Электронная проводимость металлов |
Свойства металлов
Скачать презентацию |
||
<< Электрический ток в металлах | Электрическая проводимость металлов >> |
Автор: t3. Чтобы увеличить слайд, нажмите на его эскиз. Чтобы использовать презентацию на уроке, скачайте файл «Электронная проводимость металлов.ppt» бесплатно в zip-архиве размером 1350 КБ.
Скачать презентацию№ | Слайд | Текст |
1 | ![]() |
З д р а в с т в у й т е |
2 | ![]() |
Лекция 13Тема: Классическая теория электропроводности металлов 13.1.Классическое представление об электропроводности металлов. Экспериментальные данные 13.2. Вывод законов Ома и Джоуля – Ленца в классической теории электронной проводимости металлов 13.3. Сверхпроводимость Содержание лекции: Сегодня: вторник, 1 ноября 2011 г. |
3 | ![]() |
131 Классическое представление об электропроводности металлов. Экспериментальные данные. |
4 | ![]() |
|
5 | ![]() |
Рис13.1. |
6 | ![]() |
|
7 | ![]() |
|
8 | ![]() |
|
9 | ![]() |
|
10 | ![]() |
132. Вывод законов Ома и Джоуля – Ленца в классической теории электронной проводимости металлов. |
11 | ![]() |
|
12 | ![]() |
Рис13.2. |
13 | ![]() |
|
14 | ![]() |
|
15 | ![]() |
|
16 | ![]() |
|
17 | ![]() |
|
18 | ![]() |
|
19 | ![]() |
|
20 | ![]() |
|
21 | ![]() |
|
22 | ![]() |
|
23 | ![]() |
|
24 | ![]() |
|
25 | ![]() |
Таким образом, классическая электронная теория объясняет существованиеэлектрического сопротивления металлов, законы Ома и Джоуля–Ленца. Однако в ряде вопросов классическая электронная теория приводит к выводам, находящимся в противоречии с опытом. |
26 | ![]() |
Эта теория не может, например, объяснить, почему молярная теплоемкостьметаллов, также как и молярная теплоемкость диэлектрических кристаллов, равна 3R (закон Дюлонга и Пти.) Классическая электронная теория не может также объяснить температурную зависимость удельного сопротивления металлов: Теория дает в то время как из эксперимента получается зависимость ? ~ T. 3. Однако наиболее ярким примером расхождения теории и опытов является сверхпроводимость. |
27 | ![]() |
133. Сверхпроводимость. |
28 | ![]() |
|
29 | ![]() |
|
30 | ![]() |
|
31 | ![]() |
|
32 | ![]() |
Лекция 14ЭМИССИЯ ЭЛЕКТРОНОВ ИЗ ПРОВОДНИКОВ. КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ НА ГРАНИЦАХ ПРОВОДНИКОВ 14.1. Эмиссия электронов из проводников 14.1.1. Термоэлектронная эмиссия 14.1.2. Холодная и взрывная эмиссия 14.1.3. Фотоэлектронная эмиссия 14.2. Контактные явления на границе раздела двух проводников. |
33 | ![]() |
141. Эмиссия электронов из проводников. Электрон свободен только в границах металла. Как только он пытается перейти границу «металл – вакуум», возникает кулоновская сила притяжения между электроном и образовавшимся на поверхности избыточным положительным зарядом |
34 | ![]() |
Вблизи от поверхности образуется электронное облако, и на границераздела формируется двойной электрический слой с разностью потенциалов. |
35 | ![]() |
Скачки потенциала на границе металла показаны на рисункеВ занятом металлом объеме образуется потенциальная энергетическая яма Так как в пределах металла электроны свободны, и их энергия взаимодействия с узлами решетки равна нулю. За пределами металла электрон приобретает энергию W0. Это энергия притяжения, поэтому |
36 | ![]() |
Для того, чтобы покинуть металл, электрон должен преодолетьпотенциальный барьер и совершить работу (14.1.1) Эту работу называют работой выхода электрона из металла. Для ее совершения электрону необходимо сообщить достаточную энергию. |
37 | ![]() |
141.1. Термоэлектронная эмиссия. Величина работы выхода зависит от химической природы вещества, от его термодинамического состояния и от состояния поверхности раздела. Если энергия, достаточная для совершения работы выхода, сообщается электронам путем нагревания, то процесс выхода электронов из металла называют термоэлектронной эмиссией. |
38 | ![]() |
Явление испускания электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуумназывается термоэлектронной эмиссией. |
39 | ![]() |
Нагрев необходим для того, чтобы энергии теплового движения электронабыло достаточно для преодоления сил кулоновского притяжения между отрицательно заряженным электроном и индуцируемым им на поверхности металла положительным зарядом при удалении с поверхности. Кроме того, при достаточно высокой температуре над поверхностью металла создается отрицательно заряженное электронное облако, препятствующее выходу электрона с поверхности металла в вакуум. |
40 | ![]() |
Явление термоэлектронной эмиссии открыто в 1883 г. знаменитымамериканским изобретателем Эдисоном. Это явление наблюдалось им в вакуумной лампе с двумя электродами – анодом, имеющим положительный потенциал, и катодом с отрицательным потенциалом. Катодом лампы может служить нить из тугоплавкого металла (вольфрам, молибден, тантал и др.), нагреваемая электрическим током. Такая лампа называется вакуумным диодом. |
41 | ![]() |
|
42 | ![]() |
Если катод холодный, то ток в цепи катод – анод практическиотсутствует. При повышении температуры катода в цепи катод – анод появляется электрический ток, который тем больше, чем выше температура катода. При постоянной температуре катода ток в цепи катод – анод возрастает с повышением разности потенциалов U между катодом и анодом и выходит к некоторому стационарному значению, называемому током насыщения Iн. При этом все термоэлектроны, испускаемые катодом, достигают анода. Величина тока анода не пропорциональна U, и поэтому для вакуумного диода закон Ома не выполняется. |
43 | ![]() |
На рисунке показаны схема вакуумного диода и вольт-амперныехарактеристики (ВАХ) Ia(Ua) Uз– задерживающее напряжение при котором I = 0 Iн – ток насыщения, при котором все электроны, испускаемые катодом достигают анода. |
44 | ![]() |
141.2. Холодная и взрывная эмиссия. Электронную эмиссию, вызываемую действием сил электрического поля на свободные электроны в металле, называют холодной или автоэлектронной эмиссией. Для этого должна быть достаточной напряженность поля и должно выполняться условие (6.1.2) здесь d – толщина двойного электрического слоя на границе раздела сред. |
45 | ![]() |
Автоэлектронную эмиссию можно наблюдать в хорошо откачанной вакуумнойтрубке, катодом которой служит острие, а анодом – обычный электрод с плоской или мало изогнутой поверхностью. |
46 | ![]() |
Напряженность электрического поля на поверхности острия с радиусомкривизны r и потенциалом U относительно анода равна. |
47 | ![]() |
При и что приводит к появлению слабого тока, обусловленногоавтоэлектронной эмиссией с поверхности катода. Сила эмиссионного тока быстро нарастает с повышением разности потенциалов U. Катод специально не разогревается, поэтому эмиссия и называется холодной. Закон Чайльда - Ленгмюра. |
48 | ![]() |
Плотность тока АЭЭ равна где – коэффициент пропорциональности,определяемый геометрией и материалом катода. Проще говоря, закон Чайльда-Ленгмюра показывает, что плотность тока пропорциональна (закон трех вторых). |
49 | ![]() |
Электронная микрофотография эмиттера с острийной поверхностью,полученного в г. Дубне с использованием современных трековых методик. Острия – конусы высотой 6,6 мкм, диаметром 1,5 мкм. Радиус кривизны вершины 0,1 мкм. Концентрация 107 см?2. |
50 | ![]() |
Взрывная электронная эмиссия (ВЭЭ)При плотности тока 108 А/см2 и большой концентрации энергии 104 Дж?м–1 микроострия начинают взрываться и разрушаться. Инициируется качественно иной вид эмиссии, обусловленный взрывом микроострий на катоде. Ток электронов, на порядки превосходит начальный ток ААЭ – наблюдается взрывная электронная эмиссия (ВЭЭ). ВЭЭ была открыта и изучена в Томском политехническом институте в 1966 г. коллективом сотрудников под руководством Г.А. Месяца. |
51 | ![]() |
ВЭЭ – это единственный вид электронной эмиссии, позволяющий получитьпотоки электронов мощностью до 10 13 Вт с плотностью тока до 109 А/см2. Ток ВЭЭ необычен по структуре. Он состоит из отдельных порций электронов 1011 ? 1012 штук, имеющих характер электронных лавин, получивших название эктонов (начальные буквы «explosive centre»). Время образования лавин 10?9 ? 10?8 с. |
52 | ![]() |
Появление электронов в эктоне вызвано быстрым перегревом микроучастковкатода и является, по существу, разновидностью термоэлектронной эмиссии. Прекращение эмиссии электронов в эктоне обусловлено охлаждением зоны эмиссии за счет теплопроводности, уменьшения плотности тока, испарения атомов. |
53 | ![]() |
Существование эктона проявляется в образовании кратера на поверхностикатода. Взрывная эмиссия электронов и эктоны играют фундаментальную роль в вакуумных искрах и дугах, в разрядах низкого давления, в сжатых и высокопрочных газах, в микропромежутках, т.е. там, где в наличии есть электрическое поле высокой напряженности на поверхности катода. |
54 | ![]() |
Явление взрывной электронной эмиссии послужило основой для созданияимпульсных электрофизических установок, таких как сильноточные ускорители электронов, мощные импульсные и рентгеновские устройства, мощные релятивистские сверхвысокочастотные генераторы. Например, импульсные ускорители электронов имеют мощность 1013 Вт и более при длительности импульсов 10?10 ? 10?6 с, токе электронов 106 А и энергии электронов 104 ? 107 эВ. Такие пучки широко используются для исследований в физике плазмы, радиационной физике и химии, для накачки газовых лазеров и пр. |
55 | ![]() |
141.3. Фотоэлектронная эмиссия. Фотоэлектронная эмиссия (фотоэффект) заключается в «выбивании» электронов из металла при действии на него электромагнитного излучения. |
56 | ![]() |
Схема установки для исследования фотоэффекта и ВАХ аналогичнытермоэмиссии. Здесь, вместо разогрева катода, на него направляют поток фотонов или - квантов. |
57 | ![]() |
В физических приборах, регистрирующих – излучение, используютфотоэлектронные умножители (ФЭУ). Схема прибора приведена на рисунке. |
58 | ![]() |
В ФЭУ используют два эмиссионных эффекта: фотоэффект и вторичнуюэлектронную эмиссию, которая заключается в выбивании электронов из металла при бомбардировке последнего другими электронами. Электроны выбиваются светом из фотокатода (ФК). Ускоряясь между ФК и первым эмиттером (КС1), они приобретают энергию, достаточную, чтобы выбить большее число электронов из следующего эмиттера. |
59 | ![]() |
Умножение электронов происходит за счет увеличения их числа припоследовательном прохождении разности потенциалов между соседними эмиттерами. Последний электрод называют коллектором. Регистрируют ток между последним эмиттером и коллектором. Таким образом, ФЭУ служит усилителем тока, а последний пропорционален излучению, попадающему на фотокатод, что и используют для оценки радиоактивности. |
60 | ![]() |
142. Контактные явления на границе раздела двух проводников. Как показывает опыт, на контакте двух различных металлов образуется двойной электрический слой и соответствующая разность потенциалов: |
61 | ![]() |
Появление двойного электрического слоя обусловлено различием работвыхода электронов из металлов. Чем она больше, тем меньше вероятность перехода электронами границы раздела. Поэтому со стороны металла с большей работой выхода накапливается отрицательный заряд, а с противоположной – положительный. |
62 | ![]() |
Это явление наблюдалось итальянским физиком Алессандро Вольта (1745 –1827), который сформулировал два экспериментальных закона, известных как законы Вольта. |
63 | ![]() |
Законы Вольты 1. На контакте двух разных металлов возникает разностьпотенциалов, которая зависит от химической природы и от температуры спаев. 2. Разность потенциалов на концах последовательно соединенных проводников не зависит от промежуточных проводников и равна разности потенциалов, возникающей при соединении крайних проводников при той же температуре (закон последовательных контактов Вольта). |
64 | ![]() |
Ряд ВольтыПотенциал каждого последующего металла в этом ряду ниже потенциала предыдущего. Опыт Вольты по доказательству существования контактной разности потенциалов |
65 | ![]() |
Результаты эксперимента можно объяснить с позиции классическойэлектронной теории. Если принять, что потенциал за пределами металла равен нулю, то энергия электрона внутри металла с потенциалом ?i определится выражением (14.2.1). |
66 | ![]() |
При соединении двух разных металлов с работами выхода и возникаетизбыточный переход электронов из второго металла в первый, так как. |
67 | ![]() |
В результате концентрация электронов n1 в металле 1 увеличивается, посравнению с n2, что порождает обратный избыточный поток электронного газа за счет диффузии, противоположный потоку, обусловленному разностью работ выхода. |
68 | ![]() |
Установившуюся разность потенциалов можно найти из выражения: Явлениевозникновения контактной разности потенциалов и ее зависимость от температуры называют прямым термоэлектрическим эффектом или эффектом Зеебека. |
69 | ![]() |
Эффект Зеебека (прямой термоэлектрический эффект) заключается впоявлении разности потенциалов в термопарах. |
70 | ![]() |
Эффективная демонстрация термоэлектрического тока может бытьосуществлена в опыте, приведенном на рис. Толстая U-образная медная дуга перекрывается коротким мостиком 1?2 из константана или железа. Место спая 1 разогревается. Электромагнит, питаемый током термоэлемента, способен удержать гирю весом в несколько килограммов |
71 | ![]() |
Схема термопары состоящей из спая двух разных металлов 1 и 2, показанана рисунке. На концах термопары возникает термоЭДС : (14.2.2) где Тг – температура горячего спая и Тx – температура холодного спая. |
72 | ![]() |
Таким образом – термоЭДС термопары: – постоянная термопары: |
73 | ![]() |
Эффектом Пельтье обратный термоэлектрический эффектОн заключается в том, что при пропускании тока через термопару, ее спай поглощает или выделяет тепло в зависимости от направления тока. Количество поглощенного тепла пропорционально плотности тока. (6.2.4) где П12 – коэффициент Пельтье, зависящий от материала контактирующих металлов. |
74 | ![]() |
Применение термопар |
75 | ![]() |
Общие сведенияТермопары относятся к классу термоэлектрических преобразователей, принцип действия которых основан на явлении Зеебека: если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру (Т1 не равно Т2), то в цепи протекает электрический ток. |
76 | ![]() |
Таким образом, термопара может образовывать устройство, использующеетермоэлектрический эффект для измерения температуры. В сочетании с электроизмерительным прибором термопара образует термоэлектрический термометр. Измерительный прибор или электронную измерительную систему подключают либо к концам термоэлектродов (рис. 2,а), либо в разрыв одного из них (рис. 2,б). |
77 | ![]() |
|
78 | ![]() |
В местах подключения проводников термопары к измерительной системевозникают дополнительные термоЭДС. В результате их действия на вход измерительной системы фактически поступает сумма сигналов от рабочей термопары и от «термопар», возникших в местах подключения. Существуют различные способы избежать этого эффекта. Самым очевидным из них является поддержание температуры холодного спая постоянной. |
79 | ![]() |
Основные параметры термопар промышленного типа |
80 | ![]() |
Зависимость эдс |
81 | ![]() |
Электронные термометрыОтечественная промышленность выпускает электронные термометры для измерения температуры контактным способом. Так, например, одно из отечественных предприятий наладило производство серии измерителей температуры, каждый из которых состоит из электронного блока и набора сменных датчиков температуры, представляющих собой стандартные хромель-алюмелевые термопары (тип К) |
82 | ![]() |
Внешний видМиниатюрный и контактный термометр |
83 | ![]() |
Достоинства и недостаткиНадежность конструкции датчика, возможность работы в широком диапазоне температур, дешевизна, простота, удобство монтажа, возможность измерения локальной температуры, малая инерционность. Необходимость поддержания температуры холодного спая постоянной и нелинейность на некоторых участках. |
84 | ![]() |
ПрименениеИзмерение температур с помощью термопар получило широкое распространение для измерения температуры различных объектов, а также в автоматизированных системах управления и контроля. |
85 | ![]() |
Электрический ток в полупроводникахКачественное отличие полупроводников от металлов. Электронно-дырочный механизм проводимости чистых беспримесных полупроводников. Электронная и дырочная проводимость примесных полупроводников. Донорные и акцепторные примеси. Электронно-дырочный переход. Полупроводниковый диод. Транзистор. |
86 | ![]() |
К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германийкремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное количество сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры. |
87 | ![]() |
Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется преждевсего в зависимости удельного сопротивления от температуры. |
88 | ![]() |
Зонная модель электронно-дырочной проводимости полупроводниковПри образовании твердых тел возможна ситуация, когда энергетическая зона, возникшая из энергетических уровней валентных электронов исходных атомов, оказывается полностью заполненной электронами, а ближайшие, доступные для заполнения электронами энергетические уровни отделены от валентной зоны промежутком неразрешенных энергетических состояний – так называемой запрещенной зоной. |
89 | ![]() |
Выше запрещенной зоны расположена зона разрешенных для электроновэнергетических состояний – зона проводимости. Зона проводимости при 0 К полностью свободна, а валентная зона полностью занята. Подобные зонные структуры характерны для кремния, германия, арсенида галлия (GaAs), фосфида индия (InP) и многих других твердых тел, являющихся полупроводниками (см. рис.). |
90 | ![]() |
При повышении температуры полупроводников и диэлектриков электроныспособны получать дополнительную энергию, связанную с тепловым движением kT. У части электронов энергии теплового движения оказывается достаточно для перехода из валентной зоны в зону проводимости, где электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться практически свободно. |
91 | ![]() |
В этом случае, в цепи с полупроводниковым материалом по мере повышениятемпературы полупроводника будет нарастать электрический ток. Этот ток связан не только с движением электронов в зоне проводимости, но и с появлением вакантных мест от ушедших в зону проводимости электронов в валентной зоне, так называемых дырок. |
92 | ![]() |
Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседнейпары, тогда дырка переместиться на новое место в кристалле. Если полупроводник помещается в электрическое поле, то в упорядоченное движение вовлекаются не только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. |
93 | ![]() |
Поэтому ток I в полупроводнике складывается из электронного In идырочного Ip токов: I = In + Ip. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т. е. без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников. |
94 | ![]() |
Электроны забрасываются в зону проводимости с уровня Ферми, которыйоказывается в собственном полупроводнике расположенным посередине запрещенной зоны. |
95 | ![]() |
Существенно изменить проводимость полупроводников можно, введя в нихочень небольшие количества примесей. В металлах примесь всегда уменьшает проводимость. Так, добавление в чистый кремний 10?3 % атомов фосфора увеличивает электропроводность кристалла в 105 раз. Небольшое добавление примеси к полупроводнику называется легированием. Если добавить пятивалентный атом фосфора в решетку кремния, то четыре валентных электрона фосфора вступят в связь с четырьмя соседними атомами кремния, у которого во внешней оболочке четыре электрона, а пятый электрон атома Р может достаточно легко отщепиться в результате теплового движения и перейти в зону проводимости (рис. 6.11). |
96 | ![]() |
Необходимым условием резкого уменьшения удельного сопротивленияполупроводника при введении примесей является отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла. Проводимость полупроводников при наличии примесей называется примесной проводимостью. |
97 | ![]() |
Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочнуюпроводимости. Электронная проводимость возникает, когда в кристалл германия с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы (например, атомы мышьяка, As). |
98 | ![]() |
|
99 | ![]() |
Четыре валентных электрона атома мышьяка включены в образованиековалентных связей с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон оказался излишним. Он легко отрывается от атома мышьяка и становится свободным. Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, расположенный в узле кристаллической решетки. |
100 | ![]() |
Примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основныхатомов полупроводникового кристалла, называется донорской примесью. В результате ее введения в кристалле появляется значительное число свободных электронов. Это приводит к резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника – в тысячи и даже миллионы раз. Удельное сопротивление проводника с большим содержанием примесей может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника. |
101 | ![]() |
Такая проводимость, обусловленная свободными электронами, называетсяэлектронной, а полупроводник, обладающий электронной проводимостью, называется полупроводником n-типа. |
102 | ![]() |
Дырочная проводимость возникает, когда в кристалл германия введенытрехвалентные атомы (например, атомы индия, In). |
103 | ![]() |
На риспоказан атом индия, который создал с помощью своих валентных электронов ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия. На образование связи с четвертым атомом германия у атома индия нет электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. В этом случае атом индия превращается в отрицательный ион, расположенный в узле кристаллической решетки, а в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия. |
104 | ![]() |
Примесь атомов, способных захватывать электроны, называетсяакцепторной примесью. В результате введения акцепторной примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются вакантные места (дырки). На эти места могут перескакивать электроны из соседних ковалентных связей, что приводит к хаотическому блужданию дырок по кристаллу. |
105 | ![]() |
Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторной примесью значительнопревышает концентрацию электронов, которые возникли из-за механизма собственной электропроводности полупроводника: np >> nn. Проводимость такого типа называется дырочной проводимостью. Примесный полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником p-типа. Основными носителями свободного заряда в полупроводниках p-типа являются дырки. |
106 | ![]() |
В современной электронной технике полупроводниковые приборы играютисключительную роль. За последние три десятилетия они почти полностью вытеснили электровакуумные приборы. В любом полупроводниковом приборе имеется один или несколько электронно-дырочных переходов. Электронно-дырочный переход (или n–p-переход) – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости. Электронно-дырочный переход. |
107 | ![]() |
Электронно-дырочный переходТаким образом, на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, электрическое поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу |
108 | ![]() |
Способность n–p-перехода пропускать ток практически только в одномнаправлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами. Полупроводниковые диоды изготавливаются из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c каким-либо типом проводимости вплавляют примесь, обеспечивающую другой тип проводимости. |
109 | ![]() |
Типичная вольт - амперная характеристика кремниевого диода |
110 | ![]() |
Электронно-дырочный переходТранзистор. Полупроводниковые приборы не с одним, а с двумя n–p-переходами называются транзисторами. Транзисторы бывают двух типов: p–n–p-транзисторы и n–p–n-транзисторы. |
111 | ![]() |
Электронно-дырочный переходТранзистор. В транзисторе n–p–n-типа основная германиевая пластинка обладает проводимостью p-типа, а созданные на ней две области – проводимостью n-типа. В транзисторе p – n – p – типа всё наоборот. Пластинку транзистора называют базой (Б), одну из областей с противоположным типом проводимости – коллектором (К), а вторую – эмиттером (Э). |
112 | ![]() |
|
113 | ![]() |
Электронно-дырочный переходТранзистор. |
114 | ![]() |
СверхпроводимостьСуществует одно явление, механизм которого оказалось возможным объяснить лишь в рамках квантовой теории. В 1908 г. голландскому физику Г. Камерлинг-Оннесу удалось получить жидкий гелий с температурой кипения 4,44 К. Метод получения жидкого гелия оказался очень сложным и малоэффективным, и в течение долгого времени лишь лаборатория Камерлинг-Оннеса в Лейдине производила жидкий гелий. При некоторой определенной температуре Tкр, различной для разных веществ, удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля. |
115 | ![]() |
Изучая поведение сопротивления ртути, охлаждаемой до гелиевыхтемператур, Камерлинг-Оннес в 1911 г. впервые в мире наблюдал исчезновение сопротивления ртути практически до нуля. Это явление было названо сверхпроводимостью. Камерлинг-Оннес писал: «При 4,3 К сопротивление ртути уменьшается до 0,084 Ом, что составляет 0,0021 от значения сопротивления, которое имела бы твердая ртуть при 0 ?С (39,7 Ом). Обнаружено, что при 3 К сопротивление падает ниже 3?10-6 Ом, что составляет 10-7 от значения при 0 ?С». Отметим, что температурный интервал, в котором сопротивление уменьшалось до нуля, очень узок, и для некоторых металлов он составляет лишь 10-3 К. |
116 | ![]() |
В 1957 г. ДжБардином, Л. Купером, Дж. Шрифером дано квантово-механическое объяснение природы сверхпроводимости (теория БКШ). Было показано, что хотя между электронами действуют силы кулоновского отталкивания, тем не менее в твердых телах при температуре перехода в сверхпроводящее состояние Тс – критической температуре, между электронами начинают действовать силы притяжения, обусловленные обменом фононами между электронами. |
117 | ![]() |
Фононы – кванты упругих колебаний кристаллической решеткиЭто притяжение приводит к образованию связанных электронных пар – куперовских пар. Пары электронов уже не являются фермионами, и для них уже не действует принцип запрета Паули. Спаренные электроны являются бозонами – частицами с нулевым спином, и стремятся сконденсироваться. В результате такой конденсации образуется электрически заряженная, сверхтекучая электронная жидкость, обладающая свойствами сверхпроводимости. |
118 | ![]() |
Сверхпроводящее состояние является макроскопическим квантовымсостоянием металла Электрон, движущийся среди положительно заряженных ионов, поляризует решетку т.е. электростатическими силами притягивает к себе ближайшие ионы. Благодаря такому смещению ионов в окрестности траектории электрона локально возрастает плотность положительного заряда. Второй электрон, движущийся вслед за первым, будет притягиваться областью с избыточным положительным зарядом. В результате косвенным образом за счет взаимодействия с решеткой между электронами 1 и 2 возникают силы притяжения(связанная куперовская пара). |
119 | ![]() |
Вещества в сверхпроводящем состоянии обладают исключительнымисвойствами. Практически наиболее важным их них является способность длительное время (многие годы) поддерживать без затухания электрический ток, возбужденный в сверхпроводящей цепи. Научный интерес к сверхпроводимости возрастал по мере открытия новых материалов с более высокими критическими температурами. |
120 | ![]() |
Значительный шаг в этом направлении произошел в 1986 году, когда былоЗначительный шаг в этом направлении произошел в 1986 году, когда было обнаружено, что у одного сложного керамического соединения Tкр = 35 K. Уже в следующем 1987 году физики сумели создать новую керамику с критической температурой 98 К, превышающей температуру жидкого азота (77 К). Явление перехода веществ в сверхпроводящее состояние при температурах, превышающих температуру кипения жидкого азота, было названо высокотемпературной сверхпроводимостью. В 1988 году было создано керамическое соединение на основе элементов Tl–Ca–Ba–Cu–O с критической температурой 125 К. |
121 | ![]() |
Следует отметить, что до настоящего времени механизмвысокотемпературной сверхпроводимости керамических материалов до конца не выяснен. |
122 | ![]() |
Электрический ток в электролитахЭлектролиты. Носители зарядов в электролитах. Электролиз. Электролитическая диссоциация. Закон Фарадея для электролиза. Объединенный закон Фарадея для электролиза. |
123 | ![]() |
Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протеканиеэлектрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы. |
124 | ![]() |
Основными представителями электролитов, широко используемыми в техникеявляются водные растворы неорганических кислот, солей и оснований. Прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением веществ на электродах. Это явление получило название электролиза. |
125 | ![]() |
ЭлектролизЭто совокупность процессов, протекающих в растворе или расплаве электролита, при пропускании через него электрического тока. Электролиз является одним из важнейших направлений в электрохимии |
126 | ![]() |
Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионовобоих знаков в противоположных направлениях. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду), отрицательные ионы – к положительному электроду (аноду). Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется электролитической диссоциацией. |
127 | ![]() |
Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком МФарадеем в 1833 году. Закон Фарадея определяет количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах при электролизе: Масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду Q, прошедшему через электролит: m = kQ = kIt. Величину k называют электрохимическим эквивалентом. |
128 | ![]() |
Так как заряд иона равен произведению валентности вещества n наэлементарный заряд e (q0 = ne), то выражение для электрохимического эквивалента k можно записать в виде : F = eNA – постоянная Фарадея. F = eNA = 96485 Кл / моль. |
129 | ![]() |
Постоянная Фарадея численно равна заряду, который необходимопропустить через электролит для выделения на электроде одного моля одновалентного вещества. Объединенный закон Фарадея для электролиза приобретает вид: |
130 | ![]() |
* Электролитические процессы *классифицируются следующим образом:получение неорганических веществ(водорода, кислорода, хлора, щелочей и т.д.) получение металлов(литий, натрий, калий, бериллий, магний, цинк, алюминий, медь и т.д.) очистка металлов(медь, серебро,…) получение металлических сплавов получение гальванических покрытий обработка поверхностей металлов(азотирование, борирование, электрополировка, очистка) получение органических веществ электродиализ и обессоливание воды нанесение пленок при помощи электрофореза. |
131 | ![]() |
Практическое применение электролизаЭлектрохимические процессы широко применяются в различных областях современной техники, в аналитической химии, биохимии и т. д. В химической промышленности электролизом получают хлор и фтор, щелочи, хлораты и перхлораты, надсерную кислоту и персульфаты, химически чистые водород и кислород и т. д. При этом одни вещества получают путем восстановления на катоде (альдегиды, парааминофенол и др.), другие электроокислением на аноде (хлораты, перхлораты, перманганат калия и др.). Электролиз в гидрометаллургии является одной из стадий переработки металлсодержащего сырья, обеспечивающей получение товарных металлов. Электролиз может осуществляться с растворимыми анодами - процесс электрорафинирования или с нерастворимыми - процесс электроэкстракции. Главной задачей при электрорафинировании металлов является обеспечения необходимой чистоты катодного металла при приемлемых энергетических расходах. |
132 | ![]() |
В цветной металлургии электролиз используется для извлечения металловиз руд и их очистки. Электролизом расплавленных сред получают алюминий, магний, титан, цирконий, уран, бериллий и др. Для рафинирования (очистки) металла электролизом из него отливают пластины и помещают их в качестве анодов в электролизер. При пропускании тока металл, подлежащий очистке, подвергается анодному растворению, т. е. переходит в раствор в виде катионов. Затем эти катионы металла разряжаются на катоде, благодаря чему образуется компактный осадок уже чистого металла. Примеси, находящиеся в аноде, либо остаются нерастворимыми, либо переходят в электролит и удаляются. Cхема электролитического рафинирования меди |
133 | ![]() |
Гальванотехника – область прикладной электрохимии, занимающаясяпроцессами нанесения металлических покрытий на поверхность как металлических, так и неметаллических изделий при прохождении постоянного электрического тока через растворы их солей. Гальванотехника подразделяется на гальваностегию и гальванопластику. Гальваностегия (от греч. покрывать) – это электроосаждение на поверхность металла другого металла, который прочно связывается (сцепляется) с покрываемым металлом (предметом), служащим катодом электролизера. Перед покрытием изделия необходимо его поверхность тщательно очистить (обезжирить и протравить), в противном случае металл будет осаждаться неравномерно, а кроме того, сцепление (связь) металла покрытия с поверхностью изделия будет непрочной. Способом гальваностегии можно покрыть деталь тонким слоем золота или серебра, хрома или никеля. С помощью электролиза можно наносить тончайшие металлические покрытия на различных металлических поверхностях. При таком способе нанесения покрытий, деталь используют в качестве катода, помещенного в раствор соли того металла, покрытие из которого необходимо получить. В качестве анода используется пластинка из того же металла. |
134 | ![]() |
Гальванопластика – получение путем электролиза точных, легкоотделяемых металлических копий относительно значительной толщины с различных как неметаллических, так и металлических предметов, называемых матрицами. С помощью гальванопластики изготовляют бюсты, статуи и т. д. Гальванопластика используется для нанесения сравнительно толстых металлических покрытий на другие металлы (например, образование "накладного" слоя никеля, серебра, золота и т. д.). |
135 | ![]() |
Кроме указанных выше, электролиз нашел применение и в других областях:получение оксидных защитных пленок на металлах (анодирование); электрохимическая обработка поверхности металлического изделия (полировка); электрохимическое окрашивание металлов (например, меди, латуни, цинка, хрома и др.); очистка воды – удаление из нее растворимых примесей. В результате получается так называемая мягкая вода (по своим свойствам приближающаяся к дистиллированной); электрохимическая заточка режущих инструментов (например, хирургических ножей, бритв и т.д.). |
136 | ![]() |
|
137 | ![]() |
Лекция оконченаСегодня: вторник, 1 ноября 2011 г. |
138 | ![]() |
|
«Электронная проводимость металлов» |