Az anyag elektromos tulajdonságai
4. AZ ANYAGOK ELEKTROMOS TULAJDONSÁGAI
4.1 Alapvető fogalmak
Különböző anyagok elektromos áramot képesek ellátni elektromos vezetőképességgel. Ha egy izotróp vezetékre potenciális különbséget alkalmaznak, egy homogén elektromos mezőt, amelynek feszültsége E és áramsűrűsége j jön létre (4.1. Ábra). Az áramsűrűség függését a feszültségről az áram-feszültség jellemzőnek nevezzük. A legtöbb fém és félvezeték esetében az áram-feszültség karakterisztikája az egyenlet által leírt lineáris összefüggés
ahol γ a vezető elektromos vezetőképessége.
Ábra 4.1. Az Ohm törvényének meghatározására
Az anyag elektromos tulajdonságait meghatározó állandó az elektromos ellenállás, azaz az egyhosszú mintának az egység keresztmetszetével rendelkező elektromos ellenállása. Ezután kiszámítható a minta elektromos ellenállása
ahol ρ az elektromos ellenállás; l a minta hossza; S a keresztmetszete területe.
Az egyedi elektromos ellenállás a specifikus elektromos vezetőképesség kölcsönös.
A konkrét elektromos ellenállástól függően minden anyagot vezetékekre, félvezetőkre és dielektrikákra osztanak. A vezetékek fajlagos elektromos ellenállása ρ = 10 -8 ... 10 -7 Ohm. m, félvezetők - 1,0 ... 10 5 Ohm. m és dielektrikumok - 10 19 ... 10 21 Ohm. Minden fém jó vezető, de a monovalens fémek a legmagasabb elektromos vezetőképességgel rendelkeznek. alkálifém- és rézcsoport. A kondenzáció növelésével az elektromos vezetőképesség csökken. A tranziens fémek alacsony elektromos vezetőképességűek. Egyetlen kristályban az elektromos vezetőképesség anizotrópiával rendelkezik, azaz függ a kristálytani orientációjától az áram irányában.
A hőmérséklet emelkedésével általában nő a fémek és ötvözetek elektromos ellenállása. Általános esetben ez a függőség a következő képlet szerint fejezhető ki
A fémek többségének széles hőmérsékleti tartományban, szobahőmérsékleten kezdődően lineáris kapcsolat
ahol α az elektromos ellenállás hőmérsékleti együtthatója; ρ0 a vezeték rezisztenciája szobahőmérsékleten (20 ° C); T a minta hőmérséklet-emelkedése a szobahőmérséklethez viszonyítva.
Általában az elektromos ellenállás hőmérsékleti együtthatóját határozzák meg
4.2 A fémek elektromos vezetőképességének elmélete
A villamos energia átvitelét a fémben (elektromos áram) elektronok végzik. A fémek elektromos vezetőképességének klasszikus elmélete azon az állításon alapul, hogy az elektrongáz megfelel a gázok klasszikus kinetikus elméletének törvényeinek.
Amikor a fémre elektromos mezőt alkalmaznak, a szabad elektronok irányított mozgást kapnak a mező erővonalai mentén. Ennek a mozgásnak az eredménye egy olyan elektromos áram, amelynek sűrűségét a kifejezés határozza meg
ahol n az egységnyi térfogatú szabad elektronok száma; e az elektron töltés; u az elektron többletsebessége, amelyet az elektromos mező erővonalainak irányában az ütközéstől az egyik ütközésig terjed.
Az inkrementális sebesség meghatározható
ahol E az elektromos térerő; τ az elektron átlagos szabadideje.
A levezetése (4.6) azt feltételezzük, hogy az elektron elveszti további sebessége minden egyes alkalommal, amint úgy érzi, az összecsapást alapkristályának, és újra ez lesz a hatása alatt a területen.
Figyelembe véve (4.6), a kifejezés (4.5) a formát veszi
Egy elektron átlagos szabad útja a következőképpen ábrázolható:
ahol l az elektron átlagos szabad útja a rácsos ütközések között; az elektron átlagos sebessége.
Egy elektron átlagos sebessége nagymértékben meghaladja az elektromos tér által megszerzett további sebességet. Az átlagos sebesség értékét az elektron véletlen hőmozgásának rms sebessége határozza meg
Ezután (4.7) a formát veszi
A (4.10) bekezdésből következik, hogy az elektromos vezetőképesség
Az elektromos ellenállás az elektromos vezetőképesség inverze, vagy