A vezető hőmérsékletének emelkedésével nő a szabad elektronok atomokkal való ütközése. Következésképpen az elektronok irányított mozgásának átlagos sebessége csökken, ami megegyezik a vezető ellenállásának növekedésével.

Másrészt, a hőmérséklet emelkedésével nő a szabad elektronok és ionok száma a vezeték térfogatának egységére vonatkoztatva, ami a vezető ellenállásának csökkenéséhez vezet.

Az egyik vagy másik tényező túlsúlyától függően a hőmérséklet emelkedésével az ellenállás vagy növekszik (fémek), vagy csökken (szén, elektrolitok), vagy csaknem változatlan marad (fémötvözetek, például mangain).

Kismértékű hőmérsékleti változásokkal (0-100 ° C) az 1 ° C-os melegítéssel járó ellenállás relatív növekedése, amelyet a fémek többségének a hőmérsékleti ellenállási tényezőjének neveznek, a legtöbb fémen állandó marad.

Miután meghatározták a hőmérsékleti ellenállást, a rezisztencia relatív növekedésének kifejezését írhatjuk a hőmérséklet növekedésével:

A különféle anyagok hőmérsékleti ellenállási együtthatójának értékeit a 4. táblázat tartalmazza. 2-2.

A (2-18) kifejezésből ez következik

A kapott (2-20) képlet lehetővé teszi a huzal (tekercselés) hőmérsékletének meghatározását, ha az ellenállást megadott vagy ismert értékeken mérjük.

2-3. Példa Határozza meg a légvezető vezetékek ellenállását hőmérsékleten, ha a vezeték hossza 400 m, és a rézvezetékek keresztmetszete

Vonalak ellenállása hőmérsékleten

A fémek ellenállása és ezáltal a rezisztencia a hőmérséklettől függ, növekedésével növekszik. A vezető ellenállásának hőmérsékleti függése annak a ténynek köszönhető, hogy

1. a töltő hordozók szórási intenzitása (ütközések száma) növekszik a hőmérséklet növekedésével;
2. koncentrációjuk megváltozik, amikor a vezető felmelegszik.

A tapasztalatok azt mutatják, hogy nem túl magas és nem túl alacsony hőmérsékleten a vezető ellenállásának és hőmérsékleti ellenállásának függőségét a következő képletek fejezik ki:

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

ahol ρ 0 , ρ   t a vezető anyag fajlagos ellenállása, illetve 0 ° C és t   ° C; R 0 , R   t a vezető ellenállása 0 ° C-on és t   ° С α   - hőmérsékleti ellenállási együttható: SI-ben mérve Kelvinben, mínusz az első fok (K -1). Fémvezetők esetében ezek a képletek 140 K és magasabb hőmérséklettől alkalmazhatók.

Hőmérsékleti együttható   Az anyag ellenállása jellemzi a melegítési ellenállás változásának az anyag típusától való függését. Numerikusan megegyezik a vezető relatív változásával (ellenállás), amikor 1 K-ra melegítik.

   \\ (~ \\ matematikai h \\ alfa \\ matematikai i = \\ frac (1 \\ cdot \\ Delta \\ rho) (\\ rho \\ Delta T), \\)

ahol \\ (~ \\ mathcal h \\ alpha \\ mathcal i \\) a hőmérsékleti ellenállás együtthatójának átlagos értéke Δ intervallumban Τ .

Minden fémvezetőhöz α   \u003e 0 és kissé változik a hőmérséklettől függően. Tiszta fémek α   = 1/273 K -1. A fémekben a szabad töltéshordozók (elektronok) koncentrációja található n   = const és növekedés ρ   A szabad elektronok szóródási intenzitásának növekedése miatt a kristályrács ionjain jelentkezik.

Elektrolit oldatokhoz α < 0, например, для 10%-ного раствора поваренной соли α   = -0,02 K -1. Az elektrolit-ellenállás csökken a hőmérséklet növekedésével, mivel a szabad ionok számának növekedése a molekulák disszociációja miatt meghaladja az ionszóródás növekedését az oldószermolekulákkal való ütközések során.

Függőségi képletek ρ   és R Az elektrolit hőmérséklete megegyezik a fémvezetők fenti képletével. Meg kell jegyezni, hogy ez a lineáris kapcsolat csak kis hőmérsékleti tartományban fennmarad, amelyben α   = const. A hőmérsékleti ingadozások nagy intervallumai esetén az elektrolitok hőmérsékleti ellenállásának függősége nemlineáris lesz.

Grafikusan a fémvezetők és elektrolitok hőmérsékleti ellenállásának függőségét az 1., a., B. Ábrán mutatjuk be.

Nagyon alacsony hőmérsékleteken, közel az abszolút nullához (-273 ° C), sok fémek ellenállása hirtelen nullára esik. Ezt a jelenséget hívják szupravezetés. A fém belép a szupravezető állapotba.

A fémek hőmérsékleti ellenállásának függőségét használják az ellenállásmérőkben. Általában platinahuzalt vesznek fel egy ilyen hőmérő hőmérő testének, ennek ellenállóképességének hőmérsékleti függőségét elegendő mértékben megvizsgálták.

A hőmérséklet változását a huzal ellenállásának megváltozása alapján lehet megítélni, amelyet meg lehet mérni. Az ilyen hőmérők nagyon alacsony és nagyon magas hőmérsékletet is mérhetnek, ha a hagyományos folyékony hőmérők nem megfelelőek.

irodalom

Aksenovich L. A. Fizika a középiskolában: Elmélet. Megbízásokat. Tesztek: Tankönyv. támogatás az obsch-et nyújtó intézmények számára. környezet, oktatás / Aksenovich L. A., N. N. Rakina, Farino K. S.; Ed. Farino K. S.. - Minszk: Adukatsyya i Vyhvanna, 2004. - C. 256-257.

Egy ideális kristályban az elektronok átlagos szabad útja végtelen, az elektromos áram ellenállása pedig nulla. Ezt megerősíti az a tény, hogy a tiszta lágyított fémek ellenállása nullára csökken, amikor a hőmérséklet megközelíti az abszolút nullát. Az elektron azon tulajdonsága, hogy szabadon mozogjon egy ideális kristályrácsban, nincs analógja a klasszikus mechanikában. A szóródás, ami az ellenállás megjelenéséhez vezet, akkor fordul elő, amikor a rácsban szerkezeti hibák vannak.

Ismert, hogy a hullámok tényleges szétszórása akkor fordul elő, amikor a szórásközpontok (hibák) mérete meghaladja a hullámhossz egynegyedét. A fémekben a vezetőképes elektronok energiája 3–15 eV. Ez az energia 3 - 7 hullámhossznak felel meg. Ezért a szerkezet bármilyen mikroinhomogenitása megakadályozza az elektronikus hullámok terjedését, ami az anyag ellenállásának növekedését okozza.

A tökéletes felépítésű, tiszta fémekben az elektronok közti szabad út korlátozásának egyetlen oka a rácsok helyén lévő atomok termikus oszcillációja. A fém hőhatással járó elektromos ellenállását ρ meleg jelöli. Magától értetődik, hogy a hőmérséklet növekedésével az atomok termikus rezgéseinek amplitúdója és a periódusos rácstér fluktuációi növekednek. És ez viszont fokozza az elektronok szétszóródását és növeli az ellenállást. Annak érdekében, hogy minőségileg meghatározzuk az ellenállás hőmérsékleti függőségét, a következő egyszerűsített modellt használjuk. A szórás intenzitása egyenesen arányos egy gömb alakú térfogat keresztmetszetével, amelyet egy oszcilláló atom foglal el, és a keresztmetszeti terület arányos a termikus rezgések amplitúdójának négyzetével.

Az atom potenciális energiáját, amelyet az ∆A  eltér a rácshelytől, a kifejezés határozza meg

, (9)

ahol kpr a rugalmas kapcsolási együttható, amely hajlamos az atom visszatérésére egyensúlyi helyzetbe.

A klasszikus statisztikák szerint az egydimenziós harmonikus oszcillátor (oszcilláló atom) átlagos energiája kT.

Ennek alapján a következő egyenlőséget írjuk le:

Könnyű bebizonyítani, hogy az N atomok elektronközép nélküli szabad útja fordítottan arányos a hőmérséklettel:

(10)

Meg kell jegyezni, hogy az így kapott arány alacsony hőmérsékleten nem teljesül. A helyzet az, hogy a hőmérséklet csökkenésével nem csak az atomok termikus rezgéseinek amplitúdója, hanem az oszcillációk frekvenciái is csökkenhetnek. Ezért az alacsony hőmérsékleti tartományban az elektronok szétszórása a rácshelyek termikus rezgéseivel hatástalanná válik. Az elektron és az oszcilláló atom kölcsönhatása csak kis mértékben változtatja meg az elektron lendületét. Az atomok rácsos oszcillációinak elméletében a hőmérsékletet becsüljük meg egy jellegzetes hőmérséklet függvényében, amelyet Debye-hőmérsékletnek nevezünk ΘD-nek. A vörös színhőmérséklet meghatározza a kristályokban gerjeszthető termikus rezgések maximális gyakoriságát:

Ez a hőmérséklet a rácshelyek közötti kötési erőktől függ, és a szilárd anyag fontos paramétere.

Amikor T   D   a fémek ellenállása lineárisan változik a hőmérséklettől függően (6. ábra, III. szakasz).

Amint a kísérlet azt mutatja, a т (T) hőmérsékleti függőség lineáris közelítése szintén érvényes (2/3) nagyságrendű hőmérsékletekig. Dahol a hiba nem haladja meg a 10% -ot. A legtöbb fémen a Debye karakterisztikus hőmérséklete nem haladja meg a 400–450 K értéket. Ezért a lineáris közelítés általában szobahőmérséklettől és annál magasabb hőmérsékleten érvényes. Az alacsony hőmérsékleti tartományban (T D), ahol a fajlagos ellenállás csökkenését a termikus rezgések (fononok) minden új és új frekvenciájának fokozatos megszüntetése okozza, az elmélet  t 5 teljesítményfüggést jósol. A fizikában ezt a kapcsolatot Bloch-Gruneisen törvénynek nevezik. Az a hőmérsékleti intervallum, amelyben éles teljesítményfüggőség van  t (T), általában meglehetősen kicsi, az exponens kísérleti értékei 4 és 6 közé esnek.

Egy keskeny I. régióban, amely több Kelvin, számos fémen szupravezető állapotban lehet (lásd alább), és az ábra az ellenállás ugrását mutatja T St. hőmérsékleten. A tökéletes szerkezetű, tiszta fémekben, amikor a hőmérséklet OK-ra esik, az ellenállás szintén 0-ra van hajlandó (szaggatott görbe), és az átlagos szabad út végtelenségig rohan. Még normál hőmérsékleten is, a fémekben az elektronok átlagos szabad útja százszor hosszabb, mint az atomok közötti távolság (2. táblázat).

6. ábra - A fémvezető ellenállásának függése a hőmérséklettől széles hőmérsékleti tartományban: a, b, c - különféle olvadt fémek ellenállásának megváltoztatásának lehetőségei

2. táblázat - Az átlagos elektronok átlagos szabad útja 0 ° C-on számos fémen

A II. Átmeneti régióban a ρ (T) ellenállás gyors növekedése következik be, ahol n értéke 5 lehet, és fokozatosan csökkenhet, ha a hőmérsékletet  1-re változtatja T = D.

Az metals (T) hőmérsékleti függőségének lineáris régiója (III. Régió) a legtöbb fémen az olvadásponthoz közeli hőmérsékletig terjed. Ez alól a kivétel a ferromágneses fémek, amelyekben az elektronok további szétszóródása zajlik a centrifugálási rend zavarainál. Olvadáspont közelében, azaz a IV. régióban, amelynek kezdete a 6. ábrán látható Tnl hőmérsékleten, és a normál fémekben némi eltérés megfigyelhető a lineáris függéstől.

A szilárd és folyékony állapotba való átmenet során a legtöbb fém körülbelül 1,5–2-szeresére növekszik az ellenállás, bár vannak szokatlan esetek: olyan komplex kristályszerkezetű anyagok esetében, mint a bizmut és a gallium, az olvadáshoz a

A kísérlet a következő mintát deríti fel: ha a fém megolvadásával együtt térfogatnövekedés következik be, akkor az ellenállás hirtelen megnő; az ellenkező térfogatváltozással rendelkező fémek esetén a ρ csökkenése következik be.

Az olvadás során nincs jelentős változás a szabad elektronok számában vagy kölcsönhatásuk jellegében. A rendellenesség folyamata, az atomok elrendezésének további rendjének megsértése döntő hatással van a ρ változására. Egyes fémek viselkedésében megfigyelt rendellenességek (Ga, Bi) azzal magyarázhatók, hogy ezen anyagok megolvadása során megnövekszik a összenyomhatósági modulus, amelyet az atomok termikus rezgéseinek amplitúdójának csökkenése kíséri.

Az ellenállás relatív változását egy kelvin (fok) hőmérséklet-változással együtt az ellenállási hőmérsékleti együtthatónak nevezzük:

(11)

Az α ρ pozitív jele annak az esetnek felel meg, amikor az ellenállás ezen pont közelében a hőmérséklet emelkedésével növekszik. Az α ρ értéke a hőmérséklet függvénye is. A ρ (T) lineáris függőség területén a következő kifejezés igaz:

ahol ρ 0 és α ρ a fajlagos ellenállás fajlagos ellenállása és hőmérsékleti együtthatója, a hőmérsékleti tartomány kezdetére utalva, azaz hőmérséklet T0; ρ-fajlagos ellenállás T hőmérsékleten

Az ellenállás hőmérsékleti együtthatói és az ellenállás közötti kapcsolat a következő:

(13)

ahol α 0 egy adott ellenállás hőmérsékleti ellenállási együtthatója; α 1 - az ellenálló elem anyagának hőmérsékleti tágulási koefficiense.

A tiszta fémek esetében α ρ \u003e\u003e α 1, ezért α ρ≈ α R-vel rendelkeznek. A hőstabil fémötvözetek esetében azonban ez a közelítés tisztességtelennek bizonyul.

3 A szennyeződések és más szerkezeti hibák hatása a fémek ellenálló képességére.

Mint már megjegyeztük, az elektronhullámok szétszóródásának okai a fémben nemcsak a rácshelyek termikus rezgései, hanem a statikus szerkezeti hibák is, amelyek szintén megsértik a kristály potenciális mezőjének periodikusságát. A szerkezet statikus hibáira való szóródás nem függ a hőmérséklettől. Ezért, amikor a hőmérséklet megközelíti az abszolút nullát, a valódi fémek ellenállása valamilyen állandó értékre változik, úgynevezett maradék ellenállásra (6. ábra). Ez magában foglalja az ellenállás additív Mattissen-szabályát:

, (14)

azaz A fém teljes ellenállása az elektronok szétszóródása által a kristályrács helyek termikus rezgései miatt fellépő ellenállás és az elektronok statikus szerkezeti hibák általi szétszórása által okozott rezisztencia összege.

Ez alól a kivétel a szupravezető fémek, amelyekben az ellenállás egy bizonyos kritikus hőmérséklet alatt eltűnik.

A maradék ellenálláshoz a legjelentősebb hozzájárulást a szennyeződések szétszórása adja, amelyek mindig jelen vannak egy igazi vezetőben, szennyezés vagy ötvöző (azaz szándékosan bevezetett) elem formájában. Meg kell jegyezni, hogy bármely szennyezőanyag-adalékanyag an növekedéshez vezet, még akkor is, ha magasabb vezetőképességgel rendelkezik a nem nemesfémekhez képest. Így egy bevezetés a 0,01 rézvezetőhöz a. Az ezüst-szennyeződés aránya a réz ellenállásának 0,002 µm-rel növekedését okozza. Kísérletileg megállapítottuk, hogy alacsony szennyezőanyag-tartalommal az ellenállás növekszik a szennyező atomok koncentrációjával arányosan.

A Mattissen-szabály szemléltetése a 7. ábrán látható, amelyből kiderül, hogy a tiszta réz és ötvözeteinek fajlagos ellenállásának hőmérsékleti függései kis mennyiségű (legfeljebb kb. 4% -ig) indium, antimon, ón, arzén egymással párhuzamosak.

7. ábra - A szilárd oldatok rézötvözetének hőmérsékletfüggései, amelyek szemléltetik a Matissen-szabályt: 1 - tiszta Cu;

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

Különböző szennyeződések különböző módon befolyásolják a fémvezetők maradék ellenállását. A szennyeződés-szétszórás hatékonyságát a rács zavaró potenciálja határozza meg, amelynek értéke annál nagyobb, annál erősebben különböznek a szennyező atomok vegyértékei és a fém-oldószer (bázis).

Monovalens fémek esetén a maradék ellenállás 1% -os szennyeződésnél történő változása (az elektromos ellenállás „szennyeződésének” együtthatója) a Linde-szabálynak felel meg:

, (15)

ahol a és b állandóak, a fém természetétől és attól az időtartamtól függően, amikor egy szennyező atom elfog az Periódusos rendszerben;  Z   - a fém - az oldószer és a szennyező atom vegyületei közötti különbség.

A 15. képletből következik, hogy a metalloid szennyeződéseknek a vezetőképesség csökkenésére gyakorolt ​​hatása erősebb, mint a fém elemek szennyeződéseinek.

A szennyeződéseken kívül a fennmaradó ellenálláshoz bizonyos mértékben hozzájárulnak a saját szerkezeti hibái - üresedések, intersticiális atomok, diszlokációk, szemcsehatárok. A ponthibák koncentrációja exponenciálisan növekszik a hőmérséklettel, és az olvadáspont közelében magas értékeket érhet el. Ezen felül, az üres anyag és az intersticiális atomok könnyen előfordulhatnak az anyagban, amikor nagy energiájú részecskékkel, például neutronokkal a reaktorból vagy a gyorsítóból származó ionokkal besugározzák. A mért ellenállási érték felhasználható a rácsos sugárzás károsodásának mértékének megítélésére. Ugyanígy nyomon követhető a besugárzott minta visszanyerése (lágyítása).

A réz maradék ellenállásának 1% -os változása. A ponthibák a következők: üres helyek esetén 0,010 - 0,015 μOhm Ω; intersticiális atomok esetén 0,005-0,010 μOhm  Ω.

A maradék ellenállás a kémiai tisztaság és a fémek szerkezeti tökéletességének nagyon érzékeny tulajdonsága. A gyakorlatban, amikor nagy tisztaságú fémekkel dolgozik a szennyeződések tartalmának meghatározására, megmérik a szobahőmérsékleten és a folyékony hélium hőmérsékleten a fajlagos ellenállás arányát:

Minél tisztább a fém, annál nagyobb az értéke. A legtisztább fémekben (a tisztaság 99,9999%) az  paraméter nagysága 10 5.

A stresszállapot által okozott torzulások nagy hatással vannak a fémek és ötvözetek ellenállására. Ennek a befolyásnak a mértékét azonban a feszültségek jellege határozza meg. Például, ha a legtöbb fémet sokoldalú nyomással alkalmazzák, akkor a ellenállás csökken. Ennek oka az atomok megközelítése és a rács termikus rezgéseinek amplitúdójának csökkenése.

A plasztikus deformáció és a munkakeményedés mindig növeli a fémek és ötvözetek ellenállását. Ez a növekedés még a tiszta fémek jelentős megkeményedése esetén is néhány százalékot jelent.

A hőkeményedés  növekedéséhez vezet, amelyet a rács torzulások, a belső feszültségek megjelenése okoz. Hőkezeléssel történő átkristályosítás (lágyítás) során az ellenállás csökkenthető a kezdeti értékre, mivel a hibák meggyógyultak és a belső feszültségek megszűnnek.

A szilárd oldatok sajátossága az, hogy a mag lényegesen (sokszor) meghaladhatja a termikus komponenst.

Sok kétkomponensű ötvözet esetében az  OST összetételtől függő változását jól leírja a típus parabolikus függősége

ahol C állandó, az ötvözet természetétől függően; az ötvözet alkotóelemeinek x a és x atomfrakciói.

A 16. értéket Nordheim törvényének hívják. Ebből következik, hogy az A - B bináris szilárd oldatokban a maradék ellenállás növekszik, amikor a B atomokat hozzáadják az A fémhez (szilárd oldat ), és amikor az A atomokat a B fémhez adják (szilárd oldat причем), és ezt a változást szimmetrikus görbe jellemzi . A szilárd oldatok folyamatos sorozatában az ellenállás nagyobb, annál nagyobb az összetétele az ötvözet a tiszta komponensektől. A maradék ellenállás az összetevők egyenlő tartalmával (x a = x в = 0,5) eléri a maximális értéket.

A Nordheim-törvény meglehetősen pontosan leírja a folyamatos szilárd oldatok ellenállásának változását, ha összetételváltozással nem figyelnek meg fázisátmeneteket, és egyikük sem tartozik az átmeneti vagy a ritkaföldfémek számához. Az ilyen rendszerekre példa lehet Au-Ag, Cu-Ag, Cu-Au, W-Mo ötvözetek.

A szilárd oldatok, amelyek alkotóelemei átmeneti fémek (8. ábra), kissé eltérően viselkednek. Ebben az esetben az alkotóelemek magas koncentrációjánál lényegesen nagy maradék ellenállás figyelhető meg, amely a valencia elektronok egy részének átmenetével jár az átmeneti fém atomok belső töltés nélküli d - héjaira. Ezen felül az ilyen ötvözetekben a  maximum gyakran 50% -on kívüli koncentrációknak felel meg.

8. ábra - A réz-nikkel ötvözetek fajlagos ellenállása (1) és a fajlagos ellenállás hőmérsékleti koefficiense (2) függése az alkotóelemek százalékáról

Minél nagyobb az ötvözet ellenállása, annál kisebb az α ρ. Ez abból a tényből következik, hogy szilárd oldatokban a „cond” általában lényegesen meghaladja a  t értéket, és nem függ a hőmérséklettől. A hőmérsékleti együttható meghatározásával összhangban

(17)

Tekintettel arra, hogy a tiszta fémek α ρ kissé különbözik egymástól, a 17. kifejezés könnyen konvertálható a következő formába:

(18)

Koncentrált szilárd oldatokban a barlang általában nagyságrenddel meghaladja vagy több mint ρ t, ezért az α ρ cfl jelentősen alacsonyabb lehet, mint a tiszta fém α ρ. Ezen alapul a hőstabil vezető anyagok gyártása. Sok esetben az ötvözetek ellenállásának hőmérsékleti függése bonyolultabbnak bizonyul, mint az egyszerű adalékanyag-minta. Az ötvözetek ellenállásának hőmérsékleti együtthatója lényegesen kisebb lehet, mint a várható 18 arány. A megfigyelt rendellenességek egyértelműen megmutatkoznak a réz-nikkel ötvözetekben (8. ábra). Néhány ötvözetben, a komponensek bizonyos arányánál negatív α ρ figyelhető meg (állandóban).

Az ρ és α ρ ilyen változása az ötvözött komponensek százalékos arányában nyilvánvalóan azzal magyarázható, hogy a tiszta fémekhez képest bonyolultabb összetételű és szerkezetű ötvözetek nem tekinthetők klasszikus fémeknek. Vezetőképességük megváltozását nemcsak a szabad elektronok szabad útjának megváltozása okozza, hanem bizonyos esetekben a töltő hordozók koncentrációjának részleges növekedése, a hőmérséklet növekedésével. Az ötvözet, amelyben az átlagos szabad út csökkenését a növekvő hőmérséklettel kompenzálja a töltő hordozók koncentrációjának növekedése, nulla hőmérsékleti ellenállási együtthatóval rendelkezik.

Híg oldatban, amikor az egyik összetevő (például a B komponens) nagyon alacsony koncentrációval jellemezhető, és adalékanyagnak tekinthető, a 16. képletben a pontosság feláldozása nélkül megadhatja az (1-x в) 1-et. Ezután egy lineáris kapcsolatot kapunk a maradék ellenállás és a szennyező atomok koncentrációja között a fémben:

,

ahol a C állandó jellemzi a maradék ellenállás change OST változását 1% -os szennyeződésnél.

Egyes ötvözetek hajlamosak rendezett struktúrákat képezni, ha a készítményben bizonyos arányokat megtartanak gyártásuk során. A megrendelés oka a heterogén atomok erősebb kémiai kölcsönhatása az azonos típusú atomokkal összehasonlítva. A szerkezet rendezése egy meghatározott T cr hőmérsékleten, úgynevezett kritikus hőmérsékleten (vagy Kurnakov hőmérsékleten) történik. Például ötvözet, amely 50 ° C-on van. % Cu és 50 at. A% Zn ( - sárgaréz) test-központú köbös felépítésű. T  360 ° C-on a réz- és cink-atomok véletlenszerűen és statisztikailag eloszlanak a rácshelyek között.

A szilárd anyagok elektromos ellenállásának oka nem a szabad elektronok és a rácsatomok ütközése, hanem azok szétszóródása a transzlációs szimmetria megsértéséért felelős szerkezeti hibákon. Szilárd oldat megrendelésekor a rács atomkompozíciójának elektrosztatikus mezőjének periodikussága helyreáll, ezáltal megnövekszik az elektronközép szabad útja, és a kiegészítő ellenállás szinte teljesen eltűnik az ötvözet mikroheterogenitása általi szétszórás miatt.

4 A fémrétegek vastagságának hatása a fajlagos felületi ellenállásra és annak hőmérsékleti együtthatójára

Az integrált áramkörök gyártásakor fémfóliákat használnak elemek közötti összeköttetésekhez, érintkező betétekhez, kondenzátorlemezekhez, induktív, mágneses és ellenállású elemekhez.

A filmek szerkezete a kondenzáció körülményeitől függően változhat amorf kondenzátumtól epitaxiális filmig - tökéletes egykristályos réteg szerkezete. Ezenkívül a fémfóliák tulajdonságai a mérethatásokhoz kapcsolódnak. Tehát az elektromos vezetőképességük jelentős, ha a fólia vastagsága összehasonlítható l.

A 9. ábra a vékony rétegek ρ s felületi ellenállásának és α ρ s hőmérsékleti együtthatójának tipikus függőségét mutatja a film vastagságán. Mivel a szerkezeti (l hosszúság, b szélesség, h vastagságú h) és a technológiai kapcsolat összekapcsolódott

() a vékonyréteg-ellenállás (TPR) paramétereit az egyenlet határozza meg:

,

ahol ρ s = ρ / h a négyzet ellenállás (vagy fajlagos felületi ellenállás), akkor a hagyományos jelölést vesszük ρ s helyett,  ρ helyett  ρ s helyett.

9. ábra - h és  változás jellege a h filmvastagságtól függően

A fémfilmek növekedését négy szakasz kíséri:

I - fémszigetek képződése és növekedése (a töltés-átvitelért felelős mechanizmusok, - a Fermi szint felett elhelyezkedő elektronok hőionos kibocsátása és alagútja.) A hordozó azon területeinek felületi ellenállása, ahol nincs fémréteg, a hőmérséklet emelkedésével csökken, ami negatív   kis vastagságú filmeket okoz );

II - a szigetek érzékenysége egymás között (az y  sign jel megváltozásának pillanatától függ a fém típusa, a filmképződés feltételei, a szennyeződés koncentrációja, a hordozó felületének állapota);

III - vezetőképes háló kialakulása, amikor a szigetek közötti rések mérete és száma csökken;

IV - folyamatos vezető film kialakítása, amikor a vezetőképesség és   megközelíti a hatalmas vezetők értékét, de a film fajlagos ellenállása nagyobb, mint az ömlesztett mintán, mivel a hibák nagy koncentrációban vannak, a szennyeződések a filmbe csapódnak a lerakódás során. Ezért a szemcsék határán oxidálódott filmek elektromosan nem szakaszosak, bár fizikailag szilárdak. Hozzájárul az growth növekedéséhez és a mérethatáshoz, az elektron átlagú szabad útjának csökkenése miatt, amikor a minta felületéről visszatükröződik.

A vékonyrétegű ellenállások gyártásában három anyagcsoportot használnak: fémek, fémötvözetek, cermetek.

5 A szupravezető képesség fizikai jellege

A szupravezető képesség kvantumelmélettel magyarázható, amikor egy fém elektronjai egymáshoz vonzódnak. A vonzás olyan pozitív töltésű ionokat tartalmazó közegben lehetséges, amelynek mezője gyengíti az elektronok közötti Coulomb visszatérő erőket. Csak azok az elektronok, amelyek részt vesznek az elektromos vezetőképességben, azaz a Fermi szint közelében található. Ellentétes spinnel rendelkező elektronok párokban vannak kötve, úgynevezett Cooper.

A Cooper párok kialakulásában döntő szerepet játszik az elektronok kölcsönhatása a hőrács rezgésekkel - fononokkal, amelyeket mind képes elnyelni és generálni. Az egyik elektron kölcsönhatásba lép a ráccsal - gerjeszti és megváltoztatja a lendületét; a másik elektron, kölcsönhatásba lép, normál állapotba fordítja, és megváltoztatja a lendületét. Ennek eredményeként a rács állapota nem változik, és az elektronok a hőenergia - fononok kvantáit cserélik. A cserélő fonon kölcsönhatás az elektronok vonzóerőit okozza, amelyek meghaladják a Coulomb visszatérését. A fononcsere folyamatosan zajlik.

A rácson áthaladó elektron polarizálja, azaz magához vonzza a legközelebbi ionokat; a pozitív töltés sűrűsége az elektronpálya közelében növekszik. A második elektronot egy olyan régió vonzza, ahol túl sok pozitív töltés van, ennek eredményeként az elektronok rácsos kölcsönhatása miatt vonzó erők (Cooper-pár) lépnek fel. Ezek a páros formációk átfedik egymást a térben, lebomlanak és újra létrejönnek, és elektronkondenzátumot képeznek, amelynek a belső kölcsönhatás következtében az energia kevesebb, mint a leválasztott elektronok aggregátumánál. Az energiarés megjelenik a szupravezető energia spektrumában - a tiltott energiaállapotok régiójában.

A párosított elektronok az energiarés alján helyezkednek el. Az energiarés mérete a hőmérséklettől függ, abszolút nullán eléri a maximumot, és T st.-Nél teljesen eltűnik. A legtöbb szupravezetőnél az energiarés 10 -4 - 10 -3 eV.

Az elektronszórás a termikus rezgéseken és a szennyeződéseken fordul elő, de ezekkel

az elektronok talajállapotból gerjesztett állapotba való átmenetéhez energiarés jelenléte megköveteli a hőenergia megfelelő részét, amely alacsony hőmérsékleten hiányzik, ezért a párosított elektronok nem vannak szétszórva szerkezeti hibákra. A Cooper-párok egyik jellemzője, hogy nem változtathatják meg állapotát egymástól függetlenül, az elektronhullámok azonos hosszúságú és fázisúak, azaz egyetlen hullámnak tekinthetők, amely körülveszi a szerkezet hibáit. Abszolút nullánál az összes elektron párban van, növekedéssel, néhány párt törve és a rés szélessége csökken, T St St-nél az összes pár megsemmisül, a rés szélessége eltűnik és a szupravezető képesség megszakad.

A szupravezető állapotba való átmenet nagyon szűk hőmérsékleti tartományban zajlik, a szerkezet heterogenitása okozza a tartomány kiterjesztését.

A szupravezetők legfontosabb tulajdonsága - a mágneses mező nem hatol be az anyag vastagságába, az erővonalak a szupravezető körül megyek át (Meissner-effektus) - annak a ténynek köszönhetően, hogy a szupravezető mágneses mezőjében kör alakú tompa áram keletkezik, amely teljes mértékben kompenzálja a mintán belüli külső mezőt. A mágneses mező behatolási mélysége 10 -7 - 10 -8 m - a szupravezető ideális diamagnetikus; kiürül a mágneses mezőből (állandó mágnes készülhet egy szupravezető anyag gyűrűje fölé lógáshoz, amelyben a mágnes által indukált nem bomló áramok cirkulálnak).

A szupravezető képesség állapota megsértődik, ha a mágneses mező erőssége nagyobb, mint H st. Az anyagnak a szupravezető állapotból a szokásos elektromos vezetőképességbe való átmenetének jellege alapján, mágneses mező hatására megkülönböztetjük az első és a második típusú szupravezetőket. Az első típusú szupravezetőknél ez az átmenet hirtelen megtörténik, a szupravezetők esetében az átmeneti folyamat fokozatos a H cj1 tartományban -

H cor2. Az időközönként az anyag heterogén állapotban van, amelyben a normál és a szupravezető fázis párhuzamosan létezik, a mágneses mező fokozatosan behatol a szupravezetőbe, nulla ellenállást tart fenn a felső kritikus intenzitásig.

A kritikus intenzitás az 1. típusú szupravezetők hőmérsékletétől függ:

A 2. típusú szupravezetőknél a köztes állapot tartomány a hőmérséklet csökkenésével bővül.

A szupravezető képesség megszakítható a szupravezetőn áthaladó áram által, ha meghaladja az I St = 2πHH St (T) kritikus értéket - az 1. típusú szupravezetőknél (a 2. típus összetettebb).

26 fémen van szupravezető képesség (főleg az első típusú, 4,2K alatti kritikus hőmérsékleten), 13 elem szupravezető képességet mutat magas nyomáson (szilícium, germánium, tellúr, antimon). Ne rendelkezzen réz, arany, ezüsttel: az alacsony ellenállás azt jelzi, hogy az elektronok gyenge kölcsönhatásban vannak a kristályráccsal, valamint a ferro- és antiferromagnetekben; a félvezetők nagy mennyiségű adalékanyag hozzáadásával fordulnak elő; nagy dielektromos állandóval rendelkező dielektrikumokban (ferroelektrikumok) az elektronok közötti coulomb-taszító erők jelentősen gyengülnek, és fel tudják mutatni a szupravezető tulajdonságot. Az intermetallikus vegyületek és az ötvözetek a 2. típusú szupravezetők közé tartoznak, ez a megosztás azonban nem abszolút (az 1. típusú szupravezetőt 2. típusú szupravezetővé lehet alakítani, ha elegendő rácshibák koncentrációt hoz létre benne. A szupravezető vezetők gyártása a technológiai nehézségek (törékenységük, alacsony hővezető képességük), szupravezető kompozíciót hoznak létre rézvel (bronz módszer vagy szilárd fázisú diffúziós módszer - sajtolás és húzás); pozícióban vékony nióbium szálak egy mátrixban ón bronz, melegítés ónbronz bediffundál a Nb alkotnak egy szupravezető film stanida nióbium).

Tesztkérdések

1 Milyen paraméterek függenek a fémek elektromos vezetőképességétől.

2 Milyen statisztikák írják le az elektronok energiaeloszlását a fémek vezetőképességének kvantumelméletében.

3 Mi határozza meg a fémekben a Fermi-energiát (Fermi-szintet) és miben függ.

4 Mi a fém elektrokémiai potenciálja?

5 Mi határozza meg az elektronok szabad útját a fémben.

6 Ötvözetek képzése. Hogyan működik a fémek ellenálló képességének megléte?

7 Magyarázza el a vezetők ellenállásának hőmérsékleti függését.

8 NSKurnakova ρ és TKS minták szilárd oldatok és mechanikus keverékek típusú ötvözetekben.

9 Alkalmazás az elektromos ellenállás különböző értékeivel rendelkező vezetőképes anyagok technikájában. Anyagokra vonatkozó követelmények az alkalmazástól függően.

10 A szupravezetõség jelensége. Szuper- és krio-vezetők hatókörei

6 2. laboratóriumi munka. A vezető ötvözetek tulajdonságainak vizsgálata

Cél: tanulmányozni a kétkomponensű ötvözetek elektromos tulajdonságainak változási mintáit, összetételüktől függően.

A laboratóriumi munka első részében két különböző fázisú összetételű ötvözet csoportját vesszük figyelembe.

Az első csoportba olyan ötvözetek tartoznak, amelyeknek A és B komponensei határtalanul feloldódnak egymásban, fokozatosan helyettesítve egymást a rácshelyekben, és folyamatos szilárd oldatok sorozatát képezik az ötvözet tiszta alkotóelemeiről a másikra. Bármilyen ilyen típusú ötvözet szilárd állapotban egyfázisú, ugyanabból a szilárd oldatból és ugyanazon összetételből áll. A szilárd oldatötvözetekre példa a réz-nikkel, a Cu-Ni, a germánium-szilícium, a Ge-Si és más. A második csoportba azok az ötvözetek tartoznak, amelyek alkotóelemei gyakorlatilag nem oldódnak egymásban, mindegyik komponens saját szemcséket alkot. A szilárdtest ötvözete kétfázisú; ezeket az ötvözeteket mechanikai keverékeknek nevezzük. Példák az ötvözetekre a mechanikus keverékek típusai között a Cu-Ag réz-ezüst rendszerek, Sn-Pb ón-ólom rendszerek stb.

A mechanikus keverékek típusú ötvözetek képzése során (10. ábra, a) a tulajdonságok lineárisan (additív módon) változnak, és a tiszta komponensek tulajdonságainak értékei közötti átlag. A szilárd oldatok típusú ötvözetek képzésekor (10. ábra, b) a tulajdonságok görbékben változnak, a maximális és a minimális értékkel.

10. ábra - N. S. Kurnakov mintái. Az ötvözetek fázisösszetétele és tulajdonságai közötti kapcsolat

A fémek és ötvözetek fő elektromos tulajdonságai a következők: elektromos ellenállás ρ, µohm; TKS ellenállási hőmérsékleti együttható, fok -1.

A véges hosszúságú vezető ellenállása l és S keresztmetszete egy ismert függőség által kifejezve

(19)

A vezető anyagok ellenállása kicsi és 0,016-10 μOm.m tartományba esik.

A különféle fémvezetők elektromos ellenállása elsősorban az λ elektronok átlagos szabad útjától függ egy adott vezetőn:

ahol µ = 1 / λ az elektronszórási együttható.

A fémekben és ötvözetekben az elektródok irányított mozgásának szóródási tényezői a rácshelyekben elhelyezkedő pozitív ionok. A legszokásosabb, torzítás nélküli kristályrácsos tiszta fémekben, ahol a pozitív ionok rendszeresen vannak elrendezve az űrben, az elektronok szétszóródása kicsi, és elsősorban a rácshelyek ionja oszcillációjának amplitúdója határozza meg; a tiszta fémek esetében ρ≈ A · μ meleg. ahol µ meleg - elektronszórási együttható a rács hőhatásán. Ezt az elektronszórási mechanizmust fononszórásnak nevezik a rácsos termikus rezgéseknél.

A T hőmérséklet növekedésével nő a pozitív ionok rezgési amplitúdója a rácsos helyeken, növekszik a mező hatására irányba mozgó elektronok szétszóródása, csökken az átlagos szabad út λ, és az ellenállás növekszik.

Az anyag ellenállás növekedését becslő érték, amikor a hőmérséklet egy fokkal megváltozik, a TCS elektromos ellenállásának hőmérsékleti együtthatója:

(20)

ahol R 1 - a minta ellenállása T 1 hőmérsékleten; R 2 - ugyanazon minta ellenállása, T 2 hőmérsékleten mérve.

Az ötvözetek két rendszerét tanulmányozzuk: a Cu-Ni rendszert, ahol az ötvözetek alkotóelemei (réz és nikkel) kielégítik a korlátlan oldhatóság feltételeit egymásban szilárd állapotban, tehát a rendszerben a kristályosodás befejezése után bármely ötvözet egyfázisú szilárd oldat lesz (10. ábra, a), és a Cu-Ag rendszer, amelynek alkotórészei (réz és ezüst) nem felelnek meg a korlátlan oldhatóság feltételeinek, oldhatóságuk magas hőmérsékleten is kicsi (nem haladja meg a 10% -ot), és 300 0 C alatti hőmérsékleten olyan kicsi, hogy figyelembe vehető s, ez hiányzik, és valamilyen ötvözet áll mechanikus keverékét, a réz és az ezüst szemcsék (ábra 10b).

Vegye figyelembe a ρ görbe végét szilárd oldatok esetén. Amikor hozzáadjuk az ötvözet másik alkotóeleme tiszta alkotóelemeit, megfigyelhető az azonos minőségű pozitív ionok szigorú elrendezésének egyenletessége, amelyet a tiszta fémekben a rácshelyeknél megfigyelnek. Következésképpen az ötvözetben, mint szilárd oldatban az elektronok szétszóródása mindig nagyobb, mint bármelyik tiszta komponensben, a tiszta komponensek kristályrácsának torzulása vagy, amint mondják, a kristályrács javulása miatt, mivel az egyes bevezetett atomok eltérő típusúak a tiszta komponenshez képest pont hiba.

Ebből kiderül, hogy a szilárd oldat típusú ötvözetekhez még egy típusú elektronszórást adnak - pontszerű hibák és az elektromos ellenállás általi szétszórást.

(21)

Mivel szokásos, hogy ρ összes értékét becsüljük T = 20 0 С-nál, az ötvözetek, például a szilárd oldatok meghatározó tényezője a ponthibák szétszóródása. A kristályrács helyességének legnagyobb megsértését az alkotóelemek ötven százalékos koncentrációjának tartományában észleljük, ρ görbe a legnagyobb érték ebben a régióban. A 20. relációból látható, hogy a TKS ellenállás hőmérsékleti együtthatója fordítottan arányos az R ellenállással, és ezért a ρ fajlagos ellenállás; a TKS-görbe minimuma a komponensek ötven százalékarányának tartományában.

A laboratóriumi munka második részében a nagy fajlagos ellenállású ötvözeteket vesszük figyelembe. Ilyen anyagok olyan ötvözetek, amelyek normál körülmények között legalább 0,3 µOhm · m fajlagos elektromos ellenállással rendelkeznek. Ezeket az anyagokat széles körben használják különféle elektromos mérő- és elektromos fűtőberendezések, példaként szolgáló ellenállások, ellenállások stb. Gyártására.

Az ötvözeteket rendszerint olyan elektromos mérőműszerek, modell-ellenállások és reostatok előállítására használják, amelyeket megkülönböztetnek a fajlagos ellenállás időbeli stabilitása és az alacsony hőmérsékleti ellenállási együttható. Ezek az anyagok magukban foglalják a manganint, a konstanst és a nikromot.

A manganin egy réz-nikkel ötvözet, amely átlagosan 2,5 ... 3,5% nikkelt tartalmaz (kobalt), 11,5 ... 13,5% mangánt, 85,0 ... 89,0% réz . A mangánnal való doppálás, valamint a speciális hőkezelés 400 ° C-on történő végrehajtása lehetővé teszi a manganin-ellenállás stabilizálását -100 és + 100 ° C közötti hőmérsékleti tartományban. A manganinnak nagyon kicsi a hő-EMF értéke egy réz párban, magas ellenállási időbeli stabilitása lehetővé teszi, hogy széles körben alkalmazható legyen a legnagyobb pontosságú ellenállások és elektromos mérőműszerek gyártásában.

A Constantan ugyanazokat az összetevőket tartalmazza, mint a manganin, de különböző arányokban: nikkel (kobalttal) 39 ... 41%, mangán 1 ... 2%, réz 56,1 ... 59,1%. Elektromos ellenállása nem függ a hőmérséklettől.

A nikromok vasalapú ötvözetek, az osztálytól függően 15 ... 25% króm, 55 ... 78% nikkel, 1,5% mangán. Elsősorban elektromos fűtőelemek gyártására használják, mivel ezeknek az ötvözeteknek és az oxidrétegeknek a lineáris tágulási hőmérsékleti együtthatójainak közeli értékei miatt jó a levegő magas hőmérséklete.

A nagy ellenállású ötvözetek közül, amelyeket (a nikróm kivételével) széles körben használnak különféle fűtőelemek gyártására, meg kell jegyezni a hőálló ötvözeteket, amelyek szálokra és krómra vonatkoznak. A Fe-Cr-Al rendszerhez tartoznak, és összetételükben 0,7% mangánt, 0,6% nikkelt, 12 ... 15% krómot, 3,5 ... 5,5% alumíniumot tartalmaznak, a többi vasból áll. Ezek az ötvözetek nagyon ellenállnak a felület kémiai elpusztulásának, különféle gáznemű közegek hatására, magas hőmérsékleten.

6.1. A 2a. Laboratóriumi munka elvégzésének módja

Mielőtt elkezdené, ismerkedjen meg a 11. ábrán bemutatott telepítési rajzmal és a mérések elvégzéséhez szükséges műszerekkel.

A laboratóriumi beállítás egy termosztátból áll, amelyben a vizsgált minták találhatók, és egy MO-62 mérőhídról, amely lehetővé teszi a minta ellenállásának valós időben történő mérését. A minták kényszerhűtésére (T\u003e 25 ° C hőmérsékleten) ventilátor van felszerelve a termosztátra, és a hátsó felületén csappantyú van. A termosztát jobb oldalán található a mintavételi kapcsoló.

11. ábra - A laboratóriumi munka megjelenése és mérési rendje 2a

A munka megkezdése előtt állítsa az „N szorzót” 0,1 vagy 0,01 helyzetbe (a táblázat szerint), az öt tíznapos kapcsolót pedig a bal szélső helyzetbe az óramutató járásával ellentétes irányba, és ellenőrizze, hogy a termosztát ki van-e kapcsolva (a termosztát előlapján lévő kapcsoló) felső helyzetben T≤25 ° C), ellenkező esetben nyissa ki a lengéscsillapítót és kapcsolja be a ventilátort a kapcsoló kapcsolóval a jelzőfény alatt, az alsó helyzetbe állítva, amíg a normál hőmérséklet el nem éri, majd kapcsolja ki a ventilátort.

6.1.1 Állítsa a mintaszámot -1-re, és rögzítse a hőmérsékletet, amelyen a mérést elvégezni kell a termosztátra felszerelt hőmérővel. vigye a mérőhíd szorzóját 0,01 helyzetbe, majd kapcsolja be a hálózatot az előlap jobb felső sarkában található váltókapcsolóval, és a hálózat jelzőfénye kigyullad. Az évtized kapcsolóival ellenőrizze, hogy a galvanométer tű 0-ra áll-e, először nyomja meg pontosan a mérőgombot.

Az ellenállás kiválasztását a legmagasabb évtizeddel kezdődik egymást követő közelítésekkel, szorozza meg a kapott értéket a tényezővel, és írja be a 3. táblázatba.

Ismételje meg a méréseket a következő öt mintára, majd helyezze a szorzót 0,1-es helyzetbe, és folytassa a méréseket a 7-10.

6.1.2 Helyezze vissza a mintaszám-kapcsolót az eredeti helyzetébe, zárja be a termosztát hátulján lévő fedelet, kapcsolja be a termosztátot (az előlapi kapcsoló teljesen le van állítva), melegítse a mintákat 50-70 ° C-ra, majd kapcsolja ki a termosztátot, nyissa ki a fedelet és készítse elő 10 minta ellenállásának mérése hasonló a 6.1.1. szakaszhoz, minden méréshez rögzítve a megfelelő hőmérsékletet.

A 3. táblázatban rögzített összes adat. Az eredmények a tanárt mutatják.

6.2 A munka elvégzése 2b

Mielőtt elkezdené, ismerkedjen meg a 12. ábrán bemutatott telepítési rajzmal és a megvalósításához szükséges eszközökkel.

A telepítés egy mérőegységből (BI), ahol a + 12 V-os tápegység található, egy hőmérsékleti mérőegységből (BIT), egy termosztátból, a benne lévő mintákkal,

ventilátor a minták kényszerhűtéséhez, az üzemmódok és a hőmérséklet kijelzéséhez, kapcsolási lehetőségek (a mintaszámok kapcsolói, üzemmód, a hálózat bekapcsolása, a termosztát bekapcsolása és a kényszerhűtés), valamint egy RLC egység, amely lehetővé teszi az összes minta ellenállásának valós időben történő mérését a kapott feladatnak megfelelően .

12. ábra - A laboratóriumi munka megjelenése és mérési rendje 2b

Mielőtt bekapcsolná a telepítést a hálózatra, ellenőrizze, hogy a K1 hálózat főkapcsolója, amely a mérőegység jobb oldalán található, és az RLC-mérő főkapcsolója „Ki” állásban van.

6.2.1 Vegye fel a hálózati RLC-mérőt és a mértékegységet (BI).

6.2.2 A K2 kapcsolóval kapcsolja be a BI-t a megfelelő helyzetbe (termosztát ki), a piros LED nem világít.

6.2.3 BI üzemmód A K4 váltókapcsoló alsó helyzetben van.

6.2.4 "Szorzó" kapcsoló - 1: 100, 1: 1 (középső helyzet).

6.2.5 P1 és P2 (mintaszámok) átkapcsolása - R1 helyzetbe.

6.2.6 K3 kapcsoló (ventilátor be) - KI (lefelé állás).

6.2.7 Kapcsolja be a BI tápellátását (a BI jobb oldalán található K1 kapcsolókapcsoló be van kapcsolva, a zöld LED kigyullad), kapcsolja a váltókapcsolót a „multiplikátor” 1: 100-ra, ügyeljen arra, hogy a minták hőmérséklete 20 ° C-on legyen. 25 ° C

miután korábban bekapcsolta a hőmérsékleti kijelzőt egy gomb rövid megnyomásával a készülék hátulján, ellenkező esetben emelje fel a termosztát fedelét felfelé a BI fedél csavarja segítségével, és kapcsolja be a ventilátort, hűtve a mintákat a megadott határértékekre.

6.2.8 Kapcsolja be az RLC-mérőt és válassza az ellenállásmérési módot.

6.2.9 A „N minta” kapcsoló használatával a BI-n váltakozva mérje meg a 10 minta ellenállását szobahőmérsékleten (20-25), majd állítsa vissza eredeti helyzetébe, és adja meg a 3. táblázat adatait.

6.2.10 Kapcsolja be a termosztátot a BI-ben, kapcsolja a K2 „BE” állásba (a piros LED világít) és melegítse 50-60 ° C-ra, emelje fel a ventilátor fedelét a BI-n és kapcsolja be a ventilátort (K3 - fel).

6.2.11. Mérje meg a 10 minta ellenállását, hasonlóan a 6.2.9. Bekezdéshez, és rögzítse azt a hőmérsékletet, amelyen az egyes mintákat megmérte. Az adatokat a 3. táblázatba kell beírni. Kapcsolja az „N mintát” a kiindulási helyzetbe, a szorzót pedig a középső helyzetbe.

6.2.12 Folytassa a termosztát melegítését T = 65 ° C-ra, engedve le a ventilátor fedelét. Kapcsolja ki a termosztátot, a BI K2 kapcsolója megfelelő helyzetben van (a piros LED nem világít).

6.2.13 Kapcsolja a K4 kapcsolót „üzemmód” a BI helyzetbe 2. helyzetbe, és a szorzót 1: 1 helyzetbe, emelje fel a ventilátor fedelét.

6.2.14 Változtassa meg az R1, R2, R3, R4 mérését minden (5-10) hőmérsékleten (25-30) С, és írja be az adatokat a 4. táblázatba. Amikor a hőmérséklet eléri (25-30) ℃, állítsa be a szorzókapcsolót - középső helyzetben, majd kapcsolja ki a hálózatot mindkét eszközön. (1. minta: réz, 2. minta, nikkel, 3. minta, konstans, 4. minta, nikróm).

A jelentésnek tartalmaznia kell:

A munka célja;

A telepítési terv rövid leírása;

Munkaképletek, magyarázatok, számítási példák;

A kísérleti eredmények táblázatok1 (vagy 3. és 4. táblázatok) és két gráf szerint ábrázolják az ρ és TKS függvényeit az ötvözetek összetételétől a Cu-Ag és Cu-Ni rendszerekhez, és a 6.2.13–6.2.16 szakaszokhoz - az ellenállás (R) függése t ℃ négy mintánál;

A következtetések a kísérleti eredményekre és az ajánlott irodalom tanulmányozására épülnek.

3. táblázat - A ρ és a TKS függőségének vizsgálata az ötvözet összetételétől

Vezetékhossz L = 2m; S szakasz = 0,053 μm.
;
.

4. táblázat A minta ellenállásának hőmérséklettől való függésének vizsgálata

irodalom

1 Pasynkov V.V., Sorokin V.S. Az elektronikus mérnöki anyagok: Tankönyv. - 2. kiadás - M .: Magasabb. school., 1986. - 367 p.

2 Elektromos anyagok kézikönyve / Szerkesztés Y. Koritsky, V.V. Pasynkova, B.M. Tareeva. - M .: Energoizdat, 1988. v.3.

3 Anyagok a műszerkészítésben és az automatizálásban. Kézikönyv / Szerkesztés YM Pyatina, - M .: Mashinostroenie, 1982.

4 Bondarenko G.G., Kabanova T.A., Rybalko V.V. Materials Science.- M .: Yurayt Kiadó, 2012. 359 p.

ρ · 10 2, TKS · 10 3,

µohm · m 1 / jégeső

Ag 100 80 60 40 20 0

Cu 0 20 40 60 80 100

ρ · 10, TKS,

µohm · m 1 / jégeső.

Cu 100 80 60 40 20 0

Ni 0 20 40 60 80 100

Ütemezés a tanár számára - Kirshina I.A. - Ph.D. egyetemi docens

Szinte minden anyag elektromos ellenállása a hőmérséklettől függ. Ennek a függőségnek a természete különbözik az egyes anyagoktól.

A kristályszerkezetű fémekben az elektronok, mint töltőhordozók szabad útját korlátozzák az azokkal való ütközések, amelyek a kristályrács helyén található ionokkal vannak. Ütközés esetén az elektronok kinetikus energiája átkerül a rácsba. Minden egyes ütközés után az elektronok az elektromos erő erőinek hatására ismét felveszik a sebességet, és a következő ütközések során a megszerzett energiát a kristályrács ionjaihoz adják, növelve azok rezgéseit, ami az anyag hőmérsékletének növekedéséhez vezet. Így az elektronok közvetítőknek tekinthetők az elektromos energia hőre való átalakításában. A hőmérséklet növekedését az anyag részecskéinek kaotikus hőmozgásának növekedése kíséri, ami növeli az elektronok ütközésének számát velük és akadályozza az elektronok szabályos mozgását.

A legtöbb fémen az üzemi hőmérsékleten belül az ellenállás lineárisan növekszik.

ahol és - fajlagos ellenállás a kezdeti és a végső hőmérsékleten;

- ennek a fém-együtthatónak az állandója, az úgynevezett hőmérsékleti ellenállási együttható (TKS);

T1i T2 - a kezdő és a végső hőmérséklet.

A második típusú vezetőknél a hőmérséklet növekedése ionizációjuk növekedéséhez vezet, ezért az ilyen típusú vezetők TKS negatív.

Az anyagok és a TKS ellenállás értékei a referenciakönyvekben találhatók. Az ellenállási értékeket általában +20 ° C hőmérsékleten adják meg.

A vezető ellenállását a kifejezés határozza meg

R2 = R1
(2.1.2)

3. feladat Példa

Határozzuk meg a rézvezetékes kétvezetékes távvezeték ellenállását + 20 ° C és +40 ° C hőmérsékleten, ha a huzal keresztmetszete S =

120 mm és a vonal hossza l = 10 km.

döntés

A referenciatáblák szerint megtaláljuk az ellenállást réz + 20 ° C-on és hőmérsékleti ellenállási együtthatóval :

= 0,0175 ohm mm / m; = 0,004 fok .

Az R = képlettel határozza meg a huzal ellenállását T1 = +20 ° C hőmérsékleten , figyelembe véve a vonal elülső és hátrameneti vezetékeinek hosszát:

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

A huzalok ellenállása + 40 ° C hőmérsékleten (2.1.2. Képlet)

R2 = 2,917 = 3,15 ohm.

feladat

Az L hosszúságú háromvezetékes vezetéket egy huzallal készítik, amelynek jelölését a 2.1. Táblázat tartalmazza. A megadott példa alapján meg kell találni a „?” Jel által jelzett értéket, és a 2.1. Táblázatban megadott adatokkal ki kell választani az opciót.

Meg kell jegyezni, hogy a probléma a példával ellentétben egyetlen vezetékhez kapcsolódó számításokat ír elő. A nem szigetelt vezetékek minőségében a betű jelzi a huzal anyagát (A - alumínium; M - réz), és a számot - a huzal keresztmetszetétmm .

2.1. Táblázat

A téma anyagának tanulmányozása a 2. számú teszttel (TOE-

ETM / PM "és a 3. szám (TOE - ETM / IM)

A vezetőképes részecskék (molekulák, atomok, ionok), amelyek nem vesznek részt az áram kialakításában, hőmozgásban vannak, és az áramot alkotó részecskék egyidejűleg hő- és irányú mozgásban vannak egy elektromos mező hatására. Ennek következtében az áramot alkotó részecskék és a részecskék, amelyek nem vesznek részt annak kialakításában, számos ütközés alakul ki, amelyekben az első az áramforrás energiaának egy részét adja át, amelyet az általuk átvitt a másodikba. Minél több ütközés történik, annál lassabb az áramot alkotó részecskék szabályos mozgásának sebessége. Amint az a képletből látható I = enνS, a sebességcsökkenés az áram csökkenéséhez vezet. A skalármennyiséget, amely a vezetõ tulajdonságát jellemzi az amperáram csökkentésére, nevezzük vezető ellenállás.   Az Ohmi törvény formulája alapján az ellenállás Ohm - a vezető ellenállása, amelyben az áramot erővel érik el 1 a   a vezeték végén lévő feszültségen, in in.

A vezető ellenállása az l hosszától, az S keresztmetszetétől és az anyagtól függ, amelyet ellenállás jellemez Minél hosszabb a vezető, annál időegységnél több az áramot alkotó részecskék ütköznek azokkal a részecskékkel, amelyek nem vesznek részt annak kialakulásában, és annál nagyobb a vezető ellenállása. Minél kisebb a vezető keresztmetszete, annál sűrűbb az áramot alkotó részecskék áramlása, és annál gyakrabban ütköznek azokkal a részecskékkel, amelyek nem vesznek részt annak kialakulásában, és ezért nagyobb a vezető ellenállása.

Elektromos mező hatására az ütközések között áramot képező részecskék gyorsan mozognak, és növelik kinetikus energiájukat a mezőenergia miatt. Amikor olyan részecskékkel ütköznek, amelyek nem képeznek áramot, kinetikus energiájuk egy részét átadják nekik. Ennek eredményeként a vezető belső energiája növekszik, ami külsőleg a fűtés során nyilvánul meg. Fontolja meg, hogy a vezető ellenállása megváltozik-e hevítés közben.

Az elektromos áramkörben van egy acélhuzal tekercs (húr, 81. ábra, a). Miután bezártuk az áramkört, megkezdjük a huzal melegítését. Minél többet melegítjük, annál kevésbé mutat amper. Csökkenése annak a ténynek köszönhető, hogy amikor a fémeket hevítik, akkor ellenállásuk növekszik. Tehát a villanykörte haj ellenállása kikapcsolt állapotban kb 20 ohmégés közben (2900 ° C) - 260 ohm. A fém hevítésekor az elektronok hőhullámai és az ionok oszcillációs sebessége növekszik a kristályrácsban, amelynek eredményeként növekszik az ionokkal áramot képező elektronok ütközéseinek száma. Ez növeli a vezető ellenállását *. A fémekben a nem szabad elektronok nagyon erősen kötődnek az ionokhoz, ezért amikor a fémeket hevítik, a szabad elektronok száma szinte változatlan marad.

* (Az elektronikus elmélet alapján lehetetlen meghatározni az ellenállás hőmérséklettől való függésének pontos törvényét. Ezt a törvényt a kvantumelmélet hozza létre, amelyben az elektron olyan hullámjellemzőkkel bíró részecskenek tekinthetõ, ahol a vezetõ elektron fémön keresztüli mozgása az elektronhullámok terjedésének folyamata, amelynek hosszát a Broglie-kapcsolat határozza meg.)

A kísérletek azt mutatják, hogy amikor a különféle anyagok vezetőinek hőmérséklete azonos fokú változással történik, ellenállásuk egyenlőtlenül változik. Például, ha a rézvezeték ellenállással rendelkezik 1 ohmmajd melegítés után 1 ° C   ellenállni fog 1,004 ohmés volfrám - 1,005 ohm A vezető ellenállásának hőmérséklettől való függésének jellemzésére bevezetünk egy mennyiséget, amelyet hőmérsékleti ellenállási együtthatónak nevezünk. A skalármennyiséget, amelyet úgy mérnek, hogy a vezető ellenállása 1 ohmban változik, 0 ° C-on, a hőmérséklet 1 ° C-os változása alapján, az α ellenállás hőmérsékleti együtthatójának nevezik. Tehát a volfrám esetében ez az együttható egyenlő: 0,005 fok -1réz - 0,004 fok -1.   A hőmérsékleti ellenállás együtthatója a hőmérséklettől függ. A fémek esetében hőmérsékleten kevéssé változik. Kis hőmérsékleti tartományban állandónak tekintik ezt az anyagot.

Vegyünk egy képletet, amely kiszámítja a vezető ellenállását, figyelembe véve annak hőmérsékletét. Tegyük fel, hogy R 0   - vezető ellenállás a 0 ° Cha felmelegítik 1 ° C   ez növekedni fog αR 0és hevítés közben t °   - tovább αRt °   és lesz R = R 0 + αR 0 t °vagy

A fémek hőmérsékleti ellenállásának függőségét figyelembe veszik például az elektromos fűtőberendezésekhez, lámpákhoz készült spirálok gyártásakor: a spirálhuzal hosszát és a megengedett áramerősséget a melegített ellenállásukból számítják. A fémek hőmérséklet-ellenállásának függőségét az ellenállás-hőmérőkben használják, amelyeket hőmotorok, gázturbinák, kohó fém stb. Hőmérsékletének mérésére használnak. Ez a hőmérő vékony platina (nikkel, vas) tekercsből áll, amely a porcelánból készült keretre van feltekerve és el van helyezve védő esetben. Vége egy elektromos áramkörbe van beépítve egy ampermérővel, amelynek skáláját fokban fokozatosan osztják. A spirál melegítésekor az áram az áramkörben csökken, aminek következtében az ampermérő tű elmozdul, ami megmutatja a hőmérsékletet.

Ennek a területnek a ellenállását inverznek nevezzük elektromos vezető   (elektromos vezetőképesség). A vezetőképessége Minél nagyobb a vezetőképessége, annál alacsonyabb az ellenállása és annál jobb az áramvezetése. Vezetőképesség egység neve   Vezeték ellenállása 1 ohm   ez az úgynevezett siemens.

A hőmérséklet csökkenésével a fémek ellenállása csökken. Vannak olyan fémek és ötvözetek is, amelyek ellenállása az egyes fémekre és ötvözetekre meghatározott alacsony ugrással hirtelen csökken, és eltűnően kicsivé válik - majdnem nulla (81. ábra, b). Jön szupravezetés - a vezetőnek gyakorlatilag nincs ellenállása, és ha a benne gerjesztett áram hosszú ideig fennáll, míg a vezető szupravezető hőmérsékleten van (az egyik kísérletben az áramot több mint egy éve figyelték meg). Amikor egy áram áthalad a szupravezetőn 1200 a / mm 2   hőkibocsátás nem volt megfigyelhető. Az egyértékű fémek, amelyek az áram legjobb vezetői, nem jutnak szupravezető állapotba a kísérletek elvégzésének rendkívül alacsony hőmérsékletein. Például ezekben a kísérletekben a rézet lehűtöttük 0,0156 ° K,   arany - a 0,0204 ° K.   Ha lehetséges lenne rendes hőmérsékleten szupravezető ötvözeteket előállítani, akkor ez nagy jelentőséggel bír az elektrotechnika szempontjából.

A modern koncepciók szerint a szupravezető képesség fő oka a kötött elektronpárok képződése. A szabad elektronok közötti szupravezetõség hõmérsékleten csereerõk hatnak, és az elektronok kötött elektronpárokat képeznek. A kötött elektronpárokból származó ilyen elektrongáznak más tulajdonságai vannak, mint a szokásos elektrongázokénak - egy szupravezetőben mozog a rácshelyek súrlódása nélkül.