Pagrindinės metalinių laidininkų savybės
Į svarbiausi parametrai Laidžių medžiagų savybes apibūdinančios: 1) laidumasγ arba jo abipusis - varžaρ, 2) varžos temperatūros koeficientas TKρ arba α ρ , 3) šilumos laidumo koeficientas λ T(anksčiau buvo žymimas γ T), 4) savitoji šiluma Su; 5) savitoji lydymosi šiluma r T .
Srovės tankio δ, (A / m²) ir intensyvumo jungtis elektrinis laukas E(V / m), in metalinis laidininkas, kaip jau parodyta aukščiau, pateikiama pagal gerai žinomą formulę δ = γE, vadinama diferencine Omo dėsnio forma.
Skirtas laidininkui su varža R ilgio l ir pastovus skerspjūvis S, varža ρ apskaičiuojamas pagal formulę
ρ = RS/l.
Matavimui ρ laidininkų medžiagų, leidžiama naudoti nesisteminį bloką Ohm mm² / m. Ryšys tarp šių varžos vienetų yra toks:
Ohm mm 2 / m \u003d μOhm m.
Atsparumo diapazonas ρ metaliniai laidininkai prie normali temperatūra gana siauras: nuo 0,036 sidabrui ir iki maždaug 3,4 µOhm m geležies, chromo ir aliuminio lydiniams.
Laidininko varža priklauso nuo juo tekančios srovės dažnio. Yra žinoma, kad esant aukštiems dažniams srovės tankis kinta per laidininko skerspjūvį. Jis yra didžiausias paviršiuje ir mažėja, kai giliai prasiskverbia į laidininką. Yra srovės poslinkis į laidininko paviršių. Šis reiškinys vadinamas paviršiaus efektas. Kuo didesnis dažnis, jis stipresnis. Kadangi skerspjūvio plotas, kuriuo teka srovė, sumažėjo, laido varža kintamoji srovė tapo daugiau nei jo pasipriešinimas nuolatinė srovė. Gylis, kuriame srovės tankis sumažėja e = 2,72 karto, laikomas srovės įsiskverbimo į laidininką gyliu tam tikru dažniu, palyginti su jo verte laidininko paviršiuje.
Metalų varžos temperatūrinis koeficientas.
Laisvųjų elektronų koncentracija n metaliniame laidininke, kylant temperatūrai, išlieka praktiškai nepakitęs, tačiau jų vidutinis greitis didėja terminis judėjimas. Taip pat stiprėja mazgų svyravimai kristalinė gardelė. Paprastai terpės tampriųjų virpesių kvantu vadinamas fononas. Nedideli kristalinės gardelės šiluminiai virpesiai gali būti laikomi fononų rinkiniu. Kylant temperatūrai, didėja atomų šiluminių virpesių amplitudės, t.y. didėja virpamojo atomo užimamo sferinio tūrio skerspjūvis.
Taigi, kylant temperatūrai, elektronų dreifo kelyje atsiranda vis daugiau kliūčių veikiant elektriniam laukui. Tai veda prie to, kad mažėja vidutinis laisvas elektrono kelias λ, mažėja elektronų judrumas ir dėl to mažėja savitasis metalų laidumas bei padidėja savitoji varža. Laidininko savitosios varžos pokytis, pasikeitus jo temperatūrai 3K, vadinamas šio laidininko savitosios varžos verte tam tikroje temperatūroje, vadinamas varžos temperatūros koeficientu. TK ρ arba . Temperatūros varžos koeficientas matuojamas K -3. Metalų varžos temperatūros koeficientas yra teigiamas. Kaip matyti iš pirmiau pateikto apibrėžimo, diferencinė išraiška TK ρ atrodo kaip:
.
Šilumos talpa apibūdina medžiagos gebėjimą sugerti šilumą K kai šildomas. šiluminė talpa NUO bet koks fizinis kūnas jie vadina reikšmę, lygią šiluminės energijos kiekiui, kurį sugeria šis kūnas, kai jis šildomas 3K nekeičiant jo fazinės būsenos. Šilumos talpa matuojama J/K. Šilumos talpa metalines medžiagas auga kylant temperatūrai. Todėl šiluminė talpa NUO yra nustatytas be galo mažam jo būsenos pokyčiui:
Šilumos talpos santykis NUO iki kūno svorio m vadinama specifine šiluma Su:
.
Savitoji šiluminė talpa matuojama J/(kg∙K). Ugniai atsparios medžiagos pasižymi mažomis vertėmis specifinė šiluma, mažai tirpstančios medžiagos, priešingai, pasižymi didele savitoji šiluminė talpa.
šilumos laidumas vadinamas šiluminės energijos Q perdavimu netolygiai įkaitusioje terpėje dėl šiluminio judėjimo ir ją sudarančių dalelių sąveikos. Šilumos perdavimas bet kurioje terpėje ar bet kuriame kūne vyksta iš karštesnių dalių į šaltesnes. Dėl šilumos perdavimo terpės arba kūno temperatūra išlyginama. Metaluose šiluminės energijos perdavimą atlieka laidumo elektronai. Laisvųjų elektronų skaičius metalo tūrio vienete yra labai didelis. Todėl, kaip taisyklė, metalų šilumos laidumas yra daug didesnis nei dielektrikų šilumos laidumas. Kuo mažiau metaluose yra priemaišų, tuo didesnis jų šilumos laidumas. Didėjant priemaišoms, jų šilumos laidumas mažėja.
Kaip žinoma, šilumos perdavimo procesą apibūdina Furjė dėsnis:
.
čia 
- šilumos srauto tankis, ty šilumos kiekis, praeinantis išilgai koordinatės x per vienetinį plotą skerspjūvis per laiko vienetą, J / m 2 s,
yra temperatūros gradientas išilgai koordinatės x, K/m,
- proporcingumo koeficientas, vadinamas šilumos laidumo koeficientu (anksčiau žymimas ), W / K∙m.
Taigi terminas šilumos laidumas atitinka dvi sąvokas: tai šilumos perdavimo procesas ir šį procesą apibūdinantis proporcingumo koeficientas.
Temperatūra ir lydymosi šiluma. Šiluma, kurią sugeria kietas kristalinis kūnas pereinant iš vienos fazės į kitą, vadinama šiluma fazių perėjimas. Visų pirma, vadinama šiluma, kurią sugeria kietas kristalinis kūnas pereinant iš kietos būsenos į skystą tirpimo karštis, ir temperatūra, kurioje vyksta lydymasis (prie pastovus slėgis), yra vadinami lydymosi temperatūra ir žymėti T PL.. Šilumos kiekis, kurį reikia atnešti iki kieto kristalinio kūno masės vieneto esant temperatūrai T PL paversti jį skysta būsena, vadinama specifinė šiluma lydantis r PL ir matuojamas MJ/kg arba kJ/kg. Pagal lydymosi temperatūrą išskiriami ugniai atsparūs metalai, kurių lydymosi temperatūra aukštesnė už geležies, t.y. aukštesnė nei 3539 0 C ir lydosi, lydymosi temperatūra mažesnė nei 500 0 C. Temperatūros diapazonas nuo 500 0 C iki 3 539 0 C reiškia vidutines lydymosi taškų vertes.
Elektrono iš metalo darbo funkcija. Patirtis rodo, kad įprastoje temperatūroje laisvieji elektronai praktiškai nepalieka metalo. Taip yra dėl to, kad paviršiniame metalo sluoksnyje susidaro laikantis sluoksnis. elektrinis laukas. Šis elektrinis laukas gali būti pavaizduotas kaip potencialo barjeras, kuris neleidžia elektronams ištrūkti iš metalo į aplinkinį vakuumą. Laikymo potencialo barjeras susidaro dėl dviejų priežasčių. Pirma, dėl traukos jėgų iš pertekliaus teigiamas krūvis, kuris atsirado metale dėl elektronų emisijos iš jo, ir, antra, dėl atstumiamųjų jėgų iš anksčiau išspinduliuotų elektronų, kurios šalia metalo paviršiaus suformavo elektronų debesį. Šis elektronų debesis kartu su išoriniu teigiamų gardelės jonų sluoksniu sudaro dvigubą elektrinį sluoksnį, kurio elektrinis laukas panašus į plokščiojo kondensatoriaus lauką. Šio sluoksnio storis lygus keliems tarpatominiams atstumams (30 -30 -30 -9 m). Jis nesukuria elektrinio lauko išorinėje erdvėje, bet sukuria potencialų barjerą, kuris neleidžia iš metalo išsiskirti laisviesiems elektronams.
Patirtis pagal bendruosius 46 § svarstymus rodo, kad laidininko varža taip pat priklauso nuo jo temperatūros.
Suvyniojame kelis metrus plonos (skersmuo 0,1–0,2 mm) geležinės vielos 1 spiralės pavidalu ir įtraukiame į grandinę, kurioje yra baterija. galvaniniai elementai 2 ir ampermetras 3 (81 pav.). Šio laido varžą parenkame taip, kad kambario temperatūroje ampermetro adata nukryptų beveik iki visos skalės. Atsižvelgdami į ampermetro rodmenis, vielą stipriai kaitiname degikliu. Pamatysime, kad šildant srovę grandinėje ji mažėja, vadinasi, kaitinant didėja laido varža. Toks rezultatas gaunamas ne tik naudojant geležį, bet ir visus kitus metalus. Kylant temperatūrai, metalų atsparumas didėja. Kai kuriems metalams šis padidėjimas yra reikšmingas: gryniems metalams, kaitinant iki 100 ° C, jis siekia 40-50%; lydiniuose jis paprastai yra mažesnis. Yra specialių lydinių, kurių atsparumas beveik nesikeičia didėjant temperatūrai; tokie, pavyzdžiui, yra konstantanas (iš lotyniško žodžio constans – konstanta) ir manganinas. Konstantanas naudojamas kai kuriems matavimo prietaisams gaminti.
Ryžiai. 81. Patirtis, rodanti laido varžos priklausomybę nuo temperatūros. Kaitinant, laido varža padidėja: 1 - viela, 2 - galvaninių elementų baterija, 3 - ampermetras
Priešingu atveju kaitinant pasikeičia elektrolitų varža. Pakartokime aprašytą eksperimentą, bet vietoj geležinės vielos į grandinę įveskime kažkokį elektrolitą (82 pav.). Pamatysime, kad kaitinant elektrolitą ampermetro rodmenys visą laiką didėja, vadinasi, didėjant temperatūrai elektrolitų varža mažėja. Atkreipkite dėmesį, kad kaitinant mažėja ir anglies bei kai kurių kitų medžiagų atsparumas.
Ryžiai. 82. Patirtis, rodanti elektrolito varžos priklausomybę nuo temperatūros. Kaitinant sumažėja elektrolito varža: 1 - elektrolitas, 2 - galvaninių elementų baterija, 3 - ampermetras
Metalų varžos priklausomybė nuo temperatūros naudojama varžinių termometrų konstrukcijai. Paprasčiausia tai plona platininė viela, suvyniota ant žėručio plokštelės (83 pav.), kurios atsparumas įvairioms temperatūroms yra gerai žinomas. Į korpusą, kurio temperatūrą reikia matuoti, įdedamas varžos termometras (pavyzdžiui, krosnyje), o apvijos galai prijungiami prie grandinės. Išmatavus apvijos varžą galima nustatyti temperatūrą. Tokie termometrai dažnai naudojami matuoti labai aukštą ir labai žemą temperatūrą, kuriai esant gyvsidabrio termometrai nebetaikomas.
Ryžiai. 83. Atsparumo termometras
Laidininko varžos padidėjimas, kai jis įkaista 1 ° C, padalytas iš pradinės varžos, vadinamas atsparumo temperatūros koeficientu ir paprastai žymimas raide. Paprastai tariant, pats atsparumo temperatūros koeficientas priklauso nuo temperatūros. Reikšmė turi vieną reikšmę, pavyzdžiui, jei temperatūrą pakeliame nuo 20 iki 21°C, o kitą, kai temperatūra pakyla nuo 200 iki 201°C. Tačiau daugeliu atvejų gana plataus temperatūrų diapazono pokytis yra nereikšmingas, todėl galima naudoti vidutinę šio diapazono vertę. Jei laidininko varža esant temperatūrai lygi , o esant temperatūrai lygi , tada vidutinė vertė
. (48.1)
Paprastai atsparumas 0 ° C temperatūroje laikomas kaip.
3 lentelė. Kai kurių laidininkų temperatūros atsparumo koeficiento vidutinė vertė (nuo 0 iki 100 ° C)
|
Medžiaga |
Medžiaga |
||
|
Volframas |
|||
|
Konstantanas |
|||
|
Manganinas |
Lentelėje. 3 parodytos kai kurių laidininkų vertės.
48.1. Įjungus lemputę, srovė grandinėje pirmą akimirką skiriasi nuo srovės, kuri teka lemputei pradėjus šviesti. Kaip kinta srovė grandinėje su angline lempute ir lempute su metaliniu siūlu?
48.2. Kaitinamosios lemputės su išjungtu volframo siūlu varža yra 60 omų. Visiškai įkaitinus, lemputės varža padidėja iki 636 omų. Kokia yra įkaitusio kaitinimo siūlelio temperatūra? Naudokite lentelę. 3.
48.3. Elektrinės krosnies su nikelio apvija varža nešildomoje būsenoje yra 10 omų. Kokia bus šios krosnies varža, kai jos apvija įkaitinama iki 700°C? Naudokite lentelę. 3.
Metalų savitoji varža kaitinant padidėja dėl atomų judėjimo laidininko medžiagoje pagreičio didėjant temperatūrai. Elektrolitų ir anglies savitoji varža, atvirkščiai, kaitinant mažėja, nes šiose medžiagose, be atomų ir molekulių judėjimo pagreitėjimo, didėja laisvųjų elektronų ir jonų skaičius tūrio vienete.
Kai kurie lydiniai, kurių savitoji varža yra didesnė nei juos sudarančių metalų, kaitinant praktiškai nekeičia varžos (konstantanas, manganinas ir kt.). Tai paaiškinama neteisinga lydinių struktūra ir trumpu vidutiniu elektronų laisvu laiku.
Reikšmė, rodanti santykinį pasipriešinimo padidėjimą kaitinant medžiagą 1 ° (arba sumažėjimą aušinant 1 °), vadinama atsparumo temperatūros koeficientas.
Jei temperatūros koeficientas žymimas α, varža nuo \u003d 20 o iki ρ o, tada, kai medžiaga kaitinama iki temperatūros t1, jos savitoji varža p1 \u003d ρ o + αρ o (t1 - iki) \u003d ρ o o (1 + (α (t1 iki))
ir atitinkamai R1 = Ro (1 + (α (t1 - to))
Vario, aliuminio, volframo temperatūros koeficientas a yra 0,004 1/deg. Todėl, kaitinant 100 °, jų atsparumas padidėja 40%. Geležies α = 0,006 1/deg, žalvario α = 0,002 1/deg, fechralinio α = 0,0001 1/deg, nichromo α = 0,0002 1/deg, konstantano α = 0,00001 1/0 deg 0,0 1/deg. Akmens anglis ir elektrolitai turi neigiamą temperatūros atsparumo koeficientą. Daugumos elektrolitų temperatūros koeficientas yra maždaug 0,02 1/deg.
Naudojama laidininkų savybė keisti savo varžą priklausomai nuo temperatūros atsparumo temperatūros matuokliai. Matuojant varžą, skaičiavimo metodu nustatoma aplinkos temperatūra.Šuntų ir papildomų varžų matavimo prietaisams gamybai naudojamas konstantanas, manganinas ir kiti lydiniai, turintys labai mažą temperatūros atsparumo koeficientą.
1 pavyzdys. Kaip pasikeis varža Ro Plieninė viela kai kaitinama iki 520°? Geležies temperatūros koeficientas a yra 0,006 1/deg. Pagal formulę R1 \u003d Ro + Ro α (t1 - to) \u003d Ro + Ro 0,006 (520 - 20) \u003d 4Ro, kitaip tariant, plieninės vielos varža, kai ji kaitinama 520 °, padidės 4 laikai.
2 pavyzdys. Duraliniai laidai esant -20 ° temperatūrai turi 5 omų varžą. Turite rasti jų atsparumą 30 ° temperatūroje.
R2 = R1 - α R1(t2 - t1) \u003d 5 + 0,004 x 5 (30 - (-20)) \u003d 6 omai.
Medžiagų savybė keisti savo elektroninė varža kai šildomas arba atvėsinamas, jis naudojamas temperatūrai matuoti. Taigi, šiluminė varža, kurie yra platinos arba gryno nikelio laidai, sulydyti į kvarcą, naudojami temperatūrai nuo -200 iki + 600 ° matuoti. Norint aiškiai nustatyti temperatūrą siauresniuose spektruose, naudojami puslaidininkiniai termistoriai su didžiuliu neigiamu koeficientu.
Puslaidininkiniai šiluminiai rezistoriai, naudojami temperatūrai matuoti, vadinami termistoriais.
Termistoriai turi didžiausią neigiamą temperatūros atsparumo koeficientą, kitaip tariant, kaitinant jų varža miniatiūrizuojasi. Termistoriai gaminami iš oksiduotų (oksiduotų) puslaidininkinių medžiagų, sudarytų iš 2 arba 3 metalų oksidų konsistencijos. Labiausiai paplitęs turi vario-mangano ir kobalto-mangano termistorius. Pastarieji yra jautresni temperatūrai.
Elektriko mokykla
Kai laidininkas yra šildomas, jo geometriniai matmenys šiek tiek pasikeičia. Laidininko varža kinta daugiausia dėl jo varžos pokyčių. Šios varžos priklausomybę nuo temperatūros galite rasti: .
Kadangi kintant laidininko temperatūrai ji mažai kinta, galime daryti prielaidą, kad laidininko savitoji varža tiesiškai priklauso nuo temperatūros (1 pav.).
|
Nors koeficientas yra gana mažas, skaičiuojant atsižvelgiant į atsparumo priklausomybę nuo temperatūros šildymo prietaisai tiesiog reikia. Taigi, kaitinamosios lempos volframo gijos varža padidėja daugiau nei 10 kartų, kai per jį praeina srovė. Kai kurių lydinių, tokių kaip vario ir nikelio lydinys, atsparumo temperatūros koeficientas yra labai mažas:
; konstantano varža yra didelė: 
. Tokie lydiniai naudojami etaloninių varžų ir papildomų varžų gamybai matavimo prietaisai, t.y. tais atvejais, kai reikalaujama, kad atsparumas nepastebimai nesikeistų svyruojant temperatūrai.
Atsparumo termometruose naudojama metalų atsparumo priklausomybė nuo temperatūros. Paprastai pagrindiniu tokio termometro darbiniu elementu imama platininė viela, kurios varžos priklausomybė nuo temperatūros yra gerai žinoma. Temperatūros pokyčiai vertinami pagal laido varžos pokytį, kurį galima išmatuoti. Šie termometrai gali matuoti labai žemai ir labai aukšta temperatūra kai įprasti skysčių termometrai netinka.
Didėjant temperatūrai, metalų savitoji varža didėja tiesiškai. Elektrolitų tirpaluose jis mažėja didėjant temperatūrai.
v.Superlaidumas
|
Jei žiediniame laidininke, kuris yra superlaidžioje būsenoje, sukuriama srovė, o tada pašalinamas elektros srovės šaltinis, tai šios srovės stipris savavališkai ilgą laiką nekinta. Įprastame ne superlaidiame laidininke elektros sustoja.
Superlaidininkai plačiai naudojami. Taip, jie stato galingi elektromagnetai su superlaidžia apvija, kuri ilgą laiką sukuria magnetinį lauką nenaudodama energijos. Juk superlaidžioje apvijoje šiluma neišsiskiria.
Tačiau naudojant superlaidų magnetą neįmanoma gauti savavališkai stipraus magnetinio lauko. Labai stiprus magnetinis laukas sunaikina superlaidžią būseną. Tokį lauką gali sukurti srovė pačiame superlaidininke. Todėl kiekvienam superlaidžioje būsenoje esančiam laidininkui yra nustatyta kritinė srovės stiprio vertė, kurios negalima viršyti nepažeidžiant šios būsenos.
Jei būtų įmanoma sukurti superlaidžias medžiagas esant artimai kambario temperatūrai, tai būtų išspręsta energijos perdavimo laidais problema be nuostolių. Fizikai šiuo metu dirba ties jos sprendimu.
Daugelis metalų ir lydinių žemesnėje temperatūroje visiškai praranda savo atsparumą, t.y. tapti superlaidininkais. Neseniai buvo atrastas aukštos temperatūros superlaidumas.
VI.Elektros srovė puslaidininkiuose
|
Puslaidininkiai nuo laidininkų labiausiai skiriasi elektros laidumo priklausomybe nuo temperatūros. Matavimai rodo, kad daugelio elementų (silicio, germanio, seleno ir kt.) ir junginių (PbS, CdS ir kt.) savitoji varža didėjant temperatūrai nedidėja, kaip metalų, o, priešingai, labai sumažėja. smarkiai (3 pav.). Tokios medžiagos vadinamos puslaidininkiais. Puslaidininkių sandara.
Norint įjungti tranzistorių imtuvą, nieko nereikia žinoti. Tačiau norint jį sukurti, reikėjo daug žinoti ir turėti nepaprastą talentą. Suprasti bendrais bruožais kaip veikia tranzistorius, nėra taip sunku. Pirmiausia reikia susipažinti su laidumo puslaidininkiuose mechanizmu. Ir tam turėsite įsigilinti į ryšių, laikančių puslaidininkinio kristalo atomus šalia vienas kito, prigimtį. Pavyzdžiui, apsvarstykite silicio kristalą.
Silicis yra keturiavalentis elementas. Tai reiškia, kad atomo išoriniame apvalkale yra keturi elektronai, palyginti silpnai surišti su branduoliu. Kiekvieno silicio atomo artimiausių kaimynų skaičius taip pat yra keturi. Plokščia silicio kristalo struktūros schema parodyta 4 paveiksle.
Kaimyninių atomų poros sąveika atliekama naudojant poros elektronų ryšį, vadinamą kovalentinis ryšys. Formuojant šį ryšį iš kiekvieno atomo dalyvauja vienas valentinis elektronas, kuris atsiskiria nuo atomų (kolektyvizuojamas kristalo) ir judėdamas didžiąją laiko dalį praleidžia erdvėje tarp gretimų atomų. Jų neigiamas krūvis palaiko teigiamus silicio jonus šalia vienas kito.
Silicio poros elektronų ryšiai yra gana stiprūs ir nenutrūksta esant žemai temperatūrai. Todėl žemoje temperatūroje silicis nepraleidžia elektros. Valentiniai elektronai, dalyvaujantys atomų surišime, yra tvirtai prisirišę prie elektros gardelės, o išorinis elektrinis laukas jų judėjimui pastebimos įtakos neturi. Germanio kristalas turi panašią struktūrą.
