Проводимость твердых тел, жидкостей и газов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования “Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.”

Кафедра «Сварка и металлургия»

Реферат

по дисциплине теория сварочных процессов

На тему: «Проводимость твёрдых тел,жидкостей и газов»

Выполнил: студент Б2МНСТ-31 Гришин Е.А.

Проверила: к.т.н., доцент Куц Л.Е.

Саратов 2014

Электрическим током принято называть упорядоченное движение электрически заряженных частиц. В зависимости от состояния и состава вещества его электрическая проводимость может быть электронной (в металлах), электронно-дырочной (в полупроводниках), электронно-ионной (в газах) и ионной (в электролитах).

Внутренняя энергия системы есть сумма всей кинетической и потенциальной энергии частиц. Жидкостям и аморфным телам свойствен лишь ближний порядок, а газы имеют беспорядочное расположение частиц при максимальной внутренней энергии системы. Состояние вещества зависит от температуры Т и значения сил межмолекулярного взаимодействия. Энергия теплового движения или так называемая энергетическая температура частиц равна kT. При высоких температурах значение kT превосходит энергию взаимодействия молекул и вещество может быть только газом. Напротив, в кристалле частицы связаны сильно и энергия взаимодействия много больше kT.

Здесь

k -- 1/11 600 эВ/К = 1,38- 10 23 Дж/К -- постоянная Больцмана.

Уровни энергии, которыми может обладать электрон в кристалле, определяются принципом Паули, который гласит, что в атоме в одном из любых квантовых состояний может находиться не более двух электронов (с противоположными спинами).

Распределение электронов проводимости в твердом теле подчиняется статистике Ферми -- Дирака. С повышением температуры тепловую энергию воспринимают только внешниевалентные электроны, переходящие на еще более высокие энергетические уровни, которые у металлов обычно свободны. Уровень или граница Ферми Wf определяется концентрацией электронов.

Рис. 1. Распределение частиц газа по скоростям согласно Максвеллу -- Больцману 8...10 эВ

Когда энергия частиц w = kT велика по сравнению с Wj, распределение Ферми приближается к максвелловскому, описывающему «классические» частицы в газе (рис.1). Классическое распределение наблю - дается, когда п мало или Т велико.

Энергетические уровни электронов в твердом теле объединены в серии и образуют энергетические зоны. Число расщепленных уровней в каждой зоне равно числу атомов, объединенных в кристалл. Установлено наличие трех зон: нижняя зона валентных сзязей; запрещенная зона; зона проводимости.

В зависимости от концентрации свободных носителей, которая связана со способом взаимодействия атомов в решетке, изменяется значение энергетического зазора между валентной зоной и зоной проводимости. Соответственно меняется характер электропроводимости кристаллов, которые в связи с этим можно разделить на три класса: проводники (металлы), полупроводники и изоляторы (диэлектрики).

В металлах валентная зона занята не полностью заштрихованная область на или занята полностью, но перекрывается со следующей свободной зоной.

В полупроводниках и диэлектриках валентная зона целиком

Рис. 2 Схема энергетических зон для электронов в проводниках (а, б), полупроводниках (в) и изоляторах (г)

заполнена и зона проводимости свободна от электронов. Однако у полупроводников расстояние между заполненной зоной и зоной проводимости мало, т. е. Aw < 2 эВ (рис. 2, а), а у диэлектриков -- велико, т. е. Aw > 2 эВ (рис. 2.3, г). Связь концентрации свободных электронов пе с шириной запрещенной зоны для кристаллов при 300 К представлена ниже:

Дш, эВ.................... 10 3 2 1 0,5 0,1

п„ м~3................................. 1(Г5Э 10 10® 1017 102' 1024

Следует отметить, что свободные электроны есть во всех твердых телах, как в проводниках, так и в изоляторах; разница состоит в их количестве.

При наложении электрического поля возникают силы, заставляющие электроны дрейфовать -- двигаться вдоль поля; на хаотическое тепловое движение накладывается упорядоченное движение со скоростью дрейфа. Пользуясь законами классической физики, можно оценить ее порядок по сравнению с тепловой скоростью.

Полагаем, что движение электрона, как частицы с массой те и зарядом е, под действием поля Е и ускоряющей силы еЕ происходит в течение времени т = Я/v, где v -- средняя квадратичная скорость электрона (тепловая, так как скоростью дрейфа пренебрегаем из-за сравнительной малости), а Я--средняя длина свободного пробега электрона (пробег). Движение с ускорением еЕ/m за время т разгонит электрон до скорости дрейфа:

TOC o "1-5" h z ve -- (eE/me){h/v) = (еЕ/тє)г. (2.1)

Плотность тока

j = neve.

Подставляя значение ve, получим

j = {ne2/m,){K/v)E. (2.3)

Получаем закон Ома в форме

/ = уЕ,

где у -- электрическая проводимость:

V = (пе2/те) т. (2.4)

Величину

b = Ve/E - (е/те)(Я/v) -- ех/те (2.5)

называют подвижностью носителя тока (электрона), а уравнение известно как уравнение Ланжевена. Тогда

у = j/E = neve/E = neb.

Эти формулы применяют для простейшей модели электрона. Реальный пробег электрона в твердом теле, зависящий от его (электрона) подвижности, значительно больше межатомных расстояний и составляет десятки (а при низких температурах даже сотни) нанометров, что объяснимо только с учетом волновых свойств электрона.

Проводники

Из формул видно, что электрическая проводимость прямо пропорциональна числу свободных электронов п, пробегу К и обратно пропорциональна скорости v, которые могут меняться от вещества к веществу. Пробег электрона ограничен тепловыми колебаниями атомов и наличием у кристалла различного рода дефектов.

Рост температуры металла ведет к увеличению тепловой скорости электрона, а увеличение амплитуды колебаний ионов в узлах решетки уменьшает пробег К электрона, поэтому у металлов с увеличением температуры и пластической деформации проводимость уменьшается.

Число заряженных частиц в металле не зависит от силы тока, поэтому проводимость (и сопротивление) металла при данной температуре постоянна. Закон Ома и падение потенциала имеют линейную форму.

Поупроводники

В полупроводниках при повышении температуры электроны могут переходить из нижней зоны (валентной) через зазор в верхнюю зону (проводимости). Таким образом, полупроводники, в отличие от металлов, при высоких температурах резко увеличивают проводимость, а при низких -- приближаются к изоляторам. Перенос зарядов может быть электронным и дырочным.

Введение примесей в полупроводники может уменьшить зазор до 0,05 эВ. Это происходит, например, при добавках в кристаллы

Рис. 3 Отклонение носителей тока в твердом теле магнитным полем (эффект Холл а)

ток электрон проводник магнитный

четырехвалентных кремния или германия, пятивалентных мышьяка или сурьмы, которые являются «донорами» свободных электронов, обеспечивающих электронную негативную /г-проводимость. Наоборот, с добавкой «акцепторов» -- трехвалентных индия или галлия -- полупроводник приобретает дырочную, позитивную р-проводи - мость.

Знак носителей тока и их относительное число в твердом теле можно обнаружить с помощью эффекта Холла. Если вдоль пластинки, помещенной поперек магнитных силовых линий В, идет ток, то на заряженную частицу е, движущуюся со скоростью v, будет действовать сила Лоренца F в направлении, перпендикулярном полю и току. Иными словами, в этом направлении возникает электрическое поле напряженностью Ex=vB, а между гранями пластины -- разность потенциалов V=vBd. Ее направление и значение определяются знаком и числом носителей заряда.

Электролиты

Жидкости-электролиты представляют собой растворы каких - либо веществ в воде, либо расплавы солей сульфидов, окислов и т. п. Ионы, находившиеся ранее в узлах кристаллической решетки, в электролите приобретают большую подвижность и могут служить носителями тока. Проводимость электролита зависит от природы, концентрации и коэффициента активности ионов. Все эти параметры сильно зависят от температуры электролита. В растворе ионы обычно менее активны из-за сольватирования их молекулами растворителя, что видно из приведенных ниже данных В. В. Фролова о числе ионов п, и удельной проводимости у в насыщенном растворе (числитель) и в расплаве NaCl (знаменатель):

л„ 1 м1............................... 0,6- 1028/3- 1028

Y....................................... 20/360

Проводимость электролитов подчиняется закону Ома в широких пределах благодаря перераспределению скоростей и энергии ионов. Однако в связи с тем что у поверхности электродов, находящихся в электролите, происходит разрядка ионов, в этих зонах нарушается линейность в падении потенциала и создается повышенное напряжение -- анодное и катодное.

Газы

Молекулы газа нейтральны, поэтому газ обычно -- хороший изолятор и может проводить электрический ток лишь при условии, что в него вводятся извне или генерируются внутри заряженные частицы. Приложив, например, достаточно сильное электрическое поле, можно вызвать нарушение изолирующих свойств газа (пробой) и ионизацию его, вследствие чего он сможет пропускать значительные токи.

У большинства газов в проводящем состоянии носителями зарядов служат электроны и положительные ионы, хотя в некоторых случаях эту роль выполняют и отрицательные ионы.

Предположим, что в 1 м3 газа имеется пе и щ электронов и ионов (однозарядных, положительных), несущих заряды ей +е соответственно. Под действием напряженностью Е возникают силы еЕ и частицы движутся вдоль поля со средними скоростями дрейфа ve и а,. Перенос зарядов в направлении Е соответствует плотности тока

/' = neeve + ntev

В связи с тем что масса иона т, на 3...4 порядка больше, подвижность иона обычно соответственно меньше, поэтому приближенно принимают.

Список литературы

1. Уч. «Теория сварочных процессов»(под редакцией В.В.Фролова) Издательство «Москва» 1988 г.

Размещено на Allbest.ru