18-Ma’ruza Metall elektr o‘tkazuvchanligining klassik nazariyasi. Yarim o‘tkazgichlar va dielektriklar. Kontakt hodisalari

Volta va Galvani tajribalari

1800 yilgacha, elektr ishlab chiqarish texnikasi faqatgina statik zaryadlarni ishqalanish yo‘li bilan olishgacha rivojlangan edi. 1800 yilda Alessandro Volta (1745-1827; rasm) elektr batareyasini yaratdi va elektr zarralarining birinchi turg‘un oqimi , ya’ni turg‘un elektr tokini ishlab chiqardi¹.

Bu rasmda 1801 yilda Alessandro Volta o‘z batareyasini Napoleonga namoyish qilmoqda.

Batareyaning kashf etilishi juda qiziq bo‘lgan. Shu bilan birga juda muhim kashfiyot edi, shu bilan birga olimlar o‘rtasida munozaralarga sabab bo‘ldi. 1780-yillarda Boloniya universitetining professori Luiji Galvani (1737-1798) elektr mashinasida hosil qilinadigan elektr ta’sirida qurbaqa muskullarining qisqarishiga oid eksperimentlar seriyasini qo‘ydi. Eksperimentlarni o‘tkazish vaqtida Galvani muskullarning qisqarishini boshqa umullar bilan ham erishish mumkinligini aniqladi. U mis ilgakdagi qurbaqani umurtqa pog‘onasidan balkonning temir panjarasiga ilib qo‘yadi va qurbaqaning panjasi ham panjaraga tekkanda u qiskaradir. Keyingi eksperimentlar bunday g‘alati, lekin muhim effekt boshqa juft metallar bilan ham kuzatilishini tasdiqladi. U 1791 yilda nashr ettirgan ishida “hayvonot elektri” tushunchasini kiritdi. Ko‘pchilik, shu jumladan Galvani ham ko‘pchilik olimlarni qiziqtirgan “hayot kuchini” kashf qilmadimikin, degan savolni berar edilar¹.
Pavia universitetida ishlagan Volta (Boloniyadan 200 km uzoqlikda) Galvani natijalariga avvaliga ishonmadi. Biroq hamkasblarining qiziqtirishlaridan keyin Galvani tajribalarini takrorladi va yana olg‘a yurdi. Biroq Volta “hayvonot elektri” nazariyasiga shubha bilan qarar edi: uning fikricha elektr manbai hayvonot organizmida bo‘lmay, balki ikkita metall orasidagi kontaktda yuzaga kelar edi. Volta o‘z farazlarini nashr qildi va ko‘p o‘tmay ko‘plab izdoshlar orttirdi, shunga qaramasdan anchagina olimlar avvalgidek Galvani tarafida edilar. Voltaning o‘lchashlari shuni ko‘rsatdiki, ba’zi metallar boshqalaridan ko‘ra ko‘proq samara berar ekan, va Volta o‘z o‘lchashlari asosida metallarni “samaradorligi” bo‘yicha tartib bilan joylashtirdi. (Ximiklar hozirgi kungacha bu “elektrokimyoviy qator”dan foydalanishadi). U metallardan birining o‘rniga ko‘mirdan foydalanish mumkinligini aniqladi¹.
So‘ngra Volta o‘zining fanga eng katta hissasini qo‘shdi. U kumush va ruxdan qilingan disklar orasiga tuz eritmasi yoki suyultirilgan kislota shimdirilgan qog‘oz yoki mato joylashtirib, so‘ngra bunday doirachalarni birining ustiga ikkinchisni 18-2-rasmda ko‘rsatilgandek ustunchaga terib chiqdi. Bunday “ustun” (yoki “batareya”) bir juft doirachaga nisbatan ancha katta potensiallar farqiga ega bo‘lishi ma’lum bo‘ldi. Ustun uchlariga ulangan o‘tkazgichlar bir-biriga yaqinlashtirilganda ular orasida uchqun chaqnadi. Volta birinchi elektr batareyani loyihalashtirdi va yasadi. Volta o‘zining kashfiyotini 1800 yilda kashf qildi¹.

Rasm. Volta batareyasi. Voltaning original nshridan olingan.

Vanihoyat, Volta yaratgan elektr batareyasida elektr toki kimyoviy energiyaning elektr energiyasiga aylanishi sababli yuzaga kelishi ma’lum bo‘ldi. Bugungi kunda turli tipdagi ko‘plab elektr elementlari va batareyalari – cho‘ntak faonari batareyalaridan avtomobil akkumulyatori batareyalarigacha ishlab chiqariladi. Eng sodda batareya ikkita elektroddan – turli metallardan tayyorlangan sterjenlardan yoki plastinkalardan iborat. Elektrodlar elektrolitga, masalan suyultirilgan kislotaga solingan. Quruq elementda elektrolit jelesimon moddalan iborat. Element ana shunday ko‘rinishga ega, o‘zaro ulangan bir necha element esa elektr batareyani hosil qiladi. Ko‘pchilik elementlarda bo‘ladigan kimyoviy reaksiyalar ancha murakkab; ular kimyo darsliklarida batafsil bayon etilgan. Bu erda biz eng sodda elementni fizik jihatdan qarab chiqamiz¹.
18-3-rasmda keltirilgan eng sodda galvanik elementda suyultirilgan sulfat kisladan foydalaniladi. Elektrodlardan birida ko‘mir, ikkinchisida – rux foydalanilgan. Elektrodning elektrolitga botirilmagan qismi klemma bo‘lib xizmat qiladi, unga sxemani element bilan birlashtiruvchi o‘tkazgichlar ulanadi. Kislota sekin-asta rux elektrodni eritadi. Atomlar elektrodda ikkitadan elektron qoldiradi va musbat ionlar ko‘rinishida eritmaga o‘tadi. Shunday qilib rux elektrod manfiy zaryadlanadi. Rux eritmaga o‘tgani sayin elektrolit musbat zaryadlanadi. Buning natijasida, shuningdek, boshqa kimyoviy reaksiyalar natijasida elektrodlar ko‘mir elektrodni tark etadi va u musbat zaryadlanadi. Musbat elektrod – anod, manfiy elektrod – katod deb ataladi. Elektrodlarning zaryadlari qarama-qarshi ishoraga ega ekanligi sababli klemmalar orasida potensiallar farqi yuzaga keladi. Klemmalari ulanmagan elementda juda kam miqdorda rux eriydi, rux elektrodda manif yzaryad to‘planib borgan sayin ruxning musbat ionlari yana elektrodga tortiladi. Shunday qilib, klemamlar orasida ma’lum potensiallar farqi yoki kuchlanish tutib turiladi. Agar zaryad klemmlar orasida ko‘chsa (masalan, o‘tkazgich bo‘ylab yoki elektr lampa orqali), u holda ruxning erishi kuchayadi. Ko‘mir elektrod ham parchalanadi. Ma’lum vaqt o‘tgach u yoki bu elektrod to‘liq sarflanadi va batareya “o‘tirib qoladi”¹.

Rasm. Eng sodda galvanik element.

Batareya klemamlari orasidagi kuchlanish elektrodlar tayyorlangan moddaga, ularning eritmaga o‘tish yoki elektronlarini berish qobiliyatiga bog‘liq. Ikki yoki undan ortiq elementlar ketma-ket ulanganda , ya’ni bir elementning musbat klemmasini keyingisining manfiy klemmasiga ulanganda ularning EYUK qo‘shiladi. Masalan, cho‘ntak fonari uchun ketma-ket ulangan ikkita elementning EYUK 3,0 V, avtomobil akkumulyatorida har biri 2,0V dan ketma-ket ulangan oltita element 12 V kuchlanish beradi¹.

_{Mikroskopik nuqtai nazaridan elektr toki
Ma’lumki tok bu zaryadlangan zarrachalarning tartibli harakati.metallarda tok tashuvchilar elektronlar suyuqliklarda musbat va manfiy ionlar, gazlarda ham ionlar, ham elektronlar}¹_{.
Endi biz tokni mikroskopik nuqtai nazardan qaraymiz. Agar o‘tkazgichda} uchlariga potensiallar farqi qo‘yilgan bo‘lsa, u holda ya’ni kuchlanganlik vektori o‘tkazgichning yon tomoniga parallel bo‘ladi. (Rasm 18-24) da ko‘rsatilgan¹.



<sub>Rasm 18-24
O‘tkazgichdagi erkin elektronlar maydon ta’sirida tartibli harakatlana boshlaydi.
Elektr toki tok zichligi j bilan xarakterlanadi. Tok zichligi j deganda, o‘tkazgichning birlik kesim yuzasidan birlik vaqtga o‘tadigan zaryad miqdori tushuniladi. Ya’ni:

Agar tok zichligi o‘tkazgichning kesim yuzasida o‘zgarsa, u xolda tok kuchi quyidagiga teng bo‘ladi:

Tok zichligi vektor kattalik. Uning yo‘nalishi istalgan nuqtadan, shu nuqtaga joylashtirilgan musbat sinish zaryadining yo‘nalishi bilan bir xil</sub>
bo‘ladi. Boshqacha so‘z bilan aytganda vektor istalgan nuqtada vektor yo‘nalishi bilan bir xil bo‘ladi¹. (Rasm 18-25)
_{O‘tkazgichning har bir nuqtasida tok zichligining qiymati ma’lum (aniq). Tok kuchi esa butun o‘tkazgichga tegishli. Shuning uchun ham makroskopik kattalik hisoblanadi. Endi tok zichligini tezlik orqali ifodalaymiz}¹<sub>.



Rasm 18-25
Rasm 18-25 ga qarang. Ma’lumki birlik vaqtda bosib o‘tilgan yo‘l. Demak biz uzunlikni yoza olamiz:</sub>

Ma’lumki:
Undan tashqari vaqtda V=S^.l hajmdagi barcha elektronlar simning S yuzasidan o‘tadi. Demak:

<sub>Zaryad oqib o‘tadi. U xolda tok kuchi:

(18-10)</sub>
bo‘ladi¹.
<sub>Sim o‘tkazgichlardagi elektronlar qavati.


Diametri 3,2 mm bo‘lgan mis simdan 5 A tok o‘tib turibdi. Erkin elektronlar tezligini aniqlang. Misning har bir atomiga bitta erkin elektron to‘g‘ri keladi deb xisoblang. Tushuntirish: n – misning birlik hajmidagi erkin elektronlar soni bu misdagi atomlar soniga to‘g‘ri keladi. CHunki biz misning har bir atomiga bitta erkin elektron to‘g‘ri keladi deb xisoblayapmiz. Demak misning bir molida 6.02</sub>^.₁₀²³ _{(Avagadro soni) ta erkin elektron bor}¹<sub>.
Mis atomining massasi 63,5 g.
Misning zichligi
Echish:
Zichlik, ya’ni ga
Birlik xajmdagi erkin elektronlar soni bo‘ladi.
Demak:

Simning ko‘ndalang kesim yuzasi:

Formula (18-10) dan erkin elektronlar tezligi:

Demak, erkin elektronlar tezligi 0,05 mm/s ga yaqin bo‘lar ekan.
Izoh: lekin erkin elektronlarni bir atomli gazdagi kabi qarasak, butunlay boshqa natija kelib chiqadi</sub>¹_{.
O‘tao‘tkazuvchanlik}
Ko‘pgina metallarda koeffitsient 0,00367 ga, ya’ni ga yaqin bo‘ladi. Shuning uchun

ifodani

ko‘rinishda yozib olsak bo‘ladi. Bunda T - absolyut shkalada hisoblangantemperatura. Lekin bu formula juda yuqori va juda past temperaturalarda ham bajarilmaydi. Yuqori temperaturada koeffitsient o‘sib boradi. Bundan tashqari, metallar erigandaqar­shiligi ortadi, Past tejeraturalarda esa kamaya boradi¹.
Absolyut shkala bo‘yicha hisoblaganda 1⁰ -7⁰K dagi juda past temperaturalarda ba’zi metallar va qotishmalarning qarshiligi keskin kamayadi va deyarli yo‘q darajada kichrayibqoladi.Bu hodisa birinchi marta golland fizigi Kammerling-Ones tomonidan 1911 yildaochilgan bo‘lib,o‘ta o‘tkazuvchanlikdeb ataladi. O‘ta o‘tkazuvchanlikdagi qarshilik nolga teng bo‘ladi.Hozirgi vaqtda tajribalardan ko‘pgina sof elementlar, masalan, qo‘rg‘oshin, qalay, rux, simob, alyuminiy va bu elementlarning o‘zaro va ularning boshqa elementlar bilan qotishmalarining ko‘pi quyi temperaturalarda o‘ta o‘gkazuvchanlik xossasiga ega ekanligi aniqlangan¹.
Jismlarning solishtirma qarshiligiga teskari bo‘lgan katta­lik ularninng solishtirma o‘tkazuvchanligi deb atalar edi. Juda yaxshi o‘tkazgichlar bo‘lgan metallar bilan bir qatorda o‘tkazuzchanligi juda kichik bo‘lgan jismlar, masalan, selen, mis (1) oksid , ko‘pchilik minerallar, kislorod va oltingugurtning noorganik birikmalari, metallarning ba’zi qotishmalari, ba­‘zi organik bo‘yoqlar va boshqalar ham bo‘ladi. Bu jismlar yarim o‘tkazgichlar deb ataladi, YArim o‘tkazgichlarning o‘tkazuvchanligi metallarnikidan ancha kichik bo‘ladi. Ularda ning temperaturaga bog‘liqligi boshqacha bo‘ladi:

Mana shu qonunga muvofiq o‘tkazuvchanlik temperatura ortishi bilan o‘sa boradi. Bunda T – absolyut temperatura, turli yarimo‘tkazgichlar uchun turlicha bo‘lgan doimiy¹.