Autorom je Vladimír Girman
Pod pojmom elektrická vodivosť rozumieme schopnosť materiálov viesť elektrický prúd. Je to jedna z najdôležitejších fyzikálnych vlastností. Podľ’a tejto vlastnosti rozdeľujeme potom všetky látky do troch skupín:sú to vodiče (typu I alebo II), polovodiče a izolanty. Kovovémateriály patria do skupiny vodičov typu I, pričom ich elektrická vodivosť je v porovnaní s takými izolantmi o 15 až 24 rádov vyššia.
Základná koncepcia elektrickej vodivosti:
Stručne podstatu elektrickej vodivosti v kovoch vystihuje pásová elektrónová teória kovov,no pri jej bližšom štúdiu sa už nevyhneme aparátu kvantovej teórie tuhých látok.Zjednodušene by sa však dala elektrická vodivosť kovových sústav vysvetliť nasledovne.Uvažujme kovový kryštál, ktorý sa skladá z istého počtu atómov. Tieto atómy majú vo svojom orbite určitý počet elektrónov, ktoré sú podľa Fermiho – Diracovej rozdeľovacej funkcie rozložené do energetických hladín(1s2,2s2,2p6,3s2,3p6,atd…),čo je dôsledok toho, že elektróny nadobúdajú energiu po kvantách, a nie spojito. Predstavme si, že každýatóm v kryštále má svoje elektróny zoradené do tejto konfigurácie. Súčasne však majme na zreteli Pauliho vylučovací princíp,podľa ktorého sa nemôžu v danom kryštále nachádzať dva elektróny s rovnakou energiou. Potom poľahky dôjdeme k záveru, že každý atóm prispeje do energetického spektra elektrónov kryštálu energiou svojich elektrónov. Tak vznikne v kryštále pás energii 1s2, ďalší pás energii 2s2, potom pás energii 2p°, atd… Tieto pásy nazývame aj pásmi dovolených energii, pretože sú to energetické oblasti, do ktorých sa elektróny môžu dostať. Pásy dovolených energii sú však medzi sebou oddelené pásmi zakázaných energii, teda energii, ktoré elektróny nadobúdať nemôžu, a ktoré predstavujúistú energetickú bariéru pre elektróny umiestnené v dovolených pásoch. Takto sú elektróny v kryštále “poukladané“ do týchto pásov dovolených energii (šírka dovolených a zakázaných pásov sa udáva vjednotkách energie, konkrétne v [eV]).
Zaujímavá situácia však nastáva na poslednom (čiže valenčnom) páse, ktorý je daný kryštál schopný vytvoriť. Tento pás môže byť elektrónmi obsadený čiastočne, alebo úplne. Kryštál sa správa ako kov, ak má valenčný pás zaplnený len čiastočne. Elektróny, ktorými je takýto valenčný pás obsadený, nazývame aj voľné elektróny a spolu tvoria v kovovom kryštále tzv.fermiónový plyn. Elektróny tohto fermiónového plynu sa objemom kryštálu pohybujúchaoticky, čím sa vzájomne anihilujú. Preto je výsledná stredná rýchlosť elektrónu fermiónového plynu nulová. Situácia sa však mení po aplikovaní vonkajšieho elektrického poľa. Vodivostné elektróny sa pod účinkom energie elektrického poľa nabudia do vyšších energetických stavov a začnú sa pohybovať usmernene, proti smeru pôsobenia elektrického poľa. Tým však ešte nie je zabezpečená elektrická vodivosť. Vodivostný pás musí totiž spĺňaťjednu dôležitú podmienku, a to, že musí obsahovať Fermiho plochu (Fermiho plocha oddeľ’uje pri teplote absolútnej nuly nezaplnené energetické stavy od zaplnených). Z toho vyplýva aj povinnosť vodivostných elektrónov nadobudnúť po priložení vonkajšieho elektrického poľa také energie, aby sa nachádzali v oblasti Fermiho plochy, pretože vedenie elektrického prúdu je určované zmenami hybnosti len tých elektrónov, ktoré sa nachádzajúv blízkosti Fermiho plochy.
Zoberme si ako príklad med‘. Jej elektrónová konfigurácia je 1s2,2s2,…,3d10,4s‘.Z popisu konfigurácie je vidieť, že valenčný pás má meď zaplnený elektrónmi len do polovice, pretože orbitál 4s môže byť obsadený dvoma elektrónmi. Z predošlého nám vyplýva, že na elektrickej vodivostisa budú podieľať elektróny z orbitálu 4s‘, ale až potom, čo získajúdostatočnú energiu na to, aby preskočili do druhej, neobsadenej polovice orbitálu 4s‘,kde sa už nachádza Fermiho plocha. Vodivostné elektróny tak ľ’ahko nadobúdajú vyššiu energiu a súčasne zostávajú vo svojom energetickom páse.
Trošku iný prípad je také železo. To má elektrónovú konfiguráciu 1s2, 2s2,…,3d6, 4s2.Správne by sa však mala jeho konfigurácia zakončiť v poradí 4s2, 3d6, pretože orbitál 4s je energeticky menej náročný ako orbitál 3d, hoci je už z vyššej periódy. Zvláštnostou oproti medi je to,že v železe medzi orbitálmi 4s2 a 3d6 nielenže nie je žiadny zakázaný pás,ale tieto dva pásy energii sa vzájomne čiastočne prekrývajú. To znamená, že na elektrickej vodivosti železa sa tak môžu podieľať aj elektróny orbitálu 4s2.
Ktorý kov je najlepší vodič ?
Ak neuvažujeme kovy a ich zliatiny v supravodivom stave (t.j. pri teplotách hlboko pod 273,15 K),tak za štandardných termodynamických podmienok je z kovov najlepším vodičom elektrického prúdu striebro. Akákoľvek zliatina na báze striebra, môže teda logicky dosahovať len nižšiu elektrickú vodivosť. Praktické využitie striebra ako vodiča s najmenším odporom je však vzhľadom na jeho cenu veľ’mi obmedzené. Našťastie sa v prírode vyskytuje prvok, ktorý je svojou vodivosťou striebru veľmi blízky. Je ním omnoho prístupnejšia meď(viď. tabuľku merných elektrických odporov). Pre lepšie mechanické vlastnosti sa však častejšie ako čisté kovy využívajú ich zliatiny.
| Prvok | Merný elektrický odpor ρ [nΩm] |
| Ag | 15.5 |
| Fe | 87,1 |
| Cu | 15,55 |
| Ti | 420 |
| Zr | 421 |
| V | 197 |
| Mn | 1440 |
| Ni | 65,8 |
| Co | 52 |
| Cr | 130 |
| Zn | 54,5 |
| AI | 24,5 |
| Au | 20,4 |
| Mo | 50,3 |
| W | 48,9 |
| Pt | 98,1 |
| Ir | 47,1 |
Prečo majú rôzne kovy rôznu elektrickú vodivosť?
Elektrická vodivosť kovov je ovplyvňovaná viacerými faktormi. Sú to predovšetkým interakcie elektrón-fonón a elektrón – porucha mriežky, pri ktorých dochádza k rozptylu elektrónov a stratám ich energie (interakcia elektrón – elektrón je pri usmernenom toku elektrónov minimálna). Obidva typy interakcii sú u každého kovu inej intenzity,pretože atómy rôznych prvkov sa vo svojich vlastnostiach líšia. Podobne môžeme uvažovať aj v prípade množstva porúch mriežky. Dôležitá je aj atómová stavba kryštálu, čiže typ mriežky.Kovy sa takisto líšia šírkou dovolených a zakázaných pásov, čo tiež vplýva na rozdielnúelektrickú vodivosť. No najviac je elektrická vodivosť ovplyvňovaná tvarom a veľkostou Fermiho plochy, pretože ako je spomenuté vyššie, vedenie elektrického prúdu sa realizuje v oblasti tejto plochy. A bolo dokázané, že každý kov má svoju Fermiho plochu trošku ináčtvarovanú. V prípade zliatin hrá dôležitú úlohu aj prítomnosť rôznych fáz, ktoré sa líšia svojou elektrickou vodivostou.
DOPLŇUJÚCE LINKY:
www.glsfyzika.szm.sk/Maturita/13.doc
web.tuke.sk/hf-knkaso/slovak/U-text/RaVM/elvod.doc
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Solids/band.html
ZDROJ:
KITTEL CH.: Úvod do fyziky pevných látek. 6. vydanie, Academia, Praha, 1985.
KITTEL CH.: Kvantová teória tuhých látok. Alfa, Bratislava, 1977.
ČIČMANEC P.:Všeobecná fyzika 2: Elektrina a magnetizmus. Alfa,Bratislava,1980.
COTTRELL A.H.:Základy fyziky kovov. Slov. vyd.tech. lit., Bratislava,1961.
KUŽEL R. et al.:Úvod do fyziky kovu II. SNTL,Praha,1985