2.16. Деление веществ на три класса
Известно, что значения удельного сопротивления различных веществ изменяются в очень широком диапазоне: от 10–8 Ом?м для меди до 1016 Ом?м для стекла при комнатной температуре.
Ни одно свойство вещества не меняется в таких широких пределах! Наглядное представление о диапазоне изменения удельного сопротивления различных веществ поможет составить рис 2.24, на котором представлены зависимости удельного сопротивления от температуры. Следует обратить внимание, что на этой диаграмме уменьшение удельного сопротивления идет снизу вверх, т.е. по вертикальной оси фактически отложена проводимость.В верхней части диаграммы находятся металлы, в нижней части — диэлектрики (стекло и каменная соль). Между ними расположены полупроводники германий и кремний. Графит — уникальное по своей природе вещество, казалось бы, по величине сопротивления должен быть отнесен к металлам. Но в настоящее время за основу деления веществ на три (и даже более) класса принято не значение удельного сопротивления, а характер его температурной зависимости.
На рис. 2.24 хорошо заметно, что эта зависимость для металлов носит совсем иной характер, нежели для остальных веществ: у металлов сопротивление линейно растет с повышением температуры. Эта зависимость хорошо известна из школьного курса физики и выражается соотношением
| r = r0(1 + at), | (2.103) |
где r — удельное сопротивление данного металла при температуре t °C; r0 — удельное сопротивление при t = 0 °C, a — температурный коэффициент сопротивления, индивидуальный для каждого вещества, но близкий к 1/273.
На диаграмме хорошо заметно, что линейная зависимость для свинца нарушается при низких температурах. Сопротивление становится равным нулю сразу, как только достигается определённая температура, которая носит название критической.
Такое резкое падение сопротивления характерно не только для свинца, но и для ряда других металлов и сплавов. Сопротивление таких веществ при достижении критической температуры скачком уменьшается до нуля.В Массачусетском технологическом институте (США) в семидесятые годы был проведен такой опыт: свинцовое кольцо опустили в жидкий гелий (температура его кипения при атмосферном давлении 4,2 К) и возбудили в нём ток 10А. Кольцо находилось в жидком гелии в течении года, и ток в нём всё это время циркулировал, не уменьшаясь. Свинец совсем не сопротивлялся прохождению по нему электрического тока! Установлено также, что наряду с исчезновением электрического сопротивления меняются и другие физические свойства. Поэтому принято считать, что вещество, охлажденное до критической температуры, находится в особом состоянии, называемом сверхпроводящим. Температура перехода в сверхпроводящее состояние для каждого вещества своя: так, для свинца она около 4 К, для некоторых сплавов достигает 20 К. В 1976 году было открыто явление высокотемпературной сверхпроводимости и в настоящее время получены вещества (как ни странно, это керамика, которая при комнатных температурах обладает большим сопротивлением) с температурой перехода около 100 К. Это уже довольно высокая температура, которую сравнительно легко поддерживать, опуская вещество в жидкий азот. Но широкое и поистине фантастическое применение получит сверхпроводимость в том случае, если удастся создать вещество с температурой перехода, близкой к комнатной. Естественно, такое вещество должно иметь такие механические свойства, чтобы из него можно было изготовить элементы электрических цепей, например, линию электропередачи, в которой потери на джоулево тепло будут практически равны нулю. Теория сверхпроводимости позволила предсказать строение органических молекул и состав редкоземельных сплавов, которые должны обладать свойством сверхпроводимости при комнатных температурах, однако они ещё не получены.
Уменьшение сопротивления металлов при охлаждении их в первом приближении можно объяснить принятой выше молекулярно-кинетической картиной прохождения тока.
Действительно, в полученном выше выражении для удельной проводимости (2.100), с повышением температуры подвижность зарядов должна уменьшатся из-за уменьшения времени между двумя столкновениями. Концентрация же свободных зарядов будет сохраняться постоянной: в металлах свободные электроны образуются в момент конденсации их паров.Иначе обстоит дело у полупроводников и диэлектриков. На диаграмме (см. рис. 2.24) заметно, что стекло при температурах, близких к комнатной, практически имеет нулевую проводимость, которая очень резко возрастает при возрастании температуры приблизительно до 1000 К. Чуть менее ярко это выражено у каменной соли. Явление появления электрического тока в диэлектриках носит название пробоя, который объясняется разрушением молекул вещества при сильном нагревании, появлением при этом свободных зарядов, способных перемещаться под действием поля.
В полупроводниках проводимость близка к нулю при температурах, меньших 100 К, и возрастает по мере роста температуры, хотя и гораздо более плавно, чем у стекла. Одинаковый характер температурной зависимости имеет и одинаковое объяснение: нагревание приводит к росту концентрации свободных зарядов. В полупроводниках ими являются электроны, которые при низких температурах (