Материал: Справочное пособие по магнитным явлениям

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

перемещаться в магнитнрм поле, когда на него действует меха­ ническое вынуждающее поле. При этих условиях электроны и дырки движутся в одном и том же направлении вместе с мас­ сой вещества. Силы Лоренца отклоняют дырки в направлении, противоположном направлению отклонения электронов и пер­ пендикулярном направлению движения тела. Возникающее на­ пряжение Лоренца направлено перпендикулярно направлению механического вынуждающего поля, как показано на рис. 10.1.

Во-вторых, носители могут двигаться под влиянием градиен­ тов электрического поля, при этом дырки движутся в одном направлении, а электроны — в противоположном. Силы Лоренца отклоняют дырки и электроны в одном и том же направлении. Возникает напряжение Холла в направлении, перпендикулярном направлению электрического вынуждающего поля, как показано на рис. 17.8, 17.9 и 17.13.

В-третьих, носители могут двигаться вместе с потоком тепла. Один из механизмов передачи тепла в твердом веществе — это фононная теплопроводность. Двигаясь через вещество, фононы увлекают за собой дырки и электроны, заставляя их переме­ щаться в одном и том же направлении, при этом силы Лоренца отклоняют дырки в направлении, противоположном направлению отклонения электронов. Возникает напряжение Нернста в на­ правлении, перпендикулярном направлению теплового потока, который порождается действием теплового вынуждающего поля, как показано на рис. 17.11 и 17.12.

В-четвертых, носители могут вторично реагировать на тепло­ вые градиенты, причем существует тенденция выравнивания энергосодержания всех носителей в данном объеме вещества. Если по какой-либо причине в одном месте произошло повы­ шение уровня энергии, то носители принимают участие в про­ цессе выравнивания энергосодержания. Холодные носители, дыр­ ки или электроны, движутся к источнику тепла, тогда как горя­ чие носители, наоборот, удаляются от этого источника, при этом силы Лоренца отклоняют горячие дырки в направлении, про­ тивоположном направлению отклонения горячих электронов, тогда как холодные дырки отклоняются вместе с горячими электронами, а холодные электроны — вместе с горячими дыр­ ками. Поскольку горячие носители движутся быстрее, чем хо­ лодные, возникают градиенты потенциала. Эти градиенты вместе с теми градиентами потенциала, которые порождаются переме­ щением носителей под влиянием фононов, обусловливают томсоновскую часть термоэлектрического эффекта. Возникающее при этом напряжение Нернста направлено перпендикулярно направ­

лению теплового вынуждающего поля,

как показано на

рис. 17.11 и 17.12.

 

В-пятых, носители могут двигаться под влиянием градиентов

плотности носителей. Если по какой-либо

причине увеличится

266

собственная заселенность носителей любого заданного вещества при любом абсолютном уровне энергии, то носители будут пере­ мещаться от места их большой концентрации к областям, где их плотность меньше. Это движение подобно реакции на ло­ кальное изменение давления в газе, причем заселенность носи­ телей в некоторой степени аналогична молекулярной плотности газа. Поскольку при этих условиях дырки и электроны обычно образуются парами, их локальные давления возрастают одно­ временно в одном и том же месте. Следовательно, они удаляются от этого места в одном и том же направлении, а силы Лоренца отклоняют дырки в направлении, противоположном направлению отклонения электронов. Фотоэлектромагнитное напряжение гене­ рируется в тех случаях, когда пары электрон — дырка образуются в результате взаимодействия фотонов с веществом, как пока­ зано на рис. 17.21.

17.11. ДИНАМИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

Электрический ток переносится в твердом веществе свобод­ ными электронами, движущимися через промежутки в структуре кристаллической решетки, как показано на рис. 17.1. Аналогично течению жидкости течение электрического тока можно представ­ лять себе как прохождение некоторого конечного числа элект­ ронов через заданную поверхность за единичный интервал вре­ мени — либо малого числа электронов, движущихся быстро, либо большого числа электронов, движущихся медленно. Определение «свободный» для электрона используется здесь условно. Хотя свободные электроны не привязаны к определенным точкам про­ странства, как привязаны ионы и электроны связи, они зави­ сят от некоторых процессов, влияющих на их движение. По существу, эти электроны являются свободными лишь в том смысле, что они играют ключевую роль в этих процессах, причем их свобода ограничена именно участием в этих процессах.

Указанные процессы противодействуют течению тока. Меха­ низмы, приводимые в действие этими процессами, обеспечивают выделение энергии из потока электронов и передачу ее струк­ туре, через которую этот поток течет. Здесь электрическое со­ противление в каком-то смысле аналогично вязкости жидкости. Поскольку на преодоление электрического сопротивления затра­ чивается энергия, электрический ток может поддерживаться толь­ ко при условии, что эта энергия непрерывно возобновляется за счет внешнего поля. Электрическое сопротивление является мерой передаваемой энергии.

Для данного обсуждения существенное значение имеют сле­ дующие три из вышеуказанных процессов.

Во-первых, каждый отдельный электрон испытывает силы отталкивания по отношению к каждому другому электрону

(поскольку он обладает аналогичным электрическим зарядом), и эти силы стремятся распределить свободные электроны равно­ мерно по всему объему вещества. Рассматривая это явление в другом аспекте, можно сказать, что свободные электроны под влиянием градиента потенциала движутся от элементарного объ­ ема с относительно малым значением потенциала к элементарному объему с относительно большим значением потенциала (или с более положительным потенциалом). Поскольку каждый элект­ рон несет отрицательный электрический заряд, перемещение электронов уменьшает положительный потенциал и увеличивает отрицательный потенциал. Свободные электроны продолжают таким образом двигаться под действием любой существующей разности потенциалов до тех пор, пока потенциалы всех элемен­ тарных объемов не станут одинаковыми. При этих условиях градиент заселенности свободных электронов будет вполне эквивалентен градиенту потенциала, так как последний является прямым следствием первого. Из-за такой активности электронов неравномерное распределение свободных электронов может со­ храняться только при условии, что некоторая внешняя сила уравновешивает указанные внутренние силы, перераспределяю­ щие электроны.

Во-вторых, температура элементарного объема твердого вещества представляет собой проявление кинетической энергии колебательного движения отдельных частиц кристаллической решетки и движения отдельных свободных электронов. Таким образом, свободные электроны находятся в непрерывном движе­ нии, кинетическая энергия которого соответствует конкретной температуре вещества. Разумеется, на это движение наложено ограничение, обусловленное требованием равномерного распреде­ ления заселенности частиц. Движения под действием вынуж­ дающего поля, приложенного извне, добавляются к этим основ­ ным тепловым движениям.

В-третьих, непрерывный обмен энергией между колеблющи­ мися ионами по структурным связям, а также обмен энергий при столкновениях между ионами решетки и свободными элек­ тронами — это основные механизмы, обеспечивающие постоянст­ во определенного значения температуры по всему объему твер­ дого тела. Благодаря этим механизмам энергетический уровень каждой отдельной частицы, в том числе иона и электрона, опре­ деляется постоянным обменом энергией с соседними частицами. В частности, свободный электрон движется в определенном на­ правлении с определенной скоростью и проходит определенное расстояние до столкновения с некоторым ионом решетки. В ре­ зультате этого столкновения изменяется энергия электрона, и он продолжает двигаться уже с другой скоростью, в другом на­ правлении и проходит другое расстояние, пока вновь не столк­ нется с каким-либо ионом. Процесс теплового движения частиц

268

со столкновениями может длиться бесконечно долго. Таким об­ разом, отдельный свободный электрон продолжает свое движение в кристаллической решетке, описывая случайную последова­ тельность не сопряженных между собой коротких траекторий, разделенных точками столкновения электрона с ионами.

Действительные векторы направления движения, скорости и расстояния между точками столкновения для всех свободных электронов подчиняются соотношениям теории распределений как во времени, так и в пространстве. При отсутствии вынуж­ дающего поля среднее значение вектора направления движения равно нулю, тогда как средняя скорость и среднее расстояние между точками столкновения являются параметрами, характер­ ными для конкретного вещества при конкретной температуре (здесь под средним расстоянием между точками столкновения подразумевается средний свободный пробег). Итак, в результате столкновений, обусловленных тепловым движением, свободные электроны непрерывно обмениваются энергией с колеблющимися ионами кристаллической решетки. Этот механизм поддерживает непрерывное перераспределение запаса энергии между любой группой частиц, в том числе ионов и электронов, и всеми остальными частицами.

Вынуждающее поле заставляет «бурлящую массу» электронов медленно перемещаться в одном направлении без снижения своей случайной активности. На самом деле случайная актив­ ность несколько возрастает за счет скорости этого перемещения, поскольку энергия, необходимая для поддержания перемещения, добавляется к энергии исходного случайного движения. Допол­ нительная скорость, соответствующая этой дополнительной энергии, передается кристаллической решетке в результате увеличения средней частоты столкновений и средней энергии, передаваемой при каждом столкновении. Таким образом, под влиянием электрического тока возрастает колебательная актив­ ность решетки. Это возрастание активности может быть опреде­ лено по повышению температуры.

В результате воздействия вынуждающего поля к случайным траекториям свободных электронов прикладываются некоторые дополнительные однонаправленные векторы, характеризующие ускоряющую силу, если движение происходит в свободном прост­ ранстве. Каждый электрон реагирует на такую силу увеличением своей скорости в направлении указанного вектора. Это ускорение является существенным на протяжении интервалов между столк­ новениями, поскольку при каждом столкновении скорость в на­ правлении вектора значительно уменьшается. Таким образом, свободные электроны движутся в направлении вектора, совершая последовательность перемещений с ускорением и замедлением. Общий результат — это движение в направлении вектора с не­ которой эффективной скоростью, зависящей как от напряжен-

ности вынуждающего поля, так и от среднего расстояния, прохо­ димого электроном между точками столкновения. При этих условиях вышеуказанный вектор определяет эффективную ско­ рость, а не ускорение.

Аналогию этому явлению можно обнаружить в движении тела, свободно падающего в земной атмосфере. Тело испытывает действие силы тяжести, т. е. постоянной ускоряющей силы, и сопротивления, обусловленного вязкостью воздуха, т. е. силы, зависящей от скорости движения. Свободно падающее тело достигает некоторой установившейся скорости, когда ускоря­ ющая сила становится равной силе вязкого сопротивления. Таким образом, эффективная скорость свободного падения зави­ сит и от ускоряющей силы тяжести, и от замедляющей силы вязкого сопротивления.

При повышении температуры в твердых веществах наблюда­ ется увеличение амплитуды колебаний ионов, увеличение частоты столкновений и уменьшение среднего расстояния между точками столкновения свободных электронов и ионов кристаллической решетки.

17.12. СТАТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

На рис. 17.1 показан пучок свободных электронов, который проходит через кристаллическую решетку, не взаимодействуя с ионными частицами, образующими структуру решетки. Этот пучок можно рассматривать как проходящий без всякого сопро­ тивления по некоторому пустому «коридору». Выше было указа­ но, что такое прохождение невозможно, если ионы колеблются,

поскольку колеблющиеся ионы будут периодически

вторгаться

в этот коридор и сталкиваться с электронами пучка.

 

При температурах, близких к абсолютному нулю, ионы не колеблются. При отсутствии колебаний ионов могут прекратиться столкновения их с электронами, и утрачиваются динамические механизмы переноса энергии от свободных электронов на струк­ туру решетки. Действительно, некоторые материалы, не имеющие дефектов кристаллической решетки, не обладают электрическим сопротивление^, когда их температура близка к абсолютному нулю. Однако на практике кристаллы не бывают идеальными. Кристаллическая решетка не сохраняет равномерной простран­ ственной периодичности по всему объему тела, и существующие в нем дефекты создают препятствия на пути электронного пучка. Эти препятствия вызывают рассеяние электронов пучка, которое приводит к таким же последствиям, как и столкновения между колеблющимися ионами и свободными электронами.

Известны различные возможные причины нарушения прост­ ранственной периодичности кристаллической решетки: может отсутствовать ион на требуемой позиции (ионная вакансия);

Источник: https://studfile.net/preview/19992782/