15) Влияние примесей на удельное сопротивление металлов.
Причинами рассеяния электронных волн в металлах являются не только тепловые колебания узлов решетки, но и статические дефекты структуры в том числе вызванные наличием примеси, которые нарушают периодичность потенциального поля кристалла. Такое рассеяние не зависит от Т. Поэтому при Т→ 0 сопротивление реальных металлов стремится к некоторому постоянному значению называемому остаточным сопротивлением. Отсюда вытекает правило Матиссена об аддитивности удельного сопротивления:
т.е. полное сопротивление металла есть сумма сопротивления, обусловленного рассеянием на тепловых колебаниях узлов кристаллической решетки, и остаточного сопротивления, обусловленного рассеянием электронов на статических дефектах структуры.
Исключение из этого правила составляют сверхпроводящие металлы, в которых сопротивление исчезает ниже некоторой кристаллической температуры.
Наиболее существующий вклад в остаточное сопротивление вносят – примеси, которые всегда присутствуют в реальном проводнике либо в виде загрязнения либо в виде легирующего (т.е. преднамеренно вводимого) элемента. Любая добавка, даже если она обладает повышенной проводимостью по сравнению с основными металлами приводит к повышению . Так введение в медь 0,01 атома примеси серебра вызывает увеличение на 0,02 мкОм-м.
16)Удельное сопротивление измеряется в ом-метрах. Для различных металлов скорости хаотического теплового движения электронов (при определенной температуре) примерно одинаковы. Незначительно различаются также и концентрации свободных электронов (например, для меди и никеля это различие меньше 10 %). Поэтому значение удельной проводимости (или удельного сопротивления) в основном зависит от средней длины свободного пробега электронов в данном проводнике (которая, в свою очередь, определяется структурой проводникового материала). Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой характеризуются наименьшими значениями удельного сопротивления; примеси, искажая решетку, приводят к увеличению (К такому же выводу можно прийти, исходя из волновой природы электронов.) Рассеяние электронных волн происходит на дефектах кристаллической решетки, которые соизмеримы с расстоянием около четверти длины электронной волны. Нарушения меньших размеров не вызывают заметного рассеяния волн. В металлическом проводнике, где длина волны электрона около 0,5 нм, микродефекты создают значительное рассеяние, уменьшающее подвижность электронов, и, следовательно, приводит к росту удельного сопротивления.
17)Тонкие" плёнки, толщины которых обычно имеют нанометровые размеры, могут существенно отличаться по свойствам от массивных образцов. Это открывает широкие возможности создания на поверхности изделий покрытий (плёнок), представляющих собой принципиально новые как по структуре, так и по свойствам материалы.
Исследования в этом направлении, относящиеся к области "инженерии поверхности", интенсивно развиваются. На базе использования плёнок возникли такие направления в технике как тонкоплёночная электроника, специальные разделы оптики. В принципе, через "тонкие" плёнки возможна практическая реализация нанокристаллического состояния материалов с целью достижения износостойкости, коррозионной стойкости и других качеств.
Установлено, что медная пленка толщиной приблизительно 5 нм состоит из кристаллитов, которые существуют в виде отдельных колоний и не образуют сплошного покрытия. Средний размер кристаллитов составляет 0,05 мкм. Наблюдается значительный разброс в размерах отдельных кристаллитов, достигающий 0,025 мкм. Медная пленка толщиной 13 нм является уже сплошной и состоит из крупных кристаллов со средним размером 0,24 мкм. Более толстая пленка (21 нм) имеет крупный размер кристаллитов - 0,81 мкм. Увеличение размера кристаллитов наблюдается с ростом толщины пленки до 60 нм. Далее размер кристаллитов остается практически постоянным.
Зависимость среднего размера кристаллитов (D) от толщины плёнки (h).
Зависимость удельного электрического сопротивления от толщины медной пленки представлена на рис.
Можно видеть, что оно определенным образом коррелирует (статистическая взаимосвязь двух или нескольких случайных величин, либо величин, которые можно с некоторой допустимой степенью точности считать таковыми) с изменением среднего размера кристаллитов в зависимости от толщины пленки. При толщине пленки более 60 нм она ведет себя подобно массивному электрическому проводнику, т.е. удельное электрическое сопротивление не зависит от масштабного фактора - толщины пленки. При толщинах пленки менее 60 нм ее с полным основанием можно относить к разряду "тонких" пленок, т.к. константа материала - удельное электрическое сопротивление оказывается зависимым от толщины пленки. С ее уменьшением резко возрастает электрическое сопротивление. При толщине пленки 13 нм удельное электрическое сопротивление становится более чем на порядок выше в сравнении с "толстой" пленкой. Высокое электрическое сопротивление "тонких" пленок обуславливается дополнительным рассеянием электронов на границах пленок, если толщина их соизмерима с длиной свободного пробега электронов проводимости. Рассеяние электронов возникает также на границах кристаллитов, тем более, когда их размеры - нанометровые, и, следовательно, граничная область с неупорядоченным расположением атомов занимает значительный объем пленки.
18) Термо-эдс-явление прямого преобразования теплоты в электричество в твердых или жидких проводниках, а также обратное явление прямого нагревания и охлаждения спаев двух проводников проходящим током. Эффект Зеебека — явление возникновения ЭДС в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах.
Какие условия: 1)Разнородные проводники. 2)Контакты находятся в разных температурах.
Величина возникающей термоэдс зависит только от материала проводников и температур горячего (T1) и холодного (T2) контактов. В небольшом интервале температур термоэдс E можно считать пропорциональной разности температур: E = α12 (T2-T1),где α12 термоэлектрическая способность пары (или коэффициент термоэдс). В простейшем случае коэффициент термоэдс определяется только материалами проводников, однако строго говоря, он зависит и от температуры, и в некоторых случаях с изменением температуры
α12 меняет знак. Более корректное выражение для термоэдс:
Величина термоэдс составляет милливольты при разности температур в 100 К и температуре холодного спая в 0°С (например, пара медь-константан даёт 4,25 мВ, платина-платинородий — 0,643 мВ, нихром-никель — 4,1 мВ )
Объяснение эффекта:
Возникновение эффекта Зеебека вызвано несколькими составляющими: