No Image

Что является носителем электрического заряда в металлах

СОДЕРЖАНИЕ
0 просмотров
12 марта 2020

Носи́тели заря́да — общее название подвижных частиц или квазичастиц, которые несут электрический заряд и способны обеспечивать протекание электрического тока [1] .

Примерами подвижных частиц являются электроны, ионы. Примером квазичастицы — носителя заряда является дырка, другие заряженные частицы, например, позитроны.

Обычно термин «носители заряда» применяется в физике твёрдого тела и физике полупроводников.

Содержание

Электроны в металлах [ править | править код ]

В металлах и веществах с металлическим типом проводимости, к которым относятся многие другие вещества — графит, многие карбиды и нитриды переходных металлов, носителями заряда являются электроны. В таких веществах один или несколько электронов внешних электронных оболочек атомов не связаны с окружающими атомами и могут упорядоченно перемещаться под действием электрического поля внутри кристалла или жидкости даже при температуре абсолютного нуля. Такие электроны называются электронами проводимости в телах с металлическим типом проводимости. Так как электроны имеют полуцелый спин, их совокупность подчиняется статистике Ферми — Дирака и обычно её называют электронным газом Ферми.

При отсутствии электрического поля электроны проводимости хаотически движутся в металле или расплаве в различных направлениях и электрический ток в теле равен нулю. Исключение составляет движение электронов проводимости в сверхпроводниках, в которых электроны могут двигаться упорядоченно и создавать электрический ток без приложения электрического поля.

При приложении электрического поля на хаотическое движение электронов накладывается упорядоченность — в теле возникает электрический ток. В практически достижимых электрических полях в металлах скорость упорядоченного движения электронов не превышает нескольких миллиметров в секунду, в то время как средняя скорость хаотического движения электронов имеет порядок нескольких сотен км/с.

Носители заряда в полупроводниках [ править | править код ]

В полупроводниках носителями заряда являются электроны. Для удобства описания процессов проводимости в полупроводниках вводят понятие квазичастицы — дырка — положительно заряженная частица с зарядом равным по модулю заряду электрона. Фактически дырка — это электрон, перескакивающий на свободную соседнюю вакансию в кристаллической решётке полупроводника. Макроскопически дырки ведут себя так как истинные положительно заряженные частицы, в частности знак ЭДС в эффекте Холла указывает на движение положительно заряженных частиц в дырочном полупроводнике.

По отношению концентраций электронов и дырок различают собственные полупроводники, в которых концентрация электронов и дырок равны, полупроводники с электронным типом проводимости или иначе называемые полупроводниками n-типа проводимости или просто n-типа с увеличенной по сравнению с дырками концентрацией электронов и полупроводники с дырочным типом проводимости называемые полупроводниками p-типа — с увеличенной концентрацией дырок.

Тип той или иной проводимости чистому полупроводнику придает легирующая примесь. Примеси, придающие полупроводнику электронный тип проводимости называют донорными примесями, а примеси придающие дырочный тип проводимости называют акцепторными примесями.

Чистые полупроводники и полупроводники с равной концентрацией акцепторных и донорных примесей, такие полупроводники называют компенсировнными полупроводниками образуют собственные полупроводники.

Электроны в полупроводнике n-типа называют основными носителями, а дырки — неосновными, в полупроводнике p-типа соответственно наоборот. Ток неосновных носителей играет важную роль в некоторых типах полупроводниковых приборов, например в биполярных транзисторах а активном режиме ток, протекающий через базовый слой, является током неосновных носителей.

Согласно зонной теории энергия электрона в кристаллической решётке полупроводника не может принимать произвольный ряд энергий, а только их энергии могут лежать в пределах определённых диапазонов — разрешенных зон, разделённых запрещенной зоной. Разрешенную зону с меньшей энергией называют валентной зоной, а разрешенную зону с высокой энергией называют зоной проводимости. Электроны с энергиями валентной зоны несвободны, то есть не могут двигаться при наложении электрического поля, так как все энергетические уровни в этой зоне заняты и согласно принципу запрета Паули электрон не может изменить свое состояние, а движение требует изменения состояния. Электроны с энергиями зоны проводимости подвижны, так в ней имеются расположенные выше свободные энергетические уровни.

Если из валентной зоны удалить электрон, то в ней образуется положительно заряженная вакансия — дырка, которую может занять другой электрон из валентной зоны, то есть при наложении электрического поля происходит движение дырок в валентной зоне — возникновение электропроводности в валентной зоне — дырочной проводимости.

Освобождение электрона из узла кристаллической решётки полупроводника и перевод его в зону проводимости требует затраты определённой энергии активации (ионизации). Эта энергия в чистых полупроводниках равна разности энергий низа зоны проводимости и верха валентной зоны и называется шириной запрещённой зоны. В собственных легированных полупроводниках энергия активации равна разности уровней донорных и акцепторных примесей.

Так как для появления свободных носителей в полупроводниках требуется энергия активации, при абсолютном нуле температуры и отсутствия внешнего облучения все полупроводники являются диэлектриками. При повышении температуры часть электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости и возникает электропроводность. В легированных полупроводниках акцепторные уровни находятся вблизи верха валентной зоны, а уровни донорных примесей вблизи низа зоны проводимости, поэтому в легированных полупроводниках ионизация (возникновение носителей заряда) требует очень малой энергии активации, поэтому в слаболегированных полупроводниках уже при комнатной температуре все примесные атомы ионизированы и проводимость определяется в основном концентрацией легирующей примеси.

Носители заряда в электролитах [ править | править код ]

В электролитах носителями заряда являются ионы. В растворах и расплавах электролитов часть электрически нейтральных молекул распадается на заряженные частицы с разным знаком заряда — свободные ионы. Положительно заряженные ионы называют катионами, отрицательно заряженные — анионами. Под действием электрического поля ионы перемещаются, образуя электрический ток, причем анионы движутся против вектора напряжённости электрического поля — к аноду, а катионы — к катоду, по направлению движения ионы разного знака заряда и получили свои названия.

Читайте также:  Электрические панели встраиваемые для кухни какие лучше

Существуют также твёрдые тела с ионным типом проводимости — так называемые твёрдые электролиты. Твердые электролиты — это ионные кристаллы, в которых ионы в узлах кристаллической решётки слабо связаны с решёткой и могут мигрировать по кристаллу. Под действием электрического поля ионы в твёрдых электролитах приобретают упорядоченное движение по или против вектора напряжённости электрического поля в зависимости от знака заряда. Примерами твёрдых электролитов могут служить иодид серебра с проводимостью по ионам серебра Ag + или диоксид циркония, легированный оксидом переходного металла группы III периодической таблицы Менделеева, с проводимостью по ионам кислорода O 2- , обусловленной вакансиями в кристаллической решётке, а также многие твёрдые электролиты и некоторые полимеры с проводимостью по ионам водорода Н + . Во многих твёрдых электролитах, например, в легированном диоксиде циркония, ионная проводимость осуществляется перемещением вакансии — ион кислорода под действием поля перемещается в соседнюю вакансию в кристаллической решётке и остаётся там, механизм проводимости, сходный с дырочной проводимостью в полупроводниках.

Носители заряда в вакууме и разреженной плазме [ править | править код ]

Носителями заряда в вакууме являются электроны, ионы, иные заряженные элементарные частицы. Если вакуум высокий, в случаях, когда длина свободного пробега частицы много больше рассматриваемого размера, то есть число Кнудсена много больше 1 заряженные частицы — носители заряда можно считать невзаимодействующими и они движутся при отсутствии электрического поля прямолинейно и равномерно до соударения со стенкой сосуда. При наложении электрического поля заряженные частицы начинают двигаться ускоренно под действием электрической силы.

Частным случаем зарядов в вакууме является сильно разрежённая плазма — электрически нейтральная смесь носителей заряда с разными зарядами.

Объёмный заряд [ править | править код ]

Обычно в среде, где имеются свободные носители заряда суммарный заряд положительно заряженных частиц равен суммарному заряду отрицательно заряженных частиц, поэтому такая среда электрически нейтральна. Но в некоторых случаях суммарный заряд одного из знаков превалирует над суммарным зарядом другого знака. В этом случае говорят об объемном или поверхностном заряде. Наличие объемного или поверхностного заряда порождает в соответствие с теоремой Гаусса электрическое поле. Электрическое поле вызывает движение носителей заряда и перераспределение объемного заряда, стремясь выравнять концентрацию зарядов разного знака. Поэтому для длительного существования объемного заряда должен существовать механизм его поддержания. Например, стеканию заряда с отрицательно заряженных тел препятствует работа выхода электронов.

Возникающий объёмный заряд играет важную роль в физических процессах в электровакуумных приборах, — объёмный заряд электронов в вакууме или зоны объёмного заряда в p-n-переходах в полупроводниковых приборах, возникающий из-за встречной диффузии электронов и дырок и контактной разности потенциалов.

Генерация и рекомбинация носителей заряда [ править | править код ]

В электролитах, полупроводниках, плазме одновременно происходят процессы рекомбинации и ионизации частиц. Электрически нейтральные атомы и молекулы распадаются на заряженные частицы — ионизация и одновременно частицы разных знаков притягиваются друг к другу и образуют электрически нейтральные частицы — рекомбинация. В равновесном состоянии число актов рекомбинации и диссоциации в единицу времени равны друг другу и в среде устанавливается равновесная концентрация носителей заряда. Выведенная из состояния равновесия система постепенно самопроизвольно переходит в равновесную. Постоянную времени установления равновесной концентрации зарядов называют временем релаксации.

Диссоциация нейтральных частиц происходит главным образом из-за теплового движения и колебания частиц, их соударений. Так как на диссоциацию требуется некоторая энергия, называемая энергией активации, то концентрация носителей заряда, если нет иных факторов, препятствующих тепловой диссоциации, нарастает при повышении температуры. Именно поэтому электропроводность электролитов, полупроводников, не полностью ионизированной плазмы нарастает при повышении температуры. Количественно концентрация носителей заряда в веществе в зависимости от температуры выражается уравнением Аррениуса.

Известен механизм диссоциации на заряженные частицы посредством внешнего нетеплового воздействия, например, электромагнитным излучением или потоком быстрых частиц, например, потоком электронов, ионизирующим излучением. При таком воздействии концентрация носителей заряда повышается по сравнению с равновесной тепловой концентрацией. Поглощение фотона или заряженной частицы в полупроводнике порождает с некоторой вероятностью электронно-дырочную пару, это явление используется в различных полупроводниковых фотоприёмниках и полупроводниковых детекторах частиц. Макроскопически повышение концентрации носителей заряда проявляется в изменении электрических свойств, например, электропроводности.

Рекомбинация заряженных частиц сопровождается выделением энергии равной энергии диссоциации или энергии ионизации. В большинстве случаев эта энергия превращается в тепловое движение, но может переходить в иные виды энергии, например, уноситься фотоном, как в светодиодах и полупроводниковых лазерах в актах рекомбинации электронно-дырочных пар.

Длина свободного пробега носителей заряда [ править | править код ]

Среднее расстояние, на котором движение носителя заряда может считаться независимым от присутствия других частиц называют длиной свободного пробега. Обычно это расстояние равно длине пути частицы до столкновения с другой частицей, но например, в плазме длиной пробега считается расстояние до существенного электростатического взаимодействия с другой заряженной частицей плазмы и изменении направления движения.

В электролитах длина свободного пробега ограничена столкновениями, в металлах длина свободного пробега электронов ограничена рассеиванием электронов на атомах, дефектах кристаллической решетки и её тепловых колебаниях — рассеиванием на фононах.

В полупроводниках электроны и дырки рассеиваются на дефектах кристаллической решетки, примесных атомах и на фононах. В чистых полупроводниках длина свободного пробега может достигать при низких температурах нескольких миллиметров.

В вакууме и разреженной плазме понятие длины свободного пробега теряет смысл, так как частицы не взаимодействуют. Условно можно считать, что длина свободного пробега равна размерам сосуда.

Чем выше длина свободного пробега λ <displaystyle lambda > и больше концентрация носителей n <displaystyle n> , тем выше удельная электропроводность σ <displaystyle sigma > :

Читайте также:  Пароизоляция с фольгой для мансарды

σ ≈ λ ⋅ n . <displaystyle sigma approx lambda cdot n.>

Носителями заря­да в металлах являются электроны, слабо связанные с ионами кристаллической решетки металлов, – свободные электроны. На основе этого представления создана классическая электрон­ная теория электропроводности металлов (П.Друде, Х.Лоренц), а впоследствии зонная теория электропроводности (Ф.Блох, Л.Брюллюэн). Для выяснения природы носителей были пред­приняты многие эксперименты. К.Рикке выяснил роль ионов в процессе электропроводности. В течение года электрический ток пропускался через три последовательно соединенных ци­линдра, изготовленных из различных металлов. Перенос веще­ства (изменение массы цилиндров, проникновение ионов одно­го металла в другой) не был обнаружен. Это свидетельствовало о том, что ионы в переносе заряда не участвуют. Единственными частицами, переносящими заряд, могли быть электроны, открытые Д.Томсоном. Для проверки этого предположения рядом физиков была предложена идея экспериментов с исполь­зованием инерции носителей. Металл должен быть разогнан до некоторой скорости, а затем резко остановлен. При этом носи­тели заряда по инерции должны были продолжать двигаться и во внешней цепи проходил электрический ток, совпадающий по направлению со скоростью носителей при их положительном заряде и направленный против скорости – при отрицательном. Эксперименты, базирующиеся на этой идее, были осуществле­ны российскими физиками С.Л.Мандельштамом и Н.Д. Папалекси, американским физиком Р.Толменом и английским Б.Стюартом, Результаты всех опытов свидетельствовали об отрицательном знаке носителей. В опытах Р.Томсона и Б.Стюарта кроме направления тока был измерен проходящий во внешней цепи в процессе торможения заряд, что позволило вычислить удельный заряд носителей. Для всех металлов резуль­таты оказались практически одинаковыми. Определенный в этих опытах удельный заряд носителей оказался очень близок к удельному заряду свободного электрона, определенному неза­долго до этого Д.Томсоном. Это окончательно убедило физиков в том, что носителями заряда в металлах являются электроны.

Классическая электронная теория электропроводности ме­таллов считает, что при образовании кристаллической решетки металла валентные, слабо связанные с ядрами электроны отры­ваются от атомов и могут перемещаться по объему металла. В узлах кристаллической решетки располагаются ионы металла, а свободные электроны хаотично движутся между ними, образуя своеобразный электронный газ, который теория считает похо­жим по свойствам на одноатомный идеальный газ. Электроны сталкиваются с ионами, образуется термодинамическое равно­весие. При наложении внешнего электрического поля в металле кроме хаотического теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение – электрический ток. Разогнанные полем электроны сталкиваются с ионами кристаллической ре­шетки. За счет этих столкновений возникает электрическое со­противление металлов. Отданная электронами ионам в процес­сах столкновений энергия идет на нагревание вещества. Клас­сическая электронная теория хорошо объясняет выполнение для металлов законов Ома и Джоуля-Ленца, связь между элек­тропроводностью и теплопроводностью металлов, на качест­венном уровне объясняет температурную зависимость сопро­тивления металлов. Вместе с тем при объяснении некоторых явлений классическая электронная теория испытывает трудно­сти: она завышает длину свободного пробега электрона, прохо­димого им без столкновений с ионами, дает существенно завы­шенную оценку вклада электронного газа в теплоемкость ме­талла (парадокс теплоемкостей).

Это и ряд других обстоятельств вынудили физиков отка­заться от многих классических представлений и прибегнуть к квантовомеханическим представлениям. На этой основе была создана первая квантовомеханическая модель электропроводности твердых тел, получившая название зонной теории элек­тропроводности. В рамках этой теории многоэлектронная зада­ча движения и взаимодействия с решеткой сводится к задаче о движении одного электрона во внешнем периодическом поле – поле всех ядер и электронов. Зонная теория успешно справи­лась с задачей классификации твердых тел на диэлектрики, проводники и металлы. Решила многие задачи, с которыми не справилась классическая теория. Вместе с тем эта теория, как и классическая электронная теория, не учитывает взаимодействия электронов между собой, что, естественно, не позволяет теории объяснить эффекты, базирующиеся на взаимодействии элек­тронов. В частности, зонная теория не объясняет явления сверхпроводимости, при котором перенос зарядов осуществля­ется не одиночными электронами, а так называемыми спарен­ными куперовскими электронами.

Сверхпроводимость.

В 1911 г. голландский физик Х.Каммерлинг-Оннес обнаружил, что при температуре ТС=4,1К ртуть переходит в новое состояние, в котором у нее отсутствует электрическое сопротивление (рис. ).

Каммерлинг-Оннес описывал свои результаты так: «При 4,3К сопротивление ртути уменьшается до 0,084 Ом, что со­ставляет 0,0021 от значения сопротивления, которое имела бы твердая ртуть при 0°С. Обнаружено, что при ЗК сопротивление падает ниже 3*10 -6 Ом, что составляет одну десятимиллионную от значения, которое было бы при 0°С». Улучшая разрешение измерительной системы, Каммерлинг-Оннес не смог заметить отличия сопротивления ртути при этих температурах от нуле­вого значения. Он назвал обращение в нуль сопротивления некоторых металлов сверхпроводимостью. Температуру Тс, ниже которой наблюдается переход в сверхпроводящее состояние, принято называть критической. Позднее было обнаружено, что сопротивление ртути восстанавливается при Т -4 ÷10 -5 К, в пределах кото­рых уровни отстоят друг от друга на 10 -17 К. В такой ситуации сверхпроводимость не может возникнуть, поскольку электроны будут иметь возможность за счет перехода на ближайшие уров­ни рассеяться на примесях, дислокациях, фотонах, что и приве­дет к возникновению сопротивления.

По-другому ведут себя квантовые частицы с целым спином – бозоны. Для них принцип запрета Паули не работает и при низкой температуре. Все бозе-частицы системы могут сконден­сироваться на наинизшем уровне. Если энергетический спектр возбуждений такой системы удовлетворяет определенному ус­ловию, то движение бозе-частиц при слабых возбуждениях (низкие температуры, слабые электрические и магнитные поля и т.д.) оказывается бездиссипативным (происходит без сопро­тивления).

Объединение электронов в пары, имеющие уже целый спин, могло бы привести к возникновению сверхпроводимости. Объединиться в пару электронов возможно лишь при взаимо­действии этих электронов с положительными ионами решетки. Если один из электронов, притягивая положительные ионы ре­шетки, деформирует ее, то второй электрон, притянувшийся к той же области деформации, как бы спаривается с первым. В результате между двумя электронами возникает притяжение посредством так называемого обмена фотонами – квазичастицами, описывающими колебания кристаллической решетки. Теория образования электронных пар посредством электрон-фотонного взаимодействия и была построена Бардиным, Купе­ром, Шиффером (теория БКШ). По теории БКШ, электроны, образующие так называемую куперовскую пару, имеют проти­воположные спины, импульсы электронов, составляющих пару, противоположны.

Читайте также:  Белый соус для мяса рецепт

Правильность основных положений теории БКШ была под­тверждена в 1961 г. квантованием магнитного потока в экспе­риментах Дивера-Феербенка и Долла-Небаура. Образцы из сверхпроводников в форме тонкостенных полых цилиндров охлаждались ниже Тс в однородном магнитном поле, направ­ленном вдоль оси цилиндра. После выключения поля измерялся магнитный поток, захваченный сверхпроводящим цилиндром. Оказалось, что захваченный поток квантуется, причем квант потока обратно пропорционален заряду 2е, т.е. действительно сверхпроводящее состояние связано с электронными куперовскими парами.

Сверхпроводниками оказались многие металлы и их спла­вы. Наибольшее Тс оказалось у соединений ниобия Nb3Sn – 18 K, Nb3Gе – 23К).

Появились работы, показывающие, что электрон-фотонное взаимодействие невозможно при температурах выше 30К, что не позволяет создать сверхпроводники с высокими критиче­скими температурами. Ситуация изменилась в 1986 г. 17 апреля в редакцию журнала «Zeitschrift fur Physik» поступило сообще­ние из Швейцарии от сотрудников лаборатории фирмы ИБМ Бернорца и Мюллера «Возможная сверхпроводимость в Ва – Lа – Сu – О системе». Вскоре появилось сообщение американских ученых из лаборатории фирмы Белл об обнаружении сверхпро­водимости с Тc=36К в соединении La1,8Sr 2CuO4. Стало ясно, что открыто новое направление – физика оксидных сверхтем­пературных сверхпроводников. Было показано, что среди ме­таллических оксидных соединений можно найти сверхпровод­ники с высокой критической температурой. Через полгода была синтезирована система АВа2СuзО7, где А – любой из лантанои­дов с Тс, лежащей в пределах (90÷95)К. Открытия посыпались как из рога изобилия, оксиды-купраты оказались действительно радикально отличными от обычных сверхпроводников. В их соединениях с ртутью критическую температуру удалось повы­сить до 135 – 160 К. Проведенные исследования показали, что в высокотемпературных сверхпроводниках проводимость также осуществляется спаренными электронами. Теоретики сумели показать, что в определенных ситуациях электрон-фотонное взаимодействие может иметь место до 100К, однако возможной причиной объединения электронов в высокотемпературных сверхпроводниках в пары может наряду с электрон-фотонным быть электрон-электронное или спиновое взаимодействие.

Хотя открытие высокотемпературной сверхпроводимости привело к резкому увеличению критической температуры, но Тс все еще остается слишком низкой, чтобы на практике ис­пользовать сверхпроводящие линии электропередач, не имею­щие тепловых потерь. Тем не менее, практические применения сверхпроводников, начатые еще для обычных, с открытием вы­сокотемпературных расширяются. Так, сверхпроводники ши­роко используются для создания сильных магнитных полей. Магнитные поля, созданные электромагнитами с обмотками из высокотемпературных сверхпроводников, позволили вплотную подойти к осуществлению управляемой реакции термоядерного синтеза. Высокотемпературные сверхпроводники используются для создания новых быстродействующих элементов вычисли­тельной техники, приборов, регистрирующих электромагнит­ное излучение и др.

В металлах носителями электрических зарядов являются свободные электроны, они хаотически движутся между положительно заряженными ионами кристаллической решетки. Сумма отрицательных зарядов всех свободных электронов равна сумме положительных зарядов ионов решетки. Следовательно металл электрически нейтрален в цепи электрического тока нет, будь то медь или алюминий. Если в проводнике создать электрическое поле, то все свободные электроны начинают двигаться в определенном направлении, в цепи возникает электрический ток.

Иной характер имеет электрический ток в электролитах — раствор солей, щелочей и кислот. Дистиллированная вода не имеет заряженных частиц — носителей электрических зарядов, по этому она является изолятором. Но стоит ввести в эту воду немного кислоты, щелочей, соли или например раствор медного купороса, как в цепи появляются носители электрических зарядов и возникает электрический ток. Что же собой представляют носители заряда? Молекулы солей, щелочей, кислот электрически нейтральны. В воде эти молекулы распадаются на ионы с противоположными и равными по величине зарядами — положительный потерявший электрон и отрицательный — имеющий лишний электрон. Такой проводник называется электролитом. Под действием электрического поля происходит направленное движение ионов, положительных к катоду, здесь они приобретают свободные электроны и превращаются в нейтральные атомы, отрицательные ионы движутся к аноду. Отдав свой электрон, отрицательный электрон превращается в нейтральный атом и оседает на поверхности электрода, электрический ток в электролитах представляет собой направленное движение ионов. Действие электрического тока может проявиться слабее и сильнее.

Выражение слабый ток означает, что по цепи за единицу времени протекает малое количество электронов, а сильный ток означает, что в единицу времени протекает большее количество электронов. Величину электрического заряда называют ещё количеством электричества. Сила тока определяется количеством электричества проходящего через поперечное сечение проводника в одну секунду. Во всякой замкнутой цепи электрическим током совершается работа, нагревается кабель силовой с медными жилами, проводники, излучается свет, заряжаются аккумуляторы и так далее.

Две лампочки подключены к разным источникам тока. По показаниям амперметров ток в обеих цепях примерно одинаков, но работа совершается разная. Лампа подключенная к городской сети, дает гораздо больше тепла, чем лампочка карманного фонаря подключенная к аккумулятору. Оказывается величина работы электрического тока зависит не только то силы тока, но и от другой величины называемой напряжением, которое измеряется вольтметром.

Комментировать
0 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
Adblock detector