Электрический ток в металлах, сверхпроводимость. Электрический ток в полупроводниках. Полупроводниковые приборы

Тема урока:
Электрический ток в металлах, сверхпроводимость. Электрический ток в полупроводниках. Полупроводниковые приборы

Павлодарский высший колледж управления

Преподаватель физики: Белозерова М.Ю.

Сабақтың мақсаты / Цели урока

описывать электрический ток в металлах и анализировать зависимость сопротивления от температуры;
обсуждать перспективы получения высокотемпературных сверхпроводящих материалов;
описывать электрический ток в полупроводниках и объяснять применение полупроводниковых приборов.

Вещества имеют свойство проводить электрический ток под действием электрического поля, и это свойство называется электропроводностью, которая у разных веществ различна.
Электропроводность веществ зависит от концентрации в них свободных заряженных частиц, то есть ионов и электронов, не связанных ни с кристаллической структурой, ни с молекулами, ни с атомами данного вещества.

Так, в зависимости от концентрации в веществе свободных носителей заряда, вещества по степени электропроводности подразделяются на: проводники, диэлектрики и полупроводники.

Ток в металле осуществляют свободные электроны - связь валентных электронов с их ядрами в металлах слаба, потому эти электроны свободно перемещаются от атома к атому по объему проводника.. Их концентрация велика и одного порядка с концентрацией атомов металла.

Электронную природу тока в металле первыми экспериментально доказали российские физики Мандельштам и Папалекси в 1913 г. Для того, чтобы выяснить, какие частицы создают электрический ток в металлах, они — без подключения внешнего источника — регистрировали ток в катушке из металлического провода, которую сначала сильно раскручивали вокруг собственной оси, а затем резко останавливали

Поскольку у электрона есть масса, то он должен подчиняться закону инерции. Поэтому в момент остановки атомы решетки останутся на месте, а свободные электроны по инерции, какое-то время, продолжат движение в прежнем направлении. То есть в цепи существовал короткое время электрический ток.

Эксперимент Мандельштама и Папалекси в 1916 г. повторили американцы Стюарт и Толмен. Им удалось повысить точность измерений и получить отношение заряда электрона eэ к значению массы электрона mэ:

Электроны в металлах при помещении их в электрическое поле движутся с постоянной средней скоростью, пропорциональной напряженности поля:

где: е - заряд электрона, m- его масса, τ- среднее время между двумя последовательными столкновениями (среднее время свободного пробега электрона

При повышении температуры у электронов проводимости увеличивается скорость теплового движения, что приводит к увеличению частоты столкновений с ионами кристаллической решетки и, тем самым, к росту сопротивления.

При повышении температуры металлического проводника его сопротивление увеличивается по линейному закону

α - температурный коэффициент сопротивления показывает изменение сопротивления при изменении температуры на 1К. α=1К-1

Зависимость сопротивления металлов от температуры используют в специальных приборах — термометрах сопротивления

Широкое распространение получили термометры сопротивления из чистых металлов, особенно платины и меди, которые конструктивно представляют собой металлическую проволоку, намотанную на жёсткий каркас (из кварца, фарфора, слюды), заключённый в защитную оболочку (из металла, кварца, фарфора, стекла).Платиновые термометры сопротивления применяют для измерения температуры в пределах от –263 до 1064 °С, медные — от –50 до 180 °С.

Полупроводники по удельной проводимости занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.
К полупроводникам принадлежат 12 химических элементов

Полупроводниками называются вещества, сопротивление которых может изменяться в широких пределах и быстро убывает с повышением температуры.
Проводимость - электронно-дырочная (ток движение электронов и дырок)

Наиболее широкое применение в полупроводниковой технике нашли германий и кремний. Оба эти элемента имеют по четыре валентных электрона, которые и создают связи с соседними атомами. Каждый атом, например, в кристалле германия связан с четырьмя соседними атомами. Заметим, что электронную связь создают обязательно два электрона (один от данного и другой от соседнего атома).

Полупроводниками называются вещества, сопротивление которых может изменяться в широких пределах и быстро убывает с повышением температуры.
Проводимость - электронно-дырочная (ток движение электронов и дырок)
Механизм проводимости рассмотрим кремний, у него -парноэлектронная связь – ковалентная связь

Собственная проводимость. Проводимость, обусловленная движением свободных электронов и «дырок» в чистом полупроводниковом кристалле (без примесей), называется собственной проводимостью полупроводников.
Электропроводность химически чистого полупроводника оказывается возможной в тех случаях, когда ковалентные связи в кристаллах разрываются. Например, нагревание приводит к разрыву ковалентных связей, появлению свободных электронов. При этом концентрация электронов порядка 3*1013 см-3
Примесной проводимостью полупроводников называется их электропроводность, обусловленная внесением в их кристаллические решетки примесей (примесных центров). Примеси могут служить дополнительными поставщиками электронов или дырок в кристаллы полупроводников.

Теперь, если привести полупроводники разной проводимости в соприкосновение, то в месте контакта получим p-n-переход.

Применение микросхем привело к революционным изменениям во многих областях современной электронной техники.
Это особенно ярко проявилось в электронной вычислительной технике. На смену громоздким ЭВМ, содержащим десятки тысяч электронных ламп и занимавшим целые здания, пришли персональные компьютеры.

1. Учебник "Физика 10 класс. 2 часть" Б.Кронгарт, Д.Казахбаева, О.Иманбеков, Т.Қыстаубаев - Мектеп. 2019 -https://cloud.mail.ru/public/3xJY/29XdhfdXS
2. https://light-fizika.ru/index.php/10-klass
3. http://www.sxemotehnika.ru/uchebnik-po-elektronike.html