S porastom temperature provodnika povećava se broj sudara slobodnih elektrona s atomima. Posljedično, prosječna se brzina usmjerenog gibanja elektrona smanjuje, što odgovara povećanju otpora vodiča.

S druge strane, kako temperatura raste, broj slobodnih elektrona i iona po jedinici volumena vodiča raste, što dovodi do smanjenja otpora vodiča.

Ovisno o prevladavanju jednog ili drugog čimbenika, kako temperatura raste, otpor se ili povećava (metali), ili smanjuje (ugljen, elektroliti), ili ostaje gotovo nepromijenjen (metalne legure, kao što je rukovanje).

S malim promjenama temperature (0-100 ° C), relativni priraštaj otpora koji odgovara zagrijavanju za 1 ° C, nazvan temperaturnim koeficijentom otpora a, za većinu metala ostaje konstantan.

Određenim - otpor pri temperaturama, možemo napisati izraz relativnog prirasta otpora s povećanjem temperature od do:

Vrijednosti temperaturnog koeficijenta otpornosti za različite materijale date su u tablici. 2-2.

Iz izraza (2-18) proizlazi da

Rezultirajuća formula (2-20) omogućava određivanje temperature žice (namotaja) ako izmjerite njen otpor prema danim ili poznatim vrijednostima.

Primjer 2-3. Odredite otpor žica zračnog vodiča na temperaturama ako je duljina vodova 400 m, a presjek bakrenih žica

Linijski otpor pri temperaturi

Otpornost, a samim tim i otpornost metala, ovisi o temperaturi, koja raste s rastom. Temperaturna ovisnost otpora vodiča nastaje zbog činjenice da

1. intenzitet raspršivanja (broj sudara) nosača naboja raste s porastom temperature;
2. koncentracija im se mijenja kada se dirigent zagrijava.

Iskustvo pokazuje da su pri ne previsokim i ne preniskim temperaturama ovisnosti otpora i otpora vodiča o temperaturi izražene formulama:

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

gdje ρ 0 , ρ   t je specifični otpor vodičke tvari, odnosno, 0 ° C i t  ° C; R 0 , R  t je otpor vodiča pri 0 ° C i t  ° S α   - temperaturni koeficijent otpora: izmjeren u SI u Kelvinima minus prvi stupanj (K -1). Za metalne vodiče, ove se formule primjenjuju počevši od temperature od 140 K i više.

Temperaturni koeficijent  otpornost tvari karakterizira ovisnost promjene otpornosti na zagrijavanje o vrsti tvari. Brojčano je jednaka relativnoj promjeni otpora (otpora) vodiča kada se zagrijava za 1 K.

   \\ (~ \\ mathcal h \\ alpha \\ mathcal i = \\ frac (1 \\ cdot \\ Delta \\ rho) (\\ rho \\ Delta T), \\)

gdje je \\ (~ \\ mathcal h \\ alfa \\ mathcal i \\) prosječna vrijednost koeficijenta temperature otpora u intervalu Δ Τ .

Za sve metalne vodiče α   \u003e 0 i lagano varira s temperaturom. Čisti metali α   = 1/273 K -1. Metali imaju koncentraciju nosača slobodnog naboja (elektrona) n  = const i povećanje ρ   nastaje zbog povećanja intenziteta raspršenja slobodnih elektrona na ionima kristalne rešetke.

Za elektrolitne otopine α < 0, например, для 10%-ного раствора поваренной соли α   = -0,02 K -1. Otpor elektrolita smanjuje se s porastom temperature, budući da porast broja slobodnih iona zbog disocijacije molekula prelazi rast raspršivanja iona u sudarima s molekulama otapala.

Formule ovisnosti ρ   i R na temperaturu za elektrolite slične su gornjim formulama za metalne vodiče. Treba napomenuti da je taj linearni odnos sačuvan samo u malom temperaturnom rasponu, u kojem α   = const. Za velike intervale promjene temperature ovisnost otpornosti elektrolita o temperaturi postaje nelinearna.

Grafički su ovisnosti otpora metalnih vodiča i elektrolita od temperature prikazane na slikama 1, a, b.

Pri vrlo niskim temperaturama, blizu apsolutne nule (-273 ° C), otpor mnogih metala naglo pada na nulu. Ta pojava se naziva superprovodljivost, Metal prelazi u supravodljivo stanje.

U termometrima otpornosti koristi se ovisnost otpornosti metala o temperaturi. Obično se platinasta žica uzima kao termometrijsko tijelo takvog termometra, ovisnost njegove otpornosti na temperaturu dovoljno je proučena.

Promjene temperature ocjenjuju se promjenom otpora žice, koja se može mjeriti. Takvi termometri mogu mjeriti vrlo niske i vrlo visoke temperature kada konvencionalni toplomjeri za tekućine nisu prikladni.

književnost

Aksenovich L. A. Fizika u srednjoj školi: teorija. Zadaci. Testovi: udžbenik. dodatak za institucije koje pružaju obsch. okruženja, obrazovanje / L. A. Aksenovich, N.N.Rakina, K.S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Minsk: Adukatsyya i Vyhvanna, 2004. - C. 256-257.

U idealnom kristalu prosječni slobodni put elektrona je beskonačan, a otpor električnoj struji je nula. To potvrđuje činjenica da se otpor čistih zagrijanih metala teži nuli kada se temperatura približi apsolutnoj nuli. Svojstvo elektrona da se slobodno kreće u idealnoj kristalnoj rešetki nema analogne klasične mehanike. Raspršivanje, što dovodi do pojave otpora, događa se u slučajevima kada postoje strukturni nedostaci na rešetki.

Poznato je da se učinkovito rasipanje valova događa kada veličina središta raspršivanja (nedostataka) prelazi četvrtinu valne duljine. U metalima je energija elektrona provodljivosti 3–15 eV. Ta energija odgovara valnoj duljini od 3 - 7. Stoga svaka mikrohomogenost strukture sprječava širenje elektronskih valova, uzrokujući povećanje otpornosti materijala.

U čistim metalima savršene strukture jedini razlog za ograničavanje slobodnog puta elektrona je toplinska oscilacija atoma u mjestima. Električni otpor metala zbog toplinskog faktora označen je sa ρ toplom. Sasvim je očito da se s porastom temperature povećavaju amplitude toplinskih oscilacija atoma i pridružene fluktuacije periodičnog rešetkastog polja. A to zauzvrat pojačava raspršenje elektrona i uzrokuje povećanje otpora. Da bismo kvalitativno utvrdili prirodu temperaturne ovisnosti otpora, koristimo sljedeći pojednostavljeni model. Intenzitet raspršivanja izravno je proporcionalan presjeku sfernog volumena koji zauzima oscilirajući atom, a površina presjeka proporcionalna je kvadratu amplitude toplinskih vibracija.

Potencijalna energija atoma odstupljena za ∆A  od rešetkastog mjesta određuje se izrazom

, (9)

gdje je kpr koeficijent elastičnog spajanja, koji teži vraćanju atoma u ravnotežni položaj.

Prema klasičnoj statistici, prosječna energija jednodimenzionalnog harmoničkog oscilatora (oscilirajući atom) je kT.

Na temelju toga pišemo sljedeću jednakost:

Lako je dokazati da je slobodni put elektrona od N atoma obrnuto proporcionalan temperaturi:

(10)

Treba napomenuti da dobiveni omjer nije zadovoljan na niskim temperaturama. Činjenica je da s padom temperature mogu opadati ne samo amplitude toplinskih vibracija atoma, već i frekvencije oscilacija. Stoga u području niske temperature raspršivanje elektrona toplinskim vibracijama mjesta rešetke postaje neučinkovito. Interakcija elektrona s oscilirajućim atomom samo malo mijenja zamah elektrona. U teoriji oscilacija atoma u rešetki, temperatura se procjenjuje u odnosu na neku karakterističnu temperaturu, koja se naziva Debyeova temperatura ΘD. Temperatura Debye-a određuje maksimalnu frekvenciju toplinskih oscilacija koje se mogu pobuđivati ​​u kristalu:

Ova temperatura ovisi o silama vezivanja između rešetki i važan je parametar krute tvari.

Kad je T   D  otpornost metala varira linearno s temperaturom (slika 6, odjeljak III).

Kao što pokazuje eksperiment, linearna aproksimacija temperaturne ovisnosti t (T) vrijedi i do temperatura redoslijeda (2/3) Dpri čemu pogreška ne prelazi 10%. Za većinu metala karakteristična temperatura Debyeja ne prelazi 400–450 K. Prema tome, linearna aproksimacija obično vrijedi pri temperaturama od sobne temperature i više. U području niske temperature (T D), gdje je smanjenje specifičnog otpora uzrokovano postupnim uklanjanjem svih novih i novih frekvencija toplinskih oscilacija (fononi), teorija predviđa ovisnost snage  t 5. U fizici je taj odnos poznat kao Bloch-Gruneisen zakon. Temperaturni interval u kojem postoji oštra ovisnost snage  t (T) obično je prilično mali, s eksperimentalnim vrijednostima eksponenta u rasponu od 4 do 6.

U uskoj regiji I, koja je nekoliko Kelvina, broj metala može pokazati stanje supravodljivosti (više dolje), a slika prikazuje skok otpora pri temperaturi T St. U čistim metalima savršene strukture, kada temperatura ima tendenciju u redu, otpornost se kreće i do 0 (isprekidana krivulja), a srednji slobodni put juri u beskonačnost. Čak i pri uobičajenim temperaturama, srednji slobodni put elektrona u metalima stotinama je puta duži od udaljenosti između atoma (tablica 2).

Slika 6 - Ovisnost otpora metalnog vodiča od temperature u širokom temperaturnom rasponu: a, b, c - mogućnosti promjene otpornosti različitih rastaljenih metala

Tablica 2 - Prosječni srednji slobodni put elektrona za 0 metala za brojne metale

Unutar prijelaznog područja II dolazi do naglog porasta otpora ρ (T), gdje n može biti do 5 i postupno opada s porastom temperature increasing do 1 pri T = D.

Linearno područje (područje III) u temperaturnoj ovisnosti  (T) za većinu metala proteže se do temperature blizu tališta. Izuzetak od ovog pravila su feromagnetski metali u kojima se na poremećajima spinova reda vrši dodatno raspršenje elektrona. Blizu tališta, tj. u regiji IV, čiji je početak zabilježen na slici 6 s temperaturom T nl, a kod običnih metala može se primijetiti odstupanje od linearne ovisnosti.

Tijekom prelaska iz krutog u tekuće stanje većina metala pokazuje porast otpora otprilike 1,5 do 2 puta, mada postoje i neobični slučajevi: za tvari sa složenom kristalnom strukturom poput bizmuta i galija, topljenje prati smanjenje.

Eksperiment otkriva sljedeći obrazac: ako je topljenje metala praćeno povećanjem volumena, tada se otpornost naglo povećava; za metale sa suprotnom promjenom volumena dolazi do smanjenja ρ.

Tijekom taljenja ne dolazi do značajne promjene u broju slobodnih elektrona niti u prirodi njihove interakcije. Procesi nereda, kršenje daljnjeg reda u rasporedu atoma, presudno utječu na promjenu ρ. Anomalije opažene u ponašanju nekih metala (Ga, Bi) mogu se objasniti povećanjem modula kompresibilnosti tijekom taljenja tih tvari, što bi trebalo biti popraćeno smanjenjem amplitude toplinskih vibracija atoma.

Relativna promjena otpora s promjenom temperature jednog kelvina (stupnja) naziva se temperaturnim koeficijentom otpora:

(11)

Pozitivan znak α ρ odgovara slučaju kada se otpornost u blizini ove točke povećava s porastom temperature. Vrijednost α ρ je također funkcija temperature. U polju linearne ovisnosti ρ (T) vrijedi sljedeći izraz:

gdje su ρ 0 i α ρ specifični otpor i temperaturni koeficijent specifičnog otpora, odnosi se na početak temperaturnog područja, tj. temperatura T0; ρ-specifični otpor pri temperaturi T.

Odnos između temperaturnih koeficijenata otpora i otpornosti je sljedeći:

(13)

gdje je α 0 temperaturni koeficijent otpora danog otpornika; α 1 - temperaturni koeficijent ekspanzije materijala otporničkog elementa.

Za čiste metale α ρ \u003e\u003e α 1, dakle, imaju α ρ≈ α R. Međutim, za termostabilne metalne legure, ovo se približenje pokazalo nepravedno.

3 Utjecaj nečistoća i drugih strukturnih oštećenja na otpornost metala.

Kao što je napomenuto, uzroci raspršivanja elektronskih valova u metalu nisu samo toplinske vibracije mjesta rešetke, već i statički strukturni nedostaci, koji također narušavaju periodičnost potencijalnog polja kristala. Raspršivanje statičkih oštećenja građevine ne ovisi o temperaturi. Stoga se, kako se temperatura približava apsolutnoj nuli, otpor realnih metala teži određenoj konstantnoj vrijednosti, koja se naziva zaostali otpor (slika 6). To podrazumijeva Mattissenovo pravilo o aditivnosti otpora:

, (14)

odnosno Ukupna otpornost metala zbroj je otpora zbog rasipanja elektrona toplinskim vibracijama mjesta kristalne rešetke i rezidualnog otpora zbog rasipanja elektrona statičkim strukturnim oštećenjima.

Izuzetak od ovog pravila su supravodljivi metali, kod kojih otpor nestaje ispod određene kritične temperature.

Najznačajniji doprinos zaostalom otporu daje rasipanje nečistoćama, koje su uvijek prisutne u stvarnom vodiču, bilo u obliku zagađenja, bilo u obliku legirajućih (tj. Namjerno unesenih) elemenata. Treba napomenuti da bilo koji dodatak nečistoća dovodi do povećanja , čak i ako ima veću vodljivost u usporedbi s osnovnim metalom. Dakle, uvod u bakreni provodnik 0,01 at. Udio nečistoće srebra uzrokuje povećanje otpornosti bakra za 0,002 µm. Eksperimentalno je utvrđeno da se s malim sadržajem nečistoća otpornost povećava proporcionalno koncentraciji atoma nečistoća.

Ilustracija Mattissenovog pravila je slika 7, iz koje se vidi da temperaturne ovisnosti specifičnog otpora čistog bakra i njegovih legura s malom količinom (do oko 4 at.%) Indija, antimona, kositra, arsena međusobno su paralelne.

Slika 7 - Temperaturne ovisnosti otpornosti legura bakra tipa krutih otopina, ilustrirajući Matissenovo pravilo: 1 - čisti Cu;

2 - Cu - 1,03 at.% U; 3 - Cu - 1,12 at.% Nl

Različite nečistoće na različite načine utječu na preostali otpor metalnih vodiča. Učinkovitost raspršivanja nečistoće određuje se potencijom uznemiravanja u rešetki, čija je vrijednost veća, što je jače valencija atoma nečistoća i metala - otapala (baza).

Za monovalentne metale promjena rezidualnog otpora za 1 at.% Nečistoće (koeficijent električne nečistoće "nečistoće") je u skladu s Lindeovim pravilom:

, (15)

pri čemu su a i b konstante, ovisno o prirodi metala i razdoblju koje atom nečistoća zauzima u periodnom sustavu elemenata;  Z  - razlika između valencije metala - otapala i atoma nečistoće.

Iz formule 15 proizlazi da je učinak nečistoća metaloida na smanjenje vodljivosti jači od učinka nečistoća metalnih elemenata.

Osim nečistoće, neki doprinos zaostalom otporu daju i njegovi strukturni nedostaci - slobodna mjesta, intersticijski atomi, dislokacije, granice zrna. Koncentracija oštećenja točke povećava se eksponencijalno s temperaturom i može doseći visoke vrijednosti u blizini točke taljenja. Uz to, u materijalu se lako pojavljuju slobodna mjesta i intersticijski atomi kada su ozračeni česticama visoke energije, na primjer, neutroni iz reaktora ili ioni iz akceleratora. Izmjerena vrijednost otpora može se koristiti za prosudbu stupnja oštećenja zračenja na rešetki. Na isti se način može pratiti oporavak (žarenje) ozračenog uzorka.

Promjena zaostalog otpora bakra za 1 at.% Oštećenja točke iznosi: u slučaju slobodnih radnih mjesta, 0,010 do 0,015 µOhm Ω; u slučaju intersticijskih atoma, 0,005-0,010 µOhm  Ω.

Zaostala otpornost je vrlo osjetljiva karakteristika kemijske čistoće i strukturne savršenosti metala. U praksi, pri radu s metalima visoke čistoće za procjenu sadržaja nečistoće, mjeri se omjer specifičnih otpora pri sobnoj temperaturi i temperaturi tekućeg helija:

Što je metal čistiji, to je veća i vrijednost. U najčišćim metalima (stupanj čistoće je 99,99999%), parametar of je reda 10 5.

Iskrivljenja uzrokovana stresnim stanjem imaju velik utjecaj na otpornost metala i legura. No, stupanj tog utjecaja određuje priroda naprezanja. Na primjer, opsežnom kompresijom za većinu metala, otpornost se smanjuje. To je zbog pristupa atoma i smanjenja amplitude toplinskih vibracija rešetke.

Plastična deformacija i radno stvrdnjavanje uvijek povećavaju otpornost metala i legura. Međutim, to povećanje čak i uz značajno radno otvrdnjavanje čistih metala iznosi nekoliko posto.

Toplinsko očvršćivanje dovodi do povećanja , što je povezano s izobličenjem rešetke, pojavom unutarnjih naprezanja. Tijekom rekristalizacije toplinskom obradom (žarenjem), otpornost se može smanjiti na početnu vrijednost, jer se oštećenja zacjeljuju i uklanjaju se unutrašnja naprezanja.

Specifičnost čvrstih otopina je u tome što jezgra može znatno (puno puta) premašiti toplinsku komponentu.

Za mnoge dvokomponentne legure promjena  OST ovisno o sastavu dobro je opisana paraboličkom ovisnošću tipa

gdje je C konstanta ovisno o prirodi legure; x a i x inatomske frakcije komponenata u leguri.

Vrijednost 16 naziva se Nordheim-ovim zakonom. Iz toga proizlazi da se u binarnim čvrstim otopinama A - B zaostali otpor povećava i kada se atomi B dodaju u metal A (kruta otopina ) i kada se atomi A dodaju u metal B (čvrsta otopina pričem), a za ovu promjenu je karakteristična simetrična krivulja , U kontinuiranom nizu krutih otopina, otpornost je veća, što dalje legura je u svom sastavu odvojena od čistih komponenata. Preostali otpor doseže svoju maksimalnu vrijednost pod jednakim sadržajem svake komponente (x a = x v = 0,5).

Nordheim-ov zakon prilično precizno opisuje promjenu otpora kontinuiranih čvrstih otopina ako se ne primijene fazni prijelazi s promjenom sastava i niti jedna njihova komponenta ne pripada broju prijelaznih ili rijetkozemaljskih elemenata. Primjer takvih sustava mogu poslužiti kao legure Au - Ag, Cu - Ag, Cu - Au, W - Mo, itd.

Čvrste otopine, čiji su sastojci prijelazni metali (slika 8), ponašaju se nekako drugačije. U ovom slučaju, pri visokim koncentracijama komponenata, opaža se znatno veliki zaostali otpor, koji je povezan s prijelazom dijela valentnih elektrona u unutarnje neispunjene d - ljuske atoma prijelaznih metala. Pored toga, u takvim legurama maksimalna  često odgovara koncentraciji koja nije 50%.

Slika 8 - Ovisnost specifičnog otpora (1) i temperaturnog koeficijenta specifičnog otpora (2) legura bakra-nikla o postotku sastojaka

Što je veća otpornost legure, to je manji njezin α ρ. To proizlazi iz činjenice da u čvrstim otopinama „kondor” u pravilu znatno prelazi temperaturu i ne ovisi o temperaturi. U skladu s određivanjem temperaturnog koeficijenta

(17)

S obzirom da se α ρ čistih metala malo razlikuje jedan od drugog, izraz 17 može se lako pretvoriti u sljedeći oblik:

(18)

U koncentriranim čvrstim otopinama špilja obično prelazi red veličine ili više od ρ t. Stoga α ρ cfl može biti znatno niži od α ρ čistog metala. Na tome se temelji proizvodnja termostabilnih vodljivih materijala. U mnogim se slučajevima temperaturna ovisnost otpora legura ispostavi kao složenija od one koja proizlazi iz jednostavnog uzorka aditiva. Temperaturni koeficijent otpora legura može biti znatno manji od predviđenog omjera 18. Primjećene anomalije jasno se očituju u bakarno-nikalnim legurama (slika 8). U nekim legurama, u određenim omjerima sastojaka, opaža se negativni α ρ (u konstanti).

Takva promjena ρ i α ρ u postotku legiranih komponenata očito se može objasniti činjenicom da s složenijim sastavom i strukturom, u odnosu na čiste metale, legure se ne mogu smatrati klasičnim metalima. Promjena njihove vodljivosti uzrokovana je ne samo promjenom slobodnog puta slobodnih elektrona, već, u nekim slučajevima, djelomičnim povećanjem koncentracije nosača naboja, s porastom temperature. Legura u kojoj se smanjenje srednjeg slobodnog puta s povećanjem temperature kompenzira povećanjem koncentracije nosača naboja ima nulti temperaturni koeficijent otpora.

U razrijeđene otopine, kada jednu od komponenti (na primjer, komponentu B) karakterizira vrlo niska koncentracija i može se smatrati dodatkom, u formuli 16, bez žrtvovanja točnosti, možete staviti (1-x v) 1. Tada dolazimo do linearnog odnosa između zaostalog otpora i koncentracije nečistoćih atoma u metalu:

,

pri čemu konstanta C karakterizira promjenu zaostalog otpora  OST za nečistoću od 1 at.%.

Neke legure imaju tendenciju formiranja naručenih struktura ako se tijekom proizvodnje zadrže određene proporcije u sastavu. Razlog narudžbe je jača kemijska interakcija heterogenih atoma u usporedbi s atomima iste vrste. Redoslijed strukture događa se ispod određene karakteristične temperature T cr, koja se naziva kritična temperatura (ili Kurnakova temperatura). Na primjer, legura koja sadrži 50 at. % Cu i 50 at. % Zn ( - mjed) ima kubičnu strukturu u središtu tijela. Pri T  360C atomi bakra i cinka nasumično su i statistički raspodijeljeni na rešetkama.

Uzrok električnog otpora krutih tvari nije sudar slobodnih elektrona s atomima rešetke, već njihovo rasipanje na strukturne nedostatke koji su odgovorni za kršenje translacijske simetrije. Pri naručivanju čvrste otopine vraća se periodičnost elektrostatičkog polja atomskog sastava rešetke, čime se povećava srednji slobodni put elektrona, a dodatni otpor gotovo potpuno nestaje uslijed raspršivanja mikroheterogenošću legure.

4 Utjecaj debljine metalnih filmova na specifični površinski otpor i njegov temperaturni koeficijent

U proizvodnji integriranih krugova koriste se metalni folije za međuelementne spojeve, kontaktne jastučiće, kondenzatorske ploče, induktivne, magnetske i otporničke elemente.

Struktura filmova, ovisno o uvjetima kondenzacije, može varirati od amorfnog kondenzata do epitaksijalnih filmova - struktura savršenog monokristalnog sloja. Pored toga, svojstva metalnih filmova povezana su s efektima veličine. Dakle, njihov doprinos električne vodljivosti je značajan ako je debljina filma usporediva s l.

Na slici 9 prikazane su tipične ovisnosti površinskog otpora tankih filmova ρ s i njegovog temperaturnog koeficijenta α ρ s o debljini filma. Budući da je odnos konstrukcijskog (duljina l, širina b, debljina filma h) i tehnološkog

() parametre tankog filma otpornika (TPR) postavljamo jednadžbom:

,

gdje je ρ s = ρ / h kvadratni otpor (ili specifični površinski otpor), tada uzmemo tradicionalnu notaciju umjesto ρ s i  ρ umjesto  ρ s.

Slika 9 - Priroda promjena   i  od debljine filma h

Rast metalnih filmova prati četiri faze:

I - formiranje i rast metalnih otoka (mehanizmi odgovorni za prijenos naboja, - termička emisija i tuneliranje elektrona smještenih iznad razine Fermija. Površinski otpor područja supstrata gdje nema metalnog filma opada s porastom temperature, što uzrokuje negativne   filmove male debljine );

II - tangencija otoka između sebe (trenutak promjene znaka y   ovisi o vrsti metala, uvjetima formiranja filma, koncentraciji nečistoće, stanju površine supstrata);

III - stvaranje provodne mreže, kada se smanjuju veličina i broj praznina između otoka;

IV - formiranje kontinuiranog vodljivog filma, kada se vodljivost i   približavaju vrijednosti masivnih vodiča, ali još uvijek je specifični otpor filma veći od opsežnog uzorka, zbog velike koncentracije oštećenja, nečistoća zarobljenih u filmu tijekom taloženja. Stoga su filmovi oksidirani duž granica zrna električno prekinuti, iako su fizički čvrsti. Doprinosi rastu  i veličinskom učinku zbog smanjenja slobodnog puta elektrona kada se odražava sa površine uzorka.

U proizvodnji tankoslojnih otpornika koriste se tri skupine materijala: metali, metalne legure, kermeti.

5 Fizička priroda supravodljivosti

Fenomen superprovodljivosti objašnjava se kvantnom teorijom, a događa se kad se elektroni u metalu privlače jedni drugima. Atrakcija je moguća u mediju koji sadrži pozitivno nabijene ione, čije polje slabi Coulomb-ove sile odbijanja između elektrona. Samo oni elektroni koji sudjeluju u električnoj vodljivosti, tj nalazi se blizu razine Fermi. Elektroni s suprotnim spinom vezani su u parovima, zvani Cooper.

U stvaranju Cooper-ovih parova, odlučujuću ulogu igra interakcija elektrona s toplinskim vibracijama rešetki - fononi, koji mogu apsorbirati i generirati. Jedan od elektrona uzajamno djeluje s rešetkom - pobuđuje je i mijenja svoj zamah; drugi elektron, uzajamno djelujući, prevodi ga u normalno stanje i također mijenja svoj zamah. Kao rezultat toga, stanje rešetke se ne mijenja i elektroni izmjenjuju kvante toplinske energije - fonone. Međusobna fononska interakcija izaziva privlačne sile između elektrona koje prelaze Kulomovu odbojnost. Razmjena fonona odvija se kontinuirano.

Jedan elektron koji se kreće kroz rešetku polarizira ga, tj. privlači najbliže ione u sebe; gustoća pozitivnog naboja raste blizu putanje elektrona. Drugi elektron privlači područje s viškom pozitivnog naboja, zbog čega zbog interakcije s rešetkom između elektrona nastaju privlačne sile (Cooper-ov par). Te se parne formacije preklapaju jedna u drugu u prostoru, propadaju i ponovo stvaraju, tvoreći kondenzat elektrona, čija je energija zahvaljujući unutarnjoj interakciji manja od energije agregata razdvojenih elektrona. Energetski jaz se pojavljuje u energetskom spektru supravodiča - područja zabranjenih energetskih stanja.

Upareni elektroni nalaze se na dnu energetske praznine. Veličina energetskog jaza ovisi o temperaturi, dostižući maksimum na apsolutnoj nuli i potpuno nestaje na T st. Za većinu supravodiča, energetski jaz je 10 -4 - 10 -3 eV.

Raspršivanje elektrona događa se na toplinskim vibracijama i na nečistoći, ali sa

prisutnost energetskog jaza za prijelaz elektrona iz osnovnog u pobuđeno stanje zahtijeva dovoljan dio toplinske energije, koji je odsutan pri niskim temperaturama, pa se upareni elektroni ne raspršuju na strukturne nedostatke. Značajka Cooper-ovih parova je što oni ne mogu mijenjati svoja stanja neovisno jedan o drugom, elektronski valovi imaju istu duljinu i fazu, tj. mogu se smatrati jednim valom koji se omotava oko nedostataka strukture.U apsolutnoj nuli svi se elektroni povezuju u parovima, s povećanjem, neki se parovi razbijaju, a širina jaz se smanjuje, kod T St-a svi parovi su uništeni, širina jaza nestaje, a superprevodljivost se prekida.

Prijelaz u supravodljivo stanje događa se u vrlo uskom temperaturnom rasponu, heterogenost strukture uzrokuje širenje raspona.

Najvažnije svojstvo supravodiča - magnetsko polje ne prodire u debljinu materijala, sile sile obilaze oko supravodiča (Meissnerov efekt) - zbog činjenice da u magnetskom polju supravodiča nastaje kružna nesmetana struja koja u potpunosti nadoknađuje vanjsko polje unutar uzorka. Dubina prodiranja magnetskog polja je 10 -7 - 10 -8 m - superprovodnik je idealan dijamagnetni; izbačen iz magnetskog polja (stalni magnet može se načiniti da visi nad prstenom supravodljivog materijala u kojem cirkuliraju struje koje ne propadaju inducirane magnetom).

Stanje supravodljivosti se narušava kada je jakost magnetskog polja veća od H st. Prema prirodi prijelaza materijala iz supravodljivog stanja u stanje obične električne vodljivosti pod djelovanjem magnetskog polja, razlikuju se superprovodnici prve i druge vrste. Za superprevodnike prve vrste taj se prijelaz pojavljuje naglo, a za supravodiče proces prijelaza je postupan u rasponu H cj1 -

H cor2. U intervalu je materijal u heterogenom stanju, u kojem koegzistiraju normalna i supravodljiva faza, magnetsko polje postepeno prodire u supravodilac, održava se nulti otpor sve do gornjeg kritičnog intenziteta.

Kritični intenzitet ovisi o temperaturi za superprevodnike tipa 1:

U superprovodnicima tipa 2, područje srednjeg stanja proširuje se s padom temperature.

Superprevodljivost se može slomiti strujom koja prolazi kroz supravodič ako prelazi kritičnu vrijednost I St = 2πHH St (T) - za supervodiče tipa 1 (tip 2 je složeniji).

26 metala posjeduju superprevodljivost (uglavnom prve vrste s kritičnim temperaturama ispod 4,2 K), 13 elemenata pokazuje superprovodnost pri visokim pritiscima (silicij, germanij, telur, antimon). Ne posjedujte bakar, zlato, srebro: nizak otpor ukazuje na slabu interakciju elektrona s kristalnom rešetkom, te u fero i antiferromagnetima; poluvodiči se prevode dodavanjem velike koncentracije dodataka; u dielektricima s velikom dielektričnom konstantom (feroelektričari), Coulomb-ove sile odbijanja između elektrona su znatno oslabljene i mogu pokazati svojstvo supravodljivosti. Intermetalni spojevi i legure pripadaju superprevodnicima tipa 2, međutim, ova podjela nije apsolutna (superprevodnik tipa 1 može se pretvoriti u superprovodnik tipa 2 ako stvorite u njemu dovoljnu koncentraciju oštećenja rešetke. Proizvodnja supravodljivih vodiča povezana je s tehnološkim poteškoće (imaju krhkost, nisku toplinsku vodljivost), stvaraju supravodljivi sastav s bakrom (brončana metoda ili metoda difuzije krute faze - prešanje i crtanje; Položaj tankih niti niobija u matrici kositar bronce, uz grijanje kositar bronce difundira u Nb da nastane super-film stanida niobija).

Ispitna pitanja

1 Koji parametri ovise o električnoj vodljivosti metala.

2 Što statistika opisuje raspodjelu energije elektrona u kvantnoj teoriji vodljivosti metala.

3 Što određuje Fermijevu energiju (razina Fermija) u metalima i o čemu ovisi.

4 Koliki je elektrokemijski potencijal metala.

5 Što određuje slobodni put elektrona u metalu.

6 Formiranje legura. Kako postoji prisutnost oštećenja na otpornosti metala.

7 Objasnite temperaturnu ovisnost otpora vodiča.

8 NSKurnakova obrasci za ρ i TKS u legurama vrsta čvrstih otopina i mehaničkih smjesa.

9 Primjena u tehnici vodljivih materijala različitih vrijednosti električnog otpora. Zahtjevi za materijale ovisno o primjeni.

10 Fenomen superprovodljivosti. Obim super i krio-vodiča

6 Laboratorijski rad №2. Proučavanje svojstava provodnih legura

Cilj: proučiti obrasce promjene električnih svojstava dvokomponentnih legura, ovisno o njihovom sastavu.

U prvom dijelu laboratorijskog rada razmatraju se dvije skupine legura s različitim faznim sastavima.

Prva skupina uključuje takve legure čije se komponente A i B neograničeno otapaju jedna u drugoj, postupno zamjenjujući jedna drugu na rešetkastim mjestima, tvoreći kontinuirani niz čvrstih otopina iz jedne čiste komponente legure u drugu. Bilo koja legura ove vrste u čvrstom je stanju jednofazna, sastoji se od zrna iste čvrste otopine istog sastava. Primjer slitina krutih otopina su bakar-nikal, Cu-Ni, germanij-silicij, Ge-Si i dr. U drugu skupinu spadaju legure, čije se komponente praktički ne otapaju jedna u drugoj, a svaka komponenta tvori svoje zrno. Čvrsta slitina je dvofazna; takve se legure nazivaju mehaničkim smjesama. Primjeri legura mehaničkih smjesa su Cu-Ag bakreno-srebrni sustavi, Sn-Pb kositreno-olovni sustavi itd.

Tijekom stvaranja legura vrsta mehaničkih smjesa (Slika 10, a), svojstva se linearno (aditivno) mijenjaju i prosjek su između vrijednosti svojstava čistih sastojaka. U stvaranju legura tipa čvrstih otopina (slika 10, b), svojstva variraju u krivuljama s maksimalnim i minimalnim.

Slika 10 - Uzorci N. S. Kurnakova. Odnos faznog sastava legura i njegovih svojstava

Glavna električna svojstva metala i legura su: električni otpori ρ, µohm; temperaturni koeficijent otpora TKS, stupanj -1.

Otpor konduktora konačne duljine l i presjek S izraženo poznatom ovisnošću

(19)

Otpornost vodičkih materijala je mala i nalazi se u rasponu 0,016-10 µOm.m.

Električna otpornost različitih metalnih vodiča uglavnom ovisi o prosječnom srednjem slobodnom putu elektrona λ u određenom vodiču:

gdje je µ = 1 / λ koeficijent raspršivanja elektrona.

Faktori raspršivanja u smjeru kretanja elektroda u metalima i legurama su pozitivni ioni smješteni na mjestima rešetke. U čistim metalima s najregularnijom neiskorištenom kristalnom rešetkom, gdje su pozitivni ioni redovito raspoređeni u prostoru, raspršenje elektrona je malo i određeno je uglavnom amplitudom oscilacija iona u mjestima rešetke; za čiste metale ρ≈ A · μ je toplo. gdje je µ toplo - koeficijent raspršivanja elektrona na termičkim vibracijama rešetke. Ovaj mehanizam raspršivanja elektrona naziva se fononsko raspršivanje na toplotnim vibracijama rešetki.

S porastom temperature T povećava se amplituda oscilacija pozitivnih iona na mjestima rešetke, povećava se raspršenje elektrona koji se kreću u smjeru pod djelovanjem polja, smanjuje se srednji slobodni put λ, a otpor raste.

Vrijednost koja procjenjuje rast otpornosti materijala kada se temperatura mijenja za jedan stupanj naziva se temperaturnim koeficijentom električnog otpora TCS:

(20)

gdje R1 - otpor uzorka, izmjeren na temperaturi T1; R2 - otpor istog uzorka, izmjeren na temperaturi T2.

Proučavamo dva sustava legura: Cu-Ni sustav, gdje komponente legura (bakar i nikl) zadovoljavaju sve uvjete neograničene topljivosti jedna u drugoj u čvrstom stanju, tako da će svaka od legura u ovom sustavu nakon završetka kristalizacije biti jednofazna kruta otopina (Slika 10, a) i Cu-Ag sustav, čije komponente (bakar i srebro) ne zadovoljavaju uvjete neograničene topljivosti, njihova topljivost je mala čak i pri visokim temperaturama (ne prelazi 10%), a na temperaturama ispod 300 0 C je tako mala da se može smatrati s, je odsutan, i bilo legura sastoji se od mehaničke smjese bakra i srebra zrna (slika 10b).

Razmotrite tijek krivulje ρ za čvrste otopine. Kako dodajete bilo koju čistu komponentu druge komponente legure, primjećuje se ujednačenost u strogom rasporedu pozitivnih iona istog razreda, što se primjećuje u čistim metalima na mjestima rešetki. Slijedom toga, raspršivanje elektrona u leguri poput krute otopine uvijek je veće nego u bilo kojoj od čistih komponenata zbog izobličenja kristalne rešetke čistih komponenti ili, kako kažu, zbog povećanja neispravnosti kristalne rešetke, jer je svaki uvedeni atom različitog tipa u odnosu na čistu komponentu defekt u točki.

Iz toga proizlazi da se za legure tipa čvrste otopine dodaje još jedna vrsta raspršivanja elektrona - raspršenje po točkovnim defektima i električni otpor.

(21)

Kako je uobičajeno procjenjivati ​​sve vrijednosti ρ pri T = 20 0 S, odlučujući faktor za legure poput čvrstih otopina rasipa se na defektu točke. Najveća kršenja ispravnosti kristalne rešetke uočena su u području koncentracije sastojaka od pedeset posto, krivulja ρ ima maksimalnu vrijednost u ovoj regiji. Iz relacije 20 može se vidjeti da je temperaturni koeficijent otpora TKS obrnuto proporcionalan otporu R, a samim tim i specifičnom otporu ρ; krivulja TKS ima min u području omjera od pedeset posto komponenata.

U drugom dijelu laboratorijskih radova razmatraju se legure visokog specifičnog otpora. Takvi materijali uključuju legure koje u normalnim uvjetima imaju specifični električni otpor od najmanje 0,3 µOhm · m. Ovi se materijali naširoko koriste u proizvodnji različitih električnih mjernih i električnih grijača, primjernih otpora, otpornika itd.

U pravilu se legure koriste za proizvodnju električnih mjernih instrumenata, otpornosti modela i reostata, koji se odlikuju visokom stabilnošću njihovog specifičnog otpora tijekom vremena i niskim temperaturnim koeficijentom otpora. Ti materijali uključuju manganin, konstantan i nikrom.

Manganin je legura bakra i nikla koja u prosjeku sadrži 2,5 ... 3,5% nikla (s kobaltom), 11,5 ... 13,5% mangana, 85,0 ... 89,0% bakra , Doping s manganom, kao i provođenje posebne toplinske obrade na 400 ° C, omogućuje stabilizaciju otpornosti manganina u temperaturnom rasponu od -100 do + 100 ° C. Manganin ima vrlo malu vrijednost termo-EMF-a u paru s bakrom, veliku stabilnost otpora u vremenu, što mu omogućava široku primjenu u proizvodnji otpornika i električnih mjernih instrumenata najviše klase točnosti.

Constantan sadrži iste komponente kao i manganin, ali u različitim omjerima: nikal (s kobaltom) 39 ... 41%, mangan 1 ... 2%, bakar 56,1 ... 59,1%. Njegova električna otpornost ne ovisi o temperaturi.

Nikromi su legure na bazi željeza koje sadrže, ovisno o razredu, 15 ... 25% kroma, 55 ... 78% nikla, 1,5% mangana. Koriste se uglavnom za proizvodnju električnih grijaćih elemenata, jer imaju dobru otpornost na visokim temperaturama u zraku, zbog bliskih vrijednosti temperaturnih koeficijenata linearnog širenja ovih legura i njihovih oksidnih filmova.

Među legurama visoke otpornosti, koje se (osim nikroma) široko koriste za proizvodnju raznih grijaćih elemenata, potrebno je napomenuti legure otporne na toplinu fehral i krom. Pripadaju sistemu Fe-Cr-Al i sadrže u svom sastavu 0,7% mangana, 0,6% nikla, 12 ... 15% kroma, 3,5 ... 5,5% aluminija, a ostatak željeza. Te su legure vrlo otporne na kemijsko uništavanje površine pod utjecajem različitih plinovitih medija na visokim temperaturama.

6.1 Postupak izvođenja laboratorijskih radova br. 2a

Prije nego što započnete, upoznajte se s instalacijskim dijagramom prikazanim na slici 11 i instrumentima potrebnim za provođenje mjerenja.

Laboratorijska postava sastoji se od termostata, u kojem su smješteni ispitivani uzorci, i mjernog mosta MO-62, koji omogućava mjerenje otpornosti uzorka u stvarnom vremenu. Za prisilno hlađenje uzoraka (pri T\u003e 25 ° C) na termostat se ugrađuje ventilator, a na stražnjoj se površini nalazi prigušivač. Na desnoj strani termostata nalazi se prekidač broja uzorka.

Slika 11. - Shema izgleda i mjerenja u laboratorijskom radu 2a

Prije početka rada postavite prekidače „N množitelj“ u položaj 0,1 ili 0,01 (kako je naznačeno u tablici), a pet desetodnevnih prekidača - u krajnji lijevi položaj u smjeru suprotnom od kazaljke na satu i provjerite je li termostat isključen (preklopni prekidač na prednjoj ploči termostata u gornjem položaju T≤25 ° C), u protivnom otvorite prigušivač i uključite ventilator prekidačem koji se nalazi ispod indikatorske lampice, pomičući ga u donji položaj dok se ne postigne normalna temperatura, a zatim isključite ventilator.

6.1.1 postaviti uzorak na -1, određujući temperaturu na kojoj će se mjeriti pomoću termometra instaliranog na termostat; prebacite multiplikator mjernog mosta u položaj 0,01, a zatim uključite mrežu pomoću preklopnika smještenog u gornjem desnom dijelu prednje ploče i zasvijetlit će mrežni indikator. Pomoću desetlječnih prekidača osigurajte da je igla galvanometra na 0 prvo pritiskom na tipku „točno“.

Odabir otpora koji započinje s najvišim desetljećem uzastopnim aproksimacijama, množite dobivenu vrijednost s faktorom i upišite ih u tablicu 3.

Ponovite mjerenja za sljedećih pet uzoraka, a zatim prenesite množitelj u položaj 0.1 i nastavite mjerenja za uzorke 7-10.

6.1.2 Vratite prekidač broja uzorka u prvobitni položaj, zatvorite poklopac na stražnjoj strani termostata, uključite termostat (prekidač na prednjoj ploči je potpuno dolje) i zagrijte uzorke na 50-70 ° C, zatim isključite termostat, otvorite poklopac i proizvedite mjerenje otpora 10 uzoraka slično je stavku 6.1.1. bilježi odgovarajuću temperaturu za svako mjerenje.

Svi podaci zabilježeni u tablici 3. Rezultati pokazuju učitelj.

6.2 Postupak izvođenja radova 2b

Prije nego što započnete, upoznajte se s instalacijskim dijagramom prikazanim na slici 12 i instrumentima potrebnim za njegovu provedbu.

Instalacija se sastoji od mjerne jedinice (BI), na kojoj se nalazi napajanje + 12 V, jedinice za mjerenje temperature (BIT), termostata, s uzorcima ugrađenim u njemu,

ventilator za prisilno hlađenje uzoraka, indikacija načina rada i temperature, sklopni uređaji (prekidači broja uzorka, način rada, uključivanje mreže, uključivanje termostata i prisilno hlađenje), kao i RLC jedinica koja omogućuje mjerenje otpora svih uzoraka u stvarnom vremenu, prema primljenom zadatku ,

Slika 12 - Shema izgleda i mjerenja u laboratorijskom radu 2b

Prije uključivanja instalacije na mrežu, provjerite je li prekidač napajanja K1 mreže, koji se nalazi s desne strane mjerne jedinice, i prekidač napajanja RLC mjerača u položaju "isključeno".

6.2.1 U mrežu uključiti RLC-mjerač i mjernu jedinicu (BI).

6.2.2 Prekidač K2 na BI-u u ispravnom položaju (termostat isključen), crvena LED lampica je isključena.

6.2.3 BI način rada Prekidač K4 je u donjem položaju.

6.2.4 Preklopka preklopnika "množitelj" - 1: 100, 1: 1 (srednji položaj).

6.2.5 Prebacite P1 i P2 (brojevi uzoraka) - na položaj R1.

6.2.6 K3 sklopka za prebacivanje (ventilator uključen) - OFF (isključen položaj).

6.2.7 Uključite napajanje BI-a (preklopni prekidač K1 koji se nalazi na desnoj strani BI-a nalazi se u položaju "uključeno", svijetli zeleni LED), prebacite prekidač "multiplikator" na 1: 100 i provjerite je li temperatura uzoraka unutar 20 25 ° C

prethodno uključite temperaturni prikaz kratkim pritiskom na tipku na stražnjoj ploči uređaja, u protivnom podignite poklopac termostata prema gore pomoću vijaka na BI poklopcu i uključite ventilator, hladeći uzorke do zadanih granica.

6.2.8 Uključite snagu RLC-mjerača i na njemu odaberite način mjerenja otpora.

6.2.9 Pomoću prekidača "N uzorak" na BI izmjenično mjerite otpor 10 uzoraka na sobnoj temperaturi (20-25), a zatim ga vratite u izvorni položaj, unesite podatke u tablicu 3.

6.2.10 Uključite termostat u BI uređaju, prebacite položaj K2 "ON" (svijetli crvena LED) i zagrijte se do 50-60 ° C, podignite poklopac ventilatora na BI i uključite ventilator (K3 - gore).

6.2.11 Izvršite mjerenja otpora 10 uzoraka, slično kao u točki 6.2.9, dok fiksirate temperaturu na kojoj je mjerenje izvršeno za svaki uzorak. Podaci se unose u tablicu 3. Prebacite "N uzorak" u početni položaj, a množitelj - u srednji položaj.

6.2.12 Nastavite grijanje termostata na T = 65 ºS, spuštajući poklopac ventilatora. Isključite termostat, prekidač K2 na BI-u je u ispravnom položaju (crveni LED je isključen).

6.2.13 Prebacite prekidač K4 "način rada" u položaj 2 na BI, a množitelj u položaj 1: 1, podignite poklopac ventilatora.

6.2.14 Izvršite naizmjenično mjerenje R1, R2, R3, R4 svaki (5-10) do temperature (25-30) C i unesite podatke u tablicu 4. Kada temperatura dosegne (25-30) ℃ postavite prekidač množitelja - na srednjem položaju, a zatim isključite mrežu na oba uređaja. (Uzorak 1-bakar, uzorak 2-nikal, uzorak 3-konstantan, uzorak 4- nichrome).

Izvještaj treba sadržavati:

Svrha djela;

Kratak opis instalacijske sheme;

Formule rada, objašnjenja, primjeri izračuna;

Rezultati eksperimenta su u obliku tablice1 (ili tablica 3 i 4) i dva grafa ovisnosti ρ i TKS o sastavu legura za sustave Cu-Ag i Cu-Ni, a za odjeljke 6.2.13-6.2.16 - ovisnosti otpora (R) o t ℃ za četiri uzorka;

Zaključci se temelje na eksperimentalnim rezultatima i proučavanju preporučene literature.

Tablica 3 - Studija ovisnosti ρ i TKS o sastavu legura

Duljina vodiča L = 2m; presjek S = 0,053 µm.
;
.

Tablica 4 Studija ovisnosti otpornosti uzorka od temperature

književnost

1 Pasynkov V.V., Sorokin V.S. Materijali elektroničkog inženjerstva: Udžbenik. - 2. izd. - M .: Viši. škola., 1986. - 367 str.

2 Priručnik električnih materijala / Ed. Y. Koritsky, V.V. Pasynkova, B.M. Tareeva. - M .: Energoizdat, 1988. v.3.

3 Materijali u instrumentaciji i automatizaciji. Priručnik / Ed. YM Pyatina, - M .: Mashinostroenie, 1982.

4 Bondarenko G.G., Kabanova T.A., Rybalko V.V. Material Science.- M .: Yurayt Publishing House, 2012. 359 str.

ρ · 10 2, TKS · 10 3,

µohm · m 1 / tuča

Ag 100 80 60 40 20 0

Cu 0 20 40 60 80 100

ρ · 10, TKS,

µohm · m 1 / tuča.

Cu 100 80 60 40 20 0

Ni 0 20 40 60 80 100

Raspored za učitelja - Kiršina I.A. - doc.dr.sc.

Električni otpor gotovo svih materijala ovisi o temperaturi. Priroda ove ovisnosti je različita za različite materijale.

U metalima s kristalnom strukturom slobodni put elektrona kao nosača naboja ograničen je njihovim sudarima s ionima smještenim na mjestima kristalne rešetke. U sudarima se kinetička energija elektrona prenosi na rešetku. Nakon svakog sudara, elektroni pod djelovanjem sila električnog polja ponovno pokupe brzinu, a tijekom sljedećih sudara dobivenu energiju daju ioni kristalne rešetke, povećavajući njihove vibracije, što dovodi do povećanja temperature tvari. Stoga se elektroni mogu smatrati posrednicima u pretvorbi električne energije u toplinu. Povećanje temperature prati porast kaotičnog toplinskog gibanja čestica tvari, što dovodi do povećanja broja sudara elektrona s njima i ometa uredno kretanje elektrona.

Za većinu metala, unutar radnih temperatura, otpornost se linearno povećava.

gdje i - specifični otpori na početnim i krajnjim temperaturama;

- konstanta za ovaj metalni koeficijent, naziva se temperaturnim koeficijentom otpora (TKS);

T1i T2 - početna i krajnja temperatura.

Za druge vodiče, porast temperature dovodi do povećanja njihove ionizacije, stoga je TKS ove vrste vodiča negativan.

Vrijednosti otpora tvari i njihovih TKS date su u referentnim knjigama. Vrijednosti otpora obično se daju pri temperaturi od +20 ° C.

Otpor vodiča određuje se izrazom

R2 = Rl
(2.1.2)

Zadatak 3. Primjer

Odredite otpor dvožilnog dalekovoda bakrene žice na + 20 ° C i +40 ° C, ako je presjek žice S =

120 mm a duljina pruge je l = 10 km.

odluka

Prema referentnim tablicama nalazimo otpor bakar na + 20 ° C i temperaturni koeficijent otpora :

= 0,0175 Ohm mm / m; = 0,004 stupnja .

Odredite otpor žice na T1 = +20 ° C formulom R = , s obzirom na duljinu prednje i obrnute žice pruge:

Rl = 0, 0175
2 = 2.917 ohma.

Otpor žica na temperaturi od + 40 ° C nalazimo prema formuli (2.1.2)

R2 = 2,917 = 3,15 ohma.

zadatak

Zračna linija s tri žice duljine L izrađena je žicom, čija je oznaka dana u tablici 2.1. Potrebno je pronaći vrijednost koja je označena znakom "?" Koristeći dati primjer i odaberite opciju s podacima navedenim u tablici 2.1.

Treba napomenuti da problem, suprotno primjeru, predviđa proračune povezane s jednom žicom. U razredima neizoliranih žica, slovo označava materijal žice (A - aluminij; M - bakar), a broj - presjek žice umm .

Tablica 2.1

Proučavanje gradiva teme završava radom s testovima br. 2 (TOE-

ETM / PM "i broj 3 (TOE - ETM / IM)

Čestice konduktora (molekule, atomi, ioni) koje nisu uključene u stvaranje struje nalaze se u toplinskom gibanju, a čestice koje tvore struju istovremeno su u toplinskom i u smjeru kretanja pod djelovanjem električnog polja. Zbog toga, između čestica koje tvore struju i čestica koje nisu uključene u njegovo nastajanje, događaju se brojni sudari pri kojima prvi daju dio energije trenutnog izvora koji ih prenosi na drugi. Što je više sudara, to je sporija brzina pravilnog kretanja čestica koje tvore struju. Kao što se vidi iz formule I = enνS, smanjenje brzine dovodi do smanjenja struje. Naziva se skalarna količina koja karakterizira svojstvo vodiča da smanjuje amperažu otpor vodiča.  Iz formule Ohmovog zakona, otpor Ohm - otpor vodiča, u kojem se struja dobiva silom 1 a  na napon na krajevima vodiča u 1 in.

Otpor vodiča ovisi o njegovoj duljini l, presjeku S i materijalu kojeg karakterizira otpornost Što je vodič duži, to su češće sudara čestica koje formiraju struju, a čestice koje ne sudjeluju u njegovom stvaranju duže su, a samim tim i veći otpor vodiča. Što je presjek vodiča manji, to je češći protok čestica koje stvaraju struju i češće se sudaraju s česticama koje ne sudjeluju u njegovom stvaranju, a samim tim i veći otpor vodiča.

Pod djelovanjem električnog polja, čestice koje formiraju struju između sudara kreću se brzo, povećavajući svoju kinetičku energiju zahvaljujući energiji polja. Kad se sudaraju s česticama koje ne tvore struju, na njih prenose dio svoje kinetičke energije. Kao rezultat toga, povećava se unutarnja energija vodiča, što se izvana očituje u njegovom zagrijavanju. Razmislite mijenja li se otpor vodiča pri zagrijavanju.

U električnom krugu nalazi se zavojnica čelične žice (niz, sl. 81, a). Zatvorimo krug, počet ćemo zagrijavati žicu. Što više zagrijavamo, to pokazuje manje amperaža. Njegovo smanjenje nastaje zbog činjenice da kada se metali zagrijavaju, njihova otpornost se povećava. Dakle, otpornost dlake žarulje kada je isključena je približno 20 ohmdok je gorio (2900 ° C) - 260 ohma, Pri zagrijavanju metala povećava se toplinsko gibanje elektrona i brzina oscilacija iona u rešetki kristala, što rezultira povećanjem broja sudara elektrona koji tvore struju s ionima. To uzrokuje povećanje otpora vodiča *. U metalima su neflorirani elektroni vrlo čvrsto vezani na ione, stoga, kada se metali zagrijavaju, broj slobodnih elektrona ostaje gotovo nepromijenjen.

* (Na temelju elektroničke teorije, nemoguće je izvući točan zakon ovisnosti otpora o temperaturi. Takav je zakon utemeljen kvantnom teorijom, u kojoj se elektron smatra česticom koja ima valna svojstva, a kretanje elektrona provodljivosti kroz metal kao proces širenja elektronskih valova, čija se duljina određuje odnosom de Broglie.)

Eksperimenti pokazuju da kada se temperatura vodiča različitih tvari promijeni za isti broj stupnjeva, njihov otpor varira nejednako. Na primjer, ako je bakarni vodič imao otpor 1 ohmzatim nakon zagrijavanja 1 ° C  on će imati otpor 1.004 ohmi volfram - 1.005 ohm Za karakterizaciju ovisnosti otpora vodiča o njegovoj temperaturi uvodi se količina koja se naziva temperaturni koeficijent otpora. Skalarna količina koja se mjeri promjenom otpora vodiča u 1 ohma, snimljenom na 0 ° C, od promjene njegove temperature za 1 ° C, naziva se temperaturnim koeficijentom otpora α, Dakle, za volfram je taj koeficijent jednak 0,005 stupnjeva -1za bakar - 0,004 stupnja -1.  Temperaturni koeficijent otpora ovisi o temperaturi. Za metale malo varira s temperaturom. S malim temperaturnim rasponom, smatra se konstantnim za ovaj materijal.

Izvodimo formulu koja izračunava otpor vodiča uzimajući u obzir njegovu temperaturu. Pretpostavimo to R 0  - otpor vodiča na 0 ° Ckada se zagrijava na 1 ° C  povećavat će se za αR 0, i pri zagrijavanju t °  - na αRt °  i postaje R = R 0 + αR 0 t °ili

Ovisnost otpornosti metala o temperaturi uzima se u obzir, primjerice, u proizvodnji spirala za električne grijače, svjetiljke: duljina spiralne žice i dopuštena amperaža izračunava se iz njihovog otpora u zagrijanom stanju. Ovisnost otpornosti metala o temperaturi koristi se u termometrima za otpornost, koji se koriste za mjerenje temperature toplinskih motora, plinskih turbina, metala u visokim pećima itd. Ovaj se termometar sastoji od tanke spiralne namota platine (nikla, željeza) na okviru izrađenog od porculana i postavljenih u zaštitnom slučaju. Njegovi su krajevi uključeni u električni krug s ampermetrom, čija je skala graduirana u stupnjevima. Kada se spirala zagrijava, struja u krugu opada, što uzrokuje pomicanje igle ampermetra, što pokazuje temperaturu.

Inverzija otpora ovog područja, naziva se lanac električni vodnik  (električna vodljivost). Provodljivost vodiča Što je veća provodljivost vodiča, niži je njegov otpor i bolji je da vodi struju. Naziv jedinice za vodljivost   Otpor vodiča 1 ohm  to se zove siemens.

S padom temperature otpornost metala opada. Ali postoje metali i legure, čiji se otpor pri malom skoku određenom za svaki metal i leguru, naglo smanjuje i postaje nestašno mali - gotovo nula (sl. 81, b). Dolazi superprovodljivost - provodnik praktički nema otpor i jednom kada struja pobuđena u njemu postoji dulje vrijeme dok je provodnik na temperaturi supravodljivosti (u jednom od pokusa struja se promatrala više od godinu dana). Kad struja prolazi kroz supravodič 1200 a / mm 2  nije primijećeno oslobađanje topline. Monovalentni metali, koji su najbolji provodnici struje, ne prelaze u supravodljivo stanje sve do ekstremno niskih temperatura na kojima su izvedeni eksperimenti. Na primjer, u tim se pokusima bakar hladi 0,0156 ° K,  zlato - do 0,0204 ° K.  Ako bi bilo moguće dobiti legure s superprevodljivošću na običnim temperaturama, to bi bilo od velike važnosti za elektrotehniku.

Prema suvremenim pojmovima, glavni uzrok superprevodljivosti je stvaranje vezanih parova elektrona. Na temperaturi superprovodljivosti između slobodnih elektrona, razmjenske sile počinju djelovati, uzrokujući da elektroni formiraju vezane parove elektrona. Takav plin elektrona iz vezanih parova elektrona ima drugačija svojstva od običnog elektronskog plina - on se kreće u supravodiču bez trenja oko mjesta rešetke.