Қатты денелердегі “электр өткізгіштік” бөлімін компьютердің қолдануымен орта мектепте оқыту
МАЗМҰНЫ
КІРІСПЕ 4
1. ӘРТҮРЛІ ОРТАДАҒЫ ЭЛЕКТР ТОГЫ 5
1.1 Электр өткізгіштіктің классикалық ілімі және оның қиыншылықтары 5
1.2 Кристалдардың электр кедергісінің табиғаты 8
1.3 Қатты денелердің электрлік қасиеттері 12
1.4 Электр өткізгіштік құбылысы 13
1.5 Металдардың электрлік кедергісінің температураға тәуелділігі 14
2 АСҚЫН ӨТКІЗГІШТІК 15
2.1 Асқын өткізгіштіктің ашылу тарихы 15
2.2 Асқын өткізгіштік құбылысының табиғаты 19
2.3 Асқын өткізгіштің электрлік және магниттік қасиеттері 24
2.4 Мейсснер.Оксенфельд эффектісін тәжірибеде байқау 28
2.5 Асқын өткізгіштіктің бұзылуы 28
2.6 Фазалық көшу 29 2.7 Асқын өткізгіштікті есептеу техникасында пайдалану 30
3 МЕКТЕПТЕ 10.СЫНЫПТА “ӘРТҮРЛІ ОРТАДАҒЫ ЭЛЕКТР ТОГЫ” БӨЛІМІНДЕГІ “МЕТАЛДАРДЫҢ ЭЛЕКТР ӨТКІЗГІШТІГІ. ӨТКІЗГІШ КЕДЕРГІСІНІҢ ТЕМПЕРАТУРАҒА ТӘУЕЛДІЛІГІ. АСҚЫН
ӨТКІЗГІШТІК” ТАҚЫРЫБЫН ОҚЫТУ ӘДІСТЕМЕСІ 32
4 “МЕТАЛДАР ЖӘНЕ БАЛҚЫМАЛАРДЫҢ ЭЛЕКТР
КЕДЕРГІСІН АНЫҚТАУ ТӘСІЛІ”
ЗЕРТХАНАЛЫҚ ЖҰМЫС 39
ҚОРЫТЫНДЫ 45
ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР 47
ҚОСЫМША А 48
ҚОСЫМША Б 49
ҚОСЫМША В 50
ҚОСЫМША С 53
ҚОСЫМША Д 55
ҚОСЫМША К 57
ҚОСЫМША Е 59
КІРІСПЕ 4
1. ӘРТҮРЛІ ОРТАДАҒЫ ЭЛЕКТР ТОГЫ 5
1.1 Электр өткізгіштіктің классикалық ілімі және оның қиыншылықтары 5
1.2 Кристалдардың электр кедергісінің табиғаты 8
1.3 Қатты денелердің электрлік қасиеттері 12
1.4 Электр өткізгіштік құбылысы 13
1.5 Металдардың электрлік кедергісінің температураға тәуелділігі 14
2 АСҚЫН ӨТКІЗГІШТІК 15
2.1 Асқын өткізгіштіктің ашылу тарихы 15
2.2 Асқын өткізгіштік құбылысының табиғаты 19
2.3 Асқын өткізгіштің электрлік және магниттік қасиеттері 24
2.4 Мейсснер.Оксенфельд эффектісін тәжірибеде байқау 28
2.5 Асқын өткізгіштіктің бұзылуы 28
2.6 Фазалық көшу 29 2.7 Асқын өткізгіштікті есептеу техникасында пайдалану 30
3 МЕКТЕПТЕ 10.СЫНЫПТА “ӘРТҮРЛІ ОРТАДАҒЫ ЭЛЕКТР ТОГЫ” БӨЛІМІНДЕГІ “МЕТАЛДАРДЫҢ ЭЛЕКТР ӨТКІЗГІШТІГІ. ӨТКІЗГІШ КЕДЕРГІСІНІҢ ТЕМПЕРАТУРАҒА ТӘУЕЛДІЛІГІ. АСҚЫН
ӨТКІЗГІШТІК” ТАҚЫРЫБЫН ОҚЫТУ ӘДІСТЕМЕСІ 32
4 “МЕТАЛДАР ЖӘНЕ БАЛҚЫМАЛАРДЫҢ ЭЛЕКТР
КЕДЕРГІСІН АНЫҚТАУ ТӘСІЛІ”
ЗЕРТХАНАЛЫҚ ЖҰМЫС 39
ҚОРЫТЫНДЫ 45
ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР 47
ҚОСЫМША А 48
ҚОСЫМША Б 49
ҚОСЫМША В 50
ҚОСЫМША С 53
ҚОСЫМША Д 55
ҚОСЫМША К 57
ҚОСЫМША Е 59
КІРІСПЕ
Дипломдық жұмыстың аты : Қатты денелердегі “Электрөткізгіштік” бөлімін компьютердің қолдануымен орта мектепте оқыту. Оқытудың жаңа әдіс–тәсілдерін пайдалану, үйлесімді тәжірибе ғана мұғалімді табысқа жетелеп, теориялық білімін шыңдай түседі. Осы жұмыста “Әртүрлі ортадағы электр тогы” бөлімінің “Меншікті кедергі. Өткізгіш кедергісінің температураға тәуелділігі. Асқын өткізгіштік” тақырыбының әдістемесін компьютерді қолданып оқытуды мақсат етіп алдық және тақырыпқа сай металдардағы электрлік кедергіні есептеу мақсатында “Металдар мен балқымалардағы электр кедергіні анықтау тәсілі” атты зертханалық жұмыс жасадық. Ең қиыны оқытудың бүкіл әдіс–тәсілдерін белгілі ізге салып, сабақтың құрылысын қазіргі өмір талабына сай қайта құру. Әдістемедегі негізгі мақсатымыз: оқушылардың бұл тақырыпқа бөлінген бір сағат уақытты үнемдеп, көрнекі құрал ретінде компьютерді пайдаланып, тақырыпты түсінікті етіп баяндап, оқушылардың көбірек мағлұмат алуына жағдай жасау.
Оқыту әдістерінің, сабақ түрлерінің молдығы, оқушылардың оқу процесінің элементтеріне ретімен, жүйелі араласып отыруы, оларды шебер пайдалану-әрбір пәнді оқыту процесінің тиімді болуының аса маңызды шарттарының бірі. Сабақтың алдында мынадай міндеттер тұрады:
- Оқушыларға терең білім беру, іскерліктері мен дағдыларын жетілдіріп, қалыптастыру.
- Өз бетінше оқуға үйрету, шығармашылық қабілетін дамыту, оқуына талдау жасау, алған білімді практикада қолдана білуге баулу, ойын дамыту, оқуға , білімге деген көзқарасын қалыптастыру, жүйелі оқудың қажеттілігін ұғындыру.
Ғылыми-техникалық прогресс заманында білім беруді демократияландыру мен ізгілендірудің басты факторларының бірі–оны информатикаландыру процесі болып табылады. Компьютерді оқу процесінде пайдалану мәселесіне арналған зерттеулерге талдау жасасақ, компьютердің төмендегідей дидактикалық мүмкіндіктерін көруге болады. Ол:
- Оқушылардың өз бетімен шығармашылық бағытта жұмыс істеуіне, әсіресе құбылыстарды зерттеуге, басқаруға мүмкіндік береді;
- Оқушылардың өзін-өзі бақылауына және өз жұмыс әрекетіне өзінің түзету енгізе білуіне үйретеді;
- Басқа пәндерден алған білімдерін бекітуге көмектеседі;
- Жалпы танымдық қабілеттердің дамуына әсер етеді;
- Өткен материалдардағы негізгі құбылыстар мен заңдылықтарды көре отырып сабақты пысықтауға мүмкіндік береді;
- Материалды тез меңгеруге, сонымен бірге уақыт ұтуға, пәндерді интеграциялап оқуға жағдай жасайды, пәннің сапасы мен мазмұнына да түбегейлі өзгерістер енгізеді;
- Табиғи жағдайда көзге көрінбейтін кейбір құбылыстарды экранда көруге мүмкіндік береді;
Бұл келтірілген компьютердің дидактикалық мүмкіндіктерінен оны физика сабағының тиімділігін арттыруда да пайдалануға болатындығын көруге болады. Физиканы оқыту жаңа компьютерлік технологиялардың көмегімен терең де толық орындалады. Физика сабағын оқушының қызығушылығын арттырып, түрлендіре жүргізсе жақсы нәтижеге қол жеткізуге болады.
Физиканы оқытуда есептеу техникасын пайдалану оқушыларды ынталандырып, олардың ойындағы қабілеттердің дамып, көрінуіне және пәнге, жаңа техникаға деген қызығушылығын арттырады. Компьютердің оқушылардың танымдық ізденімпаздығын қалыптастырып және дамытуға әсерін айқындау үшін физиканы компьютер көмегімен оқытудағы альтернативті пікірлерді талдау қажет. Компьютерлік оқыту–компьютерді кеңінен қолдану негізінде оның сапасы, интенсивтілігін іске асыру арқылы оқытудың “сұрау–түсіндіру–бекіту–үйге тапсырма” түрінен өз бетінше білім алу қажеттілігі мен жолдарына сүйенетін шығармашыл белсенді, ұтымды түріне көшуге бағытталған.
Дипломдық жұмыстың аты : Қатты денелердегі “Электрөткізгіштік” бөлімін компьютердің қолдануымен орта мектепте оқыту. Оқытудың жаңа әдіс–тәсілдерін пайдалану, үйлесімді тәжірибе ғана мұғалімді табысқа жетелеп, теориялық білімін шыңдай түседі. Осы жұмыста “Әртүрлі ортадағы электр тогы” бөлімінің “Меншікті кедергі. Өткізгіш кедергісінің температураға тәуелділігі. Асқын өткізгіштік” тақырыбының әдістемесін компьютерді қолданып оқытуды мақсат етіп алдық және тақырыпқа сай металдардағы электрлік кедергіні есептеу мақсатында “Металдар мен балқымалардағы электр кедергіні анықтау тәсілі” атты зертханалық жұмыс жасадық. Ең қиыны оқытудың бүкіл әдіс–тәсілдерін белгілі ізге салып, сабақтың құрылысын қазіргі өмір талабына сай қайта құру. Әдістемедегі негізгі мақсатымыз: оқушылардың бұл тақырыпқа бөлінген бір сағат уақытты үнемдеп, көрнекі құрал ретінде компьютерді пайдаланып, тақырыпты түсінікті етіп баяндап, оқушылардың көбірек мағлұмат алуына жағдай жасау.
Оқыту әдістерінің, сабақ түрлерінің молдығы, оқушылардың оқу процесінің элементтеріне ретімен, жүйелі араласып отыруы, оларды шебер пайдалану-әрбір пәнді оқыту процесінің тиімді болуының аса маңызды шарттарының бірі. Сабақтың алдында мынадай міндеттер тұрады:
- Оқушыларға терең білім беру, іскерліктері мен дағдыларын жетілдіріп, қалыптастыру.
- Өз бетінше оқуға үйрету, шығармашылық қабілетін дамыту, оқуына талдау жасау, алған білімді практикада қолдана білуге баулу, ойын дамыту, оқуға , білімге деген көзқарасын қалыптастыру, жүйелі оқудың қажеттілігін ұғындыру.
Ғылыми-техникалық прогресс заманында білім беруді демократияландыру мен ізгілендірудің басты факторларының бірі–оны информатикаландыру процесі болып табылады. Компьютерді оқу процесінде пайдалану мәселесіне арналған зерттеулерге талдау жасасақ, компьютердің төмендегідей дидактикалық мүмкіндіктерін көруге болады. Ол:
- Оқушылардың өз бетімен шығармашылық бағытта жұмыс істеуіне, әсіресе құбылыстарды зерттеуге, басқаруға мүмкіндік береді;
- Оқушылардың өзін-өзі бақылауына және өз жұмыс әрекетіне өзінің түзету енгізе білуіне үйретеді;
- Басқа пәндерден алған білімдерін бекітуге көмектеседі;
- Жалпы танымдық қабілеттердің дамуына әсер етеді;
- Өткен материалдардағы негізгі құбылыстар мен заңдылықтарды көре отырып сабақты пысықтауға мүмкіндік береді;
- Материалды тез меңгеруге, сонымен бірге уақыт ұтуға, пәндерді интеграциялап оқуға жағдай жасайды, пәннің сапасы мен мазмұнына да түбегейлі өзгерістер енгізеді;
- Табиғи жағдайда көзге көрінбейтін кейбір құбылыстарды экранда көруге мүмкіндік береді;
Бұл келтірілген компьютердің дидактикалық мүмкіндіктерінен оны физика сабағының тиімділігін арттыруда да пайдалануға болатындығын көруге болады. Физиканы оқыту жаңа компьютерлік технологиялардың көмегімен терең де толық орындалады. Физика сабағын оқушының қызығушылығын арттырып, түрлендіре жүргізсе жақсы нәтижеге қол жеткізуге болады.
Физиканы оқытуда есептеу техникасын пайдалану оқушыларды ынталандырып, олардың ойындағы қабілеттердің дамып, көрінуіне және пәнге, жаңа техникаға деген қызығушылығын арттырады. Компьютердің оқушылардың танымдық ізденімпаздығын қалыптастырып және дамытуға әсерін айқындау үшін физиканы компьютер көмегімен оқытудағы альтернативті пікірлерді талдау қажет. Компьютерлік оқыту–компьютерді кеңінен қолдану негізінде оның сапасы, интенсивтілігін іске асыру арқылы оқытудың “сұрау–түсіндіру–бекіту–үйге тапсырма” түрінен өз бетінше білім алу қажеттілігі мен жолдарына сүйенетін шығармашыл белсенді, ұтымды түріне көшуге бағытталған.
ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР:
1. Ақылбаев Ж.С Электр және магнитизм / Ж.С. Ақылбаев, Қ.Т. Ермағанбетов.- Қарағанды, 2003, 480-б.
2. Әли Р. Физика пәнін жаңа технологиялық құралдарды пайдаланып оқыту / Р. Әли // Физика және астрономия.-2004 .- №4, 3-бет.
3. Буккель В. Сверхпроводимость / В. Буккель.- М.: Мир, 1975, 298-стр.
4. Гинзбург В.Л Сверхпроводимость / В.Л. Гинзбург, Е.А. Андрюшин.- М.: Педагогика, 1990, 356-стр.
5. Жұмабеков М. Компьютерді физика сабағында пайдалану / М. Жұмабеков // Информатика, физика, математика.-2000 .- №1, 10-бет.
6. Жумадилова Б. Свойства твердых тел / Б. Жумадилова // Физика и астрономия.-2005 .- №2, 9-бет.
7. Илишев А.И. Электрический ток в различных средах / А.И. Илишев // Физика и астрономия.-2005 .- №2, 13-бет.
8. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела / Ч. Киттель.- М.: Наука, 1978, 426-стр.
9. Кресин В.З. Природа сверхпроводимости / В.З. Кресин // Квант.- 1973 .- №11, 14-бет.
10. Нығметова Г. Физиканы оқытуда оқушылардың пәнге қызығушылығын арттыру / Г. Нығметова // Физика және астрономия.-2004 .- №2-3, 6-бет.
11. Павлов П.В. Физика твердого тела / П.В. Павлов, А.Ф. Хохлов.- М., 2000, 494-стр.
12. Савельев И.В. Жалпы физика курсы: 2-томдық / И.В. Савельев.- Алматы, 1977.-2-ші т, 432-б.
13. Сивухин Д.В. Электричество: 3-т / Д.В.Сивухин.- М.: Наука, 1977.-3 том.
14. Тинкхам М. Введение в сверхпроводимость / М. Тинкхам.- М.: Атомиздат., 1980, 378-стр.
15. Уильямс Дж. Сверхпроводимость и ее применение в технике / Дж. Уильямс.- М.: Мир, 1973, 416-стр.
16. Хохлов А.Ф. Физика твердого тела, лабораторный практикум: 2-т / А.Ф.Хохлов.-М.: Высшая школа, 2001.-1том, 364-стр.
17. Храмов Ю.А. Физики, биографический справочник М.: Наука, 1983
398-стр
1. Ақылбаев Ж.С Электр және магнитизм / Ж.С. Ақылбаев, Қ.Т. Ермағанбетов.- Қарағанды, 2003, 480-б.
2. Әли Р. Физика пәнін жаңа технологиялық құралдарды пайдаланып оқыту / Р. Әли // Физика және астрономия.-2004 .- №4, 3-бет.
3. Буккель В. Сверхпроводимость / В. Буккель.- М.: Мир, 1975, 298-стр.
4. Гинзбург В.Л Сверхпроводимость / В.Л. Гинзбург, Е.А. Андрюшин.- М.: Педагогика, 1990, 356-стр.
5. Жұмабеков М. Компьютерді физика сабағында пайдалану / М. Жұмабеков // Информатика, физика, математика.-2000 .- №1, 10-бет.
6. Жумадилова Б. Свойства твердых тел / Б. Жумадилова // Физика и астрономия.-2005 .- №2, 9-бет.
7. Илишев А.И. Электрический ток в различных средах / А.И. Илишев // Физика и астрономия.-2005 .- №2, 13-бет.
8. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела / Ч. Киттель.- М.: Наука, 1978, 426-стр.
9. Кресин В.З. Природа сверхпроводимости / В.З. Кресин // Квант.- 1973 .- №11, 14-бет.
10. Нығметова Г. Физиканы оқытуда оқушылардың пәнге қызығушылығын арттыру / Г. Нығметова // Физика және астрономия.-2004 .- №2-3, 6-бет.
11. Павлов П.В. Физика твердого тела / П.В. Павлов, А.Ф. Хохлов.- М., 2000, 494-стр.
12. Савельев И.В. Жалпы физика курсы: 2-томдық / И.В. Савельев.- Алматы, 1977.-2-ші т, 432-б.
13. Сивухин Д.В. Электричество: 3-т / Д.В.Сивухин.- М.: Наука, 1977.-3 том.
14. Тинкхам М. Введение в сверхпроводимость / М. Тинкхам.- М.: Атомиздат., 1980, 378-стр.
15. Уильямс Дж. Сверхпроводимость и ее применение в технике / Дж. Уильямс.- М.: Мир, 1973, 416-стр.
16. Хохлов А.Ф. Физика твердого тела, лабораторный практикум: 2-т / А.Ф.Хохлов.-М.: Высшая школа, 2001.-1том, 364-стр.
17. Храмов Ю.А. Физики, биографический справочник М.: Наука, 1983
398-стр
ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫ ҒЫЛЫМ ЖӘНЕ БІЛІМ МИНИСТРЛІГІ
Физика кафедрасы
БІТІРУ ЖҰМЫСЫ
Тақырыбы: ҚАТТЫ ДЕНЕЛЕРДЕГІ “ЭЛЕКТР ӨТКІЗГІШТІК” БӨЛІМІН КОМПЬЮТЕРДІҢ
ҚОЛДАНУЫМЕН ОРТА МЕКТЕПТЕ ОҚЫТУ
МАЗМҰНЫ
КІРІСПЕ
4
1. ӘРТҮРЛІ ОРТАДАҒЫ ЭЛЕКТР ТОГЫ 5
1. Электр өткізгіштіктің классикалық ілімі және оның қиыншылықтары 5
1.2 Кристалдардың электр кедергісінің табиғаты
8
1.3 Қатты денелердің электрлік қасиеттері
12
1.4 Электр өткізгіштік құбылысы
13
1.5 Металдардың электрлік кедергісінің температураға тәуелділігі
14
2 АСҚЫН ӨТКІЗГІШТІК
15
2.1 Асқын өткізгіштіктің ашылу тарихы
15
2.2 Асқын өткізгіштік құбылысының табиғаты
19
2.3 Асқын өткізгіштің электрлік және магниттік қасиеттері
24
2.4 Мейсснер-Оксенфельд эффектісін тәжірибеде байқау
28
2.5 Асқын өткізгіштіктің бұзылуы
28
2.6 Фазалық көшу
29
2.7 Асқын өткізгіштікті есептеу техникасында
пайдалану 30
3 МЕКТЕПТЕ 10-СЫНЫПТА “ӘРТҮРЛІ ОРТАДАҒЫ ЭЛЕКТР ТОГЫ” БӨЛІМІНДЕГІ
“МЕТАЛДАРДЫҢ ЭЛЕКТР ӨТКІЗГІШТІГІ. ӨТКІЗГІШ КЕДЕРГІСІНІҢ ТЕМПЕРАТУРАҒА
ТӘУЕЛДІЛІГІ. АСҚЫН
ӨТКІЗГІШТІК” ТАҚЫРЫБЫН ОҚЫТУ ӘДІСТЕМЕСІ 32
4. “МЕТАЛДАР ЖӘНЕ БАЛҚЫМАЛАРДЫҢ ЭЛЕКТР
КЕДЕРГІСІН АНЫҚТАУ ТӘСІЛІ”
ЗЕРТХАНАЛЫҚ ЖҰМЫС
39
ҚОРЫТЫНДЫ
45
ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР
47
ҚОСЫМША А 48
ҚОСЫМША Б 49
ҚОСЫМША В 50
ҚОСЫМША С 53
ҚОСЫМША Д 55
ҚОСЫМША К 57
ҚОСЫМША Е 59
КІРІСПЕ
Дипломдық жұмыстың аты : Қатты денелердегі “Электрөткізгіштік” бөлімін
компьютердің қолдануымен орта мектепте оқыту. Оқытудың жаңа әдіс–тәсілдерін
пайдалану, үйлесімді тәжірибе ғана мұғалімді табысқа жетелеп, теориялық
білімін шыңдай түседі. Осы жұмыста “Әртүрлі ортадағы электр тогы” бөлімінің
“Меншікті кедергі. Өткізгіш кедергісінің температураға тәуелділігі. Асқын
өткізгіштік” тақырыбының әдістемесін компьютерді қолданып оқытуды мақсат
етіп алдық және тақырыпқа сай металдардағы электрлік кедергіні есептеу
мақсатында “Металдар мен балқымалардағы электр кедергіні анықтау тәсілі”
атты зертханалық жұмыс жасадық. Ең қиыны оқытудың бүкіл әдіс–тәсілдерін
белгілі ізге салып, сабақтың құрылысын қазіргі өмір талабына сай қайта
құру. Әдістемедегі негізгі мақсатымыз: оқушылардың бұл тақырыпқа бөлінген
бір сағат уақытты үнемдеп, көрнекі құрал ретінде компьютерді пайдаланып,
тақырыпты түсінікті етіп баяндап, оқушылардың көбірек мағлұмат алуына
жағдай жасау.
Оқыту әдістерінің, сабақ түрлерінің молдығы, оқушылардың оқу
процесінің элементтеріне ретімен, жүйелі араласып отыруы, оларды шебер
пайдалану-әрбір пәнді оқыту процесінің тиімді болуының аса маңызды
шарттарының бірі. Сабақтың алдында мынадай міндеттер тұрады:
- Оқушыларға терең білім беру, іскерліктері мен дағдыларын жетілдіріп,
қалыптастыру.
- Өз бетінше оқуға үйрету, шығармашылық қабілетін дамыту, оқуына талдау
жасау, алған білімді практикада қолдана білуге баулу, ойын дамыту,
оқуға , білімге деген көзқарасын қалыптастыру, жүйелі оқудың
қажеттілігін ұғындыру.
Ғылыми-техникалық прогресс заманында білім беруді демократияландыру
мен ізгілендірудің басты факторларының бірі–оны информатикаландыру процесі
болып табылады. Компьютерді оқу процесінде пайдалану мәселесіне арналған
зерттеулерге талдау жасасақ, компьютердің төмендегідей дидактикалық
мүмкіндіктерін көруге болады. Ол:
- Оқушылардың өз бетімен шығармашылық бағытта жұмыс істеуіне,
әсіресе құбылыстарды зерттеуге, басқаруға мүмкіндік береді;
- Оқушылардың өзін-өзі бақылауына және өз жұмыс әрекетіне өзінің
түзету енгізе білуіне үйретеді;
- Басқа пәндерден алған білімдерін бекітуге көмектеседі;
- Жалпы танымдық қабілеттердің дамуына әсер етеді;
- Өткен материалдардағы негізгі құбылыстар мен заңдылықтарды көре
отырып сабақты пысықтауға мүмкіндік береді;
- Материалды тез меңгеруге, сонымен бірге уақыт ұтуға, пәндерді
интеграциялап оқуға жағдай жасайды, пәннің сапасы мен мазмұнына
да түбегейлі өзгерістер енгізеді;
- Табиғи жағдайда көзге көрінбейтін кейбір құбылыстарды экранда
көруге мүмкіндік береді;
Бұл келтірілген компьютердің дидактикалық мүмкіндіктерінен оны физика
сабағының тиімділігін арттыруда да пайдалануға болатындығын көруге болады.
Физиканы оқыту жаңа компьютерлік технологиялардың көмегімен терең де толық
орындалады. Физика сабағын оқушының қызығушылығын арттырып, түрлендіре
жүргізсе жақсы нәтижеге қол жеткізуге болады.
Физиканы оқытуда есептеу техникасын пайдалану оқушыларды ынталандырып,
олардың ойындағы қабілеттердің дамып, көрінуіне және пәнге, жаңа техникаға
деген қызығушылығын арттырады. Компьютердің оқушылардың танымдық
ізденімпаздығын қалыптастырып және дамытуға әсерін айқындау үшін физиканы
компьютер көмегімен оқытудағы альтернативті пікірлерді талдау қажет.
Компьютерлік оқыту–компьютерді кеңінен қолдану негізінде оның сапасы,
интенсивтілігін іске асыру арқылы оқытудың “сұрау–түсіндіру–бекіту–үйге
тапсырма” түрінен өз бетінше білім алу қажеттілігі мен жолдарына сүйенетін
шығармашыл белсенді, ұтымды түріне көшуге бағытталған.
1ӘРТҮРЛІ ОРТАДАҒЫ ЭЛЕКТР ТОГЫ
1.1Электр өткізгіштіктің классикалық ілімі және оның қиыншылықтары
Сыртқы электр қозғаушы күшінің әсерінен ортада белгілі бір бағытта
заряд тасымалданатын болса, ондай ортаны электр өткізгіш орта дейді. Заттар
физикалық қасиеттеріне байланысты қатты, сұйық және газ деп 3-ке бөлінеді.
Олар электр тогын өткізеді. Ортада заряд таситын бөлшектер электрондар,
иондалған атомдар, молекулалар болуы мүмкін. Заряд сұйықтарда оң және теріс
зарядталған иондармен; газдарда иондалған атомдармен, молекулалармен; қатты
денелерде негізінен электрондармен тасылады [7].
Денелерде зарядтың тасымалдануын сипаттау үшін меншікті электр
өткізгіштік () деген физикалық шама ендіреді. Меншікті электр
өткізгіштік тек ортаның қасиетіне байланысты. Кристалдар электр тогын
өткізуіне байланысты 3-ке бөлінеді: өткізгіштер–металдар, жартылай
өткізгіштер және диэлектриктер. Металл өткізгіштерге тоқталамыз.
Металдардың электр өткізгіштіктің классикалық электрондық ілімінің
негізін салушылар П.К.Друде (1863-1906) мен Х.А.Лоренц (1853-1928). Олардың
ілімі мына тұжырымдарға негізделген:
1) Кристалл торының ішінде еркін қозғала алатын еркін электрондар бар.
Олар ретсіз жылулық қозғалыста болады;
2) Еркін электрондарды өзаоа әсерлеспейтін электрондардан тұратын
электрондық газ деп қарастырып, олар үшін идеал газдың кинетикалық
теориясының барлық заңдарын қолдануға болады;
3) Сыртқы электр өрісінің әсерінен еркін электрондар бағытталған
қозғалысқа қатынасып, заряд тасиды-ток туғызады;
Друде металдағы ретсіз жылулық қозғалыстағы электрондар бірдей орташа
жылдамдықпен қозғалады деп тұжырымдады. Бұл жағдайда электрондардың
(1)
мұндағы -электрон массасы, -электронның жылдамдығы, -
Больцман
тұрақтысы, -температура, өрнегін пайдаланып, t=00С–ға тең
температурасы үшін анықталған орташа жылдамдығы =110кмсек.
Лоренц “металдағы еркін электрондардың жылдамдық бойынша үлестірілуі
Максвелл заңымен анықталады” деп Друде теориясын әрі дамытты.
Друде-Лоренц теориясы металдардың жылу және электр өткізгіштігін жап-жақсы
түсіндіргенімен олардың жылу сыйымдылығына еркін электрондардың қатынасын
түсіндіре алмады.
Металдардың жылу сыйымдылығы кристалл торының түйіндерінде орналасқан
иондардың тербелмелі қозғалысымен толық анықталады. Электрондардың
металдардың жылу сыйымдылығына қосатын үлесі жоққа тән. Бұлай болу үшін
металдардағы электрондар саны өте аз болуы керек. Ал, электрондар саны өте
аз болса, металдың өте жақсы электр және жылу өткізгіштерін түсіндіру
қиынға түседі.
Друде мен Лоренцтің металдардың электр өткізгіштігін қалай
түсіндіретіндігіне тоқталайық.
Металдардағы еркін электрондар сыртқы электр өрісінің () әсерінен
үдей қозғалады. Ток шамасы өседі. Алайда, электрондардың кристалл торының
түйіндерінде орналасқан иондармен соқтығысуы нәтижесінде олардың жылдамдығы
үздіксіз өспейді. Ол қатар екі соқтығысудың арасында ғана, электрондардың
еркін жүру жолы () бойында ғана өседі. Соқтығысу нәтижесінде
электрондар өздерінің электр өрісінен алған энергиясын металл иондарына
беріп, жылдамдықтарын нөлге дейін азайтады. Электрондар өріс әсерінен
жылдамдықтарын иондармен келесі соқтыққанша тағы да көбейте береді. Еркін
жүру жолына тең жол жүріп өткеннен кейін, электрондар ионмен соқтығысып,
оның жылдамдығы тағы да нөлге дейін азаяды. Бұл құбылыс қайталанып,
электрондар біртіндеп секіре қозғалып, заряд тасиды-
ток туғызады.
Металдардағы электр өткізгіштікті есептейік. Еркін жүру кезінде
электронның алатын үдеу шамасы:
(2)
қатынасымен анықталады, мұнда -өріс кернеулігі, -электронның
массасы, -үдеуі, -электронның заряды. Егер еркін жүру уақытын
деп белгілесек, әр электронның бағытталған қозғалысының орташа
жылдамдығы:
(3)
шамасымен анықталады.
Тізбектің бірлік қимасы арқылы бір өлшем уақыт аралығында ағып өтетін
электрондар саны былай анықталады:
(4)
мұндағы -ток тығыздығы, -концентрация.
Онда (3) және (4)-теңдіктерінен
(5)
өрнегін аламыз. Егер кейінгі теңдікті Омның дифференциал
(6)
заңымен салыстырсақ, металдардың электр өткізгіштігі үшін мына
теңдікті аламыз:
(7)
Металдардың қасиеттері, сонымен қатар жоғарғы электр өткізгіштік, Ом
заңын және тағы басқа заңдылықтарды Друде еркін электрондарының классикалық
теориясы түсіндірді. Алайда, металдардың электр өткізгіштіктерінің
классикалық теориясының тұжырымдары кейбір алынған деректерге сәйкес
келмейді.
Бос кеңістіктегі электрондар тұрақты электр өрісінің әсерінен тұрақты
үдеу алатындықтан, олардың туғызатын тогы шексіз мәнге дейін өсуі мүмкін.
Ал, металл өткізгіште тұрақты потенциал айырымының әсерінен тұрақты ток
туады, яғни ток шектелген мән қабылдайды. Классикалық теория металдағы
токтың шамасының шектеулі болуын электрондардың ілгерімелі қозғалыс кезінде
кристалл торының түйіндеріндегі орналасқан иондармен соқтығысуымен
байланыстырады. Бұл теория бойынша электрондардың қатарлас екі
соқтығысулардың аралығында жүретін жолы–еркін жүру жолы, кристалл
тұрақтысымен (а) анықталып, өте аз 10-8 см мәнін қабылдайды. Еркін жүру
жолының бұл мәні тәжірибе арқылы анықталған өткізгіштегі электрондардың
еркін жүру жолынан мыңдаған есе кіші. Бұл жағдай классикалық теорияның
“өткізгіштегі еркін электрондар ұмтылмалы қозғалыс кезінде кристалл торының
түйіндерінде орналасқан кез келген ионымен соқтығысып, өздерінің ілгерімелі
қозғалысының энергиясын жоғалтады” деген тұжырымына қайшы келеді.
Классикалық теория металдардың электр өткізгіштіктерінің температураға
байланысты өзгеру заңдылығын да түсіндіре алмайды. Температура өскенде
металдардың меншікті кедергісі жүздеген, мыңдаған есе өсетіндігі тәжірибе
арқылы көрсетілген. Меншікті кедергінің өсуін тек заряд тасушылардың еркін
жүру жолының азаюымен түсіндіруге болады. Ал, Друде-Лоренц классикалық
теориясы бойынша кристалл өткізгіштеріндегі заряд тасушылардың еркін жүру
жолы температураға байланысты болмайды, ол кристалл тұрақтысына тең. Яғни,
бұл теория металдардың электр өткізгіштігінің температураға байланысты
өзгеру заңын түсіндіре алмайды. Бұл теория металдардың жылу сыйымдылығының
температуралық түсуін, асқын өткізгіштік құбылысын, диэлектриктер мен
жартылай өткізгіштердің бар екендігінің айғақтығын және тағы басқа
қасиеттерді түсіндіре алмайды. Бірақ қазірге дейін әртүрлі есептеулерде
пайдаланылады [1].
1.2 Кристалдардың электр кедергісінің табиғаты
Кристалл-кеңістікте белгілі бір қатаң тәртіппен, заңдылықпен өте
тығыз орналасқан не атомдардың, не иондардың, не молекулалардың жиынтығы.
Бір бөлшек көлемдегі кристалды құраушы бөлшектердің саны шамамен 1022-1023
см-3. Кристалл құраушы бөлшектер кристалл торының түйіндерінде орналасады.
Кристалл торы белгілі бір симметрия заңына бағынады. Мысалы, кристалды
құраушы бөлшектер кеңістікте периодты түрде орналасады. Бүкіл кристалды,
тұтас өзіне-өзін параллель қалдырып, жылжыту (трансляция) векторымен
анықталатын аралыққа көшірсек, ол өзімен-өзі дәл келеді. Кристалды құраушы
бөлшектер кеңістікте периодты потенциал өрісін тудырады. Өте тығыз
орналасқан атомдардың (көршілес атомдардың ара қашықтығы а~10-8см шамасына
тең) өзара әсерлесуі нәтижесінде олардың сыртқы валенттік электрондары (төл
ядроларымен байланысы нашар электрондар) төл ядроларының өрісінен кетіп,
басқа кез келген ядролардың өрісінде еркін қозғалуына мүмкіндік алады.
Қатты дене физикасында бұл электрондарды “еркін электрондар”, не өткізгіш
электрондар дейді. Кванттық механика ілімі, егер кристалдың потенциалдық
өрісінің периодтылығы қатаң сақталса, заряд тасуға ешқандай кедергісіз
қозғалып қатынаса алатындығын дәлелдеді. Яғни, периодты потенциалдық өрісі
бұзылмаған кристалл өткізгіштердің электр кедергісі нөлге тең болады.
Кристалдық потенциалдық өрісінің периодтылығы кез келген бір себептің
әсерінен бұзылса, яғни ақаулар (кемістіктер) пайда болса, еркін электрондар
олармен соқтығысу нәтижесінде сыртқы электр өрісінен алған энергияларын
жоғалтады, қозғалу бағытын өзгертеді. Электрондардың заряд тасуға қосатын
үлесі төмендейді. Ток шамасы азаяды. Өткізгіштің электр кедергісі пайда
болады.
Кристалдың потенциалдық өрісінің периодтылығының идеалдығы кристалл
торына бөгде атомдардың енуі, тор түйіндерінде орналасқан атомдардың,
иондардың жылулық тербелмелі қозғалыстарға қатынасуы, кристалдардың шекара
беттерінің болуы, зарядталған бөлшектердің әсерінен кристалдың
поляризациялануы тағы басқа нәтижесінде бұзылады.
Кванттық механика ілімінің бұл тұжырымдарын пайдаланып жоғарыдағы
классикалық теорияның түсіндіре алмаған құбылыстарын былай түсіндіруге
болады: температура өсетін болса тор түйіндерінде орналасқан
атомдардың тербелістерінің амплитудасы өседі, электрондардың олармен
соқтығысу мүмкіндіктері, яғни өткізгіштің электр кедергісі артады, заряд
тасушы бөлшектердің еркін жүру жолы кемиді.
Қорытындылай келсек, кристалдың потенциалдық өрісінің периодтылығының
идеалдығы-мүлтіксіздігі бұзылмаған болса, онда периодты потенциал өрісінде
электрондар ешқандай кедергісіз қозғалады. Металда электр кедергісінің
пайда болуының негізгі себебі-оның потенциалдық өрісінің периодтылығының
идеалдығының бұзылуы.
Мысалы, кристалл торының түйіндерінде орналасқан атомдардың тербелмелі
қозғалысының әсерінен бұзылуы.
Еркін электрондардың кристалл торының түйіндерінде орналасқан
атомдардың жылулық тербелістерімен соқтығысу табиғатын егжей-тегжейін
қарастырайық.
Гейзенбергтің анықталмаушылық
(8)
принципін пайдаланып, кристалл түйіндерінде орналасқан атомдар, иондар
=0 болғанда, тербелмелі қозғалысқа қатыспаса да тыныштық күйде бола
алмайтындықтарын көрсетейік. Мұнда , -бөлшектің координатын,
импульсін анықтағанда жіберілетін қателер.
Егер атом тыныштық күйде болса, оның импульсі нөлге тең, яғни
импульсі дәл анықталады-импульсті анықтау кезінде жіберілетін қате нөлге
тең болады: =0. Сондықтан, Гейзенбергтің анықталмағандық принципі
бойынша, атомның координатын тапқандағы жіберілетін қате шексіздікке тең,
яғни =( болады. Басқаша айтқанда, атомды кристалл торының түйінінің
маңынан табу мүмкін емес, ол кристалл алып тұрған кеңістіктің бүкіл өне
бойына таралып орналасады. Ал, шындығында. =0 болса да, атомдар
температураға тәуелсіз “нөлдік тербеліске” қатынасады. Температура нөлден
жоғары (0 болса, атом тор түйінінің маңында тербелмелі қозғалысқа
келеді. Кристалдың ішкі энергиясы артады. Кристалл атомдары бір-бірімен өте
күшті байланыста болғандықтан, олардың әрқайсысы іргелес көрші орналасқан
атомдарды ілестіре тербеледі. Сондықтан, атомдардың тербелмелі қозғалысы
таралып кристалда серпімді толқын пайда болады. Сонымен, кристалдың ішкі
энергиясының артуы онда серпімді толқынның пайда болуын туғызады.
Егер атомның жиілігін деп белгілесек, кванттық механика
ілімінің тұжырымына сәйкес оның элементар қозуының энергиясы
(9)
теңдігімен анықталады. Бұл серпімді толқынның таситын импульсінің
шамасы кванттық бөлшектердегідей Луи де Бройль
(10)
қатынасымен анықталады. Мұнда -Планк тұрақтысы, -толқын ұзындығы.
Толқынның кристалда таралу жылдамдығы болса (-кристалда дыбыстың
таралу жылдамдығы)
(11)
қатынасы орындалады. (9)-(11) теңдіктерінен кристалдағы серпімді толқын
энергиясы үшін
(12)
өрнегін аламыз.
Сонымен мынадай қорытындыға келуге болады: (0 болғанда кристалда
импульсі мен энергиясы (10), (12)-өрнектерімен анықталатын элементар
серпімді толқын пайда болады. Элементар серпімді толқынға энергиясы мен
импульсі осы толқынның энергиясы мен импульсіне тең элементар бөлшек сәйкес
қоюға болады. Элементар толқынды кейде кристалдың периодты потенциалдық
өрісінің элементар қозулары-фонондар деп атайды.
Фононда кәдімгі кванттық бөлшектерге ұқсас, бірақ олардан өзгеше.
Кәдімгі кванттық бөлшектер кез келген ортада, тіпті вакуумда да өмір
сүреді, ал фонондар тек материалық ортада болады. Сондықтан, фононды
кәдімгі бөлшектерден айыру үшін квазибөлшек-кәдімгі бөлшекке ұқсас бөлшек
деп атайды. Квазибөлшектердің қатарына спин толқындарын, плазматрондарды
тағы басқаларды жатқызуға болады.
Квазибөлшектер кәдімгі бөлшектер тәріздес екі топқа: Бозе
квазибөлшектер, Ферми квазибөлшектер бөлінеді. Бозе және Ферми
квазибөлшектерді спиндердің белгілі бір бағытқа алынған құраушыларының
мәндері арқылы айырады.
Фонондар ұғымы еркін электрондармен кристалл торының түйіндерінде
орналасқан атомдардың, иондардың өзара әрекеттесулерін қарастыруды
жеңілдетеді. Кристалды еркін электрондар мен фонондардан тұратын газдарға
толтырылған қуыс ыдыс ретінде қарастыруға болады. Сонда электрондардың
кристалл атомдарының, иондарының тербелістерімен соқтығысуларын, электрон
және фонон газдарының өзара әсерлесуі нәтижесінде фонондардың жұтылуы, не
шығарылуы ретінде қарастырады.
Кристалдағы еркін электрон газы фонон газымен әсерлескенде электрондар
сыртқы электр өрісінен алған энергиясын фонондар жүйесіне беріп кристалдың
орташа температурасын көтереді, яғни фонондар саны көбейеді.
Электрондар кристалдағы бөгде қоспа атомдарымен де, кристалдың басқа
да ақауларымен соқтығысқанда да өздерінің артық энергияларын оларға береді.
Берілген энергия қоспа атомдарының, не басқа ақаудың тербелмелі
қозғалысының энергиясына айналады, яғни бұл да қосымша фонондардың тууына
әкеледі.
Қорытынды: кристалдағы электрондар әсерлескенде сыртқы электр өрісінен
алған энергиясын фонондар жүйесіне беріп энергияларын азайтады. Яғни
электрондар мен фонондардың өзара әсерлесуі-металдың кедергісінің пайда
болуын туғызатын негізгі құбылыс [11].
1.3 Қатты денелердің электрлік қасиеттері
Металдар көптеген керемет қасиеттерге ие. Жоғарғы иілгіштігі мен
беріктігі арқасында оларды констукторлық материалдар ретінде пайдалануға
болады.
Металдардың магниттік қасиеті әртүрлі магниттік элементтер жасауға
қолданылады. Бірақ біз олардың электрлік қасиетін бірінші қарастырамыз.
Металдарды анағұрлым көбірек сипаттайтын қасиеті ол-жоғарғы электр
өткізгіштігі.
Металдар Электр өткізгіштік, Ом-1 см-1
Т=77К T=273К
Li 9.61*105 1.17*105
Na 1.25*106 2.38*105
K 7.25*105 1.64*105
Rb 4.55*1055 9.1*104
Cu 5*106 6.41*105
Ag 3.33*106 6.62*105
Au 2*106 4.9*105
Fe 1.52*106 1.12*105
Zn 9.09*105 1.82*105
Al 3.33*106 4.08*105
Pb 2.12*106 5.26*104
1-кесте Кейбір металдардың электр өткізгіштігі 1
1.4 Электр өткізгіштік құбылысы
Ом заңына сәйкес электр өткізгіштік мына қатынаспен анықталады:
(13)
Мұндағы -ток күші, -потенциалдар айырмасы, ал меншікті электр
өткізгіштік
1 Павлов П.В. Физика твердого тела П.В. Павлов, А.Ф. Хохлов.- М., 2000,
398-стр.
(14)
Мұндағы -өткізгіш ұзындығы, -өткізгіштің көлденең қимасының
ауданы, (13) және (14)-теңдеулерден -кедергі мен -меншікті
кедергі сәйкесінше мынаған тең:
(15)
(16)
1.5 Металдардың электрлік кедергісінің температураға тәуелділігі
Металдардың электрлік кедергісі температураға пропорционал өзгереді,
ал төменгі температурада-температураның бесінші дәрежесіне пропорционал.
Температураны жоғарылатқан сайын металл өткізгіштердің кедергілері өсуі
керек: температура неғұрлым өссе, соғұрлым кристалл торындағы иондардың
қарқындылығы артып, электрондардың олармен соқтығысы жиі болады. Таза
металдарда температураны арттырған сайын кедергі
(17)
сызықтық заңмен жуықтап өседі. Мұндағы –00C температурадағы өткізгіш
кедергісі, -температура айырмасы, -кедергінің температуралық
коэффициенті, ол К-ге тең. Орташа және жоғарғы температуралар
диапазонында электр кедергісінің температураға тәуелділік мінездемесі
электр кедергісінің температуралық коэффициенті болып табылады:
(18)
Мұндағы және - және температураларға сәйкес
материалдың меншікті электрлік кедергілері. Көптеген металдардың 290К
шамасында
[12]. Бөлме температурасына жақын температураларда көптеген
металдардың электр өткізгіштігі 104-105 Ом-1см-1 аралығында жатыр.
Таблицадағы берілгендер металдардың электр өткізгіштігі температураға аса
тәуелді екеніне дәлел (Қосымша А, 1А-кесте). Эксперименттерде көбіне
температуралық тәуелділікті ( электр өткізгіштікке емес, оған кері шама (
меншікті кедергіге тұрғызады.
1-сурет Меншікті кедергінің температураға тәуелділік графигі
Температураға тәуелді емес меншікті кедергіні қалдық кедергі деп
атайды. Бұл қалдық кедергінің шамасы металдарда болатын қоспалар мен
ақаулармен анықталады. Металдардың меншікті кедергісіне ақаулар мен
қоспалардың қосатын үлесі барлық температуралар үшін бірдей.
=қоспа +таза (T)
(19)
Мұндағы қоспа-қалдық меншікті кедергі, таза-таза металдың
меншікті кедергісі.
(19)-қатынасынан көретініміз, температураға тәуелді, бірақ металдың
тазалығына тәуелді емес меншікті кедергінің компоненті мен температураның
әсерінен өзгермейтін, бірақ кристалдың құрылымы мен қоспа құрамына тәуелді
компоненті қосылады [13].
2 АСҚЫН ӨТКІЗГІШТІК
2.1 Асқын өткізгіштіктің ашылу тарихы
Классикалық электрондық теория бойынша металдардың меншікті кедергісі
барлық температураларда соңғы бола отырып суытқан кезде монотонды түрде
азаюы керек. Мұндай кедергінің температуралық тәуелділігі шынында да
салыстырмалы жоғарғы температураларда тәжірибелерде байқалған. Бірақ егер
температураны жеткілікті түрде бірнеше кельвинге төмендетсе, онда бұл
тәуелділік мүлде басқаша болады. Ең алдымен меншікті кедергі температураға
тәуелділігі жоғалып және қандай да бір шекті шамаға жетеді. Ол әр зат үшін
және де сол заттың әртүрлі үлгілері үшін де әртүрлі. Бұл қалдық кедергі
әсіресе балқымаларда жоғары, бірақ таза металдарда да кездеседі.
Тәжірибеден көретініміз, қалдық кедергі неғұрлым аз болса, соғұрлым металл
таза және зерттелініп отырған үлгіде структуралық ақаулары аз болады. Егер
температураны одан әрі төмендетсек, онда кейбір заттарда ерекше
құбылыс–асқын өткізгіштік құбылысы байқалады. Асқын өткізгіштік
құбылысы 90 жыл бұрын, яғни 1911 жылы ашылды. Голландия физигі Камерлинг-
Оннес лабораториясында металдардың электрлік кедергісі аса төмен
температурада зерттелінді (Қосымша С). Камерлинг–Оннесті температураны
төмендеткенде таза металдардың электр тогын өткізу қабілеті қызықтырды.
Таза металдардағы электрондардың қозғалысына кедергі кристалдық тордың
түйіндерінде орналасқан иондардың жылулық тербелісі әсерінен туады.
Температураны төмендеткенде бұл тербелістің қарқыны азайып, кедергінің
азаюына әкеледі. Зерттеу объектісі ретінде сынап алынды, себебі оны әртүрлі
қоспалардан тазарту оңай болды. Алғашында сынап кедергісі шынымен
температураны төмендеткенде азайды, бірақ =3.71 К –де басқалай жағдай
болды. Электрлік кедергі секірмелі түрде нөлге айналды.
Камерлинг–Оннес сынап =4.2 К температурада өзінің кедергісінен
толық айрылып, қалыпты күйден асқын өткізгіштік күйге ауысу 0.05К
температуралық интервалында болатынын байқап, асқын өткізгіштік құбылысын
ашты (Қосымша А, 1А-сурет).
Секірмелі түрде кедергінің азаюы кезіндегі температура асқын
өткізгіштік күйге ауысу температурасы немесе сындық температура деп аталып,
с деп белгіленді. Сол с температурадан төмен температураларда ток
металда ешбір кедергісіз өтеді. Электрлік кедергінің болмауы токтың ағуы
кезінде энергияның шығыны болмайды дегенді білдіреді. Кәдімгі асқын
өткізгіш емес металдардан токтың ағуы кезіндегі жылулық шығын өткізгіш
кедергісімен шартталған. Мұны Джоуль – Ленц заңынан көреміз:
(20)
мұндағы -өткізгіштен бөлінген жылу мөлшері, -ток күші, -
өткізгіш кедергісі, -уақыт. Асқын өткізгіште электрондар кедергіге
кездеспейді және энергия шығындалмайды. Сондықтан асқын өткізгіштерде ток
өшпейді. 1959 жылы мынадай эксперимент жүргізген. Асқын өткізгіш токты
металл сақинадан өткізген. 2,5 жылдан соң приборлар токтың кемімегенін
көрсеткен. Жылулық шығындалудың болмауы сақина арқылы токтың циркуляция
уақыты практика жүзінде шексіз үлкен екеніне әкеледі [14].
Алғаш асқын өткізгіштік эффектісі сынапты зерттеу кезінде байқалған.
Содан кейін жаңа асқын өткізгіштер ашылды. Қазіргі уақытта металдық
элементтердің жартысы асқын өткізгіштік күйге өте алады. Таза металдардың
ішінде жоғары температуралық ауысу және сындық температурасы ең жоғары
ниобийде с=9.2 кездеседі. Кесте 1А-да кейбір металдардың сындық
температуралары көрсетілген. (Қосымша А) [9].
Асқын өткізгіш заттардың негізгі бөлігін таза заттар емес қосылыстар
мен балқымалар құрайды. Қазір 500-дей осындай заттар бар және олардың саны
үнемі өсіп отырады. Көптеген дүниежүзілік лабораторияларда жаңа асқын
өткізгішті материалдар қарқынды ізделініп жатыр. Асқын өткізгіштік қасиеті
сақталатын ең жоғарғы температура балқымаларда байқалады. Мысал ретінде
ниобийдің қалайымен қосылысын алуға болады [3].
Жақсы өткізгіштер мысалы мыс, алтын, күміс қалыпты жағдайда кедергісі
аз, басқа заттарға қарағанда асқын өткізгіштік күйге тез өте алады деп
ойласақ, бірақ тәжірибе жүзінде олай емес. Әсіресе бұл металдарда асқын
өткізгіштік байқалмаған. Ал олардың басқа металдармен қосылысы асқын
өткізгіштік күйге өте алады. Сындық температура тек химиялық құрамына ғана
емес, кристалдың өзінің структурасына да тәуелді. Мысалы, сұр қалайы
жартылай өткізгіш болып келсе, ақ қалайы металл және сонымен бірге 3.72 К
температурада асқын өткізгіштік күйге өте алады. Бериллий өзінің асқын
өткізгіштік күйге тек пленка түрінде жасалған үлгіде көшетінімен қызықты.
Кейбір элементтер жоғарғы қысымда ғана асқын өткізгіш бола алады.
Асқын өткізгіштікті ашу үлкен қызығушылыққа әкелді. Көптеген физиктер
әртүрлі тәсілдермен асқын өткізгіштік күйдің әртүрлі ерекшіліктерін және
электр кедергінің жоғалуын түсіндірмекші болды. Энштейн 1920 жылы асқын
өткізгіштік пен ферромагнитизмнің аналогиясын ескере электрондардың топтық
өзара әрекеті жылулық қозғалысқа төзімді спонтанды магниттелуге әкеледі
деді. Энштейн пікірінше, асқын өткізгіште қандай да бір өзара әсерлесу
күштері металда кедергісіз қозғалатын топтық түзіліс бұлт пайда болуына
әкеледі. Кванттық механиканы құрғандардың бірі Гейзенберг асқын
өткізгіштікті электрондардың электростатикалық өзара әсерлесуімен
түсіндірмекші болды. Жарты ғасыр өткен соң тек 1957 жылы асқын өткізгіштік
теориясын американдық физиктер Д.Бардин, Л.Купер және Д.Шриффер құрды [4].
Металда кез-келген 2 электронды қарастырайық. Бұлардың арасында
кулондық тебілу күші болады және де олардың әрқайсысы кристалдық тордағы
иондарды тартады да тепе–теңдік күйден ығыстырады. Ионның туғызатын
электрлік өрісі басқа электрондарға да әсерін тигізеді. Осылай ионның
“көмегімен” электрондар арасында қосымша өзара байланыс пайда болады.
Кристалдық тор электрондар арасында тартылысты туғызатын аралық орта болып
саналады. Электрон кристалл тордың иондарын тартады. Тордың деформациясы
нәтижесінде электрон оң зарядталған “бұлттың” қоршауында қалады. Бұл оң
зарядталған шама электронның зарядының шамасынан үлкен болса, онда ион
“тонымен” қоршалған электрон оң зарядталған жүйе болып, басқа электронды
өзіне тартады. Жоғарғы температурада жеткілікті қарқынды жылулық қозғалыс
бөлшектерді бір бірінен ажыратып, иондық “тонды” бұзып, тартылу күшін
азайтады. Төменгі температурада тартылыс күші маңызды рөл атқарады.
Нөлге жақын температураларда электрондар арасында кулондық тебілу мен
қосымша тартылыс болады. Егер тебілу күші тартылыс күшінен артық болғанда
металл қалыпты күйде болады, ал егер қандайда бір температурада тартылыс
күші көп болғанда зат асқын өткізгіштік күйге ауысады.
Асқын өткізгіш ішіндегі электронды байқасақ, онда ол өзі қатты
тартылатын белгілі бір электронды “таңдап алады”. Бұл таңдалған электрон
қарама–қарсы импульске ие.
Асқын өткізгіштегі электрондық жүйе байланысқан электрондар жұптарына
бөлінеді. Электрондық жұп құрамы тұрақты емес, ауысып отырады. Электрондық
жұптың шамасы 10-4см. Егер жұпқа кіретін электронның күйі қандайда бір
күштің әсерінен мысалы, магнит өрісі әсерінен өзгерсе, онда оның әсері
екінші электронға да әсерін тигізеді. Температураны жоғарылатқанда
электронаралық тартылыс азайып, зат асқын өткізгіштік күйден қалыпты күйге
ауысады.
Асқын өткізгіште электронды газ кез–келген энергияны жұтпайды, ол тек
электрондық жұптың байланыс энергиясын ғана жұта алады. Егер өткізгіштегі
ток аз болып, электрондық жүйе кристалда ақырын жылжыса, онда электрондық
жүйені қоздыратындай электрондардың тормен өзара әрекеті өте аз болады. Бұл
кезде электрондық газға байланыс энергиясынан аз энергия беріледі. Бірақ
электрондар бұл энергияны жұтпайды. Сондықтан олар ешқандай шашырау
болмағандай қозғала береді. Бұл электрлік кедергінің жоқ екенін көрсетеді
[8].
2.2 Асқын өткізгіштік құбылысының табиғаты
Металдың электр өткізгіштігінің классикалық ілімінің негізгі бір
кемшілігі-“ кристалдағы еркін электрондар бір-бірімен әсерлеспейді,
сондықтан оларды идеал электрондық газ деп қарастыруға болады” деген
тұжырымға байланысты. Шындығында кристалдардағы электрондар бір-бірімен де,
кристалл торының түйіндерінде орналасқан атомдармен де, ион-дармен де
әсерлеседі. Сондықтан өткізгіштегі электрондарды идеал газ ретінде
қарастырмай, электрондық сұйық деп қарастырған жөн. Кристалдағы
электрондар Ферми сұйығын құрайды. Ферми сұйығының теориясын Л. Д. Ландау
дамытты.
1934 жылы голландиялық физиктер К. Гартерман, Х. Казимир асқын
өткізгіштерді екі түрлі: қалыпты және асқын өткізгіштер күйлерінде,
электрондық сұйықтардың қосындысынан тұрады деп қарастырады. Электрондық
сұйықтың қалыпты және асқын өткізгіш күйіндегі сәйкесті үлестері абсолюттік
температураға байланысты. Температураға сындық мәннен жоғары болғанда,
электрондық сұйықтың құрамында өткізгіштің екі фазасы да болуы мүмкін. Ал,
температура сындық температурадан төмен болғанда, электрондық сұйық тек
төтенше өткізгіш фазасындағы күйде тұрады. Электрондық сұйықтың асқын
өткізгіштік фазадағы бөлігін кейде конденсат дейді.
Өткізгіштің асқын өткізгіш күйіне көшу табиғатын түсіну үшін орта
мектептен белгілі мына жағдайды еске алайық. Нильс Бор бойынша, жекелеген
атомдардағы электрондар ядроның өрісінде тек белгілі бір дискретті кванттық
күйлерде болады. Электрондар сәйкесті энергия қабықшаларының бойымен
ешқандай кедергісіз қозғалады. Сырттан алынған энергия электрондардың
төменгі деңгейінен жоғары қозған энергия деңгейіне көшу үшін жеткіліксіз
болса, онда олар төменгі кванттық күйде қалады, сыртқы қоздырғышпен
әсерлеспейді, қабықшалардың бойымен ешқандай кедергісіз “айналыста”
болады. Сонымен, төменгідей қорытындыға келуге болады. Атомдағы электрон
сыртқы қоздырғышпен әсерлесуі үшін, яғни, оның қозғалысын тежейтін кедергі
пайда болу үшін, ол қоздырғыштан алған энергияның әсерінен, төменгі энергия
қабықшасынан жоғары қозған күйге сәйкесті энергия қабықшасына көшуі керек.
Осы тұжырымды кристалдағы электрондар сұйығына қолданайық.
Кристалдағы электрондық сұйық электр өрісінің әсерінен төменгі энергия
деңгейіне сәйкесті күйінен жоғарғы энергия деңгейіне сәйкесті күйіне көшсе,
олардың қозғалысы тежеледі, кедергі пайда болады. Электрондық сұйық қалыпты
сұйыққа жатады. Ал, егер электрондар сұйығы төменгі негізгі күйден жоғарғы
қозған күйге көше алмайды, онда заряд ешқандай кедергісіз тасылады. Ол үшін
ең төменгі күймен қозған сәйкесті энергия деңгейлерінің арақашықтығы үлкен
болуы керек, өткізгіш асқан өткізгіш фазасында болуы керек.
Сонымен, мынандай тұжырымға келеміз: өткізгіш асқын өткізгіштік
фазасында болуы үшін, біріншіден, ондағы заряд тасушы бөлшектер ең төменгі
энергия деңгейіне орналасуы қажет, екіншіден, ең төменгі энергия
деңгейімен, оған ең жақын орналасқан қозған энергия деңгейінің арақашықтығы
салыстырмалы түрде үлкен болуы керек [8].
Электрондар Ферми бөлшектер тобына жатады. Паулидің тыйым салу
принципі бойынша, бір энергия деңгейіне сәйкесті кванттық күйде екі
электроннан артық электрон орналаса алмайды, ал, екі электрон орналасу
үшін, олардың спиндері міндетті түрде бір-біріне қарама-қарсы бағытталған
болуы керек. Сондықтан, өткізгіштегі электрондар сұйығы ең төменгі энергия
деңгейіне толық конденсациялана алмайды.
Ең төменгі энергия деңгейі барлығы бірдей толық конденсациаланаатындай
кванттық бөлшектер тек Бозе бөлшектер. Яғни, өткізгіштігі электрон сұйығы
асқын өткізгіштік фазасына көшу үшін электрондардан Бозе бөлшектерін
құрастыру керек. Ол үшін жұмыс жасау керек, яғни,энергия қажет болады.
Қажетті энергияны электрондық сұйық кристалл торынан онымен әсерлесу
нәтижесінде алады. Ал, электрондардың кристалл торының түйіндерінде
тербелмелі қозғалыстағы атомдармен әсерлесу кезінде фотондар
жұтылғандықтан, не пайда болғандығын білеміз. Осының нәтижесінде
электрондардың электр өрісіндегі бағытталған қозғалыстары тежеліп,
өткізгіштің электр кедергісі пайда болады.
Төменде электрондар мен фонондардың әсерлесу нәтижесінде тек қана
кедергі болмай, өткізгіштің кедергісі азаюы да мүмкін екендігін көрсетеміз.
Қозғалыстағы электрон кристаллторының түйініне жақындатылғанда, ол
түйінде орналасқан оң ионды өзіне тартып, оны тербеледі, Ион электронға
қарсы тартылғанда оның маңындағы кристалдың микрокөлемінде оң заряд пайда
болады. Электронның массасы ионның массасынан көп үлкен болғандықтан, ион
өз орнынан ауытқып үлгергенше электрон бірталай қашықтыққа ұзап кетеді.
Бірақ ол оң зарядпен байланысын жоғалтпайды. Ион өте сылбыр
қозғалғандықтан, ол тепе-тең қалпына келіп үлгермейді. Кристалдың
микрокөлемі оң зарядталған күйде қалады. Оң зарядталған микрокөлемге, оған
таяу өтіп бара жатқан, екінші бір электрон тартылады. Сонымен, оң
зарядталған микрокөлем екі бірдей электронды өзіне тартып қосақтандырады.
Кристалл торының түйіндеріндегі иондармен жоғарыдағыдай әсерлесу
нәтижесінде пайда болған өзара байланысқан екі электронды, америка ғалымы
Купердің құрметіне, Купер қосағы дейді (Қосымша С). Купер қосағы
электрондардан құралған Бозе бөлшегіне жатады. Купер қосағының құрамындағы
электрондардың спиндері де, импульстері де міндетті түрде шамалы жағынан
бір-біріне тең, бағыттары қарама-қарсы болулары керек.
Купер қосағын құратын электрондар бір-бірінен кристалл тұрақтысымен
салыстырғанда, алыс арақашықта (( 10-4 ) орналасады. Егер бірінші электрон
оң зарядталған ионнан алыс қашықтыққа кетіп үлгермесе, оның теріс заряды
екінші электронды оң зарядталған ионға жақындатпайды, онымен әсерлесуін
қиындатады. Екі электрон Купер қосағын құрай алмайды.
Қосақты ыдырату үшін ондағы электрондардың “тарту” күшіне қарсы жұмыс
істеу керек, яғни, қосымша энергия қажет. Купер қосағы заряд тасуға
қатынасады. Купер қосағы ұғымын пайдаланып асқын өткізгіштердің кейбір
қасиеттерін былай түсіндіруге болады. Купер қосағын құраушы электрондар бір-
бірінен алыс орналасатындықтан, қосақты бағытталған қозғалысы кезінде оның
бір электроны кристалдың потенциалдық өрісінің периодтығын бұзатын ақаумен
соқтығысқанда, екінші электрон ақаудың қосақтығын қозғалыс жолында пайда
болған да сезбейді. Сондықтан ақаумен соқтығысу нәтижесінде бірінші
электрон өзінің жылдамдығын өзгертпейді. Егер жылдамдығын өзгертетін болса,
ол Купер қосағын жасап тұрған өзінің сыңарын жоғалтады, яғни, Купер
қосағының ыдырауы керек. Төменгі температурада Купер қосағының, ақауымен
соқтығысу нәтижесінде, алатын энергиясы оны ыдыратуға жеткіліксіз.
Сондықтан, Купер қосағын құрайтын электрондар кристалдың ақауларымен
“соқтығыспай”, оларды “айналып” өтеді, өздерінің энергиясын өзгертпейді.
Купер қосағы өткізгіш арқылы зарядты ешқандай кедергісіз тасиды. Асқын
өткізгіштік құбылысы пайда болады [13].
Көбіне асқын өткізгіштік күйдегі асқын өткізгіштердің кедергісі үшін
сандық бағалау асқын өткізгіш сақинада индукциялық ток тудыру әдісі болып
келеді. Зерттелінетін металдан жасалған сақина сындық температурадан жоғары
температурада магниттік өріске енгізіледі.Содан кейін сындық температурадан
төмен температураға дейін салқындатып, асқын өткізгіштік күйге ауыстырады.
Сосын магнит өрісі өшіріліп, сақинада индукциялық ток қозады. Кәдімгі
қалыпты металда индукциялық ток тез өшіп қалады. Осы өшу жылдамдығына
байланысты сақинаның кедергісі туралы айтуға болады. Егер сақина асқын
өткізгіш болса, онда ток іс жүзінде шексіз ұзақ сақталады. Бұл токты
бақылай отыра, сақинаның кедергісінің жоғары шегін бағалауға болады. Бұл
жолмен қорғасынның асқын өткізгіштік күйдегі меншікті кедергісі ом-1
см-1-тен аз болғандығы алынған. Сындық температураға өту кезінде кедергінің
секірісі 14 ретке азайған. Бұл нақты толық түрде асқын өткізгіштік күйде
тұрпқты токтағы электрлік кедергі шынымен де жоғалады деп есептеуге
мүмкіндік береді.
Лейден лабораториясында өткізілген тәжірибеде 700 метр қорғасыннан
жасалған өткізгішті катушка пайдаланылған; 12 сағат өткенше ток күшінің
қандай да бір азаюы байқалмады. Құрылғылардың сезімталдығы туралы
берілгендер мен токтың төмендеуі үшін формуладан
(21)
мұнда R10ө17R0, R0-бөлме температурасындағы кедергі немесе R10ө15R01,
R01 –асқын өткізгіштік болмаған жағдайдағы қалдық кедергі болғанда
есептелінді [8].
2.3 Асқын өткізгіштің электрлік және магниттік қасиеті
Асқын өткізгіштік күйдегі заттар керемет қасиетке ие болады. Бірінші
қасиеті асқын өткізгіште алғашында қоздырылған ток ток көзінсіз көп уақыт
сақталына алады. Бұл кедергінің жоғалуына байланысты токтың өшу уақыты
өте үлкен мәнге ие болғанда болады. Бұл құбылысты асқын өткізгіштен
тұйық үлкен емес контурды сұйық гелийі бар ыдысқа салады да,
электромагниттік индукция көмегімен контурда ток тудырған. Бұл токты ыдыс
жанында орналастырылған магнит стрелкасының ауытқуынан байқаған және де бұл
стрелка бірнеше тәулік бойы ауытқып тұрған.
Ток тұрақты болған кезде және сындық температурадан төмен
температурада асқын өткізгіште ешқандай электрлік кедергі болмайды.
Айнымалы ток кезінде ток жиілігі артқан сайын кедергі нөлден жоғары болады.
Бұл мәлімдеме, яғни фактты асқын өткізгіштің қоссұйықтық моделі негізінде
түсіндіруге болады. Бұл модельге сәйкес асқын өткізгіште электр тогын
тудыратын электрондар екі топқа бөлінеді: асқын өткізгіштік және қалыпты.
Асқын өткізгіш екі сұйықпен сіңдірілген сияқты, содан бұл модельдің аты
шыққан. Асқын өткізгіш электрондар өзінің қозғалысында ешқандай кедергі
кездестірмейді, олар инерциямен қозғалады. Сондықтан асқын өткізгіш токты
ұстап тұру үшін ешқандай электр өрісі қажет емес. Керісінше, қалыпты
электрондар кәдімгі металдарда сияқты тордағы атомдармен соқтығысады. Және
қалыпты электрондар тогы үшін кәдімгі Ом заңы әділетті болады. Электр
өрісін қосқан кезде асқын өткізгішті электрондар да, қалыпты электрондар да
үдейді. Тұрақты ток болған кезде асқын өткізгіште электр өрісі жоғалып кету
керек, себебі асқын өткізгіш электрондар үздіксіз үдеп, олар туғызатын ток
шексіз өсе берер еді. Ал бұл олай болуы мүмкін емес. Бірақ электр өрісі жоқ
болған кезде қалыпты электрондар ешқандай ток тудыра алмайды. Ток тек асқын
өткізгіш электрондар арқылы туады, сондықтан ешқандай электр кедергісі
пайда болмайды. Егер де ток күші ауысса, онда асқын өткізгіште электр өрісі
болу керек. Қалыпты электрондар ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Физика кафедрасы
БІТІРУ ЖҰМЫСЫ
Тақырыбы: ҚАТТЫ ДЕНЕЛЕРДЕГІ “ЭЛЕКТР ӨТКІЗГІШТІК” БӨЛІМІН КОМПЬЮТЕРДІҢ
ҚОЛДАНУЫМЕН ОРТА МЕКТЕПТЕ ОҚЫТУ
МАЗМҰНЫ
КІРІСПЕ
4
1. ӘРТҮРЛІ ОРТАДАҒЫ ЭЛЕКТР ТОГЫ 5
1. Электр өткізгіштіктің классикалық ілімі және оның қиыншылықтары 5
1.2 Кристалдардың электр кедергісінің табиғаты
8
1.3 Қатты денелердің электрлік қасиеттері
12
1.4 Электр өткізгіштік құбылысы
13
1.5 Металдардың электрлік кедергісінің температураға тәуелділігі
14
2 АСҚЫН ӨТКІЗГІШТІК
15
2.1 Асқын өткізгіштіктің ашылу тарихы
15
2.2 Асқын өткізгіштік құбылысының табиғаты
19
2.3 Асқын өткізгіштің электрлік және магниттік қасиеттері
24
2.4 Мейсснер-Оксенфельд эффектісін тәжірибеде байқау
28
2.5 Асқын өткізгіштіктің бұзылуы
28
2.6 Фазалық көшу
29
2.7 Асқын өткізгіштікті есептеу техникасында
пайдалану 30
3 МЕКТЕПТЕ 10-СЫНЫПТА “ӘРТҮРЛІ ОРТАДАҒЫ ЭЛЕКТР ТОГЫ” БӨЛІМІНДЕГІ
“МЕТАЛДАРДЫҢ ЭЛЕКТР ӨТКІЗГІШТІГІ. ӨТКІЗГІШ КЕДЕРГІСІНІҢ ТЕМПЕРАТУРАҒА
ТӘУЕЛДІЛІГІ. АСҚЫН
ӨТКІЗГІШТІК” ТАҚЫРЫБЫН ОҚЫТУ ӘДІСТЕМЕСІ 32
4. “МЕТАЛДАР ЖӘНЕ БАЛҚЫМАЛАРДЫҢ ЭЛЕКТР
КЕДЕРГІСІН АНЫҚТАУ ТӘСІЛІ”
ЗЕРТХАНАЛЫҚ ЖҰМЫС
39
ҚОРЫТЫНДЫ
45
ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР
47
ҚОСЫМША А 48
ҚОСЫМША Б 49
ҚОСЫМША В 50
ҚОСЫМША С 53
ҚОСЫМША Д 55
ҚОСЫМША К 57
ҚОСЫМША Е 59
КІРІСПЕ
Дипломдық жұмыстың аты : Қатты денелердегі “Электрөткізгіштік” бөлімін
компьютердің қолдануымен орта мектепте оқыту. Оқытудың жаңа әдіс–тәсілдерін
пайдалану, үйлесімді тәжірибе ғана мұғалімді табысқа жетелеп, теориялық
білімін шыңдай түседі. Осы жұмыста “Әртүрлі ортадағы электр тогы” бөлімінің
“Меншікті кедергі. Өткізгіш кедергісінің температураға тәуелділігі. Асқын
өткізгіштік” тақырыбының әдістемесін компьютерді қолданып оқытуды мақсат
етіп алдық және тақырыпқа сай металдардағы электрлік кедергіні есептеу
мақсатында “Металдар мен балқымалардағы электр кедергіні анықтау тәсілі”
атты зертханалық жұмыс жасадық. Ең қиыны оқытудың бүкіл әдіс–тәсілдерін
белгілі ізге салып, сабақтың құрылысын қазіргі өмір талабына сай қайта
құру. Әдістемедегі негізгі мақсатымыз: оқушылардың бұл тақырыпқа бөлінген
бір сағат уақытты үнемдеп, көрнекі құрал ретінде компьютерді пайдаланып,
тақырыпты түсінікті етіп баяндап, оқушылардың көбірек мағлұмат алуына
жағдай жасау.
Оқыту әдістерінің, сабақ түрлерінің молдығы, оқушылардың оқу
процесінің элементтеріне ретімен, жүйелі араласып отыруы, оларды шебер
пайдалану-әрбір пәнді оқыту процесінің тиімді болуының аса маңызды
шарттарының бірі. Сабақтың алдында мынадай міндеттер тұрады:
- Оқушыларға терең білім беру, іскерліктері мен дағдыларын жетілдіріп,
қалыптастыру.
- Өз бетінше оқуға үйрету, шығармашылық қабілетін дамыту, оқуына талдау
жасау, алған білімді практикада қолдана білуге баулу, ойын дамыту,
оқуға , білімге деген көзқарасын қалыптастыру, жүйелі оқудың
қажеттілігін ұғындыру.
Ғылыми-техникалық прогресс заманында білім беруді демократияландыру
мен ізгілендірудің басты факторларының бірі–оны информатикаландыру процесі
болып табылады. Компьютерді оқу процесінде пайдалану мәселесіне арналған
зерттеулерге талдау жасасақ, компьютердің төмендегідей дидактикалық
мүмкіндіктерін көруге болады. Ол:
- Оқушылардың өз бетімен шығармашылық бағытта жұмыс істеуіне,
әсіресе құбылыстарды зерттеуге, басқаруға мүмкіндік береді;
- Оқушылардың өзін-өзі бақылауына және өз жұмыс әрекетіне өзінің
түзету енгізе білуіне үйретеді;
- Басқа пәндерден алған білімдерін бекітуге көмектеседі;
- Жалпы танымдық қабілеттердің дамуына әсер етеді;
- Өткен материалдардағы негізгі құбылыстар мен заңдылықтарды көре
отырып сабақты пысықтауға мүмкіндік береді;
- Материалды тез меңгеруге, сонымен бірге уақыт ұтуға, пәндерді
интеграциялап оқуға жағдай жасайды, пәннің сапасы мен мазмұнына
да түбегейлі өзгерістер енгізеді;
- Табиғи жағдайда көзге көрінбейтін кейбір құбылыстарды экранда
көруге мүмкіндік береді;
Бұл келтірілген компьютердің дидактикалық мүмкіндіктерінен оны физика
сабағының тиімділігін арттыруда да пайдалануға болатындығын көруге болады.
Физиканы оқыту жаңа компьютерлік технологиялардың көмегімен терең де толық
орындалады. Физика сабағын оқушының қызығушылығын арттырып, түрлендіре
жүргізсе жақсы нәтижеге қол жеткізуге болады.
Физиканы оқытуда есептеу техникасын пайдалану оқушыларды ынталандырып,
олардың ойындағы қабілеттердің дамып, көрінуіне және пәнге, жаңа техникаға
деген қызығушылығын арттырады. Компьютердің оқушылардың танымдық
ізденімпаздығын қалыптастырып және дамытуға әсерін айқындау үшін физиканы
компьютер көмегімен оқытудағы альтернативті пікірлерді талдау қажет.
Компьютерлік оқыту–компьютерді кеңінен қолдану негізінде оның сапасы,
интенсивтілігін іске асыру арқылы оқытудың “сұрау–түсіндіру–бекіту–үйге
тапсырма” түрінен өз бетінше білім алу қажеттілігі мен жолдарына сүйенетін
шығармашыл белсенді, ұтымды түріне көшуге бағытталған.
1ӘРТҮРЛІ ОРТАДАҒЫ ЭЛЕКТР ТОГЫ
1.1Электр өткізгіштіктің классикалық ілімі және оның қиыншылықтары
Сыртқы электр қозғаушы күшінің әсерінен ортада белгілі бір бағытта
заряд тасымалданатын болса, ондай ортаны электр өткізгіш орта дейді. Заттар
физикалық қасиеттеріне байланысты қатты, сұйық және газ деп 3-ке бөлінеді.
Олар электр тогын өткізеді. Ортада заряд таситын бөлшектер электрондар,
иондалған атомдар, молекулалар болуы мүмкін. Заряд сұйықтарда оң және теріс
зарядталған иондармен; газдарда иондалған атомдармен, молекулалармен; қатты
денелерде негізінен электрондармен тасылады [7].
Денелерде зарядтың тасымалдануын сипаттау үшін меншікті электр
өткізгіштік () деген физикалық шама ендіреді. Меншікті электр
өткізгіштік тек ортаның қасиетіне байланысты. Кристалдар электр тогын
өткізуіне байланысты 3-ке бөлінеді: өткізгіштер–металдар, жартылай
өткізгіштер және диэлектриктер. Металл өткізгіштерге тоқталамыз.
Металдардың электр өткізгіштіктің классикалық электрондық ілімінің
негізін салушылар П.К.Друде (1863-1906) мен Х.А.Лоренц (1853-1928). Олардың
ілімі мына тұжырымдарға негізделген:
1) Кристалл торының ішінде еркін қозғала алатын еркін электрондар бар.
Олар ретсіз жылулық қозғалыста болады;
2) Еркін электрондарды өзаоа әсерлеспейтін электрондардан тұратын
электрондық газ деп қарастырып, олар үшін идеал газдың кинетикалық
теориясының барлық заңдарын қолдануға болады;
3) Сыртқы электр өрісінің әсерінен еркін электрондар бағытталған
қозғалысқа қатынасып, заряд тасиды-ток туғызады;
Друде металдағы ретсіз жылулық қозғалыстағы электрондар бірдей орташа
жылдамдықпен қозғалады деп тұжырымдады. Бұл жағдайда электрондардың
(1)
мұндағы -электрон массасы, -электронның жылдамдығы, -
Больцман
тұрақтысы, -температура, өрнегін пайдаланып, t=00С–ға тең
температурасы үшін анықталған орташа жылдамдығы =110кмсек.
Лоренц “металдағы еркін электрондардың жылдамдық бойынша үлестірілуі
Максвелл заңымен анықталады” деп Друде теориясын әрі дамытты.
Друде-Лоренц теориясы металдардың жылу және электр өткізгіштігін жап-жақсы
түсіндіргенімен олардың жылу сыйымдылығына еркін электрондардың қатынасын
түсіндіре алмады.
Металдардың жылу сыйымдылығы кристалл торының түйіндерінде орналасқан
иондардың тербелмелі қозғалысымен толық анықталады. Электрондардың
металдардың жылу сыйымдылығына қосатын үлесі жоққа тән. Бұлай болу үшін
металдардағы электрондар саны өте аз болуы керек. Ал, электрондар саны өте
аз болса, металдың өте жақсы электр және жылу өткізгіштерін түсіндіру
қиынға түседі.
Друде мен Лоренцтің металдардың электр өткізгіштігін қалай
түсіндіретіндігіне тоқталайық.
Металдардағы еркін электрондар сыртқы электр өрісінің () әсерінен
үдей қозғалады. Ток шамасы өседі. Алайда, электрондардың кристалл торының
түйіндерінде орналасқан иондармен соқтығысуы нәтижесінде олардың жылдамдығы
үздіксіз өспейді. Ол қатар екі соқтығысудың арасында ғана, электрондардың
еркін жүру жолы () бойында ғана өседі. Соқтығысу нәтижесінде
электрондар өздерінің электр өрісінен алған энергиясын металл иондарына
беріп, жылдамдықтарын нөлге дейін азайтады. Электрондар өріс әсерінен
жылдамдықтарын иондармен келесі соқтыққанша тағы да көбейте береді. Еркін
жүру жолына тең жол жүріп өткеннен кейін, электрондар ионмен соқтығысып,
оның жылдамдығы тағы да нөлге дейін азаяды. Бұл құбылыс қайталанып,
электрондар біртіндеп секіре қозғалып, заряд тасиды-
ток туғызады.
Металдардағы электр өткізгіштікті есептейік. Еркін жүру кезінде
электронның алатын үдеу шамасы:
(2)
қатынасымен анықталады, мұнда -өріс кернеулігі, -электронның
массасы, -үдеуі, -электронның заряды. Егер еркін жүру уақытын
деп белгілесек, әр электронның бағытталған қозғалысының орташа
жылдамдығы:
(3)
шамасымен анықталады.
Тізбектің бірлік қимасы арқылы бір өлшем уақыт аралығында ағып өтетін
электрондар саны былай анықталады:
(4)
мұндағы -ток тығыздығы, -концентрация.
Онда (3) және (4)-теңдіктерінен
(5)
өрнегін аламыз. Егер кейінгі теңдікті Омның дифференциал
(6)
заңымен салыстырсақ, металдардың электр өткізгіштігі үшін мына
теңдікті аламыз:
(7)
Металдардың қасиеттері, сонымен қатар жоғарғы электр өткізгіштік, Ом
заңын және тағы басқа заңдылықтарды Друде еркін электрондарының классикалық
теориясы түсіндірді. Алайда, металдардың электр өткізгіштіктерінің
классикалық теориясының тұжырымдары кейбір алынған деректерге сәйкес
келмейді.
Бос кеңістіктегі электрондар тұрақты электр өрісінің әсерінен тұрақты
үдеу алатындықтан, олардың туғызатын тогы шексіз мәнге дейін өсуі мүмкін.
Ал, металл өткізгіште тұрақты потенциал айырымының әсерінен тұрақты ток
туады, яғни ток шектелген мән қабылдайды. Классикалық теория металдағы
токтың шамасының шектеулі болуын электрондардың ілгерімелі қозғалыс кезінде
кристалл торының түйіндеріндегі орналасқан иондармен соқтығысуымен
байланыстырады. Бұл теория бойынша электрондардың қатарлас екі
соқтығысулардың аралығында жүретін жолы–еркін жүру жолы, кристалл
тұрақтысымен (а) анықталып, өте аз 10-8 см мәнін қабылдайды. Еркін жүру
жолының бұл мәні тәжірибе арқылы анықталған өткізгіштегі электрондардың
еркін жүру жолынан мыңдаған есе кіші. Бұл жағдай классикалық теорияның
“өткізгіштегі еркін электрондар ұмтылмалы қозғалыс кезінде кристалл торының
түйіндерінде орналасқан кез келген ионымен соқтығысып, өздерінің ілгерімелі
қозғалысының энергиясын жоғалтады” деген тұжырымына қайшы келеді.
Классикалық теория металдардың электр өткізгіштіктерінің температураға
байланысты өзгеру заңдылығын да түсіндіре алмайды. Температура өскенде
металдардың меншікті кедергісі жүздеген, мыңдаған есе өсетіндігі тәжірибе
арқылы көрсетілген. Меншікті кедергінің өсуін тек заряд тасушылардың еркін
жүру жолының азаюымен түсіндіруге болады. Ал, Друде-Лоренц классикалық
теориясы бойынша кристалл өткізгіштеріндегі заряд тасушылардың еркін жүру
жолы температураға байланысты болмайды, ол кристалл тұрақтысына тең. Яғни,
бұл теория металдардың электр өткізгіштігінің температураға байланысты
өзгеру заңын түсіндіре алмайды. Бұл теория металдардың жылу сыйымдылығының
температуралық түсуін, асқын өткізгіштік құбылысын, диэлектриктер мен
жартылай өткізгіштердің бар екендігінің айғақтығын және тағы басқа
қасиеттерді түсіндіре алмайды. Бірақ қазірге дейін әртүрлі есептеулерде
пайдаланылады [1].
1.2 Кристалдардың электр кедергісінің табиғаты
Кристалл-кеңістікте белгілі бір қатаң тәртіппен, заңдылықпен өте
тығыз орналасқан не атомдардың, не иондардың, не молекулалардың жиынтығы.
Бір бөлшек көлемдегі кристалды құраушы бөлшектердің саны шамамен 1022-1023
см-3. Кристалл құраушы бөлшектер кристалл торының түйіндерінде орналасады.
Кристалл торы белгілі бір симметрия заңына бағынады. Мысалы, кристалды
құраушы бөлшектер кеңістікте периодты түрде орналасады. Бүкіл кристалды,
тұтас өзіне-өзін параллель қалдырып, жылжыту (трансляция) векторымен
анықталатын аралыққа көшірсек, ол өзімен-өзі дәл келеді. Кристалды құраушы
бөлшектер кеңістікте периодты потенциал өрісін тудырады. Өте тығыз
орналасқан атомдардың (көршілес атомдардың ара қашықтығы а~10-8см шамасына
тең) өзара әсерлесуі нәтижесінде олардың сыртқы валенттік электрондары (төл
ядроларымен байланысы нашар электрондар) төл ядроларының өрісінен кетіп,
басқа кез келген ядролардың өрісінде еркін қозғалуына мүмкіндік алады.
Қатты дене физикасында бұл электрондарды “еркін электрондар”, не өткізгіш
электрондар дейді. Кванттық механика ілімі, егер кристалдың потенциалдық
өрісінің периодтылығы қатаң сақталса, заряд тасуға ешқандай кедергісіз
қозғалып қатынаса алатындығын дәлелдеді. Яғни, периодты потенциалдық өрісі
бұзылмаған кристалл өткізгіштердің электр кедергісі нөлге тең болады.
Кристалдық потенциалдық өрісінің периодтылығы кез келген бір себептің
әсерінен бұзылса, яғни ақаулар (кемістіктер) пайда болса, еркін электрондар
олармен соқтығысу нәтижесінде сыртқы электр өрісінен алған энергияларын
жоғалтады, қозғалу бағытын өзгертеді. Электрондардың заряд тасуға қосатын
үлесі төмендейді. Ток шамасы азаяды. Өткізгіштің электр кедергісі пайда
болады.
Кристалдың потенциалдық өрісінің периодтылығының идеалдығы кристалл
торына бөгде атомдардың енуі, тор түйіндерінде орналасқан атомдардың,
иондардың жылулық тербелмелі қозғалыстарға қатынасуы, кристалдардың шекара
беттерінің болуы, зарядталған бөлшектердің әсерінен кристалдың
поляризациялануы тағы басқа нәтижесінде бұзылады.
Кванттық механика ілімінің бұл тұжырымдарын пайдаланып жоғарыдағы
классикалық теорияның түсіндіре алмаған құбылыстарын былай түсіндіруге
болады: температура өсетін болса тор түйіндерінде орналасқан
атомдардың тербелістерінің амплитудасы өседі, электрондардың олармен
соқтығысу мүмкіндіктері, яғни өткізгіштің электр кедергісі артады, заряд
тасушы бөлшектердің еркін жүру жолы кемиді.
Қорытындылай келсек, кристалдың потенциалдық өрісінің периодтылығының
идеалдығы-мүлтіксіздігі бұзылмаған болса, онда периодты потенциал өрісінде
электрондар ешқандай кедергісіз қозғалады. Металда электр кедергісінің
пайда болуының негізгі себебі-оның потенциалдық өрісінің периодтылығының
идеалдығының бұзылуы.
Мысалы, кристалл торының түйіндерінде орналасқан атомдардың тербелмелі
қозғалысының әсерінен бұзылуы.
Еркін электрондардың кристалл торының түйіндерінде орналасқан
атомдардың жылулық тербелістерімен соқтығысу табиғатын егжей-тегжейін
қарастырайық.
Гейзенбергтің анықталмаушылық
(8)
принципін пайдаланып, кристалл түйіндерінде орналасқан атомдар, иондар
=0 болғанда, тербелмелі қозғалысқа қатыспаса да тыныштық күйде бола
алмайтындықтарын көрсетейік. Мұнда , -бөлшектің координатын,
импульсін анықтағанда жіберілетін қателер.
Егер атом тыныштық күйде болса, оның импульсі нөлге тең, яғни
импульсі дәл анықталады-импульсті анықтау кезінде жіберілетін қате нөлге
тең болады: =0. Сондықтан, Гейзенбергтің анықталмағандық принципі
бойынша, атомның координатын тапқандағы жіберілетін қате шексіздікке тең,
яғни =( болады. Басқаша айтқанда, атомды кристалл торының түйінінің
маңынан табу мүмкін емес, ол кристалл алып тұрған кеңістіктің бүкіл өне
бойына таралып орналасады. Ал, шындығында. =0 болса да, атомдар
температураға тәуелсіз “нөлдік тербеліске” қатынасады. Температура нөлден
жоғары (0 болса, атом тор түйінінің маңында тербелмелі қозғалысқа
келеді. Кристалдың ішкі энергиясы артады. Кристалл атомдары бір-бірімен өте
күшті байланыста болғандықтан, олардың әрқайсысы іргелес көрші орналасқан
атомдарды ілестіре тербеледі. Сондықтан, атомдардың тербелмелі қозғалысы
таралып кристалда серпімді толқын пайда болады. Сонымен, кристалдың ішкі
энергиясының артуы онда серпімді толқынның пайда болуын туғызады.
Егер атомның жиілігін деп белгілесек, кванттық механика
ілімінің тұжырымына сәйкес оның элементар қозуының энергиясы
(9)
теңдігімен анықталады. Бұл серпімді толқынның таситын импульсінің
шамасы кванттық бөлшектердегідей Луи де Бройль
(10)
қатынасымен анықталады. Мұнда -Планк тұрақтысы, -толқын ұзындығы.
Толқынның кристалда таралу жылдамдығы болса (-кристалда дыбыстың
таралу жылдамдығы)
(11)
қатынасы орындалады. (9)-(11) теңдіктерінен кристалдағы серпімді толқын
энергиясы үшін
(12)
өрнегін аламыз.
Сонымен мынадай қорытындыға келуге болады: (0 болғанда кристалда
импульсі мен энергиясы (10), (12)-өрнектерімен анықталатын элементар
серпімді толқын пайда болады. Элементар серпімді толқынға энергиясы мен
импульсі осы толқынның энергиясы мен импульсіне тең элементар бөлшек сәйкес
қоюға болады. Элементар толқынды кейде кристалдың периодты потенциалдық
өрісінің элементар қозулары-фонондар деп атайды.
Фононда кәдімгі кванттық бөлшектерге ұқсас, бірақ олардан өзгеше.
Кәдімгі кванттық бөлшектер кез келген ортада, тіпті вакуумда да өмір
сүреді, ал фонондар тек материалық ортада болады. Сондықтан, фононды
кәдімгі бөлшектерден айыру үшін квазибөлшек-кәдімгі бөлшекке ұқсас бөлшек
деп атайды. Квазибөлшектердің қатарына спин толқындарын, плазматрондарды
тағы басқаларды жатқызуға болады.
Квазибөлшектер кәдімгі бөлшектер тәріздес екі топқа: Бозе
квазибөлшектер, Ферми квазибөлшектер бөлінеді. Бозе және Ферми
квазибөлшектерді спиндердің белгілі бір бағытқа алынған құраушыларының
мәндері арқылы айырады.
Фонондар ұғымы еркін электрондармен кристалл торының түйіндерінде
орналасқан атомдардың, иондардың өзара әрекеттесулерін қарастыруды
жеңілдетеді. Кристалды еркін электрондар мен фонондардан тұратын газдарға
толтырылған қуыс ыдыс ретінде қарастыруға болады. Сонда электрондардың
кристалл атомдарының, иондарының тербелістерімен соқтығысуларын, электрон
және фонон газдарының өзара әсерлесуі нәтижесінде фонондардың жұтылуы, не
шығарылуы ретінде қарастырады.
Кристалдағы еркін электрон газы фонон газымен әсерлескенде электрондар
сыртқы электр өрісінен алған энергиясын фонондар жүйесіне беріп кристалдың
орташа температурасын көтереді, яғни фонондар саны көбейеді.
Электрондар кристалдағы бөгде қоспа атомдарымен де, кристалдың басқа
да ақауларымен соқтығысқанда да өздерінің артық энергияларын оларға береді.
Берілген энергия қоспа атомдарының, не басқа ақаудың тербелмелі
қозғалысының энергиясына айналады, яғни бұл да қосымша фонондардың тууына
әкеледі.
Қорытынды: кристалдағы электрондар әсерлескенде сыртқы электр өрісінен
алған энергиясын фонондар жүйесіне беріп энергияларын азайтады. Яғни
электрондар мен фонондардың өзара әсерлесуі-металдың кедергісінің пайда
болуын туғызатын негізгі құбылыс [11].
1.3 Қатты денелердің электрлік қасиеттері
Металдар көптеген керемет қасиеттерге ие. Жоғарғы иілгіштігі мен
беріктігі арқасында оларды констукторлық материалдар ретінде пайдалануға
болады.
Металдардың магниттік қасиеті әртүрлі магниттік элементтер жасауға
қолданылады. Бірақ біз олардың электрлік қасиетін бірінші қарастырамыз.
Металдарды анағұрлым көбірек сипаттайтын қасиеті ол-жоғарғы электр
өткізгіштігі.
Металдар Электр өткізгіштік, Ом-1 см-1
Т=77К T=273К
Li 9.61*105 1.17*105
Na 1.25*106 2.38*105
K 7.25*105 1.64*105
Rb 4.55*1055 9.1*104
Cu 5*106 6.41*105
Ag 3.33*106 6.62*105
Au 2*106 4.9*105
Fe 1.52*106 1.12*105
Zn 9.09*105 1.82*105
Al 3.33*106 4.08*105
Pb 2.12*106 5.26*104
1-кесте Кейбір металдардың электр өткізгіштігі 1
1.4 Электр өткізгіштік құбылысы
Ом заңына сәйкес электр өткізгіштік мына қатынаспен анықталады:
(13)
Мұндағы -ток күші, -потенциалдар айырмасы, ал меншікті электр
өткізгіштік
1 Павлов П.В. Физика твердого тела П.В. Павлов, А.Ф. Хохлов.- М., 2000,
398-стр.
(14)
Мұндағы -өткізгіш ұзындығы, -өткізгіштің көлденең қимасының
ауданы, (13) және (14)-теңдеулерден -кедергі мен -меншікті
кедергі сәйкесінше мынаған тең:
(15)
(16)
1.5 Металдардың электрлік кедергісінің температураға тәуелділігі
Металдардың электрлік кедергісі температураға пропорционал өзгереді,
ал төменгі температурада-температураның бесінші дәрежесіне пропорционал.
Температураны жоғарылатқан сайын металл өткізгіштердің кедергілері өсуі
керек: температура неғұрлым өссе, соғұрлым кристалл торындағы иондардың
қарқындылығы артып, электрондардың олармен соқтығысы жиі болады. Таза
металдарда температураны арттырған сайын кедергі
(17)
сызықтық заңмен жуықтап өседі. Мұндағы –00C температурадағы өткізгіш
кедергісі, -температура айырмасы, -кедергінің температуралық
коэффициенті, ол К-ге тең. Орташа және жоғарғы температуралар
диапазонында электр кедергісінің температураға тәуелділік мінездемесі
электр кедергісінің температуралық коэффициенті болып табылады:
(18)
Мұндағы және - және температураларға сәйкес
материалдың меншікті электрлік кедергілері. Көптеген металдардың 290К
шамасында
[12]. Бөлме температурасына жақын температураларда көптеген
металдардың электр өткізгіштігі 104-105 Ом-1см-1 аралығында жатыр.
Таблицадағы берілгендер металдардың электр өткізгіштігі температураға аса
тәуелді екеніне дәлел (Қосымша А, 1А-кесте). Эксперименттерде көбіне
температуралық тәуелділікті ( электр өткізгіштікке емес, оған кері шама (
меншікті кедергіге тұрғызады.
1-сурет Меншікті кедергінің температураға тәуелділік графигі
Температураға тәуелді емес меншікті кедергіні қалдық кедергі деп
атайды. Бұл қалдық кедергінің шамасы металдарда болатын қоспалар мен
ақаулармен анықталады. Металдардың меншікті кедергісіне ақаулар мен
қоспалардың қосатын үлесі барлық температуралар үшін бірдей.
=қоспа +таза (T)
(19)
Мұндағы қоспа-қалдық меншікті кедергі, таза-таза металдың
меншікті кедергісі.
(19)-қатынасынан көретініміз, температураға тәуелді, бірақ металдың
тазалығына тәуелді емес меншікті кедергінің компоненті мен температураның
әсерінен өзгермейтін, бірақ кристалдың құрылымы мен қоспа құрамына тәуелді
компоненті қосылады [13].
2 АСҚЫН ӨТКІЗГІШТІК
2.1 Асқын өткізгіштіктің ашылу тарихы
Классикалық электрондық теория бойынша металдардың меншікті кедергісі
барлық температураларда соңғы бола отырып суытқан кезде монотонды түрде
азаюы керек. Мұндай кедергінің температуралық тәуелділігі шынында да
салыстырмалы жоғарғы температураларда тәжірибелерде байқалған. Бірақ егер
температураны жеткілікті түрде бірнеше кельвинге төмендетсе, онда бұл
тәуелділік мүлде басқаша болады. Ең алдымен меншікті кедергі температураға
тәуелділігі жоғалып және қандай да бір шекті шамаға жетеді. Ол әр зат үшін
және де сол заттың әртүрлі үлгілері үшін де әртүрлі. Бұл қалдық кедергі
әсіресе балқымаларда жоғары, бірақ таза металдарда да кездеседі.
Тәжірибеден көретініміз, қалдық кедергі неғұрлым аз болса, соғұрлым металл
таза және зерттелініп отырған үлгіде структуралық ақаулары аз болады. Егер
температураны одан әрі төмендетсек, онда кейбір заттарда ерекше
құбылыс–асқын өткізгіштік құбылысы байқалады. Асқын өткізгіштік
құбылысы 90 жыл бұрын, яғни 1911 жылы ашылды. Голландия физигі Камерлинг-
Оннес лабораториясында металдардың электрлік кедергісі аса төмен
температурада зерттелінді (Қосымша С). Камерлинг–Оннесті температураны
төмендеткенде таза металдардың электр тогын өткізу қабілеті қызықтырды.
Таза металдардағы электрондардың қозғалысына кедергі кристалдық тордың
түйіндерінде орналасқан иондардың жылулық тербелісі әсерінен туады.
Температураны төмендеткенде бұл тербелістің қарқыны азайып, кедергінің
азаюына әкеледі. Зерттеу объектісі ретінде сынап алынды, себебі оны әртүрлі
қоспалардан тазарту оңай болды. Алғашында сынап кедергісі шынымен
температураны төмендеткенде азайды, бірақ =3.71 К –де басқалай жағдай
болды. Электрлік кедергі секірмелі түрде нөлге айналды.
Камерлинг–Оннес сынап =4.2 К температурада өзінің кедергісінен
толық айрылып, қалыпты күйден асқын өткізгіштік күйге ауысу 0.05К
температуралық интервалында болатынын байқап, асқын өткізгіштік құбылысын
ашты (Қосымша А, 1А-сурет).
Секірмелі түрде кедергінің азаюы кезіндегі температура асқын
өткізгіштік күйге ауысу температурасы немесе сындық температура деп аталып,
с деп белгіленді. Сол с температурадан төмен температураларда ток
металда ешбір кедергісіз өтеді. Электрлік кедергінің болмауы токтың ағуы
кезінде энергияның шығыны болмайды дегенді білдіреді. Кәдімгі асқын
өткізгіш емес металдардан токтың ағуы кезіндегі жылулық шығын өткізгіш
кедергісімен шартталған. Мұны Джоуль – Ленц заңынан көреміз:
(20)
мұндағы -өткізгіштен бөлінген жылу мөлшері, -ток күші, -
өткізгіш кедергісі, -уақыт. Асқын өткізгіште электрондар кедергіге
кездеспейді және энергия шығындалмайды. Сондықтан асқын өткізгіштерде ток
өшпейді. 1959 жылы мынадай эксперимент жүргізген. Асқын өткізгіш токты
металл сақинадан өткізген. 2,5 жылдан соң приборлар токтың кемімегенін
көрсеткен. Жылулық шығындалудың болмауы сақина арқылы токтың циркуляция
уақыты практика жүзінде шексіз үлкен екеніне әкеледі [14].
Алғаш асқын өткізгіштік эффектісі сынапты зерттеу кезінде байқалған.
Содан кейін жаңа асқын өткізгіштер ашылды. Қазіргі уақытта металдық
элементтердің жартысы асқын өткізгіштік күйге өте алады. Таза металдардың
ішінде жоғары температуралық ауысу және сындық температурасы ең жоғары
ниобийде с=9.2 кездеседі. Кесте 1А-да кейбір металдардың сындық
температуралары көрсетілген. (Қосымша А) [9].
Асқын өткізгіш заттардың негізгі бөлігін таза заттар емес қосылыстар
мен балқымалар құрайды. Қазір 500-дей осындай заттар бар және олардың саны
үнемі өсіп отырады. Көптеген дүниежүзілік лабораторияларда жаңа асқын
өткізгішті материалдар қарқынды ізделініп жатыр. Асқын өткізгіштік қасиеті
сақталатын ең жоғарғы температура балқымаларда байқалады. Мысал ретінде
ниобийдің қалайымен қосылысын алуға болады [3].
Жақсы өткізгіштер мысалы мыс, алтын, күміс қалыпты жағдайда кедергісі
аз, басқа заттарға қарағанда асқын өткізгіштік күйге тез өте алады деп
ойласақ, бірақ тәжірибе жүзінде олай емес. Әсіресе бұл металдарда асқын
өткізгіштік байқалмаған. Ал олардың басқа металдармен қосылысы асқын
өткізгіштік күйге өте алады. Сындық температура тек химиялық құрамына ғана
емес, кристалдың өзінің структурасына да тәуелді. Мысалы, сұр қалайы
жартылай өткізгіш болып келсе, ақ қалайы металл және сонымен бірге 3.72 К
температурада асқын өткізгіштік күйге өте алады. Бериллий өзінің асқын
өткізгіштік күйге тек пленка түрінде жасалған үлгіде көшетінімен қызықты.
Кейбір элементтер жоғарғы қысымда ғана асқын өткізгіш бола алады.
Асқын өткізгіштікті ашу үлкен қызығушылыққа әкелді. Көптеген физиктер
әртүрлі тәсілдермен асқын өткізгіштік күйдің әртүрлі ерекшіліктерін және
электр кедергінің жоғалуын түсіндірмекші болды. Энштейн 1920 жылы асқын
өткізгіштік пен ферромагнитизмнің аналогиясын ескере электрондардың топтық
өзара әрекеті жылулық қозғалысқа төзімді спонтанды магниттелуге әкеледі
деді. Энштейн пікірінше, асқын өткізгіште қандай да бір өзара әсерлесу
күштері металда кедергісіз қозғалатын топтық түзіліс бұлт пайда болуына
әкеледі. Кванттық механиканы құрғандардың бірі Гейзенберг асқын
өткізгіштікті электрондардың электростатикалық өзара әсерлесуімен
түсіндірмекші болды. Жарты ғасыр өткен соң тек 1957 жылы асқын өткізгіштік
теориясын американдық физиктер Д.Бардин, Л.Купер және Д.Шриффер құрды [4].
Металда кез-келген 2 электронды қарастырайық. Бұлардың арасында
кулондық тебілу күші болады және де олардың әрқайсысы кристалдық тордағы
иондарды тартады да тепе–теңдік күйден ығыстырады. Ионның туғызатын
электрлік өрісі басқа электрондарға да әсерін тигізеді. Осылай ионның
“көмегімен” электрондар арасында қосымша өзара байланыс пайда болады.
Кристалдық тор электрондар арасында тартылысты туғызатын аралық орта болып
саналады. Электрон кристалл тордың иондарын тартады. Тордың деформациясы
нәтижесінде электрон оң зарядталған “бұлттың” қоршауында қалады. Бұл оң
зарядталған шама электронның зарядының шамасынан үлкен болса, онда ион
“тонымен” қоршалған электрон оң зарядталған жүйе болып, басқа электронды
өзіне тартады. Жоғарғы температурада жеткілікті қарқынды жылулық қозғалыс
бөлшектерді бір бірінен ажыратып, иондық “тонды” бұзып, тартылу күшін
азайтады. Төменгі температурада тартылыс күші маңызды рөл атқарады.
Нөлге жақын температураларда электрондар арасында кулондық тебілу мен
қосымша тартылыс болады. Егер тебілу күші тартылыс күшінен артық болғанда
металл қалыпты күйде болады, ал егер қандайда бір температурада тартылыс
күші көп болғанда зат асқын өткізгіштік күйге ауысады.
Асқын өткізгіш ішіндегі электронды байқасақ, онда ол өзі қатты
тартылатын белгілі бір электронды “таңдап алады”. Бұл таңдалған электрон
қарама–қарсы импульске ие.
Асқын өткізгіштегі электрондық жүйе байланысқан электрондар жұптарына
бөлінеді. Электрондық жұп құрамы тұрақты емес, ауысып отырады. Электрондық
жұптың шамасы 10-4см. Егер жұпқа кіретін электронның күйі қандайда бір
күштің әсерінен мысалы, магнит өрісі әсерінен өзгерсе, онда оның әсері
екінші электронға да әсерін тигізеді. Температураны жоғарылатқанда
электронаралық тартылыс азайып, зат асқын өткізгіштік күйден қалыпты күйге
ауысады.
Асқын өткізгіште электронды газ кез–келген энергияны жұтпайды, ол тек
электрондық жұптың байланыс энергиясын ғана жұта алады. Егер өткізгіштегі
ток аз болып, электрондық жүйе кристалда ақырын жылжыса, онда электрондық
жүйені қоздыратындай электрондардың тормен өзара әрекеті өте аз болады. Бұл
кезде электрондық газға байланыс энергиясынан аз энергия беріледі. Бірақ
электрондар бұл энергияны жұтпайды. Сондықтан олар ешқандай шашырау
болмағандай қозғала береді. Бұл электрлік кедергінің жоқ екенін көрсетеді
[8].
2.2 Асқын өткізгіштік құбылысының табиғаты
Металдың электр өткізгіштігінің классикалық ілімінің негізгі бір
кемшілігі-“ кристалдағы еркін электрондар бір-бірімен әсерлеспейді,
сондықтан оларды идеал электрондық газ деп қарастыруға болады” деген
тұжырымға байланысты. Шындығында кристалдардағы электрондар бір-бірімен де,
кристалл торының түйіндерінде орналасқан атомдармен де, ион-дармен де
әсерлеседі. Сондықтан өткізгіштегі электрондарды идеал газ ретінде
қарастырмай, электрондық сұйық деп қарастырған жөн. Кристалдағы
электрондар Ферми сұйығын құрайды. Ферми сұйығының теориясын Л. Д. Ландау
дамытты.
1934 жылы голландиялық физиктер К. Гартерман, Х. Казимир асқын
өткізгіштерді екі түрлі: қалыпты және асқын өткізгіштер күйлерінде,
электрондық сұйықтардың қосындысынан тұрады деп қарастырады. Электрондық
сұйықтың қалыпты және асқын өткізгіш күйіндегі сәйкесті үлестері абсолюттік
температураға байланысты. Температураға сындық мәннен жоғары болғанда,
электрондық сұйықтың құрамында өткізгіштің екі фазасы да болуы мүмкін. Ал,
температура сындық температурадан төмен болғанда, электрондық сұйық тек
төтенше өткізгіш фазасындағы күйде тұрады. Электрондық сұйықтың асқын
өткізгіштік фазадағы бөлігін кейде конденсат дейді.
Өткізгіштің асқын өткізгіш күйіне көшу табиғатын түсіну үшін орта
мектептен белгілі мына жағдайды еске алайық. Нильс Бор бойынша, жекелеген
атомдардағы электрондар ядроның өрісінде тек белгілі бір дискретті кванттық
күйлерде болады. Электрондар сәйкесті энергия қабықшаларының бойымен
ешқандай кедергісіз қозғалады. Сырттан алынған энергия электрондардың
төменгі деңгейінен жоғары қозған энергия деңгейіне көшу үшін жеткіліксіз
болса, онда олар төменгі кванттық күйде қалады, сыртқы қоздырғышпен
әсерлеспейді, қабықшалардың бойымен ешқандай кедергісіз “айналыста”
болады. Сонымен, төменгідей қорытындыға келуге болады. Атомдағы электрон
сыртқы қоздырғышпен әсерлесуі үшін, яғни, оның қозғалысын тежейтін кедергі
пайда болу үшін, ол қоздырғыштан алған энергияның әсерінен, төменгі энергия
қабықшасынан жоғары қозған күйге сәйкесті энергия қабықшасына көшуі керек.
Осы тұжырымды кристалдағы электрондар сұйығына қолданайық.
Кристалдағы электрондық сұйық электр өрісінің әсерінен төменгі энергия
деңгейіне сәйкесті күйінен жоғарғы энергия деңгейіне сәйкесті күйіне көшсе,
олардың қозғалысы тежеледі, кедергі пайда болады. Электрондық сұйық қалыпты
сұйыққа жатады. Ал, егер электрондар сұйығы төменгі негізгі күйден жоғарғы
қозған күйге көше алмайды, онда заряд ешқандай кедергісіз тасылады. Ол үшін
ең төменгі күймен қозған сәйкесті энергия деңгейлерінің арақашықтығы үлкен
болуы керек, өткізгіш асқан өткізгіш фазасында болуы керек.
Сонымен, мынандай тұжырымға келеміз: өткізгіш асқын өткізгіштік
фазасында болуы үшін, біріншіден, ондағы заряд тасушы бөлшектер ең төменгі
энергия деңгейіне орналасуы қажет, екіншіден, ең төменгі энергия
деңгейімен, оған ең жақын орналасқан қозған энергия деңгейінің арақашықтығы
салыстырмалы түрде үлкен болуы керек [8].
Электрондар Ферми бөлшектер тобына жатады. Паулидің тыйым салу
принципі бойынша, бір энергия деңгейіне сәйкесті кванттық күйде екі
электроннан артық электрон орналаса алмайды, ал, екі электрон орналасу
үшін, олардың спиндері міндетті түрде бір-біріне қарама-қарсы бағытталған
болуы керек. Сондықтан, өткізгіштегі электрондар сұйығы ең төменгі энергия
деңгейіне толық конденсациялана алмайды.
Ең төменгі энергия деңгейі барлығы бірдей толық конденсациаланаатындай
кванттық бөлшектер тек Бозе бөлшектер. Яғни, өткізгіштігі электрон сұйығы
асқын өткізгіштік фазасына көшу үшін электрондардан Бозе бөлшектерін
құрастыру керек. Ол үшін жұмыс жасау керек, яғни,энергия қажет болады.
Қажетті энергияны электрондық сұйық кристалл торынан онымен әсерлесу
нәтижесінде алады. Ал, электрондардың кристалл торының түйіндерінде
тербелмелі қозғалыстағы атомдармен әсерлесу кезінде фотондар
жұтылғандықтан, не пайда болғандығын білеміз. Осының нәтижесінде
электрондардың электр өрісіндегі бағытталған қозғалыстары тежеліп,
өткізгіштің электр кедергісі пайда болады.
Төменде электрондар мен фонондардың әсерлесу нәтижесінде тек қана
кедергі болмай, өткізгіштің кедергісі азаюы да мүмкін екендігін көрсетеміз.
Қозғалыстағы электрон кристаллторының түйініне жақындатылғанда, ол
түйінде орналасқан оң ионды өзіне тартып, оны тербеледі, Ион электронға
қарсы тартылғанда оның маңындағы кристалдың микрокөлемінде оң заряд пайда
болады. Электронның массасы ионның массасынан көп үлкен болғандықтан, ион
өз орнынан ауытқып үлгергенше электрон бірталай қашықтыққа ұзап кетеді.
Бірақ ол оң зарядпен байланысын жоғалтпайды. Ион өте сылбыр
қозғалғандықтан, ол тепе-тең қалпына келіп үлгермейді. Кристалдың
микрокөлемі оң зарядталған күйде қалады. Оң зарядталған микрокөлемге, оған
таяу өтіп бара жатқан, екінші бір электрон тартылады. Сонымен, оң
зарядталған микрокөлем екі бірдей электронды өзіне тартып қосақтандырады.
Кристалл торының түйіндеріндегі иондармен жоғарыдағыдай әсерлесу
нәтижесінде пайда болған өзара байланысқан екі электронды, америка ғалымы
Купердің құрметіне, Купер қосағы дейді (Қосымша С). Купер қосағы
электрондардан құралған Бозе бөлшегіне жатады. Купер қосағының құрамындағы
электрондардың спиндері де, импульстері де міндетті түрде шамалы жағынан
бір-біріне тең, бағыттары қарама-қарсы болулары керек.
Купер қосағын құратын электрондар бір-бірінен кристалл тұрақтысымен
салыстырғанда, алыс арақашықта (( 10-4 ) орналасады. Егер бірінші электрон
оң зарядталған ионнан алыс қашықтыққа кетіп үлгермесе, оның теріс заряды
екінші электронды оң зарядталған ионға жақындатпайды, онымен әсерлесуін
қиындатады. Екі электрон Купер қосағын құрай алмайды.
Қосақты ыдырату үшін ондағы электрондардың “тарту” күшіне қарсы жұмыс
істеу керек, яғни, қосымша энергия қажет. Купер қосағы заряд тасуға
қатынасады. Купер қосағы ұғымын пайдаланып асқын өткізгіштердің кейбір
қасиеттерін былай түсіндіруге болады. Купер қосағын құраушы электрондар бір-
бірінен алыс орналасатындықтан, қосақты бағытталған қозғалысы кезінде оның
бір электроны кристалдың потенциалдық өрісінің периодтығын бұзатын ақаумен
соқтығысқанда, екінші электрон ақаудың қосақтығын қозғалыс жолында пайда
болған да сезбейді. Сондықтан ақаумен соқтығысу нәтижесінде бірінші
электрон өзінің жылдамдығын өзгертпейді. Егер жылдамдығын өзгертетін болса,
ол Купер қосағын жасап тұрған өзінің сыңарын жоғалтады, яғни, Купер
қосағының ыдырауы керек. Төменгі температурада Купер қосағының, ақауымен
соқтығысу нәтижесінде, алатын энергиясы оны ыдыратуға жеткіліксіз.
Сондықтан, Купер қосағын құрайтын электрондар кристалдың ақауларымен
“соқтығыспай”, оларды “айналып” өтеді, өздерінің энергиясын өзгертпейді.
Купер қосағы өткізгіш арқылы зарядты ешқандай кедергісіз тасиды. Асқын
өткізгіштік құбылысы пайда болады [13].
Көбіне асқын өткізгіштік күйдегі асқын өткізгіштердің кедергісі үшін
сандық бағалау асқын өткізгіш сақинада индукциялық ток тудыру әдісі болып
келеді. Зерттелінетін металдан жасалған сақина сындық температурадан жоғары
температурада магниттік өріске енгізіледі.Содан кейін сындық температурадан
төмен температураға дейін салқындатып, асқын өткізгіштік күйге ауыстырады.
Сосын магнит өрісі өшіріліп, сақинада индукциялық ток қозады. Кәдімгі
қалыпты металда индукциялық ток тез өшіп қалады. Осы өшу жылдамдығына
байланысты сақинаның кедергісі туралы айтуға болады. Егер сақина асқын
өткізгіш болса, онда ток іс жүзінде шексіз ұзақ сақталады. Бұл токты
бақылай отыра, сақинаның кедергісінің жоғары шегін бағалауға болады. Бұл
жолмен қорғасынның асқын өткізгіштік күйдегі меншікті кедергісі ом-1
см-1-тен аз болғандығы алынған. Сындық температураға өту кезінде кедергінің
секірісі 14 ретке азайған. Бұл нақты толық түрде асқын өткізгіштік күйде
тұрпқты токтағы электрлік кедергі шынымен де жоғалады деп есептеуге
мүмкіндік береді.
Лейден лабораториясында өткізілген тәжірибеде 700 метр қорғасыннан
жасалған өткізгішті катушка пайдаланылған; 12 сағат өткенше ток күшінің
қандай да бір азаюы байқалмады. Құрылғылардың сезімталдығы туралы
берілгендер мен токтың төмендеуі үшін формуладан
(21)
мұнда R10ө17R0, R0-бөлме температурасындағы кедергі немесе R10ө15R01,
R01 –асқын өткізгіштік болмаған жағдайдағы қалдық кедергі болғанда
есептелінді [8].
2.3 Асқын өткізгіштің электрлік және магниттік қасиеті
Асқын өткізгіштік күйдегі заттар керемет қасиетке ие болады. Бірінші
қасиеті асқын өткізгіште алғашында қоздырылған ток ток көзінсіз көп уақыт
сақталына алады. Бұл кедергінің жоғалуына байланысты токтың өшу уақыты
өте үлкен мәнге ие болғанда болады. Бұл құбылысты асқын өткізгіштен
тұйық үлкен емес контурды сұйық гелийі бар ыдысқа салады да,
электромагниттік индукция көмегімен контурда ток тудырған. Бұл токты ыдыс
жанында орналастырылған магнит стрелкасының ауытқуынан байқаған және де бұл
стрелка бірнеше тәулік бойы ауытқып тұрған.
Ток тұрақты болған кезде және сындық температурадан төмен
температурада асқын өткізгіште ешқандай электрлік кедергі болмайды.
Айнымалы ток кезінде ток жиілігі артқан сайын кедергі нөлден жоғары болады.
Бұл мәлімдеме, яғни фактты асқын өткізгіштің қоссұйықтық моделі негізінде
түсіндіруге болады. Бұл модельге сәйкес асқын өткізгіште электр тогын
тудыратын электрондар екі топқа бөлінеді: асқын өткізгіштік және қалыпты.
Асқын өткізгіш екі сұйықпен сіңдірілген сияқты, содан бұл модельдің аты
шыққан. Асқын өткізгіш электрондар өзінің қозғалысында ешқандай кедергі
кездестірмейді, олар инерциямен қозғалады. Сондықтан асқын өткізгіш токты
ұстап тұру үшін ешқандай электр өрісі қажет емес. Керісінше, қалыпты
электрондар кәдімгі металдарда сияқты тордағы атомдармен соқтығысады. Және
қалыпты электрондар тогы үшін кәдімгі Ом заңы әділетті болады. Электр
өрісін қосқан кезде асқын өткізгішті электрондар да, қалыпты электрондар да
үдейді. Тұрақты ток болған кезде асқын өткізгіште электр өрісі жоғалып кету
керек, себебі асқын өткізгіш электрондар үздіксіз үдеп, олар туғызатын ток
шексіз өсе берер еді. Ал бұл олай болуы мүмкін емес. Бірақ электр өрісі жоқ
болған кезде қалыпты электрондар ешқандай ток тудыра алмайды. Ток тек асқын
өткізгіш электрондар арқылы туады, сондықтан ешқандай электр кедергісі
пайда болмайды. Егер де ток күші ауысса, онда асқын өткізгіште электр өрісі
болу керек. Қалыпты электрондар ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz