مع زيادة درجة حرارة الموصل ، يزداد عدد تصادمات الإلكترونات الحرة مع الذرات. لذلك ، فإن متوسط \u200b\u200bسرعة الإلكترون الاتجاهي ينخفض \u200b\u200b، وهو ما يتوافق مع زيادة في مقاومة الموصل.

من ناحية أخرى ، مع زيادة درجة الحرارة ، يزداد عدد الإلكترونات والأيونات الحرة لكل وحدة حجم الموصل ، مما يؤدي إلى انخفاض في مقاومة الموصل.

اعتمادًا على انتشار عامل أو آخر ، مع زيادة درجة الحرارة ، تزداد المقاومة (المعادن) ، أو تقل (الفحم ، الإلكتروليت) ، أو لا تزال على حالها تقريبًا (السبائك المعدنية ، على سبيل المثال مانجايين).

مع التغيرات الطفيفة في درجة الحرارة (0-100 درجة مئوية) ، فإن الزيادة النسبية في المقاومة المقابلة للتدفئة بمقدار 1 درجة مئوية ، والتي تسمى معامل درجة الحرارة للمقاومة (أ) ، تظل ثابتة لمعظم المعادن.

تدل على - المقاومة في درجات الحرارة ، يمكننا كتابة التعبير عن الزيادة النسبية للمقاومة مع زيادة درجة الحرارة من:

وترد قيم معامل درجة الحرارة المقاومة لمختلف المواد في الجدول. 2-2.

من التعبير (2-18) يتبع ذلك

الصيغة الناتجة (2-20) تجعل من الممكن تحديد درجة حرارة السلك (الملف) إذا تم قياس مقاومته بقيم معينة أو معروفة.

مثال 2-3. حدد مقاومة الأسلاك الهوائية في درجات الحرارة إذا كان طول الخط 400 متر ، والمقطع العرضي للأسلاك النحاسية

مقاومة الأسلاك الخط في درجة الحرارة

تعتمد المقاومة ، وبالتالي مقاومة المعادن ، على درجة الحرارة ، مع زيادة نموها. ويفسر الاعتماد على درجة حرارة المقاومة للموصل من حقيقة أن

1. تزداد شدة الانتثار (عدد الاصطدامات) في ناقلات الشحنة بزيادة درجة الحرارة ؛
2. يتغير تركيزها عند تسخين الموصل.

تُظهر التجربة أنه في درجات حرارة ليست مرتفعة جدًا أو منخفضة جدًا ، يتم التعبير عن اعتماد الصمود ومقاومة الموصل على درجة الحرارة بواسطة الصيغ:

   \\ (~ \\ rho_t \u003d \\ rho_0 (1 + \\ alpha t) ، \\) \\ (~ R_t \u003d R_0 (1 + \\ alpha t) ، \\)

حيث ρ 0 , ρ   t هي مقاومات مادة الموصل ، على التوالي ، عند 0 درجة مئوية و تي  درجة مئوية R 0 , R  t هي مقاومة الموصل عند 0 درجة مئوية و تي  درجة مئوية α   - معامل درجة حرارة المقاومة: يقاس في SI في كلفن إلى ناقص من الدرجة الأولى (K -1). بالنسبة للموصلات المعدنية ، فإن هذه الصيغ قابلة للتطبيق بدءًا من درجة حرارة 140 كيلو فما فوق.

معامل درجة الحرارة  تميز مقاومة مادة ما اعتماد تغيير في المقاومة عند التسخين على نوع المادة. إنه يساوي عدديًا التغيير النسبي في المقاومة (المقاومة) للموصل عند تسخينه بمقدار 1 ك.

   \\ (~ \\ mathcal h \\ alpha \\ mathcal i \u003d \\ frac (1 \\ cdot \\ Delta \\ rho) (\\ rho \\ Delta T) ، \\)

حيث \\ (~ \\ mathcal h \\ alpha \\ mathcal i \\) هي القيمة المتوسطة لمعامل درجة الحرارة للمقاومة في الفاصل الزمني Δ Τ .

لجميع الموصلات المعدنية α   \u003e 0 ويتغير قليلاً مع درجة الحرارة. المعادن النقية α   \u003d 1/273 ك -1. في المعادن ، تركيز ناقلات الشحن المجاني (الإلكترونات) ن  \u003d const وزيادة ρ   يحدث بسبب زيادة في كثافة نثر الإلكترونات الحرة على أيونات الشبكة البلورية.

لحلول المنحل بالكهرباء α < 0, например, для 10%-ного раствора поваренной соли α   \u003d -0.02 K -1. تتناقص مقاومة الشوارد مع زيادة درجة الحرارة ، لأن الزيادة في عدد الأيونات الحرة بسبب تفكك الجزيئات تتجاوز نمو الانتثار الأيوني في الاصطدامات مع جزيئات المذيبات.

الصيغ التبعية ρ   و R  تتشابه درجة حرارة الشوارد مع الصيغ المذكورة أعلاه للموصلات المعدنية. تجدر الإشارة إلى أن هذا الاعتماد الخطي يتم الحفاظ عليه فقط في نطاق درجة حرارة صغير ، حيث α   \u003d const. في فترات كبيرة من التغيرات في درجات الحرارة ، يصبح الاعتماد على درجة الحرارة لمقاومة الشوارد غير خطي.

بيانياً ، تظهر درجة الحرارة لمقاومة الموصلات المعدنية والكهارل في الأشكال 1 ، أ ، ب.

في درجات حرارة منخفضة للغاية ، قريبة من الصفر المطلق (-273 درجة مئوية) ، تنخفض المقاومة للعديد من المعادن فجأة إلى الصفر. وتسمى هذه الظاهرة الموصلية الفائقة. يذهب المعدن إلى حالة فائقة التوصيل.

يستخدم اعتماد المقاومة المعدنية على درجة الحرارة في موازين الحرارة المقاومة. عادة ، يتم أخذ سلك البلاتين كجسم حراري لمثل هذا الحرارة ، وقد تمت دراسة اعتماد المقاومة على درجة الحرارة بشكل كافٍ.

يتم الحكم على التغيرات في درجات الحرارة من خلال التغيير في مقاومة الأسلاك التي يمكن قياسها. تتيح موازين الحرارة هذه قياس درجات الحرارة المنخفضة للغاية والمرتفعة جدًا عندما تكون موازين الحرارة التقليدية غير مناسبة.

أدب

Aksenovich L.A. الفيزياء في المدرسة الثانوية: النظرية. التعيينات. الاختبارات: كتاب مدرسي. بدل للمؤسسات التي تقدم العام. environ، education / L. A. Aksenovich، N. N. Rakina، K. S. Farino؛ إد. ك. فارينو. - Mn: Adukatsy I vykhavanne ، 2004. - C. 256-257.

في البلورة المثالية ، يكون المسار الحر للإلكترونات هو اللانهاية ، وتكون المقاومة للتيار الكهربائي صفراً. تأكيد هذا الموقف هو حقيقة أن مقاومة المعادن الصلبة الخالصة تميل إلى الصفر عندما تقترب درجة الحرارة من الصفر المطلق. خاصية الإلكترون للتنقل بحرية في الشبكة البلورية المثالية ليس لها مثيل في الميكانيكا الكلاسيكية. يحدث التشتت ، الذي يؤدي إلى ظهور المقاومة ، عندما تكون هناك عيوب هيكلية في الشبكة.

من المعروف أن تشتت الموجة الفعال يحدث عندما يتجاوز حجم مراكز الانتثار (العيوب) ربع طول الموجة. في المعادن ، طاقة إلكترونات التوصيل هي 3 - 15 فولت. يتوافق الطول الموجي من 3 إلى 7. مع هذه الطاقة ، وبالتالي فإن أي تجانسات متناهية الصغر للهيكل تعيق انتشار موجات الإلكترون وتؤدي إلى زيادة في مقاومة المادة.

في المعادن النقية ذات البنية الكاملة ، يكون السبب الوحيد الذي يحد من متوسط \u200b\u200bالمسار الحر للإلكترونات هو الاهتزاز الحراري للذرات في مواقع الشبكة البلورية. يشار إلى المقاومة الكهربائية للمعادن بسبب العامل الحراري بواسطة ρ الحرارة. من الواضح تمامًا أنه مع زيادة درجة الحرارة ، تزداد سعة الاهتزازات الحرارية للذرات والتقلبات ذات الصلة في الحقل الدوري للشبكة. وهذا بدوره يعزز انتشار الإلكترونات ويسبب زيادة في المقاومة. لإثبات طبيعة الاعتماد على درجة الحرارة للمقاومة ، نستخدم النموذج المبسط التالي. تتناسب شدة الانتثار بشكل مباشر مع المقطع العرضي للحجم الكروي الذي تشغله ذرة الاهتزاز ، وتتناسب مساحة المقطع العرضي مع مربع سعة الاهتزازات الحرارية.

يتم تحديد الطاقة المحتملة للذرة التي يتم تحويلها بواسطة ∆а  من موقع الشبكة عبر التعبير

, (9)

حيث ktr هو معامل السندات المرن ، والذي يميل إلى إعادة الذرة إلى موضع التوازن.

وفقًا للإحصاءات الكلاسيكية ، فإن متوسط \u200b\u200bطاقة مذبذب التوافقي أحادي البعد (ذرة متذبذبة) يساوي kT.

على هذا الأساس ، نكتب المساواة التالية:

من السهل إثبات أن المسار الحر للإلكترونات ذرات النيتروجين يتناسب عكسيا مع درجة الحرارة:

(10)

تجدر الإشارة إلى أن النسبة الناتجة ليست راضية في درجات الحرارة المنخفضة. والحقيقة هي أنه مع انخفاض درجة الحرارة ، لا يمكن أن تقل فقط ترددات الاهتزازات الحرارية للذرات ، ولكن أيضًا ترددات الاهتزازات. لذلك ، في درجات الحرارة المنخفضة ، يصبح تشتت الإلكترونات بواسطة الاهتزازات الحرارية لمواقع الشبكة غير فعال. إن تفاعل الإلكترون مع ذرة متذبذبة يغير قليلاً من زخم الإلكترون. في نظرية الاهتزازات في ذرات الشبكة ، تُقدّر درجة الحرارة بالنسبة إلى درجة حرارة مميزة معينة ، والتي تسمى درجة حرارة ديبي ΘD. تحدد درجة حرارة Debye الحد الأقصى لتردد الاهتزازات الحرارية التي يمكن إثارةها في البلورة:

تعتمد درجة الحرارة هذه على قوى الترابط بين عقد الشبكة البلورية وهي معلمة مهمة للمادة الصلبة.

ل T   D  تختلف مقاومة المعادن بشكل خطي مع درجة الحرارة (الشكل 6 ، القسم الثالث).

كما توضح التجربة ، فإن التقريب الخطي لاعتماد درجة الحرارة Tт (T) صالح أيضًا لدرجة حرارة تصل إلى (2/3)  Dحيث الخطأ لا يتجاوز 10 ٪. بالنسبة لمعظم المعادن ، لا تتجاوز درجة حرارة Debye المميزة 400 - 450 K. وبالتالي ، فإن التقريب الخطي يكون صالحًا عادة في درجات حرارة من درجة حرارة الغرفة وما فوقها. في منطقة درجات الحرارة المنخفضة (T D) ، حيث يرجع الانخفاض في المقاومة إلى الإزالة التدريجية للترددات الجديدة والمزيد من الاهتزازات الحرارية (الفونونات) ، تتنبأ النظرية بالاعتماد على قانون الطاقة  т 5. في الفيزياء ، تُعرف هذه النسبة باسم قانون بلوخ غرينيسن. عادة ما يكون نطاق درجة الحرارة الذي يوجد فيه قانون طاقة حاد small т (small) صغيرًا جدًا ، وتكون القيم التجريبية للأسس في حدود 4 إلى 6.

في المنطقة الضيقة الأولى ، التي تضم عدة كلفن ، يمكن أن تحدث حالة الموصلية الفائقة في عدد من المعادن (انظر أدناه) ويوضح الشكل قفزة في المقاومة عند درجة حرارة T sv. في المعادن النقية ذات البنية الكاملة ، عندما تميل درجة الحرارة إلى "موافق" ، تميل المقاومة أيضًا إلى 0 (منحنى متقطع) ، ويميل المسار الحر المتوسط \u200b\u200bإلى ما لا نهاية. حتى في درجات الحرارة العادية ، يكون المسار الحر للإلكترونات في المعادن أكبر بمئات المرات من المسافة بين الذرات (الجدول 2).

الشكل 6 - اعتماد المقاومة للموصل المعدني على درجة الحرارة على مدى درجة حرارة واسعة: أ ، ب ، ج - الاختلافات في المقاومة من مختلف المعادن المنصهرة

الجدول 2 - متوسط \u200b\u200bمسار الإلكترونات الحرة عند 0 درجة مئوية لعدد من المعادن

داخل المنطقة الانتقالية 2 ، تزداد المقاومة ρ (T) بسرعة ، حيث يمكن أن تصل n إلى 5 وتقل تدريجياً مع زيادة درجة الحرارة  إلى 1 عند T \u003d  D.

يمتد القسم الخطي (المنطقة III) في الاعتماد على درجة الحرارة T (T) لمعظم المعادن إلى درجات حرارة قريبة من نقطة الانصهار. استثناء من هذه القاعدة هو المعادن المغناطيسية المغناطيسية ، والتي يحدث فيها تشتت إضافي للإلكترونات بسبب اضطراب الدوران. بالقرب من نقطة الانصهار ، أي في المنطقة IV ، يشار إلى البداية في الشكل 6 بواسطة درجة الحرارة T nl ، وفي المعادن العادية ، يمكن ملاحظة بعض الانحراف عن الاعتماد الخطي.

عند الانتقال من الصلب إلى السائل ، فإن معظم المعادن تظهر زيادة في المقاومة حوالي 1.5 إلى 2 مرات ، على الرغم من أن هناك حالات غير عادية: بالنسبة للمواد ذات التركيبات البلورية المعقدة مثل البزموت والغاليوم ، فإن الانصهار يرافقه انخفاض في .

تكشف التجربة عن النمط التالي: إذا كان ذوبان المعدن مصحوبًا بزيادة في الحجم ، فإن المقاومة تزداد تدريجياً ؛ للمعادن مع التغيير المعاكس في الحجم ، ρ النقصان.

أثناء الانصهار ، لا يوجد تغيير كبير سواء في عدد الإلكترونات الحرة أو في طبيعة تفاعلها. يتم التأثير الحاسم على التغيير في ρ من خلال العمليات المضطربة ، وهو انتهاك للنظام الإضافي في ترتيب الذرات. يمكن تفسير الحالات الشاذة التي لوحظت في سلوك بعض المعادن (Ga، Bi) بزيادة معامل الانضغاط أثناء ذوبان هذه المواد ، والتي يجب أن تكون مصحوبة بانخفاض في سعة الاهتزازات الحرارية للذرات.

يسمى التغيير النسبي في المقاومة مع تغير درجة حرارة كيلفن واحد (درجة) معامل درجة الحرارة للمقاومة:

(11)

تتطابق العلامة الإيجابية لـ α the مع حالة زيادة المقاومة في محيط نقطة معينة مع زيادة درجة الحرارة. كمية α ρ هي أيضا وظيفة درجة الحرارة. في منطقة الاعتماد الخطي ρ (Т) ، التعبير

حيث ρ 0 و α ρ هما معامل المقاومة ودرجة الحرارة للمقاومة ، والمشار إليهما في بداية نطاق درجة الحرارة ، أي درجة الحرارة T0. ρ المقاومة في درجة الحرارة T.

العلاقة بين معاملات درجة الحرارة للمقاومة والمقاومة هي كما يلي:

(13)

حيث α 0 هو معامل درجة الحرارة لمقاومة هذا المقاوم ؛ α 1 - معامل درجة حرارة تمدد المادة للعنصر المقاوم.

للمعادن النقية ، α ρ \u003e\u003e α 1 ؛ لذلك ، لديهم α ρ≈ α R. ومع ذلك ، بالنسبة للسبائك المعدنية القابلة للحرارة ، فإن هذا التقريب غير عادل.

3 تأثير الشوائب وغيرها من العيوب الهيكلية على مقاومة المعادن

كما لوحظ ، فإن أسباب تشتت موجات الإلكترون في المعدن ليست فقط الاهتزازات الحرارية لمواقع الشبكة ، ولكن أيضًا العيوب الهيكلية الساكنة ، والتي تنتهك أيضًا دورية الحقل المحتمل للبلورة. الانتثار بسبب العيوب الهيكلية الساكنة مستقل بدرجة الحرارة. لذلك ، مع اقتراب درجة الحرارة من الصفر المطلق ، تميل مقاومة المعادن الحقيقية إلى بعض القيمة الثابتة ، وتسمى المقاومة المتبقية (الشكل 6). هذا يعني أن قاعدة ماتيسين حول إضافة المقاومة:

, (14)

أي المقاومة الكلية للمعادن هي مجموع المقاومة بسبب تناثر الإلكترونات بالاهتزازات الحرارية لعقد الشبكة البلورية والمقاومة المتبقية الناتجة عن تشتت الإلكترونات بسبب العيوب الهيكلية الساكنة.

الاستثناء من هذه القاعدة هو التوصيل الفائق للمعادن ، حيث تختفي المقاومة تحت درجة حرارة حرجة معينة.

يتم تقديم المساهمة الأكثر أهمية في المقاومة المتبقية من خلال نثر الشوائب ، التي توجد دائمًا في موصل حقيقي إما كالتلوث أو كعنصر صناعة السبائك (على سبيل المثال ، يتم إدخاله عن قصد). تجدر الإشارة إلى أن أي مادة مضافة للشوائب تؤدي إلى زيادة في  ، حتى لو كان لديها موصلية متزايدة مقارنة بالمعادن الأساسية. لذلك ، وإدخال 0.01 في. تسبب نسبة شوائب الفضة زيادة في مقاومة النحاس بمقدار 0.002 ميكرومتر أوم. لقد ثبت بشكل تجريبي أنه عند انخفاض محتوى الشوائب ، تزداد المقاومة بنسبة تتناسب مع تركيز ذرات الشوائب.

يوضح الشكل 7 قاعدة Mattissen ، التي توضح أن درجة الحرارة المعتمدة على مقاومة النحاس النقي وسبائكه بكمية صغيرة (تصل إلى حوالي 4 في المائة) من الإنديوم والأنتيمون والقصدير والزرنيخ متوازية.

الشكل 7 - اعتماد درجات الحرارة لمقاومة سبائك النحاس من نوع المحاليل الصلبة التي توضح قاعدة Matisen: 1 - النحاس النقي ؛

2 - Cu - 1.03 at.٪ In؛ 3 - النحاس - 1.12 في.٪ Nl

الشوائب المختلفة لها تأثيرات مختلفة على المقاومة المتبقية للموصلات المعدنية. تتحدد كفاءة انتثار الشوائب من خلال الاحتمال المضطرب في الشبكة ، والتي تكون قيمتها أعلى ، وكلما زاد الفرق بين سلالات ذرات الشوائب والمعادن - المذيب (القاعدة).

بالنسبة للمعادن الأحادية التكافؤ ، فإن التغيير في المقاومة المتبقية بمقدار 1٪. النجاسة (معامل "النجاسة" للمقاومة الكهربائية) يطيع قاعدة ليند:

, (15)

حيث a و b ثوابت حسب طبيعة المعدن والفترة التي تشغلها ذرة النجاسة في النظام الدوري للعناصر ؛  Z  - الفرق بين سلالات المعدن - ذرة المذيبات والشوائب.

من الصيغة 15 ، يترتب على ذلك أن تأثير الشوائب المعدنية على انخفاض الموصلية أقوى من تأثير شوائب العناصر المعدنية.

بالإضافة إلى الشوائب ، فإن العيوب الهيكلية الخاصة بها - الوظائف الشاغرة ، والذرات الخلالية ، والخلوع ، وحدود الحبوب - تساهم مساهمة معينة في المقاومة المتبقية. يزيد تركيز عيوب النقطة بشكل كبير مع درجة الحرارة ويمكن أن يصل إلى قيم عالية بالقرب من نقطة الانصهار. بالإضافة إلى ذلك ، تنشأ الشواغر والذرات الخلالية بسهولة في مادة عندما يتم تشعيعها بجزيئات عالية الطاقة ، على سبيل المثال ، نيوترونات من مفاعل أو أيونات من مسرع. من قيمة المقاومة المقاسة ، يمكن للمرء الحكم على درجة الضرر الإشعاعي للشبكة. بنفس الطريقة ، يمكن تتبع تتبع (التلدين) للعينة المشععة.

التغير في المقاومة المتبقية للنحاس بنسبة 1 في.٪ عيوب النقطة هي: في حالة الشواغر من 0.010 إلى 0.015 "أوم" ؛ في حالة الذرات الخلالية ، 0.005-0.010 "أوم".

المقاومة المتبقية هي خاصية حساسة للغاية للنقاء الكيميائي والكمال الهيكلي للمعادن. في الممارسة العملية ، عند العمل مع المعادن عالية النقاء ، تقاس نسبة المقاومة في درجة حرارة الغرفة ودرجة حرارة الهيليوم السائل لتقييم محتوى الشوائب:

كلما زادت نظافة المعدن ، زادت قيمة.. في أنقى المعادن (درجة النقاء 99.99999 ٪) ، المعلمة  لها قيمة من 10 5.

هناك تأثير كبير على مقاومة المعادن والسبائك بسبب التشوهات الناجمة عن حالة الإجهاد. ومع ذلك ، يتم تحديد درجة هذا التأثير من خلال طبيعة الضغوط. على سبيل المثال ، مع الضغط الشامل في معظم المعادن ، تتناقص المقاومة. ويفسر ذلك من خلال اقتراب الذرات وانخفاض في سعات الاهتزازات الحرارية للشبكة.

تشوه البلاستيك وتصلب دائما تزيد من مقاومة المعادن والسبائك. ومع ذلك ، هذه الزيادة ، حتى مع تصلب كبير من المعادن النقية ، هي نسبة مئوية قليلة.

التبريد الحراري يؤدي إلى زيادة في  ، والذي يرتبط مع تشوهات شعرية وظهور الضغوط الداخلية. أثناء إعادة التبلور عن طريق المعالجة الحرارية (الصلب) ، يمكن تقليل المقاومة إلى قيمتها الأصلية ، حيث يتم التئام العيوب وتخفيف الضغوط الداخلية.

خصوصية المحاليل الصلبة هي أن ost يمكن أن تتجاوز (عدة مرات) بشكل كبير المكون الحراري.

بالنسبة للعديد من السبائك المكونة من عنصرين ، فإن التغيير في  ost حسب التركيب موصوف جيدًا من خلال الاعتماد المكافئ للنموذج

حيث C ثابت اعتمادا على طبيعة السبائك ؛ x a و x in هي الكسور الذرية للمكونات في السبائك.

نسبة 16 كانت تسمى قانون Nordheim. ويترتب على ذلك أنه في المحاليل الصلبة الثنائية A - B ، تزداد المقاومة المتبقية عندما تضاف ذرات B إلى المعدن A (المحلول الصلب ) وعندما تضاف الذرات إلى المعدن B (المحلول الصلب ) ، ويتميز هذا التغيير بمنحنى متماثل . في سلسلة مستمرة من المحاليل الصلبة ، تكون المقاومة أكبر ، وكلما تم فصل السبائك عن المكونات النقية. تصل المقاومة المتبقية إلى الحد الأقصى لقيمة المحتوى المتساوي لكل مكون (x a \u003d x in \u003d 0.5).

يصف قانون Nordheim بدقة التغير في مقاومة الحلول الصلبة المستمرة إذا لم يتم ملاحظة تحولات الطور مع تغيير في التركيبة ولم يكن أي من مكوناتها من بين العناصر الانتقالية أو العناصر الأرضية النادرة. مثال على هذه الأنظمة هي السبائك Au - Ag ، Cu - Ag ، Cu - Au ، W - Mo ، إلخ.

تتصرف المحاليل الصلبة ، التي تكون مكوناتها من معادن المجموعة الانتقالية ، بشكل مختلف بعض الشيء (الشكل 8). في هذه الحالة ، عند التركيزات العالية للمكونات ، لوحظ وجود مقاومة متبقية أكبر بكثير ، والتي ترتبط بانتقال جزء من إلكترونات التكافؤ إلى ذرات د داخلية غير معبئة من ذرات الفلزات الانتقالية. بالإضافة إلى ذلك ، في مثل هذه السبائك ، غالباً ما يتوافق الحد الأقصى rations مع تركيزات غير 50٪.

الشكل 8 - اعتماد المقاومة (1) ومعامل درجة الحرارة للمقاومة (2) من سبائك النحاس والنيكل على النسبة المئوية للمكونات

كلما زادت مقاومة السبائك ، انخفض α ρ. هذا ناتج عن حقيقة أنه في المحاليل الصلبة ، ost ، كقاعدة عامة ، تتجاوز إلى حد كبير لا تعتمد على درجة الحرارة. وفقا لتعريف معامل درجة الحرارة

(17)

بالنظر إلى أن α ρ للمعادن النقية مختلفة قليلاً عن بعضها البعض ، يمكن بسهولة تحويل التعبير 17 إلى النموذج التالي:

(18)

في المحاليل الصلبة المركزة ، عادة ما تكون ost مرتبة من حيث الحجم أو أعلى من. t ، لذلك ، يمكن أن يكون α ρ spl أقل بكثير من α ρ من المعدن النقي. هذا هو الأساس للحصول على المواد الموصلة للحرارة. في كثير من الحالات ، يتبين أن درجة الحرارة لمقاومة السبائك تكون أكثر تعقيدًا من تلك الناتجة عن الانتظام الإضافي البسيط. يمكن أن يكون معامل درجة الحرارة لمقاومة سبائك أقل بكثير من تلك التي تنبأت بها نسبة 18. تتجلى بوضوح الشذوذ لاحظ في سبائك النحاس والنيكل (الشكل 8). في بعض السبائك ، عند نسب معينة من المكونات ، يتم ملاحظة α negative سالبة (بالنسبة للقسط الثابت).

مثل هذا التغيير في ρ و α ρ عن النسبة المئوية لمكونات السبائك ، على ما يبدو ، يمكن تفسيره بحقيقة أنه مع التركيب والبنية الأكثر تعقيدًا ، مقارنة بالمعادن النقية ، لا يمكن اعتبار السبائك معادن كلاسيكية. لا يحدث التغيير في الموصلية الخاصة بهم فقط بسبب التغير في المسار الحر للإلكترونات الحرة ، ولكن أيضًا في بعض الحالات ، بسبب الزيادة الجزئية في تركيز ناقلات الشحن ذات درجة الحرارة المتزايدة. إن السبائك التي يتم فيها تعويض الانخفاض في متوسط \u200b\u200bالمسار الحر مع زيادة درجة الحرارة يتم تعويضها عن طريق زيادة تركيز ناقلات الشحنة معاملات درجة حرارة الصفر للمقاومة.

في المحاليل المخففة ، عندما يتسم أحد المكونات (على سبيل المثال ، المكون B) بتركيز منخفض للغاية ويمكن اعتباره شوائب ، في الصيغة 16 دون فقدان الدقة ، يمكن للمرء وضع (1-x في) 1. ثم وصلنا إلى علاقة خطية بين المقاومة المتبقية وتركيز ذرات الشوائب في المعدن:

,

حيث يميز الثابت C التغييرات في المقاومة المتبقية ost ost بمقدار 1 عند٪ النجاسة.

تميل بعض السبائك إلى تكوين هياكل مرتبة إذا تم الحفاظ على نسب معينة في التركيبة أثناء صنعها. سبب الطلب هو تفاعل كيميائي أقوى للذرات المتباينة مقارنة بالذرات من نفس النوع. يتم ترتيب الهيكل أسفل درجة حرارة مميزة معينة T cr ، تسمى درجة الحرارة الحرجة (أو درجة حرارة Kurnakov). على سبيل المثال ، سبيكة تحتوي على 50 في. ٪ النحاس و 50 في. ٪ Zn ( - نحاس) لديه هيكل مكعب محورها الجسم. في T  360 درجة مئوية ، يتم توزيع ذرات النحاس والزنك بشكل عشوائي وإحصائي على مواقع الشبكة.

سبب المقاومة الكهربائية للمواد الصلبة ليس تصادم الإلكترونات الحرة مع ذرات الشبكة ، بل هو تناثرها بواسطة عيوب هيكلية مسؤولة عن انتهاك التناظر الترجمي. عند طلب محلول صلب ، تتم استعادة دورية الحقل الكهروستاتيكي للتركيب الذري للشبكة ، ويرجع ذلك إلى زيادة متوسط \u200b\u200bالمسار الحر للإلكترونات وتختفي المقاومة الإضافية بالكامل تقريبًا بسبب التشتت على التجانس المجهرية للسبائك.

4 تأثير سمك الأفلام المعدنية على مقاومة السطح المحددة ومعامل درجة الحرارة

في صناعة الدوائر المتكاملة ، تستخدم الأفلام المعدنية في التوصيلات والوسادات وألواح المكثف والعناصر الحثية والمغناطيسية والمقاومة.

يمكن أن يختلف هيكل الأفلام ، اعتمادًا على ظروف التكثيف ، من المكثفات غير المتبلورة إلى الأفلام الفوقي - هياكل طبقة أحادية البلورة المثالية. بالإضافة إلى ذلك ، ترتبط خصائص الأفلام المعدنية بتأثيرات الحجم. لذا فإن مساهمتها في التوصيل الكهربائي تكون مهمة إذا كان سمك الفيلم يتناسب مع l cf.

يوضح الشكل 9 التبعيات النموذجية للمقاومة السطحية للأغشية الرقيقة ومعامل درجة حرارتها على سماكة الفيلم. لأن العلاقة هيكلية (الطول l ، العرض b ، سماكة الفيلم h) والتقنية

() يتم تعيين معلمات المقاوم فيلم رقيقة (TPR) بواسطة المعادلة:

,

حيث ρ s \u003d ρ / h هي المقاومة المربعة (أو المقاومة السطحية المحددة) ، فسنستخدم الرموز التقليدية  بدلاً من ρ s و  ρ بدلاً من  ρ s.

الشكل 9 - طبيعة التغييرات   و  من سماكة الفيلم h

يرافق نمو الأفلام المعدنية أربع مراحل:

الأول هو تكوين ونمو الجزر المعدنية (الآليات المسؤولة عن نقل الشحنة هي الانبعاثات الحرارية ونفق الإلكترونات الموجودة فوق مستوى فيرمي. تتناقص المقاومة السطحية للمناطق الركيزة التي لا يوجد فيها فيلم معدني مع زيادة درجة الحرارة ، مما يؤدي إلى زيادة سلبية للأفلام ذات سماكة صغيرة )؛

II - ملامسة الجزر لبعضها البعض (تعتمد لحظة تغيير العلامة لـ on on على نوع المعدن ، وظروف تكوين الفيلم ، وتركيز الشوائب ، وحالة سطح الركيزة) ؛

ثالثا - تشكيل شبكة موصلة عندما ينخفض \u200b\u200bحجم وعدد الفجوات بين الجزر ؛

رابعا - تشكيل فيلم موصل مستمر عندما تقترب الموصلية و the value من قيمة الموصلات السائبة ، ولكن لا تزال المقاومة المحددة للفيلم أكبر من تلك الموجودة في العينة السائبة ، وذلك بسبب التركيز العالي للعيوب والشوائب المحتجزة في الفيلم أثناء الترسب. لذلك ، الأفلام المؤكسدة على طول حدود الحبوب متقطعة كهربائيا ، على الرغم من أنها جسديا مستمرة. يساهم في نمو  وتأثير الحجم بسبب انخفاض في متوسط \u200b\u200bالمسار الحر للإلكترونات عندما تنعكس من سطح العينة.

في صناعة المقاومات ذات الأغشية الرقيقة ، يتم استخدام ثلاث مجموعات من المواد: المعادن والسبائك المعدنية والسيرمات.

5 الطبيعة المادية للموصلية الفائقة

يتم تفسير ظاهرة الموصلية الفائقة عن طريق نظرية الكم ، والتي تحدث عندما تنجذب الإلكترونات الموجودة في المعدن إلى بعضها البعض. يمكن إجراء الجذب في وسط يحتوي على أيونات موجبة الشحنة ، يضعف مجالها قوى تنافر Coulomb بين الإلكترونات. فقط تلك الإلكترونات التي تشارك في الموصلية الكهربائية ، أي تقع بالقرب من مستوى فيرمي. ترتبط الإلكترونات ذات الدوران المعاكس بأزواج تسمى أزواج كوبر.

يتم لعب الدور الحاسم في تشكيل أزواج كوبر من خلال تفاعلات الإلكترونات مع الاهتزازات الحرارية لشبكة شعرية ، والتي يمكن أن تمتصها وتولدها. يتفاعل أحد الإلكترونات مع الشبكة - يثيرها ويغير زخمها ؛ إلكترون آخر ، يتفاعل ، ينقله إلى حالة طبيعية ويغير زخمه أيضًا. ونتيجة لذلك ، لا تتغير حالة الشبكة ، حيث تتبادل الإلكترونات كمية الطاقة الحرارية - الفونونات. يتسبب تفاعل التبادل الصوتي في قوى جذابة بين الإلكترونات المتفوقة على تنافر كولوم. يحدث تبادل فون بشكل مستمر.

إلكترون يتحرك عبر شعرية يستقطبها ، أي يجذب أقرب الأيونات ؛ بالقرب من مسار الإلكترون ، تزداد كثافة الشحنة الموجبة. تنجذب المنطقة إلى الإلكترون الثاني بشحنة موجبة زائدة ؛ ونتيجة لذلك ، بسبب التفاعل مع الشبكة ، تنشأ قوى جذابة بين الإلكترونات (زوج كوبر). تتداخل هذه التكوينات المزدوجة مع بعضها البعض في الفضاء ، وتتحلل وتعيد تكوينها ، وتشكل مكثفًا للإلكترون ، تكون طاقته بسبب التفاعل الداخلي أقل من طاقة مجموعة من الإلكترونات المفككة. تظهر فجوة الطاقة في طيف الطاقة لموصل فائق - منطقة من حالات الطاقة المحرمة.

توجد الإلكترونات المزدوجة في قاع فجوة الطاقة. يعتمد حجم فجوة الطاقة على درجة الحرارة والوصول إلى أقصى درجة عند الصفر المطلق ويختفي تمامًا عند T St. بالنسبة لمعظم الموصلات الفائقة ، تبلغ فجوة الطاقة من 10 إلى 4-10 فولت.

يحدث تشتت الإلكترونات على الاهتزازات الحرارية والشوائب ، ولكن في

يتطلب وجود فجوة طاقة في انتقال الإلكترونات من الحالة الأرضية إلى الحالة المثارة جزءًا كافيًا من الطاقة الحرارية ، غير الموجودة في درجات حرارة منخفضة ، لذلك لا تنتشر الإلكترونات المقترنة في العيوب الهيكلية. تتمثل إحدى ميزات أزواج كوبر في أنهم لا يستطيعون تغيير حالاتهم بشكل مستقل عن بعضهم البعض ، وموجات الإلكترون لها نفس الطول والمرحلة ، أي يمكن اعتبارها موجة واحدة تتدفق حول العيوب الهيكلية ، وعند الصفر المطلق ، يتم توصيل جميع الإلكترونات في أزواج ، مع زيادة في كسر بعض الأزواج وتناقص في عرض الفجوة ، وفي T st يتم تدمير جميع الأزواج ، ويتعرض عرض الفجوة وتختفي الموصلية الفائقة.

يحدث الانتقال إلى حالة الموصلية الفائقة في نطاق درجة حرارة ضيقة جدًا ، حيث يؤدي عدم تجانس الهيكل إلى زيادة الفاصل الزمني.

إن أهم خاصية للموصلات الفائقة - ألا يخترق المجال المغنطيسي المادة على الإطلاق ، وخطوط القوة المغلفة للموصل الفائق (تأثير مايسنر) - ويرجع ذلك إلى حقيقة أن هناك تيارًا غير مُخمد دائريًا ينشأ في الطبقة السطحية للموصل الفائق في الحقل المغنطيسي ، مما يعوض تمامًا المجال الخارجي في سماكة العينة. عمق الاختراق للمجال المغنطيسي هو 10 - 7 - 10 - 8 متر - موصل فائق - قطر مغناطيسي مثالي ؛ يتم دفعها خارج المجال المغناطيسي (يمكن صنع مغناطيس دائم للتعليق على حلقة من المواد فائقة التوصيل التي تدور حولها التيارات غير المستحثة التي يسببها المغناطيس).

تنتهك حالة الموصلية الفائقة عندما يتجاوز المجال المغنطيسي H وفقًا لطبيعة انتقال المادة من حالة التوصيل الفائق إلى حالة التوصيل الكهربائي العادي تحت تأثير مجال مغناطيسي ، يتم تمييز الموصلات الفائقة من النوع الأول والثاني. في الموصلات الفائقة من النوع 1 ، يحدث هذا الانتقال في خطوات ، وفي الموصلات الفائقة ، تكون عملية الانتقال تدريجية في نطاق H sv1 -

H sv2. في الفترة الفاصلة ، تكون المادة في حالة غير متجانسة تتعايش فيها المراحل العادية والموصلية الفائقة ، ويتغلغل المجال المغناطيسي تدريجياً مع الموصل الفائق ، وتتم المحافظة على المقاومة الصفرية حتى التوتر الحرج العلوي.

تعتمد الكثافة الحرجة على درجة حرارة الموصلات الفائقة من النوع 1:

في النوع 2 من الموصلات الفائقة ، تتوسع منطقة الحالة الوسيطة مع انخفاض درجة الحرارة.

يمكن أن تتعطل الموصلية الفائقة عن طريق التيار الذي يمر عبر الموصل الفائق إذا تجاوز القيمة الحرجة I st \u003d 2πrH sv (T) - للموصلات الفائقة من النوع 1 (للنوع 2 - حرف أكثر تعقيدًا).

26 فلزية تمتلك الموصلية الفائقة (بشكل رئيسي من النوع الأول مع درجات حرارة حرجة أقل من 4.2 كلفن) ، 13 عنصرًا تظهر الموصلية الفائقة في ضغوط عالية (السيليكون ، الجرمانيوم ، التيلوريوم ، الأنتيمون). لا تمتلك النحاس والذهب والفضة: تشير المقاومة المنخفضة إلى وجود تفاعل ضعيف بين الإلكترونات والشبكية البلورية ، وفي السبائك الحديدية والمضادات المغناطيسية ؛ يتم تحويل أشباه الموصلات بإضافة تركيز عالٍ من المنشطات. في العزل الكهربائي ذو السماحية العالية (الإلكترودات الحديدية) ، يتم إضعاف قوى التنافر Coulomb بين الإلكترونات ويمكن أن تظهر خاصية الموصلية الفائقة. تنتمي المركبات والسبائك بين المعادن إلى الموصلات الفائقة من النوع 2 ، ومع ذلك ، فإن هذا التقسيم ليس مطلقًا (يمكن تحويل الموصلات الفائقة من النوع 1 إلى موصل فائق من النوع 2 إذا تم إنشاء تركيز كافٍ من عيوب الشبكة البلورية. الصعوبات (لديهم هشاشة ، الموصلية الحرارية المنخفضة) ، إنشاء تركيبات من موصل فائق مع النحاس (الطريقة البرونزية أو طريقة نشر الطور الصلب - الضغط والرسم ؛ إنها تخلق الموقف من خيوط رقيقة النيوبيوم في مصفوفة من القصدير البرونزية، مع التدفئة القصدير البرونزية ينشر في ملحوظة لتشكيل فائقة التوصيل فيلم stanida النيوبيوم).

أسئلة الأمان

1 ما المعلمات التي تحدد التوصيل الكهربائي للمعادن.

2 ما الإحصائيات التي تصف توزيع الطاقة للإلكترونات في نظرية الكم لتوصيل المعادن.

3 ما الذي يحدد طاقة فيرمي (مستوى فيرمي) في المعادن وما يعتمد عليها.

4 ما هي الإمكانات الكهروكيميائية للمعادن.

5 ما الذي يحدد المسار الحر للإلكترونات في المعدن.

6 تشكيل السبائك. كيف وجود العيوب على مقاومة المعادن.

7 اشرح اعتماد درجة حرارة المقاومة للموصلات.

8 أنماط من Kurnakov N. ل T و TCS في سبائك مثل الحلول الصلبة والمخاليط الميكانيكية.

9 استخدام في تقنية المواد الموصلة مع قيم مختلفة من المقاومة الكهربائية. متطلبات المواد اعتمادا على التطبيق.

10 ظاهرة الموصلية الفائقة. نطاقات فائقة الموصلات

6 مختبر العمل رقم 2. دراسة خواص السبائك الموصلة

الهدف: دراسة قوانين التغيرات في الخواص الكهربائية للسبائك المكونة من مكونين حسب تركيبها.

في الجزء الأول من العمل المختبري ، يتم النظر في مجموعتين من السبائك ذات التركيبة المختلفة للطور.

تشتمل المجموعة الأولى على سبائك يذوب مكوناتها A و B بشكل غير محدود في بعضها البعض ، مع الاستعاضة تدريجياً عن بعضها البعض في العقد الشبكية البلورية ، وتشكل سلسلة مستمرة من المحاليل الصلبة من مكون سبيكة نقي إلى آخر. أي سبيكة من هذا النوع في الحالة الصلبة هي أحادية الطور ، وتتكون من نفس تركيبة الحبوب لهذا المحلول الصلب. مثال على النحاس والنيكل Cu-Ni ، الجرمانيوم والسيليكون Ge-Si ، وما إلى ذلك مثال على سبائك الحل الصلبة ، المجموعة الثانية تشمل سبائك ، مكوناتها غير قابلة للذوبان عمليا في بعضها البعض ، كل مكون من مكونات الحبوب الخاصة به. سبائك الصلب هو ثنائي الطور. وتسمى هذه السبائك المخاليط الميكانيكية. ومن الأمثلة على سبائك الخلائط الميكانيكية أنظمة النحاس والفضة Cu-Ag ، والقصدير الرصاص Sn-Pb ، إلخ.

أثناء تشكيل السبائك من نوع الخلائط الميكانيكية (الشكل 10 ، أ) ، تتغير الخصائص خطيًا (المضافة) وتكون متوسطة بين قيم خصائص المكونات النقية. أثناء تكوين سبائك من نوع المحاليل الصلبة (الشكل 10 ، ب) ، تتغير الخصائص على طول المنحنيات بحد أقصى وحد أدنى.

الشكل 10 - أنماط من كورناكوف N.. العلاقة بين تكوين الطور للسبائك وخصائصه

الخصائص الكهربائية الرئيسية للمعادن والسبائك هي: المقاومة الكهربائية ρ، hmOhm؛ معامل درجة الحرارة لمقاومة TCS ، درجة -1.

المقاومة الكهربائية للموصل طول محدود ل والقسم العرضي S يعبر عنها إدمان معروف

(19)

مقاومة المواد الموصلة صغيرة وتقع في حدود 0.016-10 μOhm.m.

تعتمد المقاومة الكهربائية لمختلف الموصلات المعدنية بشكل أساسي على متوسط \u200b\u200bالمسار الحر λ للإلكترون في هذا الموصل:

حيث µ \u003d 1 / λ هو معامل تشتت الإلكترون.

عوامل التشتت في الحركة الاتجاهية للأقطاب في المعادن والسبائك هي أيونات موجبة تقع في عقد الشبكة البلورية. في المعادن النقية التي تحتوي على أكثر من شبكة شعرية بلورية غير مشوهة ، حيث توجد الأيونات الموجبة بانتظام في الفضاء ، يكون تشتت الإلكترون صغيراً ويتم تحديده بشكل رئيسي من خلال سعة اهتزازات Iona في مواقع الشبكة ، فيما يتعلق بالمعادن النقية warm A · μ دافئة. حيث µ دافئ. هو معامل تشتت الإلكترون على الاهتزازات الحرارية للشبكة. وتسمى هذه الآلية نثر الإلكترون نثر فونون بواسطة الاهتزازات الحرارية شعرية.

مع زيادة درجة الحرارة T ، تزداد سعة اهتزازات الأيونات الموجبة في مواقع الشبكة ، ويزيد تشتت الإلكترونات الموجَّهة على طول حركة الحقل ، ويتناقص متوسط \u200b\u200bالمسار الحر ، وتزداد المقاومة.

تسمى القيمة التي تقدر الزيادة في مقاومة المادة عندما تتغير درجة الحرارة بمقدار درجة واحدة بمعامل درجة الحرارة للمقاومة الكهربائية لـ TCS:

(20)

حيث R 1 هي مقاومة العينة ، تقاس عند درجة الحرارة T 1 ؛ R 2 هي مقاومة نفس العينة ، تقاس عند درجة حرارة T 2.

تتم دراسة نظامين من السبائك في العمل: نظام Cu-Ni ، حيث تفي مكونات السبائك (النحاس والنيكل) بكافة شروط القابلية للذوبان غير المحدودة في الحالة الصلبة ، وبالتالي ، فإن أي سبيكة في هذا النظام ستكون محلول صلب أحادي الطور بعد التبلور (الشكل 10 ، أ) ونظام Cu-Ag ، الذي لا تفي مكوناته (النحاس والفضة) بشروط القابلية للذوبان غير المحدودة ، إن قابلية ذوبانها صغيرة حتى في درجات الحرارة المرتفعة (لا تتجاوز 10 ٪) ، وفي درجات حرارة أقل من 300 0 درجة مئوية ، فإنه صغير جدًا بحيث يمكن اعتباره الصورة، ومن غاب، وأي سبيكة يتكون من خليط الميكانيكية من النحاس والفضة والحبوب (الشكل 10B).

دعنا نفكر في مسار المنحنى لحلول صلبة. عند إضافة مكون سبيكة آخر إلى أي من المكونات النقية ، ينتهك التوحيد في الترتيب الصارم للأيونات الموجبة من نفس النوع ، والذي يتم ملاحظته في المعادن النقية في العقد الشبكية البلورية. وبالتالي ، فإن تشتت الإلكترونات في سبيكة من نوع المحلول الصلب يكون دائمًا أكبر منه في أي من المكونات النقية بسبب تشويه الشبكة البلورية للمكونات النقية أو ، كما يقولون ، نظرًا للزيادة في عيوب الشبكة البلورية ، حيث إن كل ذرة يتم إدخالها من نوع مختلف مقارنةً بالمكون النقي عيب نقطة.

ويترتب على ذلك أنه بالنسبة للسبائك من نوع المحلول الصلب ، يتم إضافة نوع آخر من نثر الإلكترون - الانتثار بواسطة عيوب النقطة والمقاومة الكهربائية

(21)

نظرًا لأنه من المعتاد تقييم جميع القيم at عند T \u003d 20 0 C ، فإن العامل الحاسم للسبائك من نوع المحاليل الصلبة هو التشتت من عيوب النقطة. لوحظت أكبر الانتهاكات لصحة الشبكة البلورية في منطقة تركيز المكونات بنسبة خمسين بالمائة ، يكون للمنحنى أقصى قيمة في هذه المنطقة. من العلاقة 20 ، يتضح أن معامل درجة الحرارة لمقاومة TCS يتناسب عكسياً مع المقاومة R ، وبالتالي المقاومة ρ ؛ منحنى TCS لديه دقيقة في المنطقة من نسبة المكون خمسين في المئة.

في الجزء الثاني من العمل المختبري ، تعتبر السبائك ذات المقاومة العالية. تشتمل هذه المواد على سبائك لها ، في ظل الظروف العادية ، مقاومة كهربائية محددة لا تقل عن 0.3 أوم. تستخدم هذه المواد على نطاق واسع في تصنيع أجهزة التدفئة الكهربائية والكهربائية المختلفة ، ومقاومة النماذج ، مقاومة متغيرة ، إلخ.

لتصنيع أدوات القياس الكهربائية والمقاومة المرجعية ومتغيرات المقاومة ، يتم استخدام السبائك ، كقاعدة عامة ، تتميز بالاستقرار العالي للمقاومة في الوقت ومعامل المقاومة للحرارة المنخفض. وتشمل هذه المواد المنغانين ، كونستانتين ونيتشروم.

المنجانين عبارة عن سبيكة من النحاس والنيكل تحتوي على متوسط \u200b\u200b2.5 ... 3.5٪ نيكل (مع الكوبالت) ، 11.5 ... 13.5٪ منجنيز ، 85.0 ... 89.0٪ نحاس . يسمح تناول المنشطات بالمنغنيز ، بالإضافة إلى المعالجة الحرارية الخاصة عند درجة حرارة 400 درجة مئوية ، بتثبيت مقاومة المنجنين في درجة الحرارة من -100 إلى + 100 درجة مئوية. يحتوي المنغانين على قيمة صغيرة جدًا من EMF الحرارية المقترنة بالنحاس ، والثبات العالي للمقاومة في الوقت المناسب ، مما يسمح باستخدامه على نطاق واسع في صناعة المقاومات وأدوات القياس الكهربائية من أعلى درجات الدقة.

يحتوي قسطنطين على نفس مكونات المنغنيز ، لكن بنسب مختلفة: النيكل (مع الكوبالت) 39 ... 41٪ ، المنغنيز 1 ... 2٪ ، النحاس 56.1 ... 59.1٪. مقاومتها الكهربائية مستقلة عن درجة الحرارة.

النيتشروم عبارة عن سبائك تحتوي على الحديد ، اعتمادًا على الدرجة ، 15 ... 25٪ كروم ، 55 ... 78٪ نيكل ، 1.5٪ منجنيز. إنها تستخدم بشكل أساسي لتصنيع عناصر التسخين الكهربائية ، حيث أنها تتمتع بمقاومة جيدة في درجات الحرارة العالية في الهواء ، وهذا بسبب القيم الوثيقة لمعاملات درجة الحرارة للتوسع الخطي لهذه السبائك وأفلام أكسيدها.

من بين السبائك ذات المقاومة العالية ، والتي (باستثناء نيتشروم) التي تستخدم على نطاق واسع لتصنيع عناصر التسخين المختلفة ، من الضروري ملاحظة السبائك المقاومة للحرارة fechral والكروم. إنها تنتمي إلى نظام Fe-Cr-Al وتحتوي على 0.7٪ منغنيز ، 0.6٪ نيكل ، 12 ... 15٪ كروم ، 3.5 ... 5.5٪ ألومنيوم ، والباقي حديد. هذه السبائك مقاومة للغاية للتدمير الكيميائي للسطح تحت تأثير الوسائط الغازية المختلفة في درجات حرارة عالية.

6.1 ترتيب العمل المعملي رقم 2 أ

قبل البدء في العمل ، تعرف على مخطط التثبيت الموضح في الشكل 11 والأدوات اللازمة للقياسات.

يتكون الإعداد المختبري من ترموستات توجد فيه العينات ، وجسر قياس MO-62 ، والذي يسمح لك بقياس مقاومة العينة في الوقت الفعلي. للتبريد القسري للعينات (عند Т\u003e 25 درجة مئوية) ، يتم تثبيت مروحة على الترموستات ويوجد مثبط على السطح الخلفي. على الجانب الأيمن من الترموستات يوجد مفتاح تبديل رقم العينة.

الشكل 11 - مخطط المظهر وقياس العمل المخبري 2 أ

قبل البدء في العمل ، اضبط مفاتيح "المضاعف N" على 0.1 أو 0.01 (كما هو موضح في الجدول) ، ويتحول العقد الخامس إلى أقصى اليسار في عكس اتجاه عقارب الساعة وتأكد من إيقاف تشغيل منظم الحرارة (مفتاح التبديل على اللوحة الأمامية من منظم الحرارة في الموضع العلوي Т≤25 درجة مئوية ، وإلا ، افتح المخمد وقم بتشغيل المروحة مع وجود مفتاح التبديل الموجود أسفل مصباح الإشارة ، وحركه إلى الموضع السفلي حتى الوصول إلى درجة الحرارة العادية ، ثم قم بإيقاف تشغيل المروحة.

6.1.1 اضبط رقم العينة -1 ، مع تحديد درجة الحرارة التي سيتم بها إجراء القياسات باستخدام مقياس حرارة مثبت على منظم حرارة ؛ قم بتحويل مضاعف جسر القياس إلى الموضع 0.01 ، ثم قم بتشغيل الشبكة باستخدام مفتاح التبديل الموجود في الجزء العلوي الأيمن من اللوحة الأمامية ، سيضيء مؤشر الشبكة. باستخدام مفاتيح العقد ، تأكد من أن إبرة الجلفانومتر في 0 ، بعد النقر على زر القياس "بدقة".

يجب أن يبدأ اختيار المقاومة من العقد الأول بتقريب متتابع ، واضرب القيمة التي تم الحصول عليها بعامل والكتابة في الجدول 3.

كرر القياسات للعينات الخمس التالية ، وبعد ذلك يتم نقل المضاعف إلى الموضع 0.1 واستمر القياسات للعينات 7-10.

6.1.2 أعد مفتاح تبديل رقم العينة إلى موقعه الأصلي ، وأغلق الغطاء الموجود على الجهة الخلفية من الترموستات ، وقم بتشغيل منظم الحرارة (مفتاح في اللوحة الأمامية - كل الطريق لأسفل) ، وقم بتسخين العينات إلى درجة حرارة تتراوح بين 50 و 70 درجة مئوية ، ثم قم بإيقاف تشغيل الترموستات ، ثم قم بإيقاف تشغيل الترموستات قياس مقاومة 10 عينات يشبه الفقرة 6.1.1 ، تسجيل درجة الحرارة المقابلة لكل قياس.

سجل جميع البيانات التي تم الحصول عليها في الجدول 3. عرض النتائج على المعلم.

6.2 الإجراء 2 ب

قبل البدء في العمل ، تعرف على مخطط التثبيت الموضح في الشكل 12 والأجهزة اللازمة لتنفيذه.

يتكون التثبيت من وحدة قياس (BI) ، حيث يوجد مصدر طاقة + 12V ، ووحدة قياس درجة الحرارة (BIT) ، ترموستات ، مع عينات مثبتة فيه ،

مروحة للتبريد القسري للعينات ، إشارة إلى أوضاع التشغيل ودرجة الحرارة ، وسائل التبديل (مفاتيح لعدد العينات ، وضع التشغيل ، التشغيل ، الحرارة والتبريد القسري) ، بالإضافة إلى كتلة RLC التي تسمح لك بقياس مقاومة جميع العينات في الوقت الفعلي ، وفقًا للمهمة المستلمة .

شكل 12- مخطط المظهر والقياس للعمل المخبري 2 ب

قبل تشغيل الوحدة في الشبكة ، تأكد من أن مفتاح تبديل الشبكة K1 ، الموجود على الجانب الأيمن من وحدة القياس ، ومفتاح تبديل RLC-meter في وضع "Off".

6.2.1 الاتصال بالشبكة بمقياس RLC ووحدة قياس (BI).

6.2.2 تبديل التبديل K2 على BI في الموضع الصحيح (إيقاف الحرارة) ، لا ضوء LED أحمر.

6.2.3 وضع التشغيل على مفتاح تبديل BI K4 - في الموضع السفلي.

6.2.4 تبديل التبديل "المضاعف" - 1: 100 ، 1: 1 (الموضع الأوسط).

6.2.5 التبديل P1 و P2 (أرقام العينات) - لوضع R1.

6.2.6 تبديل التبديل K3 (تشغيل المروحة) - إيقاف التشغيل (الوضع السفلي).

6.2.7 قم بتشغيل طاقة BI (مفتاح التبديل K1 الموجود على الجانب الأيمن من BI قيد التشغيل ، يضيء مؤشر LED الأخضر) ، قم بتحويل المضاعف إلى الوضع 1: 100 ، وتأكد من أن درجة حرارة العينات في حدود 20 - 25 درجة مئوية

بعد أن قمت بتشغيل شاشة العرض مسبقًا بالضغط لفترة وجيزة على الزر الموجود على اللوحة الخلفية للوحدة ، وإلا ، ارفع غطاء الترموستات لأعلى مع المسمار الموجود على غطاء BI وقم بتشغيل المروحة ، بعد تبريد العينات إلى حدود محددة.

6.2.8 قم بتشغيل قوة عداد RLC وحدد وضع قياس المقاومة عليه.

6.2.9 باستخدام مفتاح "عينة N" على BI ، قم بقياس مقاومة 10 عينات بالتناوب في درجة حرارة الغرفة (20-25) ℃ ، ثم أعدها إلى موقعها الأصلي ، أدخل البيانات في الجدول 3.

6.2.10 قم بتشغيل منظم الحرارة في BI ، والمفتاح K2 هو "ON" (يضيء المصباح الأحمر) ويتم تسخينه إلى 50-60 درجة مئوية ، ورفع غطاء المروحة في BI وتشغيل المروحة (K3 - أعلى).

6.2.11 - قم بقياس مقاومة 10 عينات ، على غرار القسم 6.2.9 ، مع تحديد درجة الحرارة التي تم فيها إجراء القياس لكل عينة. أدخل البيانات في الجدول 3. التبديل "N عينة" في الموضع الأولي ، والمضاعف في الموضع الأوسط.

6.2.12 - استمر في تسخين الترموستات إلى º \u003d 65 درجة مئوية عن طريق خفض غطاء المروحة. قم بإيقاف تشغيل جهاز التحكم في درجة الحرارة ، وقم بتشغيل K2 في وضع BI-in في الموضع الصحيح (إيقاف تشغيل مؤشر LED الأحمر).

6.2.13 قم بتبديل مفتاح "وضع التشغيل" K4 إلى الوضع BI - إلى الموضع 2 ، والمضاعف - إلى 1: 1 ، ارفع غطاء المروحة.

6.2.14 قياس R1 ، R2 ، R3 ، R4 واحدة تلو الأخرى (5-10) ℃ إلى درجة حرارة (25-30) andС وأدخل البيانات في الجدول 4. عندما تصل درجة الحرارة (25-30) ℃ ، اضبط مفتاح المضاعف - في الموضع الأوسط ، ثم قم بإيقاف تشغيل الشبكة في كلا الجهازين. (العينة 1 عبارة عن نحاس ، والعينة 2 عبارة عن نيكل ، والعينة 3 هي كونستانتان ، والعينة 4 نيتشروم).

يجب أن يحتوي التقرير على:

الغرض من العمل ؛

وصف موجز للتخطيط التثبيت ؛

صيغ العمل ، التفسيرات ، أمثلة الحساب ؛

النتائج التجريبية هي في شكل الجدول 1 (أو الجدولين 3 و 4) واثنين من الرسوم البيانية للاعتماد ρ و TCS على تكوين السبائك لأنظمة Cu-Ag و Cu-Ni ، وللأقسام 6.2.13-6.2.16 ، اعتماد المقاومة (R) على t ℃ لأربع عينات ؛

استنتاجات وضعت على أساس النتائج التجريبية ودراسة الأدبيات الموصى بها.

الجدول 3 - دراسة اعتماد ρ و TCS على تكوين سبيكة

طول الموصل L \u003d 2m ؛ القسم S \u003d 0.053 ميكرون.
;
.

الجدول 4 دراسة الاعتماد درجة الحرارة لمقاومة العينات

أدب

1 Pasynkov V.V.، Sorokin V.S. مواد المعدات الإلكترونية: كتاب. - 2nd إد. - م: العالي. المدرسة ، 1986. - 367 ص.

2 كتيب المواد الكهربائية / إد. Y. كوريتسكي ، ف. باسينكوفا ، ب.م. Tareeva. - M .: Energoizdat ، 1988.V. 3.

3 مواد في الأجهزة والأتمتة. كتيب / إد. YM Pyatina ، - م: الهندسة الميكانيكية ، 1982.

4 Bondarenko G.G.، Kabanova T.A.، Rybalko V.V. علوم المواد: م: دار يوريت للنشر ، 2012.

10 · 10 2 ، TCS · 10 3 ،

1m 1 / درجة

Ag 100 80 60 40 20 0

Cu 0 20 40 60 80 100

10 · 10 ، TCS ،

m أوم م 1 / درجة.

Cu 100 80 60 40 20 0

ني 0 20 40 60 80 100

جدول المعلم - Kirshina I.A. - مساعد ، دكتوراه

تعتمد المقاومة الكهربائية لجميع المواد تقريبًا على درجة الحرارة. تختلف طبيعة هذا الاعتماد بالنسبة للمواد المختلفة.

في المعادن التي لها بنية بلورية ، يكون المسار الحر للإلكترونات كناقلات شحن محدودًا بسبب تصادماتها مع الأيونات الموجودة في عقد الشبكة البلورية. في الاصطدامات ، يتم نقل الطاقة الحركية للإلكترونات إلى الشبكة. بعد كل تصادم ، تكتسب الإلكترونات ، تحت تأثير قوى المجال الكهربائي ، السرعة ، وعند الاصطدام اللاحق ، تنقل الطاقة المكتسبة إلى أيونات الشبكة البلورية ، مما يزيد من اهتزازاتها ، مما يؤدي إلى زيادة في درجة حرارة المادة. وبالتالي ، يمكن اعتبار الإلكترونات وسطاء في تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية. يصاحب الزيادة في درجة الحرارة زيادة في الحركة الحرارية الفوضوية لجزيئات المادة ، مما يؤدي إلى زيادة في عدد تصادمات الإلكترونات معهم ويعقد الحركة المطلوبة للإلكترونات.

بالنسبة لمعظم المعادن ، تزداد المقاومة خطيًا في نطاق درجة حرارة التشغيل.

حيث و - المقاومة في درجات الحرارة الأولية والنهائية ؛

- ثابت لمعامل معدني معين ، يسمى معامل درجة حرارة المقاومة (TCS) ؛

T1 و T2 هي درجات الحرارة الأولية والنهائية.

بالنسبة للموصلات من النوع الثاني ، تؤدي الزيادة في درجة الحرارة إلى زيادة في تأينها ؛ وبالتالي ، فإن TCS لهذا النوع من الموصلات سلبية.

وترد قيم المقاومة للمواد و TCS بهم في الكتب المرجعية. عادة ، يتم إعطاء قيم المقاومة عادة عند درجة حرارة +20 درجة مئوية.

يتم تحديد مقاومة الموصل بالتعبير

R2 \u003d R1
(2.1.2)

مهمة 3 مثال

حدد مقاومة السلك النحاسي لخط نقل بسلكين عند + 20 ° C و +40 ° C ، إذا كان المقطع العرضي للسلك S \u003d

120 ملم ، وطول الخط ل \u003d 10 كم.

قرار

وفقا للجداول المرجعية نجد المقاومة النحاس في +20 درجة مئوية ومعامل درجة الحرارة للمقاومة :

\u003d 0.0175 مم / م ؛ \u003d 0.004 درجة .

نحدد مقاومة السلك عند T1 \u003d +20 درجة مئوية وفقًا للصيغة R \u003d ، بالنظر إلى طول الأسلاك الأمامية والخلفية للخط:

R1 \u003d 00175
2 \u003d 2.917 أوم.

يمكن العثور على مقاومة الأسلاك عند درجة حرارة + 40 درجة مئوية بواسطة الصيغة (2.1.2)

R2 \u003d 2.917 \u003d 3.15 أوم.

مهمة

يتكون خط جوي من ثلاثة أسلاك بطول L بسلك ، يتم إعطاء علامة في الجدول 2.1. من الضروري إيجاد القيمة المشار إليها بعلامة "؟" باستخدام المثال أعلاه واختيار الخيار مع البيانات المشار إليها فيه وفقًا للجدول 2.1.

تجدر الإشارة إلى أنه في المهمة ، على عكس المثال ، يتم توفير الحسابات المتعلقة بسلك واحد من الخط. في ماركات الأسلاك العارية ، تشير الرسالة إلى مادة السلك (A - الألومنيوم ؛ M - النحاس) ، ويشير الرقم إلى المقطع العرضي للسلك فيمم .

الجدول 2.1

تنتهي دراسة مادة الموضوع باختبارات رقم 2 (TOE-

ETM / PM "ورقم 3 (TOE - ETM / IM)

جزيئات الموصل (الجزيئات ، الذرات ، الأيونات) التي لا تشارك في تكوين التيار تكون في حركة حرارية ، والجسيمات التي تشكل تيارًا تكون في وقت واحد في حركات حرارية واتجاهية تحت تأثير المجال الكهربائي. نتيجة لهذا ، تحدث العديد من الاصطدامات بين الجسيمات التي تشكل التيار والجزيئات غير المتورطة في تكوينه ، حيث يتخلى الأول عن جزء من طاقة المصدر الحالي الذي ينقله إلى الأخير. لمزيد من الاصطدامات ، انخفضت سرعة الحركة المطلوبة للجزيئات التي تشكل التيار. كما يمكن أن يرى من الصيغة أنا \u003d enνS، انخفاض في السرعة يؤدي إلى انخفاض في القوة الحالية. تسمى الكمية العددية التي تميز خاصية الموصل لتقليل القوة الحالية مقاومة الموصل.  من صيغة قانون أوم ، المقاومة أوم هي مقاومة الموصل ، حيث يتم الحصول على التيار بقوة 1 أ  في الجهد في نهايات موصل 1 في.

تعتمد مقاومة الموصل على طوله l ، المقطع العرضي S والمواد ، والتي تتميز المقاومة كلما زاد طول الموصل ، كلما زاد زمن اصطدام الجسيمات التي تشكل التيار مع الجزيئات غير المشاركة في تكوينها ، وبالتالي كلما زادت مقاومة الموصل. أصغر المقطع العرضي للموصل ، وأكثر كثافة تدفق الجسيمات التي تشكل التيار ، وغالبا ما تصطدم مع جزيئات لا تشارك في تكوينها ، وبالتالي كلما زادت مقاومة الموصل.

تحت تأثير الحقل الكهربائي ، تتحرك الجسيمات التي تشكل التيار بين التصادمات بشكل متسارع ، مما يزيد من الطاقة الحركية بسبب طاقة المجال. في تصادم مع جزيئات لا تشكل تيارًا ، ينقلون جزءًا من طاقتهم الحركية إليها. نتيجة لذلك ، تزداد الطاقة الداخلية للموصل ، والذي يظهر خارجيًا في تسخينه. فكر فيما إذا كانت مقاومة الموصل تتغير عند تسخينها.

يوجد في الدائرة الكهربائية ملف من الأسلاك الفولاذية (السلسلة ، الشكل 81 ، أ). بعد إغلاق السلسلة ، نبدأ في تسخين السلك. كلما زاد تسخينه ، كلما انخفض مقياس التيار الكهربائي عن القوة الحالية. يرجع انخفاضه إلى حقيقة أنه عندما يتم تسخين المعادن ، تزداد مقاومتها. لذلك ، فإن مقاومة شعر المصباح الكهربائي عندما لا تكون مضاءة تقريبًا 20 أومبينما حرق (2900 درجة مئوية) - 260 أوم. عند تسخين المعدن ، تزداد الحركة الحرارية للإلكترونات وسرعة تذبذب الأيونات في الشبكة البلورية ، مما يؤدي إلى زيادة عدد تصادمات الإلكترونات التي تشكل تيارًا مع أيونات. هذا يسبب زيادة في مقاومة الموصل *. في المعادن ، ترتبط الإلكترونات غير الحرة بقوة مع الأيونات ؛ لذلك ، عندما يتم تسخين المعادن ، يبقى عدد الإلكترونات الحرة بدون تغيير تقريبًا.

* (بناءً على النظرية الإلكترونية ، من المستحيل استنتاج القانون الدقيق لاعتماد المقاومة على درجة الحرارة. يتم إنشاء مثل هذا القانون من خلال نظرية الكم ، حيث يعتبر الإلكترون كجسيم له خصائص موجية ، وتعتبر حركة الإلكترون الموصل عبر المعدن بمثابة عملية نشر موجات الإلكترون ، والتي يتم تحديد طولها بواسطة علاقة دي برولي.)

تظهر التجارب أنه عندما تتغير درجة حرارة الموصلات من مواد مختلفة بنفس العدد من الدرجات ، تتغير مقاومتها بشكل غير متساو. على سبيل المثال ، إذا كان موصل النحاس لديه مقاومة 1 أومثم بعد التسخين ل 1 درجة مئوية  سيكون لديه مقاومة 1.004 أوموالتنغستن - 1.005 أوم لتوصيف اعتماد مقاومة الموصل على درجة حرارته ، يتم تقديم قيمة تسمى معامل درجة الحرارة للمقاومة. تسمى القيمة العددية ، التي تقاس بتغير في مقاومة موصل 1 أوم مأخوذة عند 0 درجة مئوية ، من تغير في درجة حرارته بمقدار 1 درجة مئوية ، معامل درجة حرارة المقاومة α. لذلك ، بالنسبة للتنغستن ، هذا المعامل هو 0.005 درجة -1للنحاس - 0.004 درجة -1.  معامل درجة الحرارة للمقاومة يعتمد على درجة الحرارة. بالنسبة للمعادن ، فإنه يتغير قليلاً مع درجة الحرارة. مع نطاق درجة حرارة صغير ، يعتبر ثابتًا لمادة معينة.

نشتق الصيغة التي يتم بها حساب مقاومة الموصل مع مراعاة درجة حرارته. افترض ذلك ص 0  - مقاومة الموصل في 0 درجة مئويةعندما يسخن ل 1 درجة مئوية  سوف تزيد بنسبة αR 0، وعندما يسخن ل t °  - على αRt °  ويصبح R \u003d R 0 + αR 0 t °أو

يؤخذ اعتماد مقاومة المعدن على درجة الحرارة في الاعتبار ، على سبيل المثال ، في تصنيع اللوالب للسخانات الكهربائية والمصابيح: يتم حساب طول السلك الحلزوني وقوة التيار المسموح بها من مقاومتهم في الحالة المسخنة. يتم استخدام اعتماد المقاومة المعدنية على درجة الحرارة في موازين الحرارة المقاومة للحرارة ، والتي تستخدم لقياس درجة حرارة المحركات الحرارية ، وتوربينات الغاز ، والمعادن في أفران الصهر ، إلخ. في حالة وقائية. ترتبط نهاياتها بدائرة كهربائية بمقياس ، يتم معايرة مقياسها في درجات حرارة. عندما يتم تسخين اللولب ، ينخفض \u200b\u200bالتيار في الدائرة ، مما يؤدي إلى تحرك مقياس التيار الكهربائي ، مما يدل على درجة الحرارة.

يسمى المتبادل للمقاومة قسم معين ، الدائرة ، الموصلية الكهربائية  (الموصلية الكهربائية). الموصلية: كلما زادت الموصلية ، انخفضت مقاومتها وأفضل في تسيير التيار. اسم وحدة الموصلية   مقاومة الموصل 1 أوم  ودعا سيمنز.

مع انخفاض درجة الحرارة ، تقل مقاومة المعادن. ولكن هناك معادن وسبائك ، تنخفض مقاومتها بشكل مفاجئ عند درجة حرارة منخفضة لكل معدن وسبائك وتصبح صغيرة التلاشي - تساوي فعليًا الصفر (الشكل 81 ، ب). قادم الموصلية الفائقة - لا يوجد للموصل أي مقاومة عملياً ، وبمجرد وجود التيار المتحمس فيه لفترة طويلة بينما يكون الموصل في درجة حرارة الموصل الفائق (في إحدى التجارب ، لوحظ التيار لأكثر من عام). عندما يمر عبر كثافة التيار موصل فائق 1200 أ / مم 2  لم يلاحظ أي إطلاق الحرارة. المعادن أحادية التكافؤ ، والتي هي أفضل الموصلات الحالية ، لا تدخل في حالة التوصيل الفائق حتى درجات الحرارة المنخفضة للغاية التي أجريت فيها التجارب. على سبيل المثال ، في هذه التجارب ، تم تبريد النحاس 0.0156 درجة مئوية ،  الذهب متابعة 0.0204 درجة مئوية  إذا كان من الممكن الحصول على السبائك ذات الموصلية الفائقة في درجات الحرارة العادية ، فإن ذلك سيكون ذا أهمية كبيرة للهندسة الكهربائية.

وفقا للمفاهيم الحديثة ، فإن السبب الرئيسي للموصلية الفائقة هو تشكيل أزواج الإلكترون المزدوجة. عند درجة حرارة فائقة التوصيل ، تبدأ قوى التبادل في العمل بين الإلكترونات الحرة ، ولهذا السبب تشكل الإلكترونات أزواج إلكترونية ملزمة. مثل هذا الغاز الإلكترون من أزواج الإلكترون المزدوجة له \u200b\u200bخصائص أخرى غير غاز الإلكترون العادي - إنه يتحرك في الموصل الفائق دون احتكاك ضد عقد الشبكة البلورية.