Характеристика електричної теорії провідності

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

1. Класична теорія провідності металів

2. Природа електричного струму в металах

3. Сила струму в металічному провіднику

4. Швидкість розповсюдження електричного струму в металах

5. Визначення швидкості розповсюдження електричного струму в металах

6. Залежність питомого електричного опору металів від температури

7. Явище сверхпровідності та його використання

8. Використання надпровідності металів

9. Недоліки електричної теорії провідності

Література



1. Класична теорія провідності металів

Класична (у розумінні неквантова) електронна теорія провідності металів створена в 1900 р. німецьким фізиком П. Друде (1863--1906). Ідеї Друде розвинув далі X. Лоренц, підвівши під них досконалішу теоретичну основу. У своїй теорії П. Друде виходив із припущення, що висока електропровідність металів зумовлена великою кількістю носіїв заряду - електронів, які хаотично переміщаються в об'ємі металу.

Класична електронна теорія спирається на кілька фундаментальних припущень, а саме:

1) Усі метали мають кристалічну будову.

2) Простір між вузлами кристалічноїґрадки заповнений електричним газом. Так називають сукупність вільних електронів, що втратили зв'язки з атомами, яким належали.

3) У сесредньому кожен атом металу втрачає один електрон. Іншими словами, концентрація електронів провідності в металах дорівнює кількості атомів і одиниці об'ємуметалу,ne=na.

4) До електричного газу в металах застосовані всі закони молекулярно-кінетичної теорії, тобто електронних газ розглядається як ідеальний газ.

5) Рух вільних електонів у металі підпорядковується класичним законам механіки.

6) Під час зіткнень електронів з йонами електрони повністю передають їм свою кінетичну енергію.

2. Природа електричного струму в металах

Електричний струм в металевих провідниках ніяких змін в цих провідниках, крім їх нагрівання, не викликає. Це було підтверджено дослідами Е. Рикке (1901 г.). У цих дослідах електричний струм пропускали протягом року через три притиснутих один до одного, добре відшліфованих циліндра - мідний, алюмінієвий і знову мідний. Загальний заряд, що пройшов за цей час через циліндри, був дуже великий (близько 3,5 * 106 Кл). Після закінчення дослідів було встановлено, що є лише незначні сліди взаємного проникнення металів, які не перевищують результатів звичайної дифузії атомів в твердих тілах. Вимірювання, проведені з високим ступенем точності, показали, що маса кожного з циліндрів залишилася незмінною. Оскільки маси атомів міді і алюмінію істотно відрізняються один від одного, то маса циліндрів повинна була б помітно змінитися, якби носіями заряду були іони.

Отже, вільними носіями заряду в металах не є іони. Величезний заряд, який пройшов через циліндри, був перенесений, очевидно, такими частками, які однакові і в міді, і в алюмінії. Як відомо, такі частинки входять до складу атомів всіх речовин - це електрони. Природно припустити, що струм в металах здійснюють саме вільні електрони.

Пряме і переконливий доказ справедливості цього припущення було отримано в дослідах, поставлених в 1913 р російськими фізиками Л. І. Мандельштамом і М. Д. Папалексі і в 1916 р англійськими фізиками Р. Толменом і Т. Стюартом.

В основі цих дослідів лежить припущення про те, що, крім електронів, пов'язаних з ядром атома, в металах є і вільні електрони, що відірвалися від атомів. Ці вільні електрони рухаються в просторі між іонами кристалічної решітки.

Якщо металевий провідник привести в рух і різко загальмувати, то вільні електрони повинні за інерцією продовжувати рух щодо іонної решітки. Отже, в провіднику повинен виникнути короткочасний струм. Короткочасне рух електронів в провіднику в цьому випадку подібно відхиленню пасажирів автобуса у напрямку його руху при різкому гальмуванні автобуса.

Досвід по виявленню інерційного руху електронів в металі був поставлений в такий спосіб. На котушку намотують дріт, кінці якої припаюють до двох металевим дискам, ізольованим один від одного. Диски за допомогою ковзних контактів з'єднуються з чутливим гальванометром. Котушку призводять в швидке обертання, а потім різко зупиняють. Стрілка гальванометра при гальмуванні котушки відхиляється, що говорить про виникнення короткочасного струму. У напрямку відхилення стрілки було встановлено, що струм створюється рухом саме негативно заряджених частинок.

На підставі вимірювання кількості електрики, що протік через гальванометр, даних, що відносяться до провідника, намотаному на котушку, і швидкості руху котушки до гальмування вдалося обчислити відношення заряду частинок, які створили ток, до їх масі (q0 / m).

Вимірювання, виконані в даний час, дають для відносини модуля заряду електрона до його маси в такому значенні:

e / m = 1,8 * 1011 Кл / кг.

Концентрація електронів провідності в металі (т. Е. Їх число в одиниці об'єму) дуже велика: по порядку величини вона дорівнює числу атомів в одиниці об'єму металу. Цим пояснюється хороша електропровідність металів.

Електрони в металах знаходяться в безперервному русі. Їх безладний рух нагадує рух молекул ідеального газу. Це дало підставу вважати, що електрони в металах утворюють своєрідний електронний газ. Але швидкість безладного руху електронів в металі значно більше швидкості молекул в газі (вона становить приблизно 105 м / с).

Коли в металі створюється електричне поле, воно діє на електрони з деякою силою і повідомляє їм прискорення в напрямку, протилежному напрямку вектора напруженості поля. Тому в електричному полі безладно рухаються електрони зміщуються в одному напрямку, т. Е. Рухаються впорядковано. Рух електронів частково нагадує дрейф криги під час льодоходу, коли вони, рухаючись хаотично і стикаючись один з одним, дрейфують за течією річки. Впорядковане переміщення електронів провідності (дрейф електронів) і являє собою електричний струм в металах.

Стикаючись з іонами, що коливаються в вузлах кристалічної решітки, електрони віддають їм свою енергію. А збільшення енергії іонів означає підвищення температури провідника. Ось чому при проходженні струму провідники нагріваються.

У проміжках між зіткненнями з іонами електрони прискорюються електричним полем і знову набувають кінетичну енергію завдяки роботі, яку здійснює електричне поле.

3. Сила струму в металічному провіднику

Силою струму І називають фізичну величину, що характеризує електричний струм у колі і дорівнює відношенню електричного заряду q, що пройшов через поперечний переріз провідника, до часу його проходження.

У металевому провіднику рух зарядів - це рух електронів між позитивними іонами, які утворюються в результаті відриву цих електронів провідності від атомів, з яких складається метал. В електролітах - це процес руху позитивних і негативних іонів назустріч один одному. Причому цей рух відбувається серед неіонізованих молекул розчину.

З-поміж усіх металів найменший питомий опір мають срібло, мідь, золото й алюміній. Отже, у разі виготовлення електропроводки для побутових і виробничих приміщень або проводів для ліній електропередачі доцільно використовувати мідні та алюмінієві проводи.
Питомий опір гуми, порцеляни, ебоніту дуже великий. Отже, ці речовини практично не проводять електричного струму, і тому в електротехніці їх використовують як ізолятори.

Наявність електричного струму в металевому провіднику виявляється через його теплову, хімічну, магнітну, фізіологічну дію.

Рух вільних носіїв заряду, як тепловий так і напрямлений, супроводжується численними зіткненнями з іншими носіями заряду та зарядженими частинками. Ці зіткнення ускладнюють рух заряджених частинок у провіднику і є причиною опору провідника проходженню струму.

Німецький фізик Г. Ом 1826 року експериментально встановив, що сила струму I, який протікає по однорідному металічному провіднику ( провіднику, в якому не діють сторонні сили), пропорційна до напруги U на кінцях провідника:

I = U/R.

Величину R називають електричним опором. Провідник, який має електричний опір, називають резистором. Отже, чим більше опір, тим менша сила струму.

Можна сказати, що опір ніби заважає напрузі створювати велику силу струму.

Саме опір є характеристикою провідника. Воно не залежить від поданої на нього напруги. Якщо буде подано велику напругу, то зміниться сила струму, але не зміниться відношення U / I, тобто, не зміниться опір/

Від чого ж залежить опір провідника? Він залежить від

- довжини провідника,

- площі його поперечного перерізу,

- речовини, з якого виготовлений провідник,

- температури.

Провідники, в яких виконується закон Ома, називаються лінійними. Графічна залежність сили струму I від напруги U (такі графіки називаються вольт-амперними характеристиками, ВАХ) зображається прямою, яка проходить через початок координат. Зазначмо, що є багато матеріалів і приладів, в яких не виконується закон Ома, наприклад, напівпровідниковий діод або газорозрядна лампа. Навіть у металічних провідниках при достатньо великих струмах спостерігається відхилення від лінійного закону Ома, так як електричний опір металічних провідників зростає при збільшенні температури.

Щоб позв'язати речовину та її опір, вводиться таке поняття як питомий опір речовини. Воно показує, яким буде опір в даній речовині, якщо провідник з нього буде мати довжину 1 м і площа поперечного перерізу 1 м2. Провідники певної довжини і товщини, виготовлені з різних речовин, матимуть різний опір. Це пов'язано з тим, що у кожного металу своя кристалічна гратка, своя кількість вільних електронів.

Опір залежить від матеріалу та геометричних розмірів провідника. Також не виключений вплив температури на опір провідника, оскільки саме температура чинить домінуючий вплив на швидкість теплового руху вільних носіїв заряду у провіднику.

Метали складаються з позитивно заряджених йонів, що знаходяться у вузлах кристалічної гратки і сукупності вільних електронів. Поза електричним полем вільні електрони рухаються хаотично, подібно до молекул ідеального газу, а тому розглядаються в класичній електронній теорії як електронний газ.

Під дією зовнішнього електричного поля змінюється характер руху вільних електронів усередині металу. Електрони, продовжуючи хаотичні рухи, разом з тим зміщуються в напрямку дії сил електричного поля.

Отже, електричний струм в металах - це впорядкований рух електронів.

Сила струму у металевому провіднику вираховується за формулою

де I - сила струму в провіднику, e - модуль заряду електрона, n0 - концентрація електронів провідності, - середня швидкість упорядкованого руху електронів, S - площа поперечного перерізу провідника.

Густина струму провідності чисельно дорівнює заряду, що проходить за 1с через одиницю площі поверхні, перпендикулярної напрямку струму.



4. Швидкість розповсюдження електричного струму в металах

Якщо в провіднику немає електричного поля, то електрони рухаються хаотично, аналогічно тому, як рухаються молекули газів або рідин. У кожний момент часу швидкості різних електронів відрізняються по модулях і за напрямками. Якщо ж у провіднику створено електричне поле, то електрони, зберігаючи свій хаотичний рух, починають рухатися у бік позитивного полюса джерела.

Швидкість упорядкованого руху електронів у провіднику під дією електричного поля невелика - кілька міліметрів в секунду, а іноді і ще менше. Але як тільки в провіднику виникає електричне поле, воно з величезною швидкістю, близькою до швидкості світла у вакуумі (300 000 км / с), поширюється по всій довжині провідника.

Одночасно з поширенням електричного поля всі електрони починають рухатися в одному напрямку по всій довжині провідника. Так, наприклад, при замиканні ланцюга електричної лампи в впорядкований рух приходять і електрони, наявні в спіралі лампи.

Зрозуміти це допоможе порівняння електричного струму з течією води у водопроводі, а поширення електричного поля - з поширенням тиску води. При підйомі води в водонапірну вежу дуже швидко по всій водопровідній системі поширюється тиск (напір) води. Коли ми відкриваємо кран, то вода вже знаходиться під тиском і починає текти. Але з крана тече та вода, яка була в ньому, а вода з башти дійде до крана багато пізніше, тому що рух води відбувається з меншою швидкістю, ніж поширення тиску.

Коли говорять про швидкість поширення електричного струму в провіднику, то мають на увазі швидкість розповсюдження по провіднику електричного поля.

Електричний сигнал, посланий, наприклад, по проводах з Києва до Владивостока (s = 9000 км), приходить туди приблизно через 0,03 с.

5. Визначення швидкості розповсюдження електричного струму в металах

Для визначення швидкості упорядкованого руху вільних електричних зарядів в провіднику потрібно знати концентрацію n вільних носіїв заряду і силу струму I. Якщо концентрація вільних електричних зарядів в провіднику n, то за проміжок часу через поперечний переріз S провідника при швидкості їх упорядкованого руху проходить електричний заряд q, рівний:

де e - модуль заряду електрона. Сила струму I в провіднику при тому дорівнює:

,

З останнього рівняння швидкість упорядкованого руху електронів у провіднику дорівнює:

,

Концентрація вільних електронів в металах приблизно дорівнює концентрації атомів, модуль заряду електрона e = 1,6 * 10-19 Кл. Для провідника з площею поперечного перерізу S = 1 мм2 = 10-6 м2 при силі струму I = 1 A швидкість упорядкованого руху електронів дорівнює:



За 1 з електрони в провіднику переміщаються за рахунок упорядкованого руху менше ніж на 0,1 мм.

Малі значення швидкості упорядкованого руху вільних зарядів в провідниках не призводять до запізнювання запалювання електричних ламп, включення електромоторів і т. Д., Так як при включенні електричного кола вздовж проводів зі швидкістю світла поширюється електромагнітне поле. Це поле приводить в рух вільні електричні заряди майже одночасно у всіх провідниках електричного кола.

Концентрація n атомів в металах знаходиться в межах 1028-1029 м-3.

Оцінка за цією формулою для металевого провідника перетином 1 мм2, по якому тече струм 10 А, дає для середньої швидкості впорядкованого руху електронів значення в межах 0,6-6 мм / c. Таким чином, середня швидкість упорядкованого руху електронів у металевих провідниках на багато порядків менше середньої швидкості їх теплового руху (<<).

6. Залежність питомого електричного опору металів від температури

Питомий опір металів при нагріванні збільшується приблизно за лінійним законом.(мал.152)

Досвід показує, що при не дуже високих і не дуже низьких температурах залежності питомого опору від температури виражається лінійною функцією:

с = с0? (1 + б?Дt),

де Дt = t - t0, t0 = 0 ° C, с0, с - питомі опору речовини провідника відповідно при 0 ° С і t ° C, б - температурний коефіцієнт опору, що вимірюється в СІ в Кельвіна в мінус першого ступеня (К-1 ) (або ° C-1).

Температурний коефіцієнт опору речовини - це величина, що чисельно дорівнює відносній зміні питомої опору провідника при його нагріванні на 1 К: електронний провідність метал амперний

б=Дс/с0?ДT

Для всіх металевих провідників б> 0 і слабо змінюється зі зміною температури. Для більшості металів в інтервалі температур від 0 ° до 100 ° С коефіцієнт б змінюється від 3,3?10-3 до 6,2?10-3 К-1 (таблиця 1). У хімічно чистих металів б = 1/273 К-1.

Температурний коеффіцієнт опору (при t от 0 °С до 100 °C)

Речовина	б, 10-3 °К-1	Речовина	б, 10-3 °К-1
Алюміній	4,2	Ніхром	0,1
Вольфрам	4,8	Олово	4,4
Залізо	6,0	Платина	3,9
Золото	4,0	Ртуть	1,0
Латунь	0,1	Свинець	3,7
Магній	3,9	Срібло	4,1
Мідь	4,3	Сталь	4,0
Нікель	6,5	Цинк	4,2

Існують спеціальні сплави, опір яких практично не змінюється при нагріванні, наприклад, манганин і константан. Їх температурні коефіцієнти опору дуже малі і дорівнюють відповідно 1?10-5 К-1 і 5?10-5 К-1.

Якщо знехтувати зміною розмірів металевого провідника при нагріванні, то таку ж лінійну залежність від температури буде мати і його опір



Rt = R0? (1 + б?Дt),

де R0, Rt - опору провідника при 0 ° С і t ° С.

З наближенням температури до абсолютного нуля питомий опір монокристалів стає дуже малим. Цей факт свідчить про те, що в ідеальній кристалічній решітці металу електрони переміщаються під дією електричного поля, не взаємодіючи з іонами решітки. Довжина їх вільного пробігу при цьому може досягати значень порядку 1 см, т. Е. В 107 - 108 разів перевищує міжатомні відстані в кристалі. Електрони взаємодіють лише з іонами, що не перебувають у вузлах кристалічної решітки.

При підвищенні температури зростає число дефектів в кристалічній решітці через теплових коливань іонів, - це при водить до зростання питомої опору кристала.

У тому, що електричний опір металів обумовлено взаємодіями електронів провідності з різними дефектами решітки, переконує і той факт, що питомий опір кристалів металів сильно залежить від наявності в них домішок. Наприклад, введення 1% домішки марганцю збільшує питомий опір міді в три рази.

Залежність опору металів від температури використовують в термометрах опору. Зазвичай в якості термометрического тіла такого термометра беруть платинову дріт, залежність опору якої від температури достатньо вивчена. Про зміни температури судять по зміні опору дроту, яке можна виміряти. Такі термометри дозволяють вимірювати дуже низькі і дуже високі температури, коли звичайні рідинні термометри непридатні.



7. Явище сверхпровідності та його використання

Класична електронна теорія не може також пояснити температурну залежність питомого опору металів. Теорія дає співвідношення в той час як з експерименту виходить залежність с ~ T. Однак найбільш яскравим прикладом розбіжності теорії і дослідів є надпровідність.

Відповідно до класичної електронної теорії, питомий опір металів має монотонно зменшуватися при охолодженні, залишаючись кінцевим при всіх температурах. Така залежність дійсно спостерігається на досвіді при порівняно високих температурах. При більш низьких температурах порядку декількох кельвінів питомий опір багатьох металів перестає залежати від температури і досягає деякого граничного значення. Однак найбільший інтерес представляє дивовижне явище надпровідності, відкрите датським фізиком Гейко Камерлінг-0ннес (1853- 1926) в 1911 році. При деякій певній температурі Tкр, різної для різних речовин, питомий опір стрибком зменшується до нуля (мал..153, с.11). Критична температура у ртуті дорівнює 4,1 К, у алюмінію 1,2 К, у олова 3,7 К. Надпровідність спостерігається не тільки у елементів, але і у багатьох хімічних сполук і сплавів. Наприклад, з'єднання ніобію з оловом (Ni3Sn) має критичну температуру 18 К. Деякі речовини, що переходять при низьких температурах в надпровідний стан, не є провідниками при звичайних температурах. У той же час такі «хороші» провідники, як мідь і срібло, не стають сверхпроводниками при низьких температурах.

Явище зменшення питомого опору до нуля при температурі, відмінній від абсолютного нуля, називається надпровідністю. Матеріали, які виявляють здатність переходити при деяких температурах, відмінних від абсолютного нуля, в надпровідний стан, називаються сверхпровідниками.

Проходження струму в надпровіднику відбувається майже без втрат енергії, тому одного разу збуджений в надпровідниковому кільці електричний струм може існувати дуже довго без зміни.

Науковий інтерес до надпровідності зростав у міру відкриття нових матеріалів з більш високими критичними температурами. Значний крок у цьому напрямку був зроблений в 1986 році, коли було виявлено, що у одного складного керамічного з'єднання Tкр = 35 K. Уже в наступному 1987 році фізики зуміли створити нову кераміку з критичною температурою 98 К, ??що перевищує температуру рідкого азоту (77 К) . Явище переходу речовин в надпровідний стан при температурах, що перевищують температуру кипіння рідкого азоту, було названо високотемпературної надпровідністю. У 1988 році було створено керамічне з'єднання на основі елементів Tl-Ca-Ba-Cu-O з критичною температурою 125 К.

В даний час ведуться інтенсивні роботи з пошуку нових речовин з ще більш високими значеннями Tкр. Вчені сподіваються отримати речовину в надпровідного стану при кімнатній температурі. Якщо це станеться, це буде справжньою революцією в науці, техніці і взагалі в житті людей.

Слід зазначити, що до теперішнього часу механізм високотемпературної надпровідності керамічних матеріалів до кінця не з'ясований.

8. Використання надпровідності металів

У медицині широко використовується така медико-діагностична процедура як електронна томографія. Вона проводиться на сканері, що використовує принцип ядерно-магнітного резонансу (ЯМР), і пацієнт, сам того не підозрюючи, знаходиться в лічених сантиметрах від надпровідних електромагнітів. Саме вони створюють поле, що дозволяє лікарям отримувати високоточні образи тканин людського тіла в розрізі без необхідності вдаватися до скальпелю.

Найбільшого поширення з надпровідних матеріалів в електротехніці отримали сплав ніобій-титан і інтерметаліди ніобій-олово. Технологічні процеси виготовлення виключно тонких ніобій-титанових ниток і їх стабілізації досягли досить високого рівня розвитку. При створенні багатожильних провідників на основі ніобій-олова широке застосування знаходить так звана бронзова технологія.

Розвиток надпровідникової техніки пов'язано також зі створенням зріджувачів і рефрижераторів з все більшою холодопродуктивністю на рівні температур рідкого гелію. Еволюція температури надпровідного переходу привела до можливості використання холодоагентів з усе більш високою температурою кипіння (рідкий гелій, водень, неон, азот).

Найбільш широке реальне застосування надпровідність знаходить при створенні великих електромагнітних систем. Уже в 80-х рр. минулого століття в СРСР було здійснено запуск першої в світі установки термоядерного синтезу Т-7 з надпровідними котушками тороїдального магнітного поля.

Надпровідні котушки використовуються також для бульбашкових водневих камер, для великих прискорювачів елементарних частинок. Виготовлення таких котушок для прискорювачів досить складно, так як вимога виключно високої однорідності магнітного поля викликає необхідність точного дотримання заданих розмірів.

В останні роки явище надпровідності все більш широко використовується при розробці турбогенераторів, електродвигунів, уніполярних машин, топологічних генераторів, жорстких і гнучких кабелів, комутаційних і токоограничивающих пристроїв, магнітних сепараторів, транспортних систем і ін. Слід також відзначити такий напрямок в роботах по надпровідності як створення пристроїв для вимірювання температур, витрат, рівнів, тисків і т.д. Існуючий приклад використання надпровідників - це залізнична мережа поїздів на магнітній подушці.

Як підтвердження був проведений дослід по дворічному проведенню струму через провідник, занурений до рідкого гелію, який перервався лише через нестачу гелію.

На даний момент є два головних напрямки в області застосування надпровідності: перш за все - в магнітних системах різного призначення і потім - в електричних машинах (в першу чергу, в турбогенераторах). У наведеній нижче таблиці перераховані основні області застосування явища надпровідності.

Застосування явища надпровідності

Застосування	Примітки
Екранування	Надпровідник не пропускає магнітний потік, отже, він екранує електромагнітне випромінювання. Використовується в мікрохвильових пристроях, а також при створенні установок для захисту від випромінювання у разі ядерного вибуху
Магніти - науково-досліднницьке обладнання - магнітна левітація	НТСП магніти використовуються в прискорювачах частинок і установках термоядерного синтезу.
Передача енергії	Надпровідної лінії передачі мають величезну перевагу за розмірами і більш низькі сумарні електричні втрати для високої передачі потужності плюс ряд технологічних переваг в порівнянні з рішеннями, заснованими на стандартних провідниках. Це призводить до згорнутому впливу на навколишнє середовище і забезпечує загальну більш стійку передачу електричної енергії. Зростання віддалених поновлюваних джерел енергетичних ресурсів з передачею високої ємності стає можливим з чудовою ефективністю. Це не тільки призводить до подальшого скорочення викидів CO2 в світовому енергетичному балансі, який як і раніше зосередженний на основі копалин, а й може сприяти розвитку джерел відновлюваної ресурсів.
Акумулювання	Можливістьнакопичувати електроенергію у вигляді циркулюючого струму
Обчислювальні пристрої	Комбінація напівпровідникових і надпровідних приладів відкриває нові можливості в конструюванні апаратури

Таким чином, через майже сто років з часу відкриття надпровідності вона з розряду явищ унікальних і лабораторно-курйозних перетворилася в загальновизнаний факт і джерело багатомільярдних доходів підприємств електронної індустрії.

Вольт-амперна характеристика металів.

Сила струму в провідниках за законом Ома прямо пропорційна напрузі. Така залежність має місце для провідників зі строго заданими опором (для резисторів).

Тангенс кута нахилу графіка дорівнює провідності провідника. Провідністю називається величина, обернена опору:

, де G - провідність.

Але оскільки опір металів залежить від температури, то вольт-амперна характеристика металів не є лінійною.



Магнітоопір

Магнітоопір (або магніторезистивний ефект). Магнітоопір - це зміна електричного опору матеріалу в магнітному полі. У загальному випадку в разі зміни магнітного поля завжди спостерігається ефект деякої зміни електричного струму (за незмінної електричної напруги). Таки чином, всі речовини тією чи іншою мірою демонструють ефект магнітоопору. Слід зауважити, що у напівпровідниках відносна зміна опору в магнітному полі може бути у десятки і сотні разів більшою, ніж у металах.

Магнітоопір речовини залежить від орієнтації досліджуємого зразка відносно магнітного поля. Справа утому, що магнітне поле не змінює проекції швидкості електронів на напрямок магнітного поля, але завдяки силі Лорентца закручує їх траєкторії у площині, перпендикулярній до магнітного поля. Це пояснює, чому поперечне поле діє сильніше від поздовжнього.

Пояснити цей ефект можна, якщо розглянути траєкторії заряджених частинок у магнітному полі. Нехай крізь зразок проходить струм jх уздовж осі х .Електрони мають теплову швидкість і, оскільки електронний газ є виродженим, то середня швидкість електронів дорівнює ферміївській швидкості (швидкості частинок на рівні Фермі), яка суттєво перевищує швидкість їх напрямленого руху (дрейфу). Без магнітного поля носії заряду рухаються прямолінійно між двома зіткненнями. Але у зовнішньому магнітному полі Н (перпендикулярному до електричного струму) траєкторія електронів буде являти собою ділянку циклоїди довжиною l (це довжина вільного пробігу). Тому за час вільного пробігу (час між двома зіткненнями) уздовж поля E електрон пройде шлях менший, ніж l, а саме lх l*cos.

Це відповідає зменшенню дрейфової швидкості, або рухливості, а отже, і електропровідності електронного газу, тобто опір має зростати. Відносну різницю між опором за наявності магнітного поля й опором без магнітного поля називають магнітоопором. На основі магніторезистивного ефекту в електронних приладах створюють датчики магнітного поля.



9. Недоліки електричної теорії провідності

Незважаючи на те, що електронної теорії провідності металів пояснила ряд явищ, вона має і свої недоліки.

1. З теорії випливало, що питомий опір має бути пропорційно кореню квадратному з температури (с~Tv с~T), між тим, згідно з досвідом, с ~ Т.

2. Для того щоб отримати значення питомої електричної провідності металу, отриманих з досвіду, доводиться приймати середню довжину вільного пробігу електронів в сотні разів більшою, ніж період решітки металу. Іншими словами, електрон повинен проходить без зіткнень з іонами решітки сотні атомів.

3. Дана теорія не змогла пояснити причину надпровідності.

Наведені вище недоліки вказують на те, що класична електронна теорія, представляючи електрон як матеріальну точку, яка підпорядковується законам класичної механіки, не враховувала деяких специфічних властивостей самого електрона, які ще не були відомі до початку XX століття. Ці властивості були встановлені пізніше при вивченні будови атома, і в 1924 році була створена нова, так звана квантова або хвильова механіка руху електронів.



Література

1. Мінськ: Адукацыя i выхаванне, 2004. - 1104с./ Аксеновіч Л. А. / Фізика в середній школі: Теорія. Завдання. Тести: Учеб. посібник для установ, що забезпечують отримання заг. середовищ, освіти.

2. 2. Мінськ: 2000.-250с. / Буров Л.І., Стрельченя В.М. / Фізика від А до Я

3. 3. Мінськ: Нар. Асвета, 2004.- 382с. / В.В. Жилко, А.В. Лавриненко, Л.Г. Маркович / Фізика: Учеб. посібник для 11-го кл.

4. Харків: Ранок, 2011.-320с./ В.Г.Бар'яхтар, Ф.Я.Божинова/ Фізика.11 клас.

Размещено на Allbest.ru

...