Теплопровідність кристалічної гратки

Явище теплопровідності заключається в передачі теплоти від більш нагрітих до менш нагрітих частин системи. У фононній моделі твердого тіла передача теплової енергіїї здійснюється фононами. Чим більша температура тим більша енергія і концентрація фононів. За рахунок наявності градієнта концентрації відбувається „дифузія” фононів у напрямку зменшення температури, тобто в напрямку зменшення енргії фононів. Ангармонічний характер коливань атомів твердого тіла являється причиною взаємодії одна з одною негармонічних пружніх хвиль. Або другими словами, фонони розсіюються на фононах аналогично зіткненню між молекулами газу. Фонон-фононна взаємодія викликає появу так званого теплового опору, і чим він більший, тим гірше передається тепло. За відсутності такої взаємодії тепло передавалося б із швидкістю звуку.

Знайдемо коефіцієнт теплопровідності і проаналізуємо його залежність від температури, скориставшись аналогією фононної моделі твердого тіла і молекулярного газу. Рівняння теплопровідності має вигляд (див.Ч1, розд.6.12)

, (3.22)

де q – теплова енергія, яка переноситься за одиницю часу через одиничну площу, перпендикулярну до напрямку градієнта температури , ΔS – площа, χ – коефіцієнт теплопровідності

. (3.23)

Тут: μ – молярна маса, ρ – густина, υ – швидкість руху фононів, тобто швидкість звуку, λ_Ф – довжина вільного пробігу фононів, С – молярна теплоємність твердого тіла. Із усіх цих величин залежними від температури є теплоємність і довжина вільного пробігу, яка, подібно до вільного пробігу молекул газу, обернено пропорційна концентрації фононів.

Таким чином, . (3.24)

Область високих температур Т>>θ_D. У цій області енергія фононів досягає свого максимального значення kθ_D. Енергію гратки можна знайти як енергію усіх фононів, а враховуючи (3.11), можна записати

, звідки (3.25)

концентрація фононів пропорційна температурі. Теплоємність, згідно з (3.12), не залежить від температури. Таким чином, одержуємо, що коефіцієнт теплопровідності обернено пропорційний температурі рис. 3.7.

В області низьких температур Т<θ_D енергія гратки, згідно з (3.13) пропорційна Т⁴ , а енергія фононів Е_ф = kT пропорційна температурі. Тому концентрація фононів пропорційна Т³. Теплоємність також ~ Т³. Тому коефіцієнт теплопровідності від температури не залежить.

В області наднизьких температур Т<<θ_D концентрація фононів стає настільки малою, що вони уже між собою не взаємодіють, а розсіюються тільки на поверхні кристалу. (Цей стан аналогічний стану вакууму для газів). Теплоємність у цій області, а отже і коефіцієнт теплопровідності ~ Т³.

3.7 Теплопровідність електронного газу (металів)

Електронна складова теплопровідності в металах характеризується коефіцієнтом теплопровідності

. (3.26)

Тут - швидкість теплового руху електронів, яка відповідає енергії Фермі і від температури не залежить. Тому . Теплоємність С_е пропорційна температурі ~ Т (див.(3.14)). Довжина вільного пробігу електронів визначається розсіюванням їх на фононах і на домішкових атомах.

В області високих температур Т>>θ_D основним механізмом розсіювання електронів є їхня взаємодія з фононами, концентрація яких n_ф ~ Т. А так як λ_е ~ 1/n_ф, то λ_е ~ 1/Т. С_е ~ Т. Тому коефіцієнт теплопровідності χ_е ~ Т⁰ від температури не залежить рис.3.8.

В області низьких температур Т<θ_D концентрація фононів n_ф ~ Т³. Тому λ_е ~ 1/Т³, а χ_е ~ Т^-2.

В області наднизьких температур Т<<θ_D концентрація фононів стає настільки малою що електрони розсіюються на домішкових атомах. А так як концентрація останніх від температури не залежить, то і довжина вільного пробігу електронів перестає залежати від температури. Тому коефіцієнт теплопровідності χ_е ~ С_е ~ Т.

Вияснимо, який механізм теплопровідності металів домінуючий: фононний чи електронний? Для цього оцінимо відношення коефіцієнтів теплопровідності із формул (3.23) і (3.26)

. (3.27)

Приймемо такі числові значення: , відоме по експериментальним вимірюванням питомої електропровідності, (див. розділ 3.4), , міжатомна відстань, закон Дюлонга і Пті. Одержуємо

.

Отже теплопровідність металів в основному зумовлена електронами.