« Физика – 10 сынып»
Металл өткізгіш жоқ кезде электрондар қалай қозғалады электр өрісі?
Металл өткізгішке кернеу бергенде электрондардың қозғалысы қалай өзгереді?
Электр тогын қатты, сұйық және газ тәрізді денелер жүзеге асырады. Бұл өткізгіштердің бір-бірінен айырмашылығы неде?
Сіз металл өткізгіштердегі электр тогымен және осы өткізгіштердің эксперименталды түрде бекітілген ток кернеуінің сипаттамасымен - Ом заңымен таныстыңыз.
Металдармен қатар жақсы өткізгіштер, яғни бос зарядталған бөлшектері көп заттар бар. сулы ерітінділернемесе электролиттер мен иондалған газдың балқымалары – плазма. Бұл өткізгіштер техникада кеңінен қолданылады.
Вакуумды электронды құрылғыларда электр тогы электронды ағындар арқылы пайда болады.
Металл өткізгіштер ток көздерінен тұтынушыларға электр энергиясын беруде кеңінен қолданылады. Сонымен қатар, бұл өткізгіштер электр қозғалтқыштары мен генераторларында, электр жылыту құрылғыларында және т.б.
қоспағанда өткізгіштерЖәне диэлектриктер(салыстырмалы түрде бос зарядталған бөлшектердің саны аз заттар), өткізгіштер мен диэлектриктердің арасында өткізгіштігі аралық болатын заттар тобы бар. Бұл заттар электр тогын өткізгіштер деп атауға жеткілікті жақсы өткізбейді, бірақ диэлектриктерге жатқызу үшін нашар емес. Сондықтан олар бұл атауды алды жартылай өткізгіштер.
Ұзақ уақыт бойы жартылай өткізгіштер маңызды практикалық рөл атқармады. Электротехника мен радиотехникада тек әртүрлі өткізгіштер мен диэлектриктер қолданылды. Жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігін басқарудың оңай мүмкін болатын мүмкіндігі алдымен теориялық болжамдалған, содан кейін ашылған және зерттелген кезде жағдай айтарлықтай өзгерді.
Әмбебап ток тасымалдаушысы жоқ. Кесте әртүрлі орталардағы ағымдағы тасымалдаушыларды көрсетеді.
Металдардың электрондық өткізгіштігі.
Металл өткізгіштерден бастайық. Біз бұл өткізгіштердің ток кернеуінің сипаттамасын білеміз, бірақ молекулалық-кинетикалық теория тұрғысынан оның түсіндірмесі туралы әлі ештеңе айтылмаған.
Металдардағы бос зарядтарды тасымалдаушылар электрондар болып табылады. Олардың концентрациясы жоғары – шамамен 10 28 1/м 3.
Бұл электрондар кездейсоқ жылулық қозғалысқа қатысады. Электр өрісінің әсерінен олар 10 -4 м/с ретті орташа жылдамдықпен реттелген түрде қозғала бастайды.
Металдарда бос электрондардың болуын тәжірибе жүзінде дәлелдеу.
Металдардың өткізгіштігі бос электрондардың қозғалысына байланысты болатынын тәжірибелік дәлелдеу Мандельштам мен Папалекси (1913), Стюарт пен Толманның (1916) тәжірибелерінде келтірілген. Бұл эксперименттердің схемасы келесідей.
Сым катушкаға оралған, оның ұштары бір-бірінен оқшауланған екі металл дискіге дәнекерленген (16.1-сурет). Гальванометр дискілердің ұштарына сырғымалы контактілердің көмегімен қосылады.
Ролик жылдам айналымға келтіріліп, содан кейін кенет тоқтатылады. Катушка кенет тоқтағаннан кейін бос зарядталған бөлшектер өткізгішке қатысты біраз уақыт инерциямен қозғалады, демек, катушкада электр тогы пайда болады. Ток қысқа уақыт ішінде болады, өйткені өткізгіштің кедергісінің әсерінен зарядталған бөлшектер баяулайды және токты құрайтын бөлшектердің реттелген қозғалысы тоқтайды.
Бұл тәжірибедегі токтың бағыты оның теріс зарядталған бөлшектердің қозғалысы арқылы пайда болғанын көрсетеді. Бұл жағдайда тасымалданатын заряд ток тудыратын бөлшектер зарядының олардың массасына қатынасына пропорционал, яғни |q|/m. Сондықтан контурда ток болған кезде гальванометр арқылы өтетін зарядты өлшеу арқылы бұл қатынасты анықтауға мүмкіндік туды. 1,8 10 11 С/кг тең болып шықты. Бұл шама электрон зарядының оның массасына қатынасымен сәйкес келді e/m, бұрын басқа тәжірибелерден табылған.
Металдағы электрондардың қозғалысы.
Металдағы бос электрондар ретсіз қозғалады. Өткізгіш ток көзіне қосылғанда, онда электр өрісі пайда болады және электрондарға кулон күші = q e әсер ете бастайды. Осы күштің әсерінен электрондар бағытты қозғала бастайды, яғни электрондардың ретсіз қозғалысы бағытталған қозғалыс жылдамдығымен қабаттасып, электрондар кристалдық тордың иондарымен соқтығысқанша біраз уақытқа t 0 артады. Бұл жағдайда электрондар қозғалыс бағытын жоғалтады, содан кейін қайтадан бағытта қозғала бастайды. Осылайша, электронның бағытталған қозғалысының жылдамдығы нөлден белгілі бір максималды мәнге тең өзгереді Нәтижесінде электрондардың реттелген қозғалысының орташа жылдамдығы тең болады, яғни электр өрісінің кернеулігіне пропорционалды. өткізгіш: υ ~ E және, демек, өткізгіштің ұштарындағы потенциалдар айырмасы, сондықтан мұндағы l - өткізгіштің ұзындығы.
Өткізгіштегі ток күші бөлшектердің реттелген қозғалысының жылдамдығына пропорционалды ((15.2) формуланы қараңыз). Демек, ток күші өткізгіштің ұштарындағы потенциалдар айырмасына пропорционал деп айта аламыз: I ~ U.
Бұл Ом заңының сапалық түсіндірмесіметалл өткізгіштігінің электрондық теориясына негізделген.
Классикалық механика заңдарына негізделген металдағы электрондар қозғалысының қанағаттанарлық сандық теориясын құру мүмкін емес. Өйткені, металдағы электрондардың қозғалысының шарттары Ньютонның классикалық механикасы бұл қозғалысты сипаттауға жарамсыз. Бұл факт, мысалы, қарсылықтың температураға тәуелділігін растайды. Сәйкес классикалық теорияметалдар, онда электрондардың қозғалысы Ньютонның екінші заңы негізінде қарастырылады, өткізгіштің кедергісі пропорционалды, бірақ тәжірибе кедергінің температураға сызықтық тәуелділігін көрсетеді.
Электр өткізгіштік туралы айту үшін электр тогының табиғатын еске түсіру керек. Сонымен, кез келген зат электр өрісінің ішіне орналастырылған кезде зарядтар қозғалады. Бұл қозғалыс электр өрісінің әрекетін тудырады. Бұл электр тогы болып табылатын электрондар ағыны. Қазіргі күш, біз білетіндей мектеп сабақтарыфизикада ол Ампермен өлшенеді және латынның I әрпімен белгіленеді. 1 А 1 кулондық заряд бір секундқа тең уақытта өтетін электр тогын білдіреді.
Электр тогы бірнеше түрге бөлінеді, атап айтқанда:
- кез келген уақытта қозғалыстың индикаторы мен траекториясына қатысты өзгермейтін тұрақты ток;
- уақыт бойынша индикаторы мен траекториясын өзгертетін айнымалы ток (генераторлар мен трансформаторлар шығаратын);
- пульсирленген ток шамасының өзгеруіне ұшырайды, бірақ оның бағытын өзгертпейді.
Электр өткізгіштік көрсеткіші материалдағы кристалдық желімен, молекулалармен немесе атомдармен байланысы жоқ еркін қозғалатын зарядтардың мазмұнына тікелей байланысты.
Осылайша, ток өткізгіштік дәрежесі бойынша материалдар келесі түрлерге бөлінеді:
- өткізгіштер;
- диэлектриктер;
- жартылай өткізгіштер.
Жоғары электр өткізгіштік электронды теорияда түсіндіріледі. Осылайша, электрондар ядролармен әлсіз валенттік байланысына байланысты өткізгіштің бойына атомдар арасында айналады. Яғни, металдың ішіндегі еркін қозғалатын зарядталған бөлшектер атомдар арасындағы бос жерлерді жауып, хаотикалық қозғалыспен сипатталады. Металл өткізгіш электр өрісіне қойылса, электрондар оң зарядпен полюске жылжи отырып, қозғалысында тәртіпке ие болады. Осының арқасында электр тогы пайда болады. Кеңістікте электр өрісінің таралу жылдамдығы жарық жылдамдығына ұқсас. Дәл осы жылдамдықта электр тогы өткізгіштің ішінде қозғалады. Айта кету керек, бұл электрондардың өздерінің қозғалыс жылдамдығы емес (олардың жылдамдығы өте аз және максимум бірнеше мм/сек-ке тең), бірақ бүкіл зат бойына электр энергиясының таралу жылдамдығы.
Зарядтар өткізгіштің ішінде еркін қозғалғанда, олар өз жолында әртүрлі микробөлшектерге кезігеді, олар соқтығысады және оларға белгілі бір энергия беріледі. Өткізгіштер жылуды сезінетіні белгілі. Бұл кедергіні жеңе отырып, электрондардың энергиясы жылу бөлінуі ретінде таралатындықтан болады.
Зарядтардың мұндай «авариялары» электрондардың қозғалысына кедергі жасайды, оны физикада қарсылық деп атайды. Төмен қарсылық өткізгішті көп қыздырмайды, бірақ жоғары қарсылық жоғары температураға әкеледі. Соңғы құбылыс жылыту құрылғыларында, сондай-ақ дәстүрлі қыздыру шамдарында қолданылады. Қарсылық Оммен өлшенеді. Латынның R әрпімен белгіленген.
Электр өткізгіштік- металдың немесе электролиттің электр тогын өткізу қабілетін көрсететін құбылыс. Бұл мән электрлік кедергінің кері шамасы болып табылады.
Электр өткізгіштік Siemens (См) арқылы өлшенеді және G әрпімен белгіленеді.
Атомдар токтың өтуіне кедергі жасайтындықтан, заттардың кедергі индексі әртүрлі. Белгілеу үшін заттардың өткізгіштігі туралы ақпарат беретін меншікті кедергі (Ом-м) ұғымы енгізілді.
Қазіргі заманғы өткізгіш материалдар белгілі бір көлденең қимасының ауданы және белгілі бір ұзындығы бар жұқа таспалар немесе сымдар түрінде болады. Электр өткізгіштік пен меншікті кедергі келесі өлшем бірліктермен өлшенеді: сәйкесінше Sm-m/mm.sq.m және Ом-мм.кв.м.
Осылайша, электр кедергісі және электр өткізгіштігі материалдың өткізгіштігінің сипаттамалары болып табылады, оның көлденең қимасының ауданы 1 мм2 және ұзындығы 1 м сипаттама үшін температура 20 градус Цельсий.
Металдар арасында электр тогының жақсы өткізгіштері бағалы металдар, атап айтқанда алтын мен күміс, сондай-ақ мыс, хром және алюминий болып табылады. Болат және темір өткізгіштердің сипаттамалары әлсіз. Айта кету керек, құрамында металдар бар таза пішінметалл қорытпаларымен салыстырғанда жақсы электр өткізгіштік қасиеттерімен ерекшеленеді. Жоғары қарсылық үшін қажет болған жағдайда вольфрам, нихром және тұрақты өткізгіштер қолданылады.
Меншікті кедергі немесе өткізгіштік туралы біліммен белгілі бір өткізгіштің кедергісі мен өткізгіштігін есептеу өте оңай. Бұл жағдайда есептеулерде белгілі бір өткізгіштің ұзындығы мен көлденең қимасының ауданы қолданылуы керек.
Электр өткізгіштік көрсеткіші, сондай-ақ кез келген материалдың кедергісі температура режиміне тікелей байланысты екенін білу маңызды. Бұл температураның өзгеруімен атомдық тербелістердің жиілігі мен амплитудасында өзгерістер болатынымен түсіндіріледі. Осылайша, температура жоғарылаған сайын қозғалатын зарядтардың ағынына қарсылық те артады. Ал температура төмендеген сайын кедергі азаяды, ал электр өткізгіштігі артады.
Кейбір материалдарда температураның қарсылыққа тәуелділігі өте айқын, басқаларында әлсіз.
Жалпы физика курсында электр тізбектерін есептеу үшін негізінен кернеу, ток және кедергілерді қамтитын Ом және Кирхгоф заңдары қолданылады. Дегенмен, күрделі электр тізбектерін, әсіресе айнымалы ток тізбектерін есептеу үшін кедергінің орнына өткізгіштікті қолданған жөн.
Тізбектегі өткізгіштік DC g – қарсылықтың кері шамасы
Өткізгіштіктің SI бірлігі – сименс (19 ғ. неміс инженер-электрикі Э.В. Сименстің құрметіне).
1 Sim - кедергісі 1 Ом өткізгіштің өткізгіштігі.
Айнымалы ток тізбегінде, белгілі болғандай, қарсылықтың үш түрі бар: белсенді R, реактивті және жалпы g. Дегенмен, тек y рұқсаты жалпы қарсылықтың кері мәні болып табылады:
Белсенді g және реактивті b өткізгіштіктерді енгізу үшін активті R айнымалы ток тізбегін және тізбектей жалғанған индуктивті реактивтерді қарастырыңыз (1-25, а-сурет). Ол үшін векторлық диаграмма тұрғызайық (1-25, б-сурет). Тізбектегі токты активті және реактивті құраушыларға ыдыратамыз және пайда болған ток үшбұрышынан кедергі үшбұрышына көшеміз (1-25, в-сурет). Соңғысынан бізде:
Векторлық диаграммадан (1-25, б-суретті қараңыз) формуланы (1.30) ескере отырып, бізде:
белсенді өткізгіштік қайда,
реактивтілік қайда.
Енді өткізгіштіктер арасындағы байланысты белгілейік. Қарастырылып отырған схема үшін бізде:
(1.31) және (1.32) қатынастарының мәндерін сәйкесінше ауыстырып, біз мынаны аламыз:
мұндағы тізбектің жалпы өткізгіштігі.
Қарсылық үшбұрышына ұқсастық бойынша (1-25-сурет, в) өткізгіштік үшбұрышын саламыз (1-25-сурет, г). Индуктивті және сыйымдылық реактивтілікке ұқсастығы бойынша индуктивті және сыйымдылық өткізгіштік арасында айырмашылық жасалады.
Тармақталған тізбек жағдайында (1-26, а-сурет) тізбекті эквивалентті деп аталатын схемаға оңай түрлендіруге болады (1-26, б-сурет), онда екі тармақ сәйкес келетін біреуімен ауыстырылады. эквивалентті белсенді және
реакциялар. Соңғы кедергіні, сондай-ақ тізбектің басқа параметрлерін есептеу өткізгіштіктерді пайдалану арқылы оңайырақ. Тармақталған тізбектегі өткізгіштіктің негізгі заңдарын белгілейік.
Толық токты оның құрамдас бөліктері немесе эквивалентті өткізгіштіктері арқылы көрсетейік:
Өз кезегінде, жалпы токтың белсенді құрамдас бөлігі салалық токтардың белсенді компоненттерінің қосындысына тең:
яғни тармақтың эквивалентті белсенді өткізгіштігі тең арифметикалық қосындытармақтардың белсенді өткізгіштіктері.
Қарастырылып отырған тізбектің тармақтарының реактивті компоненттері антифазада болғандықтан, жалпы токтың реактивті компоненті үшін бізде:
яғни тармақталудың эквивалентті реактивті өткізгіштігі параллель тармақтардың реактивті өткізгіштіктерінің алгебралық қосындысына тең және «плюс» белгісімен және «минус» таңбасымен қабылданады.
J diff, J conv, J термині нөлге тең және J = J migr деп есептейміз. Екінші текті өткізгіштердегі иондардың және бірінші текті өткізгіштердегі электрондардың электрлік потенциалдар айырмашылығына байланысты қозғалысы олардың электр тогын өткізу қабілетін анықтайды, яғни. электр өткізгіштік(электр өткізгіштігі). Бірінші және екінші түрдегі өткізгіштердің электр тогын өткізу қабілетін сандық сипаттау үшін электр өткізгіштіктің екі өлшемі қолданылады. Солардың бірі электр өткізгіштікκ- кедергінің кері шамасы:
Меншікті кедергі формула бойынша анықталады
Қайда Р- өткізгіштің жалпы кедергісі, Ом; l – кедергісі анықталған екі параллель жазықтықтың ара қашықтығы, м; S - өткізгіштің көлденең қимасының ауданы, м2.
Демек
ал электрөткізгіштік текше жиегі ұзындығы бір метрге тең өткізгіштің бір текше метрінің кедергісінің кері шамасы ретінде анықталады. Электр өткізгіштіктің өлшем бірлігі: С/м. Екінші жағынан, Ом заңына сәйкес
Қайда Е- берілген параллель жазықтықтар арасындағы потенциалдар айырымы; I - ағымдағы.
Осы өрнекті электрөткізгіштігін анықтайтын теңдеуге қойып, мынаны аламыз:
S = 1 және E/l кезінде = 1 бізде κ = 1. Осылайша, электр өткізгіштігі бір метрге бір вольтке тең потенциалдық градиентпен бір шаршы метр беті бар өткізгіштің көлденең қимасы арқылы өтетін токқа сандық түрде тең.
Меншікті электр өткізгіштік бірлік көлемдегі заряд тасымалдаушылардың санын сипаттайды. Демек, меншікті электр өткізгіштік ерітіндінің концентрациясына, ал жеке заттар үшін олардың тығыздығына байланысты болады.
Электр өткізгіштіктің екінші өлшемі болып табылады эквивалентλ e (немесе молярлықλ м) электр өткізгіштік,бір эквивалент немесе бір моль зат бар текше метр санына меншікті электр өткізгіштік көбейтіндісіне тең:
λ e = κφ e; λ м = κφ м
φ м 3 /экв немесе m 3 /мольмен өрнектелетіндіктен, λ бірлігі Sm∙m 2 /экв немесе Sm∙m 2 /моль болады.
Шешімдер үшін φ = 1/C, мұндағы МЕН- моль/м3-де көрсетілген концентрация. Содан кейін
λ e = κ/zC және λ m = κ/C
Егер МЕНкмоль/м 3, онда φ e = 1/(zC∙10 3); φ m = 1/(С∙10 3) және
λ e = κ/(zC∙10 3) және λ m = κ/(C∙10 3)
Жеке заттың (қатты немесе сұйық) молярлық өткізгіштігін анықтау кезінде φ m = V M, бірақ V m = M/d (мұндағы V m - молярлық көлем; М - молекулалық масса; г- тығыздық), келесі
v a t l o алдында
λ m = κV m = κМ/д
Сонымен, эквивалентті (немесе молярлық) электрөткізгіштік деп бір-бірінен бір метр қашықтықта орналасқан екі параллель жазықтықтың арасында орналасқан өткізгіштің және бір эквивалентті (немесе бір моль) заттың (форма түрінде) өткізгіштігін айтады. ерітінді немесе жеке тұз).
Өткізгіштіктің бұл өлшемі заттың бірдей мөлшерінің (моль немесе эквивалент) өткізгіштігін сипаттайды, бірақ әртүрлі көлемде қамтылған және осылайша ион аралық қашықтыққа байланысты иондар арасындағы әрекеттесу күштерінің әсерін көрсетеді.
ЭЛЕКТРОНДЫҚ ӨТКІЗгіштік
Қалыпты температурада валенттік аймақтан өткізгіштік зонаға электронның төмен өту энергиясымен сипатталатын металдар жоғары электр өткізгіштігін қамтамасыз ету үшін өткізгіштік аймағында жеткілікті электрон санына ие. Металдардың өткізгіштігі температураның жоғарылауымен төмендейді. Бұл металдардағы температураның жоғарылауымен иондардың тербеліс энергиясын арттыру әсері басым болатындығына байланысты. кристалдық тор, ол өткізгіштік зонасында заряд тасымалдаушылардың санын көбейту әсерінен электрондардың бағытталған қозғалысына қарсылықты қамтамасыз етеді. Химиялық таза металдардың кедергісі температураның жоғарылауымен артады, температураның градусқа жоғарылауымен шамамен 4∙10 –3 R 0 артады (R 0 - 0 ° C кезіндегі кедергі). Көптеген химиялық таза металдар үшін қыздыру кезінде кедергі мен температура арасында сызықтық байланыс болады
R = R 0 (1 + αt)
мұндағы α – кедергінің температуралық коэффициенті.
Қорытпалардың температуралық коэффициенттері кең ауқымда өзгеруі мүмкін, мысалы, жез үшін α = 1,5∙10 –3, константан үшін α = 4∙10 –6.
Металдар мен қорытпалардың меншікті өткізгіштігі 10 6 - 7∙10 7 С/м аралығында болады. Металлдың электр өткізгіштігі ток тасымалдауға қатысатын электрондардың саны мен зарядына және соқтығыстар арасындағы орташа жүру уақытына байланысты. Берілген электр өрісінің кернеулігіндегі бірдей параметрлер электронның жылдамдығын анықтайды. Сондықтан металдағы токтың тығыздығын теңдеу арқылы көрсетуге болады
мұндағы зарядтардың реттелген қозғалысының орташа жылдамдығы; n– көлем бірлігіне келетін өткізгіштік зонаның электрондарының саны.
Жартылай өткізгіштер өткізгіштігі бойынша металдар мен изоляторлар арасында аралық орынды алады. Германий және кремний сияқты таза жартылай өткізгіш материалдардың меншікті өткізгіштігі бар.
Күріш. 5.1. Өткізгіштік электрон (1) – тесік (2) жұбының түзілу схемасы.
Меншікті өткізгіштік электрондардың жылулық қозуы болған кезде олардың валенттік аймақтан өткізгіштік зонасына ауысуымен түсіндіріледі. Бұл электрондар потенциалдар айырмасының әсерінен белгілі бір бағытта қозғалады және қамтамасыз етеді электрондық өткізгіштікжартылай өткізгіштер. Электрон өткізгіштік зонасына өткенде валенттік аймақта бос орын қалады - бір оң зарядтың болуына баламалы «тесік». Тесік электр өрісінің әсерінен валенттік жолақ электронының өз орнына секіруі нәтижесінде де қозғала алады, бірақ өткізгіштік зонасының электрондарының қозғалысына қарама-қарсы бағытта, тесік өткізгіштігіжартылай өткізгіш. Саңылаулардың пайда болу процесі күріште көрсетілген. 5.1.
Сонымен, меншікті өткізгіштігі бар жартылай өткізгіште заряд тасымалдаушылардың екі түрі болады – жартылай өткізгіштің электронды және саңылау өткізгіштігін қамтамасыз ететін электрондар мен саңылаулар.
Меншікті өткізгіштігі бар жартылай өткізгіште өткізгіштік зонасында электрондар саны валенттік аймақтағы саңылаулар санына тең. Жартылай өткізгіште берілген температурада электрондар мен саңылаулар арасында динамикалық тепе-теңдік болады, яғни олардың түзілу жылдамдығы рекомбинация жылдамдығына тең. Өткізгіштік зонасының электронының валенттік аймақ тесігі бар рекомбинациясы валенттік аймақта электронның «түзілуіне» әкеледі.
Жартылай өткізгіштің меншікті өткізгіштігі заряд тасымалдаушылардың концентрациясына, яғни олардың көлем бірлігіндегі санына байланысты. Электрон концентрациясы n i және тесік концентрациясы p i деп белгілейік. Меншікті өткізгіштігі бар жартылай өткізгіште n i = p i (мұндай жартылай өткізгіштер қысқаша i типті жартылай өткізгіштер деп аталады). Заряд тасымалдаушылардың концентрациясы, мысалы, таза германийде, n i = p i ≈10 19 м –3-ке тең, кремнийде шамамен 10 16 м –3 және санына қатысты 10 –7 - 10 –10%. атомдар Н.
Жартылай өткізгіште электр өрісінің әсерінен электрондар мен тесіктердің бағытталған қозғалысы пайда болады. Өткізгіштік токтың тығыздығы электрондықдан тұрады мен eжәне тесік мен бток тығыздықтары: i = i e + i p ,олар тасымалдаушы концентрацияларының теңдігіне қарамастан шамасы бойынша бірдей емес, өйткені электрондар мен саңылаулардың қозғалыс жылдамдығы (ұтқырлығы) әртүрлі. Электрондық токтың тығыздығы мынаған тең:
Электрондардың орташа жылдамдығы кернеуге пропорционал E»электр өрісі:
Пропорционалдық факторы w e 0 бірлік электр өрісінің кернеулігіндегі электронның қозғалыс жылдамдығын сипаттайды және қозғалыстың абсолюттік жылдамдығы деп аталады. Сағат бөлме температурасытаза Германияда w e 0 = 0,36 м 2 /(V∙s).
Соңғы екі теңдеуден мынаны аламыз:
Тесік өткізгіштігінің ұқсас дәлелдерін қайталай отырып, біз жаза аламыз:
Сонда жалпы ток тығыздығы үшін:
i үшін өрнекті Ом заңымен i = κ салыстыру E", S = 1 м2 кезінде біз аламыз:
Жоғарыда айтылғандай, меншікті өткізгіштігі n i = p i болатын жартылай өткізгіш үшін, сондықтан
w p 0 әрқашан төмен w e 0, мысалы, Германияда w p 0 = 0,18 м 2 /(V∙s), және w e 0 = 0,36 м 2 /(V∙s).
Сонымен, жартылай өткізгіштің меншікті электр өткізгіштігі тасымалдаушылардың концентрациясына және олардың абсолютті жылдамдықтарына тәуелді және қосылғыш түрде екі мүшеден тұрады:
κ i = κ e + κ p
Жартылай өткізгіштерге арналған Ом заңы n i тасымалдаушы концентрациясы өріс кернеулігіне тәуелді болмаса ғана орындалады. Критикалық деп аталатын жоғары өріс кернеулерінде (германий үшін E cr ' = 9∙10 4 В/м, кремний үшін E cr '= 2,5∙10 4 В/м) Ом заңы бұзылады, ол өзгеріспен байланысты. атомдағы электрон энергиясында және өткізгіштік зонаға өту энергиясының төмендеуі, сонымен қатар тор атомдарының иондану мүмкіндігі. Екі әсер де заряд тасымалдаушылардың концентрациясының жоғарылауын тудырады.
Өрістің жоғары кернеулеріндегі электр өткізгіштік Пулдың эмпирикалық заңымен өрнектеледі:
ln κ = ln κ 0 + α (E’ – E cr’)
мұндағы κ 0 - E’ = E cr ’ кезіндегі өткізгіштік .
Жартылай өткізгіште температура жоғарылаған сайын заряд тасымалдаушылардың интенсивті генерациясы пайда болады және олардың концентрациясы жылулық қозғалыстың әсерінен электрон қозғалысының абсолютті жылдамдығы төмендегеннен тезірек артады. Сондықтан, керісінше
металдардан жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі температураның жоғарылауымен артады. Бірінші жуықтау үшін, шағын температура диапазоны үшін жартылай өткізгіштің өткізгіштігінің температураға тәуелділігін теңдеу арқылы көрсетуге болады.
Қайда к- Больцман тұрақтысы; А- активтену энергиясы (электронды өткізгіштік зонаға көшіруге қажетті энергия).
Абсолюттік нөлге жақын барлық жартылай өткізгіштер жақсы оқшаулағыш болып табылады. Бір градусқа температураның жоғарылауымен олардың өткізгіштігі орта есеппен 3 - 7% -ға артады.
Таза жартылай өткізгішке қоспаларды енгізгенде, ол өзінің электр өткізгіштігін арттырады. қоспаның электр өткізгіштігі.Мысалы, германийге V топтың элементтері енгізілсе мерзімді кесте(P, As, Sb), онда соңғысы төрт электронның қатысуымен германиймен тор түзеді, ал бесінші электрон қоспа атомдарының иондану энергиясы төмен болғандықтан (шамамен 1,6∙10 –21) қоспадан өтеді. атом өткізгіштік зонасына дейін. Мұндай жартылай өткізгіште электронды өткізгіштік басым болады (жартылай өткізгіш деп аталады). n-типті электронды жартылай өткізгіш].Егер қоспа атомдары, мысалы, германийге қарағанда үлкен электронға жақындыққа ие болса элементтер IIIтоптары (In, Ga, B, A1), содан кейін олар германий атомдарынан электрондарды алып тастайды және валенттік аймақта тесіктер пайда болады. Мұндай жартылай өткізгіштерде тесіктердің өткізгіштігі басым болады (жартылай өткізгіш p-түрі].Электрондық өткізгіштікті қамтамасыз ететін қоспа атомдары болып табылады донорларэлектрондар және тесік - қабылдаушылар).
Қоспа жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі меншікті өткізгіштігі бар жартылай өткізгіштерге қарағанда жоғары болады, егер донор N D немесе акцептор N A қоспа атомдарының концентрациясы меншікті заряд тасымалдаушылардың концентрациясынан асып кетсе. N D және N A үлкен мәндерінде ішкі тасымалдаушылардың концентрациясын елемеуге болады. Жартылай өткізгіште концентрациясы басым болатын заряд тасымалдаушылар деп аталады негізгілері.Мысалы, n-типті германийде n n ≈ 10 22 м–3, ал n i ≈ 10 19 м~ 3, яғни негізгі тасымалдаушылардың концентрациясы меншікті тасымалдаушылардың концентрациясынан 10 3 есе жоғары.
Қоспа жартылай өткізгіштер үшін келесі қатынастар жарамды:
n n p n = n i p i = n i 2 = p i 2
n p p p = n i p i = n i 2 = p i 2
Бұл теңдеулердің біріншісі n-типті жартылай өткізгіш үшін, ал екіншісі p-типті жартылай өткізгіш үшін жазылған. Осы қатынастардан шығатыны, қоспаның өте аз мөлшері (шамамен 10 –4 0/o) заряд тасымалдаушылардың концентрациясын айтарлықтай арттырады, нәтижесінде электр өткізгіштігі артады.
Меншікті тасымалдаушылардың концентрациясын елемей, n-типті жартылай өткізгіш үшін N D ≈ n n, ал p-типті жартылай өткізгіш үшін N A ≈ р р деп алсақ, қоспа жартылай өткізгіштің электр өткізгіштігін мына теңдеумен өрнектеуге болады:
n-типті жартылай өткізгіштерде электр өрісі әсер еткенде, заряд алмасу электрондармен, ал p-типті жартылай өткізгіштерде саңылаулар арқылы жүзеге асады.
Сыртқы әсерлерден, мысалы, сәулеленуден, заряд тасымалдаушылардың концентрациясы өзгереді және жартылай өткізгіштің әртүрлі бөліктерінде әртүрлі болуы мүмкін. Бұл жағдайда ерітінділердегі сияқты жартылай өткізгіште диффузиялық процестер жүреді. Диффузия процестерінің заңдары Фик теңдеулеріне бағынады. Заряд тасымалдаушылардың диффузиялық коэффициенттері ерітіндідегі иондарға қарағанда әлдеқайда жоғары. Мысалы, германийде электрондардың диффузиялық коэффициенті 98∙10 –4 м 2 /с, саңылаулар үшін - 47∙10 –4 м 2 /с. Типтік жартылай өткізгіштерге германий мен кремнийден басқа бөлме температурасында бірқатар оксидтер, сульфидтер, селенидтер, телридтер және т.б. (мысалы, CdSe, GaP, ZnO, CdS, SnO 2, In 2 O 3, InSb) жатады.
ИОНДЫҚ ӨТКІЗгіштік
Газдардың иондық өткізгіштігі бар, кейбіреулері қатты қосылыстар(иондық кристалдар мен шынылар), балқытылған жеке тұздар және қосылыстардың судағы ерітінділері, сусыз еріткіштер мен балқымалар. Әр түрлі кластағы екінші түрдегі өткізгіштердің өткізгіштік мәндері өте кең шектерде өзгереді:
| Зат | c∙10 3 , S/m | Зат | c∙10 3 , S/m |
| H 2 O | 0.0044 | NaOH 10% ерітінді 30% » | |
| C 2 H 5 OH | 0.0064 | КОН, 29% ерітінді | |
| C 3 H 7 OH | 0.0009 | NaCl 10% ерітінді 25% » | |
| CH 3 OH | 0.0223 | FeSO 4, 7% ерітіндісі | |
| Ацетонитрил | 0.7 | NiSO 4, 19% ерітінді | |
| N,N-диметилацетамид | 0.008-0.02 | CuSO 4, 15% ерітінді | |
| CH 3 COOH | 0.0011 | ZnС1 2, 40% ерітінді | |
| H 2 SO 4 концентрлі 10% ерітінді 40% « | NaCl (балқыма, 850 °C) | ||
| HC1 40% ерітінді 10% | NaNO 3 (балқыма 500 °C) | ||
| HNO 3 концентрлі 12% ерітінді | MgCl 2 (балқыма, 1013 °C) | ||
| А1С1 3 (балқыма, 245 °С) | 0.11 | ||
| AlI 3 (балқыма, 270 °C) | 0.74 | ||
| AgCl (балқыма, 800 °C) | |||
| AgI (қатты) |
Ескерту: Ерітінділер үшін меншікті өткізгіштік мәндері 18 °C температурада берілген.
Алайда, барлық жағдайларда берілген κ мәндері металдардың κ мәндерінен бірнеше рет төмен (мысалы, күміс, мыс және қорғасынның өткізгіштігі 0,67∙10 8 , 0,645∙10 8 және 0,056∙10 8 С/м тиісінше).
Екінші типті өткізгіштерде электр заряды бар бөлшектердің барлық түрлері электр энергиясын тасымалдауға қатыса алады. Егер катиондар да, аниондар да ток өткізсе, электролиттерде болады биполярлық өткізгіштік.Егер ток иондардың тек бір түрін – катиондарды немесе аниондарды тасымалдаса, онда біз байқаймыз бірполярлы катиондық немесе аниондық өткізгіштік.
Биполярлық өткізгіштік жағдайында жылдамырақ қозғалатын иондар баяу қозғалатын иондарға қарағанда токтың үлкен бөлігін тасымалдайды. Бөлшектердің берілген түрі өткізетін токтың үлесі деп аталады тасымалдау нөмірібөлшектердің осы түрінің (t i) бірполярлы өткізгіштігі кезінде ток өткізетін иондар түрінің тасымалдау саны бірге тең, өйткені барлық ток осы типтегі иондар арқылы тасымалданады. Бірақ биполярлық өткізгіштікпен ионның әрбір түрінің тасымалдау саны бірліктен аз және
Сонымен қатар, тасымалдау нөмірін катиондар мен аниондардың электр тогын әртүрлі бағытта тасымалдайтынын ескермей, иондардың берілген түріне жататын ток бөлігінің абсолютті мәні ретінде түсіну керек.
Биполярлық өткізгіштік кезінде бөлшектің (ионның) кез келген бір түрінің беріліс саны тек берілген ион түрінің табиғатын сипаттайтын тұрақты шама емес, сонымен қатар серіктес бөлшектердің табиғатына байланысты. Мысалы, ерітіндідегі хлор иондарының тасымалдау саны тұз қышқылыбірдей концентрациядағы KS1 ерітіндісіне қарағанда аз, өйткені сутегі иондары калий иондарына қарағанда қозғалғыш. Тасымалдау сандарын анықтау әдістері әртүрлі және олардың принциптері теориялық электрохимия бойынша тиісті зертханалық семинарларда көрсетілген.
Заттардың белгілі бір кластарының электр өткізгіштігін қарастыруға көшпес бұрын, біреуіне тоқталайық жалпы мәселе. Кез келген дене оған әсер ететін күштердің тұрақты өрісінде үдеумен қозғалады. Бұл кезде газдардан басқа электролиттердің барлық кластарындағы иондар тұрақты жылдамдықпен берілген күштегі электр өрісінің әсерінен қозғалады. Мұны түсіндіру үшін ионға әсер ететін күштерді елестетейік. Егер ионның массасы m және оның қозғалыс жылдамдығы болса w,содан кейін Ньютон күші mdw/дтионды қозғалтатын электр өрісі күші (M) мен оның қозғалысын бәсеңдететін реактивті күштің (L’) айырмашылығына тең болады, өйткені ион тұтқыр ортада қозғалады. Ионның жылдамдығы неғұрлым көп болса, соғұрлым реактивті күш, яғни L’ = L w(Мұнда Л- пропорционалдылық коэффициенті). Осылайша
Айнымалыларды бөлгеннен кейін бізде:
М – Л белгілеу w = v, біз d w= – d v/L және
немесе 
Интегралдық константа шекаралық шарттан анықталады: at t = 0 w = 0, яғни. . Біз уақытты санауды ион қозғала бастаған сәттен бастап (ток қосылған сәттен) бастаймыз. Содан кейін:
Тұрақтының орнына оның мәнін қойып, біз ақырында аламыз.
Судың электр өткізгіштігі әрқайсымыз үшін судың өте маңызды қасиеті болып табылады.
Әрбір адам судың, әдетте, электр өткізгіш екенін білуі керек. Бұл фактіні білмеу өмір мен денсаулық үшін зиянды салдарға әкелуі мүмкін.
Жалпы электр өткізгіштік ұғымына, атап айтқанда судың электр өткізгіштігіне бірнеше анықтамалар берейік.
Электр өткізгіштік дегеніміз...
Заттың электр өткізгіштігін сипаттайтын және электрөткізгіштік тогы тығыздығының электр өрісінің кернеулігіне қатынасына тең скаляр шама.
Заттың уақытқа өзгермейтін электр өрісінің әсерінен уақытпен өзгермейтін электр тогын өткізу қасиеті.
Ушаковтың түсіндірме сөздігі
Электр өткізгіштік (электр өткізгіштік, п. н., аналық (физикалық)) - электр тогын өткізу, өткізу қабілеті.
СөздікУшакова. Д.Н. Ушаков. 1935-1940 жж
Үлкен политехникалық энциклопедия
Электрөткізгіштік немесе Электрөткізгіштік – заттың өзгермейтін электр өрісінің әсерінен уақыт өте келе өзгермейтін электр тогын өткізу қасиеті. E. p. жылжымалы заттардың болуына байланысты электр зарядтары- ағымдағы тасымалдаушылар. Ток тасымалдаушының түрі электронды (металдар мен жартылай өткізгіштер үшін), иондық (электролиттер үшін), электронды-иондық (плазма үшін) және саңылау (электронмен бірге) (жартылай өткізгіштер үшін) арқылы анықталады. Меншікті электр өткізгіштігіне байланысты барлық денелер өткізгіштерге, жартылай өткізгіштерге және диэлектриктерге, физикалық болып бөлінеді. электр кедергісінің кері шамасы. Электр өткізгіштіктің SI бірлігі – сименс (к.в.); 1 см = 1 Ом-1.
Үлкен политехникалық энциклопедия. — М.: Бейбітшілік және білім. Рязанцев В.Д.. 2011 ж
Судың электр өткізгіштігі дегеніміз...
Политехникалық терминологиялық түсіндірме сөздік
Судың электрөткізгіштігі – судағы тұзды сипаттайтын судың электр тогының өткізгіштігінің көрсеткіші.
Политехникалық терминологиялық түсіндірме сөздік. Құрастырушы: В.Бутаков, И.Фаградянц. 2014
Теңіз энциклопедиялық анықтамалығы
Теңіз суының электрөткізгіштігі – теңіз суының сыртқы электр өрісінің әсерінен ондағы электр зарядын тасымалдаушылардың – еріген тұздардың, негізінен NaCl иондарының болуына байланысты ток өткізу қабілеті. Теңіз суының электр өткізгіштігі оның тұздылығының жоғарылауына пропорционалды түрде артады және өзен суынан 100 - 1000 есе артық. Бұл судың температурасына да байланысты.
Теңіз энциклопедиялық анықтамалығы. - Л.: Кеме жасау. Академик Н.Н.Исаниннің редакциясымен. 1986 жыл
Жоғарыда келтірілген анықтамалардан судың электр өткізгіштігі тұрақты емес, оның құрамындағы тұздар мен басқа да қоспалардың болуына байланысты екені анық болады. Мысалы, тазартылған судың электр өткізгіштігі минималды.
Судың электр өткізгіштігін қалай білуге болады, оны қалай өлшеуге болады...
Кондуктометрия – судың электр өткізгіштігін өлшеу
Судың электр өткізгіштігін өлшеу үшін Кондуктометрия әдісі қолданылады (төмендегі анықтамаларды қараңыз) және электр өткізгіштігін өлшеу үшін қолданылатын құралдардың осы әдіспен үйлесетін атауы бар - Кондуктометрлер.
Кондуктометрия – бұл...
Шетел сөздерінің түсіндірме сөздігі
Кондуктометрия және т.б. жоқ, w. (Неміс: Konduktometrie< лат. conductor проводник + греч. metreō мерю), тех., хим. — один из видов химического количественного анализа, основанный на измерении электропроводности исследуемого раствора при постепенном добавлении к нему исследуемого реагента.
Сөздік шетелдік сөздерЛ.П.Крисина - М: Орыс тілі, 1998 ж
Энциклопедиялық сөздік
Кондуктометрия (ағылшынша өткізгіштік – электр өткізгіштік және грек. metreo – өлшеймін) – ерітінділердің электр өткізгіштігін өлшеуге негізделген электрохимиялық талдау әдісі. Олар тұздардың, қышқылдардың, негіздердің ерітінділерінің концентрациясын анықтау үшін және кейбір өнеркәсіптік ерітінділердің құрамын бақылау үшін қолданылады.
Энциклопедиялық сөздік. 2009
Судың меншікті электр өткізгіштігі
Қорытындылай келе, біз судың әртүрлі түрлері үшін меншікті электр өткізгіштіктің бірнеше мәндерін ұсынамыз*.
Судың меншікті электр өткізгіштігі...
Техникалық аудармашыға арналған нұсқаулық
Судың меншікті электрөткізгіштігі – судың бірлігі көлемінің электр өткізгіштігі.
[ГОСТ 30813-2002]
Судың меншікті электр өткізгіштігі*:
- Кран суы – 36,30 мкС/м;
- тазартылған су – 0,63 мкС/м;
- Сусын (бөтелкедегі) – 20,2 мкС/м;
- Мұздатылған сусын – 19,3 мкС/м;
- Суда мұздатылған - 22 мкС/м.
* Мақалада «Үлгілердің электр өткізгіштігі ауыз суәртүрлі дәрежедегі тазалық» Авторлары: Воробьева Людмила Борисовна. Журнал: «Интерэкспо Гео-Сібір № -5 шығарылым / 1 том / 2012.»