4. PROPRIETĂȚI ELECTRICE ALE MATERIALULUI
4.1 Concepte de bază
Abilitatea diferitelor materiale de a efectua curent electric este caracterizată prin conductivitate electrică. Dacă se aplică o diferență de potențial la un conductor izotropic, se creează un câmp electric omogen cu o tensiune E și o densitate de curent j (Figura 4.1). Dependența densității de curent pe tensiune se numește caracteristica de tensiune curentă. Pentru cele mai multe metale și semimetale, caracteristica curent-tensiune este o relație liniară descrisă de ecuație
unde γ este conductivitatea electrică a conductorului.
Figura 4.1. La definiția legii lui Ohm
Constanta determinând proprietățile electrice ale materialului este rezistivitatea electrică, adică rezistența electrică a unui eșantion cu o singură lungime, cu o arie a secțiunii transversale a unității. Apoi rezistența electrică a eșantionului poate fi calculată
unde ρ este rezistivitatea electrică; l este lungimea eșantionului; S este zona secțiunii sale.
Rezistența electrică specifică este reciprocă a conductivității electrice specifice.
În funcție de rezistența electrică specifică, toate materialele sunt împărțite în conductori, semiconductori și dielectrice. Rezistența electrică specifică a conductorilor este ρ = 10 -8 ... 10 -7 Ohm. m, a semiconductorilor - 1,0 ... 10 5 Ohm. m și dielectrice - 10 19 ... 10 21 Ohm. Toate metalele sunt conductori buni, dar metalele monovalenți au cea mai mare conductivitate electrică, adică grup de metale alcaline și cupru. Cu o creștere a valenței, conductivitatea electrică scade. Metalele tranzitorii au o conductivitate electrică scăzută. În cristale unice, conductivitatea electrică are anizotropie, adică depinde de orientarea sa cristalografică în raport cu direcția curentului.
Pe măsură ce crește temperatura, rezistivitatea electrică a metalelor și a aliajelor crește, de regulă. În cazul general, această dependență este exprimată prin următoarea formulă
Pentru cele mai multe metale pe o gamă largă de temperaturi, pornind de la temperatura camerei, o relație liniară
unde α este coeficientul de temperatură al rezistenței electrice; ρ0 este rezistivitatea conductorului la temperatura camerei (20 ° C); T este creșterea temperaturii probei în raport cu temperatura camerei.
În general, se determină coeficientul de temperatură al rezistenței electrice
4.2 Teoria conductivității electrice a metalelor
Transferul de electricitate în metal (curent electric) se efectuează prin electroni. Teoria clasică a conductivității electrice a metalelor se bazează pe propunerea că gazul de electroni respectă legile teoriei cinetice clasice a gazelor.
Când un câmp electric este aplicat pe metal, electronii liberi dobândesc o mișcare direcționată de-a lungul liniilor de forță ale câmpului. Rezultatul acestei mișcări este un curent electric a cărui densitate este determinată de expresie
unde n este numărul de electroni liberi pe unitatea de volum; e este sarcina de electron; u este viteza suplimentară a electronului, pe care o dobândește în direcția liniilor de forță ale câmpului electric în intervalele de la o coliziune la cealaltă.
Viteza incrementală poate fi determinată
unde E este puterea câmpului electric; τ este timpul mediu liber al electronului.
În derivarea expresiei (4.6), se presupune că electronul își pierde viteza suplimentară de fiecare dată când se ciocnește cu situl de zăcământ și, din nou, îl dobândește sub acțiunea câmpului.
Luând în considerare (4.6), expresia (4.5) ia forma
Calea liberă medie a unui electron poate fi reprezentată ca
unde l este calea medie liberă a electronului între coliziuni cu zăbrele; este viteza medie a unui electron.
Viteza medie a unui electron depășește cu mult viteza suplimentară dobândită de câmpul electric. Valoarea vitezei medii poate fi definită ca viteza rms a mișcării termice aleatoare a electronului
Apoi (4.7) ia forma
Rezultă din (4.10) că conductivitatea electrică este
Rezistivitatea electrică este inversa conductivității electrice sau
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: