Metallarda elektr toki
Erkin elektronlar va Drude nazariyasidan qarshilikning temperaturaga bog'liqligi va o'ta o'tkazuvchanlikkacha — hamda elektr xavfsizligi qoidalarining ekologik kompetentlik bilan chambarchas bog'liqligi.
Reja
- 01O'tkazgichlar, dielektriklar va yarimo'tkazgichlar
- 02Metallarning elektron o'tkazuvchanlik nazariyasi
- 03Elektronlarning tartibli harakat tezligi
- 04Qarshilikning temperaturaga bog'liqligi
- 05O'ta o'tkazuvchanlik
- 06Texnika xavfsizligi qoidalari va ekologik kompetentlik
1. O'tkazgichlar, dielektriklar va yarimo'tkazgichlar
Qattiq jismlar elektr o'tkazuvchanlik xossalariga qarab o'tkazgichlar (metallar), yarimo'tkazgichlar va dielektriklar (izolyatorlar)ga bo'linadi. Solishtirma qarshiligi bo'yicha: o'tkazgichlarda ρ ≈ 10⁻⁶–10⁻⁴ Om·sm, yarimo'tkazgichlarda 10⁻⁴–10⁵ Om·sm, izolyatorlarda esa 10⁵–10¹⁸ Om·sm.
Erkin elektronlari nihoyatda ko'p bo'lgan mis, alyuminiy kabi materiallar birinchi tur o'tkazgichlar deyiladi. Amaliyotda eng keng qo'llaniladigan o'tkazgich — elektr simi: u elektr energiyasini uzatish va taqsimlash, elektr-radio signallarini uzatish hamda mashina va transformator cho'lg'amlarini tayyorlashda ishlatiladi.
2. Metallarning elektron o'tkazuvchanlik nazariyasi
Kristall panjara hosil bo'lganida eng bo'sh bog'langan (valent) elektronlar metall atomlaridan ajralib, butun metallning «kollektiv» elektronlariga aylanadi. Metallarda juda kichik potensiallar farqi bilan ham tok yuzaga kelishi — tok tashuvchilar aynan shu erkin elektronlar ekanini ko'rsatadi.
Drude (keyinchalik Lorens mukammallashtirgan) nazariyasiga ko'ra o'tkazuvchi elektronlar ideal gaz molekulalariga o'xshab harakat qiladi: to'qnashishlar orasida deyarli erkin uchib, gaz molekulalaridan farqli ravishda o'zaro emas, balki kristall panjara ionlari bilan to'qnashadi. Maydon kuchlanganligi o'zgarmas bo'lsa, elektron o'zgarmas tezlanish oladi va yugurish oxirida tartibli harakat tezligining o'rtacha qiymati:
bu yerda τ — elektronning panjara ionlari bilan ikkita ketma-ket to'qnashuvi orasidagi o'rtacha vaqt. To'qnashuvda elektron yugurish vaqtida olgan tezligini to'la yo'qotib, energiyasini panjaraga beradi — bu energiya issiqlik sifatida namoyon bo'ladi. Demak, metallning elektr qarshiligi erkin elektronlarning panjara ionlari bilan to'qnashishlari natijasida yuzaga keladi.
3. Qarshilikning temperaturaga bog'liqligi
O'tkazgich qarshiligining temperaturaga qarab nisbiy o'zgarishi temperatura o'zgarishiga to'g'ri proporsional. O'tkazgichni bir gradusga qizdirganda qarshilikning nisbiy o'zgarishini ko'rsatadigan kattalik qarshilikning temperatura koeffitsiyenti α deyiladi:
bu yerda R₀ — 0 °C dagi, R — t °C dagi qarshilik. Bundan qarshilik va solishtirma qarshilikning temperaturaga chiziqli bog'lanishi kelib chiqadi:
Uncha past bo'lmagan temperaturalarda toza metallar uchun α = 1/273 K⁻¹. Absolyut temperatura T = t + 273,15 orqali:
Qizdirilganda metallning qarshiligi ortadi, sovitilganda kamayadi: temperatura ortishi bilan elektronlar va panjara ionlarining issiqlik harakati kuchayib, to'qnashuvlar ko'payadi va elektronlar energiyani ko'proq yo'qotadi. Bu bog'liqlikdan texnikada qarshilik termometrlarida foydalaniladi — ular temperaturani 0,003 K gacha aniqlikda o'lchashga imkon beradi.
4. O'ta o'tkazuvchanlik
Tajribalar ko'rsatishicha, bir qancha metallar (Al, Pb, Zn va boshqalar) va ularning qotishmalarida kritik temperatura Tₖ (0,14–20 K) da qarshilik sakrab nolgacha kamayadi — modda o'ta o'tkazuvchan bo'lib qoladi. Bu hodisani birinchi bo'lib 1911-yilda G. Kamerling-Onnes simobda kuzatgan; hodisa kvant nazariyasi asosida tushuntiriladi.
O'ta o'tkazgichlardan quvvatli elektromagnitlar quriladi — cho'lg'amida issiqlik ajralmagani uchun ular energiya sarflamasdan uzoq vaqt magnit maydon hosil qila oladi. Biroq har bir o'ta o'tkazgich uchun tok kuchining kritik qiymati mavjud: undan oshirilsa o'ta o'tkazuvchanlik holati buziladi. Hozirda kritik temperaturasi 100 K atrofidagi keramik o'ta o'tkazgichlar ham yaratilgan. Xona temperaturasida ishlaydigan o'ta o'tkazgich yaratilsa, energiyani simlar orqali isrofsiz uzatishdek ulkan texnik-ekologik masala hal bo'lar edi.
5. Texnika xavfsizligi va ekologik kompetentlik
Ekologik kompetent inson xavfsizlik qoidalariga faqat «tok urmasligi» uchun emas, balki atrof-muhitga zarar yetkazmaslik uchun ham amal qiladi. Bu bog'liqlik to'rtta asosiy yo'nalishda namoyon bo'ladi:
Yerga ulash va himoya (UZO) — elektron chiqindilarning oldini olish
Kuchlanish sakrashi yoki yashin urishi tarmoqqa ulkan tok kiritadi. Himoya o'chirgichlari va yerga ulash bo'lmasa, bu tok uydagi texnikani kuydiradi — bitta yaroqsiz muzlatgich o'nlab kilogramm toksik plastik, freon va og'ir metallni o'z ichiga olgan elektron chiqindiga (e-waste) aylanadi. UZO o'rnatish texnika umrini uzaytirib, tabiatni tonnalab chiqindidan asraydi.
Simlar izolyatsiyasi va yong'in xavfsizligi
Izolyatsiyasi buzilgan simlar tegib ketsa, qisqa tutashuv yuz beradi: qarshilik keskin kamayib, tok simlarni cho'g'dek qizdiradi. Bunday yong'inlar atmosferaga katta miqdorda CO₂, is gazi va zaharli polimer tutunlarini chiqaradi. Eski simlardan foydalanmaslik va rozetkalarni ortiqcha yuklamaslik — ongli ekologik qadam.
Kontaktlarning qizishi — energiyaning yashirin isrofi
Bo'sh kontakt joyida qarshilik ortadi va Joul-Lens qonuniga ko'ra metall qiziydi. Chala tiqilgan vilka atrofni «isitish» uchun bekorga elektr sarflaydi — bu energiyani ishlab chiqarish uchun esa IESda ko'mir yonib, tabiat zaharli gazlar bilan ifloslanadi. Kontaktlarni mustahkamlash isrofni nolga tushiradi.
Mis va alyuminiy simlarni qayta ishlash
Bu metallarni rudadan olish juda ko'p suv va energiya talab qiladi. Eski kabellarning plastmassasini ochiq havoda yoqish esa o'ta xavfli dioksinlar ajratadi. Yaroqsiz simlarni yoqmaslik va ko'mmaslik — faqat maxsus qayta ishlash punktlariga topshirish kerak.
6. Fizika laboratoriyasida texnika xavfsizligi qoidalari
Mashg'ulot boshlanishidan oldin
Ishni o'qituvchi ruxsatisiz boshlamaslik; tajriba mazmuni bilan oldindan tanishish; asbob-uskunalar sozligini tekshirish; ish joyini tartibga keltirish.
Elektr jihozlari bilan ishlashda
Zanjirni faqat o'qituvchi ruxsati bilan ulash; nam qo'l bilan tegmaslik; izolyatsiyasi shikastlangan simlardan foydalanmaslik; tok manbaini oxirida ulab, birinchi bo'lib uzish.
Favqulodda holatlarda
Tok urgan odamga qo'l bilan tegmasdan avvalo tok manbaini uzish; yong'inda darhol o'qituvchiga xabar berish; jarohatda birinchi tibbiy yordam ko'rsatish.
Mashg'ulot yakunida
Elektr manbalarini o'chirish; asboblarni joyiga qo'yish; ish joyini tozalash; hisobotni topshirish.
Inson tanasining qariyb 70 % qismi turli tuzlar erigan suvdan iborat — demak, inson tanasi ham yaxshigina elektr o'tkazgich. Shu sababli bu qoidalar shunchaki rasmiyat emas: ular baxtsiz hodisalar xavfini kamaytiradi va tajribalarni samarali bajarishga yordam beradi.
Asosiy xulosa
Metallarda tokni erkin elektronlar tashiydi, qarshilik esa ularning panjara ionlari bilan to'qnashuvidan tug'iladi. Bu qonuniyatlarni bilish — qizigan kontaktdagi yashirin isrofdan tortib o'ta o'tkazgichlargacha — energiyani tejash va elektron chiqindilarni kamaytirishga, ya'ni texnika xavfsizligini ekologik mas'uliyat darajasiga ko'tarishga xizmat qiladi.
Amaliyotga o'tamiz
Bilimlaringizni interaktiv topshiriqlarda mustahkamlang va lampalar stendida energiya isrofini o'z ko'zingiz bilan ko'ring.
Bilimingizni sinab ko'ring
Ushbu ma'ruza bo'yicha 10 ta savol — osondan murakkabga. Testni yakunlaganingizda natijangiz (foiz va ball) ko'rsatiladi.