ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫ ҒЫЛЫМ ЖӘНЕ БІЛІМ МИНИСТРЛІГІ
Физика кафедрасы
БІТІРУ ЖҰМЫСЫ
Тақырыбы: ҚАТТЫ ДЕНЕЛЕРДЕГІ “ЭЛЕКТР ӨТКІЗГІШТІК” БӨЛІМІН КОМПЬЮТЕРДІҢ ҚОЛДАНУЫМЕН ОРТА
МАЗМҰНЫ
КІРІСПЕ
ӘРТҮРЛІ ОРТАДАҒЫ ЭЛЕКТР ТОГЫ
Электр өткізгіштіктің классикалық ілімі және оның қиыншылықтары
1.2 Кристалдардың электр кедергісінің табиғаты
1.3 Қатты денелердің электрлік қасиеттері
1.4 Электр өткізгіштік құбылысы
1.5 Металдардың электрлік кедергісінің температураға тәуелділігі
2 АСҚЫН ӨТКІЗГІШТІК
2.1 Асқын өткізгіштіктің ашылу тарихы
2.2 Асқын өткізгіштік құбылысының табиғаты
2.3 Асқын өткізгіштің электрлік және магниттік қасиеттері
2.4 Мейсснер-Оксенфельд эффектісін тәжірибеде байқау
2.5 Асқын өткізгіштіктің бұзылуы
2.6 Фазалық көшу
3 МЕКТЕПТЕ 10-СЫНЫПТА “ӘРТҮРЛІ ОРТАДАҒЫ ЭЛЕКТР ТОГЫ” БӨЛІМІНДЕГІ “МЕТАЛДАРДЫҢ
ӨТКІЗГІШТІК” ТАҚЫРЫБЫН ОҚЫТУ ӘДІСТЕМЕСІ
“МЕТАЛДАР ЖӘНЕ БАЛҚЫМАЛАРДЫҢ ЭЛЕКТР
КЕДЕРГІСІН АНЫҚТАУ ТӘСІЛІ”
ЗЕРТХАНАЛЫҚ ЖҰМЫС
ҚОРЫТЫНДЫ
ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР
ҚОСЫМША А
ҚОСЫМША Б
ҚОСЫМША В
ҚОСЫМША С
ҚОСЫМША Д
ҚОСЫМША К
ҚОСЫМША Е
КІРІСПЕ
Дипломдық жұмыстың аты : Қатты денелердегі “Электрөткізгіштік” бөлімін компьютердің
Оқыту әдістерінің, сабақ түрлерінің молдығы, оқушылардың оқу процесінің элементтеріне
Оқушыларға терең білім беру, іскерліктері мен дағдыларын жетілдіріп, қалыптастыру.
Өз бетінше оқуға үйрету, шығармашылық қабілетін дамыту, оқуына талдау
Ғылыми-техникалық прогресс заманында білім беруді демократияландыру мен ізгілендірудің басты
Оқушылардың өз бетімен шығармашылық бағытта жұмыс істеуіне, әсіресе құбылыстарды
Оқушылардың өзін-өзі бақылауына және өз жұмыс әрекетіне өзінің түзету
Басқа пәндерден алған білімдерін бекітуге көмектеседі;
Жалпы танымдық қабілеттердің дамуына әсер етеді;
Өткен материалдардағы негізгі құбылыстар мен заңдылықтарды көре отырып сабақты
Материалды тез меңгеруге, сонымен бірге уақыт ұтуға, пәндерді интеграциялап
Табиғи жағдайда көзге көрінбейтін кейбір құбылыстарды экранда көруге мүмкіндік
Бұл келтірілген компьютердің дидактикалық мүмкіндіктерінен оны физика сабағының тиімділігін
Физиканы оқытуда есептеу техникасын пайдалану оқушыларды ынталандырып, олардың ойындағы
1ӘРТҮРЛІ ОРТАДАҒЫ ЭЛЕКТР ТОГЫ
1.1Электр өткізгіштіктің классикалық ілімі және оның қиыншылықтары
Сыртқы электр қозғаушы күшінің әсерінен ортада белгілі бір бағытта
Денелерде зарядтың тасымалдануын сипаттау үшін меншікті электр өткізгіштік (
Металдардың электр өткізгіштіктің классикалық электрондық ілімінің негізін салушылар П.К.Друде
Кристалл торының ішінде еркін қозғала алатын еркін электрондар бар.
Еркін электрондарды өзаоа әсерлеспейтін электрондардан тұратын электрондық газ деп
Сыртқы электр өрісінің әсерінен еркін электрондар бағытталған қозғалысқа қатынасып,
Друде металдағы ретсіз жылулық қозғалыстағы электрондар бірдей орташа жылдамдықпен
(1)
мұндағы -электрон массасы, -электронның жылдамдығы,
тұрақтысы, -температура, өрнегін пайдаланып, t=00С–ға тең температурасы
Лоренц “металдағы еркін электрондардың жылдамдық бойынша үлестірілуі Максвелл заңымен
Друде-Лоренц теориясы металдардың жылу және электр өткізгіштігін жап-жақсы түсіндіргенімен
Металдардың жылу сыйымдылығы кристалл торының түйіндерінде орналасқан иондардың тербелмелі
Друде мен Лоренцтің металдардың электр өткізгіштігін қалай түсіндіретіндігіне тоқталайық.
Металдардағы еркін электрондар сыртқы электр өрісінің ( )
ток туғызады.
Металдардағы электр өткізгіштікті есептейік. Еркін жүру кезінде электронның алатын
(2)
қатынасымен анықталады, мұнда -өріс кернеулігі,
(3)
шамасымен анықталады.
Тізбектің бірлік қимасы арқылы бір өлшем уақыт аралығында ағып
(4)
мұндағы -ток тығыздығы, -концентрация.
Онда (3) және (4)-теңдіктерінен
(5)
өрнегін аламыз. Егер кейінгі теңдікті Омның дифференциал
(6)
заңымен салыстырсақ, металдардың электр өткізгіштігі үшін
(7)
Металдардың қасиеттері, сонымен қатар жоғарғы электр өткізгіштік, Ом заңын
Бос кеңістіктегі электрондар тұрақты электр өрісінің әсерінен тұрақты үдеу
Классикалық теория металдардың электр өткізгіштіктерінің температураға байланысты өзгеру заңдылығын
1.2 Кристалдардың электр кедергісінің табиғаты
Кристалл-кеңістікте белгілі бір қатаң тәртіппен, заңдылықпен өте тығыз орналасқан
Кристалдық потенциалдық өрісінің периодтылығы кез келген бір себептің әсерінен
Кристалдың потенциалдық өрісінің периодтылығының идеалдығы кристалл торына бөгде атомдардың
Кванттық механика ілімінің бұл тұжырымдарын пайдаланып жоғарыдағы классикалық теорияның
Қорытындылай келсек, кристалдың потенциалдық өрісінің периодтылығының идеалдығы-мүлтіксіздігі бұзылмаған болса,
Мысалы, кристалл торының түйіндерінде орналасқан атомдардың тербелмелі қозғалысының әсерінен
Еркін электрондардың кристалл торының түйіндерінде орналасқан атомдардың жылулық тербелістерімен
Гейзенбергтің анықталмаушылық
(8)
принципін пайдаланып, кристалл түйіндерінде орналасқан атомдар, иондар
Егер атом тыныштық күйде болса, оның импульсі нөлге тең,
Егер атомның жиілігін деп белгілесек, кванттық
(9)
теңдігімен анықталады. Бұл серпімді толқынның таситын
(10)
қатынасымен анықталады. Мұнда -Планк тұрақтысы,
(11)
қатынасы орындалады. (9)-(11) теңдіктерінен кристалдағы серпімді толқын энергиясы үшін
(12)
өрнегін аламыз.
Сонымен мынадай қорытындыға келуге болады: (0 болғанда
Фононда кәдімгі кванттық бөлшектерге ұқсас, бірақ олардан өзгеше. Кәдімгі
Квазибөлшектер кәдімгі бөлшектер тәріздес екі топқа: Бозе квазибөлшектер, Ферми
Фонондар ұғымы еркін электрондармен кристалл торының түйіндерінде орналасқан атомдардың,
Кристалдағы еркін электрон газы фонон газымен әсерлескенде электрондар сыртқы
Электрондар кристалдағы бөгде қоспа атомдарымен де, кристалдың басқа да
Қорытынды: кристалдағы электрондар әсерлескенде сыртқы электр өрісінен алған энергиясын
1.3 Қатты денелердің электрлік қасиеттері
Металдар көптеген керемет қасиеттерге ие. Жоғарғы иілгіштігі мен
беріктігі арқасында оларды констукторлық материалдар ретінде пайдалануға
болады.
Металдардың магниттік қасиеті әртүрлі магниттік элементтер жасауға қолданылады. Бірақ
Металдар Электр өткізгіштік, Ом-1 см-1
Т=77К T=273К
Li
Na
K
Rb
Cu
Ag
Au
Fe
Zn
Al
Pb
9.61*105
1.25*106
7.25*105
4.55*1055
5*106
3.33*106
2*106
1.52*106
9.09*105
3.33*106
2.12*106
1.17*105
2.38*105
1.64*105
9.1*104
6.41*105
6.62*105
4.9*105
1.12*105
1.82*105
4.08*105
5.26*104
1-кесте Кейбір металдардың электр өткізгіштігі 1
1.4 Электр өткізгіштік құбылысы
Ом заңына сәйкес электр өткізгіштік мына қатынаспен анықталады:
(13)
Мұндағы -ток күші, -потенциалдар айырмасы,
1 Павлов П.В. Физика твердого тела / П.В. Павлов,
(14)
Мұндағы -өткізгіш ұзындығы, -өткізгіштің көлденең
(15)
(16)
1.5 Металдардың электрлік кедергісінің температураға тәуелділігі
Металдардың электрлік кедергісі температураға пропорционал өзгереді, ал төменгі температурада-температураның
(17)
сызықтық заңмен жуықтап өседі. Мұндағы –00C температурадағы
(18)
Мұндағы және -
[12]. Бөлме температурасына жақын температураларда көптеген металдардың электр өткізгіштігі
1-сурет Меншікті кедергінің температураға тәуелділік графигі
Температураға тәуелді емес меншікті кедергіні қалдық кедергі деп атайды.
= қоспа + таза (T)
Мұндағы қоспа-қалдық меншікті кедергі, таза-таза
(19)-қатынасынан көретініміз, температураға тәуелді, бірақ металдың тазалығына тәуелді емес
2 АСҚЫН ӨТКІЗГІШТІК
2.1 Асқын өткізгіштіктің ашылу тарихы
Классикалық электрондық теория бойынша металдардың меншікті кедергісі барлық температураларда
Камерлинг–Оннес сынап =4.2 К температурада өзінің кедергісінен
Секірмелі түрде кедергінің азаюы кезіндегі температура асқын өткізгіштік күйге
(20)
мұндағы -өткізгіштен бөлінген жылу мөлшері,
Алғаш асқын өткізгіштік эффектісі сынапты зерттеу кезінде байқалған. Содан
Асқын өткізгіш заттардың негізгі бөлігін таза заттар емес қосылыстар
Жақсы өткізгіштер мысалы мыс, алтын, күміс қалыпты жағдайда кедергісі
Асқын өткізгіштікті ашу үлкен қызығушылыққа әкелді. Көптеген физиктер әртүрлі
Металда кез-келген 2 электронды қарастырайық. Бұлардың арасында кулондық тебілу
Нөлге жақын температураларда электрондар арасында кулондық тебілу мен қосымша
Асқын өткізгіш ішіндегі электронды байқасақ, онда ол өзі қатты
Асқын өткізгіштегі электрондық жүйе байланысқан электрондар жұптарына бөлінеді. Электрондық
Асқын өткізгіште электронды газ кез–келген энергияны жұтпайды, ол тек
2.2 Асқын өткізгіштік құбылысының табиғаты
Металдың электр өткізгіштігінің классикалық ілімінің негізгі бір кемшілігі-“ кристалдағы
электрондар Ферми сұйығын құрайды. Ферми сұйығының теориясын Л.
1934 жылы голландиялық физиктер К. Гартерман, Х. Казимир асқын
Өткізгіштің асқын өткізгіш күйіне көшу табиғатын түсіну үшін орта
Кристалдағы электрондық сұйық электр өрісінің әсерінен төменгі энергия деңгейіне
Сонымен, мынандай тұжырымға келеміз: өткізгіш асқын өткізгіштік фазасында болуы
Электрондар Ферми бөлшектер тобына жатады. Паулидің тыйым салу принципі
Ең төменгі энергия деңгейі барлығы бірдей толық конденсациаланаатындай кванттық
Төменде электрондар мен фонондардың әсерлесу нәтижесінде тек қана кедергі
Қозғалыстағы электрон кристаллторының түйініне жақындатылғанда, ол түйінде орналасқан оң
Кристалл торының түйіндеріндегі иондармен жоғарыдағыдай әсерлесу нәтижесінде пайда болған
Купер қосағын құратын электрондар бір-бірінен кристалл тұрақтысымен салыстырғанда, алыс
Қосақты ыдырату үшін ондағы электрондардың “тарту” күшіне қарсы жұмыс
Көбіне асқын өткізгіштік күйдегі асқын өткізгіштердің кедергісі үшін сандық
Лейден лабораториясында өткізілген тәжірибеде 700 метр қорғасыннан жасалған өткізгішті
(21)
мұнда R