Электрофизические свойства проводниковых материалов

Эл. физ. свойства проводниковых материалов . Слайд 1. Всего 12
Электрофизические
свойства
проводниковых
материалов
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Эл. физ. свойства проводниковых материалов . Слайд 2. Всего 12
Проводниковыми называют материалы,
основным свойством которых является
сильно
выраженная
электрическая
проводимость.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Эл. физ. свойства проводниковых материалов . Слайд 3. Всего 12
Основные положения классической электронной теории
Хорошая
электропроводность
проводниковых
материалов
обусловлена большим количеством свободных (обобществлённых)
электронов, которые классическая теория рассматривает как
электронный газ.
Среднее время свободного пробега электронов  :
+
+  l +
u
+
l
- средняя длина свободного пробега электронов
u
- средняя скорость теплового движения электронов
+
+
+
+
Температуре Т
+= 300 +К соответствует u  10
+
+
5
м
c
Средняя кинетическая энергия электронов линейно
зависит от температуры
m( u ) 2 3
 T
2
2
Автор Останин Б.П.
k  1,38  10  23
Дж
К
Конец слайда
Эл. физ. свойства проводниковых материалов . Слайд 4. Всего 12
Если в проводнике существует электрическое поле,
то под действием этого поля электроны приобретают
ускорение, пропорциональное напряжённости поля ε, в
результате чего возникает направленное движение
электронов со средней скоростью
ql


mu
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Эл. физ. свойства проводниковых материалов . Слайд 5. Всего 12
Такое направленное движение называют дрейфом
электронов.
Это
движение
накладывается
на
хаотическое движение электронов. Скорость дрейфа
электронов значительно меньше скорости теплового
движения. Направленное движение создаёт ток,
плотность которого равна
q 2 nl
j  qn 

mu
ql
5 м

  u  10
c
mu
n - концентрация электронов.
Этот ток пропорционален напряжённости поля.
Коэффициентом пропорциональности является удельная
электрическая проводимость
q 2 nl

mu
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Эл. физ. свойства проводниковых материалов . Слайд 6. Всего 12
Температурная зависимость электропроводности
В чистых металлах с идеальной кристаллической
решёткой единственной причиной, ограничивающей
длину свободного пробега электронов, являются
тепловые колебания атомов в узлах кристаллической
решётки, амплитуда которых возрастает с ростом
температуры. Интенсивность столкновений электронов с
атомами, т.е. их рассеяние, прямо пропорциональна
поперечному
сечению
сферического
объёма,
занимаемого колеблющимся атомом, и концентрации
атомов. Следовательно, длина свободного пробега будет
равна
1
l
 (a) 2 n
а – отклонение атома от узла кристаллической решётки.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Эл. физ. свойства проводниковых материалов . Слайд 7. Всего 12
Если в металле есть примеси, то помимо рассеяния на
основных атомах возникает рассеяние электронов на
примесных атомах, в результате чего уменьшается длина
свободного.
Итоги
1. Удельное сопротивление с ростом температуры растёт.
2. Чистые металлы имеют более низкое удельное
сопротивление по сравнению со сплавами .
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Эл. физ. свойства проводниковых материалов . Слайд 8. Всего 12
Зависимость электропроводности от частоты
На высоких частотах плотность тока изменяется по
сечению проводника. Она максимальна на поверхности и
убывает по мере проникновения вглубь проводника. Это
явление называется поверхностным эффектом.
Неравномерное
распределение
тока
объясняется
действием магнитного поля тока, протекающего по
проводнику. Магнитный поток, сцеплённый с проводом,
пропорционален току:
Ф  Li
L - индуктивность проводника
Например,
i  I m sin t
di
e L   L  LI m cos t
dt
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Эл. физ. свойства проводниковых материалов . Слайд 9. Всего 12.
Потокосцепление максимально во внутренних слоях
и минимально во внешних.
Распределение плотности тока по сечению проводника
подчиняется экспоненциальному закону:
z
j  j0 exp(  )

j0 - плотность тока на поверхности;
z - расстояние, измеряемое от поверхности;
 - глубина проникновения тока.
Глубина проникновения тока, выраженная в миллиметрах, равна
расстоянию, на котором плотность тока уменьшается в е = 2,72 раз
по отношению к значению на поверхности. Она пропорциональна
удельному сопротивлению  [Омм] и обратно пропорциональна
частоте f [МГц].
1

2
Автор Останин Б.П.

f
Конец слайда
Эл. физ. свойства проводниковых материалов . Слайд 10. Всего 12
В случае сильно выраженного поверхностного
эффекта, когда ток протекает по тонкому поверхностному
слою, толщина которого много меньше диаметра провода
d, экспоненциальное распределение может быть
заменено однородным распределением с постоянной
плотностью тока в пределах тонкого слоя толщиной , на
основании чего можно ввести понятие эквивалентной
площади сечения проводника, занятой током:
SЭ   d 
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Эл. физ. свойства проводниковых материалов . Слайд 11. Всего 12.
Поскольку площадь сечения, через которое протекает
ток,
уменьшилась,
то
сопротивление
провода
переменному току R~ стало больше, чем его
сопротивление постоянному току R0, что учитывают
коэффициентом увеличения сопротивления:
R~ S 0 d 2 / 4
d
KR 



R0 S Э
d
4
Полученная формула справедлива при   d.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Эл. физ. свойства проводниковых материалов . Слайд 12. Всего 12.
Контрольные вопросы
1. Укажите, какие материалы относят к проводниковым.
2. Укажите основные положения классической теории проводников.
3. Укажите главное отличие классической теории проводников от квантовой
теории.
4. Укажите, как отличаются концентрации свободных электронов в
различных металлах.
5. Удельная электрическая проводимость металлов определяется …
6. Интенсивность столкновений электронов с атомами, т.е. их рассеяние,
прямо пропорциональна …
7. Удельная электрическая проводимость с ростом температуры ...
8. Удельное электрическое сопротивление с ростом температуры ...
9. Чистые металлы по сравнению со сплавами имеют более … удельное
сопротивление .
10. Сопротивление проводников при увеличении частоты …
Автор Останин Б.П.
Конец слайда