![]()
МАРК РЕГНЕРУС ДОСЛІДЖЕННЯ: Наскільки відрізняються діти, які виросли в одностатевих союзах
РЕЗОЛЮЦІЯ: Громадського обговорення навчальної програми статевого виховання ЧОМУ ФОНД ОЛЕНИ ПІНЧУК І МОЗ УКРАЇНИ ПРОПАГУЮТЬ "СЕКСУАЛЬНІ УРОКИ" ЕКЗИСТЕНЦІЙНО-ПСИХОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ПОРУШЕННЯ СТАТЕВОЇ ІДЕНТИЧНОСТІ ПІДЛІТКІВ Батьківський, громадянський рух в Україні закликає МОН зупинити тотальну сексуалізацію дітей і підлітків Відкрите звернення Міністру освіти й науки України - Гриневич Лілії Михайлівні Представництво українського жіноцтва в ООН: низький рівень культури спілкування в соціальних мережах Гендерна антидискримінаційна експертиза може зробити нас моральними рабами ЛІВИЙ МАРКСИЗМ У НОВИХ ПІДРУЧНИКАХ ДЛЯ ШКОЛЯРІВ ВІДКРИТА ЗАЯВА на підтримку позиції Ганни Турчинової та права кожної людини на свободу думки, світогляду та вираження поглядів
Контакти
Тлумачний словник Авто Автоматизація Архітектура Астрономія Аудит Біологія Будівництво Бухгалтерія Винахідництво Виробництво Військова справа Генетика Географія Геологія Господарство Держава Дім Екологія Економетрика Економіка Електроніка Журналістика та ЗМІ Зв'язок Іноземні мови Інформатика Історія Комп'ютери Креслення Кулінарія Культура Лексикологія Література Логіка Маркетинг Математика Машинобудування Медицина Менеджмент Метали і Зварювання Механіка Мистецтво Музика Населення Освіта Охорона безпеки життя Охорона Праці Педагогіка Політика Право Програмування Промисловість Психологія Радіо Регилия Соціологія Спорт Стандартизація Технології Торгівля Туризм Фізика Фізіологія Філософія Фінанси Хімія Юриспунденкция |
|
|||||||||||||||||
Термоелектричні, гальвано- і термомагнітні явища в металах і сплавах.Розділ 2. Електричні властивості (8 год.) Закон Ома. Електропровідність металів. Залежність електричного опору металів від температури і тиску. Надпровідність. Термоелектричні, гальвано- і термомагнітні явища в металах і сплавах. 2.1. Закон Ома
Основою вивчення електричних властивостей металів та сплавів є закон Ома, що пов'язує прямою пропорційністю різницю потенціалів на кінцях провідника Е і силу струму (і), що по ньому протікає. Е та і зв'язані коефіцієнтом пропорційності - опором провідника. Проведена експериментальна перевірка показала, що до дуже великої густини струму (106 А/см2) у досліджених зразках золота, срібла, міді, платини і вольфраму не спостерігається відхилень від закону Ома. Лише при ще більш високих густинах струму в двох останніх елементах, що є перехідними, спостерігається деяке збільшення опору. Закон Ома покладений в основу експериментального вивчення електричних властивостей металів та сплавів. Константою, що характеризує електричні властивості металу, є його питомий опір r. Він визначається природою об'єкта і не залежить від його форми і розмірів. Як відомо, r можна отримати шляхом вимірювання опору r на зразку довжиною l і площею перерізу S; обчислюється r за формулою
де r для металевих провідників вимірюється в Ом; l - в м; S - в мм2. В цьому випадку r буде вимірюватись в Ом×мм2/м. Питома провідність γ є величиною, оберненою до питомого опору, і обчислюється за формулою
Відповідно до цього Питомий опір (і провідність) сплавів, так само як і металів, залежить від температури. Як правило, електричний опір тим більший, чим вища температура металу. Якщо позначити через
При високих температурах (вищих 20 оС) для більшості металів і сплавів справедлива лінійна залежність (
З рівняння (2.4) можна одержати вираз для температурного коефіцієнта
Цей вираз дає середній коефіцієнт
При визначенні температурного коефіцієнта питомого опору
де
2.2. Електропровідність металів
Перенос електрики в металі (електричний струм) здійснюється електронами. У досліді Стюарта і Толмена соленоїд, який обертався з високою швидкістю і був підключений до балістичного гальванометра, раптово зупинявся. При цьому гальванометр реєстрував імпульс струму, виникнення якого обумовлено тим, що електрони в металі продовжували деякий час рухатися за інерцією. Доказом того, що носіями електричного струму є електрони, служить також і ефект Холла.
або
де У стаціонарному стані, після накладення магнітного поля і після розподілу зарядів, магнітна й електрична сили, що відхиляють електрон, повинні бути рівними, тобто
де N - число електронів провідності в одиниці об'єму. Електричний опір металу при розташуванні його в магнітному полі змінюється. Вперше для феромагнетиків такий гальваномагнітний ефект був виявлений Томсоном у 1856 р. Експериментально було показано, що для не феромагнітних металів (за винятком телуру) зміна електричного опору Зміна електричного опору в магнітному полі спостерігається також і для рідких металів і сплавів, зокрема для сплавів натрій - калій. Для багатьох феромагнетиків у полях технічного намагнічування (при намагнічуванні до технічного насичення Is) Розглянемо теоретичні уявлення про електронну провідність і її температурну залежність. Якщо метал помістити в електричне поле напруженістю Е, то виникає електричний струм, густина j якого буде визначатися кількістю колективізованих електронів N в одиниці об'єму, додатковою швидкістю u,яка набувається електроном, та його зарядом е:
Величина u виводиться з того припущення, що електрон втрачає свою додаткову швидкість щоразу при зіткненні з фононом і знову набуває її під впливом електричного поля (різниці потенціалів) прикладеного зовні. З цього припущення випливає, що
де З того факту, що електричний опір металу без домішкових атомів і дефектів при абсолютному нулі температури дорівнює нулю, випливає, що опір виникає в результаті взаємодії електрону, його зіткненнями з тепловими коливаннями гратки. Накладення електричного поля Е прискорює рух колективізованих електронів. За відсутності поля розподіл Фермі призводить до того, що для кожного електрона із заданим імпульсом знайдеться інший електрон із таким же імпульсом за абсолютною величиною, але з протилежним знаком. Тому при відсутності поля електричний струм проходити не буде. Пов'язане з накладенням поля прискорення зростало б до нескінченності, якби разом із прискоренням електронів не виникало їхнє гальмування. В міру зростання першого зростає і друге. Їхня збалансована взаємодія й приводить до рівноваги, тобто до стаціонарного струму, величина якого залежить від Е. З принципу Паулі випливає, що можливі не всі переходи електронів на незайняті енергетичні рівні, які утворилися в результаті зіткнення електронів (їхнього розсіювання) з коливаннями гратки. Число переходів не може перевищити числа енергетичних рівнів, що звільнилися, тобто поширюється на порівняно невелику частку електронів. Оскільки енергія розсіювання при зіткненнях незначна, то розсіяння можуть зазнати лише ті електрони, енергія яких знаходиться поблизу поверхні Фермі. Іншими словами, додаткову швидкість (імпульс) можуть придбати тільки ті електрони, що беруть участь у теплоємності металу. Таким чином, хоча розподіл за енергіями для більшості електронів не змінюється, але розподіл у цілому зміщується на деякий величину. Колективізовані електрони в цілому набувають додаткового імпульсу.
Сказане ілюструється рис. 2.2 для металу з малою густиною електронів, імпульси яких описуються сферою Фермі. Точками а і b показано зміщення центру розподілу Фермі під дією електричного поля. Вектор ab дорівнює додатковому імпульсу
де N - повне число електронів в одиниці об'єму (е і т - заряд і маса електрона). Припустимо, що електрон, енергія якого близька до енергії Фермі, втрачає свій додатковий імпульс
Звідси густина струму
і питома теплоємність
Зв’язок між часом
в якій За допомогою відповідної підстановки отримуємо
звідки питома електропровідність
Як уже вказувалося раніше, додаткову швидкість (або енергію) можуть придбати тільки електрони, що знаходяться на самому верхньому енергетичному рівні, тобто ті нечисленні електрони, які беруть скільки-небудь помітну участь у теплоємності металів. Звідси випливає, що, по-перше, Температурна залежність довжини вільного пробігу l обумовлена взаємодією електронів, що рухаються дією зовнішнього електричного поля, з іонним кістяком гратки. Рух електронів можна описати як поширення хвилі. При русі в періодичному потенціальному полі металевого кристала електронні хвилі зазнають розсіювання на іонах гратки. Розсіяні хвилі інтерферують, створюючи фронт хвилі. Безперервне накладення двох процесів - розсіювання й інтерференції - забезпечує поширення електронної хвилі в кристалі, тобто електричний струм. Виходячи з вищесказаного можна вважати, що довжина вільного пробігу l має зміст відстані, яку проходить електрон між двома послідовними актами розсіювання. Можна припустити, що l за порядком величини повинна складати ~10-8 см (величина міжатомної відстані в металевому кристалі).Проте хороший збіг за порядком величин, розрахованих за формулою (2.17) і експериментально визначених значень питомої електропровідності отримується лише в тому випадку, якщо прийняти, що Це протиріччя знімається фізичною теорією опору, обумовленого розсіюванням на теплових коливаннях гратки (гратковий опір). Теорія показує, що для абсолютно чистого металу з ідеально періодичною граткою l® Важливим результатом теорії є те, що електроопір обумовлений розсіюванням електронів на порушеннях періодичності (статичних і динамічних спотворень) гратки. Довжина вільного пробігу електрона в металі при температурі плавлення складає приблизно 50 параметрів гратки. Теорія граткового опору задовільно пояснює експериментальні оцінки довжини вільного пробігу.
2.3. Залежність електричного опору металів від температури і тиску
При теоретичному визначенні температурної залежності електропровідності вважається, що електрони провідності цілком вільні. Якщо припустити, що теплові коливання окремих атомів незалежні, то електрична провідність повинна спадати прямо пропорційно температурі, тому що величина
де Врахування взаємодії між коливаннями атомів і електронів провідності для випадку низьких температур (нижчих від характеристичної) виконується за допомогою методів квантової статистики. Встановлено, що при низьких температурах опір пропорційний Т5 і змінюється так для багатьох металів, що розрізняються як за валентністю, так і за типом кристалічної гратки. Ця залежність спостерігається в одновалентних об’ємно - і гранецентрованих кубічних металів, у двовалентних Cd і Zn (обидва мають гексагональну щільно упаковану гратку), у тривалентного In (тетрагональна гратка), чотирьохвалентних Sn (тетрагональна гратка) і РЬ (ГЦК гратка), у перехідних металів Ti (гексагональна щільно упакована гратка) і Мо (ОЦК гратка). У більшості перехідних металів (включаючи лантаноїди й актиноїди) при температурах нижчих від характеристичної температурна залежність електроопору описується членом Проведені теоретичні й експериментальні роботи показують, що в перехідних металах при низьких температурах разом із розсіюванням електронів на теплових коливаннях гратки діють і інші механізми розсіювання. Механізми ці можуть діяти одночасно, що й призводить (поряд із впливом домішок) до різних, у тому числі і нецілих значеннях показника п. Можливим механізмом є перехід валентних s-електронів на d-рівень, тоді в температурній залежності електроопору з'являється член Сказане відносилося до аномалій температурної залежності перехідних металів при низьких температурах (нижче характеристичної). Аномальна зміна електроопору перехідних металів спостерігається і при температурах вищих від характеристичної. За винятком ванадію, температурна залежність електричного опору цих металів відхиляється від лінійної. При цьому відхилення від лінійності у металів IV і V груп від’ємне (більш повільне зростання опору), у металів VI групи відхилення від лінійності позитивне (прискорене зростання опору). У феромагнітних металів температурна залежність електричного опору має додаткові аномалії, обумовлені наявністю спонтанної намагніченості. У Fe, Со, Ni феромагнітні аномалії стають помітними при температурах близько 0,259 Тс (Тс - точка Кюрі). Вище точки Кюрі електроопір змінюється нормально, як у парамагнітних металів. У більшості металів при всебічному стисненні (під тиском до 1200 МПа) електричний опір зменшується, що можна пояснити зближенням атомів у кристалі. Питомий опір під тиском визначається із співвідношення
де Опір деяких металів (Li, Ca, Sr, Sb, Bi) під тиском підвищується, що потрібно розглядати як аномалію. При всебічному стисненні зменшується також і об'єм тіла. Тому потрібно розрізняти коефіцієнт тиску для загального опору
де р - тиск всебічного стиснення. Для заліза При пружному розтягуванні чи крученні збільшуються міжатомні відстані і електричний опір металів зростає. Вплив пружного розтягу при умові пропускання струму вздовж діючої сили обчислюється за формулою
де У заліза при кімнатній температурі
2.4. Надпровідність
Відповідно до наведеного вище уявлення про електричну провідність металів, електроопір чистого металу повинен перетворюватися в нуль лише при досягненні температури абсолютного нуля. Проте існує широкий клас речовин (металів, сплавів, інтерметалічних сполук), електроопір яких при охолодженні нижче певної (не рівної нулю) температури стрибкоподібно падає до нуля. Це явище називається надпровідністю і вперше виявлено експериментально в ртуті в 1911 р. голландським вченим Камерлінг-Оннесом. Найбільш загальною властивістю надпровідників є існування критичної температури надпровідності Тк, нижче від якої електроопір речовини стає дуже малим. Відповідно до останніх оцінок, верхня межа електроопору речовини в стані, що відповідає надпровідності, (тобто при температурі нижче Тк) складає 10-23 Ом×см (ця величина відповідає похибці виміру електроопору). Серед чистих елементів відомо близько 30 надпровідників. Деякі елементи можуть зазнавати алотропічних перетворень під дією високих тисків (порядку десятків тисяч атмосфер). Кристалографічні модифікації, що утворюються при цьому, (так звані фази високого тиску) при охолодженні переходять у надпровідний стан, хоча при звичайних тисках ці елементи не являються надпровідниками. Наприклад, надпровідником є модифікація TeІІ, що утворюється при тиску 56 000 ат, BiІІ (25 тис. ат, Тк = 3,9 К), BiІІІ (27 тис. ат, Тк = 7,2 К). Фази високого тиску GaІІ і SbII залишаються надпровідниками і після зняття високого тиску, і при атмосферному тиску критичні температури переходу цих фаз в надпровідний стан, рівні відповідно 7,2 і 2,6 К.У звичайному стані Be і Ga не являються надпровідниками, але стають такими при осадженні на підкладках у вигляді тонких плівок. Виникнення надпровідності при осадженні плівок із парової фази спостерігали також у Се, Pr, Nd, Eu, Yb. Характерно, що метали підгруп IA, IB і IIA, які при кімнатній температурі є добрими провідниками електрики, не являються надпровідниками (за винятком берилію в тонко плівковому стані). Феро- і антиферомагнітні елементи також не являються надпровідниками. Характеристики багатьох елементів, які являються надпровідниками, особливо Мо, Ir і W, дуже чутливі до чистоти металу, що дає підставу припускати, що з розвитком методів рафінування металів надпровідні властивості будуть виявлені в деяких інших елементів. Перехід із нормального стану (із ненульовим електроопором) у надпровідний стан спостерігається не тільки в чистих елементах, але також у сплавах і інтерметалічних сполуках. На цей час відомо більш тисячі надпровідників. Б. Маттіас сформулював правила, які пов’язують існування надпровідності з валентністю Z. 1. Надпровідність існує тільки при 2 < Z < 8. 2. У перехідних металів, їхніх сплавів і сполук при Z = 3, 5 або 7 спостерігаються максимальні температури переходу в надпровідний стан (рис. 2.3). 3. Для кожного даного значення Z оптимальними є певні кристалічні гратки (для одержання максимальної Тк), причому Тк швидко зростає зі зростанням атомного об’єму надпровідника і спадає зі зростанням маси атома. Найбільш перспективними з точки зору технічного застосування є надпровідники з високою критичною температурою. Найбільш високою Тк володіють сплави і сполуки перехідних металів ніобію і ванадію. Ці матеріали діляться на три групи: 1) сплави (тверді розчини) з ОЦК граткою Nb - Ti, Nb - Zr. Тк ~ 10 К і вище; 2) Сполуки з граткою типу NaCl, наприклад NbN і Nb (С, N), Тк ~ 18K; 3) сполуки ніобію і ванадію з елементами підгруп алюмінію і кремнію, що мають кристалічну гратку типу b-W і стехіометричну формулу А3В, де А - Nb або V, В - елемент підгрупи ІІІB або IVB, наприклад V3Si, Nb3Sn, Nb3(Al, Ge), Тк ~ 21 К і вище. Критична температура переходу в надпровідний стан, і інші надпровідні характеристики, про які буде сказано нижче, сполук А3В дуже чутливі до незначних відхилень від стехіометрії, до структурного стану зразка (наявність дисперсних часток інших фаз), дефектів кристалічної будови, ступеня далекого порядку. Цим пояснюється підвищення Тк сполук Nb3Al, Nb3Ga, Nb3(А1,Ge) на декілька градусів після гартування від високих температур і наступного відпалу. Зокрема. Тк сполуки Nb3Ge в результаті різкого гартування була підвищена від 11 до 17 К. На тонко плівкових зразках Nb3Ge, отриманих розпиленням, досягнуті значення Тк = 22 К і 23 К.
Речовини у надпровідному стані мають специфічні магнітні властивості. В першу чергу це виявляється в залежності критичної температури надпровідності від напруженості зовнішнього магнітного поля. Критична температура максимальна при відсутності зовнішнього магнітного поля і знижується при збільшенні його напруженості. При деякій напруженості зовнішнього поля Нкм, що називається критичною, Тк = 0. Іншими словами, в полях, рівних або більших від Нкм надпровідний стан в речовині не виникає ні при яких температурах. Іншою важливою магнітною властивістю надпровідників є їхній діамагнетизм. Всередині надпровідника, поміщеного в магнітне поле, індукція дорівнює нулю. Якщо ж надпровідник поміщений у магнітне поле при температурі вище критичної, то при охолодженні нижче Тк магнітне поле «виштовхується» із надпровідника і його індукція в цьому випадку також дорівнює нулю. Руйнування надпровідності зовнішнім магнітним полем та ідеальний діамагнетизм надпровідників пов'язані з тим, що для збереження надпровідного стану сумарний імпульс (кінетична енергія) електронів повинен бути меншим певного значення. В силу цього існує певна гранична (критична) густина струму Надпровідники з малою глибиною проникнення (різке затухання магнітного поля біля поверхні) називаються м'якими надпровідниками, або надпровідниками I роду. Є також жорсткі надпровідники, або надпровідники II роду. Надпровідники II роду характеризуються більш високими значеннями критичних полів і більшої ширини температурної області переходу в надпровідний стан. Для м'яких надпровідників (олово, ртуть, цинк, свинець) температурний інтервал переходу в надпровідний стан складає близько 0,05 К, тоді як для жорстких надпровідників (ніобій, реній, сполук зі структурою b-W) температурний інтервал переходу складає близько 0,5 К. Фундаментальною різницею між надпровідниками I і П роду є знак поверхневої енергії між нормальною і надпровідною фазами. У надпровідників II роду ця енергія негативна. В силу цього в таких надпровідниках у полях, менших від критичного, можливо виникнення нормальних (не надпровідних) областей, відділених від надпровідних областей границями, паралельними зовнішньому магнітному полю. Виникнення таких нормальних областей (ліній магнітного потоку) може привести до зниження вільної енергії тіла, якщо гранична енергія негативна. У надпровідників I роду з позитивною граничною енергією виникнення нормальних областей енергетично невигідно, тому надпровідники I роду залишаються повністю у надпровідному стані в полях, менших від критичного. Серед чистих металів надпровідниками II роду є ніобій і ванадій, інші метали - надпровідники I роду.
2.5. Термоелектричні, гаальвано- і термомагнітні явища в металах і сплавах
Термоелектричні (за винятком Томсон-ефекту), гальвано- і термомагнітні явища можна об'єднати за допомогою загальної схеми (рис. 2.4). Термоелектричні явища в замкнутому електричному колі, утвореному двома різнорідними металами, полягають у виникненні різниці:
· потенціалів у цьому колі при різних температурах спаїв кола (ефект Зеебека); · температур при різниці потенціалів, прикладеної до спаїв кола (ефект Пельтьє).
|
||||||||||||||||||
|