Palielinoties vadītāja temperatūrai, palielinās brīvo elektronu un atomu sadursmju skaits. Tāpēc vidējais virziena elektronu ātrums samazinās, kas atbilst vadītāja pretestības palielinājumam.

No otras puses, palielinoties temperatūrai, palielinās brīvo elektronu un jonu skaits uz diriģenta tilpuma vienību, kas noved pie vadītāja pretestības samazināšanās.

Atkarībā no viena vai otra faktora izplatības, palielinoties temperatūrai, pretestība vai nu palielinās (metāli), vai samazinās (ogles, elektrolīti) vai gandrīz nemainās (metāla sakausējumi, piemēram, mangaīns).

Ar nelielām temperatūras izmaiņām (0–100 ° C) lielākajai daļai metālu relatīvais pretestības pieaugums, kas atbilst apkurei par 1 ° C, ko sauc par temperatūras pretestības koeficientu a, paliek nemainīgs.

Apzīmējot - pretestību temperatūrās, mēs varam uzrakstīt pretestības relatīvā pieauguma izteiksmi temperatūras paaugstināšanās laikā no līdz:

Dažādu materiālu temperatūras pretestības koeficienta vērtības ir norādītas tabulā. 2-2.

No izteiksmes (2-18) izriet, ka

Iegūtā formula (2-20) ļauj noteikt stieples (tinuma) temperatūru, ja tās pretestību mēra pie dotajām vai zināmajām vērtībām.

2-3 piemērs. Nosakiet gaisa nūju vadu pretestību temperatūrās, ja līnijas garums ir 400 m, un vara stiepļu šķērsgriezumu

Līnijas vadu pretestība temperatūrā

Metālu pretestība un līdz ar to pretestība ir atkarīga no temperatūras, palielinoties līdz ar tās augšanu. Diriģenta pretestības atkarība no temperatūras ir izskaidrojama ar to, ka

1. lādiņnesēju izkliedes intensitāte (sadursmju skaits) palielinās, palielinoties temperatūrai;
2. to koncentrācija mainās, kad vadītājs tiek uzkarsēts.

Pieredze rāda, ka ne pārāk augstās un ne pārāk zemās temperatūrās pretestības un vadītāju pretestības atkarību no temperatūras izsaka ar formulām:

   \\ (~ \\ rho_t \u003d \\ rho_0 (1 + \\ alfa t), \\) \\ (~ R_t \u003d R_0 (1 + \\ alfa), \\)

kur ρ 0 , ρ   t ir attiecīgi vadītājas vielas pretestība 0 ° C un t  ° C; R 0 , R  t ir vadītāja pretestība 0 ° C un t  ° C α   - temperatūras pretestības koeficients: mēra SI Kelvinā līdz mīnus pirmā pakāpe (K -1). Metāla vadītājiem šīs formulas piemēro, sākot no temperatūras 140 K un augstāk.

Temperatūras koeficients  Vielas pretestība raksturo pretestības izmaiņu atkarību no karsēšanas no vielas veida. Skaitliski tas ir vienāds ar vadītāja pretestības (pretestības) relatīvajām izmaiņām, kad to silda ar 1 K.

   \\ (~ \\ mathcal h \\ alfa \\ mathcal i \u003d \\ frac (1 \\ cdot \\ Delta \\ rho) (\\ rho \\ Delta T), \\)

kur \\ (~ \\ mathcal h \\ alpha \\ mathcal i \\) ir pretestības koeficienta vidējā vērtība intervālā Δ Τ .

Visiem metāla vadītājiem α   \u003e 0 un nedaudz mainās līdz ar temperatūru. Tīri metāli α   \u003d 1/273 K -1. Metālos brīvo lādiņu nesēju (elektronu) koncentrācija n  \u003d const un palielinās ρ   rodas brīvo elektronu izkliedes intensitātes palielināšanās dēļ uz kristāla režģa joniem.

Elektrolītu šķīdumiem α < 0, например, для 10%-ного раствора поваренной соли α   \u003d -0,02 K -1. Elektrolītu pretestība samazinās, palielinoties temperatūrai, jo brīvo jonu skaita palielināšanās molekulu disociācijas dēļ pārsniedz jonu izkliedes pieaugumu sadursmēs ar šķīdinātāja molekulām.

Atkarības formulas ρ   un R  elektrolītu temperatūra ir līdzīga iepriekšminētajām formulām metāla vadītājiem. Jāatzīmē, ka šī lineārā atkarība tiek saglabāta tikai nelielā temperatūru diapazonā, kurā α   \u003d const. Lielos temperatūras maiņas intervālos elektrolītu pretestības atkarība no temperatūras kļūst nelineāra.

Grafiski metāla vadītāju un elektrolītu pretestības temperatūras atkarība ir parādīta 1., a, b attēlā.

Ļoti zemā temperatūrā, tuvu absolūtai nullei (-273 ° С), daudzu metālu pretestība pēkšņi pazeminās līdz nullei. Šī parādība tiek saukta supravadītspēja. Metāls nonāk supravadošā stāvoklī.

Pretestības termometros izmanto metāla pretestības atkarību no temperatūras. Parasti par tāda termometra termometrisko korpusu ņem platīna stiepli, kura pretestības atkarība no temperatūras ir pietiekami izpētīta.

Temperatūras izmaiņas vērtē pēc stieples pretestības izmaiņām, ko var izmērīt. Šādi termometri ļauj izmērīt ļoti zemu un ļoti augstu temperatūru, ja parastie šķidrie termometri nav piemēroti.

Literatūra

Aksenovičs L. A. Fizika vidusskolā: teorija. Uzdevumi. Pārbaudes: mācību grāmata. pabalsts iestādēm, kas sniedz vispārējus maksājumus. vides, izglītība / L. A. Aksenovičs, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn: Adukatsy I vykhavanne, 2004. - C. 256-257.

Ideālā kristālā vidējais elektronu brīvais ceļš ir bezgalība, un pretestība elektriskajai strāvai ir nulle. Šīs pozīcijas apstiprinājums ir fakts, ka tīru atkvēlinātu metālu pretestībai ir tendence uz nulli, kad temperatūra tuvojas absolūtai nullei. Elektrona īpašībai brīvi pārvietoties ideālā kristāla režģī klasiskajā mehānikā nav analoga. Izkliedēšana, kas izraisa pretestības parādīšanos, rodas, ja režģī ir strukturāli defekti.

Ir zināms, ka efektīva viļņu izkliede notiek, ja izkliedes centru lielums (defekti) pārsniedz ceturto daļu no viļņa garuma. Metālos vadīšanas elektronu enerģija ir 3 - 15 eV. Šai enerģijai atbilst viļņa garums no 3 līdz 7. Tāpēc jebkura struktūras mikrohomogēnijas kavē elektronu viļņu izplatīšanos un palielina materiāla pretestību.

Tīros perfektas struktūras metālos vienīgais iemesls, kas ierobežo elektronu vidējo brīvo ceļu, ir atomu termiskā vibrācija kristāla režģa vietās. Metāla elektrisko pretestību termiskā koeficienta dēļ apzīmē ar ρ siltumu. Ir diezgan acīmredzami, ka, paaugstinoties temperatūrai, palielinās atomu termisko vibrāciju amplitūdas un ar tām saistītās režģa periodiskā lauka svārstības. Un tas, savukārt, palielina elektronu izkliedi un izraisa pretestības palielināšanos. Lai kvalitatīvi noteiktu pretestības atkarību no temperatūras, izmantojam šādu vienkāršoto modeli. Izkliedes intensitāte ir tieši proporcionāla sfēriskā tilpuma šķērsgriezumam, ko aizņem vibrējošais atoms, un šķērsgriezuma laukums ir proporcionāls termisko vibrāciju amplitūdas kvadrātam.

Atoma potenciālo enerģiju, kuru novirza ∆а  no režģa vietas, nosaka ar izteiksmi

, (9)

kur ktr ir elastīgās saites koeficients, kam ir tendence atgriezt atomu līdzsvara stāvoklī.

Saskaņā ar klasisko statistiku, viendimensionālā harmoniskā oscilatora (svārstīgā atoma) vidējā enerģija ir vienāda ar kT.

Pamatojoties uz to, mēs rakstām šādu vienlīdzību:

Ir viegli pierādīt, ka N atomu elektronu vidējais brīvais ceļš ir apgriezti proporcionāls temperatūrai:

(10)

Jāatzīmē, ka zemā temperatūrā iegūtā attiecība nav apmierināta. Fakts ir tāds, ka, pazeminoties temperatūrai, var samazināties ne tikai atomu termisko vibrāciju amplitūdas, bet arī vibrāciju frekvences. Tāpēc zemā temperatūrā elektronu izkliede ar režģa vietņu termiskām vibrācijām kļūst neefektīva. Elektrona mijiedarbība ar svārstīgo atomu tikai nedaudz maina elektrona impulsu. Tīkla atomu vibrācijas teorijā temperatūra tiek aplēsta attiecībā pret noteiktu raksturīgo temperatūru, ko sauc par Debye temperatūru ΘD. Debye temperatūra nosaka maksimālo termisko vibrāciju biežumu, ko var ierosināt kristālā:

Šī temperatūra ir atkarīga no saķeres spēkiem starp kristāla režģa mezgliem un ir svarīgs cietas vielas parametrs.

T   D  metālu pretestība lineāri mainās atkarībā no temperatūras (6. attēls, III sadaļa).

Kā rāda eksperiments, temperatūras atkarības т (T) lineāra tuvināšana ir derīga arī līdz (2/3) temperatures temperatūrai. Dkur kļūda nepārsniedz 10%. Lielākajai daļai metālu raksturīgā debija temperatūra nepārsniedz 400–450 K. Tāpēc lineārā tuvināšana parasti ir spēkā temperatūrā no istabas temperatūras un augstāk. Zemas temperatūras reģionā (T D), kur pretestības samazinājums ir saistīts ar pakāpenisku arvien vairāk un vairāk jaunu termisko vibrāciju (fononu) frekvenču novēršanu, teorija paredz jaudas likuma atkarību  т 5. Fizikā šo attiecību sauc par Bloha-Grüneisen likumu. Temperatūras diapazons, kurā pastāv straujš jaudas likums  т (Т), parasti ir diezgan mazs, un eksponenta eksperimentālās vērtības ir diapazonā no 4 līdz 6.

Šaurā I apgabalā, kurā ietilpst vairāki kelvini, supravadītspējas stāvoklis var rasties vairākiem metāliem (sk. Zemāk), un attēlā parādīts pretestības lēciens T sv temperatūrā. Tīros, nevainojamas struktūras metālos, kad temperatūra tiecas uz labu, arī pretestībai ir tendence uz 0 (punktēta līkne), un vidējais brīvais ceļš ir tendence līdz bezgalībai. Pat parastās temperatūrās metālu vidējais elektronu brīvais ceļš ir simtiem reižu lielāks nekā attālums starp atomiem (2. tabula).

6. attēls - Metāla vadītāja pretestības atkarība no temperatūras plašā temperatūras diapazonā: a, b, c - dažādu izkausētu metālu pretestības izmaiņas

2. tabula - Elektronu vidējais brīvais ceļš vairākiem metāliem 0 ° C temperatūrā

II pārejas reģionā pretestība ρ (T) strauji palielinās, kur n var būt līdz 5 un pakāpeniski samazinās, palielinoties temperatūrai  līdz 1 pie T \u003d  D.

Lineārā sekcija (III reģions) atkarībai no temperatūras  (T) lielākajai daļai metālu sniedzas līdz temperatūrai, kas ir tuvu kušanas temperatūrai. Izņēmums no šī noteikuma ir feromagnētiskie metāli, kuros notiek papildu elektronu izkliede ar centrifugēšanas traucējumiem. Netālu no kušanas temperatūras, t.i. IV reģionā, kura sākumu 6. attēlā norāda temperatūra T nl, un parastos metālos var novērot zināmu novirzi no lineārās atkarības.

Pārejot no cietas uz šķidru, lielākajai daļai metālu pretestība palielinās apmēram 1,5 līdz 2 reizes, kaut arī ir neparasti gadījumi: vielām ar sarežģītām kristāla struktūrām, piemēram, bismutu un galliju, kausēšanai pievieno .

Eksperiments atklāj šādu modeli: ja metāla kausēšanai pievieno apjoma palielināšanos, tad pretestība palielinās pakāpeniski; metāliem ar pretējām tilpuma izmaiņām ρ samazinās.

Kušanas laikā nav būtisku izmaiņu ne brīvo elektronu skaitā, ne to mijiedarbībā. Izšķirošo ietekmi uz ρ izmaiņām ietekmē nesakārtotie procesi, tālākās atomu sakārtošanas kārtības pārkāpums. Dažu metālu (Ga, Bi) uzvedībā novērotās anomālijas var izskaidrot ar kompresijas moduļa palielināšanos šo vielu kausēšanas laikā, kam jāpapildina ar atomu termisko vibrāciju amplitūdas samazināšanos.

Relatīvās pretestības izmaiņas ar temperatūras izmaiņām vienā kelvinā (grādos) sauc par pretestības temperatūras koeficientu:

(11)

Pozitīvā α ρ zīme atbilst gadījumam, kad pretestība noteiktā punkta tuvumā palielinās, palielinoties temperatūrai. Daudzums α ρ ir arī temperatūras funkcija. Lineārās atkarības ρ (Т) apgabalā izteiksme

kur ρ 0 un α ρ ir pretestības un temperatūras pretestības koeficients, kas norādīts uz temperatūras diapazona sākumu, t.i. temperatūra T0; ρ pretestība T temperatūrā.

Attiecība starp pretestības un pretestības temperatūras koeficientiem ir šāda:

(13)

kur α 0 ir šī rezistora pretestības temperatūras koeficients; α 1 - pretestības elementa materiāla temperatūras izplešanās koeficients.

Tīriem metāliem α ρ \u003e\u003e α 1, tāpēc tiem ir α ρ≈ α R. Tomēr termostabiliem metāla sakausējumiem šī tuvināšana ir netaisnīga.

3 Piemaisījumu un citu strukturālu defektu ietekme uz metālu pretestību

Kā atzīmēts, elektronu viļņu izkliedes iemesli metālā ir ne tikai režģa vietu termiskās vibrācijas, bet arī statiskie struktūras defekti, kas arī pārkāpj kristāla potenciālā lauka periodiskumu. Izkliede pēc statiskiem struktūras defektiem nav atkarīga no temperatūras. Tāpēc, temperatūrai tuvojoties absolūtai nullei, reālo metālu pretestībai ir tendence uz zināmu nemainīgu vērtību, ko sauc par atlikušo pretestību (6. attēls). Tas nozīmē Mattissen noteikumu par pretestības piedevām:

, (14)

t.i. kopējā metāla pretestība ir pretestības summa, ko izraisa elektronu izkliedēšana ar kristāla režģa mezglu termiskām vibrācijām, un atlikušā pretestība, ko izraisa elektronu izkliedēšana ar statiskiem struktūras defektiem.

Izņēmums no šī noteikuma ir supravadošie metāli, kuru pretestība izzūd zem noteiktas kritiskās temperatūras.

Visnozīmīgākais ieguldījums atlikušajā pretestībā ir piemaisījumu izkliedēšanai, kas reālā vadītājā vienmēr atrodas vai nu kā piesārņojums, vai kā leģējošs (t.i., ar nodomu ieviests) elements. Jāatzīmē, ka jebkura piemaisījumu piedeva izraisa  palielināšanos, pat ja tai ir paaugstināta vadītspēja salīdzinājumā ar parasto metālu. Tātad 0,01 ieviešana plkst. sudraba piemaisījumu īpatsvars izraisa vara pretestības palielināšanos par 0,002 μm Ohm  m. Eksperimentāli tika noskaidrots, ka pie neliela piemaisījumu satura pretestība palielinās proporcionāli piemaisījumu atomu koncentrācijai.

7. attēlā parādīts Matīssena noteikums, kas parāda, ka tīra vara un tā sakausējumu pretestības temperatūras atkarības no neliela daudzuma (līdz aptuveni 4% no%) indija, antimona, alvas un arsēna ir savstarpēji paralēlas.

7. attēls - vara sakausējumu izturības temperatūras atkarības no cieto šķīdumu veida, kas ilustrē Matisena likumu: 1 - tīra Cu;

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

Dažādiem piemaisījumiem ir atšķirīga ietekme uz metāla vadītāju atlikušo pretestību. Piemaisījumu izkliedes efektivitāti nosaka režģa traucējošais potenciāls, kura vērtība ir augstāka, jo lielāka ir atšķirība starp piemaisījumu atomu un metāla - šķīdinātāja (bāzes) valencēm.

Vienvērtīgajiem metāliem atlikušās pretestības izmaiņas par 1% piemaisījumu (elektriskās pretestības "piemaisījuma" koeficients) atbilst Lindes noteikumam:

, (15)

kur a un b ir konstantes atkarībā no metāla rakstura un perioda, kurā piemaisījumu atoms aizņem periodisko elementu sistēmu;  Z  - atšķirība starp metāla šķīdinātāja un piemaisījuma atomu valencēm.

No 15. formulas izriet, ka metalloīdu piemaisījumu ietekme uz vadītspējas samazināšanos ir spēcīgāka nekā metāla elementu piemaisījumu ietekme.

Papildus piemaisījumiem zināmu ieguldījumu atlikušajā pretestībā rada arī viņu pašu strukturālie defekti - vakances, intersticiāli atomi, dislokācijas un graudu robežas. Punkta defektu koncentrācija eksponenciāli palielinās līdz ar temperatūru un var sasniegt augstas vērtības kušanas temperatūras tuvumā. Turklāt vakances un intersticiāli atomi viegli rodas materiālā, kad tas tiek apstarots ar augstas enerģijas daļiņām, piemēram, neitroniem no reaktora vai joniem no paātrinātāja. Pēc izmērītās pretestības vērtības var spriest par režģa radītā bojājuma pakāpi. Tādā pašā veidā var izsekot apstarotā parauga reducēšanai (atkvēlināšanai).

Vara atlikušās pretestības izmaiņas par 1% procentpunktiem ir šādas: vakanču gadījumā no 0,010 līdz 0,015 μOhm  Ohm; intersticiālu atomu gadījumā 0,005–0,010 μOhm  omu.

Atlikušā pretestība ir ļoti jutīga metālu ķīmiskās tīrības un struktūras pilnības īpašība. Praksē, strādājot ar īpaši augstas tīrības pakāpes metāliem, mēra pretestības attiecību istabas temperatūrā un šķidrā hēlija temperatūru, lai novērtētu piemaisījumu saturu:

Jo tīrāks metāls, jo lielāka ir  vērtība. Tīrākajos metālos (tīrības pakāpe 99,99999%) parametra  vērtība ir aptuveni 10 5.

Lielu ietekmi uz metālu un sakausējumu pretestību ietekmē deformācijas, ko rada stresa stāvoklis. Tomēr šīs ietekmes pakāpi nosaka spriegumu raksturs. Piemēram, ar visaptverošu saspiešanu lielākajā daļā metālu pretestība samazinās. Tas izskaidrojams ar atomu pieeju un režģa termisko vibrāciju amplitūdas samazināšanos.

Plastmasas deformācija un sacietēšana vienmēr palielina metālu un sakausējumu pretestību. Tomēr šis pieaugums, pat ar ievērojamu tīru metālu sacietēšanu, ir daži procenti.

Termiskā slāpēšana palielina , kas ir saistīta ar režģa kropļojumiem un iekšējo spriegumu parādīšanos. Pārkristalizācijas laikā, termiski apstrādājot (atkvēlinot), pretestību var samazināt līdz sākotnējai vērtībai, jo defekti ir izdziedināti un iekšējie spriegumi mazināti.

Cieto šķīdumu specifika ir tāda, ka  var ievērojami (daudzas reizes) pārsniegt termisko komponentu.

Daudziem divkomponentu sakausējumiem change ost izmaiņas atkarībā no kompozīcijas ir labi aprakstītas ar parabolisko formas atkarību

kur C ir konstante atkarībā no sakausējuma veida; x a un x in ir sakausējuma sastāvdaļu atomu frakcijas.

Attiecība 16 tika saukta par Nordheima likumu. No tā izriet, ka bināros A – B cietajos šķīdumos atlikušā pretestība palielinās gan tad, kad B atomi tiek pievienoti metālam A (ciets šķīdums ), gan tad, kad A atomi tiek pievienoti metālam B (ciets šķīdums ), un šīm izmaiņām raksturīga simetriska līkne . Nepārtrauktā cieto šķīdumu sērijā pretestība ir lielāka, jo tālāk kompozīcijā sakausējums tiek atdalīts no tīriem komponentiem. Atlikušā pretestība sasniedz maksimālo vērtību ar vienādu katras sastāvdaļas saturu (x a \u003d x in \u003d 0,5).

Nordheima likumā diezgan precīzi aprakstītas nepārtrauktu cieto šķīdumu pretestības izmaiņas, ja fāžu pārejas netiek novērotas, mainoties sastāvam, un neviens no to komponentiem nav starp pārejas vai retzemju elementiem. Šādu sistēmu piemērs ir sakausējumi Au - Ag, Cu - Ag, Cu - Au, W - Mo utt.

Cietie šķīdumi, kuru sastāvdaļas ir pārejas grupas metāli, izturas nedaudz savādāk (8. attēls). Šajā gadījumā pie lielām komponentu koncentrācijām tiek novērota ievērojami lielāka atlikušā pretestība, kas saistīta ar valences elektronu daļas pāreju uz pārejas metāla atomu iekšējiem nepiepildītajiem d - apvalkiem. Turklāt šādos sakausējumos maksimālā  bieži atbilst koncentrācijām, kas nav 50%.

8. attēls - Vara-niķeļa sakausējumu pretestības (1) un pretestības temperatūras koeficienta (2) atkarība no sastāvdaļu procentuālās daļas

Jo augstāka ir sakausējuma pretestība, jo zemāks ir tā ρ. Tas izriet no fakta, ka cietos šķīdumos  parasti parasti pārsniedz  t un nav atkarīgs no temperatūras. Saskaņā ar temperatūras koeficienta definīciju

(17)

Ņemot vērā to, ka tīro metālu α ρ nedaudz atšķiras viens no otra, izteiksmi 17 var viegli pārveidot šādā formā:

(18)

Koncentrētos cietos šķīdumos  parasti ir lieluma pakāpe vai lielāka par ρ t, tāpēc α ρ spl var būt ievērojami zemāks nekā tīra metāla α ρ. Tas ir pamats, lai iegūtu termostabilus vadītspējīgus materiālus. Daudzos gadījumos sakausējumu pretestības atkarība no temperatūras izrādās sarežģītāka nekā tā, kas izriet no vienkāršas piedevas regularitātes. Sakausējumu pretestības temperatūras koeficients var būt ievērojami zemāks, nekā prognozēts ar attiecību 18. Atklātās anomālijas skaidri izpaužas vara-niķeļa sakausējumos (8. attēls). Dažos sakausējumos ar noteiktu sastāvdaļu attiecību tiek novērots negatīvs α ρ (konstantam).

Šādas izmaiņas ρ un α ρ, salīdzinot ar sakausējumu sastāvdaļu procentuālo daudzumu, acīmredzot, izskaidrojams ar to, ka sakausējumus ar sarežģītāku sastāvu un struktūru salīdzinājumā ar tīrajiem metāliem nevar uzskatīt par klasiskajiem metāliem. Viņu vadītspējas izmaiņas izraisa ne tikai brīvo elektronu vidējā brīvā ceļa izmaiņas, bet dažos gadījumos arī daļējs lādiņnesēju koncentrācijas pieaugums, palielinoties temperatūrai. Sakausējumam, kurā vidējā brīvā ceļa samazināšanos ar temperatūras paaugstināšanos kompensē lādiņnesēju koncentrācijas palielināšanās, izturības koeficients ir nulle temperatūrā.

Atšķaidītos šķīdumos, kad kādai no sastāvdaļām (piemēram, sastāvdaļai B) ir raksturīga ļoti zema koncentrācija un to var uzskatīt par piemaisījumu, 16. formulā bez precizitātes zaudēšanas var ievietot (1-x in) 1. Tad nonāk pie lineāras attiecības starp atlikušo pretestību un piemaisījumu atomu koncentrāciju metālā:

,

kur konstante C raksturo atlikušās pretestības koeficienta izmaiņas par 1 piemaisījumu%.

Daži sakausējumi parasti veido pasūtītas struktūras, ja to ražošanas laikā tiek saglabātas noteiktas proporcijas. Pasūtīšanas iemesls ir atšķirīgu atomu spēcīgāka ķīmiskā mijiedarbība, salīdzinot ar tāda paša veida atomiem. Konstrukcija ir sakārtota zem noteiktas raksturīgās temperatūras T cr, ko sauc par kritisko temperatūru (vai Kurnakova temperatūru). Piemēram, sakausējums, kas satur 50 at. % Cu un 50 pie. % Zn ( - misiņš) ir uz ķermeni vērsta kubiskā struktūra. Temperatūrā T the 360 \u200b\u200b,C vara un cinka atomi ir nejauši un statistiski sadalīti pa režģa vietām.

Cieto vielu elektriskās pretestības iemesls nav brīvo elektronu sadursme ar režģa atomiem, bet gan to izkliedēšana pēc strukturāliem defektiem, kas ir atbildīgi par translatīvās simetrijas pārkāpumu. Pasūtot cietu šķīdumu, tiek atjaunots režģa atomu kompozīcijas elektrostatiskā lauka periodiskums, kā dēļ palielinās elektronu vidējais brīvais ceļš un papildu pretestība gandrīz pilnībā izzūd, pateicoties izkliedei uz sakausējuma mikrohomogēnām īpašībām.

4 Metāla plēvju biezuma ietekme uz īpatnējo virsmas pretestību un tās temperatūras koeficientu

Integrēto shēmu ražošanā savienojumiem, spilventiņiem, kondensatoru plāksnēm, induktīvajiem, magnētiskajiem un pretestības elementiem tiek izmantotas metāla plēves.

Filmu struktūra atkarībā no kondensācijas apstākļiem var atšķirties no amorfā kondensāta līdz epitaksiālajām filmām - perfekta viena kristāla slāņa struktūrām. Turklāt metāla plēvju īpašības ir saistītas ar izmēra efektiem. Tātad to ieguldījums elektriskajā vadītspējā ir ievērojams, ja plēves biezums ir proporcionāls l.

9. attēlā parādītas plānas plēves virsmas pretestības ρ s un temperatūras koeficienta α ρ tipiskās atkarības no plēves biezuma. Tā kā sakarības ir strukturālas (garums l, platums b, plēves biezums h) un tehnoloģiskas

() plānslāņu rezistora (TPR) parametrus nosaka ar vienādojumu:

,

kur ρ s \u003d ρ / h ir kvadrāta pretestība (vai īpatnējā virsmas pretestība), tad ρ s vietā izmantosim tradicionālo apzīmējumu  un  ρ s vietā  ρ.

9. attēls - the un  izmaiņu raksturs no plēves biezuma h

Metāla plēvju izaugsmi pavada četri posmi:

I ir metāla salu veidošanās un augšana (mehānismi, kas ir atbildīgi par lādiņa pārnešanu, ir termiskā emisija un elektronu tunelēšana, kas atrodas virs Fermi līmeņa. Pamatnes reģionu, kuru nav metāla plēvju, virsmas pretestība samazinās, palielinoties temperatūrai, kas noved pie maza biezuma plēvju negatīva   );

II - salu kontakts viens ar otru (zīmes change  maiņas brīdis ir atkarīgs no metāla veida, plēves veidošanās apstākļiem, piemaisījumu koncentrācijas, pamatnes virsmas stāvokļa);

III - vadoša tīkla veidošanās, kad samazinās salu lielums un skaits;

IV - nepārtrauktas vadītspējīgas plēves veidošanās, kad vadītspēja un   tuvojas lielapjoma vadītāju vērtībai, taču filmas plēves īpatnējā pretestība tomēr ir lielāka nekā beztaras paraugam, pateicoties lielai defektu koncentrācijai, piemaisījumiem, kas iesprostoti plēvē nogulsnēšanas laikā. Tāpēc plēves, kas oksidētas gar graudu robežām, ir elektriski pārtrauktas, kaut arī fiziski tās ir nepārtrauktas. Veicina growth augšanu un lieluma efektu, samazinoties elektronu vidējam brīvajam ceļam, kad tie tiek atspoguļoti no parauga virsmas.

Plānslāņu rezistoru ražošanā tiek izmantotas trīs materiālu grupas: metāli, metālu sakausējumi, metālkeramika.

5 supravadītspējas fizikālā būtība

Supravadītspējas fenomens ir izskaidrojams ar kvantu teoriju, rodas, kad metāli metālā tiek piesaistīti viens otram. Piesaiste ir iespējama vidē, kurā ir pozitīvi lādēti joni, kuru lauks vājina Kulona atgrūšanās spēkus starp elektroniem. Tikai tie elektroni, kas piedalās elektrovadītspējā, t.i. atrodas netālu no Fermi līmeņa. Elektroni ar pretēju spin saistās pāros, kurus sauc par Kūpera pāriem.

Izšķirošo lomu Kūpera pāru veidošanā spēlē elektronu mijiedarbība ar režģa - fononu termiskajām vibrācijām, kuras tā var gan absorbēt, gan ģenerēt. Viens no elektroniem mijiedarbojas ar režģi - to uzbudina un maina impulsu; cits elektrons, mijiedarbojoties, pārnes to normālā stāvoklī un arī maina impulsu. Rezultātā režģa stāvoklis nemainās, un elektroni apmainās ar siltumenerģijas - fononu kvantām. Fononu apmaiņas mijiedarbība rada pievilcīgus spēkus starp elektroniem, kas ir pārāki par Kulona atgrūšanos. Fononu apmaiņa notiek nepārtraukti.

Elektrons, kas pārvietojas caur režģi, to polarizē, t.i. piesaista tuvākos jonus; netālu no elektronu trajektorijas palielinās pozitīvās lādiņa blīvums. Otro elektronu pievelk reģions ar pārmērīgu pozitīvo lādiņu, kā rezultātā mijiedarbības dēļ ar režģi starp elektroniem rodas pievilcīgi spēki (Kūpera pāris). Šie sapārotie veidojumi pārklājas viens ar otru telpā, sabrūk un atkal veidojas, veidojot elektronu kondensātu, kura iekšējās mijiedarbības dēļ enerģija ir mazāka nekā nesadalīto elektronu kopai. Supravadītāja enerģijas spektrā parādās enerģijas sprauga - aizliegto enerģijas stāvokļu reģions.

Pārī savienoti elektroni atrodas enerģijas spraugas apakšā. Enerģijas spraugas lielums ir atkarīgs no temperatūras, sasniedzot maksimumu pie absolūtas nulles un pilnībā izzūd T St. Lielākajai daļai supravadītāju enerģijas starpība ir 10 -4 - 10 -3 eV.

Elektronu izkliede notiek uz termiskām vibrācijām un piemaisījumiem, bet plkst

enerģijas spraugas klātbūtnei elektronu pārejai no zemes stāvokļa uz ierosināto stāvokli ir nepieciešama pietiekama daļa siltumenerģijas, kuras nav zemā temperatūrā, tāpēc sapārotie elektroni neizkliedē strukturālos defektus. Kūpera pāru iezīme ir tā, ka viņi nevar mainīt savus stāvokļus neatkarīgi viens no otra, elektronu viļņiem ir vienāds garums un fāze, t.i. tos var uzskatīt par vienotu viļņu, kas plūst ap konstrukcijas defektiem.Pie absolūtās nulles visi elektroni ir savienoti pa pāriem, palielinoties dažu pāru sašķelšanai un samazinoties spraugas platumam, T st. visi pāri tiek iznīcināti, spraugas platums izzūd un tiek pārkāpta supravadītspēja.

Pāreja uz supravadošo stāvokli notiek ļoti šaurā temperatūras diapazonā, struktūras neviendabīgums izraisa intervāla paplašināšanos.

Supravadītāju vissvarīgākā īpašība - magnētiskais lauks vispār neiekļūst materiālā, spēka līnijas apņem supravadītāju (Meisnera efekts) - ir saistīts ar faktu, ka supravadītāja virsmas slānī magnētiskajā laukā rodas apļveida neslāpēta strāva, kas pilnībā kompensē ārējo lauku parauga biezumā. Magnētiskā lauka iespiešanās dziļums ir 10 -7 - 10 -8 m - supravadītājs - ideāls diamagnets; tiek izstumts no magnētiskā lauka (var izgatavot pastāvīgu magnētu, kas karājas virs supravadoša materiāla gredzena, kurā cirkulē magnēta ierosinātās nesadalītās strāvas).

Ja magnētiskais lauks pārsniedz H St., tiek pārkāpts supravadītspējas stāvoklis. Atkarībā no materiāla pārejas no supravadītāja stāvokļa uz parasto elektriskās vadītspējas stāvokli magnētiskā lauka ietekmē tiek izdalīti 1. un 2. veida supravadītāji. 1. tipa supravadītājos šī pāreja notiek pa soļiem, supravadītājos pārejas process ir pakāpenisks H sv1 diapazonā -

H sv2. Intervālā materiāls ir neviendabīgā stāvoklī, kurā pastāv normālas un supravadošas fāzes, magnētiskais lauks pakāpeniski iekļūst supravadītājā, un nulles pretestība tiek uzturēta līdz augšējam kritiskajam spriegumam.

1. tipa supravadītājiem kritiskā intensitāte ir atkarīga no temperatūras:

2. tipa supravadītājos vidējā stāvokļa reģions paplašinās, pazeminoties temperatūrai.

Supravadītspēju var izjaukt strāva, kas iet caur supravadītāju, ja tā pārsniedz kritisko vērtību I st \u003d 2πrH sv (T) - 1. tipa supravadītājiem (2. tipam - sarežģītāks raksturs).

26 metāliem piemīt supravadītspēja (galvenokārt pirmā veida ar kritisku temperatūru zem 4,2 K), 13 elementiem ir supervadītspēja pie augsta spiediena (silīcijs, germānija, telūrs, antimons). Nepiemīt varš, zelts, sudrabs: zema pretestība norāda uz vāju elektronu mijiedarbību ar kristāla režģi, kā arī feros un antiferromagnetos; pusvadītāji tiek pārveidoti, pievienojot lielu koncentrāciju palīgvielām; dielektrikā ar lielu caurlaidību (feroelektrikā), Kulona atgrūšanās spēki starp elektroniem ir ievērojami vājināti, un tie var uzrādīt supravadītspējas īpašības. Starpmetāla savienojumi un sakausējumi pieder pie 2. tipa supravadītājiem, tomēr šis dalījums nav absolūts (1. tipa supravadītāju var pārveidot par 2. tipa supravadītāju, ja tajā tiek radīta pietiekama kristāla režģa defektu koncentrācija. Supravadītāju vadītāju ražošana ir saistīta ar tehnoloģisko grūtības (tām ir trauslums, zema siltuma vadītspēja), veido supravadītāja kompozīcijas ar varu (bronzas metode vai cietās fāzes difūzijas metode - presēšana un vilkšana; tas rada pozīcija plānās niobija pavedieni matricā alvas un vara, un ar apkures alvas bronza difundē Nb, lai veidotu supervadošus plēves stanida niobiju).

Drošības jautājumi

1 Kādi parametri nosaka metālu elektrisko vadītspēju.

2 Kāda statistika raksturo elektronu enerģijas sadalījumu metāla vadītspējas kvantu teorijā.

3 Kas nosaka fermi enerģiju (Fermi līmeni) metālos un no kā tas atkarīgs.

4 Kāds ir metāla elektroķīmiskais potenciāls.

5 Kas nosaka elektronu vidējo brīvo ceļu metālā.

6 Sakausējumu veidošana. Kā notiek defektu klātbūtne uz metālu pretestību.

7 Izskaidrojiet vadītāju pretestības temperatūras atkarību.

8 N. Kurnakova paraugi ρ un TCS sakausējumos, piemēram, cietos šķīdumos un mehāniskos maisījumos.

9 Izmantošana vadošos materiālos ar dažādām elektriskās pretestības vērtībām. Materiālu prasības atkarībā no pielietojuma.

10 supravadītspējas fenomens. Super- un kriovadītāju darbības joma

6 2. laboratorijas darbs. Vadītspējīgu sakausējumu īpašību izpēte

Mērķis: izpētīt divkomponentu sakausējumu elektrisko īpašību izmaiņu likumus atkarībā no to sastāva.

Laboratorijas darba pirmajā daļā tiek apskatītas divas sakausējumu grupas ar atšķirīgu fāzu sastāvu.

Pirmajā grupā ietilpst sakausējumi, kuru komponenti A un B savstarpēji bezgalīgi izšķīst, pakāpeniski aizstājot viens otru kristāla režģa mezglos, veido nepārtrauktu cieto šķīdumu virkni no viena tīra sakausējuma komponenta uz otru. Jebkurš šāda veida sakausējums cietā stāvoklī ir vienfāzes, sastāv no šī cietā šķīduma tāda paša graudu sastāva. Cieta šķīduma sakausējumu piemēri ir vara niķelis Cu-Ni, germānija-silīcijs Ge-Si utt., Otrajā grupā ietilpst sakausējumi, kuru komponenti praktiski nešķīst viens otram, katrs no komponentiem veido savus graudus. Cietais sakausējums ir divfāzu; šādus sakausējumus sauc par mehāniskiem maisījumiem. Mehānisko maisījumu veida sakausējumu piemēri ir vara-sudraba sistēmas Cu-Ag, alvas-svina Sn-Pb utt.

Veidojot sakausējumus tāda veida mehāniskiem maisījumiem (10. attēls, a), īpašības mainās lineāri (piedevas) un ir vidējas starp tīru komponentu īpašību vērtībām. Veidojot cieto šķīdumu tipa sakausējumus (10. attēls, b), īpašības mainās pa līknēm ar maksimālo un minimālo.

10. attēls - N. S. Kurnakova paraugi. Saikne starp sakausējumu fāzes sastāvu un tā īpašībām

Metālu un sakausējumu galvenās elektriskās īpašības ir: elektriskā pretestība ρ, µOhm; TCS pretestības temperatūras koeficients, deg -1.

Ierobežota garuma vadītāja elektriskā pretestība l un šķērsgriezums S izteikts ar zināmu atkarību

(19)

Vadītspējīgu materiālu pretestība ir maza un ir diapazonā no 0,016-10 μOhm.m.

Dažādu metāla vadītāju elektriskā pretestība galvenokārt ir atkarīga no elektrona vidējā brīvā ceļa λ šajā vadītājā:

kur µ \u003d 1 / λ ir elektronu izkliedes koeficients.

Izkliedes faktori metālu un sakausējumu elektrodu virziena kustībā ir pozitīvi joni, kas atrodas kristāla režģa mezglos. Tīros metālos ar visnoteiktāko, neizkropļoto kristāla režģi, kur pozitīvie joni regulāri atrodas telpā, elektronu izkliede ir maza un to galvenokārt nosaka jonu vibrāciju amplitūda režģa vietās, tīriem metāliem ρ≈ A · μ ir silta. kur µ ir silts. ir elektronu izkliedes koeficients režģa termiskajām vibrācijām. Šo elektronu izkliedes mehānismu sauc par fononu izkliedi ar režģa termiskām vibrācijām.

Palielinoties temperatūrai T, palielinās pozitīvo jonu vibrāciju amplitūda režģa vietās, palielinās gar lauka darbību vērsto elektronu izkliede, samazinās vidējais brīvais ceļš λ un palielinās pretestība.

Vērtību, kas novērtē materiāla pretestības palielināšanos, temperatūrai mainoties par vienu grādu, sauc par TCS elektriskās pretestības temperatūras koeficientu:

(20)

kur R 1 ir parauga pretestība, mērot temperatūrā T 1; R2 ir tā paša parauga pretestība, ko mēra T 2 temperatūrā.

Darbā tiek pētītas divas sakausējumu sistēmas: Cu-Ni sistēma, kurā sakausējuma komponenti (varš un niķelis) atbilst visiem neierobežotas šķīdības nosacījumiem cietā stāvoklī, tāpēc jebkurš šīs sistēmas sakausējums pēc kristalizācijas būs vienfāzes ciets risinājums (10. attēls, a) un Cu-Ag sistēma, kuras sastāvdaļas (varš un sudrabs) neatbilst neierobežotas šķīdības nosacījumiem, to šķīdība ir maza pat augstā temperatūrā (nepārsniedz 10%), un temperatūrā zem 300 0 C tā ir tik maza, ka to var uzskatīt s, tas ir klāt, un jebkurš sakausējums sastāv no mehāniska maisījuma vara un sudraba graudiņu (Figurē 10b).

Apsvērsim ρ līknes gaitu cietiem risinājumiem. Tā kā kādam no tīrajiem komponentiem tiek pievienots cits sakausējuma komponents, tiek pārkāpta tāda paša veida pozitīvo jonu stingrā izkārtojuma vienveidība, kas tiek novērota tīros metālos pie kristāla režģa mezgliem. Līdz ar to elektronu izkliedēšana cietā šķīduma veida sakausējumā vienmēr ir lielāka nekā jebkurā no tīrajiem komponentiem tīru komponentu kristāliskā režģa kropļojumu dēļ vai, kā saka, kristāl režģa defektu palielināšanās dēļ, jo katrs ieviestais atoms ir atšķirīgs, salīdzinot ar tīru komponentu. punktveida defekts.

No tā izriet, ka cietā šķīduma veida sakausējumiem pievieno cita veida elektronu izkliedi - izkliedi pēc punktu defektiem un elektrisko pretestību

(21)

Tā kā ir ierasts novērtēt visas ρ vērtības pie T \u003d 20 0 C, cieto šķīdumu veida sakausējumiem noteicošais faktors ir izkliedēšana pēc punktu defektiem. Vislielākie kristāla režģa pareizības pārkāpumi ir vērojami komponentu koncentrācijas piecdesmit procentos, ρ līknei šajā reģionā ir maksimālā vērtība. No 20. sakarības redzams, ka TCS pretestības temperatūras koeficients ir apgriezti proporcionāls pretestībai R, un tāpēc pretestība ρ; TCS līknei ir vismaz piecdesmit procentu komponentu attiecība.

Laboratorijas darba otrajā daļā tiek apskatīti sakausējumi ar augstu pretestību. Pie šādiem materiāliem pieder sakausējumi, kuru normālos apstākļos īpatnējā elektriskā pretestība ir vismaz 0,3 μOhm · m. Šie materiāli tiek plaši izmantoti dažādu elektrisko un elektrisko sildīšanas ierīču, modeļa pretestības, reostatu utt. Ražošanā.

Elektrisko mērinstrumentu, atsauces pretestības un reostatu ražošanā parasti izmanto sakausējumus, kuriem raksturīga augsta pretestības stabilitāte laikā un zems temperatūras pretestības koeficients. Šajos materiālos ietilpst manganīns, konstants un nihroms.

Manganīns ir vara-niķeļa sakausējums, kas satur vidēji 2,5 ... 3,5% niķeļa (ar kobaltu), 11,5 ... 13,5% mangāna, 85,0 ... 89,0% vara . Dopings ar mangānu, kā arī īpaša termiskā apstrāde 400 ° C temperatūrā ļauj stabilizēt manganīna pretestību temperatūras diapazonā no -100 līdz + 100 ° C. Manganīnam ir ļoti maza termo-EML vērtība, sapārota ar varu, augsta pretestības stabilitāte laikā, kas ļauj to plaši izmantot pretestību un visaugstākās precizitātes klašu elektrisko mērinstrumentu ražošanā.

Konstantāns satur tos pašus komponentus kā manganīns, bet dažādās proporcijās: niķelis (ar kobaltu) 39 ... 41%, mangāns 1 ... 2%, varš 56,1 ... 59,1%. Tā elektriskā pretestība nav atkarīga no temperatūras.

Nihromi ir dzelzs sakausējumi, kas atkarībā no pakāpes satur 15 ... 25% hroma, 55 ... 78% niķeļa, 1,5% mangāna. Tos galvenokārt izmanto elektrisko sildelementu ražošanai, jo tiem ir laba pretestība augstā gaisa temperatūrā, kas ir saistīts ar šo sakausējumu un to oksīdu plēvju lineārās izplešanās temperatūras koeficientu tuvajām vērtībām.

Starp sakausējumiem ar augstu pretestību, kurus (izņemot nihromu) plaši izmanto dažādu sildīšanas elementu ražošanai, ir jāņem vērā karstumizturīgie sakausējumi fehral un hroms. Tie pieder Fe-Cr-Al sistēmai un satur 0,7% mangāna, 0,6% niķeļa, 12 ... 15% hroma, 3,5 ... 5,5% alumīnija, bet pārējais ir dzelzs. Šie sakausējumi ir ļoti izturīgi pret virsmas ķīmisku iznīcināšanu dažādu gāzveida vielu ietekmē augstā temperatūrā.

6.1 Laboratorijas darbu secība Nr

Pirms darba uzsākšanas iepazīstieties ar 11. attēlā parādīto uzstādīšanas shēmu un mērījumiem nepieciešamajiem instrumentiem.

Laboratorijas iestatījums sastāv no termostata, kurā atrodas paraugi, un mērīšanas tilta MO-62, kas ļauj reālā laikā izmērīt parauga pretestību. Paraugu piespiedu dzesēšanai (pie Т\u003e 25 ° С) uz termostata ir uzstādīts ventilators, un aizmugurējā virsmā ir aizbīdnis. Termostata labajā pusē ir parauga numura slēdzis.

11. attēls - Laboratorijas darba izskats un mērījumu shēma 2a

Pirms darba uzsākšanas iestatiet “multiplikatora N” pārslēgu uz stāvokli 0,1 vai 0,01 (kā norādīts tabulā) un piecas desmitgades pārslēdzas uz kreiso pusi pretēji pulksteņrādītāja virzienam un pārliecinieties, ka termostats ir izslēgts (pārslēgšanas slēdzis uz termostata priekšējā paneļa) augšējā stāvoklī Т≤25 ° С), pretējā gadījumā atveriet aizbīdni un ieslēdziet ventilatoru ar pārslēga slēdzi, kas atrodas zem indikācijas lampas, pārvietojot to zemākā pozīcijā, līdz tiek sasniegta normāla temperatūra, un pēc tam izslēdziet ventilatoru.

6.1.1. Iestatiet parauga numuru -1, nosakot temperatūru, kurā tiks veikti mērījumi, izmantojot termometru, kas uzstādīts uz termostata; pārslēdziet mērīšanas tilta reizinātāju pozīcijā 0,01 un pēc tam ieslēdziet tīklu, izmantojot pārslēgšanas slēdzi, kas atrodas priekšējā paneļa augšējā labajā stūrī, iedegsies tīkla indikators. Izmantojot desmitgades slēdžus, pārliecinieties, vai galvanometra adata ir 0, pēc noklikšķināšanas uz “precīzi” mērīšanas pogas.

Pretestības izvēle jāsāk no vecākās desmitgades ar secīgu tuvināšanu, iegūto vērtību reiziniet ar koeficientu un ierakstiet 3. tabulā.

Atkārtojiet mērījumus nākamajiem pieciem paraugiem, pēc tam reizinātāju pārvietojot stāvoklī 0,1 un turpiniet mērījumus paraugiem 7-10.

6.1.2. Atgrieziet paraugu skaita slēdzi sākotnējā stāvoklī, aizveriet vāku termostata aizmugurē, ieslēdziet termostatu (slēdzi uz priekšējā paneļa - līdz galam) un sildiet paraugus līdz 50-70 ° C temperatūrai, pēc tam izslēdziet termostatu, atveriet vāku un pagatavojiet. 10 paraugu pretestības mērīšana ir līdzīga 6.1.1. punktam, reģistrējot atbilstošo temperatūru katram mērījumam.

Reģistrējiet visus iegūtos datus 3. tabulā. Parādiet rezultātus skolotājam.

6.2 2.b procedūra

Pirms darba sākšanas iepazīstieties ar 12. attēlā parādīto uzstādīšanas shēmu un tās ieviešanai nepieciešamajām ierīcēm.

Instalācija sastāv no mērvienības (BI), kurā atrodas + 12 V barošanas avots, temperatūras mērīšanas vienība (BIT), termostats ar tajā uzstādītiem paraugiem,

ventilators paraugu piespiedu dzesēšanai, norāde par darbības režīmiem un temperatūru, pārslēgšanās līdzekļi (slēdži paraugu skaitam, darbības režīmam, ieslēgšanai, termostats un piespiedu dzesēšana), kā arī RLC bloks, kas ļauj reālā laikā izmērīt visu paraugu pretestību atbilstoši saņemtajam uzdevumam .

12. attēls - Laboratorijas darba izskats un mērījumu shēma 2b

Pirms vienības ieslēgšanas tīklā pārliecinieties, vai K1 tīkla pārslēgšanas slēdzis, kas atrodas mērīšanas vienības labajā pusē, un RLC-metru pārslēgšanas slēdzis ir pozīcijā “Izslēgts”.

6.2.1 Pievienojiet tīklam RLC mērītāju un mērvienību (BI).

6.2.2. Pārslēdziet BI slēdzi K2 pareizajā stāvoklī (termostats izslēgts), sarkanā gaismas diode nedeg.

6.2.3 Darbības režīms BI pārslēgšanas slēdzim K4 - zemākajā pozīcijā.

6.2.4. Pārslēgšanas slēdža “reizinātājs” - 1: 100, 1: 1 (vidējā pozīcija).

6.2.5. Pārslēdz P1 un P2 (paraugu numuri) - pozīcijā R1.

6.2.6 Pārslēgšanas slēdzis K3 (ventilators ieslēgts) - izslēgts (apakšējā pozīcija).

6.2.7 Ieslēdziet BI strāvas padevi (pārslēgšanas slēdzis K1 ir ieslēgts BI labajā pusē, iedegas zaļā gaismas diode), ieslēdziet reizinātāju pozīcijā 1: 100, pārliecinieties, vai paraugu temperatūra ir 20- 25 ° C

iepriekš ieslēdzot temperatūras indikatoru, īsi nospiežot pogu uz ierīces aizmugurējā paneļa, pretējā gadījumā paceliet termostata pārsegu ar skrūvi uz BI pārsega un ieslēdziet ventilatoru, atdzesējot paraugus līdz noteiktajām robežām.

6.2.8 Ieslēdziet RLC mērītāja jaudu un izvēlieties uz tā pretestības mērīšanas režīmu.

6.2.9. Izmantojot slēdzi “N paraugs” uz BI, pārmaiņus izmēriet 10 paraugu pretestību istabas temperatūrā (20-25) ℃, pēc tam atgrieziet to sākotnējā stāvoklī, ievadiet datus 3. tabulā.

6.2.10 Ieslēdziet BI termostatu, slēdzis K2 ir “ON” (deg sarkanā gaismas diode) un uzsilda līdz 50-60 ° С, paceliet BI ventilatora vāku un ieslēdziet ventilatoru (K3 - uz augšu).

6.2.11. Izmēra 10 paraugu pretestību, līdzīgi kā 6.2.9. Iedaļā, vienlaikus nosakot temperatūru, kurā katram paraugam tika veikts mērījums. Ievadiet datus 3. tabulā. Slēdzis “N paraugs” sākotnējā stāvoklī un reizinātājs vidējā stāvoklī.

6.2.12 Turpiniet termostata karsēšanu līdz Т \u003d 65 ºС, nolaižot ventilatora pārsegu. Izslēdziet termostatu, ieslēdziet BI K2 pareizajā stāvoklī (sarkanā gaismas diode nedeg).

6.2.13 Pārslēdziet “darba režīma” slēdzi K4 uz BI režīmu - pozīcijā 2 un pavairotāju pozīcijā 1: 1, paceliet ventilatora vāku.

6.2.14. Mēriet R1, R2, R3, R4 pa vienam (5-10) ℃ līdz temperatūrai (25-30) andС un ievadiet datus 4. tabulā. Kad temperatūra sasniedz (25-30) ℃, iestatiet reizinātāja slēdzi - vidējā stāvoklī un pēc tam izslēdziet tīklu abās ierīcēs. (1. paraugs ir varš, 2. paraugs ir niķelis, 3. paraugs ir konstante, 4. paraugs ir nihroms).

Ziņojumā jāietver:

Darba mērķis;

Īss uzstādīšanas shēmas apraksts;

Darba formulas, skaidrojumi, aprēķinu piemēri;

Eksperimenta rezultāti ir 1. tabulas (vai 3. un 4. tabulas) un divu diagrammu veidā, kas raksturo atkarības ρ un TCS par sakausējumu sastāvu Cu-Ag un Cu-Ni sistēmām, un 6.2.13–6.2.16. Sadaļām - pretestības (R) atkarību no t ℃ četriem paraugiem;

Secinājumi, kas formulēti, pamatojoties uz eksperimentālajiem rezultātiem un ieteiktās literatūras izpēti.

3. tabula. Pētījums par ρ un TCS atkarību no sakausējuma sastāva

Diriģenta garums L \u003d 2m; sekcija S \u003d 0,053 μm.
;
.

4. tabula. Paraugu pretestības atkarības no temperatūras izpēte

Literatūra

1 Pasynkov V.V., Sorokin V.S. Elektroniskā aprīkojuma materiāli: Mācību grāmata. - 2. ed. - M .: Augstāks. skola., 1986. - 367 lpp.

2 Elektrotehnisko materiālu rokasgrāmata / Red. Yu.V. Koritsky, V.V. Pasynkova, B.M. Tareeva. - M.: Energoizdat, 1988.V. 3.

3 Materiāli instrumentācijā un automatizācijā. Rokasgrāmata / Red. Y.M. Pyatina, - M.: Mašīnbūve, 1982. gads.

4 Bondarenko G.G., Kabanova T.A., Rybalko V.V. Materiālzinātne.- M .: Izdevniecība Yurayt, 2012.335 s.

ρ · 10 2, TCS · 10 3,

μΩm 1 / gr

Ag 100 80 60 40 20 0

Cu 0 20 40 60 80 100

ρ · 10, TCS,

μOhm m 1 / gr.

Cu 100 80 60 40 20 0

Ni 0 20 40 60 80 100

Grafiks skolotājai - Kirshina I.A. - asoc., Ph.D.

Gandrīz visu materiālu elektriskā pretestība ir atkarīga no temperatūras. Dažādiem materiāliem šī atkarība ir atšķirīga.

Metālos ar kristālisku struktūru elektronu kā lādiņnesēju brīvo ceļu ierobežo to sadursmes ar joniem, kas atrodas kristāla režģa mezglos. Sadursmēs elektronu kinētiskā enerģija tiek nodota režģim. Pēc katras sadursmes elektroni, darbojoties elektriskā lauka spēkiem, atkal iegūst ātrumu un pēc sekojošām sadursmēm iegūto enerģiju nodod kristāla režģa joniem, palielinot to vibrācijas, kas noved pie vielas temperatūras paaugstināšanās. Tādējādi elektronus var uzskatīt par starpniekiem elektriskās enerģijas pārvēršanā siltumenerģijā. Temperatūras paaugstināšanos pavada vielas daļiņu haotiskās termiskās kustības palielināšanās, kas palielina elektronu sadursmju skaitu ar tām un apgrūtina elektronu sakārtoto kustību.

Lielākajai daļai metālu pretestība darba temperatūras diapazonā palielinās lineāri.

kur un - pretestība sākotnējā un beigu temperatūrā;

- noteiktā metāla koeficienta konstante, ko sauc par temperatūras pretestības koeficientu (TCS);

T1 un T2 ir sākuma un beigu temperatūra.

Otrā veida vadītājiem temperatūras paaugstināšanās palielina to jonizāciju, tāpēc šāda veida vadītājiem TCS ir negatīvs.

Vielu un to TCS pretestības vērtības ir norādītas atsauces grāmatās. Parasti pretestības vērtības parasti norāda temperatūrā +20 ° C.

Diriģenta pretestību nosaka izteiksme

R2 \u003d R1
(2.1.2)

3. uzdevuma piemērs

Nosakiet divu vadu pārvades līnijas vara stieples pretestību pie + 20 ° С un +40 ° С, ja stieples šķērsgriezums S \u003d

120 mm , un līnijas garums l \u003d 10 km.

Risinājums

Saskaņā ar atsauces tabulām mēs atrodam pretestību varš pie + 20 ° С un temperatūras pretestības koeficients :

\u003d 0,0175 omi mm / m; \u003d 0,004 grādi .

Mēs nosakām stieples pretestību temperatūrā T1 \u003d +20 ° C pēc formulas R \u003d , ņemot vērā līnijas priekšējo un atpakaļgaitas vadu garumu:

R1 \u003d 0,0175
2 \u003d 2,917 omi.

Stiepļu pretestību + 40 ° C temperatūrā var atrast pēc formulas (2.1.2.)

R2 \u003d 2,917 \u003d 3,15 omi.

Uzdevums

Trīs vadu antenas līniju ar garumu L veido ar stiepli, kuras marķējums dots 2.1. Tabulā. Izmantojot iepriekš minēto piemēru, jāatrod ar zīmi “?” Norādītā vērtība un jāizvēlas opcija ar datiem, kas tajā norādīti saskaņā ar 2.1. Tabulu.

Jāatzīmē, ka uzdevumā, atšķirībā no piemēra, tiek sniegti aprēķini, kas saistīti ar vienu līnijas vadu. Nepārklātu vadu zīmolos burts norāda stieples materiālu (A - alumīnijs; M - varš), un cipars norāda stieples šķērsgriezumumm .

2.1. Tabula

Tēmas materiāla izpēte beidzas ar pārbaudījumiem Nr. 2 (TOE-

ETM / PM ”un Nr. 3 (TOE - ETM / IM)

Vada daļiņas (molekulas, atomi, joni), kas nav iesaistītas strāvas veidošanā, atrodas termiskajā kustībā, un daļiņas, kas veido strāvu, vienlaicīgi atrodas termiskās un virziena kustībās elektriskā lauka ietekmē. Sakarā ar to notiek daudzas sadursmes starp daļiņām, kas veido strāvu, un daļiņām, kas nav iesaistītas tās veidošanā, kurās pirmās atdod daļu no strāvas avota enerģijas, ko tās nodod pēdējām. Jo vairāk sadursmju, jo mazāks ir strāvu veidojošo daļiņu pasūtītās kustības ātrums. Kā redzams no formulas I \u003d enνS, ātruma samazināšanās noved pie strāvas stipruma samazināšanās. Tiek izsaukts skalārais daudzums, kas raksturo vadītāja īpašības samazināt strāvas stiprumu vadītāja pretestība.  No Ohmas likuma formulas, pretestība Ohm ir vadītāja pretestība, kurā strāva 1 a  ar spriegumu vadītāja galos 1 collas.

Diriģenta pretestība ir atkarīga no tā garuma l, šķērsgriezuma S un materiāla, ko raksturo pretestība Jo garāks vads, jo vairāk laika vienību veido strāvu veidojošo daļiņu sadursmes ar daļiņām, kas nepiedalās tās veidošanā, un tāpēc lielāka ir vadītāja pretestība. Jo mazāks ir vadītāja šķērsgriezums, jo blīvāka ir daļiņu plūsma, kas veido strāvu, un jo biežāk tās saduras ar daļiņām, kas nepiedalās tās veidošanā, un tāpēc lielāka ir vadītāja pretestība.

Elektriskā lauka ietekmē daļiņas, kas veido strāvu starp sadursmēm, pārvietojas paātrināti, lauka enerģijas dēļ palielinot to kinētisko enerģiju. Sadursmē ar daļiņām, kas neveido strāvu, viņi viņiem nodod daļu no savas kinētiskās enerģijas. Tā rezultātā palielinās vadītāja iekšējā enerģija, kas ārēji izpaužas tā sildīšanā. Apsveriet, vai diriģenta pretestība mainās, kad tas tiek uzkarsēts.

Elektriskajā ķēdē ir tērauda stieples spole (aukla, 81. att., A). Aizverot ķēdi, mēs sākam sildīt vadu. Jo vairāk mēs to sildīsim, jo \u200b\u200bzemāks ampērmetrs rāda pašreizējo stiprumu. Tās samazināšanās ir saistīta ar faktu, ka, sildot metālus, palielinās to pretestība. Tātad spuldzes matu pretestība, kad tie nav apgaismoti, ir aptuveni 20 omikamēr deg (2900 ° С) - 260 omi. Kad metāls tiek uzkarsēts, palielinās elektronu termiskā kustība un jonu svārstību ātrums kristāla režģī, kā rezultātā palielinās to elektronu sadursmju skaits, kas veido strāvu ar joniem. Tas izraisa vadītāja pretestības palielināšanos *. Metālos brīvie elektroni ir ļoti stingri saistīti ar joniem, tāpēc, sildot metālus, brīvo elektronu skaits praktiski nemainās.

* (Balstoties uz elektronisko teoriju, nav iespējams secināt precīzu pretestības atkarības no temperatūras likumu. Šādu likumu nosaka kvantu teorija, kurā elektrons tiek uzskatīts par daļiņu ar viļņu īpašībām, un vadītspējīga elektrona kustība caur metālu tiek uzskatīta par elektronu viļņu izplatīšanās procesu, kura garumu nosaka de Broglie attiecība.)

Eksperimenti rāda, ka tad, kad dažādu vielu vadītāju temperatūra mainās par vienādu grādu skaitu, to pretestība mainās nevienmērīgi. Piemēram, ja vara vadītājam bija pretestība 1 omitad pēc karsēšanas līdz 1 ° C  viņam būs pretestība 1,004 omiun volframa - 1,005 omi Lai raksturotu vadītāja pretestības atkarību no tā temperatūras, tiek ieviesta vērtība, ko sauc par temperatūras pretestības koeficientu. Skalaro vērtību, ko mēra ar 1 omi pie pretestības izmaiņām 0 o C temperatūrā no tās temperatūras izmaiņām par 1 ° C, sauc par temperatūras pretestības koeficientu α. Tātad volframam šis koeficients ir 0,005 grādi -1, varš - 0,004 grādi -1.  Temperatūras pretestības koeficients ir atkarīgs no temperatūras. Metāliem tas maz mainās līdz ar temperatūru. Ar nelielu temperatūras diapazonu tas tiek uzskatīts par nemainīgu dotajam materiālam.

Mēs iegūstam formulu, pēc kuras tiek aprēķināta vadītāja pretestība, ņemot vērā tā temperatūru. Pieņemsim, ka R 0  - vadītāja pretestība pie 0 ° Ckad karsē līdz 1 ° C  tas palielināsies par αR 0, un kad tiek uzkarsēts līdz t °  - ieslēgts αRt °  un kļūst R \u003d R 0 + αR 0 t °, vai

Metāla pretestības atkarība no temperatūras tiek ņemta vērā, piemēram, elektrisko sildītāju, lampu spirāļu ražošanā: spirālveida stieples garumu un pieļaujamo strāvas stiprumu aprēķina no to pretestības sakarsētā stāvoklī. Metāla pretestības atkarība no temperatūras tiek izmantota pretestības termometros, kurus izmanto siltumdzinēju, gāzes turbīnu, metāla domnas temperatūrā mērīšanai. Šis termometrs sastāv no plānas platīna (niķeļa, dzelzs) spirālveida brūces uz porcelāna rāmja un novieto uz aizsargapvalku. Tās gali ir savienoti ar elektrisko ķēdi ar ampērmetru, kura mērogs ir kalibrēts temperatūras grādos. Kad spirāle tiek uzkarsēta, strāva ķēdē samazinās, tas izraisa ampērmetra pārvietošanos, kas parāda temperatūru.

Tiek saukta dotās sekcijas, ķēdes pretestība elektriskā vadītspēja  (elektriskā vadītspēja). Elektrovadītspēja Jo lielāka ir diriģenta vadītspēja, jo mazāka ir tā pretestība un jo labāk tā vada strāvu. Vadītspējas vienības nosaukums   Diriģenta pretestība 1 omi  sauca siemens.

Samazinoties temperatūrai, metālu pretestība samazinās. Bet ir metāli un sakausējumi, kuru pretestība zemā temperatūrā, kas noteikta katram metālam un sakausējumam, pēkšņi samazinās un kļūst zūd ļoti maza - praktiski vienāda ar nulli (81. att., B). Tuvojas supravadītspēja - diriģentam praktiski nav pretestības, un tiklīdz tajā ierosinātā strāva pastāv ilgu laiku, kamēr diriģents atrodas supravadīšanas temperatūrā (vienā no eksperimentiem strāva tika novērota vairāk nekā gadu). Caur supravadītāja strāvas blīvumu 1200 a / mm 2  netika novērota siltuma izdalīšanās. Vienvērtīgie metāli, kas ir labākie strāvas vadītāji, neiziet supravadītāja stāvoklī līdz ārkārtīgi zemām temperatūrām, kurās tika veikti eksperimenti. Piemēram, šajos eksperimentos vara tika atdzesēta līdz 0,01566 ° K,  zelts uz augšu 0,0204 ° K.  Ja parastās temperatūrās būtu iespējams iegūt sakausējumus ar supravadītspēju, tas būtu ļoti svarīgi elektrotehnikā.

Saskaņā ar mūsdienu koncepcijām, galvenais supravadītspējas iemesls ir savienotu elektronu pāru veidošanās. Supravadošā temperatūrā starp brīvajiem elektroniem sāk darboties apmaiņas spēki, tāpēc elektroni veido saistītos elektronu pārus. Šādai elektronu gāzei no savienotiem elektronu pāriem ir citas īpašības nekā parastajai elektronu gāzei - tā pārvietojas supravadītājā bez berzes pret kristāla režģa mezgliem.