ELEKTRINĖS SAVYBĖS 12.1 ĮVADAS Nors visos medžiagų savybės – optinės, terminės, elektrinės, magnetinės ir mechaninės – yra susijusios tarpusavyje, tačiau tikriausiai tik elektrinės savybės labiausiai skiria vieną medžiagą nuo kitos. Tai gali būti paprasčiausias skirtumas kaip metalas ir nemetalas, arba tai gali būti tokių savybių, kaip superlaidumas, priežastis. Šiame skyriuje aptariami pagrindines elektrines savybes lemiantys veiksniai. 12.2 METALAI, IZOLIATORIAI, PUSLAIDININKIAI: JUOSTŲ TEORIJA Varža elektros srovės tėkmei medžiagoje, žymima R, apskaičiuojama iš medžiagos parametrų (ilgio L ir skerspjūvio ploto S) ir iš medžiagos savitosios varžos (tai pat vadinamos tiesiog varžą, iržymimos raide ρ): (12.1) kur R vienetai yra omai1 (žymimi raide Ω) ir ρ paprastai matuojama Ωm. Savitoji varža priklauso ne tik nuo specifinės medžiagos, bet ir nuo temperatūros. (Vėliau pamatysime kaip tai panaudoti gaminant elektroninį termometrą). Kai kurios savitosios varžos pateiktos 12.1 lentelėje. Medžiagos savitasis elektrinis laidumas, σ, yra atvirkščias dydis jos savitajai varžai, ρ: (12.2) 1Džordžas Saimonas Omas (1789 – 1854) buvo vokiečių fizikas. Omas paskelbė savo dėsnį (V=iR, kur V yra įtampa, i – srovė, o R – varža) 1827-ais, bet jis susilaukė šiek tiek dėmesio tik 20-čiai metų. Dabar jis žinomas kaip vienas iš svarbiausių elektronikos principų ir yra vadinamas Omo dėsniu. taigi σ vienetai yra Ω-1m-1. Elektrinis laidumas taip pat gali būti ekvivalenčiai išreiškiamas per srovės tankio J (vienetai Am-2, kur A yra amperai2) ir elektrinio lauko ε (vienetai Vm-1, kur V yra voltai3) išraiškas: (12.3) taigi ekvivalentiški σ vienetai gali būti išreikšti kaip Am-1V-1(≡Ω-1m-1). Išskirtinė savybė skirinti metalus, puslaidininkius ir izoliatorius yra σ reikšmių intervalas: >104 Ω-1m-1 turi metalai, nuo 10-3 iki 104 Ω-1m-1 – puslaidininkiai ir 0 K atsiras mažas šilumos sužadintas laidumo juostos užpildymas, kaip parodyta 12.4 pav. Tai ir yra tas mažas laidumo juostos užpildymas, kuris sukelia silpną elektrinį laidumą puslaidininkiuose. 12.4 paveikslas. Puslaidininkio energijos juostos prie (a) T = 0 K ir (b) T > 0 K. Šiluminė energija gali sukelti lengvą judėjimą puslaidininkio laidumo juostoje ir tai suteiks jam nenulinį (bet labai žemą) elektrinį laidumą. Gryno germanio Ge, kuris yra puslaidininkis, struktūra parodyta 12.5 pav., kartu su schematiškai pavaizduotu jo elektrinio laidumo mechanizmu. 12.5 paveikslas. Puslaidininkis germanis. (a) Kristalo struktūra, vaizduojanti tetraedrinį ryšį tarp Ge atomų. (b) Dvimatis Ge jungčių vaizdas. (c) Žvilgsnis į Ge energijos lygmenų diagramą, vaizduojančią “skylės” formavimąsi (elektrono nebuvimą) valentinėje juostoje ir elektroną laidumo juostoje. Šis elektronas iš valentinės juostos buvo perneštas į laidumo juostą šiluminės energijos dėka. (d) Elektrono-skylės pora Ge atome. Elemento gardelė sudaryta iš dviejų alotropų, baltos ir pilkos gardelių. Baltoji gardelė yra įprastesnės formos, nes ji yra stabili prie 13ºC, be to mes žinome šios formos metalų tipines charakteristikas: blizgantis, kalus ir gerai praleidžiantis šilumą ir elektrą. Baltoji gardelė yra tankesnė už pilkąją (jų tankiai atitinkamai yra 7,2 ir 5,7 g/cm-3) ir tai jai leidžia labiau užpildyti elektroninius lygmenis, suteikiant sau metališkumą. Palyginimui, pilkoji gardelė turi 0,1eV tarpą tarp juostų ir 10-6 Ωm elektrinę varžą ir turi puslaidininkio savybes. Liaudis sako, kad Napoleonas prarado daugybę savo karių per įsiveržimą į Rusiją žiemą todėl, kad baltos jų uniformų sagų gardelės pavirto pilkomis. Kadangi pilka forma yra nemetalinė, ji yra trapi, todėl sakoma, kad tai sukaustė karius šaltyje 4. Izoliatoriai Izoliatorius turi labai didelį tarpą tarp valentinės ir laidumo juostų. Nors ir šiluminė energija galėtų pernešti elektronus per šį tarpą, praktikoje tam reikalinga šiluma yra artima kietojo kūno tirpimo temperatūrai! Šis didelis tarpas ir padeda išvengti žymaus elektrinio laidumo izoliatoriuose. Laidūs polimerai Kai kurie jungtiniai polimerai, kurie paprastai būna puslaidininkiais su pastoviu tarpu tarp aukščiausios užimtos molekulinės orbitos ir žemiausios neužimtos molekulinės orbitos, gali būti paversti metalais oksiduojant arba redukuojant juos. Padidintas krūvis suteikia naujų energijos lygmenų juostų tarpe. Pavyzdžiui, poliacetilenas gali būti paverstas elektriškai laidžia medžiaga oksiduojant arba redukuojant jį. Viena iš svarbiausių polimerų savybių yra tai, kad jie yra gana stiprūs ir tai neabejotinai nuves mus prie naujų medžiagų ir procesų atradimo naudojant laidžiuosius polimerus. Medžiagų mokslininkai stengiasi taip kontroliuoti priemaišų ir defektų kiekį šiose medžiagose, kad jų savybės būtų produktyvesnės. 4 Nors balta pavirsta pilka prie 13ºC, kaip ir daugelis pirminių perėjimų (pvz., atšalimas), aukštos temperatūros fazė gali būti labai greit atšaldyta. Taigi kariai galėjo iškęsti temperatūras, šiek tiek žemesnes už 13ºC nenusiimdami savo švarkų, bet dėl žiaraus šalčio žiemą Rusijoje gardelė buvo pakankamai atšaldyta, kad pavirstų į trapią pilkąją formą. Vienmačiai laidininkai Nors daugelį molekulinių sistemų sudaro izoliatoriai, kai kurie turi aukštą elektrinį laidumą; viena iš tokių sistemų tetratiafulvaleno krūvį pernešantis junginys (TTF) su tetracianokvinodimetanu (TCNQ angl.). TTF ir TCNQ molukulinės struktūros pavaizduotos 12.6 paveiksle. 12.6 paveikslas. Molekulinės tetratiafulvaleno (TTF) ir tetracianokvinodimetano (TCNQ) struktūros. . Kristaliniame junginyje, TTF ir TCNQ formos išsiskiria reguliariais dėklais ir yra didelė elektronų delokalizacija (pvz., banginių funkcijų užpildymas) išilgai šių stulpelių. TTF – TCNQ formos yra krūvį pernešantys junginiai; vidutiniškai kiekviena TTF molekulė atiduoda 0,59 elektrono TCNQ molekulėms. Tai sukeliapastebimą laidumą; σ yra 5x104 Ω-1m-1 išilgai jungčių, bet 100 – tą kartų mažesnis statmenai jungtims, pvz., ši medžiaga pasižymi ypatingu anizotropiškumu. Neįprastas, aukštas, metalui būdingas elektrinis laidumas TTF – TCNQ junginyje išlieka nukritus temperatūai iki 60 K. Elektrinė anizotropija TTF – TCNQ nėra vienintelė elektriškai anizotropinė medžiaga. Joms priklaus o grafitas, asbestas ir K2Pt(CN)4Br0,3 . 3H2O. Paskutinis junginys yra gautas sujungus Pt(CN)4 dalis taip, kad gautusi Pt-Pt atstumai 2,89 Å, pvz., beveik tokie patys atsumai išilgai šių jungčių kaip ir Pt metale (2,78 Å). Tačiau Pt-Pt atstumas tarp jungčių yra žymiai didesnis ir tai veikia anizotropinę struktūrą ir savybes – kristalai yra labai jautrūs ir elektriškai laidūs jungčių kryptimis, ir visiškai elektriškai nelaidūs statmenai jungtims. 12.3 TEMPERATŪROS PRIKLAUSOMYBĖ NUO ELEKTRINIO LAIDUMO Temperatūros priklausomybė nuo elektrinių medžiagos savybių gali būti panaudota tokiems įtaisams kaip termometrai ir jungikliai. Šioje dalyje mes išsiaiškinsime temperatūros priklausomybės nuo metalų ir grynųjų puslaidininkių elektrinio laidumo (arba varžos) esmę. 12.7 paveikslas. Dviejų tipinių metalų, aliuminio ir vario varžos kaip funkcijos nuo temperatūros. Metalai Metalo varža didėja didinant temperatūrą (12.7 pav) ir tas didėjimas yra absoliučiai tiesiškas, išskyrus žemiausias temperatūras. Varžos padidėjimas (laidumo sumažėjimas) padidėjus temperatūrai gali būti tiesiogiai siejamas su padidėjusiu atomų šiluminiu judėjimu savo tinklelio ribose padidėjusioje temperatūroje. Judėjimo padidėjimas padeda išsisklaidyti laidumo elektronams ir sumažinti jų laisvą pagrindinę zoną, vadinasi sumažina jų galimybes pernešti elektros krūvius. Wiedmann’o – Franz’o dėsnis: ryšys tarp elektrinio ir šiluminio metalų laidumų Debajaus lygtis šiluminiam laidumui (Lygtis 8.15) gali būti sujungta su elektrinio poveikio metalo karščio talpumui (Lygtis 6.46) (12.4) kur γ yra karščio talpumo elektroninis koeficientas, v yra elektrono greitis ir λ yra elektrono pagrindinė laisvoji zona. Kadangi γ yra susijusi su Fermio energija (EF) N elektronų skaičiui vienete (12.5) ir elektrinis laidumas gaunamas iš formulės (12.6) kur vF yra fermio energiją turinčio elektrono greitis, o m ir e yra masė ir elektrono krūvis atitinkamai, prilyginus v ≈ vF, gaunamas santykis (12.7) kurio reikšmė yra 2,45x10-8 WΩK-2 (≡L, Lorenco konstanta) visiems metalams. Lygtis 12.7, rodanti, kad šiluminio ir elektrinio laidumų santykis prie pastovios temperatūros yra pastovus, yra žinoma kaip Wiedemann’o – Franz’o dėsnis ir visai neblogai jo laikomasi. Tačiau labai paprastais atvejais prie temperatūros intervalo, kai protonų išsidėstymas yra svarbus, elektronų-protonų sąveika (kurios buvo nepaisoma šiame išvedime) nepaiso Wiedemann’o – Franz’o dėsnio. Wiedemann’o – Franz’o dėsnis buvo svarbus mūsų suvokimo apie metalus istorijoje, kadangi jis parodo, kad elektrinis laidumas yra atvirkščiai proporcingas temperatūrai, modeliuojant metalus kaip elektronines dujas. 12.6 DIELEKTRIKAI Dielektrikas – tai izoliuojanti medžiaga, kuri sumažina Kulono jėgą tarp dviejų krūvių. Patalpintas tarp kondensatoriaus plokštelių, dielektrikas padidina jo talpumą. Jei C ir C0 yra talpos, atitinkamai su ir be užpildo tarp plokštelių, tai ε, medžiagos dielektrinė konstanta( dar vadinama santykine skvarba) yra: (12.14) Kai kurių medžiagų dielektrinės konstantos pateiktos 12.2 lentelėje. Lentelė 12.2. Prie T=300 K temperatūros parinktų medžiagų dielektrinės skvarbos Medžiaga εa n-Heksanas 1,89 CCI4 2,23 Benzenas 2,28 Deimantas 5,7 AgNO3 9,0 Ge 16 Etanolis 24,3 Metanolis 32,6 BaO 34 Vanduo 78,54 Ledas Ih 99(prie 243 K) Ledas VI 193(prie 243 K) PbZrO3 200(prie 400 K) Pastaba: ε – bedimensis dydis. Patalpinus dielektriką į kondesatoriaus elektrinį lauką, dielektriko molekulės poliarizuojamos. Jų neigiamo krūvio ir teigiamo krūvio centrai stumia vienas kitą ir sukeliamas dipolio momentas(pvz., krūvio, išsibarsčiusio erdvėje, nenulinis tinklelio vektorius). Dipolio momentas tūrio vienetui vadinamas poliarizacija ir žymimas P. Dipoliai elektriniame lauke susijungia tarpusavyje ir sukuria elektrinį lauką, kuris priešinasi kreipiamajam laukui, kaip parodyta paveiksle 12.24. Taigi, dielektriko buvimas susilpnina elektrinį lauką, kas iššaukia įtampos sumažėjimą tarp kondensatoriaus plokštelių. Kadangi , (12.15) talpa didėja, kai yra dielektrikas. 12.24 paveikslas. Dielektrinės medžiagos dipoliai linkę susijungti tarpusavyje tarp kondensatoriaus plokštelių. Kreipiantysis elektrinis laukas nukreipiamas taip, kad talpa didėja esant laidininkui taip pat kaip ir nesant jam. Paprasa dielektrinė medžiaga nebus poliarizuojama, kai neveiks išorinis elektrinis laukas ir poliarizuosis, paveikus ją išoriniu elektriniu lauku. Poliarumo ženklas gali būti pakeistas, pakeitus lauko kryptį, kaip pavaizduota paveiksle 12.25a. 12.25 paveikslas. Polirizacija P, kaip elektrinio lauko, E, funkcija dviejų rušių medžiagoms: a) normalus dielektrikas, turintis nulinę poliarizaciją nuliniame lauke; b) feroelektrinė medžiaga prie T 1000) ir kaip išlaikančius poliarumą, netgi nevekiant elektriniam laukui, kristalus. 12.25b paveiksle pavaizduota histerizės kilpa(ji parodo kaip kinta poliarumas stiprinant ir silpninant elektrinį lauką).Terminas “feroelektrikas” yra kilęs taip pat, kaip ir “feromagnetikas”; pirmajame elektriniai dipoliai susijungę kartu, o antrajame magnetiniai momentai susijungę kartu. Be to, feroelektrikas tampa paraelektriku prie aukštų temperatūrų. Yra ir kitų kristalų struktūrų, kuriose nėra tinklinės gardelės poliarizacijos neveikiant elektriniam laukui, bet gardelė poliarizuojama kai į ją nukreipiamas laukas. Tokios struktūros vadinamos antiferoelektrikais, 12.26c pav. Šiuo atveju gardelės sluoksniai kiekvienas turi ‘nuosavą’ nenulinę poliarizaciją, bet jos susilygina visame kristale, todėl nėra tinklinės poliarizacijos. Be to, prie aukštų temperatūrų, T > TC, antiferoelektriškas kristalas neturės tinklinės poliarizacijos, todėl jis bus paraelektrikas Kai kurios feroelektrinės ir antiferoelektrinės medžiagos, bei jų kritinės temperatūros pateiktos 12.3 lentelėje. Lentelė 12.3. Kai kurie feroelektrikai ir antiferoelektrikai, bei jų kritinės temperatūros. Medžiaga TC, K Feroelektrikas K2SeO4 93 SrTiO3 110 KH2PO4 123 Thiourea 169 KD2PO4 213 BaTiO3 408 NaNO2 436 BaMF4(M=Mn,Ni,Zn,Mg,Co) FE prie visų temperatūrų Antiferoelektrikai NH4H2PO4 148 NaOD 153 KOH 227 ND4D2PO4 242 KOD 253 PbZrO3 506 WO3 1010 12.7 SUPERLAIDUMAS Superlaidumo būsena, kurioje medžiaga turi nulinę tiesioginės srovės pralaidumo varžą, buvo pirmą kartą atrastas 1911 metais Gilles’o Holst’o, profesoriaus Kamerlingh’o Onnes’o studento, garsiojoje žemų temperatūrų laboratorijoje, Leidene. Pirmoji atrasta superlaidžioji medžiaga buvo gyvsidabris ir pirmieji superlaidumo įrodymai gauti matuojant gyvsidabrio varžą prie temperatūros T = 4,2 K, helio virimo taško7. Perėjimas prie superlaidumo būsenos, kaip matome iš elektrinės varžos, pavaizduotas 12.27 paveiksle. 12.27 paveikslas. Gyvsidabrio perėjimas į supelaidumo būseną, ištirtas panardinus gyvsidabrį į skystą helį (prie jo virimo temperatūros 4,2 K). Superlaidumo savybė yra labai naudinga turint galvoje tai, kad superlaidūs magnetai, turintys nulinę elektrinę varžą, perneša srovę nenutrūkstamai. Pavyzdžiui, superlaidžios medžiagos yra naudojamos branduoliniame magnetiniame rezonanse, norint pasiekti labai aukštus magnetinius laukus. Kadangi jos neturi elektrinių nuostolių(varža išlgai laidų sukelia elektrinius nuostolius), superlaidininkai gali būti labai naudingai taikomi daugelyje sričių. 7 Sakoma, kad Kamerlingh’as Onnes’as smarkiai abejojo savo studento rezultatais ir vertė jį kartoti matavimą daug kartų, kol sutiko su tuo, kad medžiaga gali turėti nulinę varžą. Dėl šios priežasties, dėta daug pastangų didinant superlaidumo kritinę temperatūrą tam, kad būtų galima panaudoti superlaidžias medžiagas esant kambario temperatūrai. Nors kritinė temperatūra buvo didinama ilgus metus(aukščiausia superlaidumo kritinė temperatūra ankstyvais 1998-ais buvo 135 K tokiai medžiagai kaip HgBa2Ca2Cu3O8+δ; chronologinis kritinės superlaidumo temperatūros augimas pateiktas 12.28 pav.), superlaidumo kritinės temperatūros didinimo progresas yra nenuspėjamas. Pažanga superlaidumo būsenos teorijoje yra būtina prieš įgyvendinant kambario temperatūros superlaidininkų idėją. 12.28 paveikslas. Aukščiausia žinoma perėjimo į superlaidumo būseną temperatūra kaip funkcija nuo metų laikotarpio. Viena iš neįprastų superlaidininko savybių yra jo sąveika su magnetiniu lauku. Normalioje (ne superlaidžioje) būsenoje magnetinis laukas gali įsiskverbti į medžiagą (12.29a ir b pav). Dėl vidinių srovių medžiaga, būdama superlaidumo būsenoje, atstumia magnetinį lauką nuo savęs (12.29c pav). Tai sukelia superlaidžioj medžiagoj stiprią stūmos sąveiką su magnetiniu lauku, kuri iššaukia magneto levitaciją virš superlaidininko (12.29d pav) ir netgi magnetinės levitacijos galimybė mokoma (ypatingai efektyvu dėl mažų trinties triukšmų) naudojant superlaidininkus. Superlaidininkų savybė atsumti magnetinį lauką vadinama Meissner’io efektu. 12.29 paveikslas. (a) Magnetinis laukas galu įsiskverbti į medžiagą kai ji nėra superlaidumo būsenoje. (b) Normalioje būsenoje į superlaidžią medžiagą įsiskverbia magneto, esančio ant 1-2-3 rutulėlio magnetinis laukas. (c) Superlaidžioje būsenoje išorinis magnetinis laukas yra atstumiamas. Tai yra Meisnerio efekto pavyzdys. (d) Meisnerio efektas iššaukia magneto levitaciją virš 1-2-3 superlaidininko prie azoto virimo temperatūros, T= 77 K, kuri yra žemesnė už perėjimo į superlaidžiąją būseną rutulėlio temperatūrą. Nuo vėlyvų 1980-tų buvo didelis suinteresuotumas gaminti labai aukštų superlaidumo temperatūrų superlaidininkus. Pagrindinis uždavinys – gauti naudingą superlaidžią medžiagą su tinkamu temperatūrų intervalu. Didelis susijaudinimas kilo šioj srity, kai, 1986-ais Bednorz’as ir Muller’is iš IBM, Ciūriche atrado trigubas, perovskitams giminingas struktūras, kurių superlaidumas pasireikšdavo esant aukštesnei nei 30 K temperatūrai 8. 1987-ais sekė kitas atradimas: Ching-Wu (Paul) Chu ir jo kolegos Hiustono ir Alabamos universitetuose atradotai, kad giminingi junginiai galėtų tapti superlaidžiais, atšaldžius juos su skystu azotu (pvz., TC>77 K). Šis atradimas svarbus tuo, kad skystą azotą (kuris verda prie T=77 K) palyginti lengvai ir nebrangiai galima išgauti tirštinant orą. Kitas kriogeninis(žemos temperatūros) skystis, kuris buvo naudojamas ankstesniems superlaidininkams atšaldyti (T
Šį darbą sudaro 4064 žodžiai, tikrai rasi tai, ko ieškai!
★ Klientai rekomenduoja
Šį rašto darbą rekomenduoja mūsų klientai. Ką tai reiškia?
Mūsų svetainėje pateikiama dešimtys tūkstančių skirtingų rašto darbų, kuriuos įkėlė daugybė moksleivių ir studentų su skirtingais gabumais. Būtent šis rašto darbas yra patikrintas specialistų ir rekomenduojamas kitų klientų, kurie po atsisiuntimo įvertino šį mokslo darbą teigiamai. Todėl galite būti tikri, kad šis pasirinkimas geriausias!
Norint atsisiųsti šį darbą spausk ☞ Peržiūrėti darbą mygtuką!
Mūsų mokslo darbų bazėje yra daugybė įvairių mokslo darbų, todėl tikrai atrasi sau tinkamą!
Panašūs darbai
Atsisiuntei rašto darbą ir neradai jame reikalingos informacijos? Pakeisime jį kitu nemokamai.
Pirkdamas daugiau nei vieną darbą, nuo sekančių darbų gausi 25% nuolaidą.
Išsirink norimus rašto darbus ir gauk juos akimirksniu po sėkmingo apmokėjimo!