Elektr toki

Tayanch tushinchalar.

Elektr toki zanjirning saqlanish qonuni, vacuum, termoelektron emissiya diod, triod, kenotron, dipole, elektrolit, elektroliz, gal’vonaplastinka, gal’vonastregiya nomustaqil razryad, mustaqil razryad.

Sxemaning asosiy elementi ikki elektrodli lampa hisoblanadi, uni odatda vakuumli diod deb ataladi. U ichida K katod va A anoddan iborat ikkita elektrodi bo’lgan, havosi surib olingan metal yoki shisha ballondan iborat. Konstruksiyasi bo’yicha elektrodlar turli shaklda tayyorlangan bo’lishi mumkin. Oddiy holda, katod ingichka to’g’ri tola, anod esa katodga nisbatan koaksal silindr shaklida bo’ladi . Katod cho’g’lantiruvchi batareya BH tomonidan hosil qilingan tok bilan qizdiriladi. Reostat R1 yordami bilan cho’g’lantirish tok kuchini boshqarib, cho’g’lanish temperaturasini o’zgartirish mumkin. Elektrodlarga Ba anod batareyasida kuchlanish beriladi. Anod kuchlanishi Ua ning kattaligini R2 potensiometr yordamida uzgartirish va V voltmetr yordamida ulchash mumkin (anod potensiali katod potensialidan yuqori bo’lsa, Ua musbat hisoblanadi). Galvanometr G anod tok kuchi ia ni o’lchash uchun mo’ljallangan. Agar katod cho’g’lanishini birday saqlagan holda, anod tok kuchi ia ning anod kuchlanishi Ua ga bog’likligi olinsa, u holda 3-chizmada tasvirlangan egri chiziq hosil bo’ladi (turli egri chiziqlar katod temperaturasining turli qiymatlariga moc keladi). Ushbu egri chiziq volt-amper tavsifnoma deb ataladi.
2 Termoelektron emissiya, Richardson effekti— oʻtkazgichlar, qattiq va baʼzan suyuq jismlardan issiklik energiyasi taʼsirida elektronlarning vakuum yoki boshqa muxitlarga chikish hodisasi. Bu hodisa vakuumda toza metallar (W, Mo, Ta) dan 2000—2500 K trada va murakkab yarimutkazgichli katodlardan 1000 K trada kuzatiladi. Elektronlar jism sirti (emitter) dan tashqariga chiqishi uchun jism chegarasidagi potensial toʻsiqni yengishi zarur; past tralarda bu toʻsiqni yenga olmaydi. Metall qizdirilganda elektronlarning kinetik energiyasi ortib, sirtdan oʻtib, sirt atrofida fazoviy zaryad hosil qiladi. Fazoviy zaryadning elektr maydoni Termoelektron emissiya jarayonini susaytiradi. Buning oldini olish uchun fazoviy zaryaddan maʼlum masofada elektrod (anod)ga musbat potensial berilib, fazoviy zaryad tortib olinadi, yaʼni termoelektron tok hosil qilinadi. Termoelektron tok emitter — katod xossasiga, anod kuchlanishiga va traga bogʻliq. Termoelektron emissiya tokining maksimal toʻyinish qiymatining kuchlanishga bogʻlikligi Chayld — Lengmyur formulasi bilan ifodalanadi. Termoelektron emissiya koʻpgina elektrovakuum asboblar va ion asboblar ishlashining asosi hisoblanadi. Uni dastlab 1900—01 yillarda O.U. Richardson oʻrgangan. Richardson — Deshman formulasi yarimoʻtkazgichli emitterlar uchun ham oʻrinli, ammo bunda Termoelektron emissiya hodisasining mohiyati metallarnikidan farq qiladi. Termoelektron emissiya katodlar ishlab chiqarish, elektrovakuum va gazrazryad qurilmalarning asosini tashkil etadi.
Absolyut nolga yaqin temperaturalarda bir qator metall va qotishmalarning elektr qarshiliklari birdaniga sakrab nolga aylanadi, ya'ni modda o’ta o’tkazuvchanlik holatiga o'tadi.

Bunday temperatura kritik temperatura deyiladi va T_k bilan belgilanadi.
O'tkazgich solishtirma harshiligining temperaturaga bog’likligi quyidagi formula bilan ifodalanadi (5.1-rasm):
r = r₀ (1+at) (5.1)
bunda o - T=0 gradusdagi o'tkazgichning solishtirma harshiligi; a - qarshilikning temperatura koeffitsiyenti.
Turli metallar uchun T_k turlicha. Masalan, simob uchun T_k = 4,1 K, qo'rg’oshin uchun T_k = 7,3 K. Umuman T_k o’ta o’tkazuvchanlik kuzatiladigan o'tkazgichlarda 20 K Yuqori emas. Lekin, o'tao'tkazuvchan moddalarni Yuqori temperaturalarda ham hosil qilish bo'yicha ilmiy izlanishlar davom etib kelmoqda.
1986 yilda Shvetsariyalik olimlar Dj.Bednorts va K. Myullerlar T=30 K dan Yuqori temperaturada keramika-lantan-bariy-mis-kislorod aralashmasidan iborat moddada o’ta o’tkazuvchanlik hodisasini ochdilar. O'sha yilning o'zida Yapo-niya, AQSh va Xitoyda ham keramika-lantan-strontsiy-mis-kisloroddan iborat qotishmada (T=40 50K) o'tao'tkazuvchan moddani hosil qildilar. Xuddi shuningdek, Rossiya fanlar akademiyasining fizika institutida A.Golovashkin rahbarligidagi laboratoriyada Yuqori temperaturali o'tao'tkazuvchan modda hosil qilindi. Uning temperaturasi T=90 100 K ga teng.
Hozirgi paytda AQSh va Rossiya fanlar akademiyasida keramik material-lardan tayyorlangan yangi o'tao'tkazuvchan moddalar hosil qilingan bo'lib, ularda o’ta o’tkazuvchanlik hodisasi T=250K dan boshlab (-23⁰) kuzatiladi. Lekin bu holat turg’un bo'lmay, ba'zan o'zining xossasini yo’qotadi. Hozirgi paytda bunday moddalarning o’ta o’tkazuvchanlik holatiga o'tishlarining tabiatini o'rganish va yangi o'ta o'tkazuvchan moddalarni aniqlash sohasida katta ilmiy tadqiqot ishlari davom etmoqda.
Tajribada o'ta o'tkazuvchanlik holatini ikki usulda kuzatish mumkin:
1. Tok o'tayotgan umumiy elektr zanjirga o'ta o'tkazgichdan iborat qismni qo’shish (ulash) yo'li bilan, bunda o'ta o'tkazuvchanlik holatga o'tayotganda qismning uchlaridagi potentsiallar ayrimasi (U= 2- 1=0) nolga aylanadi.
2. O'ta o'tkazuvchan moddadan yasalgan halqani unga perpendikulyar bo'lgan magnit maydoniga joylashtirgandan so'ng, halqa T_k dan past temperaturaga sovuganda magnit maydonini uzish
5.1-rasm. usuli bilan, bunda magnit maydon induksiyalagan tok halqada chekiz uzoq aylanib turaveradi.
Xuddi shunday tajribani 1911 yilda golland fizigi G.Kamerling - Onnes amalga oshirib o’ta o’tkazuvchanlik hodisasini kashf etdi.
1959 yilda Kollinz 2,5 yil davomida ham halqadagi tokning kamaymaganligini aniqladi. O'tao'tkazuvchi moddalarda elektr qarshilikning yo'holishdan tashhari, ularga magnit maydoni ham kiraolmasligi aniqlandi, ya'ni ular magnit maydonini to'lasicha siqib chiqaradi. Bu hodisa Mayssner effekti deyiladi. Demak, o'ta o'takazuvchan moddada m =0, ma'lumki m <1 moddalarni diamagnitiklar deyiladi. Demak,o'tao'tkazgichlar ham ideal diamagnitiklardir.

Metallar o'tao'tkazuvchan holatga o'tganda ularni boshqa xossalari o'zgaradi (elektronlarning o'tkazuvchanlik zonasida harakati natijasida). Bu xossalarga ularning issiqlik sig’imi, issiqlik o'tkazuvchanligi, termo EDS lar kiradi.

Demak, metallarning normal va o'tkazuvchanlik holatlari ularning elektron strukturasini sifat ji?atidan farqlanishi bilan xarakterlanadi. Shu ikki faza chegarasida temperatura tashqi magnit maydoniga ta'sir ko'rsatadi. Bu bog’lanish B=B₀(1-T²/T_k²) 5.2-rasmda keltirilgan.
Aytish joizki, oddiy sharoitlarda yaxshi o'tkazgich xisoblangan (kumush, mis va oltin) jismlar o’ta o’tkazuvchanlik xossasiga ega emas (5.3-rasm), chunki, quyida ko'ramiz, o'tkazuvchan moddalar uchun elektron - fonon o'zaro ta'sir asosiy rol o'ynaydi.
O’ta o’tkazuvchanlik nazariyasi 1957 yilda Bardin, Kuper va Shrifferlar to-monidan ishlab chiqilgan (BKSh). Mazkur nazariyaga binoan metalldagi elektron-lar bir-birlaridan kulon kuchlari bilan o'zaro itarishishdan tashhari, ular, tortishishning maxsus turi bilan, bir-birlariga tortishadilar ham. O'zaro tor-tishish itarishishdan ustun bo'lganda o’ta o’tkazuvchanlik hodisasi sodir bo'ladi. O'zaro tortishish natijasida o'tkazuvchanlik elektronlari birlashib kuper juft-larni hosil qiladilar. Bunday juftlikka kirgan elektronlar qarama-qarshi yo'nalgan spinga ega bo'ladilar. Shuning uchun juftliklarning spini nolga teng va ular bozonga aylanadilar. Bozonlar asosiy energetik holatda to'planishga moyil bo'ladilar va ularni uyg’ongan holatga o'tkazish nisbatan qiyin. Agar ku-per juftlar muvofiqlashgan harakatga keltirilsa shu holatda ular cheksiz uzoq vaqt holishlari mumkin. Bunday juftlarning muvofiqlashgan harakati o’ta o’tkazuvchanlik tokini hosil qiladi.
Aytilgan gaplarni kengroq tushuntiramiz. T_k dan past temperaturalarda metalda harakatlanayotgan elektronlar, musbat ionlardan tashkil topgan metallning kristall panjarasini diformatsiyalaydi (qutblaydi). Deformatsiya nati-jasida elektron, panjara bo'ylab elektron bilan ko'chadigan, musbat zaryadli bulut bilan chor atrofidan o'ralib qoladi.

5.3-rasm
Elektron va uni o'rab olgan bulut, boshqa elektronlarni o'ziga tortadigan, musbat zaryadlangan sistemaga aylanadi. Shunday qilib kristall panjara, elektronlar orasida tortishishni yuzaga keltiruvchi, oraliq muhid vazifasini o'taydi.

Kvant mexanikasi tili bilan aytganda bu hodisa elektronlar orasida fanon bilan almashishning natijasidir. Metalda harakatlanayotgan elektron panjaraning tebranish tartibini o'zgartirib fonon hosil qiladi (yo’qotadi). Panjaraning uyg’onish energiyasi boshqa elektronga uzatiladi, u esa o'z navbatida fanonni yutadi. Bu tarzdagi fonon almashinish oqibatida elektronlar orasida, tortishish xarakteriga ega bo'lgan qo’shimcha o'zaro tasirlashish paydo bo'ladi. Past temperaturalarda o'tao'tkazgich moddalarda bu tortishish kulon tortishishdan ustin bo'ladi. Fanon almashinish bilan bog’liq bo'lgan o'zaro tasirlashish, impuls va spinlari qarama-qarshi bo'lgan elektronlar orasida kuchliroq namoyon bo'ladi. Natijada bunday ikkita elektron kuper juftliklarga birlashadi. hamma o'tkazuvchanlik elektronlari kuper juftliklarni hosil qilishmaydi. Temperatura absolyut noldan farqli bo'lganda juftlarning buzilishining ma’lum ehtimolligi mavjud. Shuning uchun xar doim juftliklar bilan bir qatorda kristall bo'ylab oddiy tarzda harakatlanadigan "normal" elektronlar bo'ladi. Temperatura T_k ga yaqinlashgan sari normal elektronlarning hisasi ortib boradi va T_k da 1ga teng bo'ladi. Demak, T_k dan yuqori temperaturalarda o’ta o’tkazuvchanlik holati bo'lishi mumkin emas.