Електропровідність твердих тіл. Явище надпровідності Метали, діелектрики, напівпровідники. Електропровідність напівпровідників»

Електрична провідність (електропровідність, провідність) - це фізична величина, зворотна електричного опору. У СІ одиницею електричної провідності є сіменс.

Не слід плутати електричну провідність, яка є характеристикою об'єкта (наприклад, шматка дроту або резистора) і питому електропровідність (характеристику речовини).

Зв'язок коефіцієнта теплопровідності K з питомої електричної провідністю σ встановлює закон Відемана - Франца:

де k - постійна Больцмана, e - заряд електрона.

Надпровідність - властивість деяких матеріалів володіти строго нульовим [1] електричним опором при досягненні ними температури нижче певного значення. Існує безліч чистих елементів, сплавів і керамік, що переходять в надпровідний стан. Температурний інтервал переходу в надпровідний стан для чистих зразків не перевищує тисячних часток Кельвіна і тому має сенс певне значення Тс - температури переходу в надпровідний стан. Ця величина називається критичною температурою переходу. Ширина інтервалу переходу залежить від неоднорідності металу, в першу чергу - від наявності домішок і внутрішніх напружень. Відомі нині температури Тс змінюються в межах від 0,0005 К у магнію (Mg) до 23,2 К у інтерметалідах ніобію і германію (Nb3Ge, у плівці) і 39 К у дибориду магнію (MgB2) у низькотемпературних надпровідників (Тс нижче 77 К, температури кипіння рідкого азоту), до приблизно 135 К у ртутьвмісних високотемпературних надпровідників. В даний час фаза HgBa2Ca2Cu3O8 + d (Hg-1223) має найбільше відоме значення критичної температури - 135 К, причому при зовнішньому тиску 350 тисяч атмосфер температура переходу зростає до 164 К, що лише на 19 До поступається мінімальній температурі, зареєстрованої в природних умовах на поверхні Землі. Таким чином, надпровідники у своєму розвитку пройшли шлях від металевої ртуті (4.15 К) до ртутьвмісних високотемпературних надпровідників (164 К).

Фазовий перехід в надпровідний стан:

Перехід речовини в надпровідний стан супроводжується зміною його теплових властивостей. Однак, це зміна залежить від роду розглянутих надпровідників. Так, для надпровідників Ι роду за відсутності магнітного поля при температурі переходу тс теплота переходу (поглинання або виділення) звертається в нуль, а отже зазнає стрибок теплоємність, що характерно для фазового переходу ΙΙ роду. Коли ж перехід з надпровідного стану в нормальний здійснюється зміною прикладеного магнітного поля, то тепло повинно поглинатися (наприклад, якщо зразок теплоізольовані, то його температура знижується). А це відповідає фазовому переходу Ι роду. Для надпровідників ΙΙ роду перехід з надпровідного в нормальний стан при будь-яких умов буде фазовим переходом ΙΙ роду.

Характер изменения теплоемкости (c_v, синий график) и удельного сопротивления (ρ, зеленый), при фазовом переходе в сверхпроводящее состояние

Ефект Мейсснера

Навіть більш важливим властивістю надпровідника, ніж нульове електричний опір, є так званий ефект Мейсснера, що полягає в виштовхуванні надпровідників магнітного потоку rotB = 0. З цього експериментального спостереження робиться висновок про існування незатухаючих струмів всередині надпровідника, які створюють внутрішнє магнітне поле, протівоположнонаправленное зовнішньому, що додається магнітному полю і компенсує його.

Досить сильне магнітне поле при даній температурі руйнує надпровідний стан речовини. Магнітне поле з напруженістю НC, яке при даній температурі викликає перехід речовини з надпровідного стану в нормальний, називається критичним полем. При зменшенні температури надпровідника величина НC зростає. Залежність величини критичного поля від температури з хорошою точністю описується виразом де Hc0 - критичне поле при нульовій температурі. Надпровідність зникає і при пропусканні через надпровідник електричного струму з щільністю, більшою, ніж критична jc, оскільки він створює магнітне поле, більше критичного.

ü Задачі.

ü Самостійно розв’язати задачі:

ü Питання самоконтролю:

1. Пояснити електронний характер провідності металів.

2. Положення класичної електронної теорії провідності металів.

3. Закон Ома. Закон Джоуля- Ленца. Закон Відемана – Франца.

4. Поняття явища надпровідності.

5. Ефект Мейснера.

6. Рівні енергій електрона.

7. Розщеплення енергетичних рівнів електронів у твердих тілах: валентна, вільна, гібридна, заборонена зони провідності.

8. Поясніть відмінність електропровідності для різних типів твердих тіл (металів, діелектриків, напівпровідників)

9. Властивості та класифікація напівпровідників.

10. Власні напівпровідники.

11. Домішкова провідність(п-, р- типу).

 

Література:

Посібник №1. Кучерук І.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П. Загальний курс фізики: У 3-х т. / За ред. І.М. Кучерука. - [2-е вид., випр.] - К.: Техніка, 2006. - 532 с. - Т.1: Механіка. Молекулярна фізика і термодинаміка

Посібник №2. Кучерук Ї.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П. Загальний курс фізики: У 3-х т. / За пр. І.М. Кучерука. – [2-е вид., ипр..] — К.: Техніка, 2006. – 452 с. – Т.2: Електрика і магнетизм.

Посібник № 3. Кучерук І.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П. Загальний курс фізики: У 3-х т. / За ред. І.М. Кучерука. - [2-е вид., зипр.] -К.: Техніка, 2006. - 518 с. - Т.З: Оптика. Квантова фізика.

Посібник №4. П.П. Чолпан Основи фізики: навч. Посібник: - К. Вища шк., 1995.- 488 с.: іл.

Посібник №5. І.П. Гаркуша, І.Т. Горбачук, В.П. Курінний та ін.; за заг. ред. І.П. Гаркуші./Загальний курс фізики: Зб. Задач./ К.Техніка,2003.-560с.

Л1.Том2,розділ3, §3.1,3.4,3.5,3.6,с.135-161

Л5. Розділ 7, §7.4, с. 320

Самостійна робота №25