Laborator de Fizica STUDIUL CONDUCTIBILITĂŢII ELECTRICE A METALELOR

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Laborator de Fizica STUDIUL CONDUCTIBILITĂŢII ELECTRICE A METALELOR"

Γώργος Δάβης
7 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Laborator de Fizica STUDIUL CONDUCTIBILITĂŢII ELECTRICE A METALELOR

2 I. Consideraţii teoretice Curentul electric reprezentând o işcare dirijată a unor particule încărcate electric, este rezultatul acţiunii unui câp electric. Această işcare a purtătorilor de sarcină se suprapune peste işcarea haotică de agitaţie terică. Întrucât în solide curenţii sunt datoraţi electronilor şi nu ionilor, conducţia etalelor şi seiconductoarelor este o conducţie electronică. La etale purtătorii de sarcină, care participă la procesul de conducţie, sunt electronii din banda de valenţă parţial ocupată. Sub acţiunea unei diferenţa de potenţial du aplicată între două secţiuni infinit apropiate a unui conductor câpul electric creat este: du E =, (1) di Densitatea curentului electric poate fi definita ca sarcina dq ce traversează secţiunea ds în tipul dt: di dq j = =. (2) ds ds dt Considerând că nuărul electronilor din unitatea de volu (concentraţia purtătorilor de sarcina) este n, sarcina dq care va traversa secţiunea transversală ds în tipul dt va fi: dq = n e V = n e ds t, (3) d de unde: j = n e. (4) În aceste relaţii reprezintă viteza de transport (dirijat), ea fiind o viteză edie între două ciocniri a electronilor cu iezurile atoilor din nodurile reţelei cristaline care executa iscari de vibratie in jurul poziţiei de echilibru. Aceasta este ult ai ică decât viteza agitaţiei terice. Viteza poate fi calculată funcţie de câpul electric E, de viteza edie <v> a electronilor de conducţie datorită agitaţiei terice. Electronii de conducţie participând la agitaţia terică, se ciocnesc ereu de iezurile ionilor, adică ei interacţionează cu reţeaua, suferind dese schibări bruşte de viteză. Pute descrie ciocnirile electron reţea prin durata edie τ între două ciocniri (τ=<l>/<v>, <l> fiind druul liber ediu). Din legea lui Newton acceleraţia ipriată electronului este: r r e E a = (5) iar viteza de transport e E e E < l > = a τ = τ = (6) < v > 2

3 Măriea fizică nueric egală cu viteza câştigată intr-un câp de 1 V/: e τ µ = = (7) E este nuită obilitatea purtătorilor. Utilizând expresia vitezei de transport expresia densităţii curentului devine: e τ r j = n e vd = n e E = n e µ E = σ E (8) Expresia j = σ E reprezintă fora locală (vectorială) a legii lui Oh, ăriea e τ σ= n e = n e µ reprezintă conductibilitatea electrică a solidului considerat. Aplicând o tensiune U la bornele unui conductor calibrat, de secţiune constantă S şi lungie l, va rezulta un curent: U U U I = js = σse = σs = =, (9) l l R S care reprezintă legea lui Oh pentru o porţiune de circuit. Aceasta furnizează relaţia între rezistivitate şi obilitate: 1 1 = = σ neµ Expresia σ = neµ ne arată că conductibilitatea electrică a solidelor este deterinată în esenţă de concentraţia purtătorilor de sarcină care pot participa la procesul de conducţie şi de îprăştierea pe care o suferă aceşti purtători în işcarea lor prin solid, adică de obilitatea lor µ. În cazul etalelor, unde concentraţia purtătoriloăâne practic constantă, creşterea teperaturii duce la creşterea rezistivităţii electrice prin scăderea obilităţii purtătorilor de sarcina electrica, ca rezultat al creşterii îprăştierii electronilor de către vibraţiile reţelei cristaline (cvasi-particule nuite fononi). Rezistivitatea unui etal conţinând atoi de ipuritate are fora: L l 3 (1) = (11) unde L este contribuţia işcării terice, iar l este rezistivitatea cauzată de îprăştierea undelor asociate electronilor pe atoi de ipuritate, care perturbă periodicitatea reţelei. La zero absolut rezistenţa extrapolată, nuită rezistenţă reziduală, este egală cu l pentru etale şi aliaje ce nu trec în stare de supraconductibilitate. Aceasta este independentă de teperatură şi are valori de ori ai ari ca la teperatura de 2 C, depinzând de puritatea etalului. În etale siple L este proporţional cu teperatura T, afară de regiunea teperaturilor joase. Proporţionalitatea cu T la

4 teperaturi ari rezultă din faptul că probabilitatea îprăştierii electronului este proporţională cu nuărul de fononi. În doeniul teperaturilor înalte = α T sau = ( + α T) = ( 1+ α t) (12) unde se defineşte un coeficient ediu al rezistivităţii: unde T = 273,16 K α = = (13) T T T II. Metodica experientala a) Instalaţia experientala Instalaţia experientala (vizualizata in figura alăturata) consta dintr-un fir de cupru de lungie l = 916 si diaetrul =.12 bobinat introdus intr-un vas terorezistent cu ulei aşezat pe o plita cu agitator agnetic. Rezistenta firului de cupru se ăsoară cu ajutorul unui ultietru digital iar teperatura cu un teroetru. b) Modul de lucru Se urează urătoarele etape: 1. Se notează rezistenta firului la teperatura caerei. 2. Se alientează plita electrică. 3. Pentru încălzirea plitei, coutatorul din dreapta se trece pe poziţia on care se observa prin aprinderea becului roşu. Reşoul va încălzi uleiul care încălzeşte la rândul lui firul de cupru. 4. Se ăsoară rezistenţa firului de cupru din 5 in 5 grade pana la o valoare axia a teperaturii de 55 6 C, liitată pentru a nu încălzii prea tare uleiul şi a-l degrada. Valorile se trec in tabelul 1. 4

5 III. Prelucrarea datelor experientale 1. Se calculează rezistivitatea cu forula: S = R (14) l 2. Se calculează conductibilitatea electrică ca inversul rezistivităţii: σ = 1 (15) 3. Se calculează obilitatea electronilor cu ajutorul forulei: σ µ = (16) n e unde n = electroni/ 3 de Cu, si e = C. 4. Se trasează pe acelaşi grafic dependenta = (t) si σ = σ(t). Si se extrapolează la zero pentru a calcula rezistivitatea si conductibilitatea la zero grade Celsius = () si σ = σ(). 5. Se calculează tipul ediu de ciocnire, τ la zero grade Celsius: ( ) σ τ = = µ (17) 2 n e ( ) e unde = kg, asa electronului. 6. Se calculează coeficientul teric ediu al rezistivităţii cuprului, α. 7. Se copletează tabelul: Tabelul 1 t [ C ] R [ kω ] [ Ω ] σ [ Ω ] -1 µ [ 2 /Vs ] 5

Σχετικά έγγραφα

Componente şi Circuite Electronice Pasive. Laborator 3. Divizorul de tensiune. Divizorul de curent

Componente şi Circuite Electronice Pasive. Laborator 3. Divizorul de tensiune. Divizorul de curent Laborator 3 Divizorul de tensiune. Divizorul de curent Obiective: o Conexiuni serie şi paralel, o Legea lui Ohm, o Divizorul de tensiune, o Divizorul de curent, o Implementarea experimentală a divizorului