İletken sıcaklığının artmasıyla, serbest elektronların atomlarla çarpışma sayısı artar. Bu nedenle, ortalama yönlü elektron hızı azalır, bu da iletken direncindeki bir artışa karşılık gelir.

Öte yandan, artan sıcaklıkla birlikte, iletken birim birim başına serbest elektron ve iyonların sayısı artar, bu da iletken direncinde bir azalmaya yol açar.

Bir faktörün veya diğerinin prevalansına bağlı olarak, artan sıcaklıkta direnç, ya artar (metaller), veya azalır (kömür, elektrolitler) veya neredeyse değişmeden kalır (metal alaşımları, örneğin mangaiin).

Sıcaklıktaki (0-100 ° C) hafif değişikliklerle, a 'nın sıcaklık katsayısı adı verilen ve 1 ° C'ye kadar ısıtmaya karşılık gelen direncin göreceli artışı, çoğu metal için sabit kalır.

Belirtmek - sıcaklıklarda direnç, direncin göreceli artışının ifadesini aşağıdakilerden artan sıcaklıkla yazabiliriz:

Çeşitli malzemeler için sıcaklık dayanım katsayısı değerleri tabloda verilmiştir. 2-2.

İfadeden (2-18) bunu takip eder

Elde edilen formül (2-20), direnci verilen değerlerde veya bilinen değerlerde ölçülüyorsa, telin sıcaklığını (sargı) belirlemeyi mümkün kılar.

Örnek 2-3 Hat uzunluğu 400 m ise bakır çubukların sıcaklıklarına hava çubuğunun direncini ve bakır tellerin kesitini belirleyin.

Hattın tellerinin sıcaklıktaki direnci

Direnç ve dolayısıyla metallerin direnci, büyümesiyle birlikte, sıcaklığa bağlıdır. İletken direncinin sıcaklığa bağlılığı;

1. yük taşıyıcılarının saçılma yoğunluğu (çarpışma sayısı) artan sıcaklıkla artar;
2. iletken ısıtıldığında konsantrasyonları değişir.

Deneyimler, çok yüksek ve çok düşük sıcaklıklarda, direnç ve iletken direncinin sıcaklığa bağımlılıklarının formüllerle ifade edildiğini göstermektedir:

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

nerede ρ 0 , ρ   t İletken maddenin sırasıyla 0 ° C'de dayanımları ve t  ° C; R, 0 , R,  t, iletkenin 0 ° C'deki direncidir ve t  ° C α   - Direnç sıcaklık katsayısı: eksi birinci dereceye kadar (K -1) Kelvin cinsinden SI cinsinden ölçülür. Metal iletkenler için bu formüller 140 K ve üzeri sıcaklıklardan başlayarak uygulanabilir.

Sıcaklık katsayısı  Bir maddenin direnci, maddenin türüne ısınmaya bağlı olarak dirençteki bir değişimin bağımlılığını karakterize eder. Sayısal olarak 1 K ile ısıtıldığında iletkenin direncindeki (direnç) göreceli değişime eşittir.

   \\ (~ \\ matematik h \\ alpha \\ matematik i \u003d \\ frak (1 \\ cdot \\ Delta \\ rho) (\\ rho \\ Delta T), \\)

burada \\ (~ \\ mathcal h \\ alpha \\ mathcal i \\) aralıktaki direnç sıcaklık katsayısının ortalama değeridir. Τ .

Tüm metal iletkenler için α   \u003e 0 ve sıcaklıkla birlikte hafifçe değişir. Saf metaller α   \u003d 1/273 K -1. Metallerde serbest yük taşıyıcıların konsantrasyonu (elektronlar) n  \u003d const ve artış ρ   kristal kafesin iyonları üzerindeki serbest elektronların saçılma yoğunluğundaki bir artış nedeniyle oluşur.

Elektrolit çözeltileri için α < 0, например, для 10%-ного раствора поваренной соли α   \u003d -0.02 K -1. Elektrolitlerin direnci, sıcaklık arttıkça düşer, çünkü moleküllerin parçalanmasına bağlı olarak serbest iyon sayısındaki artış, çözücü molekülleri ile çarpışmalarda iyon saçılımı büyümesini aştığı için.

Bağımlılık formülleri ρ   ve R, elektrolitler için sıcaklık, metal iletkenler için yukarıdaki formüllere benzer. Bu doğrusal bağımlılığın sadece küçük bir sıcaklık aralığında korunduğu kaydedilmelidir. α   \u003d const. Çok çeşitli sıcaklık değişimlerinde, elektrolitlerin direncinin sıcaklığa bağımlılığı doğrusallaşmaz.

Grafik olarak, metal iletkenlerin ve elektrolitlerin direncinin sıcaklığa bağımlılığı, Şekil 1, a, b'de gösterilmiştir.

Çok düşük sıcaklıklarda, mutlak sıfıra yakın (-273 ° С), birçok metalin direnci aniden sıfıra düşer. Bu fenomen denir süper iletkenlik. Metal bir süper iletken duruma geçer.

Metal direncin sıcaklığa bağımlılığı direnç termometrelerinde kullanılır. Genellikle, bir platin tel, böyle bir termometrenin termometrik gövdesi olarak alınır, direncinin sıcaklığa dayanımı yeterince araştırılmıştır.

Sıcaklık değişimleri, tel direncindeki ölçülebilen değişim ile değerlendirilir. Bu tür termometreler, geleneksel sıvı termometreler uygun olmadığında çok düşük ve çok yüksek sıcaklıkları ölçmeyi mümkün kılar.

edebiyat

Aksenovich L.A. Lisede fizik: Teori. Atamalar. Testler: Ders kitabı. genel sağlayan kurumlara ödenek. çevre, eğitim / L.A. Aksenovich, N.N. Rakina, K.S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn: Adukatsy I vykhavanne, 2004. - C. 256-257.

İdeal bir kristalde, ortalama serbest elektron yolu sonsuzdur ve elektrik akımına direnç sıfırdır. Bu konumun doğrulanması, saf tavlanmış metallerin direncinin, sıcaklık mutlak sıfıra yaklaştığında sıfıra meyilli olduğu gerçeğidir. Bir elektronun ideal bir kristal kafesde serbestçe hareket edebilme özelliği, klasik mekanikte analoglara sahip değildir. Direnç görüntüsüne yol açan saçılma, kafesde yapısal kusurlar olduğunda meydana gelir.

Etkili dalga saçılmasının saçılma merkezlerinin (kusurların) dalga boyunun dörtte birini aştığı zaman meydana geldiği bilinmektedir. Metallerde, iletken elektronların enerjisi 3 - 15 eV'dir. Bu enerji, 3 - 7 dalga boyuna tekabül eder. Bu nedenle, yapının herhangi bir mikro-hidrojenitesi, elektron dalgalarının yayılmasını engeller ve malzemenin direncinde bir artışa neden olur.

Mükemmel yapıdaki saf metallerde, elektronların ortalama serbest yolunu sınırlayan tek sebep, kristal kafesin bölgelerinde atomların termal titreşimidir. Metalin ısıl faktöre bağlı elektriksel direnci ρ ısı ile gösterilmektedir. Sıcaklık arttıkça atomların termal titreşimlerinin genliklerinin ve kafesin periyodik alanının ilgili dalgalanmalarının arttığı açıktır. Bu da, elektronların saçılmasını arttırır ve dirençliliğin artmasına neden olur. Dirençlilik sıcaklığına bağlılığın doğasını niteliksel olarak belirlemek için aşağıdaki basitleştirilmiş modeli kullanıyoruz. Saçılma yoğunluğu, titreşen atom tarafından kaplanan küresel hacmin enine kesiti ile doğru orantılıdır ve enine kesit alanı, termal titreşimlerin genliği karesi ile orantılıdır.

Kafes bölgesinden by∆ by tarafından saptırılan bir atomun potansiyel enerjisi ifade ile belirlenir.

, (9)

burada ktr, atomu denge pozisyonuna geri döndürme eğiliminde olan elastik bağ katsayısıdır.

Klasik istatistiklere göre, bir boyutlu harmonik osilatörün (osilasyon atomu) ortalama enerjisi kT'ye eşittir.

Bu temelde, aşağıdaki eşitliği yazıyoruz:

N atomlarının elektronlarının serbest ortalama yolunun sıcaklıkla ters orantılı olduğunu kanıtlamak kolaydır:

(10)

Ortaya çıkan oranın düşük sıcaklıklarda tatmin edici olmadığı unutulmamalıdır. Gerçek şu ki, azalan sıcaklıkta atomların termal titreşimlerinin genliği değil, aynı zamanda titreşimlerin frekansları da düşebilir. Bu nedenle, düşük sıcaklıklarda, kafes bölgelerinin termal titreşimleriyle saçılan elektronlar etkisiz hale gelir. Bir elektronun salınım yapan bir atomla etkileşimi, elektronun momentumunu sadece biraz değiştirir. Kafes atomlarının titreşimleri teorisinde, sıcaklık Debye sıcaklığı ΘD olarak adlandırılan belirli bir karakteristik sıcaklığa göre tahmin edilir. Debye sıcaklığı, bir kristalde uyarılabilecek maksimum termal titreşim frekansını belirler:

Bu sıcaklık, kristal kafesin düğümleri arasındaki bağlanma kuvvetlerine bağlıdır ve bir katının önemli bir parametresidir.

T   için D  metallerin direnci, sıcaklıkla doğrusal olarak değişir (Şekil 6, bölüm III).

Deneyde görüldüğü gibi, dependт (T) sıcaklık bağımlılığının doğrusal bir yaklaşımı da (2/3)  derecesindeki sıcaklıklara kadar geçerlidir. Dburada hata% 10'u geçmez. Çoğu metal için, karakteristik Debye sıcaklığı 400 - 450 K'yı geçmez. Bu nedenle, doğrusal yaklaşım genellikle oda sıcaklığı ve üzerindeki sıcaklıklarda geçerlidir. Düşük sıcaklık bölgesinde (T D) Dirençlilikteki düşüşün, giderek daha fazla yeni termal titreşim frekansının (fononlar) kademeli olarak kaldırılmasından kaynaklandığı durumlarda, teori güç yasası bağımlılığını  т 5 tahmin eder. Fizikte bu oran Bloch-Grüneisen yasası olarak bilinir. Keskin bir güç yasasının olduğu sıcaklık aralığı Т т ()) genellikle oldukça küçüktür ve üslerin deneysel değerleri 4 ile 6 arasındadır.

Birkaç Kelvin içeren dar bir bölgede I, birkaç metalde bir süper iletkenlik durumu oluşabilir (aşağıya bakınız) ve şekil, Tvv sıcaklığındaki dirençlilikteki bir sıçramayı gösterir. Mükemmel yapıya sahip saf metallerde, sıcaklık TAMAM olduğu zaman, dirençlilik de 0 (kesikli eğri) eğilimindedir ve ortalama serbest yol sonsuzluğa meyillidir. Normal sıcaklıklarda bile, metallerdeki ortalama serbest elektron yolu, atomlar arasındaki mesafeden yüzlerce kat daha büyüktür (tablo 2).

Şekil 6 - Bir metal iletkenin geniş bir sıcaklık aralığında sıcaklığa olan direncinin bağımlılığı: a, b, c - çeşitli erimiş metallerin direncindeki değişiklik

Tablo 2 - Bir çok metal için 0 ° C'de elektronların ortalama serbest yolu

Geçiş bölgesi II'de, ρ (T) 'nin direnci hızlı bir şekilde artar, burada n 5'e kadar çıkabilir ve T \u003d 'de temperature'den 1'e yükselen sıcaklıkla yavaş yavaş azalır. D.

Çoğu metal için depend (T) sıcaklık bağımlılığındaki doğrusal bölüm (bölge III), erime noktasına yakın sıcaklıklara kadar uzanır. Bu kuralın bir istisnası, döndürme bozukluğu ile elektron saçılmasının meydana geldiği ferromanyetik metallerdir. Erime noktasının yakınında, yani IV. bölgede, başlangıcı Şekil 6'da Tnl sıcaklığı ile gösterilmektedir ve normal metallerde, lineer bağımlılıktan bir miktar sapma gözlemlenebilir.

Katıdan sıvıya geçişte çoğu metal, yaklaşık 1.5 ila 2 kat dirençliliğinde bir artış sergiler, ancak olağandışı durumlar vardır: Bizmut ve gallium gibi karmaşık kristal yapılı maddeler için erime, in 'da bir azalma eşlik eder.

Deney, aşağıdaki modeli ortaya koymaktadır: eğer metalin erimesine, hacimdeki bir artış eşlik ederse, direnç, kademeli olarak artar; hacimde zıt değişime sahip metaller için ρ azalır.

Erime sırasında, serbest elektronların sayısında veya etkileşimlerinin niteliğinde önemli bir değişiklik yoktur. Ρ'daki değişim üzerindeki belirleyici etki, düzensizlik süreçleri, atomların düzenlenmesinde başka bir düzen ihlali ile gerçekleştirilir. Bazı metallerin (Ga, Bi) davranışlarında gözlenen anomaliler, bu maddelerin erimesi sırasında sıkıştırılabilirlik modülündeki bir artışla açıklanabilir; bu, atomların termal titreşimlerinin genliğinde bir azalma ile birlikte olmalıdır.

Dirençlilikteki bir kelvin (derece) sıcaklık değişimi ile nispi değişim, dirençlilik sıcaklık katsayısı olarak adlandırılır:

(11)

Α ρ'nın pozitif işareti, belirli bir nokta etrafındaki dirençliliğin artan sıcaklıkla arttığına karşılık gelir. Α ρ miktarı aynı zamanda sıcaklığın bir fonksiyonudur. Lineer bağımlılık ρ (Т) bölgesinde, ifade

burada ρ 0 ve α ρ, sıcaklık aralığının başlangıcına değinilen dirençlilik ve dirençlilik sıcaklık katsayısıdır; sıcaklık T0; ρ sıcaklıktaki direnç

Dirençlilik sıcaklık katsayıları ve direnç arasındaki ilişki aşağıdaki gibidir:

(13)

buradaki a, bu direncin direnç sıcaklık katsayısıdır; α 1 - rezistif elemanın malzemesinin genleşme sıcaklık katsayısı.

Saf metaller için α ρ \u003e\u003e α1; bu nedenle, α ρ ≈ R a sahiptirler. Bununla birlikte, termostabil metal alaşımları için bu yaklaşım adil değildir.

3 Safsızlıkların ve diğer yapısal kusurların metallerin direnci üzerindeki etkisi

Belirtildiği gibi, bir metalde elektron dalgalarının saçılmasının sebepleri sadece kafes bölgelerinin termal titreşimleri değil, aynı zamanda kristalin potansiyel alanının periyodikliğini ihlal eden statik yapısal kusurlardır. Statik yapısal kusurlardan saçılma sıcaklıktan bağımsızdır. Bu nedenle, sıcaklık mutlak sıfıra yaklaştığından, gerçek metallerin direnci, artık direnç olarak adlandırılan bir miktar sabit değere eğilim gösterir (Şekil 6). Bu, Mattissen'ın, dirençliliğin eklenmesiyle ilgili kuralına işaret eder:

, (14)

yani bir metalin toplam direnci, kristal kafesin düğümlerinin ısıl titreşimleriyle elektronların saçılmasından kaynaklanan statikliğin ve statik yapısal kusurlar tarafından elektronların saçılmasından kaynaklanan kalıntı direncinin toplamıdır.

Bu kuralın bir istisnası, direncin belirli bir kritik sıcaklığın altında kaybolduğu süper iletken metallerdir.

Kalıntı direncine en önemli katkı, her zaman gerçek bir iletkende kirlilik veya bir alaşım (yani kasıtlı olarak tanıtılan) elementi olarak mevcut olan safsızlıkların saçılmasıdır. Herhangi bir safsızlık katkı maddesinin, baz metale kıyasla iletkenliği artmış olsa bile in oranında bir artışa yol açtığına dikkat edilmelidir. Yani, 0.01 girişinde. Gümüş safsızlık oranı, bakırın direncinde 0,002 Ohm Ohm increasem artışa neden olur. Deneysel olarak, az miktarda safsızlık içeriğinde, dirençliliğin, safsızlık atomlarının konsantrasyonu ile orantılı olarak arttığı tespit edilmiştir.

Mattissen kuralının bir örneği, saf bakırın ve alaşımlarının öz dirençliliğinin sıcaklığa az miktarda (% 4'e kadar) ila% indiyum, antimon, kalay ve arsenik ile sıcaklığa bağlı olduğunu gösteren Şekil 7'dir.

Şekil 7 - Matisen kuralını gösteren katı çözelti tipindeki bakır alaşımlarının dirençliliğinin sıcaklığa bağımlılığı: 1 - saf Cu;

2 - Cu - 1.03,% In'de; 3 - Cu - 1.12,% Nl'de

Farklı yabancı maddelerin metal iletkenlerin artık direnci üzerinde farklı etkileri vardır. Kirlilik saçılımının verimi, kafesdeki bozulma potansiyeli ile belirlenir, değeri daha yüksek, kirlilik atomlarının değerleri ile metal - çözücü (baz) arasındaki fark daha güçlüdür.

Monovalent metaller için, artık dirençte% 1 oranında bir değişiklik. Kirlilik ("kirlilik" elektrik direnci katsayısı) Linde kuralına uyar:

, (15)

a ve b'nin metalin yapısına ve bir yabancı madde atomunun Periyodik elementler sisteminde bulunduğu süreye bağlı olarak sabit olduğu;  Z  - metal - solvent ve safsızlık atomunun değerleri arasındaki fark.

Formül 15'ten itibaren, metaloid safsızlıklarının, iletkenlikteki azalma üzerindeki etkisinin, metal elemanların safsızlıklarının etkisinden daha güçlü olduğunu takip eder.

Safsızlıklara ek olarak, kendi yapısal kusurları - boş yerler, geçişler arası atomlar, çıkıklar ve tane sınırları - kalıntı direncine belirli bir katkı sağlar. Nokta kusurlarının konsantrasyonu sıcaklıkla üssel olarak artar ve erime noktasının yakınında yüksek değerlere ulaşabilir. Ek olarak, boşluklar ve interstisyel atomlar, yüksek enerjili parçacıklarla, örneğin bir reaktörden gelen nötronlardan veya bir hızlandırıcıdan gelen iyonlardan ışınlandığında bir malzemede kolayca ortaya çıkar. Ölçülen direnç değerinden, ızgaradaki radyasyon hasarının derecesine karar verilebilir. Aynı şekilde, ışınlanmış numunenin indirgenmesi (tavlanması) izlenebilir.

Bakırın rezistans direncindeki% 1'lik bir nokta noktasında bir değişim: Noktasal kusurlar: boş pozisyonlarda 0,010 ila 0,015 μOhm  Ohm; interstisyel atomlarda, 0.005-0.010 μOhm  Ohm.

Kalıntı direnci, kimyasal saflığın ve metallerin yapısal mükemmelliğinin çok hassas bir özelliğidir. Uygulamada, özellikle yüksek saflıktaki metallerle çalışırken, kirliliklerin içeriğini değerlendirmek için oda sıcaklığında ve sıvı helyum sıcaklığındaki dirençlerin oranı ölçülür:

Metal ne kadar temiz olursa,  değeri o kadar yüksek olur. En saf metallerde (saflık derecesi% 99.99999),  parametresi 1050 sırasına sahiptir.

Metallerin ve alaşımların özdirençleri üzerinde büyük bir etki stres durumunun neden olduğu çarpıtmalardan etkilenir. Bununla birlikte, bu etkinin derecesi streslerin doğası ile belirlenir. Örneğin, çoğu metalde kapsamlı sıkıştırma ile, dirençlilik azalır. Bu, atomların yaklaşımı ve kafesin termal titreşimlerinin genliğindeki bir azalma ile açıklanmaktadır.

Plastik deformasyon ve sertleşme her zaman metal ve alaşımların direncini arttırır. Bununla birlikte, bu artış, saf metallerin önemli derecede sertleşmesine rağmen, yüzde birkaç olmaktadır.

Termal söndürme, kafes çarpıklıkları ve iç gerilmelerin ortaya çıkması ile ilişkili in artışına neden olur. Isıl işlemle yeniden kristalleştirme (tavlama) sırasında, dirençler iyileştirildiğinden ve iç gerilimlerden kurtulduğundan dirençlilik orijinal değerine düşürülebilir.

Katı çözeltilerin spesifikliği, ost'un termal bileşeni önemli ölçüde (birçok kez) aşabileceği yönündedir.

Birçok iki bileşenli alaşım için, kompozisyona bağlı olarak  ost'taki değişim, formun parabolik bir bağımlılığı ile iyi tanımlanmaktadır.

burada C, alaşımın yapısına bağlı olarak bir sabittir; xa ve x in, alaşımdaki bileşenlerin atomik fraksiyonlarıdır.

16 oranına Nordheim yasası deniyordu. İkili A - B katı çözeltilerinde, kalıntı direncinin hem B atomları metal A'ya (katı çözelti ) eklendiğinde hem de A atomları metal B'ye (katı çözelti ) eklendiğinde ve bu değişimin simetrik bir eğri ile karakterize edildiğini gösterir. . Sürekli bir dizi katı çözeltide, özdirenç daha büyüktür, bileşimdeki uzak kısım alaşım saf bileşenlerden ayrılır. Kalıntı direnci her bileşenin eşit içeriğiyle maksimum değerine ulaşır (x a \u003d x in \u003d 0.5).

Nordheim kanunu, eğer faz geçişleri, bileşimde bir değişiklikle gözlenmediyse ve bileşenlerinden hiçbiri geçiş veya nadir toprak elementleri arasında değilse, sürekli katı çözeltilerin dirençlilikteki değişikliği oldukça doğru bir şekilde tarif eder. Bu tür sistemlere bir örnek Au - Ag, Cu - Ag, Cu - Au, W - Mo vb. Alaşımlarıdır.

Bileşenleri geçiş grubunun metalleri olan katı çözeltiler bir şekilde farklı davranır (Şekil 8). Bu durumda, yüksek bileşen konsantrasyonlarında, değerlik elektronlarının bir kısmının, geçiş metali atomlarının iç dolgusuz d-kabuklarına geçişi ile ilişkili olan daha büyük bir artık direnç gözlemlenir. Ek olarak, bu tür alaşımlarda, maksimum  genellikle% 50 dışındaki konsantrasyonlara karşılık gelir.

Şekil 8 - Bakır-nikel alaşımlarının özdirençliği (1) ve sıcaklık katsayısının (2) bileşenlerin yüzdesine bağlılığı

Alaşımın direnci ne kadar yüksek olursa, α ρ da o kadar düşük olur. Bu, katı çözeltilerde, kural olarak, esasen t'yi aştığı ve sıcaklığa bağlı olmadığı gerçeğinden kaynaklanmaktadır. Sıcaklık katsayısı tanımına göre

(17)

Saf metallerin α ρ'larının birbirinden biraz farklı olduğu düşünülürse, ifade 17 kolayca aşağıdaki forma dönüştürülebilir:

(18)

Konsantre katı çözeltilerde ost, genellikle ρ t'den daha büyük veya daha büyük bir mertebedendir, bu nedenle, α ρ spl, saf α metalden ρ önemli ölçüde düşük olabilir. Termostabil iletken malzemeler elde etmek için temel budur. Birçok durumda, alaşımların özdirençlerinin sıcaklığa bağımlılığı, basit bir katkı düzeneğinden gelenlerden daha karmaşık hale gelir. Alaşımların özdirençlerinin sıcaklık katsayısı, oran 18 ile tahmin edilenden önemli ölçüde düşük olabilir. Belirtilen anormallikler, bakır-nikel alaşımlarında açıkça görülmektedir (Şekil 8). Bazı alaşımlarda, belirli bileşen oranlarında, negatif bir α ρ gözlenir (konstantan için).

Ρ ve α ρ'da alaşım bileşenlerinin yüzdesinden bu tür bir değişiklik, görünüşe göre, saf metallerle karşılaştırıldığında daha karmaşık bir bileşim ve yapı ile alaşımların klasik metaller olarak değerlendirilemeyeceği gerçeğiyle açıklanabilir. İletkenliklerinde bir değişiklik, sadece serbest elektronların ortalama serbest yolundaki bir değişiklikten değil, aynı zamanda bazı durumlarda artan sıcaklıktaki şarj taşıyıcı konsantrasyonundaki kısmi bir artıştan kaynaklanır. Artan sıcaklıkla ortalama serbest yolda bir düşüşün, yük taşıyıcıların konsantrasyonundaki bir artışla telafi edildiği bir alaşım, sıfır sıcaklık direnç katsayısına sahiptir.

Seyreltilmiş çözeltilerde, bileşenlerden biri (örneğin B bileşeni) çok düşük bir konsantrasyon ile karakterize edildiğinde ve bir kirlilik olarak kabul edilebildiğinde, formül 16'da doğruluk kaybı olmadan (1-x in) -1 koyulabilir. Sonra artık direnç ile metaldeki safsızlık atomlarının konsantrasyonu arasında doğrusal bir ilişkiye geliyoruz:

,

c sabitinin rezidüel dirençteki değişiklikleri izes ost% 1 safsızlıkla karakterize ettiği durumlarda.

Bazı alaşımlar, terkip içindeki belirli oranlar, imalatları sırasında korunursa, düzenli yapılar oluşturma eğilimindedir. Sıralamanın nedeni, aynı türden atomlara kıyasla farklı atomların daha güçlü bir kimyasal etkileşimidir. Yapı, kritik sıcaklık (veya Kurnakov sıcaklığı) olarak adlandırılan belli bir karakteristik sıcaklığın (T cr) altında sipariş edilir. Örneğin, 50 ° C içeren bir alaşım. % Cu ve% 50'de. % Zn ( - pirinç) gövde merkezli küp yapıya sahiptir. T  360C'de bakır ve çinko atomları kafes bölgelerine rastgele ve istatistiksel olarak dağıtılır.

Katıların elektriksel direncinin nedeni, serbest elektronların kafes atomları ile çarpışması değil, translasyon simetrisinin ihlalinden sorumlu yapısal kusurlardan saçılmasıdır. Katı bir çözelti siparişi verirken, kafesin atomik bileşiminin elektrostatik alanının periyodikliği, elektronların ortalama serbest yolunun arttığı ve alaşımın mikro-kojgenlikleri üzerine saçılma nedeniyle neredeyse tamamen ortadan kalktığı için yenilenir.

4 Metal film kalınlığının spesifik yüzey direnci ve sıcaklık katsayısı üzerindeki etkisi

Entegre devrelerin imalatında metal filmler ara bağlantılar, pedler, kapasitör plakaları, endüktif, manyetik ve dirençli elemanlar için kullanılır.

Filmlerin yapısı, yoğuşma koşullarına bağlı olarak, amorf kondensattan, epitaksiyel filmlere kadar değişebilir - mükemmel bir tek kristal tabakanın yapıları. Ek olarak, metal filmlerin özellikleri boyut efektleriyle ilişkilidir. Bu nedenle, film kalınlığı lff ile orantılıysa, elektrik iletkenliğine katkıları önemlidir.

Şekil 9, ρ s ince filmlerinin yüzey direncinin ve a ρ s sıcaklık katsayısının film kalınlığı üzerindeki tipik bağımlılıklarını göstermektedir. İlişki yapısal (uzunluk 1, genişlik b, film kalınlığı h) ve teknolojik olduğu için

İnce film direnç (TPR) () parametreleri denklemi ile ayarlanır:

,

ρ s \u003d ρ / h, kare direncin (veya spesifik yüzey direncinin) olduğu durumlarda, ρ s yerine no ve  ρ yerine no geleneksel tation işaretini kullanacağız.

Şekil 9 - Film kalınlığındaki   ve  değişimlerinin niteliği h

Metal filmlerin büyümesine dört aşama eşlik eder:

I metal adalarının oluşumu ve büyümesidir (yük aktarımından sorumlu mekanizmalar Fermi seviyesinin üstünde bulunan elektronların termiyonik emisyonu ve tünellenmesidir. Fermi seviyesinin üstünde bulunan elektronların termiyonik emisyonu ve tünellenmesidir. Metal filmin olmadığı substrat bölgelerinin yüzey direnci, sıcaklık arttıkça azalır, bu da küçük kalınlıktaki filmlerin negatif bir salınımına yol açar. );

II - adaların birbirleriyle teması (sign sign için işaret değiştirme anı metalin cinsine, film oluşum koşullarına, yabancı maddelerin konsantrasyonuna, yüzey yüzeyinin durumuna bağlıdır);

III - adalar arasındaki boşlukların boyutu ve sayısı azaldığında iletken bir ağın oluşumu;

IV - iletkenlik ve conduc bulk yığın iletkenlerin değerine yaklaştığında sürekli bir iletken film oluşumu, ancak yine de filmin özgül direnci, yüksek kusur konsantrasyonları nedeniyle, filmin biriktirme sırasında hapsolması nedeniyle bir dökme numuneninkinden daha büyüktür. Bu nedenle, tane sınırları boyunca oksitlenmiş filmler, fiziksel olarak sürekli olmalarına rağmen, elektriksel olarak süreksizdir. Numunenin yüzeyinden yansıyan ortalama serbest elektron yolundaki bir azalmaya bağlı olarak size büyümesine ve boyut etkisine katkıda bulunur.

İnce film dirençlerin üretiminde, üç grup malzeme kullanılır: metaller, metal alaşımları, sermetler.

5 Süperiletkenliğin fiziksel doğası

Süper iletkenlik olgusu, bir metaldeki elektronlar birbirine çekildiğinde meydana gelir, kuantum teorisi ile açıklanır. Pozitif yüklü iyonları içeren bir ortamda çekim yapmak mümkündür, bunun alanı Coulomb itme kuvvetlerini elektronlar arasında zayıflatır. Sadece elektriksel iletkenliğe katılan elektronlar, yani Fermi seviyesinin yakınında bulunur. Ters dönüşlü elektronlar, Cooper çiftleri adı verilen çiftlere bağlanır.

Cooper çiftlerinin oluşumundaki belirleyici rol, elektronların hem emebileceği hem de üretebileceği kafes - fononların termal titreşimleriyle etkileşimidir. Elektronlardan biri kafesle etkileşime giriyor - onu heyecanlandırıyor ve momentumunu değiştiriyor; Etkileşen başka bir elektron normal bir duruma geçirir ve ayrıca momentumunu değiştirir. Sonuç olarak, kafesin durumu değişmez ve elektronlar termal enerjinin kuantını değiştirir - fononlar. Fonon değişim etkileşimi, Coulomb itişinden daha üstün olan elektronlar arasında çekici kuvvetlere neden olur. Fonon değişimi sürekli olarak gerçekleşir.

Kafes içinde hareket eden bir elektron onu kutuplar, yani en yakın iyonları çeker, elektron yörüngesinin yanında pozitif yükün yoğunluğu artar. İkinci elektron, aşırı pozitif yük ile bölge tarafından çekilir ve bunun sonucunda, kafes ile etkileşime bağlı olarak, elektronlar arasında çekici kuvvetler ortaya çıkar (Cooper çifti). Bu eşleşmiş oluşumlar, uzayda birbiriyle örtüşür, çürür ve yeniden yaratılarak, iç etkileşime bağlı olarak enerjisini bir ayrık elektron kümesinden daha düşük olan bir elektron yoğunlaşması oluşturur. Bir enerji iletkeninin enerji spektrumunda - yasak enerji durumlarının bir bölgesi - bir enerji boşluğu belirir.

Eşleşmiş elektronlar enerji boşluğunun dibinde bulunur. Enerji boşluğunun büyüklüğü sıcaklığa bağlıdır, mutlak sıfırda maksimuma ulaşır ve T St'de tamamen kaybolur. Süper iletkenlerin çoğu için enerji boşluğu 10 -4 - 10 -3 eV arasındadır.

Elektron saçılması, termal titreşimler ve safsızlıklar üzerinde ortaya çıkar, ancak

elektronların toprak durumundan uyarılmış duruma geçişi için bir enerji boşluğunun varlığı, düşük sıcaklıklarda bulunmayan yeterli miktarda termal enerjiyi gerektirir, bu nedenle eşleşmiş elektronlar yapısal kusurlara saçılmaz. Cooper çiftlerinin bir özelliği, durumlarını birbirlerinden bağımsız olarak değiştirememeleridir, elektron dalgaları aynı uzunluk ve fazdadır, yani; Yapısal kusurların etrafından akan tek bir dalga olarak düşünülebilirler: Mutlak sıfırda, tüm elektronlar çiftler halinde bağlanır, bazı çiftlerin kırılmasında bir artış ve boşluk genişliğinde bir düşüş, tüm çiftlerde yok edilir, boşlukların genişliği azalır ve süper iletkenlik bozulur.

Süper iletken duruma geçiş, çok dar bir sıcaklık aralığında meydana gelir, yapının heterojenliği, aralığın genişlemesine neden olur.

Süper iletkenlerin en önemli özelliği - manyetik alan hiçbir şekilde malzeme kalınlığına nüfuz etmiyor, kuvvet çizgileri süper iletkeni çevreliyor (Meissner etkisi) - süper iletkenin yüzey katmanında, manyetik alandaki dış alanı tamamen telafi eden dairesel bir sönmemiş akım oluşmasıdır. Manyetik alanın penetrasyon derinliği 10 -7 - 10 -8 m'dir - süper iletken - ideal bir çapölçer; manyetik alandan dışarı itilir (içinde mıknatısın harekete geçirdiği sönmemiş akımların dolaştığı bir süper iletken malzeme halkasını asmak için kalıcı bir mıknatıs yapılabilir).

Manyetik alan H'yi aştığında süper iletkenlik durumu ihlal edilir. Malzemenin süper iletken durumdan, manyetik alanın etkisi altında normal elektrik iletkenlik durumuna geçişinin niteliğine göre, 1. ve 2. türdeki süper iletkenler ayırt edilir. Tip 1 süper iletkenlerde, bu geçiş aşamalar halinde gerçekleşir, süper iletkenlerde geçiş süreci H sv1 aralığında kademeli olarak gerçekleşir -

H sv2. Malzeme aralığında, normal ve süper iletken fazların bir arada olduğu, manyetik alanın süper iletkene yavaşça nüfuz ettiği ve sıfır direncin üst kritik gerilime kadar tutulduğu heterojen bir durumdadır.

Kritik yoğunluk, tip 1 süper iletkenlerin sıcaklığına bağlıdır:

Tip 2 süper iletkenlerde, orta durumun bölgesi, azalan sıcaklıkla genişler.

Tip 1 süper iletkenler için kritik tip I st \u003d 2πrH sv (T) kritik değerini aşarsa süper iletkenlik, süper iletkenden geçen akım ile bozulabilir (tip 2 için daha karmaşık bir karakter).

26 metal süper iletkenliğe sahiptir (temel olarak 4,2 K'nin altındaki kritik sıcaklıklarda birinci tür), 13 element yüksek basınçlarda (silikon, germanyum, tellür, antimon) süper iletkenlik sergiler. Bakır, altın, gümüş içermez: düşük direnç, elektronların kristal kafesle ve ferro ve antiferromagnetlerde zayıf bir etkileşimini gösterir; yarı iletkenler, yüksek konsantrasyonda dopantların eklenmesiyle dönüştürülür; Yüksek geçirgenliğe sahip dielektriklerde (ferroelektrikler), elektronlar arasındaki Coulomb itme kuvvetleri önemli ölçüde zayıflar ve süper iletkenlik özelliğini sergileyebilirler. İntermetalik bileşikler ve alaşımlar, tip 2 süper iletkenlere aittir, ancak, bu bölme mutlak değildir (eğer yeterli miktarda kristal kafes defektleri meydana gelirse, tip 1 süper iletken, tip 2 süper iletkene dönüştürülebilir. Süper iletken iletkenlerin üretimi, teknolojik ile ilişkilidir. zorluklar (kırılganlık, düşük ısı iletkenliği vardır), bakırlı bir süper iletken bileşimleri oluşturur (bronz yöntemi veya katı faz difüzyon yöntemi - presleme ve çekme; ) Bir süper-iletken filmi stanida niyobyum oluşturmak üzere Nb içine kalay difüze bronz ısıtılarak kalay, bronz bir kalıp içinde bulunan ince filamanlar niyobyum pozisyonu.

Güvenlik soruları

1 Hangi parametrelerin metallerin elektriksel iletkenliğini belirler.

2 Hangi istatistik metal iletkenliğinin kuantum teorisinde elektronların enerji dağılımını tanımlar.

3 Metallerde Fermi enerjisini (Fermi seviyesi) belirleyen nedir ve ne olduğuna bağlıdır.

4 Metalin elektrokimyasal potansiyeli nedir.

5 Metaldeki ortalama serbest elektron yolunu belirleyen şeydir.

6 Alaşımların oluşumu. Metallerin özdirençlerinde kusurların varlığı nasıldır?

7 İletkenlerin özdirençlerinin sıcaklığa bağımlılığını açıklar.

8 Katı çözeltiler ve mekanik karışımlar gibi alaşımlarda ρ ve TCS için N.S. Kurnakov kalıpları.

9 Farklı elektrik direnç değerleri ile iletken malzeme tekniğinde kullanım. Uygulamaya bağlı olarak malzeme gereksinimleri.

10 Süperiletkenlik olgusu. Süper ve kriyoiletkenlerin kapsamları

6 2 numaralı laboratuvar çalışması. İletken alaşımların özelliklerinin incelenmesi

Amaç: İki bileşenli alaşımların elektriksel özelliklerinde, bileşimlerine bağlı olarak değişiklik yasalarını incelemek.

Laboratuvar çalışmasının ilk bölümünde, farklı faz bileşimine sahip iki grup alaşım ele alınmıştır.

Birinci grup, A ve B bileşenleri birbirlerinin içinde sonsuz bir şekilde çözünen, kristal kafesin düğümlerinde birbirlerini aşamalı olarak değiştiren alaşımları içerir, bir saf alaşım bileşeninden diğerine kesintisiz bir seri katı çözeltileri oluştururlar. Bu tip katı halde herhangi bir alaşım tek fazlıdır, bu katı çözeltinin aynı tanecik bileşiminden oluşur. Bakır-nikel Cu-Ni, germanyum-silikon Ge-Si, vb. Katı çözelti alaşımlarının bir örneğidir, ikinci grup, bileşenleri birbirlerinde pratik olarak çözünmeyen alaşımları içerir, her biri kendi tanesini oluşturan bileşenler içerir. Katı alaşım iki fazlıdır; bu alaşımlara mekanik karışımlar denir. Mekanik karışım tipindeki alaşımların örnekleri bakır-gümüş sistemler Cu-Ag, kalay-kurşun Sn-Pb, vs.'dir.

Mekanik karışım tipindeki alaşımların oluşumu sırasında (Şekil 10, a), özellikler doğrusal olarak (ek olarak) değişir ve saf bileşenlerin özelliklerinin değerleri arasında ortalamadır. Katı çözelti tipindeki alaşımların oluşumu sırasında (Şekil 10, b), özellikler eğriler boyunca maksimum ve minimum olarak değişir.

Şekil 10 - N.S. Kurnakov'un kalıpları. Alaşımların faz bileşimi ile özellikleri arasındaki ilişki

Metallerin ve alaşımların ana elektriksel özellikleri şunlardır: elektriksel direnç ρ, µOhm; TCS direncinin sıcaklık katsayısı, derece -1.

Sonlu uzunlukta bir iletkenin elektriksel direnci l ve kesit S bilinen bir bağımlılıkla ifade edilir

(19)

İletken malzemelerin direnci düşüktür ve 0,016-10 μOhm.m aralığındadır.

Çeşitli metal iletkenlerin elektriksel direnci, esas olarak bu iletkendeki elektronun ortalama serbest serbest yolu λ'ya bağlıdır:

µ \u003d 1 / λ ise elektron saçılma katsayısıdır.

Metallerin ve alaşımlardaki elektrotların yön hareketindeki saçılma faktörleri, kristal kafesin düğümlerinde bulunan pozitif iyonlardır. Pozitif iyonların uzayda düzenli olarak bulunduğu en düzenli, bozulmamış kristal kafesi olan saf metallerde, elektron saçılması küçüktür ve esas olarak ≈ · metals sıcak metaller için kafes bölgelerinde Iona titreşimlerinin genliği ile belirlenir. µ sıcak olduğunda kafesin termal titreşimleri üzerindeki elektron saçılma katsayısıdır. Bu elektron saçılma mekanizmasına kafesin termal titreşimleriyle fonon saçılması denir.

Artan sıcaklık T ile, kafes bölgelerinde pozitif iyonların titreşimlerinin genliği artar, alanın hareketi boyunca yönlendirilen elektronların saçılması artar, ortalama serbest yol λ azalır ve direnç artar.

Sıcaklık bir dereceye kadar değiştiğinde malzemenin direncindeki artışı tahmin eden değer, TCS'nin elektrik direncinin sıcaklık katsayısı olarak adlandırılır:

(20)

buradaki R1, T1 sıcaklığında ölçülen, numunenin direncidir; R2, aynı numunenin T2 sıcaklığında ölçülen direncidir.

Çalışmada iki alaşım sistemi incelenmiştir: alaşım bileşenlerinin (bakır ve nikel) katı halde birbirlerine sınırsız çözünürlük koşullarını sağladığı Cu-Ni sistemi, bu nedenle bu sistemdeki herhangi bir alaşım kristalleşmeden sonra tek fazlı katı bir çözelti olacaktır (Şekil 10, a) ve bileşenleri (bakır ve gümüş) sınırsız çözünürlük koşullarını karşılamayan Cu-Ag sistemi, çözünürlükleri yüksek sıcaklıklarda bile (% 10'u geçmeyen) küçüktür ve 300 ° C'nin altındaki sıcaklıklarda düşünülebilecek kadar küçüktür. s, bu yoktur ve herhangi bir alaşım, bakır ve gümüş tanelerin mekanik karışımı (Şekil 10b) oluşur.

Katı çözümler için ρ eğrisinin seyrini düşünelim. Saf bileşenlerin herhangi birine başka bir alaşım bileşeni ilave edildiğinden, kristal örgüsün düğümlerindeki saf metallerde gözlenen aynı türdeki pozitif iyonların katı düzenindeki tek biçimlilik ihlal edilir. Sonuç olarak, elektronların katı çözelti tipinde bir alaşımda saçılması, saf bileşenlerin kristal kafesinin bozulmasından veya söylendiği gibi, kristal kafesin kusurundaki bir artıştan dolayı, sokulan her atomun, saf bileşene kıyasla farklı bir türden olması nedeniyle her zaman, saf bileşenlerin hepsinden daha büyüktür. nokta hatası.

Bu, katı çözelti tipindeki alaşımlar için, başka bir elektron saçılma tipinin eklendiğini - nokta kusurları ve elektriksel direnç ile saçılma

(21)

Tüm ρ değerlerini T \u003d 20 0C'de değerlendirmek geleneksel olduğu için, katı çözeltilerdeki alaşımlar için belirleyici faktör nokta kusurları ile saçılmadır. Kristal kafesin doğruluğunun en büyük ihlalleri yüzde elli bileşen konsantrasyonu bölgesinde gözlenir, ρ eğrisi bu bölgede maksimum değere sahiptir. İlişki 20'den, TCS'nin direnç sıcaklık katsayısının R direnci ve dolayısıyla direnç ρ ile ters orantılı olduğu görülmektedir; TCS eğrisi yüzde elli bileşen oranı bölgesinde min.

Laboratuvar çalışmasının ikinci bölümünde, yüksek dirençli alaşımlar göz önünde bulundurulur. Bu malzemeler, normal şartlar altında en az 0,3 μOhm m m elektriksel dirence sahip alaşımları içerir. Bu malzemeler, çeşitli elektrikli ve elektrikli ısıtma cihazlarının, model dirençlerinin, reostaların, vb. İmalatında yaygın olarak kullanılmaktadır.

Elektriksel ölçüm cihazlarının, referans dirençlerin ve reostaların imalatında, zaman içinde yüksek direnç kararlılığı ve düşük sıcaklık direnç katsayısı ile karakterize edilen alaşımlar kural olarak kullanılır. Bu malzemeler manganin, konstantan ve nikromu içerir.

Manganin, ortalama% 2.5 ... 3.5 nikel (kobaltlı),% 11.5 ...% 13.5 manganez,% 85.0 ... 89.0 bakır içeren bir bakır-nikel alaşımıdır. . Manganez ile doping ve ayrıca 400 ° C sıcaklıkta özel ısıl işlem, manganinin -100 ila + 100 ° C sıcaklık aralığında direncinin dengelenmesini sağlar. Manganin, bakır ile eşleştirilmiş çok küçük bir termo-EMF değerine sahiptir, zaman içinde yüksek direnç direnci, direnç üretiminde ve en yüksek hassasiyet sınıflarındaki elektrikli ölçüm cihazlarında geniş kullanımına izin verir.

Köstence, manganinle aynı bileşenleri içerir, ancak farklı oranlarda: nikel (kobaltlı)% 39 ... 41, manganez% 1 ...% 2, bakır% 56.1 ...% 59.1. Elektriksel direnci sıcaklıktan bağımsızdır.

Nikromlar, dereceye bağlı olarak% 15 ... 25 krom,% 55 ... 78 nikel,% 1.5 manganez içeren demir bazlı alaşımlardır. Genel olarak elektrikli ısıtma elemanlarının üretimi için kullanılırlar, çünkü havadaki yüksek sıcaklıkta iyi bir dirence sahiptirler, bu alaşımların lineer genleşmesinin sıcaklık katsayıları ve oksit filmlerinin yakın değerlerinden kaynaklanmaktadır.

(Nikrom hariç) çeşitli ısıtma elemanlarının üretimi için yaygın olarak kullanılan yüksek dirençli alaşımlar arasında, fekral ve kromun ısıya dayanıklı alaşımlarını not etmek gerekir. Fe-Cr-Al sistemine aittirler ve% 0,7 manganez,% 0,6 nikel,% 12 ... 15 krom,% 3,5 ... 5,5 alüminyum içerirler ve gerisi demirdir. Bu alaşımlar, çeşitli gaz halindeki ortamın yüksek sıcaklıklarda etkisi altında yüzeydeki kimyasal tahribata karşı oldukça dirençlidir.

6.1 2a numaralı laboratuvar çalışmasının sırası

Çalışmaya başlamadan önce, Şekil 11'de gösterilen montaj şemasını ve ölçümler için gerekli olan aletleri tanıyın.

Laboratuar kurulumu, numunelerin yerleştirildiği bir termostattan ve numunenin gerçek zamanlı olarak direncini ölçmenize olanak sağlayan bir ölçüm köprüsü MO-62'den oluşur. Numunelerin zorla soğutulması için (Т\u003e 25 ° С de) termostat üzerine bir fan monte edilir ve arka yüzeyde bir damper bulunur. Termostatın sağ tarafında örnek bir sayı anahtarı bulunur.

Şekil 11 - Laboratuar çalışmalarının görünümü ve ölçüm şeması 2a

Çalışmaya başlamadan önce, “çarpan N” şalterlerini 0,1 veya 0,01 konumuna (tabloda gösterildiği gibi) ayarlayın ve beş on yıl saat yönünün tersine en soldaki konuma getirin ve termostatın kapalı olduğundan emin olun (termostatın ön panelindeki açma / kapama düğmesi position25 ° С) üst konumunda ise, damperi açınız ve vantilatörü gösterge lambasının altında bulunan açma / kapama düğmesi ile açınız, normal sıcaklığa ulaşana kadar alt konuma getiriniz ve ardından fanı kapatınız.

6.1.1 -1 numaralı örneği ayarlayın, bir termostat üzerine monte edilmiş bir termometre kullanarak ölçümlerin alınacağı sıcaklığı sabitleyin; ölçüm köprüsü çarpanını 0.01 konumuna getirin ve ardından ön panelin sağ üst köşesinde bulunan geçiş anahtarını kullanarak ağı açın, ağ göstergesi yanacaktır. On yıl süren anahtarları kullanarak, “doğru” ölçüm düğmesine tıkladıktan sonra galvanometre iğnesinin 0 konumunda olduğundan emin olun.

Direnç seçimi, son on yılda art arda yaklaştırma ile başlamalı, elde edilen değeri bir faktörle çarpmalı ve tablo 3'e yazmalıdır.

Sonraki beş numune için ölçümleri tekrarlayın, ardından çarpan 0.1 konumuna getirilir ve 7-10 örnekleri için ölçümlere devam edilir.

6.1.2 Numune numarası anahtarını orijinal konumuna getirin, termostatın arkasındaki kapağı kapatın, termostatı açın (ön paneldeki anahtar - tamamen aşağı) ve örnekleri 50-70 ° C'ye ısıtın, sonra termostatı kapatın, kapağı açın ve 10 numunenin direnç ölçümü, her ölçüm için karşılık gelen sıcaklığı kaydeden paragraf 6.1.1'e benzer.

Tablo 3'te elde edilen tüm verileri kaydedin. Sonuçları öğretmene gösterin.

6.2 Prosedür 2b

Çalışmaya başlamadan önce, Şekil 12'de gösterilen montaj şemasını ve uygulaması için gerekli olan cihazları tanıyın.

Tesis, bir + 12V güç kaynağının, bir sıcaklık ölçüm biriminin (BIT), bir termostatın, içine yerleştirilmiş numunelerin bulunduğu bir ölçüm ünitesinden (BI) oluşur,

numunelerin zorla soğutulması için bir fan, çalışma modları ve sıcaklığın bir göstergesi, anahtarlama araçları (örnek numarası, çalışma modu, güç açık, termostat ve zorla soğutma) anahtarları ve alınan göreve göre tüm numunelerin direncini gerçek zamanlı olarak ölçmenize olanak sağlayan bir RLC bloğu .

Şekil 12- Laboratuar çalışmasının görünümü ve ölçüm şeması 2b

Ağdaki üniteyi açmadan önce, ölçüm biriminin sağ tarafında bulunan K1 ağ geçiş anahtarının ve RLC-metre geçiş anahtarının “Kapalı” konumda olduğundan emin olun.

6.2.1 Ağa bir RLC metre ve bir ölçüm birimi (BI) bağlayın.

6.2.2 BI üzerindeki açma / kapatma anahtarını doğru konumda (termostat kapalı), kırmızı LED yanmaz.

6.2.3 BI değiştirme anahtarı K4'teki çalışma modu - alt konumda.

6.2.4 Açma / kapatma düğmesi “çarpan” - 1: 100, 1: 1 (orta konum).

6.2.5 P1 ve P2 şalterleri (örnek numaraları) - R1 pozisyonuna.

6.2.6 Açma / kapatma düğmesi K3 (fan açık) - KAPALI (düşük konum).

6.2.7 BI'ın gücünü açın (BI'ın sağ tarafında bulunan K1 geçiş düğmesi açık, yeşil LED yanar), çarpanı 1: 100 konumuna getirin, numunelerin sıcaklığının 20 ° C arasında olduğundan emin olun 25 ° C

ünitenin arka panelindeki düğmeye kısaca basılarak sıcaklık göstergesini daha önce devreye sokan, aksi takdirde, termostat kapağını BI kapağı üzerindeki vidayla yukarı kaldırın ve fanı açın, numuneleri belirtilen sınırlara kadar soğutun.

6.2.8 RLC sayacının gücünü açın ve direnç ölçüm modunu seçin.

6.2.9 BI üzerindeki “N sample” anahtarını kullanarak, oda sıcaklığındaki (20-25) resistance sıcaklıktaki 10 numunenin direncini ölçün, ardından orijinal konumuna geri getirin, verileri tablo 3'e girin.

6.2.10 BI'daki termostatı açın, K2 anahtarı “ON” (kırmızı LED yanar) ve 50-60 ° С'ye ısıtın, BI üzerindeki fan kapağını kaldırın ve fanı açın (K3 - yukarı).

6.2.11 Her bir numune için ölçüm yapılan sıcaklığı sabitlerken, Bölüm 6.2.9'a benzer şekilde 10 örneğin direncini ölçün. Tablo 3'teki verileri girin. İlk konumda “N sample” anahtarı ve orta konumda çarpan.

6.2.12 - Fan kapağını aşağı indirerek termostatı Т \u003d 65 ºС ye ısıtmaya devam edin. Termostatı kapatın, K2'yi BI-girişinde doğru konuma getirin (kırmızı LED kapalı).

6.2.13 K4 "çalıştırma modu" anahtarını BI moduna - 2 konumuna getirin ve çarpanı - 1: 1 konumuna getirin, fan kapağını kaldırın.

6.2.14 R1, R2, R3, R4'ü her bir (5-10) ℃ (25-30) temperature˚ sıcaklığa kadar birer birer ölçün ve verileri tablo 4'e girin. Sıcaklık (25-30) ℃ 'ye ulaştığında, çarpan anahtarını - orta konumda ve sonra her iki cihazda da ağı kapatın. (Numune 1 bakır, numune 2 nikel, numune 3 konstantan, numune 4 nikromdur).

Rapor şunları içermelidir:

İşin amacı;

Kurulum şemasının kısa bir açıklaması;

Çalışma formülleri, açıklamalar, hesaplama örnekleri;

Deney sonuçları, Tablo 1 (veya tablo 3 ve 4) şeklinde ve Cu-Ag ve Cu-Ni sistemleri için alaşımların bileşimindeki ve ρ ve TCS'ye bağlı iki grafikte ve Cu.19-6.2.16 bölümlerindeki direnç (R) t four dört örnek için;

Deneysel sonuçlar ve önerilen literatür çalışması temelinde formüle edilen sonuçlar.

Tablo 3 - ρ ve TCS'nin alaşım bileşimine bağımlılığının incelenmesi

İletken uzunluğu L \u003d 2m; bölüm S \u003d 0.053 μm.
;
.

Tablo 4 Numunelerin direncinin sıcaklığa bağımlılığının incelenmesi

edebiyat

1 Pasynkov V.V., Sorokin V.S. Elektronik teçhizat malzemeleri: Ders kitabı. - 2. baskı. - M: Daha yüksek. okul., 1986. - 367 s.

2 Elektroteknik Malzemeler El Kitabı / Ed. Y. Koritsky, V.V. Pasynkova, B.M. Tareeva. - M .: Energoizdat, 1988.V. 3.

3 Enstrümantasyon ve otomasyondaki malzemeler. El Kitabı / Ed. YM Pyatina, - M .: Makine Mühendisliği, 1982.

4 Bondarenko G.G., Kabanova T.A., Rybalko V.V. Malzeme Bilimi .- M .: Yurayt Yayınevi, 2012.335 s.

ρ · 10 2, TCS · 10 3,

1m 1 / deg

Ag 100 80 60 40 20 0

Cu 0 20 40 60 80 100

10, TCS,

μOhm m 1 / derece.

Cu 100 80 60 40 20 0

Ni 0 20 40 60 80 100

Öğretmenin Programı - Kirshina I.A. - Doç.

Hemen hemen tüm malzemelerin elektrik direnci sıcaklığa bağlıdır. Bu bağımlılığın doğası, farklı malzemeler için farklıdır.

Kristal yapıya sahip metallerde, yük taşıyıcıları olarak serbest elektron yolu, kristal kafesin düğümlerinde bulunan iyonlarla çarpışmalarıyla sınırlıdır. Çarpışmalarda, elektronların kinetik enerjisi kafeslere aktarılır. Her çarpışmadan sonra, elektrik alan kuvvetlerinin etkisi altındaki elektronlar yine hız kazanırlar ve daha sonraki çarpışmalar sonucunda elde edilen enerjiyi kristal kafes iyonlarına aktarırlar, bu da titreşimlerini arttırır ve bu da maddenin sıcaklığının artmasına neden olur. Bu nedenle elektronlar, elektrik enerjisinin termal enerjiye dönüştürülmesinde aracı olarak düşünülebilir. Sıcaklıktaki bir artışa, madde parçacıklarının kaotik termal hareketindeki bir artış eşlik eder; bu, onlarla elektronların çarpışma sayısında bir artışa yol açar ve elektronların sıralı hareketini zorlaştırır.

Çoğu metal için, direnç, çalışma sıcaklığı aralığında doğrusal olarak artar.

nerede ve - ilk ve son sıcaklıklarda direnç;

- direnç sıcaklık katsayısı (TCS) olarak adlandırılan belirli bir metal katsayısı için sabit;

T1 ve T2 ilk ve son sıcaklıklardır.

İkinci tür iletkenler için sıcaklıktaki bir artış iyonlaşmalarında bir artışa neden olur, bu nedenle bu tip iletkenlerin TCS'si negatiftir.

Maddelerin ve TCS'lerin direnç değerleri referans kitaplarında verilmiştir. Tipik olarak, direnç değerleri genellikle +20 ° C sıcaklıkta verilir.

İletkenlerin direnci, ifade ile belirlenir.

R2 \u003d R1
(2.1.2)

Görev 3 Örneği

Tel kesiti S \u003d ise, iki telli iletim hattının bakır telinin + 20 ° С ve +40 ° С'daki direncini belirleyin.

120 mm ve çizgi uzunluğu l \u003d 10 km.

karar

Referans tablolarına göre özdirenç bulduk + 20 ° С'da bakır ve sıcaklık dayanımı katsayısı :

\u003d 0,0175 ohm mm / m; \u003d 0.004 derece .

Telin direncini R \u003d formülüne göre T1 \u003d +20 ° C olarak belirleriz , hattın ileri ve geri tellerinin uzunluğunu göz önünde bulundurarak:

R1 \u003d 0,0175
2 \u003d 2.917 Ohm.

Tellerin + 40 ° C sıcaklıktaki direnci formül (2.1.2) 'de bulunur.

R2 \u003d 2.917 \u003d 3.15 ohm.

görev

Bir üç tel uzunluğa sahip L hatlı kablo, işareti Tablo 2.1'de verilen tel ile yapılmıştır. Yukarıdaki örneği kullanarak “?” İşareti ile gösterilen değeri bulmak ve tablo 2.1'de belirtilen verilerle seçeneği seçmek gerekir.

Görevde, örnekten farklı olarak, hattın bir teli ile ilgili hesaplamalar yapıldığı belirtilmelidir. Çıplak tel markalarında harf, telin malzemesini (A - alüminyum; M - bakır) gösterir ve rakam, telin kesitini gösterir.aa .

Tablo 2.1

Materyal çalışması 2 numaralı testlerle sona ermektedir (TOE-

ETM / PM ”ve No. 3 (TOE - ETM / IM)

Akım oluşumunda yer almayan bir iletken parçacıkları (moleküller, atomlar, iyonlar) ısıl hareket halindedir ve bir akım oluşturan parçacıklar bir elektrik alanının etkisi altında aynı anda ısıl ve yön hareketlerindedir. Bundan dolayı, akımı oluşturan parçacıklar ve oluşumunda yer almayan parçacıklar arasında, bunlardan birincisine, bunlar tarafından aktarılan akım kaynağının enerjisinin bir kısmını veren, çok sayıda çarpışma meydana gelir. Çarpışmalar arttıkça, akımı oluşturan parçacıkların sıralı hareketinin hızı düşer. Formülden görülebileceği gibi I \u003d enhızdaki bir düşüş mevcut kuvvette bir azalmaya neden olur. Akım kuvvetini azaltmak için bir iletken özelliğini belirleyen skaler miktara denir. iletken direnci.  Ohm kanunu formülünden direnç Ohm, bir kuvvetin bir akımla elde edildiği iletkenin direncidir. 1 a  1 in iletken uçlarındaki bir voltajda.

Bir iletkenin direnci, uzunluğu l, kesit S ve direnç ile karakterize edilen malzemeye bağlıdır. İletken ne kadar uzun olursa, birim zamanda akımı o anda oluşturan partiküllerin oluşumuna katılmayan partiküller ile çarpışması ve dolayısıyla iletkenin direnci de o kadar artar. İletkenin enine kesiti ne kadar küçük olursa, akımı oluşturan parçacıkların akışı o kadar yoğun olur ve oluşumuna katılmayan parçacıklarla daha sık çarpışır ve bu nedenle iletkenin direnci de artar.

Bir elektrik alanın etkisi altında, çarpışmalar arasındaki akımı oluşturan parçacıklar, alan enerjisinden dolayı kinetik enerjilerini artırarak, hızla hareket eder. Akım oluşturmayan parçacıklarla çarpışma sırasında kinetik enerjilerinin bir kısmını onlara aktarırlar. Sonuç olarak iletkenin iç enerjisi artar, bu da kendi ısınmasında kendini gösterir. İletken direncinin ısıtıldığında değişip değişmediğini göz önünde bulundurun.

Elektrik devresinde bir çelik tel bobini vardır (sicim, Şek. 81, a). Zinciri kapattıktan sonra teli ısıtmaya başlarız. Ne kadar ısıtırsak, ampermetre o kadar düşüktür akım gücünü gösterir. Düşüşü, metaller ısıtıldığında dirençlerinin artması nedeniyledir. Yani, bir ampul saçının yanmadığı zamanki direnci yaklaşık olarak 20 ohmyanarken (2900 ° S) - 260 ohm. Bir metal ısıtıldığında, elektronların termal hareketi ve kristal kafesdeki iyonların salınım hızı artar ve bunun sonucunda iyonlarla bir akım oluşturan elektron çarpışmalarının sayısı artar. Bu iletken * direncinde bir artışa neden olur. Metallerde serbest olmayan elektronlar iyonlara çok kuvvetli bir şekilde bağlanır, bu nedenle metaller ısıtıldığında serbest elektronların sayısı hemen hemen değişmeden kalır.

* (Elektronik teoriye dayanarak, sıcaklığa dayanıma bağımlılığın kesin kanununu çıkarmak mümkün değildir. Böyle bir yasa, bir elektronun dalga özelliklerine sahip bir parçacık olarak kabul edildiği kuantum teorisi ile belirlenir ve bir iletkenlik elektronun bir metal boyunca hareketi elektron dalgalarının yayılma işlemi olarak kabul edilir, bunun uzunluğu de Broglie ilişkisi ile belirlenir.)

Deneyler, çeşitli maddelerden gelen iletkenlerin sıcaklığının aynı derecede değiştiği zaman, dirençlerinin eşit olmayan şekilde değiştiğini göstermektedir. Örneğin, bakır iletkenin direnci varsa 1 ohmsonra ısıtıldıktan sonra 1 ° C  direnişi olacak 1.004 ohmve tungsten - 1.005 ohm İletken direncinin sıcaklığına bağımlılığını karakterize etmek için, direnç sıcaklık katsayısı adı verilen bir değer verilir. 0 ° C'de alınan 1 ohm'luk bir iletkenin direncindeki bir değişiklik ile ölçülen skaler değer, sıcaklıktaki 1 ° C'lik bir değişiklikten, direnç a'nın sıcaklık katsayısı olarak adlandırılır.. Yani, tungsten için, bu katsayı 0,005 ° -1, bakır için - 0,004 ° C.  Direnç sıcaklık katsayısı sıcaklığa bağlıdır. Metaller için sıcaklıkla az da olsa değişir. Küçük bir sıcaklık aralığında, belirli bir malzeme için sabit olarak kabul edilir.

İletken direncinin sıcaklığını dikkate alarak hesaplandığı formülü türetiriz. Farz et R 0  - iletkendeki direnç 0 ° Cısıtıldığında 1 ° C  tarafından artacak αR 0, ve ısıtıldığında t °  - açık aRt °  ve olur R \u003d R 0 + αR 0 t °veya

Metal direncinin sıcaklığa bağlılığı, örneğin elektrikli ısıtıcılar için spirallerin imalatında dikkate alınır, lambalar: spiral telin uzunluğu ve izin verilen akım gücü, ısıtılmış bir durumda dirençlerinden hesaplanır. Metal direncinin sıcaklığa bağlılığı, ısı motorlarının, gaz türbinlerinin, yüksek fırınlardaki metallerin, vb. Sıcaklığını ölçmek için kullanılan direnç termometrelerinde kullanılır. Bu termometre porselen çerçeveye sarılmış ve yerleştirilmiş ince bir platin (nikel, demir) bobinden oluşur. koruyucu kılıf içine. Uçları, ölçeği sıcaklık derecelerinde kalibre edilen bir ampermetre ile bir elektrik devresine bağlanır. Spiral ısıtıldığında, devredeki akım azalır, bu ampermetrenin hareket etmesine neden olur, bu da sıcaklığı gösterir.

Belirli bir bölümün direncinin karşılığını, devre, denir elektriksel iletkenlik  (elektriksel iletkenlik). İletkenlik İletkenliğin iletkenliği ne kadar yüksek olursa, direnci o kadar düşük ve akımı o kadar iyi iletir. İletkenlik biriminin adı   İletken direnci 1 ohm  Bu adlandırılan siemens.

Sıcaklığın azalmasıyla metallerin direnci azalır. Ancak, her metal ve alaşım için direnci düşük bir sıcaklıkta aniden azalır ve ufukta küçük olur - pratik olarak sıfıra eşit olan metaller ve alaşımlar vardır (Şekil 81, b). Geliyor süper iletkenlik - iletken pratikte direncine sahip değildir ve iletken süper iletkenlik sıcaklığındayken içinde bulunan akım uzun süre var olduğunda (deneylerden birinde akım bir yıldan fazla gözlemlenmiştir). Bir süper iletken akım yoğunluğundan geçerken 1200 a / mm 2  ısı salımı gözlemlenmedi. En iyi akım iletkenleri olan monovalent metaller, deneylerin yapıldığı aşırı düşük sıcaklıklara kadar süper iletken duruma geçmez. Örneğin, bu deneylerde, bakır soğutuldu 0.0156 ° K,  altın - yukarı 0.0204 ° K  Olağan sıcaklıklarda süper iletkenlikli alaşımlar elde etmek mümkün olsaydı, elektrik mühendisliği için bu çok önemli olurdu.

Modern kavramlara göre, süperiletkenliğin temel nedeni eşleşmiş elektron çiftlerinin oluşumu. Süper iletken bir sıcaklıkta, değişim kuvvetleri serbest elektronlar arasında hareket etmeye başlar, bu nedenle elektronlar bağlı elektron çiftlerini oluşturur. Birleştirilmiş elektron çiftlerinden gelen böyle bir elektron gazı, sıradan elektron gazından başka özelliklere sahiptir - kristal kafesin düğümlerine karşı sürtünmeden bir süper iletkende hareket eder.