Didėjant laidininko temperatūrai, didėja laisvųjų elektronų susidūrimų su atomais skaičius. Vadinasi, mažėja vidutinis nukreipto elektronų judesio greitis, o tai atitinka laidininko atsparumo padidėjimą.

Kita vertus, kylant temperatūrai, didėja laisvųjų elektronų ir jonų skaičius laidininko tūrio vienete, o tai lemia laidininko varžos sumažėjimą.

Priklausomai nuo to, koks vyrauja vienas ar kitas veiksnys, kylant temperatūrai, varža arba didėja (metalai), arba mažėja (anglis, elektrolitai), arba beveik nesikeičia (metalų lydiniai, tokie kaip mangainas).

Esant nedideliems temperatūros pokyčiams (0–100 ° C), santykinis varžos padidėjimas, atitinkantis kaitinimą 1 ° C, vadinamas temperatūros atsparumo koeficientu a daugumai metalų, išlieka pastovus.

Paskyrę atsparumą temperatūroms, galime užrašyti santykinį atsparumo padidėjimą, kylant temperatūrai nuo iki:

Įvairių medžiagų atsparumo temperatūros koeficiento vertės pateiktos 4 lentelėje. 2–2.

Iš išraiškos (2-18) išplaukia, kad

Gauta formulė (2-20) leidžia nustatyti vielos (apvijos) temperatūrą, jei išmatuojate jos varžą esant nurodytoms ar žinomoms vertėms.

2-3 pavyzdys. Nustatykite oro laidininko laidų varžą esant temperatūrai, jei linijos ilgis yra 400 m, o varinių laidų skerspjūvis

Linijos atsparumas temperatūrai

Atsparumas, taigi ir metalų atsparumas, priklauso nuo temperatūros, didėjant augant. Laidininko atsparumas temperatūrai priklauso nuo to, kad

1. įkrovos nešėjų sklidimo intensyvumas (susidūrimų skaičius) didėja didėjant temperatūrai;
2. jų koncentracija keičiasi kaitinant laidininką.

Patirtis rodo, kad ne per aukštoje ir ne per žemoje temperatūroje laidininko atsparumo ir atsparumo temperatūrai priklausomybę išreiškia formulės:

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

kur ρ 0 , ρ   t yra laidusis medžiagos savitasis atsparumas, atitinkamai, esant 0 ° С ir t   ° C; R 0 , R   t yra laidininko varža esant 0 ° C ir t   ° С α   - atsparumo temperatūros koeficientas: matuojamas SI kelvinuose, atėmus pirmąjį laipsnį (K -1). Metalų laidininkams šios formulės taikomos pradedant nuo 140 K ir aukštesnės temperatūros.

Temperatūros koeficientas   Medžiagos atsparumas apibūdina atsparumo kaitos priklausomybę nuo kaitinimo medžiagos rūšies. Tai skaitmeniškai lygi laidininko santykiniam atsparumo (varžos) pokyčiui, kaitinant 1 K.

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

kur \\ (~ \\ mathcal h \\ alpha \\ mathcal i \\) yra vidutinė atsparumo temperatūros koeficiento reikšmė intervale Δ Τ .

Visiems metaliniams laidininkams α   \u003e 0 ir šiek tiek kinta priklausomai nuo temperatūros. Gryni metalai α   = 1/273 K -1. Metalai turi laisvųjų krūvininkų (elektronų) koncentraciją n   = const ir padidėjimas ρ   atsiranda dėl padidėjusio laisvųjų elektronų sklaidos intensyvumo ant kristalinės gardelės jonų.

Elektrolitų tirpalams α < 0, например, для 10%-ного раствора поваренной соли α   = -0,02 K -1. Elektrolitų varža mažėja didėjant temperatūrai, nes dėl molekulių disociacijos padidėjęs laisvųjų jonų skaičius viršija jonų sklaidos augimą susidūrimuose su tirpiklio molekulėmis.

Priklausomybės formulės ρ   ir R Elektrolitų temperatūra yra panaši į aukščiau pateiktas metalų laidininkų formules. Pažymėtina, kad šis tiesinis ryšys išsaugomas tik nedideliame temperatūrų diapazone, kuriame α   = const. Esant dideliems temperatūros svyravimo intervalams, elektrolitų atsparumo temperatūrai priklausomybė tampa netiesinė.

Grafiškai metalinių laidininkų ir elektrolitų atsparumo temperatūrai priklausomybė parodyta 1, a, b paveiksluose.

Esant labai žemai temperatūrai, artimai absoliučiai nuliui (-273 ° C), daugelio metalų varža staiga sumažėja iki nulio. Šis reiškinys vadinamas superlaidumas. Metalas patenka į superlaidžio būseną.

Atsparumo termometruose naudojama metalų atsparumo temperatūrai priklausomybė nuo temperatūros. Paprastai platinos viela laikoma tokio termometro termometriniu kūnu, jo atsparumo temperatūrai priklausomybė buvo pakankamai ištirta.

Temperatūros pokyčiai vertinami pagal vielos varžos pokyčius, kuriuos galima išmatuoti. Tokie termometrai gali matuoti labai žemą ir labai aukštą temperatūrą, kai įprasti skysti termometrai yra netinkami.

Literatūra

Aksenovičius L. A. Fizika vidurinėje mokykloje: teorija. Uždaviniai. Testai: vadovėlis. pašalpa įstaigoms, teikiančioms neaiškumus. aplinka, švietimas / L. A. Aksenovičius, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Minskas: Adukatsyya i Vyhvanna, 2004. - C. 256-257.

Idealiame kristale vidutinis laisvas elektronų kelias yra begalinis, o varža elektros srovei lygi nuliui. Tai patvirtina faktas, kad grynų atkaitintų metalų varža yra lygi nuliui, kai temperatūra artėja prie absoliučios nulio. Elektrono savybė laisvai judėti idealioje krištolo gardelėje neturi analogo klasikinėje mechanikoje. Išsklaidymas, dėl kurio atsiranda atsparumas, atsiranda tais atvejais, kai yra grotelių struktūrinių defektų.

Yra žinoma, kad efektyvus bangų išsibarstymas įvyksta, kai išsibarstymo centrų dydis (defektai) viršija ketvirtadalį bangos ilgio. Metaluose laidumo elektronų energija yra 3–15 eV. Ši energija atitinka bangos ilgį nuo 3 iki 7. Todėl bet koks struktūros mikrohomogeniškumas neleidžia sklisti elektroninėms bangoms, todėl padidėja medžiagos atsparumas.

Grynuosiuose metaluose, turinčiuose tobulą struktūrą, vienintelė priežastis, ribojanti elektronų laisvojo kelio vidurkį, yra atomų šiluminiai virpesiai gardelės vietose. Elektrinė metalo varža dėl šiluminio faktoriaus žymima ρ šilta. Visiškai akivaizdu, kad kylant temperatūrai didėja atomų šiluminių virpesių amplitudės ir su tuo susiję periodinio gardelės lauko svyravimai. O tai, savo ruožtu, padidina elektronų išsibarstymą ir padidina varžą. Norėdami kokybiškai nustatyti varžos priklausomybės nuo temperatūros pobūdį, naudojame šį supaprastintą modelį. Išsklaidymo intensyvumas yra tiesiogiai proporcingas sferinio tūrio, kurį užima svyruojantis atomas, skerspjūviui, o skerspjūvio plotas yra proporcingas šiluminių virpesių amplitudės kvadratui.

Atomo atominė energija, nukrypusi nuo ∆A  nuo gardelės vietos, nustatoma pagal išraišką

, (9)

čia kpr yra tamprusis jungties koeficientas, kuris linkęs grąžinti atomą į pusiausvyros padėtį.

Pagal klasikinę statistiką vidutinė vieno matmens harmoninio generatoriaus (svyruojančio atomo) energija yra kT.

Tuo remdamiesi rašome tokią lygybę:

Nesunku įrodyti, kad laisvas N atomų kelias elektronų atžvilgiu yra atvirkščiai proporcingas temperatūrai:

(10)

Reikėtų pažymėti, kad gautas santykis nėra patenkintas esant žemai temperatūrai. Faktas yra tas, kad mažėjant temperatūrai gali sumažėti ne tik atomų šiluminių virpesių amplitudės, bet ir virpesių dažniai. Todėl žemoje temperatūroje elektronų išsibarstymas dėl šiluminių gardelių vietų virpesių tampa neveiksmingas. Elektrono sąveika su svyruojančiu atomu tik šiek tiek keičia elektrono impulsą. Atominėje gardelės virpesių teorijoje temperatūra apskaičiuojama atsižvelgiant į tam tikrą būdingą temperatūrą, vadinamą Debye temperatūra ΘD. Debio temperatūra nustato maksimalų šiluminių virpesių, kuriuos gali sužadinti kristalas, dažnį:

Ši temperatūra priklauso nuo rišimo jėgų tarp grotelių vietų ir yra svarbus kietosios medžiagos parametras.

Kai T   D   metalų atsparumas kinta tiesiškai, priklausomai nuo temperatūros (6 paveikslas, III skyrius).

Kaip rodo eksperimentas, tiesinis priklausomybės nuo temperatūros ationт (T) apytikslis vertinimas taip pat galioja iki (2/3) Dkur paklaida neviršija 10%. Daugelio metalų „Debye“ būdinga temperatūra neviršija 400–450 K. Todėl linijinis apytikslis metodas galioja esant kambario ir aukštesnei temperatūrai. Žemos temperatūros regione (T D), kur savitojo pasipriešinimo sumažėjimą lemia laipsniškas visų naujų ir naujų šiluminių virpesių (fononų) dažnių pašalinimas, teorija prognozuoja priklausomybę nuo galios  t 5. Fizikoje šis santykis žinomas kaip Blocho-Gruneiseno dėsnis. Temperatūros intervalas, kuriame yra staigi priklausomybė nuo galios  t (T), paprastai yra gana mažas, o eksperimentinės eksponento vertės yra nuo 4 iki 6.

Siaurame I regione, kuris yra keli kelvinai, keletas metalų gali turėti superlaidumo būseną (daugiau žemiau), o paveikslėlyje parodytas atsparumo šuolis, esant temperatūrai T St. Grynuosiuose tobulos struktūros metaluose, kai temperatūra palaiko OK, varža taip pat yra 0 (brūkšniuota kreivė), o vidutinis laisvasis kelias eina į begalybę. Net esant įprastoms temperatūroms, vidutinis laisvas metalų kelias metaluose yra šimtus kartų ilgesnis nei atstumas tarp atomų (2 lentelė).

6 paveikslas. Metalo laidininko varžos priklausomybė nuo temperatūros plačiame temperatūrų diapazone: a, b, c - įvairių išlydytų metalų varžos keitimo galimybės

2 lentelė. Vidutinis elektronų vidutinis laisvas kelias metalams esant 0oвС

II pereinamajame regione greitai padidėja varžos ρ (T), kur n gali būti iki 5 ir palaipsniui mažėja didėjant temperatūrai  iki 1, kai T = D.

Linijinė sritis (III regionas), priklausomai nuo temperatūros of (T), daugumai metalų tęsiasi iki temperatūros, artimos lydymosi temperatūrai. Išimtis šiai taisyklei yra feromagnetiniai metalai, kuriuose, esant sukimosi tvarkos trikdžiams, vyksta papildomas elektronų išsibarstymas. Netoli lydymosi taško, t.y. IV regione, kurio pradžia pažymėta 6 pav., kai temperatūra T nl, o paprastuose metaluose galima pastebėti tam tikrą nukrypimą nuo tiesinės priklausomybės.

Pereinant iš kietos būsenos į skystą, daugelio metalų varža padidėja maždaug 1,5–2 kartus, nors yra ir neįprastų atvejų: medžiagų, turinčių sudėtingas kristalų struktūras, pavyzdžiui, bismuto ir galio, lydymosi metu sumažėja.

Eksperimentas atskleidžia tokį modelį: jei lydant metalą padidėja tūris, tada varža staiga padidėja; metalams, kurių tūrio pokytis priešingas, ρ sumažėja.

Lydymosi metu reikšmingų laisvųjų elektronų skaičiaus ar jų sąveikos pobūdžio pokyčių nėra. Netvarkos procesai, tolesnio atomų išdėstymo tvarkos pažeidimas turi lemiamą įtaką ρ pokyčiui. Kai kurių metalų (Ga, Bi) elgsenos anomalijos gali būti paaiškintos padidėjusiu suspaudimo moduliu šių medžiagų lydymosi metu, kurį turėtų lydėti atomų šiluminių virpesių amplitudės sumažėjimas.

Santykinis varžos pokytis, kai temperatūros pokytis yra vienas kelvinas (laipsnis), vadinamas atsparumo temperatūros koeficientu:

(11)

Teigiamas α ρ ženklas atitinka atvejį, kai atsparumas šio taško apylinkėse didėja didėjant temperatūrai. Α ρ reikšmė taip pat yra temperatūros funkcija. Linijinės priklausomybės ρ (T) laukelyje yra ši išraiška:

kur ρ 0 ir α ρ yra savitojo atsparumo ir temperatūros koeficientas, nurodytas temperatūros diapazono pradžioje, t. temperatūra T0; ρ savitasis pasipriešinimas esant T temperatūrai.

Santykis tarp atsparumo temperatūros koeficientų ir varžos yra toks:

(13)

čia α 0 - tam tikro varžo temperatūros koeficientas; α 1 - varžinio elemento medžiagos išplėtimo temperatūros koeficientas.

Dėl grynų metalų α ρ \u003e\u003e α 1, todėl jie turi α ρ≈ α R. Tačiau termostabilių metalų lydinių atžvilgiu šis derinimas pasirodo nesąžiningas.

3 Priemaišų ir kitų struktūrinių defektų poveikis metalų atsparumui.

Kaip pažymėta, elektronų bangų išsibarstymo į metalą priežastys yra ne tik šiluminės gardelių vietų virpesiai, bet ir statiniai konstrukcijos defektai, kurie taip pat pažeidžia galimo kristalo lauko periodiškumą. Statinių konstrukcijos defektų išsibarstymas nepriklauso nuo temperatūros. Todėl temperatūrai artėjant prie absoliučios nulio, tikrų metalų varža yra linkusi į tam tikrą pastovią vertę, vadinamą likutine varža (6 paveikslas). Tai reiškia Mattisseno taisyklę dėl atsparumo pridėjimo:

, (14)

t.y. Bendra metalo varža - tai varžos, susidarančios dėl elektronų išsibarstymo dėl kristalinės gardelės vietų šiluminių virpesių, ir likutinės varžos, susidarančios dėl elektronų išsibarstymo statiniais struktūriniais defektais, suma.

Šios taisyklės išimtis yra superlaidūs metalai, kurių pasipriešinimas išnyksta žemiau tam tikros kritinės temperatūros.

Didžiausią indėlį į liekamąjį pasipriešinimą daro sklaida priemaišų, kurios realiame laidininke visada būna, taršos arba legiruojančio (t. Y. Tyčia įvesto) elemento pavidalu. Reikėtų pažymėti, kad bet koks priemaišų priedas lemia increase padidėjimą, net jei jo laidumas yra didesnis nei netauriųjų metalų. Taigi, įvadas į vario laidininką 0,01 esant. Sidabro priemaišų dalis padidina vario varžą 0,002 μm. Eksperimentu nustatyta, kad esant mažam priemaišų kiekiui, varža padidėja proporcingai priemaišų atomų koncentracijai.

Mattisseno taisyklės pavyzdys yra 7 paveikslas, iš kurio matyti, kad gryno vario ir jo lydinių savitojo atsparumo temperatūrai priklausomybės nuo nedidelio (iki maždaug 4%.) Indio, stibio, alavo, arseno kiekio yra tarpusavyje lygiagrečios.

7 paveikslas. Vario lydinių atsparumo temperatūros priklausomybės nuo kietųjų tirpalų tipo, iliustruojančios Matisseno taisyklę: 1 - grynas Cu;

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

Skirtingos priemaišos skirtingai veikia metalinių laidininkų likutinę varžą. Priemaišų išsibarstymo efektyvumą lemia garbanojimo potencialas tinklelyje, kurio vertė kuo didesnė, tuo stipriau skiriasi priemaišų atomų valentingumas ir metalo tirpiklis (bazė).

Vienvalenčių metalų liekamosios varžos pokytis 1% priemaišų (elektrinės varžos „priemaišos“ koeficientas) atitinka Linde taisyklę:

, (15)

kur a ir b yra konstantos, priklausančios nuo metalo pobūdžio ir laikotarpio, per kurį priemaišų atomas užima periodinę elementų sistemą;  Z   - skirtumas tarp metalo - tirpiklio ir priemaišų atomo valentingumo.

Iš 15 formulės matyti, kad metaloidinių priemaišų poveikis laidumo sumažėjimui yra stipresnis nei metalinių elementų priemaišų.

Be priemaišų, tam tikrą indėlį į liekamąjį pasipriešinimą lemia pačios struktūros trūkumai - laisvos vietos, intersticiniai atomai, dislokacijos, grūdų ribos. Taškinių defektų koncentracija didėja eksponentiškai, kintant temperatūrai, ir gali pasiekti aukštas reikšmes šalia lydymosi taško. Be to, laisvos vietos ir intersticiniai atomai medžiagoje lengvai atsiranda, kai ji yra švitinama didelės energijos dalelėmis, pavyzdžiui, neutronai iš reaktoriaus arba jonai iš greitintuvo. Išmatuota varžos vertė gali būti naudojama siekiant įvertinti grotelių radiacijos pažeidimo laipsnį. Tokiu pat būdu galima atsekti apšvitinto mėginio atsigavimą (atkaitinimą).

Vario likutinės varžos pokytis 1% procentinio taško defektų yra: laisvų vietų atveju nuo 0,010 iki 0,015 μOhm Ω; intersticinių atomų atveju - 0,005–0,010 μOhm  Ω.

Liekamasis atsparumas yra labai jautri metalų cheminio grynumo ir struktūrinio tobulumo savybė. Praktiškai dirbant su labai grynais metalais, siekiant įvertinti priemaišų kiekį, matuojamas savitasis pasipriešinimas kambario ir skysčio helio temperatūros santykis:

Kuo švaresnis metalas, tuo didesnė jo vertė. Gryniausių metalų (grynumo laipsnis yra 99,99999%) parametras 10 yra 10 5.

Įtempių būsenos iškraipymai daro didelę įtaką metalų ir lydinių atsparumui. Tačiau šios įtakos laipsnį lemia įtempių pobūdis. Pavyzdžiui, daugumai metalų visapusiškai suspaudžiant, varža sumažėja. Taip yra dėl atomų požiūrio ir sumažėjusio gardelės šiluminių virpesių amplitudės.

Plastinė deformacija ir grūdinimas visuomet padidina metalų ir lydinių atsparumą. Tačiau šis padidėjimas siekia net keletą procentų net ir smarkiai sukietėjus gryniems metalams.

Dėl terminio kietėjimo padidėja , kuris yra susijęs su grotelių iškraipymais, vidinių įtempių atsiradimu. Perkristalinant termiškai apdorojant (atkaitinant), atsparumas gali būti sumažintas iki pradinės vertės, nes defektai išgydomi ir pašalinami vidiniai įtempiai.

Kietų tirpalų specifiškumas yra tas, kad šerdis iš esmės (daug kartų) gali viršyti šiluminį komponentą.

Daugelio dviejų komponentų lydinių  OST pokytis priklausomai nuo kompozicijos yra gerai apibūdinamas kaip parabolinė tipo priklausomybė

kur C yra konstanta, priklausanti nuo lydinio pobūdžio; lydinio komponentų x a ir x atominės frakcijos.

16 vertė yra vadinama Nordheimo įstatymu. Iš to išplaukia, kad dvejetainiuose kietuose tirpaluose A - B liekamoji varža didėja, kai atomai B pridedami prie metalo A (kietas tirpalas ) ir kai atomai A pridedami prie metalo B (kietas tirpalas причем), ir šis pokytis pasižymi simetriška kreive. . Nepertraukiamoje kietų tirpalų serijoje varža yra didesnė, tuo didesnė jo sudėtis yra lydinys nuo grynų komponentų. Liekamasis pasipriešinimas pasiekia didžiausią vertę, kai kiekvieno komponento kiekis lygus (x a = x в = 0,5).

Nordheimo įstatymas gana tiksliai apibūdina nuolatinių kietų tirpalų atsparumo pokyčius, jei keičiant sudėtį nepastebėta fazių perėjimų ir nė vienas jų komponentas nepriklauso pereinamųjų ar retųjų žemių elementų skaičiui. Tokių sistemų pavyzdys gali būti lydiniai Au - Ag, Cu - Ag, Cu - Au, W - Mo ir kt.

Kietieji tirpalai, kurių komponentai yra pereinamieji metalai (8 paveikslas), elgiasi šiek tiek kitaip. Šiuo atveju esant didelėms komponentų koncentracijoms, pastebimas iš esmės didelis likutinis pasipriešinimas, susijęs su dalies valentinių elektronų perėjimu į vidinius neužpildytus pereinamųjų metalų atomų korpusus. Be to, tokiuose lydiniuose maksimali  dažnai atitinka kitas nei 50% koncentracijas.

8 paveikslas. Vario-nikelio lydinių savitojo varžos (1) ir savitojo atsparumo temperatūros koeficiento (2) priklausomybė nuo komponentų procentinės dalies

Kuo didesnis lydinio varža, tuo mažesnis jo α ρ. Tai išplaukia iš to, kad kietuose tirpaluose „konditas“, kaip taisyklė, žymiai viršija  t ir nepriklauso nuo temperatūros. Pagal temperatūros koeficiento nustatymą

(17)

Atsižvelgiant į tai, kad grynų metalų α ρ šiek tiek skiriasi vienas nuo kito, išraišką 17 galima lengvai paversti tokia forma:

(18)

Koncentruotuose kietuose tirpaluose urvas paprastai viršija dydį arba daugiau nei ρ t, todėl α ρ cfl gali būti žymiai mažesnis už gryno metalo α ρ. Termostabilių laidžių medžiagų gamyba remiasi tuo. Daugeliu atvejų lydinių varžos priklausomybė nuo temperatūros tampa sudėtingesnė nei susidaranti dėl paprasto priedų modelio. Lydinių atsparumo temperatūros koeficientas gali būti žymiai mažesnis nei numatytas santykis 18. Pažymėtos anomalijos aiškiai pasireiškia vario-nikelio lydiniuose (8 paveikslas). Kai kuriuose lydiniuose, esant tam tikriems komponentų santykiams, stebimas neigiamas α ρ (konstante).

Toks ρ ir α ρ pokytis, palyginti su lydinių komponentų procentine dalimi, akivaizdžiai paaiškinamas tuo, kad sudėtingesnės sudėties ir struktūros, palyginti su grynaisiais metalais, lydiniai negali būti laikomi klasikiniais metalais. Jų laidumo pokyčius lemia ne tik laisvųjų elektronų laisvojo kelio pasikeitimas, bet kai kuriais atvejais ir dalinis krūvio nešiklių koncentracijos padidėjimas, didėjant temperatūrai. Lydinys, kuriame vidutinio laisvojo kelio sumažėjimas didėjant temperatūrai yra kompensuojamas padidėjus įkrovos nešiklių koncentracijai, atsparumo koeficientas yra lygus nuliui.

Praskiestuose tirpaluose, kai vienam iš komponentų (pavyzdžiui, komponentui B) būdinga labai maža koncentracija ir jis gali būti laikomas priemaiša, 16 formulėje, neprarandant tikslumo, galite įdėti (1-x в) 1. Tada gauname tiesinį ryšį tarp liekamojo pasipriešinimo ir priemaišų atomų koncentracijos metale:

,

kur konstanta C apibūdina liekamojo pasipriešinimo  OST pokytį esant 1% priemaišų.

Kai kurie lydiniai paprastai formuoja užsakytas struktūras, jei jų gamybos metu išlaikomos tam tikros proporcijos kompozicijoje. Užsakymo priežastis yra stipresnė nevienalyčių atomų cheminė sąveika, palyginti su tos pačios rūšies atomais. Konstrukcijos išdėstomos žemiau tam tikros būdingos temperatūros T cr, vadinamos kritine temperatūra (arba Kurnakovo temperatūra). Pvz., Lydinys, kurio 50. % Cu ir 50. % Zn ( - žalvaris) turi kūnu pagrįstą kubinę struktūrą. Esant T  360 TC, vario ir cinko atomai atsitiktine tvarka ir statistiškai pasiskirsto per tinklelio vietas.

Kietųjų dalelių elektrinio pasipriešinimo priežastis yra ne laisvųjų elektronų susidūrimas su gardelės atomais, bet jų išsibarstymas ant konstrukcijos defektų, atsakingų už vertimo simetrijos pažeidimą. Užsakant kietą tirpalą, atkuriamas gardelės atominės kompozicijos elektrostatinio lauko periodiškumas ir taip padidinamas laisvas elektronų kelias elektronų viduryje, o papildomas pasipriešinimas beveik visiškai išnyksta dėl sklaidos dėl lydinio mikroheterogeniškumo.

4 Metalinių plėvelių storio įtaka specifiniam paviršiaus pasipriešinimui ir jo temperatūros koeficientui

Gaminant integrinius grandynus, metalinės plėvelės naudojamos jungtims tarp elementų, kontaktinėms trinkelėms, kondensatorių plokštėms, induktyviems, magnetiniams ir varžiniams elementams.

Plėvelių struktūra, priklausomai nuo kondensacijos sąlygų, gali skirtis - nuo amorfinio kondensato iki epitaksinio sluoksnio - tobulo vieno krištolo sluoksnio struktūros. Be to, metalo plėvelių savybės yra susijusios su dydžio efektais. Taigi jų elektrinis laidumas yra reikšmingas, jei plėvelės storis yra palyginamas su 1 plg.

9 paveiksle pavaizduotos tipiškos plonų plėvelių paviršiaus atsparumo ρ s ir jo temperatūros koeficiento α ρ priklausomybės nuo plėvelės storio. Kadangi konstrukcinis (ilgis l, plotis b, plėvelės storis h) ir technologinis ryšys

() plonos plėvelės varžos (TPR) parametrai nustatomi lygtimi:

,

kur ρ s = ρ / h yra kvadratinė varža (arba savitasis paviršiaus pasipriešinimas), tada vietoj ρ s imame tradicinį žymėjimą, o vietoj ρ ρ s -  ρ.

9 paveikslas - pokyčio thickness  ir  pobūdis nuo plėvelės storio h

Metalo plėvelių augimą lydi keturi etapai:

I - metalinių salų susidarymas ir augimas (mechanizmai, atsakingi už krūvio perkėlimą, - elektronų, esančių virš Fermi lygio, termioninė emisija ir tuneliavimas. Pagrindo sričių, kuriose nėra metalo plėvelės, paviršiaus atsparumas mažėja didėjant temperatūrai, dėl ko susidaro neigiamos mažo storio   plėvelės. );

II - salų tangencija tarpusavyje (y   ženklo pasikeitimo momentas priklauso nuo metalo rūšies, plėvelės susidarymo sąlygų, priemaišų koncentracijos, substrato paviršiaus būklės);

III - laidžios akies formavimas, kai sumažinamas tarpų tarp salų dydis ir skaičius;

IV - ištisinio laidžiojo plėvelės formavimas, kai laidumas ir   artėja prie masyvių laidininkų vertės, tačiau vis tiek savitasis plėvelės atsparumas yra didesnis nei jungtinio bandinio, dėl aukštos defektų koncentracijos, priemaišos, įstrigusios plėvelėje nusėdimo metu. Todėl išilgai grūdų ribų oksiduotos plėvelės yra elektriškai nedalomos, nors jos yra fiziškai kietos. Pridedama  augimo ir dydžio efekto dėl sumažėjusio elektronų vidutinio laisvo kelio, kai atsispindi nuo mėginio paviršiaus.

Gaminant plonasluoksnius rezistorius, naudojamos trys medžiagų grupės: metalai, metalų lydiniai, kermetai.

5 Fizikinis superlaidumo pobūdis

Superlaidumo reiškinys paaiškinamas kvantų teorija, įvyksta, kai metalo elektronai traukia vienas kitą. Pritraukimas yra įmanomas terpėje, kurioje yra teigiamai įkrauti jonai, kurių laukas silpnina Kulono pasipriešinimo jėgas tarp elektronų. Tik tie elektronai, kurie dalyvauja elektros laidumui, t esantis netoli Fermi lygio. Elektronai su priešingu nugara yra surišti poromis, vadinamomis Cooper.

Susiformavus Cooperio poroms, lemiamą vaidmenį vaidina elektronų sąveika su šiluminės gardelės virpesiais - fononais, kuriuos jis gali tiek absorbuoti, tiek generuoti. Vienas iš elektronų sąveikauja su grotelėmis - ją sužadina ir keičia impulsą; kitas elektronas, sąveikaudamas, paverčia jį į normalią būseną ir taip pat keičia jo impulsą. Dėl to gardelės būsena nesikeičia, o elektronai keičiasi šiluminės energijos - fononų - kvantomis. Apsikeitimo fonono sąveika sukelia traukos jėgas tarp elektronų, viršijančių Kulono pasipriešinimą. Fonono mainai vyksta nuolat.

Per tinklelį judantis elektronas jį poliarizuoja, t. pritraukia į save artimiausius jonus; teigiamo krūvio tankis didėja šalia elektronų trajektorijos. Antrasis elektronas traukia regioną, kuriame yra perteklinis teigiamas krūvis, dėl to dėl sąveikos su elektronų gardelėmis atsiranda patraukliosios jėgos (Cooperio pora). Šios poros formacijos persidengia erdvėje, suyra ir vėl susiformuoja, sudarydamos elektronų kondensatą, kurio energija dėl vidinės sąveikos yra mažesnė nei atjungtų elektronų agregato. Energijos atotrūkis atsiranda superlaidininko energijos spektre - draudžiamų energijos būsenų regione.

Suporuoti elektronai yra energijos tarpo apačioje. Energijos tarpo dydis priklauso nuo temperatūros, jis pasiekia maksimalų esant absoliučiam nuliui ir visiškai išnyksta T st. Daugumos superlaidininkų energijos tarpas yra 10–4–10 –3 eV.

Elektronų išsibarstymas vyksta dėl šiluminių virpesių ir priemaišų, tačiau su

kad būtų energijos tarpas elektronams pereiti nuo žemės paviršiaus iki sužadintos būsenos, reikalinga pakankama šiluminės energijos dalis, kurios nėra žemoje temperatūroje, todėl suporuoti elektronai nėra išsklaidyti dėl struktūrinių defektų. Cooperio porų bruožas yra tas, kad jos negali pakeisti savo būsenų nepriklausomai viena nuo kitos, elektronų bangos turi vienodą ilgį ir fazę, t. jie gali būti laikomi viena banga, kuri apvynioja konstrukcijos trūkumus. Esant absoliučiam nuliui, visi elektronai yra sujungti poromis, didėjant, kai kurios poros lūžta ir tarpo plotis mažėja, T St stotelėje visos poros sunaikinamos, tarpo plotis išnyksta ir pertraukimas nutrūksta.

Perėjimas į superlaidžio būseną vyksta labai siaurame temperatūrų diapazone, dėl struktūros nevienalytiškumo diapazonas plečiamas.

Svarbiausia superlaidininkų savybė - magnetinis laukas neprasiskverbia į medžiagos storį, jėgos linijos eina aplink superlaidininką (Meissnerio efektas) - dėl to, kad superlaidininko magnetiniame lauke atsiranda apskrito nesuardytos srovės, kuri visiškai kompensuoja bandinio viduje esantį išorinį lauką. Magnetinio lauko įsiskverbimo gylis yra 10 -7 - 10 -8 m - superlaidininkas yra idealus diamagnetikas; išstumtas iš magnetinio lauko (nuolatinis magnetas gali būti pagamintas pakabinti virš superlaidžios medžiagos žiedo, kuriame cirkuliuoja magneto sukeltos nesumažėjančios srovės).

Viršlaidumo būsena pažeidžiama, kai magnetinio lauko stipris yra didesnis nei H st. Pagal medžiagos perėjimo nuo superlaidžios būsenos prie įprasto elektrinio laidumo būseną, veikiant magnetiniam laukui, pobūdį, išskiriami pirmosios ir antrosios rūšies superlaidininkai. Pirmos rūšies superlaidininkams šis perėjimas įvyksta staiga, superlaidininkams - H cj1 diapazone laipsniškas perėjimo procesas -

H kor2. Intervale medžiaga yra nevienalytėje būsenoje, kurioje egzistuoja normalioji ir superlaidžioji fazės, magnetinis laukas pamažu įsiskverbia į superlaidininką, išlaikomas nulinis pasipriešinimas iki viršutinio kritinio intensyvumo.

1 tipo superlaidininkų kritinis intensyvumas priklauso nuo temperatūros:

2 tipo superlaidintuvuose tarpinės būsenos sritis plečiasi mažėjant temperatūrai.

Superlaidumą gali sugadinti srovė, praeinanti per superlaidininką, jei ji viršija kritinę vertę I St = 2πHH St (T) - 1 tipo superlaidininkams (2 tipas yra sudėtingesnis).

26 metalai turi superlaidumą (daugiausia pirmojo tipo, kai kritinė temperatūra yra žemesnė nei 4,2K), 13 elementų turi superlaidumą esant aukštam slėgiui (siliciui, germaniui, telūrui, stibiui). Neturite vario, aukso, sidabro: mažas pasipriešinimas rodo silpną elektronų sąveiką su krištolo gardelėmis ir fero- bei antiferromagnetuose; puslaidininkiai yra verčiami pridedant didelę koncentraciją pagalbinių medžiagų; dielektrikų, turinčių didelę dielektrinę konstantą (ferroelektrikų), kulono atstumimo jėgos tarp elektronų yra labai susilpnintos ir jie gali parodyti superlaidumo savybes. Tarpmetaliniai junginiai ir lydiniai priklauso 2 tipo superlaidininkams, tačiau šis skirstymas nėra absoliutus (1 tipo superlaidininką galima paversti 2 tipo superlaidininku, jei jame sukursite pakankamą grotelių defektų koncentraciją. Superlaidžių laidininkų gamyba yra susijusi su technologiniais sunkumai (jie turi trapumą, mažą šilumos laidumą), sukuria superlaidžio kompoziciją su variu (bronzos metodas arba kietosios fazės difuzijos metodas - presavimas ir tempimas); iš plonų niobio gijų pozicija yra alavo bronzos matricos, su šildymo alavo bronzos difunduoja į Nb, kad susidarytų superlaidţių kino stanida niobis).

Testo klausimai

1 Kokie parametrai priklauso nuo metalų elektrinio laidumo.

2 Kokia statistika apibūdina elektronų energijos pasiskirstymą metalų laidumo kvantinėje teorijoje.

3 Kas lemia Fermi energiją (Fermi lygį) metaluose ir nuo ko ji priklauso.

4 Koks yra metalo elektrocheminis potencialas.

5 Kas lemia laisvą elektronų kelią metale.

6 Lydinių formavimas. Kaip veikia metalų varžos trūkumų buvimas.

7 Paaiškinkite laidininkų varžos priklausomybę nuo temperatūros.

8 NSKurnakova ρ ir TKS modeliai kietųjų tirpalų ir mechaninių mišinių tipo lydiniuose.

9 Taikymas laidžių medžiagų, turinčių skirtingas elektrinio atsparumo vertes, technikoje. Reikalavimai medžiagoms, atsižvelgiant į taikymą.

10 Superlaidumo reiškinys. Superlaidų ir krio laidininkų apimtys

6 Laboratorinis darbas №2. Laidžių lydinių savybių tyrimas

Tikslas: ištirti dviejų komponentų lydinių elektrinių savybių kitimo modelius, atsižvelgiant į jų sudėtį.

Pirmoje laboratorinio darbo dalyje nagrinėjamos dvi lydinių grupės su skirtingomis fazių kompozicijomis.

Pirmajai grupei priskiriami tokie lydiniai, kurių komponentai A ir B tarpusavyje netirpiai ištirpsta, palaipsniui pakeisdami vienas kitą grotelių vietose, sudarydami ištisinę kietų tirpalų seką iš vieno grynojo lydinio komponento į kitą. Bet kuris šio tipo kietosios būklės lydinys yra vienfazis, susidedantis iš to paties kietojo tirpalo grūdelių, esančių toje pačioje kompozicijoje. Kietojo tirpalo lydinių pavyzdys yra varis-nikelis, Cu-Ni, germanio-silicio, Ge-Si ir kt. Antrajai grupei priklauso lydiniai, kurių komponentai praktiškai neištirpsta vienas su kitu, kiekvienas komponentas sudaro savo grūdus. Kietojo kūno lydinys yra dvifazis; tokie lydiniai vadinami mechaniniais mišiniais. Mechaninių mišinių tipo lydinių pavyzdžiai yra Cu-Ag vario-sidabro sistemos, Sn-Pb alavo-švino sistemos ir kt.

Formuojant lydinius iš mechaninių mišinių tipo (10 pav., A), savybės keičiasi linijiškai (papildomai) ir yra grynų komponentų savybių verčių vidurkis. Susidarant kietų tirpalų tipo lydiniams (10 pav., B), savybės skiriasi kreivėmis su maksimalia ir mažiausia vertėmis.

10 paveikslas - N. S. Kurnakovo modeliai. Santykis tarp lydinių fazinės sudėties ir jo savybių

Pagrindinės metalų ir lydinių elektrinės savybės yra šios: elektrinė varža ρ, µohm; temperatūros atsparumo koeficientas TKS, laipsnis -1.

Baigtinio ilgio laidininko varža l ir skerspjūvis S išreikšta žinoma priklausomybe

(19)

Laidininkų medžiagų varža yra maža ir svyruoja nuo 0,016-10 μOm.m.

Įvairių metalinių laidininkų elektrinė varža daugiausia priklauso nuo vidutinio laisvojo elektrono kelio λ tam tikrame laidininke:

kur µ = 1 / λ yra elektronų sklaidos koeficientas.

Metalo ir lydinio elektrodų kryptinio judesio išsklaidymo faktoriai yra teigiami jonai, esantys grotelių vietose. Grynuosiuose metaluose, kuriuose yra įprasčiausia neiškreipta kristalinė gardelė, kur teigiami jonai yra reguliariai išdėstomi erdvėje, elektronų išsibarstymas yra mažas ir daugiausia nustatomas pagal jonų virpesių amplitudę gardelių vietose; gryniems metalams ρ≈ A · μ yra šiltas. kur µ šilta - elektronų sklaidos koeficientas ant grotelių šiluminių virpesių. Šis elektronų sklaidos mechanizmas vadinamas fonono sklaida ant grotelių šiluminių virpesių.

Didėjant temperatūrai T, didėja teigiamų jonų virpesių amplitudė gardelės vietose, didėja krypčiai judančių elektronų išsibarstymas veikiant laukui, mažėja vidutinis laisvasis kelias λ, didėja varža.

Reikšmė, apskaičiuojanti medžiagos atsparumo padidėjimą, kai temperatūra kinta vienu laipsniu, vadinama TCS elektrinės varžos temperatūros koeficientu:

(20)

kur R1 - bandinio pasipriešinimas, išmatuotas T 1 temperatūroje; R 2 - to paties pavyzdžio varža, išmatuota T 2 temperatūroje.

Mes tiriame dvi lydinių sistemas: Cu-Ni sistemą, kurioje lydinių komponentai (varis ir nikelis) tenkina visas neriboto tirpumo kietoje būsenoje sąlygas, todėl bet kuris iš šios sistemos lydinių po kristalizacijos pabaigos bus vienfazis kietas tirpalas (10 pav.). a), o Cu-Ag sistema, kurios komponentai (varis ir sidabras) neatitinka neriboto tirpumo sąlygų, jų tirpumas yra mažas net esant aukštai temperatūrai (neviršija 10%), o žemesnėje nei 300 0 C temperatūroje yra toks mažas, kad galima laikyti S, tai nėra, ir bet lydinio susideda iš mechaninio mišinio vario ir sidabro granulių (pav 10b).

Apsvarstykite kietųjų tirpalų kreivę ρ. Pridedant bet kurį gryną kito lydinio komponento komponentą, pastebimas to paties laipsnio teigiamų jonų griežto išdėstymo vienodumas, kuris pastebimas grynuose metaluose grotelių vietose. Todėl lydinio, kaip kietojo tirpalo, elektronų išsibarstymas visada yra didesnis nei bet kuriame gryniame komponente dėl grynų komponentų kristalinės gardelės iškraipymo arba, kaip sakoma, dėl padidėjusio kristalinės gardelės defektų, nes kiekvienas įvestas atomas yra skirtingo tipo, palyginti su grynu komponentu. taško defektas.

Iš to paaiškėja, kad kietojo tirpalo lydiniams pridedamas dar vienas elektronų išsklaidymo tipas - išsibarstymas pagal taškų defektus ir elektrinė varža.

(21)

Kadangi yra įprasta įvertinti visas ρ reikšmes, kai T = 20 0 С, lydiniams, pvz., Kietiesiems tirpalams, lemiamas veiksnys yra taškinių defektų išsibarstymas. Didžiausi kristalinės gardelės teisingumo pažeidimai pastebimi penkiasdešimt procentų komponentų koncentracijos srityje, kreivė ρ turi didžiausią reikšmę šiame regione. Iš santykio 20 matyti, kad TKS varžos temperatūros koeficientas yra atvirkščiai proporcingas pasipriešinimui R, todėl savitasis atsparumas ρ; TKS kreivė turi min. 50% komponentų santykio.

Antroje laboratorinio darbo dalyje nagrinėjami lydiniai, turintys aukštą savitąjį atsparumą. Tokioms medžiagoms priskiriami lydiniai, kurių normaliomis sąlygomis savitoji elektrinė varža yra ne mažesnė kaip 0,3 µOhm · m. Šios medžiagos yra plačiai naudojamos gaminant įvairius elektrinius matavimo ir elektrinius šildytuvus, pavyzdinius varžus, rezistorius ir kt.

Paprastai lydiniai yra naudojami gaminant elektrinius matavimo prietaisus, modelio atsparumą ir reostatus, kurie išsiskiria dideliu savo specifinio atsparumo stabilumu laikui bėgant ir žemu temperatūros atsparumo koeficientu. Šiose medžiagose yra manganino, konstanto ir nichromo.

Manganinas yra vario-nikelio lydinys, kuriame vidutiniškai yra 2,5 ... 3,5% nikelio (su kobaltu), 11,5 ... 13,5% mangano, 85,0 ... 89,0% vario . Dopingo vartojimas su manganu, taip pat specialus terminis apdorojimas esant 400 ° C, leidžia stabilizuoti manganino atsparumą temperatūros intervale nuo -100 iki + 100 ° C. Manganinas pasižymi labai maža termo-EMF verte poroje su variu, pasižymi dideliu atsparumu laike, todėl jį galima plačiai naudoti gaminant aukščiausio tikslumo klasių varžus ir elektrinius matavimo prietaisus.

Konstantano sudėtyje yra tų pačių komponentų kaip ir manganino, tačiau skirtingais santykiais: nikelio (su kobaltu) 39 ... 41%, mangano 1 ... 2%, vario 56,1 ... 59,1%. Jo elektrinė varža nepriklauso nuo temperatūros.

Nichromai yra geležies lydiniai, kurių sudėtyje yra 15 ... 25% chromo, 55 ... 78% nikelio, 1,5% mangano. Jie daugiausia naudojami elektriniams kaitinimo elementams gaminti, nes jie turi gerą atsparumą aukštoje oro temperatūroje dėl šių lydinių ir jų oksidų plėvelių tiesinio išsiplėtimo temperatūros koeficientų artimų verčių.

Tarp aukšto atsparumo lydinių, kurie (išskyrus nichromą) yra plačiai naudojami gaminant įvairius kaitinimo elementus, būtina atkreipti dėmesį į karščiui atsparius lydinius feralinius ir chromus. Jie priklauso Fe-Cr-Al sistemai ir savo sudėtyje turi 0,7% mangano, 0,6% nikelio, 12 ... 15% chromo, 3,5 ... 5,5% aliuminio, o visa kita yra geležis. Šie lydiniai yra labai atsparūs cheminiam paviršiaus sunaikinimui veikiant įvairioms dujinėms terpėms, esant aukštai temperatūrai.

6.1. Laboratorinio darbo Nr. 2a atlikimo tvarka

Prieš pradėdami darbą, susipažinkite su 11 paveiksle pavaizduota montavimo schema ir matavimams atlikti reikalingais prietaisais.

Laboratorijos sąranką sudaro termostatas, kuriame yra tiriami mėginiai, ir matavimo tiltas MO-62, leidžiantis išmatuoti mėginio pasipriešinimą realiuoju laiku. Priverstiniam mėginių aušinimui (esant T\u003e 25 ° C) ant termostato yra įmontuotas ventiliatorius, o galiniame paviršiuje yra sklendė. Dešinėje termostato pusėje yra mėginio skaičiaus jungiklis.

11 pav. - Laboratorinio darbo išvaizda ir matavimo schema 2a

Prieš pradėdami darbą, nustatykite „N daugiklio“ jungiklius į 0,1 arba 0,01 padėtį (kaip nurodyta lentelėje), o penkis dešimties dienų jungiklius - į kraštinę kairę padėtį prieš laikrodžio rodyklę ir įsitikinkite, kad termostatas yra išjungtas (perjungimo jungiklis termostato priekiniame skydelyje). viršutinėje padėtyje T≤25 ° C), priešingu atveju atidarykite sklendę ir įjunkite ventiliatorių perjungimo jungikliu, esančiu žemiau indikatoriaus lemputės, perkeldami jį į apatinę padėtį, kol bus pasiekta normali temperatūra, tada išjunkite ventiliatorių.

6.1.1. Nustatykite mėginio skaičių į -1, fiksuodami temperatūrą, kurioje bus atliekami matavimai, naudojant termostate įmontuotą termometrą; perkelkite matavimo tiltelio daugiklį į 0,01 padėtį, tada įjunkite tinklą, naudodamiesi jungiklio jungikliu, esančiu priekinio skydelio viršutinėje dešinėje, ir tinklo indikatorius užsidegs. Naudodamiesi dešimtmečio jungikliais, pirmiausia įsitikinkite, kad galvanometro adata yra 0 padėtyje, pirmiausia tiksliai paspausdami matavimo mygtuką.

Atsparumo parinkimas pradedamas nuo didžiausio dešimtmečio iš eilės aproksimuojant, gautą vertę padauginkite iš koeficiento ir įrašykite į 3 lentelę.

Pakartokite kitų penkių mėginių matavimus, tada daugiklį perkelkite į 0,1 padėtį ir tęskite 7-10 mėginių matavimus.

6.1.2 Grąžinkite mėginio numerio jungiklį į pradinę padėtį, uždarykite dangtelį galinėje termostato pusėje, įjunkite termostatą (priekinio skydelio jungiklis yra visiškai žemyn) ir pašildykite mėginius iki 50–70 ° C, tada išjunkite termostatą, atidarykite dangtelį ir pagaminkite 10 mėginių atsparumo matavimas yra panašus į 6.1.1 pastraipą, kiekvienai matuojant užrašoma atitinkama temperatūra.

Visi duomenys įrašyti 3 lentelėje. Rezultatai rodo mokytoją.

6.2 Darbo atlikimo tvarka 2b

Prieš pradėdami, susipažinkite su diegimo schema, pateikta 12 paveiksle, ir jai įgyvendinti reikalingomis priemonėmis.

Įrenginį sudaro matavimo įtaisas (BI), kuriame yra + 12 V maitinimo šaltinis, temperatūros matavimo įtaisas (BIT), termostatas, kuriame yra įmontuoti pavyzdžiai,

ventiliatorius, skirtas mėginių priverstiniam aušinimui, darbo režimų ir temperatūros rodymas, perjungimo galimybės (mėginių skaičiaus jungikliai, darbo režimas, tinklo įjungimas, termostato įjungimas ir priverstinis aušinimas), taip pat RLC įrenginys, leidžiantis išmatuoti visų mėginių pasipriešinimą realiu laiku pagal gautą užduotį .

12 pav. Laboratorinio darbo išvaizda ir matavimo schema 2b

Prieš įjungdami diegimą į tinklą, įsitikinkite, kad „K1“ tinklo maitinimo jungiklis, esantis matavimo vieneto dešinėje, ir RLC matuoklio maitinimo jungiklis yra „Išjungta“ padėtyje.

6.2.1 Įtraukite į tinklo RLC-matuoklį ir matavimo vienetą (BI).

6.2.2 K2 perjungimo jungiklis įjungus BI į reikiamą padėtį (termostatas išjungtas), raudona lemputė nedega.

6.2.3 BI darbo režimas K4 perjungimo jungiklis yra apatinėje padėtyje.

6.2.4 Perjungimo jungiklis „daugiklis“ - 1: 100, 1: 1 (vidurinė padėtis).

6.2.5 Jungikliai P1 ir P2 (mėginių numeriai) - į padėtį R1.

6.2.6 K3 perjungimo jungiklis (ventiliatorius įjungtas) - IŠJUNGTA (žemyn padėtis).

6.2.7 Įjunkite BI maitinimą (perjungimo jungiklis K1, esantis dešinėje BI pusėje, yra „įjungta“ padėtyje, užsidega žalia lemputė), perjungimo jungiklį „multiplikatorius“ perjunkite į 1: 100, įsitikinkite, kad mėginių temperatūra neviršija 20 ° C. 25 ° C

anksčiau įjungę temperatūros ekraną, trumpai paspausdami mygtuką galiniame įrenginio skydelyje, priešingu atveju pakelkite termostato dangtį aukštyn, naudodami varžtą ant BI dangtelio, ir įjunkite ventiliatorių, atvėsindami mėginius iki nurodytų ribų.

6.2.8 Įjunkite RLC-matuoklio galią ir pasirinkite jame varžos matavimo režimą.

6.2.9 Naudodamiesi BI jungikliu „N mėginys“, pakaitomis išmatuokite 10 mėginių varžą kambario temperatūroje (20–25), tada grąžinkite į pradinę padėtį ir įveskite duomenis 3 lentelėje.

6.2.10 Įjunkite BI termostatą, perjunkite K2 padėtį „ON“ (šviečia raudonas šviesos diodas) ir pašildykite iki 50–60 ° С, pakelkite BI ventiliatoriaus dangtelį ir įjunkite ventiliatorių (K3 - aukštyn).

6.2.11 Panašiai kaip ir 6.2.9 punkte, išmatuokite 10 bandinių varžą, kartu nustatydami kiekvieno mėginio temperatūrą, kurioje buvo matuojama. Duomenys turėtų būti įvesti 3 lentelėje. Perjunkite „N pavyzdį“ į pradinę padėtį, o daugiklį - į vidurinę padėtį.

6.2.12 Toliau šildykite termostatą iki T = 65 ºС, nuleisdami ventiliatoriaus gaubtą. Išjunkite termostatą, BI jungiklis K2 yra tinkamoje padėtyje (raudona lemputė nedega).

6.2.13 perjunkite jungiklį K4 „darbo režimas“ į 2 padėtį į BI ir daugiklį į padėtį 1: 1, pakelkite ventiliatoriaus dangtį.

6.2.14 Pakaitomis atlikite matavimus R1, R2, R3, R4 kas 5–10 iki temperatūros (25–30) С ir įveskite duomenis į 4 lentelę. Kai temperatūra pasiekia (25–30) ℃, nustatykite daugiklio jungiklį - vidurinėje padėtyje, tada išjunkite tinklą abiejuose įrenginiuose. (1 vario, 2-nikelio, 3-konstanto, 4-nichromo).

Ataskaitoje turėtų būti:

Darbo tikslas;

Trumpas įrengimo schemos aprašymas;

Darbo formulės, paaiškinimai, skaičiavimo pavyzdžiai;

Eksperimento rezultatai pateikiami lentelės1 (arba 3 ir 4 lentelių) ir dviejų grafikų pavidalu: ρ ir TKS priklausomybės nuo lydinių sudėties sistemoms Cu-Ag ir Cu-Ni, o 6.2.13–6.2.16 dalims - atsparumo (R) priklausomybė nuo t ℃ keturiems mėginiams;

Išvados pagrįstos eksperimento rezultatais ir rekomenduojamos literatūros studijomis.

3 lentelė. Ρ ir TKS priklausomybės nuo lydinio sudėties tyrimas

Laidininko ilgis L = 2m; pjūvis S = 0,053 μm.
;
.

4 lentelė. Mėginio atsparumo priklausomybei nuo temperatūros tyrimas

Literatūra

1 Pasynkov V. V., Sorokin V.S. Elektronikos inžinerijos medžiaga: vadovėlis. - 2-asis ed. - M .: Aukščiau. mokykla., 1986. - 367 p.

2 Elektros medžiagų vadovas / Red. Y.V. Koritsky, V.V. Pasynkova, B.M. Tareeva. - M .: Energoizdat, 1988. v.3.

3 Medžiagos prietaisų ir automatikos srityse. Vadovas / Red. Y.M. Pyatina, - M .: Mashinostroenie, 1982 m.

4 Bondarenko G. G., Kabanova T. A., Rybalko V. V. Medžiagų mokslas.- M .: „Yurayt“ leidykla, 2012. 359 p.

ρ · 10 2, TKS · 10 3,

µohm · m 1 / kruša

Ag 100 80 60 40 20 0

Cu 0 20 40 60 80 100

ρ · 10, TKS,

µohm · m 1 / kruša.

Cu 100 80 60 40 20 0

Ni 0 20 40 60 80 100

Tvarkaraštis mokytojui - Kiršina I.A. - doc., Dr.

Beveik visų medžiagų elektrinė varža priklauso nuo temperatūros. Skirtingoms medžiagoms šios priklausomybės pobūdis yra skirtingas.

Metaluose, turinčiuose kristalinę struktūrą, laisvą elektronų, kaip įkrovos nešėjų, kelią riboja jų susidūrimai su jonais, esančiais kristalinės gardelės vietose. Susidūrimų metu kinetinė elektronų energija perduodama grotelėms. Po kiekvieno susidūrimo elektronai, veikiami elektrinio lauko jėgų, vėl įgauna greitį ir tolesnių susidūrimų metu įgyja energiją kristalinės gardelės jonams, padidindami jų virpesius, dėl ko padidėja medžiagos temperatūra. Taigi elektronai gali būti laikomi tarpininkais keičiant elektros energiją į šilumą. Temperatūros padidėjimas lydimas chaotiško šiluminių medžiagų dalelių judėjimo padidėjimo, dėl kurio padidėja elektronų susidūrimų su jais skaičius ir kliudoma tvarkingam elektronų judėjimui.

Daugelio metalų darbinė temperatūra varža didėja tiesiškai.

kur ir - savitasis atsparumas pradinėje ir galutinėje temperatūrose;

- šio metalo koeficiento konstanta, vadinama temperatūros varžos koeficientu (TKS);

T1i T2 - pradinė ir galutinė temperatūra.

Antros rūšies laidininkams padidėjus temperatūrai padidėja jų jonizacija, todėl šio tipo laidininkų TKS yra neigiamas.

Medžiagų ir jų TKS varžos vertės pateiktos žinynuose. Paprastai atsparumo vertės paprastai nurodomos esant +20 ° C temperatūrai.

Laidininko varžą lemia išraiška

R2 = R1
(2.1.2)

3 užduotis

Nustatykite varinės vielos dviejų laidų perdavimo linijos varžą esant + 20 ° C ir +40 ° C, jei laido skerspjūvis S =

120 mm o linijos ilgis yra l = 10 km.

Sprendimas

Pagal atskaitos lenteles nustatome varžą varis esant + 20 ° C ir temperatūros atsparumo koeficientas :

= 0,0175 omo mm / m; = 0,004 laipsniai .

Pagal formulę R = apskaičiuokite laido varžą esant T1 = +20 ° C , atsižvelgiant į linijos priekinės ir atbulinės eigos laidų ilgį:

R1 = 0, 0175
2 = 2 917 omų.

Laidų atsparumas esant + 40 ° C temperatūrai nustatomas pagal formulę (2.1.2):

R2 = 2,917 = 3,15 omai.

Užduotis

Oro trijų laidų linija, kurios ilgis L, padaryta viela, kurios ženklas pateiktas 2.1 lentelėje. Pateiktame pavyzdyje reikia rasti reikšmę, nurodytą „?“ Ženklu, ir parinkti variantą su duomenimis, nurodytais 2.1 lentelėje.

Reikėtų pažymėti, kad problema, priešingai nei pavyzdys, numato skaičiavimus, susijusius su viena viela. Neizoliuotų laidų klasėse raidė nurodo vielos medžiagą (A - aliuminis; M - varis), o skaičius - vielos skerspjūvįmm .

2.1 lentelė

Temos medžiagos studijos baigiamos darbu su bandymais Nr. 2 (TOE-

ETM / PM “ir numeris 3 (TOE - ETM / IM)

Laidininko dalelės (molekulės, atomai, jonai), kurios nedalyvauja formuojant srovę, yra šiluminio judėjimo metu, o dalelės, kurios sudaro srovę, tuo pačiu metu yra šiluminiu ir kryptiniu judesiu veikiant elektriniam laukui. Dėl to tarp dalelių, kurios sudaro srovę, ir dalelių, kurios nedalyvauja jos formavime, įvyksta daugybė susidūrimų, kurių metu pirmieji suteikia dalį srovės šaltinio energijos, kurią jie perduoda kitai. Kuo daugiau susidūrimų, tuo lėtesnis yra srovės formuojančių dalelių judėjimo greitis. Kaip matyti iš formulės I = enνS, greičio sumažėjimas lemia srovės sumažėjimą. Kviečiamas skaliarinis kiekis, apibūdinantis laidininko savybę mažinti srovės stiprį laidininko pasipriešinimas.   Iš Ohmo dėsnio formulės - pasipriešinimas Ohm - laidininko pasipriešinimas, kuriame jėga gaunama srovė 1 a   esant įtampai laidininko galuose per 1 colį.

Laidininko varža priklauso nuo jo ilgio l, skerspjūvio S ir medžiagos, kuriai būdinga varža Kuo ilgesnis laidininkas, tuo daugiau laiko vienetų dalelių, sudarančių srovę, susiduria su dalelėmis, nedalyvaujančiomis jos formavime, todėl didesnis laidininko atsparumas. Kuo mažesnis laidininko skerspjūvis, tuo tankesnis dalelių srautas, formuojantis srovę, ir kuo dažniau jos susiduria su dalelėmis, nedalyvaujančiomis jos formavime, todėl didesnis laidininko atsparumas.

Veikiant elektriniam laukui, dalelės, kurios sudaro srovę tarp susidūrimų, greitai juda, padidindamos kinetinę energiją dėl lauko energijos. Susidūrę su dalelėmis, kurios nesudaro srovės, jos perduoda dalį savo kinetinės energijos. Dėl to padidėja laidininko vidinė energija, kuri išoriškai pasireiškia jo kaitinimu. Apsvarstykite, ar kinta laidininko varža.

Elektros grandinėje yra plieninės vielos ritė (eilutė, 81 pav., A). Uždarę grandinę, mes pradėsime šildyti laidą. Kuo daugiau mes jį šildysime, tuo mažiau bus rodoma amperais. Jo sumažėjimas atsiranda dėl to, kad kaitinant metalus, jų atsparumas didėja. Taigi, lemputės plaukų pasipriešinimas, kai jie nėra, yra maždaug 20 omųkol degė (2900 ° C) - 260 omų. Kai metalas kaitinamas, didėja šiluminis elektronų judesys ir jonų svyravimo greitis kristalinėje gardelėje, dėl to didėja elektronų, sudarančių srovę, jonų skaičius. Tai padidina laidininko atsparumą *. Metaluose laisvieji elektronai yra labai stipriai surišti su jonais, todėl šildant metalus laisvųjų elektronų skaičius beveik nesikeičia.

* (Remiantis elektronine teorija, neįmanoma apskaičiuoti tikslaus atsparumo priklausomybės nuo temperatūros dėsnio. Tokį dėsnį nustato kvantinė teorija, kurioje elektronas laikomas dalelėmis, turinčiomis bangų savybes, o laidžiojo elektrono judėjimas per metalą yra elektronų bangų plitimo procesas, kurio ilgį lemia de Broglie santykis.)

Eksperimentai rodo, kad kai skirtingų medžiagų laidininkų temperatūra keičiasi tuo pačiu laipsnių skaičiumi, jų varža kinta nevienodai. Pavyzdžiui, jei vario laidininkas turėjo atsparumą 1 omastada įkaitinus 1 ° C   jis turės pasipriešinimą 1004 omaiir volframas - 1005 omai Norint apibūdinti laidininko atsparumą jo temperatūrai, įvedamas kiekis, vadinamas temperatūros atsparumo koeficientu. Skaliarinis dydis, išmatuotas laidininko pasipriešinimo pokyčiu 1 omu, esant 0 ° C, nuo jo temperatūros pokyčio 1 ° C, vadinamas temperatūros atsparumo koeficientu α. Taigi volframo atveju šis koeficientas yra lygus 0,005 laipsniai -1variui - 0,004 laipsniai -1.   Temperatūros atsparumo koeficientas priklauso nuo temperatūros. Metalams ji mažai kinta priklausomai nuo temperatūros. Esant nedideliam temperatūros diapazonui, ši medžiaga laikoma pastovia.

Mes išvedame formulę, kuri apskaičiuoja laidininko varžą, atsižvelgiant į jo temperatūrą. Tarkime, kad R 0   - laidininko varža esant 0 ° Ckai kaitinamas 1 ° C   jis padidės αR 0, ir kai kaitinamas t °   - įjungta αRt °   ir tampa R = R 0 + αR 0 t °arba

Į metalų atsparumo temperatūrai priklausomybę atsižvelgiama, pavyzdžiui, gaminant elektrinių šildytuvų, lempų spiralę: spiralinės vielos ilgis ir leistina srovės stipris apskaičiuojami pagal jų varžą įkaitintoje būsenoje. Metalų atsparumo temperatūrai priklausomybė naudojama pasipriešinimo termometruose, kurie naudojami šiluminių variklių, dujų turbinų, aukštakrosnių metalų ir kt. Temperatūrai matuoti. Šis termometras susideda iš plonos platinos (nikelio, geležies) ritės, suvyniotos ant rėmo, pagaminto iš porceliano ir padėto. apsauginiu atveju. Jo galai yra įtraukti į elektros grandinę su ampermetru, kurio skalė yra graduota laipsniais. Kai spiralė įkaista, srovė grandinėje sumažėja, todėl ampermetro adata juda, o tai rodo temperatūrą.

Šios srities atsparumo atvirkštinė dalis vadinama grandine elektros laidumo laidininkas   (elektros laidumas). Laidininko laidumas Kuo didesnis laidininko laidumas, tuo mažesnis jo pasipriešinimas ir tuo geriau jis laido srovę. Laidumo vieneto pavadinimas   Laidininko atsparumas 1 omas   paskambino siemens

Mažėjant temperatūrai, metalų atsparumas mažėja. Bet yra metalų ir lydinių, kurių kiekvieno metalo ir lydinio atsparumas mažu šuoliu staiga sumažėja ir tampa nykstančiai mažas - beveik lygus nuliui (81 pav., B). Ateina superlaidumas - laidininkas praktiškai neturi varžos ir ilgą laiką jame sužadinta srovė egzistuoja, kai laidininkas yra superlaidumo temperatūroje (viename iš eksperimentų srovė buvo stebima daugiau nei metus). Kai per superlaidininką perduodama srovė 1200 a / mm 2   šilumos išsiskyrimas nebuvo stebimas. Monovalentiniai metalai, kurie yra geriausi srovės laidininkai, iki ypač žemos temperatūros, kurioje buvo atlikti eksperimentai, nepraleidžia superlaidžio būsenos. Pavyzdžiui, šiuose eksperimentuose varis buvo aušinamas iki 0,0156 ° K,   auksas - į 0,0204 ° K.   Jei būtų įmanoma gauti lydinius, turinčius superlaidumą esant įprastoms temperatūroms, tai turėtų didelę reikšmę elektrotechnikai.

Remiantis šiuolaikinėmis koncepcijomis, pagrindinė superlaidumo priežastis yra surištų elektronų porų susidarymas. Esant superlaidumo tarp laisvųjų elektronų temperatūrai, pradeda veikti mainų jėgos, dėl kurių elektronai gali sudaryti surištas elektronų poras. Tokios elektronų dujos iš surištų elektronų porų turi skirtingas savybes nei įprastos elektronų dujos - jos juda superlaidininku be trinties apie gardelių vietas.