Proprietà di base dei conduttori metallici

A i parametri più importanti che caratterizzano le proprietà dei materiali conduttivi includono: 1) conducibilitàγ o il suo reciproco - resistivitàρ, 2) coefficiente di resistività termica TKρ o α ρ , 3) coefficiente di conducibilità termica λ T(in precedenza era indicato con γ T), 4) calore specifico da; 5) calore specifico di fusione r T .

Collegamento di densità di corrente δ, (A / m²) e intensità campo elettrico e(V/m), a conduttore metallico, come già mostrato sopra, è data dalla ben nota formula δ = γE, detta forma differenziale della legge di Ohm.

Per un conduttore con resistenza R lunghezza l e sezione trasversale costante S, resistività ρ calcolato secondo la formula

ρ = RS/l.

Per misurare ρ materiali conduttori, è consentito utilizzare un'unità fuori sistema Ohm mm² / m. La relazione tra queste unità di resistività è la seguente:

Ohm mm 2 / m \u003d μOhm m.

Gamma di resistività ρ conduttori metallici a temperatura normale abbastanza stretto: da 0,036 per l'argento e fino a circa 3,4 µOhm m per le leghe ferro-cromo-alluminio.

La resistenza di un conduttore dipende dalla frequenza della corrente che lo attraversa. È noto che alle alte frequenze la densità di corrente cambia sulla sezione trasversale del conduttore. È massimo in superficie e diminuisce man mano che penetra in profondità nel conduttore. C'è uno spostamento di corrente sulla superficie del conduttore. Questo fenomeno si chiama effetto di superficie.È più forte quanto più alta è la frequenza. Poiché l'area della sezione trasversale attraverso la quale scorre la corrente è diminuita, la resistenza del filo corrente alternata divenne qualcosa di più della sua resistenza corrente continua. La profondità alla quale la densità di corrente diminuisce di un fattore e = 2,72 volte è considerata la profondità di penetrazione della corrente nel conduttore a una data frequenza rispetto al suo valore sulla superficie del conduttore.

Coefficiente di resistività termica dei metalli.

Concentrazione di elettroni liberi n in un conduttore metallico rimane praticamente invariato all'aumentare della temperatura, ma la loro velocità media aumenta moto termico. Anche le oscillazioni dei nodi si stanno intensificando reticolo cristallino. Di solito viene chiamato il quanto delle oscillazioni elastiche di un mezzo fonone. Piccole vibrazioni termiche del reticolo cristallino possono essere considerate come un insieme di fononi. Con un aumento della temperatura, aumentano le ampiezze delle vibrazioni termiche degli atomi, ad es. la sezione trasversale del volume sferico occupato dall'atomo vibrante aumenta.

Pertanto, all'aumentare della temperatura, appaiono sempre più ostacoli nel percorso della deriva degli elettroni sotto l'influenza di un campo elettrico. Ciò porta al fatto che il percorso libero medio dell'elettrone λ diminuisce, la mobilità degli elettroni diminuisce e, di conseguenza, la conduttività specifica dei metalli diminuisce e la resistività aumenta. La variazione della resistività di un conduttore con una variazione della sua temperatura di 3K, riferita al valore della resistività di questo conduttore ad una data temperatura, è chiamata coefficiente di resistività di temperatura TK ρ o . Il coefficiente di resistività termica è misurato in K -3. Il coefficiente di resistività termica dei metalli è positivo. Come segue dalla definizione di cui sopra, l'espressione differenziale per TK ρ sembra:

.

Capacità termica caratterizza la capacità di una sostanza di assorbire calore Q quando riscaldato. capacità termica DA qualunque corpo fisico chiamano un valore pari alla quantità di energia termica assorbita da questo corpo quando viene riscaldato di 3K senza cambiare il suo stato di fase. La capacità termica è misurata in J/K. Capacità termica materiali metallici cresce con l'aumentare della temperatura. Pertanto, la capacità termica DAè determinato per un cambiamento infinitesimo del suo stato:

Rapporto capacità termica DA al peso corporeo m chiamato calore specifico da:

.

La capacità termica specifica è misurata in J/(kg∙K). I materiali refrattari sono caratterizzati da valori bassi calore specifico, i materiali bassofondenti, invece, sono caratterizzati da un elevato potere termico specifico.

conduttività termica chiamato trasferimento di energia termica Q in un mezzo riscaldato in modo non uniforme come risultato del movimento termico e dell'interazione delle sue particelle costituenti. Il trasferimento di calore in qualsiasi mezzo o corpo avviene dalle parti più calde alle parti più fredde. Come risultato del trasferimento di calore, la temperatura del fluido o del corpo viene equalizzata. Nei metalli, il trasferimento di energia termica è effettuato da elettroni di conduzione. Il numero di elettroni liberi per unità di volume di un metallo è molto grande. Pertanto, di norma, la conduttività termica dei metalli è molto maggiore della conduttività termica dei dielettrici. Meno impurità contengono i metalli, maggiore è la loro conduttività termica. All'aumentare delle impurità, la loro conduttività termica diminuisce.

Come è noto, il processo di scambio termico è descritto dalla legge di Fourier:

.

Qui - densità del flusso di calore, ovvero la quantità di calore che passa lungo la coordinata X attraverso l'area unitaria sezione trasversale per unità di tempo, J / m 2 s,

è il gradiente di temperatura lungo la coordinata X, Km/m,

- coefficiente di proporzionalità, detto coefficiente di conducibilità termica (precedentemente denominato ), W / K∙m.

Pertanto, il termine conducibilità termica corrisponde a due concetti: questo è il processo di trasferimento del calore e il coefficiente di proporzionalità che caratterizza questo processo.

Temperatura e calore di fusione. Il calore assorbito da un corpo solido cristallino durante il suo passaggio da una fase all'altra è chiamato calore transizione di fase. In particolare viene chiamato il calore assorbito da un corpo solido cristallino durante il suo passaggio da uno stato solido a uno liquido calore di fusione, e la temperatura alla quale avviene la fusione (a pressione costante), sono chiamati punto di fusione e denotare TPL.. La quantità di calore che deve essere portata a una massa unitaria di un corpo solido cristallino a una temperatura TPL per convertirlo in uno stato liquido, chiamato calore specifico fusione r PL ed è misurato in MJ/kg o kJ/kg. A seconda del punto di fusione si distinguono i metalli refrattari, aventi un punto di fusione superiore a quello del ferro, cioè superiore a 3539 0 C e fusibile con un punto di fusione inferiore a 500 0 C. L'intervallo di temperatura da 500 0 C a 3539 0 C si riferisce ai valori medi dei punti di fusione.

La funzione di lavoro di un elettrone da un metallo. L'esperienza mostra che gli elettroni liberi praticamente non lasciano il metallo a temperature normali. Ciò è dovuto al fatto che nello strato superficiale del metallo viene creato uno strato di ritenzione. campo elettrico. Questo campo elettrico può essere rappresentato come una potenziale barriera che impedisce agli elettroni di fuoriuscire dal metallo nel vuoto circostante. La barriera del potenziale di detenzione viene creata per due motivi. In primo luogo, a causa delle forze di attrazione dell'eccesso Carica positiva, che sorse nel metallo a causa dell'emissione di elettroni da esso e, in secondo luogo, a causa delle forze repulsive degli elettroni precedentemente emessi, che formavano una nuvola di elettroni vicino alla superficie del metallo. Questa nuvola di elettroni, insieme allo strato esterno di ioni reticolari positivi, forma un doppio strato elettrico, il cui campo elettrico è simile al campo di un condensatore piatto. Lo spessore di questo strato è pari a diverse distanze interatomiche (30 -30 -30 -9 m). Non crea un campo elettrico nello spazio esterno, ma crea una potenziale barriera che impedisce il rilascio di elettroni liberi dal metallo.

L'esperienza secondo le considerazioni generali del § 46 mostra che la resistenza di un conduttore dipende anche dalla sua temperatura.

Avvolgiamo diversi metri di filo di ferro sottile (diametro 0,1-0,2 mm) 1 a forma di spirale e lo includiamo in un circuito contenente una batteria cellule galvaniche 2 e amperometro 3 (Fig. 81). Selezioniamo la resistenza di questo filo in modo che a temperatura ambiente l'ago dell'amperometro devii quasi fino al fondo scala. Dopo aver notato le letture dell'amperometro, riscaldiamo fortemente il filo con un bruciatore. Vedremo che quando la corrente nel circuito viene riscaldata, diminuisce, il che significa che la resistenza del filo aumenta quando viene riscaldato. Questo risultato si ottiene non solo con il ferro, ma con tutti gli altri metalli. All'aumentare della temperatura, aumenta la resistenza dei metalli. Per alcuni metalli questo aumento è significativo: per i metalli puri, scaldati a 100°C, raggiunge il 40-50%; nelle leghe, di solito è inferiore. Esistono leghe speciali in cui la resistenza quasi non cambia con l'aumentare della temperatura; tali, ad esempio, sono costantana (dalla parola latina constans - costante) e manganina. Costantana è usata per realizzare alcuni strumenti di misura.

Riso. 81. Esperienza che mostra la dipendenza della resistenza del filo dalla temperatura. Quando riscaldato, la resistenza del filo aumenta: 1 - filo, 2 - batteria di celle galvaniche, 3 - amperometro

In caso contrario, la resistenza degli elettroliti cambia quando vengono riscaldati. Ripetiamo l'esperimento descritto, ma introduciamo nel circuito una specie di elettrolita al posto del filo di ferro (Fig. 82). Vedremo che le letture dell'amperometro aumentano continuamente quando l'elettrolita viene riscaldato, il che significa che la resistenza degli elettroliti diminuisce con l'aumentare della temperatura. Si noti che anche la resistenza del carbone e di alcuni altri materiali diminuisce quando vengono riscaldati.

Riso. 82. Esperienza che mostra la dipendenza della resistenza degli elettroliti dalla temperatura. Quando riscaldato, la resistenza dell'elettrolita diminuisce: 1 - elettrolita, 2 - batteria di celle galvaniche, 3 - amperometro

La dipendenza della resistenza dei metalli dalla temperatura viene utilizzata per la costruzione di termometri a resistenza. Nella sua forma più semplice si tratta di un sottile filo di platino avvolto su una lastra di mica (fig. 83), la cui resistenza a varie temperature è ben nota. Un termometro a resistenza è posto all'interno del corpo di cui si vuole misurare la temperatura (ad esempio in una fornace) e le estremità dell'avvolgimento sono collegate al circuito. Misurando la resistenza dell'avvolgimento, è possibile determinare la temperatura. Tali termometri sono spesso usati per misurare temperature molto alte e molto basse, alle quali termometri a mercurio non più applicabile.

Riso. 83. Termoresistenza

L'aumento della resistenza di un conduttore quando viene riscaldato di 1°C, diviso per la resistenza iniziale, è chiamato coefficiente di resistenza termica ed è solitamente indicato dalla lettera. In generale, il coefficiente di resistenza termica stesso dipende dalla temperatura. Il valore ha un significato, ad esempio, se alziamo la temperatura da 20 a 21°C, e un altro quando la temperatura sale da 200 a 201°C. Ma in molti casi la variazione su un intervallo di temperature abbastanza ampio è trascurabile e può essere utilizzato un valore medio su questo intervallo. Se la resistenza del conduttore ad una temperatura è uguale a e ad una temperatura uguale a , allora il valore medio

. (48.1)

Di solito si considera la resistenza a una temperatura di 0 ° C.

Tabella 3. Il valore medio del coefficiente di resistenza termica di alcuni conduttori (nell'intervallo da 0 a 100 ° C)

Sostanza		Sostanza
Tungsteno
		Costantano
		Manganina

In tavola. 3 mostra i valori ​​per alcuni conduttori.

48.1. Quando la lampadina è accesa, la corrente nel circuito al primo momento differisce dalla corrente che scorre dopo che la lampadina inizia ad accendersi. Come cambia la corrente in un circuito con una lampadina in carbonio e una lampadina con filamento metallico?

48.2. La resistenza di una lampadina a incandescenza con un filamento di tungsteno spento è di 60 ohm. Quando è completamente riscaldata, la resistenza della lampadina aumenta a 636 ohm. Qual è la temperatura del filamento riscaldato? Usa la tabella. 3.

48.3. La resistenza di un forno elettrico con avvolgimento in nichel allo stato non riscaldato è di 10 ohm. Quale sarà la resistenza di questo forno quando il suo avvolgimento sarà riscaldato a 700°C? Usa la tabella. 3.

La resistenza specifica dei metalli quando riscaldati aumenta a causa dell'accelerazione del movimento degli atomi nel materiale conduttore all'aumentare della temperatura. Al contrario, la resistenza specifica degli elettroliti e del carbone diminuisce quando riscaldati, perché in questi materiali, oltre all'accelerazione del movimento di atomi e molecole, aumenta il numero di elettroni e ioni liberi per unità di volume.

Alcune leghe, che hanno una resistività enorme rispetto ai loro metalli costituenti, praticamente non cambiano la resistività con il riscaldamento (costantana, manganina, ecc.). Ciò è spiegato dalla struttura errata delle leghe e dal breve tempo libero medio degli elettroni.

Viene chiamato il valore che mostra l'aumento relativo della resistenza durante il riscaldamento del materiale di 1° (o la diminuzione durante il raffreddamento di 1°) coefficiente di resistenza alla temperatura.

Se il coefficiente di temperatura è indicato da α, la resistività a \u003d 20 o attraverso ρ o, quindi quando il materiale viene riscaldato a una temperatura t1, la sua resistività p1 \u003d ρ o + αρ o (t1 - to) \u003d ρ o (1 + (α (t1 a))

e, di conseguenza, R1 = Ro (1 + (α (t1 - a))

Il coefficiente di temperatura a per rame, alluminio, tungsteno è 0,004 1/grado. Pertanto, se riscaldati di 100 °, la loro resistenza aumenta del 40%. Per ferro α = 0,006 1/deg, per ottone α = 0,002 1/deg, per fechral α = 0,0001 1/deg, per nicromo α = 0,0002 1/deg, per costantana α = 0,00001 1/deg, per manganina α = 0,00004 1/grado Il carbone e gli elettroliti hanno un coefficiente di resistenza alla temperatura negativo. Il coefficiente di temperatura per la maggior parte degli elettroliti è di circa 0,02 1/grado.

Viene utilizzata la proprietà dei conduttori di modificare la loro resistenza a seconda della temperatura misuratori di temperatura di resistenza. Misurando la resistenza, la temperatura ambiente è determinata dal metodo di calcolo: costantana, manganina e altre leghe con un coefficiente di resistenza alla temperatura molto basso vengono utilizzate per produrre shunt e resistenze aggiuntive per dispositivi di misurazione.

Esempio 1. Come cambierà la resistenza Ro filo di acciaio quando riscaldato a 520°? Il coefficiente di temperatura a del ferro è 0,006 1/grado. Secondo la formula R1 \u003d Ro + Ro α (t1 - a) \u003d Ro + Ro 0,006 (520 - 20) \u003d 4Ro, in altre parole, la resistenza del filo di acciaio quando viene riscaldato di 520 ° aumenterà di 4 volte.

Esempio 2. I fili Dural ad una temperatura di -20° hanno una resistenza di 5 ohm. Bisogna trovare la loro resistenza ad una temperatura di 30°.

R2 = R1 - α R1(t2 - t1) \u003d 5 + 0,004 x 5 (30 - (-20)) \u003d 6 ohm.

La proprietà dei materiali di modificare il loro resistenza elettronica quando riscaldato o raffreddato, viene utilizzato per misurare le temperature. Così, resistenza termica, che sono fili di platino o di nichel puro, fusi in quarzo, servono per misurare temperature da -200 a +600°. I termistori a semiconduttore con un enorme coefficiente negativo vengono utilizzati per determinare chiaramente le temperature in spettri più ristretti.

I resistori termici a semiconduttore utilizzati per misurare le temperature sono chiamati termistori.

I termistori hanno il più alto coefficiente di resistenza alla temperatura negativa, in altre parole, quando riscaldati, la loro resistenza diminuisce. I termistori sono realizzati con materiali semiconduttori a base di ossidi (ossidati), costituiti da una consistenza di 2 o 3 ossidi metallici. Il più diffuso hanno termistori rame-manganese e cobalto-manganese. Questi ultimi sono più sensibili alla temperatura.

Scuola per elettricisti

Quando il conduttore viene riscaldato, le sue dimensioni geometriche cambiano leggermente. La resistenza di un conduttore cambia principalmente a causa dei cambiamenti nella sua resistività. Puoi trovare la dipendenza di questa resistività dalla temperatura: .

Poiché cambia poco al variare della temperatura del conduttore, possiamo supporre che la resistività del conduttore dipenda linearmente dalla temperatura (Fig. 1).

Riso. uno

Sebbene il coefficiente sia piuttosto piccolo, tenendo conto della dipendenza della resistenza dalla temperatura nel calcolo apparecchi di riscaldamento solo necessario. Pertanto, la resistenza del filamento di tungsteno di una lampada a incandescenza aumenta di oltre 10 volte quando una corrente lo attraversa.

Per alcune leghe, come una lega di rame e nichel, il coefficiente di resistenza alla temperatura è molto piccolo:

; la resistività di costantana è grande: . Tali leghe sono utilizzate per la fabbricazione di resistenze di riferimento e resistenze aggiuntive a strumenti di misura, cioè. nei casi in cui sia richiesto che la resistenza non cambi sensibilmente con gli sbalzi di temperatura.

La dipendenza della resistenza dei metalli dalla temperatura viene utilizzata nei termometri a resistenza. Di solito, un filo di platino viene preso come elemento di lavoro principale di un tale termometro, la cui dipendenza dalla temperatura è ben nota. Le variazioni di temperatura sono giudicate dalla variazione della resistenza del filo, che può essere misurata. Questi termometri possono misurare molto bassi e molto alte temperature quando i termometri a liquido convenzionali non sono adatti.

La resistività dei metalli aumenta linearmente con l'aumentare della temperatura. Nelle soluzioni elettrolitiche, diminuisce all'aumentare della temperatura.

v.Superconduttività

Riso. 2

Nel 1911, il fisico olandese Kamerling-Onnes scoprì un fenomeno straordinario: la superconduttività. Ha scoperto che quando il mercurio viene raffreddato in elio liquido, la sua resistenza prima cambia gradualmente e poi scende molto bruscamente a zero a temperatura (Fig. 2). Questo fenomeno è stato chiamato superconduttività. Successivamente furono scoperti molti altri superconduttori. La superconduttività è osservata a molto basse temperature- di .

Se viene creata una corrente in un conduttore ad anello, che si trova in uno stato superconduttore, e quindi la fonte di corrente elettrica viene eliminata, la forza di questa corrente non cambia per un tempo arbitrariamente lungo. In un normale conduttore non superconduttore elettricità fermate.

I superconduttori sono ampiamente utilizzati. Sì, costruiscono potenti elettromagneti con un avvolgimento superconduttore, che crea un campo magnetico per lunghi periodi di tempo senza consumare energia. Dopotutto, nell'avvolgimento superconduttore non viene rilasciato calore.

Tuttavia, è impossibile ottenere un campo magnetico arbitrariamente forte utilizzando un magnete superconduttore. Un campo magnetico molto forte distrugge lo stato superconduttore. Tale campo può essere creato da una corrente nel superconduttore stesso. Pertanto, per ogni conduttore nello stato superconduttore, esiste un valore critico della forza di corrente, che non può essere superato senza violare questo stato.

Se fosse possibile creare materiali superconduttori a temperature prossime a quella ambiente, il problema del trasferimento di energia attraverso i fili senza perdite sarebbe risolto. I fisici stanno attualmente lavorando alla sua soluzione.

Molti metalli e leghe a temperature inferiori perdono completamente la loro resistenza, ad es. diventano superconduttori. Recentemente è stata scoperta la superconduttività ad alta temperatura.

VI.Corrente elettrica nei semiconduttori

Riso. 3

I semiconduttori differiscono più chiaramente dai conduttori per la natura della dipendenza della conduttività elettrica dalla temperatura. Le misurazioni mostrano che per un certo numero di elementi (silicio, germanio, selenio, ecc.) e composti (PbS, CdS, ecc.), la resistività non aumenta all'aumentare della temperatura, come nei metalli, ma, al contrario, diminuisce estremamente bruscamente (Fig. 3). Tali sostanze sono chiamate semiconduttori.

La struttura dei semiconduttori.

Per accendere il ricevitore a transistor, non è necessario sapere nulla. Ma per crearlo bisognava sapere molto e avere un talento straordinario. Capire dentro in termini generali come funziona un transistor non è così difficile. Per prima cosa devi conoscere il meccanismo di conduzione nei semiconduttori. E per questo dovrai approfondire la natura dei legami che tengono vicini gli atomi di un cristallo semiconduttore. Ad esempio, considera un cristallo di silicio.

Il silicio è un elemento tetravalente. Ciò significa che ci sono quattro elettroni nel guscio esterno dell'atomo, relativamente debolmente legati al nucleo. Anche il numero dei vicini più vicini di ciascun atomo di silicio è quattro. Un diagramma piatto della struttura di un cristallo di silicio è mostrato nella Figura 4.

L'interazione di una coppia di atomi vicini viene effettuata utilizzando un legame coppia-elettrone, chiamato legame covalente. Alla formazione di questo legame partecipa un elettrone di valenza per ogni atomo, che viene separato dagli atomi (collettivizzati dal cristallo) e, durante il loro movimento, trascorrono la maggior parte del loro tempo nello spazio tra atomi vicini. La loro carica negativa mantiene gli ioni di silicio positivi vicini l'uno all'altro.

I legami coppia-elettrone del silicio sono piuttosto forti e non si rompono alle basse temperature. Pertanto, il silicio non conduce elettricità a basse temperature. Gli elettroni di valenza che partecipano al legame degli atomi sono saldamente attaccati al reticolo elettrico e il campo elettrico esterno non ha un effetto evidente sul loro movimento. Un cristallo di germanio ha una struttura simile.