Juhi temperatuuri tõustes suureneb vabade elektronide ja aatomitega kokkupõrgete arv. Seetõttu väheneb keskmine suunduv elektronkiirus, mis vastab juhi takistuse suurenemisele.

Teisest küljest suureneb temperatuuri tõustes vabade elektronide ja ioonide arv juhi mahuühiku kohta, mis viib juhi takistuse vähenemiseni.

Sõltuvalt ühe või teise teguri levimusest suureneb temperatuuri tõustes takistus (metallid) või väheneb (kivisüsi, elektrolüüdid) või püsib peaaegu muutumatuna (metallisulamid, näiteks mangaiin).

Temperatuuri väikeste muutustega (0–100 ° C) püsib kuumutamisel 1 ° C võrra vastava takistuse suhteline suurenemine, mida nimetatakse temperatuuri takistuse koefitsiendiks a, enamiku metallide puhul konstantsena.

Tähistades - takistust temperatuuridel, võime kirjutada takistuse suhtelise juurdekasvu väljenduse temperatuuri tõusmisel väärtuseni:

Erinevate materjalide temperatuurikindluse koefitsiendi väärtused on esitatud tabelis. 2-2.

Väljendist (2-18) järeldub see

Saadud valem (2-20) võimaldab määrata traadi (mähise) temperatuuri, kui selle takistust mõõdetakse etteantud või teadaolevatel väärtustel.

Näide 2-3. Määrake õhukindlate juhtmete vastupidavus temperatuuridel, kui joone pikkus on 400 m, ja vasktraatide ristlõige

Liini juhtmete vastupidavus temperatuuril

Metallide vastupidavus ja seega ka vastupidavus sõltub temperatuurist, suurenedes koos selle kasvuga. Juhi takistuse sõltuvus temperatuurist on seletatav asjaoluga, et

1. laengukandjate hajuvusintensiivsus (kokkupõrgete arv) suureneb temperatuuri tõustes;
2. nende kontsentratsioon muutub dirigendi kuumutamisel.

Kogemused näitavad, et mitte liiga kõrgetel ja mitte liiga madalatel temperatuuridel väljendatakse vastupidavuse ja juhi takistuse sõltuvust temperatuurist järgmise valemiga:

   \\ (~ \\ rho_t = \\ rho_0 (1 + \\ alpha t), \\) \\ (~ R_t = R_0 (1 + \\ alpha t), \\)

kus ρ 0 , ρ   t on juhtiv aine vastupidavus vastavalt 0 ° C ja t  ° C; R 0 , R  t on juhi takistus temperatuuril 0 ° C ja t  ° C α   - temperatuuri takistuse koefitsient: mõõdetuna SI-des Kelvinites miinus esimese kraadini (K -1). Metalljuhtide jaoks on need valemid rakendatavad alates temperatuurist 140 K ja üle selle.

Temperatuuri koefitsient  Aine vastupidavus iseloomustab vastupidavuse muutuse sõltuvust kuumutamisel aine liigist. See on arvuliselt võrdne juhi takistuse (takistuse) suhtelise muutusega 1 K kuumutamisel.

   \\ (~ \\ matemaatiline h \\ alfa \\ matemaatiline i = \\ frac (1 \\ cdot \\ delta \\ rho) (\\ rho \\ delta T), \\)

kus \\ (~ \\ matemaatiline h \\ alfa \\ matemaatiline i \\) on temperatuuri takistuse koefitsiendi keskmine väärtus vahemikus Δ Τ .

Kõigi metallijuhtide jaoks α   \u003e 0 ja muutub temperatuuriga veidi. Puhtad metallid α   = 1/273 K -1. Metallides on vaba laengukandjate (elektronide) kontsentratsioon n  = const ja suurenda ρ   ilmneb vabade elektronide hajumisintensiivsuse suurenemise tõttu kristallvõre ioonidel.

Elektrolüüdilahuste jaoks α < 0, например, для 10%-ного раствора поваренной соли α   = -0,02 K -1. Elektrolüütide takistus väheneb temperatuuri tõustes, kuna molekulide dissotsieerumisest tulenev vabade ioonide arvu suurenemine ületab ioonide hajumise kasvu kokkupõrgetes lahusti molekulidega.

Sõltuvusvalemid ρ   ja R elektrolüütide temperatuur on sarnane ülaltoodud valemiga metalljuhtide jaoks. Tuleb märkida, et see lineaarne sõltuvus säilib ainult väikeses temperatuurivahemikus, milles α   = const. Temperatuuri muutuste suurtel intervallidel muutub elektrolüütide takistuse temperatuurisõltuvus mittelineaarseks.

Graafiliselt on metalljuhtide ja elektrolüütide takistuse temperatuurisõltuvus näidatud joonistel 1, a, b.

Väga madalatel temperatuuridel, absoluutse nulli lähedal (-273 ° С), langeb paljude metallide vastupidavus järsult nullini. Seda nähtust nimetatakse ülijuhtivus. Metall läheb ülijuhtivasse olekusse.

Metalltakistuse sõltuvust temperatuurist kasutatakse takistustermomeetrites. Tavaliselt võetakse sellise termomeetri termomeetriliseks korpuseks plaatinajuhet, mille vastupidavuse sõltuvust temperatuurist on piisavalt uuritud.

Temperatuuri muutusi hinnatakse traadi takistuse muutuse järgi, mida saab mõõta. Sellised termomeetrid võivad mõõta väga madalaid ja väga kõrgeid temperatuure, kui tavalised vedelad termomeetrid ei sobi.

Kirjandus

Aksenovitš L. A. Füüsika keskkoolis: teooria. Ülesanded. Testid: õpik. hüvitis asutusi pakkuvatele asutustele. keskkonnad, haridus / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Toim. K. S. Farino. - Mn: Adukatsy I vykhavanne, 2004. - C. 256-257.

Ideaalses kristallis on elektronide keskmine vaba tee lõpmatu ja takistus elektrivoolule null. Seda kinnitab asjaolu, et puhaste lõõmutatud metallide vastupidavus kipub nullile lähenedes olema null. Elektroni omadusel vabalt liikuda ideaalses kristallvõres puudub klassikalises mehaanikas analoog. Hajumine, mis viib takistuse ilmnemiseni, ilmneb juhtudel, kui võrel on struktuurilisi defekte.

On teada, et lainete efektiivne hajumine toimub siis, kui hajumiskeskmete suurus (defektid) ületab veerandi lainepikkusest. Metallides on juhtivuselektronite energia 3–15 eV. See energia vastab lainepikkusele 3–7. Seetõttu takistab konstruktsiooni igasugune mikrohomogeensus elektrooniliste lainete levikut, põhjustades materjali vastupidavuse suurenemist.

Täiusliku struktuuriga puhastes metallides on elektronide keskmise vaba tee piiramise ainus põhjus aatomite termiline võnkumine võrekohtades. Metalli elektrilist takistust termilisest tegurist tähistatakse ρ soojaga. On üsna ilmne, et temperatuuri tõustes suurenevad aatomite termiliste võnkumiste amplituud ja perioodilise võrevälja kõikumised. Ja see suurendab omakorda elektronide hajumist ja põhjustab takistuse suurenemist. Takistuse temperatuurisõltuvuse olemuse kvalitatiivseks määramiseks kasutame järgmist lihtsustatud mudelit. Hajumise intensiivsus on otseselt võrdeline sfäärilise ruumala ristlõikega, mille hõivab võnkuv aatom, ja ristlõikepindala on võrdeline termiliste vibratsioonide amplituudi ruuduga.

Võre saidilt ∆A de kõrvale kaldunud aatomi potentsiaalne energia määratakse avaldisega

, (9)

kus kpr on elastse sidumise koefitsient, mis kipub aatomi tagasipöörduma tasakaaluasendisse.

Klassikalise statistika kohaselt on ühemõõtmelise harmoonilise ostsillaatori (võnkuva aatomi) keskmine energia kT.

Selle põhjal kirjutame järgmise võrdsuse:

Lihtne on tõestada, et N-aatomite elektronide keskmine vaba tee on pöördvõrdeline temperatuuriga:

(10)

Tuleb märkida, et saadud suhe ei ole madalatel temperatuuridel rahul. Fakt on see, et temperatuuri langusega võivad väheneda mitte ainult aatomite termilise vibratsiooni amplituudid, vaid ka võnkesagedused. Seetõttu muutub madala temperatuuriga piirkonnas elektronide hajumine võrekohtade termilise vibratsiooni mõjul ebaefektiivseks. Elektroni interaktsioon võnkuva aatomiga muudab elektroni hoogu vaid pisut. Võre vibratsiooni teoorias hinnatakse temperatuuri mingi iseloomuliku temperatuuri suhtes, mida nimetatakse Debye temperatuuriks ΘD. Debye temperatuur määrab kristallides erutuvate termiliste võnkete maksimaalse sageduse:

See temperatuur sõltub võrekohtade vahelistest sidemetest ja on tahke aine oluline parameeter.

Kui T   D  metallide vastupidavus varieerub temperatuuri järgi lineaarselt (joonis 6, III osa).

Nagu katse näitab, kehtib temperatuuride sõltuvuse т (T) lineaarne lähend ka temperatuuride suhtes suurusjärgus (2/3) Dkus viga ei ületa 10%. Enamiku metallide puhul ei ületa Debye iseloomulik temperatuur 400–450 K. Seetõttu kehtib lineaarne lähend tavaliselt toatemperatuuril ja sellest kõrgemal temperatuuril. Madala temperatuuriga piirkonnas (T D), kus eritakistuse vähenemine on tingitud kõigi uute ja uute termiliste võngete (foononite) sageduste järkjärgulisest kaotamisest, ennustab teooria võimsussõltuvust  t 5. Füüsikas on see suhe tuntud kui Bloch-Gruneiseni seadus. Temperatuurivahemik, milles on terav võimsussõltuvus  t (T), on tavaliselt üsna väike, eksponendi eksperimentaalsed väärtused on vahemikus 4 kuni 6.

Kitsas piirkonnas I, mis on mitu Kelvinit, võib mitmetel metallidel olla ülijuhtivuse tase (allpool) ja joonis näitab takistuse hüppelist temperatuuri T St. Täiusliku struktuuriga puhaste metallide korral, kui temperatuur kipub olema OK, kipub takistus olema ka 0 (kriipsutatud kõver) ja keskmine vaba tee kulgeb lõpmatuseni. Isegi tavalistel temperatuuridel on elektronide keskmine vaba tee metallides sadu kordi pikem kui aatomite vaheline kaugus (tabel 2).

Joonis 6 - metallijuhi vastupidavuse sõltuvus temperatuurist laias temperatuurivahemikus: a, b, c - erinevate sulametallide vastupidavuse muutmise võimalused

Tabel 2 - mitme metalli keskmine elektronide keskmine vaba tee 0 ° C juures

II üleminekupiirkonnas toimub kiire takistuse ρ (T) suurenemine, kus n võib olla kuni 5 ja väheneb järk-järgult temperatuuri tõusmisel  kuni 1 T = D.

Enamike metallide lineaarne piirkond (piirkond III) temperatuurisõltuvusest  (T) ulatub sulamistemperatuuri lähedaste temperatuurideni. Erandiks sellest reeglist on ferromagnetilised metallid, mille korral pöörlemisjärjestuse häirete korral toimub elektronide täiendav hajutamine. Sulamispunkti lähedal, s.t. piirkonnas IV, mille algust on kujutatud joonisel 6 temperatuuriga T nl, ja tavalistes metallides võib täheldada mõningast kõrvalekaldumist lineaarsest sõltuvusest.

Tahkelt vedelale olekule ülemineku ajal suureneb enamiku metallide vastupidavus umbes 1,5–2 korda, ehkki on ka ebatavalisi juhtumeid: keerukate kristallstruktuuridega ainete puhul, näiteks vismut ja gallium, kaasneb sulamisega langus.

Katse paljastab järgmise mustri: kui metalli sulamisega kaasneb mahu suurenemine, suureneb takistus järsult; Vastupidise ruumalamuutusega metallide puhul toimub ρ langus.

Sulamise ajal ei toimu olulisi muutusi vabade elektronide arvus ega nende koostoime olemuses. Ρ muutust mõjutavad otsustavalt häirete protsessid, aatomite paigutuse edasise korra rikkumine. Mõne metalli (Ga, Bi) käitumises täheldatud kõrvalekaldeid saab seletada kokkusurutavusmooduli suurenemisega nende ainete sulamise ajal, millega peaks kaasnema aatomite termilise vibratsiooni amplituudi vähenemine.

Resistiivsuse suhtelist muutust ühe kelvini (kraadi) temperatuurimuutusega nimetatakse temperatuuritakistuse koefitsiendiks:

(11)

Α ρ positiivne märk vastab juhule, kui selle punkti läheduses takistus suureneb temperatuuri tõustes. Α ρ väärtus on ka temperatuuri funktsioon. Lineaarse sõltuvuse väljal ρ (T) on õige järgmine lause:

kus ρ 0 ja α ρ on spetsiifilise takistuse ja temperatuuri koefitsient temperatuurivahemiku alguses, s.o. temperatuur T0; ρ-eritakistus temperatuuril T.

Takistuse temperatuurikoefitsientide ja takistuse suhe on järgmine:

(13)

kus α 0 on antud takisti temperatuuri takistuse koefitsient; α 1 - takistuselemendi materjali paisumisteguri koefitsient.

Seetõttu on puhaste metallide α ρ \u003e\u003e α 1 korral α ρ≈ α R. Termostabiilsete metallisulamite puhul osutub see lähend ebaõiglaseks.

3 Lisandite ja muude struktuuriliste defektide mõju metallide vastupidavusele.

Nagu märgitud, ei ole metalli elektronlainete hajumise põhjustajateks mitte ainult võrekohtade termilised vibratsioonid, vaid ka staatilised struktuurilised defektid, mis rikuvad ka kristalli potentsiaalse välja perioodilisust. Konstruktsiooni staatiliste defektide hajumine ei sõltu temperatuurist. Seetõttu, kui temperatuur läheneb absoluutsele nullile, kaldub pärismetallide takistus mingile püsiväärtusele, mida nimetatakse jääktakistuseks (joonis 6). See tähendab Mattisseni reeglit takistuse additiivsuse kohta:

, (14)

s.t. Metalli kogutakistus on resistentsuse summa, mis tuleneb elektronide hajumisest kristallvõre saitide termiliste vibratsioonide poolt, ja jääktakistuse summa, mis tuleneb elektronide hajumisest staatiliste struktuuriliste defektide tõttu.

Erandiks sellest reeglist on ülijuhtivad metallid, mille puhul takistus kaob alla teatud kriitilise temperatuuri.

Kõige olulisema panuse jääktakistusesse annab lisandite hajumine, mis esinevad reaalses juhis alati reostuse või legeeriva (st tahtlikult sisse viidud) elemendi kujul. Tuleb märkida, et lisandite lisand põhjustab leads suurenemist, isegi kui selle juhtivus on mitteväärismetalliga võrreldes suurem. Seega sissejuhatus vaskjuhtmesse 0,01 juures. Hõbedase lisandi osakaal suurendab vase vastupidavust 0,002 um m. Eksperimentaalselt tehti kindlaks, et madala lisandite sisalduse korral suureneb takistus võrdeliselt lisandite aatomite kontsentratsiooniga.

Mattisseni reegli illustratsioon on joonis 7, millelt on näha, et puhta vase ja selle sulamite vastupidavuse temperatuurisõltuvused väikese koguse (kuni umbes 4%) indiumi, antimoni, tina, arseeni on üksteisega paralleelsed.

Joonis 7 - tahke lahuse tüüpi vasesulamite vastupidavuse temperatuurisõltuvus, mis illustreerib Matisseni reeglit: 1 - puhas Cu;

2 - Cu - 1,03,% in; 3 - Cu - 1,12,% Nl

Erinevad lisandid mõjutavad metallijuhtide jääktakistust erineval viisil. Lisandite hajumise tõhusus määratakse võre segamispotentsiaaliga, mille väärtus on seda suurem, mida tugevamalt erinevad lisandite aatomite ja metalli - lahusti (aluse) valentsid.

Monovalentsete metallide puhul järgib jääktakistuse muutust lisandiprotsendi 1% juures (elektritakistuse "lisandi" koefitsient) Linde reeglit:

, (15)

kus a ja b on konstandid sõltuvalt metalli olemusest ja perioodist, mille jooksul lisandi aatom hõivab perioodilises elementide süsteemis;  Z  - metalli lahusti ja lisandi aatomi valentside erinevus.

Valemist 15 järeldub, et metalloidsete lisandite mõju juhtivuse vähenemisele on tugevam kui metalliliste elementide lisandite mõju.

Lisaks lisanditele annavad jääktakistusele teatava panuse ka selle enda konstruktsioonilised vead - vabad kohad, interstitsiaalsed aatomid, nihestused, terade piirid. Punktdefektide kontsentratsioon suureneb temperatuuriga plahvatuslikult ja võib sulamistemperatuuri lähedal jõuda kõrgeteni. Lisaks tekivad materjalis kergesti vakantsid ja interstitsiaalsed aatomid, kui seda kiiritatakse suure energiatarbega osakestega, näiteks reaktori neutronitega või kiirendi ioonidega. Mõõdetud takistuse väärtust saab kasutada võre kiirguskahjustuse määra hindamiseks. Samamoodi saab jälgida kiiritatud proovi saagist (lõõmutamist).

Vase jääktakistuse muutus 1 protsendipunkti protsendiliste defektide korral on: vabade kohtade korral 0,010 kuni 0,015 μOhm Ω; interstitsiaalsete aatomite korral 0,005–0,010 μOhm  Ω.

Jääktakistus on metallide keemilise puhtuse ja struktuurilise täiuslikkuse väga tundlik omadus. Praktikas mõõdetakse lisandite sisalduse hindamiseks kõrge puhtusastmega metallidega konkreetsete takistuste ja toatemperatuuri ning vedela heeliumi temperatuuri suhet:

Mida puhtam on metall, seda suurem on selle väärtus. Kõige puhtamates metallides (puhtusaste on 99,99999%) on parameeter  suurusjärgus 10 5.

Pingeseisundist põhjustatud moonutused mõjutavad oluliselt metallide ja sulamite vastupidavust. Selle mõju ulatuse määrab aga pingete iseloom. Näiteks enamiku metallide üldise kokkusurumisega väheneb takistus. Selle põhjuseks on aatomite lähenemine ja võre termiliste vibratsioonide amplituudi vähenemine.

Plastiline deformatsioon ja töö tugevdamine suurendavad alati metallide ja sulamite vastupidavust. Kuid isegi puhaste metallide olulise kõvenemise korral on see kasv mõne protsendi.

Termiline kõvenemine põhjustab  suurenemist, mis on seotud võre moonutuste, sisemiste pingete ilmnemisega. Rekristalliseerimisel kuumtöötlemisel (lõõmutamine) saab takistust vähendada algväärtuseni, kuna puudused on paranenud ja sisemised pinged eemaldatud.

Tahke lahuse eripära on see, et südamik võib oluliselt (mitu korda) ületada termilise komponendi.

Paljude kahekomponendiliste sulamite puhul on  OST muutust sõltuvalt koostisest hästi kirjeldatud tüübi paraboolse sõltuvusega

kus C on konstant sõltuvalt sulami olemusest; sulami komponentide x a ja x aatomifraktsioonid.

Suhet 16 nimetati Nordheimi seaduseks. Sellest järeldub, et binaarsetes A - B tahketes lahustes suureneb jääktakistus nii siis, kui B-aatomid lisatakse metallile A (tahke lahus ) kui ka A-aatomite lisamisel metallile B (tahke lahus ), ja seda muutust iseloomustab sümmeetriline kõver . Pidevas tahkete lahuste seerias on vastupidavus suurem, mida kaugemal kompositsioonis sulam eraldatakse puhastest komponentidest. Jääktakistus saavutab maksimaalse väärtuse, kui iga komponendi sisu on võrdne (x a = x = 0,5).

Nordheimi seadus kirjeldab üsna täpselt pidevate tahkete lahuste vastupidavuse muutust, kui faasisiireid koosseisu muutumisega ei täheldata ja ükski nende komponent ei kuulu siirde- ega haruldaste muldmetallide elementide hulka. Selliste süsteemide näideteks on sulamid Au - Ag, Cu - Ag, Cu - Au, W - Mo jne.

Tahked lahused, mille komponendid on siirderühma metallid, käituvad mõnevõrra erinevalt (joonis 8). Sel juhul täheldatakse komponentide kõrge kontsentratsiooni korral märkimisväärselt suuremat jääktakistust, mis on seotud osa valentselektronite üleminekuga siirdemetalliaatomite sisemistesse täitmata d - kestadesse. Lisaks vastab sellistes sulamites maksimaalne  sageli kontsentratsioonidele, mis ei ületa 50%.

Joonis 8 - vask-nikkel-sulamite takistuse (1) ja temperatuuri takistusteguri (2) sõltuvus komponentide protsendist

Mida suurem on sulami takistus, seda madalam on selle α ρ. See tuleneb asjaolust, et tahketes lahustes ületab  reeglina oluliselt  t ja ei sõltu temperatuurist. Temperatuuri koefitsiendi määratluse kohaselt

(17)

Arvestades, et puhaste metallide α ρ on üksteisest pisut erinevad, saab avalduse 17 hõlpsasti teisendada järgmisesse vormi:

(18)

Kontsentreeritud tahketes lahustes on  väärtus tavaliselt suurusjärgus või rohkem kui ρ t. Seetõttu võib α ρ spl olla oluliselt madalam kui puhta metalli α ρ. See on aluseks termostabiilsete juhtivate materjalide saamiseks. Paljudel juhtudel osutub sulamite vastupidavuse temperatuurist sõltuvus keerukamaks kui see, mis tuleneb lihtsast lisandite regulaarsusest. Sulamite vastupidavuse temperatuurikoefitsient võib olla oluliselt madalam kui suhe 18 ennustas. Märgitud kõrvalekalded ilmnevad selgelt vase-nikli sulamites (joonis 8). Teatud sulamite puhul on komponentide teatud suhte korral täheldatud negatiivset α ρ (konstantaani puhul).

Sellist ρ ja α ρ muutust sulami komponentide protsendimääras võib ilmselt seletada asjaoluga, et keerukama koostise ja struktuuriga võrreldes puhaste metallidega ei saa sulameid pidada klassikalisteks metallideks. Nende juhtivuse muutust põhjustab mitte ainult vabade elektronide keskmise vaba tee muutus, vaid mõnel juhul ka laengukandjate kontsentratsiooni osaline suurenemine temperatuuri tõustes. Sulamil, milles keskmise vaba tee vähenemine temperatuuri tõusuga kompenseeritakse laengukandjate kontsentratsiooni suurenemisega, on takistuse koefitsient null.

Lahjendatud lahustes, kui ühte komponenti (näiteks komponenti B) iseloomustab väga madal kontsentratsioon ja seda võib pidada lisandiks, võib valemis 16 täpsust kaotamata panna (1-x sisse) 1. Seejärel jõuame lineaarsele seosele jääktakistuse ja lisandite aatomite kontsentratsiooni vahel metallis:

,

kus konstant C iseloomustab jääktakistuse muutusi lisandiga 1%.

Mõned sulamid kipuvad moodustama tellitud struktuure, kui nende valmistamise ajal säilitatakse kompositsioonis teatavad proportsioonid. Tellimise põhjuseks on erinevate aatomite tugevam keemiline interaktsioon võrreldes sama tüüpi aatomitega. Konstruktsioon on paigutatud alla teatud iseloomuliku temperatuuri T cr, mida nimetatakse kriitiliseks temperatuuriks (või Kurnakovi temperatuuriks). Näiteks sulam, mis sisaldab 50 ° C juures. % Cu ja 50 ° C juures. % Zn ( - messing) on ​​kehakeskne kuupstruktuur. Temperatuuril T  360C jagunevad vase ja tsingi aatomid juhuslikult ja statistiliselt võrekohtade vahel.

Tahkete ainete elektritakistuse põhjuseks ei ole vabade elektronide põrkumine võreaatomitega, vaid nende hajumine struktuurilistele defektidele, mis vastutavad translatsioonisümmeetria rikkumise eest. Tahke lahuse tellimisel taastatakse võre aatomikoostise elektrostaatilise välja perioodilisus, suurendades seeläbi elektronide keskmist vaba tee ja täiendav takistus kaob sulami mikroheterogeensuse hajutamise tõttu peaaegu täielikult.

4 Metallkile paksuse mõju pinna erikindlusele ja selle temperatuurikordajale

Integreeritud vooluahelate valmistamisel kasutatakse metallkilesid elementidevaheliste ühenduste jaoks, kontaktpatju, kondensaatoriplaate, induktiiv-, magnetilisi ja takistuselemente.

Kilede struktuur võib sõltuvalt kondenseerumistingimustest varieeruda amorfsest kondensaadist epitaksiaalseteks filmideks - täiusliku ühekristallilise kihi struktuurideks. Lisaks on metallkilede omadused seotud suurusefektidega. Seega on nende elektrijuhtivuse panus märkimisväärne, kui kile paksus on võrreldav 1 vrd.

Joonis fig 9 näitab õhukeste kilede pindtakistuse ρ s ja selle temperatuurikordaja α ρ tüüpilisi sõltuvusi kile paksusest. Kuna struktuurilise (pikkus l, laius b, kile paksus h) ja tehnoloogilise suhtega

() õhukese kihi takisti (TPR) parameetrid seatakse järgmise valemi abil:

,

kus ρ s = ρ / h on ruuttakistus (või eripinna takistus), siis võtame ρ s asemel the ρ ja  ρ asemel traditsioonilise märke.

Joonis 9 - muutuse   ja  olemus kile paksusest h

Metallkilede kasvuga kaasnevad neli etappi:

I - metallsaarte moodustumine ja kasv (laengu ülekande eest vastutavad mehhanismid - Fermi tasemest kõrgemale asetsevate elektronide termiline emissioon ja tunneldamine. Substraadi pindalade vastupidavus aladel, kus puudub metallkile, väheneb temperatuuri tõustes, mis põhjustab negatiivseid отриц  väikese paksusega kileid) );

II - saarte puutumatus omavahel (y   märgi muutumise hetk sõltub metalli tüübist, kile moodustumise tingimustest, lisandi kontsentratsioonist, põhimiku pinna olekust);

III - juhtivvõrgu moodustumine, kui saarte vaheliste pilude suurust ja arvu vähendatakse;

IV - pideva juhtivkile moodustumine, kui juhtivus ja   lähenevad massiivsete juhtide väärtusele, kuid kile eritakistus on siiski suurem kui koondproovil, defektide, kontsentratsiooni tõttu kilesse sadestumise ajal suureks jäänud kontsentratsiooni kõrge kontsentratsiooni tõttu on filmi eritakistus suurem. Seetõttu on piki terade piire oksüdeerunud kiled elektriliselt katkendlikud, ehkki need on füüsiliselt tahked. Panustab growth kasvu ja suurusmõju, mis tuleneb elektronide keskmise tee vähenemisest proovi pinnalt peegeldudes.

Õhukekihiliste takistite tootmisel kasutatakse kolme materjalirühma: metallid, metallisulamid, metallkeraamika.

5 Ülijuhtivuse füüsikaline olemus

Ülijuhtivuse nähtust seletatakse kvantteooriaga, see ilmneb siis, kui metalli elektronid on üksteisega ligitõmbavad. Atraktiivsus on võimalik positiivselt laetud ioone sisaldavas keskkonnas, mille väli nõrgendab Coulombi elektronide vahelist tõrjumisjõudu. Ainult need elektronid, mis osalevad elektrijuhtivuses, st asub Fermi taseme lähedal. Vastupidise spinniga elektronid on seotud paarikaupa, mida nimetatakse Cooperiks.

Cooperi paaride moodustamisel mängib otsustavat rolli elektronide ja termiliste võrevibratsioonide - fononite vastastikmõju - fonone, mida see võib nii absorbeerida kui ka genereerida. Üks elektronidest interakteerub võrega - ergastab seda ja muudab selle hoogu; teine ​​elektron, interakteerudes, teisendab selle normaalsesse olekusse ja muudab ka selle hoogu. Selle tulemusel võre olek ei muutu ja elektronid vahetavad soojusenergia - foonide kvante. Vahetusfoononi interaktsioon põhjustab elektronide vahel tõmbejõude, mis ületavad Coulombi tõrke. Fonoonide vahetus toimub pidevalt.

Läbi võre liikuv elektron polariseerib seda, s.t. tõmbab enda juurde lähimad ioonid; positiivse laengu tihedus suureneb elektronide trajektoori lähedal. Teist elektroni köidab piirkond, kus on ülemäärane positiivne laeng, mille tagajärjel tekivad elektronide vahelise võrega interaktsiooni tõttu atraktiivsed jõud (Cooperi paar). Need paarimoodustised kattuvad ruumis üksteisega, kõdunevad ja loovad uuesti, moodustades elektronkondensaadi, mille sisemise interaktsiooni tõttu on energia väiksem kui lahtiühendatud elektronide agregaadil. Ülijuhi energiaspektrisse ilmub energiavahe - keelatud energiaseisundite piirkond.

Paaritud elektronid asuvad energiavahe lõpus. Energiavahe suurus sõltub temperatuurist, saavutades maksimumi absoluutse nulli korral ja kaob täielikult T-st. Enamiku ülijuhtide energiavahed on 10 -4 - 10 -3 eV.

Elektroni hajumine toimub termiliste vibratsioonide ja lisandite korral, kuid koos

energiavahe olemasolu elektronide üleminekuks maapinnast ergastatud olekusse nõuab piisavat osa soojusenergiast, mis puudub madalatel temperatuuridel, seetõttu pole paaritud elektronid hajutatud konstruktsioonivigadele. Cooperi paaride eripära on see, et nad ei saa oma olekuid üksteisest sõltumatult muuta, elektronlainetel on sama pikkus ja faas, s.t. neid võib pidada üksiklaineks, mis ümbritseb konstruktsiooni defekte. Absoluutse nulli korral on kõik elektronid ühendatud paarikaupa, suurenedes, mõned paarid purunevad ja pilu laius väheneb, T St-st hävivad kõik paarid, vahe laius kaob ja ülijuhtivus puruneb.

Üleminek ülijuhtivuse olekule toimub väga kitsas temperatuurivahemikus, struktuuri heterogeensus põhjustab vahemiku laienemist.

Ülijuhtide olulisim omadus - magnetväli ei tungi materjali paksusesse, jõujooned lähevad ümber ülijuhi (Meissneri efekt) - tulenevalt asjaolust, et ülijuhi magnetväljas tekib ümmargune summutamata vool, mis kompenseerib täielikult proovi sees oleva välisvälja. Magnetvälja tungimissügavus on 10 -7 - 10 -8 m - ülijuht on ideaalne diamagneetik; magnetväljast väljutatud (püsimagnetit saab teha riputamiseks üle ülijuhtivast materjalist rõnga, milles ringlevad magneti põhjustatud mittelagunevad voolud).

Ülijuhtivuse seisundit rikutakse, kui magnetvälja tugevus on suurem kui H st. Vastavalt materjali üleminekule ülijuhtivast olekust tavalise elektrijuhtivuse olekusse magnetvälja mõjul eristatakse esimese ja teise liigi ülijuhte. Esimest tüüpi ülijuhtide puhul toimub see üleminek järsult, ülijuhtide puhul toimub üleminekuprotsess H cj1 järk-järgult -

H cor2. Selle intervalliga on materjal heterogeenses olekus, kus eksisteerivad normaalsed ja ülijuhtivad faasid, magnetväli tungib järk-järgult ülijuhtidesse, nulltakistus säilib kuni ülemise kriitilise intensiivsuse saavutamiseni.

1. tüübi ülijuhtide kriitiline intensiivsus sõltub temperatuurist:

2. tüüpi ülijuhtidel laieneb vahepealne olek temperatuuri langedes.

Ülijuhtivust saab katkestada ülijuhti läbiva voolu abil, kui see ületab kriitilise väärtuse I St = 2πHH St (T) - 1. tüüpi ülijuhtide puhul (tüüp 2 on keerulisem).

26 metallil on ülijuhtivus (peamiselt 1. tüüpi kriitiliste temperatuuridega alla 4,2K), 13 elemendil on ülijuhtivus kõrgel rõhul (räni, germaanium, telluur, antimon). Ei oma vaske, kulda ega hõbedat: madal takistus näitab elektronide nõrka koostoimet kristallvõrega ning ferro- ja antiferromagnetides; pooljuhid tõlgitakse suure kontsentratsiooni lisandite lisamisega; suure dielektrikkonstandiga dielektrikutes (ferroelektrikud) nõrgenevad Coulombi elektronidevahelised tõukejõud tugevasti ja neil võib olla ülijuhtivus. Metallidevahelised ühendid ja sulamid kuuluvad 2. tüüpi ülijuhtidesse, kuid see jaotus pole absoluutne (1. tüüpi ülijuhti saab muuta 2. tüüpi ülijuhiks, kui loote selles piisava võredefektide kontsentratsiooni. Ülijuhtide valmistamine on seotud tehnoloogiliste raskused (neil on rabedus, madal soojusjuhtivus), luuakse vasest ülijuhtiv kompositsioon (pronksmeetod või tahkefaasiline difusioonimeetod - pressimine ja tõmbamine); asendis õhukeste nioobiumi filamentide maatriksis tinapronks, kuumutades tinapronks difundeerub Nb moodustamaks ülijuhtivad kile stanida nioobiumi).

Testküsimused

1 Millised parameetrid sõltuvad metallide elektrijuhtivusest.

2 Milline statistika kirjeldab elektronide energiajaotust metallide juhtivuse kvantteoorias.

3 Mis määrab Fermi energia (Fermi taseme) metallides ja millest see sõltub.

4 Milline on metalli elektrokeemiline potentsiaal.

5 Mis määrab elektronide vaba tee metallis.

6 Sulamite moodustamine. Kuidas puuduste olemasolu metallide vastupidavusel.

7 Selgitage juhtide takistuse temperatuurisõltuvust.

8 NSKurnakova ρ ja TKS mustrid tahke lahuse ja mehaanilise segu tüüpi sulamites.

9 Kasutamine erineva elektritakistuse väärtustega juhtivate materjalide tehnikas. Nõuded materjalidele sõltuvalt rakendusest.

10 Ülijuhtivuse nähtus. Super- ja krüojuhtmete ulatus

6 Laboratoorne töö №2. Juhtivussulamite omaduste uuring

Eesmärk: uurida kahekomponendiliste sulamite elektriliste omaduste muutumise mustreid sõltuvalt nende koostisest.

Laboritöö esimeses osas vaadeldakse kahte sulamite rühma, millel on erinevad faasikompositsioonid.

Esimesse rühma kuuluvad sellised sulamid, mille komponendid A ja B lahustuvad üksteisega piiritult, asendades neid järk-järgult võrekohtades, moodustades pideva tahke lahuse seeria sulami ühest puhtast komponendist teise. Kõik seda tüüpi tahke olekusulamid on ühefaasilised, koosnevad sama koostise sama tahke lahuse teradest. Tahke lahuse sulamite näideteks on vask-nikkel, Cu-Ni, germaanium-räni, Ge-Si jt. Teisesse rühma kuuluvad sulamid, mille komponendid praktiliselt ei lahustu üksteises, iga komponent moodustab oma tera. Tahkis sulamist on kahefaasiline; selliseid sulameid nimetatakse mehaanilisteks segudeks. Mehaaniliste segude tüüpi sulamite näideteks on Cu-Ag vask-hõbe süsteemid, Sn-Pb tina-pliisüsteemid jne.

Mehaaniliste segude tüüpi sulamite moodustamisel (joonis 10, a) muutuvad omadused lineaarselt (lisandiliselt) ja on puhaste komponentide omaduste väärtuste keskmised väärtused. Tahke lahuse tüüpi sulamite moodustamisel (joonis 10, b) varieeruvad omadused kõverate maksimaalse ja minimaalsega.

Joonis 10 - N. S. Kurnakovi mustrid. Sulamite faasilise koostise ja selle omaduste seos

Metallide ja sulamite peamised elektrilised omadused on järgmised: elektritakistus ρ, µohm; temperatuuri takistuse koefitsient TKS, kraad -1.

Piiritletud pikkusega juhi vastupidavus l ja ristlõige S mida väljendab teadaolev sõltuvus

(19)

Juhtmaterjalide vastupidavus on väike ja jääb vahemikku 0,016-10 μOm.m.

Erinevate metallijuhtide elektritakistus sõltub peamiselt elektroni keskmisest vabast teekonnast λ antud juhis:

kus µ = 1 / λ on elektronide hajumistegur.

Metallide ja sulamite elektroodide suuna liikumise hajumistegurid on võrekohtades asuvad positiivsed ioonid. Kõige tavalisemate, moonutamata kristallvõrega puhaste metallide korral, kus positiivsed ioonid paiknevad korrapäraselt ruumis, on elektronide hajumine väike ja selle määrab peamiselt võrekohtade ioonide võnkumiste amplituud; puhaste metallide korral on ρ≈ A · μ soe. kus µ on soe - võre termiliste vibratsioonide elektronide hajumistegur. Seda elektronide hajumismehhanismi nimetatakse fononi hajumiseks võre termiliste vibratsioonide korral.

Temperatuuri T tõustes suureneb võrekohtades positiivsete ioonide võnke amplituud, välja mõjul suunaga liikuvate elektronide hajumine suureneb, keskmine vaba tee λ väheneb ja takistus suureneb.

Materjali takistuse kasvu hindavat väärtust, kui temperatuur muutub ühe kraadi võrra, nimetatakse TCS-i elektritakistuse temperatuuri koefitsiendiks:

(20)

kus R 1 - proovi takistus, mõõdetuna temperatuuril T 1; R 2 - sama proovi takistus, mõõdetuna temperatuuril T 2.

Uurime kahte sulamite süsteemi: Cu-Ni süsteemi, kus sulamite komponendid (vask ja nikkel) vastavad kõikidele tahkes olekus piiramatu lahustuvuse tingimustele, seega on mis tahes selle süsteemi sulamitest pärast kristallimise lõppu ühefaasiline tahke lahus (joonis 10, a) ja Cu-Ag süsteem, mille komponendid (vask ja hõbe) ei vasta piiramatu lahustuvuse tingimustele, nende lahustuvus on isegi kõrgetel temperatuuridel väike (ei ületa 10%) ja temperatuuridel alla 300 0 C on nii väike, et seda saab pidada sid, siis puudub ja mis tahes sulami koosneb mehaanilisest vase ja Hõbedaterasid (joonis 10b).

Vaatleme tahkete lahuste kõverat ρ. Kui lisate sulami teise komponendi mõnele puhtale komponendile, täheldatakse sama klassi positiivsete ioonide range paigutuse ühtlust, mida täheldatakse puhaste metallide võrekohtades. Järelikult on elektronide hajumine sulamis nagu tahke lahus alati suurem kui üheski puhtas komponendis, mis on tingitud puhaste komponentide kristallvõre moonutamisest või, nagu öeldakse, kristallvõre defekti suurenemise tõttu, kuna iga sissetoodud aatom on puhta komponendiga võrreldes erinevat tüüpi punktidefekt.

Sellest selgub, et tahke lahuse tüüpi sulamitele lisatakse veel üks elektronide hajumise tüüp - hajumine punktidefektide ja elektritakistuse järgi.

(21)

Kuna tavaliselt on kõiki ρ väärtusi hinnatud T = 20 0 С, on sulamite, näiteks tahkete lahuste, määrav tegur punktidefektide hajumine. Kristallvõre õigsuse suurimaid rikkumisi täheldatakse komponentide kontsentratsiooni viiekümneprotsendilises kontsentratsioonis, kõver ρ on selles piirkonnas maksimaalse väärtusega. Suhtest 20 on näha, et TKS-i takistuse temperatuurikoefitsient on pöördvõrdeline takistusega R ja seetõttu eritakistusega ρ; TKS-kõveral on komponentide suhte viiekümne protsendi juures min.

Laboritöö teises osas vaadeldakse kõrge eritakistusega sulameid. Selliste materjalide hulka kuuluvad sulamid, mille normaaltingimustes on elektriline eritakistus vähemalt 0,3 µOhm · m. Neid materjale kasutatakse laialdaselt mitmesuguste elektriliste mõõte- ja elektrisoojendite, näidistakistuste, takistite jms tootmisel.

Reeglina kasutatakse sulameid elektriliste mõõtevahendite, mudeli takistuste ja reostaatide tootmiseks, mida eristab nende eritakistuse kõrge stabiilsus aja jooksul ja madal temperatuuritaluvuskoefitsient. Nende materjalide hulka kuuluvad manganiin, konstantan ja nikroom.

Manganiin on vask-nikli sulam, mis sisaldab keskmiselt 2,5 ... 3,5% niklit (koos koobaltiga), 11,5 ... 13,5% mangaani, 85,0 ... 89,0% vaske . Mangaaniga segamine ja spetsiaalse kuumtöötluse läbiviimine temperatuuril 400 ° C võimaldab stabiliseerida manganiini vastupidavust temperatuurivahemikus -100 kuni + 100 ° C. Manganiinil on väga väike termo-EMF väärtus paaris vaskega, kõrge vastupidavuse stabiilsus aja jooksul, mis võimaldab seda laialdaselt kasutada kõrgeima täpsusklassiga takistite ja elektriliste mõõtevahendite tootmisel.

Konstantan sisaldab samu komponente kui manganiin, kuid erinevates suhetes: nikkel (koobaltiga) 39 ... 41%, mangaan 1 ... 2%, vask 56,1 ... 59,1%. Selle elektritakistus ei sõltu temperatuurist.

Nikroomid on raudpõhised sulamid, mis sisaldavad olenevalt klassist 15 ... 25% kroomi, 55 ... 78% niklit, 1,5% mangaani. Neid kasutatakse peamiselt elektriliste kütteelementide tootmiseks, kuna neil on hea vastupidavus kõrgetel õhutemperatuuridel nende sulamite ja nende oksiidkilede lineaarse paisumise temperatuurikoefitsientide lähedaste väärtuste tõttu.

Suure takistusega sulamite hulgas, mida (välja arvatud nikroom) kasutatakse laialdaselt mitmesuguste kütteelementide valmistamiseks, on vaja märkida kuumakindlad sulamitest feraalsed ja kroomitud. Need kuuluvad süsteemi Fe-Cr-Al ja sisaldavad koostises 0,7% mangaani, 0,6% niklit, 12 ... 15% kroomi, 3,5 ... 5,5% alumiiniumi ja ülejäänud osa on rauda. Need sulamid on väga vastupidavad pinna keemilisele hävitamisele erinevate gaasiliste keskkondade mõjul kõrgetel temperatuuridel.

6.1 Labori töö nr 2a protseduur

Enne alustamist tutvuge joonisel 11 esitatud paigaldusskeemiga ja mõõtmiste tegemiseks vajalike mõõteriistadega.

Laboriseade koosneb termostaadist, milles asuvad uuritavad proovid, ja mõõtesillast MO-62, mis võimaldab proovi takistust reaalajas mõõta. Proovide sundjahutamiseks (temperatuuril T\u003e 25 ° C) on termostaadile paigaldatud ventilaator ja tagaküljel on siiber. Termostaadi paremal küljel on proovi numbri lüliti.

Joonis 11 - Laboritöö välimus ja mõõtmisskeem 2a

Enne töö alustamist seadke “N kordaja” lülitid asendisse 0,1 või 0,01 (nagu tabelis näidatud) ja viis kümnepäevast lülitit vasakpoolsesse äärmisse vastupäeva ja veenduge, et termostaat on välja lülitatud (termostaadi esipaneelil olev lülituslüliti). ülemises asendis T≤25 ° C), vastasel juhul avage siibri ja lülitage ventilaator sisse lülituslülitiga, mis asub näidikutule all, viies selle madalamasse asendisse, kuni saavutatakse normaalne temperatuur, seejärel lülitage ventilaator välja.

6.1.1 Seadke proovi number väärtusele -1, fikseerides termoregulaatorile paigaldatud termomeetri abil temperatuuri, mille juures mõõtmisi tehakse; viige mõõtesilla kordaja 0,01 positsiooni, seejärel lülitage võrk sisse, kasutades esipaneeli paremas ülanurgas asuvat lülituslülitit, ja võrgu indikaator süttib. Kümnendlülitite abil veenduge, et galvanomeetri nõel on 0-s, vajutades kõigepealt mõõtenuppu “täpselt”.

Resistentsuse valimine kõrgeima kümnendi alguseks järjestikuste lähendustega, korrutage saadud väärtus teguriga ja kirjutage see tabelisse 3.

Korda mõõtmisi järgmise viie prooviga, viige kordaja positsiooni 0,1 ja jätkake proovide 7-10 mõõtmist.

6.1.2 Pange proovi numbrilüliti tagasi algasendisse, sulgege termostaadi tagaküljel olev klapp, lülitage termostaat sisse (esipaneeli lüliti on täielikult allapoole) ja kuumutage proove temperatuurini 50-70 ° C, seejärel lülitage termostaat välja, avage klapp ja valmistage 10 proovi takistuse mõõtmine sarnaneb punktile 6.1.1, registreerides iga mõõtmise jaoks vastava temperatuuri.

Kõik tabelisse 3 salvestatud andmed. Tulemused näitavad õpetajat.

6.2 Töö teostamise kord 2b

Enne alustamist tutvuge joonisel 12 esitatud paigaldusskeemiga ja selle rakendamiseks vajalike vahenditega.

Paigaldus koosneb mõõtühikust (BI), kus asub + 12 V toide, temperatuurimõõturist (BIT), termostaadist, millesse on paigaldatud näidised,

ventilaator proovide sundjahutamiseks, töörežiimide ja temperatuuri näitamiseks, lülitusvõimaluste jaoks (proovi numbri lülitid, töörežiim, võrgu sisselülitamine, termostaadi sisselülitamine ja sundjahutus), samuti RLC-seade, mis võimaldab kõigi proovide takistust reaalajas mõõta vastavalt vastuvõetud ülesandele .

Joonis 12 - Labori töö välimus ja mõõtmisskeem 2b

Enne võrku paigaldamise sisselülitamist veenduge, et mõõteüksuse paremal küljel asuv K1 võrgu toitelüliti ja RLC-arvesti toitelüliti on asendis „Väljas“.

6.2.1 Kaasake võrgus RLC-arvesti ja mõõtühik (BI).

6.2.2 K2 lülituslüliti BI õiges asendis (termostaat välja lülitatud), punane LED ei põle.

6.2.3 BI töörežiim K4 lülituslüliti on madalamas asendis.

6.2.4 Lülituslüliti "kordaja" - 1: 100, 1: 1 (keskmine asend).

6.2.5 Lülitid P1 ja P2 (proovide numbrid) - asendisse R1.

6.2.6 K3 lülituslüliti (ventilaator sisse lülitatud) - VÄLJAS (alumine asend).

6.2.7 Lülitage BI toiteallikas sisse (BI paremal küljel asuv lülituslüliti K1 on sisse lülitatud, roheline LED süttib), lülitage lülituslüliti “kordaja” asendisse 1: 100, veenduge, et proovide temperatuur oleks 20 kraadi piires. 25 ° C

kui olete temperatuurinäidiku varem sisse lülitanud, vajutades korraks nuppu seadme tagapaneelil, vastasel juhul tõstke BI-kaane kruvi abil termostaadi kaas üles ja lülitage ventilaator sisse, jahutades proove määratud piiridesse.

6.2.8 Lülitage RLC-meeter sisse ja valige sellel takistuse mõõtmise režiim.

6.2.9 Kasutades BI lülitit “N proov”, mõõdetakse vaheldumisi 10 proovi takistust toatemperatuuril (20-25), seejärel asetage see algasendisse ja sisestage andmed tabelisse 3.

6.2.10 Lülitage BI sisse termostaat, lülitage K2 asendisse “ON” (punane LED süttib) ja soojendage temperatuurini 50–60 ° С, tõstke BI-i ventilaatori kate ja lülitage ventilaator sisse (K3 - üles).

6.2.11 Sarnaselt punktile 6.2.9 tehakse 10 proovi takistuse mõõtmised, fikseerides iga proovi jaoks temperatuuri, mille juures mõõtmine tehti. Andmed tuleks sisestada tabelisse 3. Lülitage “N proov” algasendisse ja kordaja - keskmisse asendisse.

6.2.12 Jätkake termostaadi kuumutamist temperatuurini T = 65 ºС, langetades ventilaatori katet. Lülitage termostaat välja, BI lüliti K2 on õiges asendis (punane LED ei põle).

6.2.13 Lülitage lüliti K4 “töörežiim” asendisse 2 BI ja kordaja asendisse 1: 1, tõstke ventilaatori kate üles.

6.2.14 Mõõtke vaheldumisi R1, R2, R3, R4 iga (5-10) temperatuurini (25-30) С ja sisestage andmed tabelisse 4. Kui temperatuur jõuab (25-30) ℃, seadke kordistaja lüliti - keskmises asendis, siis lülitage võrk mõlemas seadmes välja. (Proov 1-vask, proov 2-nikkel, proov 3-konstantan, proov 4-nikroom).

Aruanne peaks sisaldama:

Töö eesmärk;

Paigaldusskeemi lühikirjeldus;

Töövalemid, selgitused, arvutusnäited;

Katsetulemused on esitatud tabeli1 (või tabelite 3 ja 4) ja kahe graafi kujul, mis sõltuvad süsteemide Cu-Ag ja Cu-Ni sulamite koostisest ρ ja TKS sõltuvuse kohta ning punktide 6.2.13–6.2.16 punktide - takistuse (R) sõltuvuse t ℃ nelja proovi jaoks;

Järeldused põhinevad eksperimentaalsetel tulemustel ja soovitatud kirjanduse uurimisel.

Tabel 3 - ρ ja TKS sõltuvuse sulamite koostisest uurimine

Juhi pikkus L = 2m; sektsioon S = 0,053 μm.
;
.

Tabel 4 Proovi vastupidavuse sõltuvus temperatuurist

Kirjandus

1 Pasynkov V.V., Sorokin V.S. Elektroonikaseadmete materjalid: õpik. - 2. toim. - M .: Kõrgem. kool., 1986. - 367 lk.

2 Elektrimaterjalide käsiraamat / Toim. Yu.V. Koritsky, V.V. Pasynkova, B.M. Tareeva. - M .: Energoizdat, 1988. v.3.

3 Materjalid mõõteriistades ja automatiseerimises. Käsiraamat / toim. Yu.M. Pyatina, - M .: Mashinostroenie, 1982.

4 Bondarenko G. G., Kabanova T. A., Rybalko V.V. Materjaliteadus.- M .: Yurayt Kirjastus, 2012. 359 lk.

ρ · 10 2, TKS · 10 3,

µohm · m 1 / rahe kohta

Ag 100 80 60 40 20 0

Cu 0 20 40 60 80 100

ρ · 10, TKS,

µohm · m 1 / rahe kohta.

Cu 100 80 60 40 20 0

Ni 0 20 40 60 80 100

Õppekava õpetajale - Kirshina I.A. - doktorikraad

Peaaegu kõigi materjalide elektritakistus sõltub temperatuurist. Selle sõltuvuse olemus on erinevate materjalide puhul erinev.

Kristalse struktuuriga metallides piirab laengukandjate elektronide vaba tee nende kokkupõrkeid ioonidega, mis paiknevad kristallvõre asukohas. Kokkupõrgete korral kandub elektronide kineetiline energia üle võre. Pärast iga kokkupõrget kiirendavad elektronid elektrivälja jõudude mõjul taas kiirust ja järgmiste kokkupõrgete ajal annavad omandatud energia kristallvõre ioonidele, suurendades nende vibratsiooni, mis põhjustab aine temperatuuri tõusu. Seega võib elektrone pidada vahendajaks elektrienergia muundamisel soojuseks. Temperatuuri tõusuga kaasneb aine osakeste kaootilise soojusliku liikumise suurenemine, mis põhjustab elektronide kokkupõrgete arvu suurenemist nendega ja takistab elektronide korrapärast liikumist.

Enamiku metallide korral suureneb takistus töötemperatuuril lineaarselt.

kus ja - eritakistus alg- ja lõpptemperatuuril;

- selle metalli koefitsiendi konstant, mida nimetatakse temperatuuri takistuse koefitsiendiks (TKS);

T1i T2 - alg- ja lõpptemperatuur.

Teist tüüpi juhtide puhul põhjustab temperatuuri tõus nende ionisatsiooni suurenemist, seetõttu on seda tüüpi juhtide TKS negatiivne.

Ainete ja nende TKS vastupidavuse väärtused on toodud teatmikes. Tavaliselt antakse takistusväärtused tavaliselt temperatuuril +20 ° C.

Juhi takistus määratakse avaldisega

R2 = R1
(2.1.2)

3. ülesanne Näide

Määrake vasktraadist kahejuhtmelise ülekandeliini takistus temperatuuril +20 ° C ja +40 ° C, kui traadi ristlõige S =

120 mm ja joone pikkus on l = 10 km.

Lahendus

Võrdlustabelite järgi leiame takistuse vask temperatuuril + 20 ° C ja temperatuuri takistuse koefitsient :

= 0,0175 oomi mm / m; = 0,004 kraadi .

Traadi takistus määratakse T1 = +20 ° C valemiga R = , arvestades rea esi- ja tagurdusjuhtmete pikkust:

R1 = 0, 0175
2 = 2,917 oomi.

Juhtmete takistus temperatuuril + 40 ° C leitakse järgmise valemi (2.1.2) järgi:

R2 = 2,917 = 3,15 oomi.

Ülesanne

Kolmejuhtmeline õhuliin pikkusega L tehakse traadiga, mille tähis on toodud tabelis 2.1. Antud näite abil on vaja leida märk, mida tähistab märk?? - ja valida see tabelis 2.1 täpsustatud andmetega.

Tuleb märkida, et probleem näeb vastupidiselt näitele ette arvutusi, mis on seotud ühe juhtmeliiniga. Isoleerimata juhtmete klassides tähistab täht traadi materjali (A - alumiinium; M - vask) ja number - traadi ristlõigemm .

Tabel 2.1

Teema materjali uurimine lõpeb tööga testidega nr 2 (TOE-

ETM / PM "ja number 3 (TOE - ETM / IM)

Juhi osakesed (molekulid, aatomid, ioonid), mis ei osale voolu moodustamises, on termilises liikumises ja voolu moodustavad osakesed paiknevad samaaegselt termilises ja suunavas liikumises elektrivälja mõjul. Seetõttu on voolu moodustavate osakeste ja selle moodustumisel mitteosalevate osakeste vahel arvukalt kokkupõrkeid, kus esimesed annavad osa vooluallika energiast, mille nad teisaldavad. Mida rohkem põrkeid, seda aeglasem on voolu moodustavate osakeste korrapärase liikumise kiirus. Nagu võib valemist näha I = enνS, kiiruse vähenemine viib voolu vähenemiseni. Juhi omadust vähendada voolutugevust nimetatakse skalaarikoguseks juhi takistus.  Ohmi seaduse valemist - vastupanu Ohm - juhi takistus, milles vool saadakse jõu abil 1 a  pingega juhi otstes pingega 1 tolli.

Juhi takistus sõltub selle pikkusest l, ristlõikesest S ja materjalist, mida iseloomustab vastupidavus Mida pikem on dirigent, seda rohkem ajaühikus põrkuvad voolu moodustavate osakeste kokkupõrked osakestega, mis selle moodustamises ei osale, ja seda suurem on juhi takistus. Mida väiksem on juhi ristlõige, seda tihedam on voolu moodustavate osakeste voog ja mida sagedamini nad põrkuvad osakestega, mis selle moodustamises ei osale, ja seetõttu on juhi suurem vastupidavus.

Elektrivälja mõjul liiguvad kokkupõrgete vahel voolu moodustavad osakesed kiiresti, suurendades nende kineetilist energiat väljavälja energia tõttu. Kokkupõrkel osakestega, mis ei moodusta voolu, edastavad nad neile osa oma kineetilisest energiast. Selle tagajärjel suureneb juhi sisemine energia, mis avaldub väliselt selle kuumutamisel. Mõelge, kas juhi takistus kuumutamisel muutub.

Elektriskeemis on terastraadi mähis (nöör, joonis 81, a). Pärast vooluringi sulgemist hakkame juhtme kuumutama. Mida rohkem me seda soojendame, seda vähem on voolutugevust. Selle langus on tingitud asjaolust, et metallide kuumutamisel suureneb nende vastupidavus. Niisiis on lambipirni juuste vastupidavus väljalülitatud olekus umbes 20 oomisamal ajal seda põletades (2900 ° C) - 260 oomi. Metalli kuumutamisel suureneb elektronide soojusliikumine ja ioonide võnkekiirus kristallvõres, mille tagajärjel suureneb ioonidega voolu moodustavate elektronide põrkumiste arv. See põhjustab juhi takistuse suurenemist *. Metallides on vabad elektronid väga tugevalt seotud ioonidega, seetõttu jääb metallide kuumutamisel vabade elektronide arv peaaegu muutumatuks.

* (Elektroonilise teooria põhjal on võimatu tuletada temperatuuri takistuse sõltuvuse täpset seadust. Sellise seaduse kehtestab kvantteooria, milles elektroni peetakse osakesteks, millel on laineomadused, ja juhtivuse elektroni liikumine läbi metalli toimub elektronlainete levimisprotsessina, mille pikkus määratakse de Broglie suhtega.)

Katsed näitavad, et kui erinevate ainete juhtide temperatuur muutub sama arvu kraadide kaupa, varieerub nende takistus ebavõrdselt. Näiteks kui vaskjuhtmel oleks takistus 1 oomsiis pärast kuumutamist 1 ° C  ta saab vastupanu 1004 oomija volfram - 1005 oomi Juhi takistuse sõltuvuse määramiseks temperatuurist tuuakse sisse kogus, mida nimetatakse temperatuuri takistuse koefitsiendiks. Skaalaarset suurust, mida mõõdetakse juhi takistuse muutusega 1 oomis, mõõdetuna temperatuuril 0 ° C, alates selle temperatuuri muutumisest 1 ° C, nimetatakse temperatuuri takistuse koefitsiendiks α. Nii et volframi puhul on see koefitsient võrdne 0,005 kraadi -1vase jaoks - 0,004 kraadi -1.  Temperatuuri takistuse koefitsient sõltub temperatuurist. Metallide puhul varieerub see temperatuurist vähe. Väikese temperatuurivahemiku korral peetakse seda selle materjali jaoks konstantseks.

Tuletame valemi, mis arvutab juhi takistuse, võttes arvesse selle temperatuuri. Oletame, et R 0  - juhi takistus temperatuuril 0 ° Ckuumutamisel 1 ° C  see suureneb 10% aR 0ja kuumutamisel t °  - sisse αRt °  ja saab R = R 0 + αR 0 t °või

Metallide vastupidavuse sõltuvust temperatuurist võetakse arvesse näiteks elektrikeriste, lampide spiraalide valmistamisel: spiraaltraadi pikkus ja lubatud voolutugevus arvutatakse nende takistusest kuumutatud olekus. Metallide vastupidavuse sõltuvust temperatuurist kasutatakse takistustermomeetrites, mida kasutatakse soojusmootorite, gaasiturbiinide, kõrgahjudes oleva metalli jne temperatuuri mõõtmiseks. See termomeeter koosneb õhukesest plaatina (nikli, raua) spiraalhaavast, mis on valmistatud portselanist valmistatud raamile ja asetatud kaitseümbrises. Selle otsad on lisatud vooluahelasse ampermeetriga, mille skaala on gradueeritud kraadides. Kui spiraali kuumutatakse, vooluringis väheneb, põhjustades ampermeetri nõela liikumist, mis näitab temperatuuri.

Selle piirkonna takistuse pöördvõrdeline ahel nimetatakse elektrijuhtivusjuht  (elektrijuhtivus). Juhi juhtivus Mida suurem on juhi juhtivus, seda madalam on selle takistus ja seda paremini ta voolu juhib. Juhtivusühiku nimi   Juhi takistus 1 oom  kutsus siemens

Temperatuuri langedes metallide vastupidavus väheneb. Kuid on ka metalle ja sulameid, mille takistus iga metalli ja sulami jaoks määratud madala hüppe korral väheneb järsult ja muutub kaduvalt väikeseks - peaaegu nulliks (joonis 81, b). On tulemas ülijuhtivus - juhil puudub praktiliselt takistus ja kui selles ergastav vool eksisteerib pikka aega, kui juht on ülijuhtivustemperatuuril (ühes katses täheldati voolu rohkem kui aasta). Kui suprajuhi kaudu juhitakse voolu 1200 a / mm 2  soojuse eraldumist ei täheldatud. Monovalentsed metallid, mis on voolu parimad juhid, ei liigu ülijuhtivas olekus katsete läbiviimise äärmiselt madalatel temperatuuridel. Nendes katsetes jahutati näiteks vask temperatuurini 0,0156 ° K,  kuld - kuni 0,0204 ° K.  Kui tavalistel temperatuuridel oleks võimalik saada ülijuhtivusega sulameid, oleks see elektrotehnika jaoks väga oluline.

Kaasaegsete kontseptsioonide kohaselt on ülijuhtivuse peamine põhjus seotud elektronpaaride moodustumine. Vabade elektronide vahelise ülijuhtivuse temperatuuril hakkavad tegutsema vahetusjõud, põhjustades elektronide moodustumiseks seotud elektronpaare. Sellisel seotud elektronpaaride elektronide gaasil on erinevad omadused kui tavalistel elektrongaasidel - see liigub ülijuhis võrekohtade vahel hõõrumata.