Физическая природа электропроводности проводников

К основным характеристикам проводниковых материалов относятся: удельное сопротивление и удельная проводимость; температурный коэффициент удельного электрического сопротивления; термоэлектродвижущая сила (термоэдс); теплопроводность; теплостойкость; предел прочности на разрыв и относительное удлинение при разрыве (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 – Схема строения металлического проводника

Знание этих характеристик позволяет оценить электрические, тепловые и механические свойства проводникового материала.

Удельное электрическое сопротивление материала r является основ­ной величиной, характеризующей материал проводника. Для измерения удельного сопротивления проводников обычно поль­зуются образцами, изготовленными из исследуемого материала в виде отрезков проводов неизменного сечения. В этом случае, зная электрическое сопротивление R, площадь поперечного сечения S и длину l  образца, удельное сопротивление материала можно вычис­лить, исходя из следующего известного соотношения

                       , т.е. .                                 (2.1)

В Международной системе единиц (СИ)  r измеряют в ом­метрах (Ом×м). Однако на практике для оценки удельного со­противления проводников широко пользуются внесистемной единицей Ом·мм²/м, связанной с единицей СИ соотношением 1 Ом·мм²/м = 10^-6 Ом×м = 1 мкОм×м.

Удельное сопротивление проводников находится в пределах от 0,016 для серебра до 1,6 мкОм·м для фехралей (жаропроч­ных сплавов на железохромовой основе), т. е. имеет диапазон в два порядка.

Часто применяется величина, обратная удельному сопротивлению и носящая название удель­ной проводимости, которая равна

 .                               (2.2)

Так как величина, обратная электрическому сопротивлению и называемая проводимостью, измеряется в единицах СИ в сименсах (1/Ом = 1 См), то единица удельной проводимости  равна 1 См/м.

Удельное сопротивление (а следовательно, и удельная проводимость) в основном зависят от средней длины свободного пробега электрона в данном проводнике, которая, в свою очередь, зависит от строения материала проводника. Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решёткой характеризуются наименьшими значениями удельного сопротивления, а примеси, искажая решётку, приводят к увеличению его. Даже небольшое наличие примеси (приблизительно 0,5 %) приводит к увеличению ρ от 5 до 5 %.    

Значительное возрастание ρ наблюдается при сплавлении двух металлов в том случае, если они образуют твёрдый раствор, т. е. образуют при затвердевании совместную кристаллизацию и атомы одного металла входят в кристаллическую решётку другого.           

Повышенная электропроводность проводниковых материалов обусловлена большим количеством обобществлённых электронов, которые классической электронной теорией металлов рассматриваются как электронный газ [1-2].

В соответствии с этими представлениями свободные электроны находятся в состоянии хаотического теплового дви­жения со средней скоростью и, сталкиваясь с колеблющимися атомами кристал­лической решётки. Среднее расстояние l, проходимое электроном между двумя столкновениями, называют длиной свободного пробега, средний промежуток вре­мени между двумя столкновениями – временем свободного пробега. Время свобод­ного пробега вычисляется по формуле

                                         .                             (2.3)

Средняя кинетическая энергия электронов, находящихся в непрерывном хаоти­ческом движении, линейно зависит от температуры

                                 ,                           (2.4)

где Дж/К – постоянная Больцмана. Температуре T = 300 К  соответ­ствует  м/с.

Распределение электронов по энергетическим состояниям, характеризуемое ве­роятностью р (Е), подчиняется статистике Максвелла – Больцмана и описывает­ся экспоненциальной функцией

                               .                    (2.5)

При этом считается, что в каждом энергетическом состоянии может находиться любое число электронов, а при температуре абсолютного нуля энергия всех сво­бодных электронов равна нулю.

Если в проводнике существует электрическое поле, то под действием этого поля элек­троны приобретают ускорение, пропорциональное напряжённости поля Е, в резуль­тате чего возникает направленное движение электронов со средней скоростью

                                       .                         (2.6)

Такое направленное движение называют дрейфом электронов, оно накладывает­ся на хаотическое движение электронов. Скорость дрейфа значительно меньше скорости теплового движения. Направленное движение электронов создаёт ток, плотность которого равна

                                  ,               (2.7)

где n – концентрация электронов.

Этот ток пропорционален напряжённости поля и коэффициентом пропорциональ­ности является удельная электрическая проводимость

                                .                        (2.8)

 Классическая теория, давая в целом правильное представление о механизме элект­ропроводности, не учитывает распределение электронов по энергетическим со­стояниям. Поэтому она не может объяснить ряд противоречий теории с опытны­ми данными, в частности, классическая теория не в состоянии объяснить низкую теплоёмкость электронного газа. Более полное представление о процессах, происходящих внутри вещества, даёт современная квантовая физика.

Электропроводность создаётся свободными электронами, способными покинуть атомы. Такой способностью обладают только валентные электроны. Поэтому в дальнейшем речь пойдет только об электронах, находящихся на энергетических уровнях валентной зоны.

Квантовая физика исходит из того, что электроны могут находиться на строго определённых энергетических уровнях, энергетическая плотность которых вблизи границ энергетических зон изменяется по параболическому закону [1,5].