °С.

Если при изготовлении электроизмерительных приборов требуются проводники, сопротивление которых должно как можно меньше зависеть от температуры окружающей среды, то используют специальные сплавы — константан и манганин. Температурный коэффициент у константана в 820 раз, а у манганина в 510 раз меньше, чем у серебра.

При очень низких температурах сопротивление некоторых металлических проводников резко (скачком) уменьшается до нуля.

Это явление характерно для многих проводников.

Температуру, при которой электрическое сопротивление проводника уменьшается до нуля, называют   критической температурой .

1911 г. , эксперимент Г. Камерлинг-Оннеса, Тс ≤ 4,12 К, ρ (Hg) = 0

Сверхпроводимость — свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (критическая температура).

Каждый сверхпроводящий металл характеризуется своей критической температурой. Явление сверхпроводимости свойственно не только некоторым металлам, но и сплавам, полупроводникам и полимерам.

Если в сверхпроводнике создать электрический ток, то он будет существовать в нём неограниченно долго. При этом для поддержания тока нет необходимости в источнике тока. Это указывает на перспективу использования явления сверхпроводимости при передаче электрической энергии.

Сверхпроводящие соединения нашли применение в качестве материала обмоток электромагнитов для создания сильных магнитных полей в мощных электрических двигателях, генераторах, ускорителях и др.

На сегодняшний день основные сферы применения сверхпроводимости - это медицинские установки магнитно-резонансной терапии (МРТ) и электроника.

Поезд на магнитной подушке

Аппарат МРТ

Полупроводники — широкий класс как неорганических, так и органических веществ в твёрдом или жидком состоянии. Полупроводники обладают многими замечательными свойствами, благодаря которым они нашли широкое применение в различных областях науки и техники.

К полупроводникам относят ряд химических элементов (бор, углерод, кремний, германий, фосфор, мышьяк, сурьма, сера, селен, теллур и др.), множество оксидов и сульфидов металлов, а также других химических соединений.

Удельное сопротивление полупроводников находится в пределах от 10 –6  до 10 8  Ом · м (при  Т  = 300 К), т. е. во много раз меньше, чем у диэлектриков, но существенно больше, чем у металлов.

В отличие от проводников удельное сопротивление полупроводников резко убывает при увеличении температуры, а также изменяется при изменении освещения и введении сравнительно небольшого количества примесей.

При прохождении электрического тока в полупроводниках, как и в металлах, никаких химических изменений не происходит, т. е. перенос заряда при прохождении тока не сопровождается переносом вещества.

Свободными носителями электрического заряда в полупроводниках, как и в металлах, являются электроны .

Рассмотрим кристалл Ge IV .

Каждый атом кристалла связан с четырьмя соседними атомами ковалентными связями. При температуре, близкой к абсолютному нулю, ковалентные связи германия достаточно прочны, поэтому свободные электроны отсутствуют и германий является диэлектриком.

Нагревая кристалл или облучая его поверхность. При этом часть электронов получает энергию, достаточную для того, чтобы покинуть атомы и стать свободными.

Нейтральный атом, которому принадлежал освободившийся электрон, становится положительно заряженным ионом, а в ковалентных связях образуется вакантное место с недостающим электроном. Его называют дыркой

Одновременно с данным процессом происходит обратный процесс, при котором один из электронов перескакивает на место образовавшейся дырки и восстанавливает ковалентную связь. При этом положение дырки меняется, что можно моделировать как её перемещение.

Таким образом, при отсутствии внешнего электрического поля в кристалле полупроводника наблюдается беспорядочное перемещение свободных электронов и дырок, концентрации которых в чистом полупроводнике одинаковые.

Дырок, как положительных зарядов, существующих реально, в действительности нет. Тем не менее, представление о них является хорошей физической моделью, которая дает возможность рассматривать электрический ток в полупроводниках на основе законов физики.

При наличии внешнего электрического поля на беспорядочное движение свободных электронов и дырок накладывается их упорядоченное движение - возникает электрический ток.

Движение свободных электронов происходит в направлении, противоположном направлению напряжённости внешнего электрического поля, а движение дырок совпадает с направлением напряжённости поля.

Собственная проводимость полупроводника - проводимость, обусловленная движением свободных электронов и дырок в чистом полупроводнике.

При сообщении полупроводнику энергии концентрация свободных электронов, а следовательно, и дырок возрастает, так как увеличивается число разрывов ковалентных связей. Этим и объясняется уменьшение сопротивления полупроводника при его нагревании и облучении.

Изменить свойства полупроводников можно не только нагреванием или воздействием электромагнитного излучения, но и добавлением в чистый полупроводник примесей. Тогда в полупроводнике наряду с собственной проводимостью возникает примесная проводимость.

Примесная проводимость полупроводника - проводимость, обусловленная наличием примесей в полупроводнике.

Рассмотрим кристалл Ge IV , содержащий примесь атомов мышьяка As V .

Четыре валентных электрона атома мышьяка образуют ковалентные связи с соседними атомами германия. Пятые валентные электроны атомов мышьяка не задействованы в образовании ковалентных связей и могут свободно перемещаться, почти как электроны в металлическом проводнике.

Проводимость такого кристалла будет преимущественно электронной. Дырки, образующиеся в результате разрыва отдельных ковалентных связей между атомами германия, являются неосновными носителями электрического заряда, так как их концентрация мала по сравнению с концентрацией свободных электронов.

Такие полупроводники называют  электронными полупроводниками  или  полупроводниками n-типа   (от лат. negativ ‒ отрицательный) .

Примеси, поставляющие в полупроводники свободные электроны без возникновения равного им количества дырок, называют  донорными   (отдающими) .

Рассмотрим кристалл Ge IV , содержащий примесь атомов индия In III .

Валентные электроны атома индия образуют ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия). На образование связи с четвертым атомом германия у атома индия электрона нет. Поэтому возле каждого атома индия одна из ковалентных связей будет незаполненной, т. е. возникает дырка.

Проводимость такого кристалла будет преимущественно дырочной. Свободные электроны, которые возникают за счет собственной проводимости полупроводника, являются неосновными носителями электрического заряда, так как их концентрация мала по сравнению с концентрацией дырок.

Такие полупроводники называют дырочными полупроводниками или полупроводниками p-типа (от лат. positiv ‒ положительный) .

Примеси, наличие которых в полупроводнике приводит к образованию дырок, не увеличивая при этом числа свободных электронов, называют  акцепторными   (принимающими) .

Техническое применение полупроводников и полупроводниковых приборов.  

• Терморезисторы (для защиты телефонных станций и линий от токовых перегрузок, для пускозащитных реле компрессоров холодильников, поджига люминесцентных ламп, подогрева дизельного топлива; в различных электронагревательных устройствах: нагревательных решётках тепловентиляторов, сушилках для обуви) .
• Фоторезисторы (для регистрации слабых потоков света, при сортировке и счёте готовой продукции, для контроля качества и готовности самых различных деталей; в полиграфической промышленности для обнаружения обрывов бумажной ленты, контроля количества листов бумаги, подаваемых в печатную машину; в медицине, сельском хозяйстве и др.) .
• Полупроводниковые диоды (являются основными элементами выпрямителей переменного тока) .
• Транзисторы — приборы, предназначенное для усиления, генерации, преобразования и коммутации сигналов в электрических цепях.
• Светодиоды — полупроводниковый приборы, преобразующий электрическую энергию непосредственно в световое излучение.

Список литературы и ссылки на интернет-источники :

• Физика: 10 класс: учебник / Г.Я. Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н. Сотский. – Москва: Просвещение, 2022 – 432с.
• http:// profil.adu.by/course/view.php?id=13#section-8
• https:// videouroki.net/video/58-ehlektricheskij-tok-v-poluprovodnikah-sobstvennaya-i-primesnaya-provodimosti.html
• https ://studfile.net/preview/5903756 /