Reikšmingiausią indėlį į liekamąją varžą įneša priemaišų, kurios visada yra tikrame laidininke, išsklaidymas taršos arba legiruojančio (t. y. tyčia įnešto) elemento pavidalu. Bet koks priemaišų priedas padidina r, net jei jo laidumas yra didesnis, palyginti su netauriuoju metalu. Taigi, vario laidininko įvedimas 0,01 at. sidabro priemaišos dalis sąlygoja vario savitosios varžos padidėjimą 0,002 μOhm m. Eksperimentiškai nustatyta, kad esant mažam priemaišų kiekiui, varža didėja proporcingai priemaišų atomų koncentracijai. Skirtingos priemaišos skirtingai veikia laidininkų liekamąją varžą. Be priemaišų, tam tikrą indėlį į liekamąjį atsparumą prisideda ir jos pačios struktūriniai defektai – laisvos vietos, tarpsluoksniai atomai, dislokacijos, grūdelių ribos.

Elektronų bangų sklaidos metale priežastys yra ne tik gardelės vietų šiluminiai virpesiai, bet ir statiniai struktūriniai defektai, kurie taip pat pažeidžia teisingumą. kristalinė gardelė. Išsklaidymas dėl statinių konstrukcijos defektų nepriklauso nuo temperatūros. Todėl, temperatūrai artėjant prie absoliutaus nulio, tikrų metalų atsparumas linkęs į kai kuriuos pastovią vertę vadinamas likutine varža.

Medžiagos savitoji varža priklauso nuo temperatūros. Paprastai metalų atsparumas didėja didėjant temperatūrai. Tai neturėtų stebinti: kylant temperatūrai atomai juda greičiau, jų išsidėstymas tampa mažiau tvarkingas ir galima tikėtis, kad jie labiau trukdys elektronų srautui. Siauruose temperatūros diapazonuose metalo savitoji varža didėja beveik tiesiškai didėjant temperatūrai:

Labai žemos temperatūros ah, kai kurių metalų, taip pat lydinių ir junginių savitasis atsparumas nukrenta iki nulio pagal šiuolaikinių matavimų tikslumą. Ši savybė vadinama superlaidumu; pirmą kartą jį pastebėjo olandų fizikas Geiko Kamer-Ling-Onnes (1853-1926) 1911 m., kai gyvsidabris buvo atvėsintas žemiau 4,2 K. Šioje temperatūroje gyvsidabrio elektrinė varža staiga sumažėjo iki nulio.

Verta paminėti, kad tarp gerų laidininkų, kurie yra metalai, labiausiai pageidaujami taurieji metalai, o sidabras laikomas geriausiu laidininku, nes jo savitoji varža yra mažiausia. Tai ypač paaiškina tauriųjų metalų naudojimą lituojant svarbius elementus elektros inžinerijoje. Iš medžiagų varžos verčių galima spręsti apie jas praktinis pritaikymas- gamybai tinka didelės varžos medžiagos izoliacinės medžiagos, o su trupučiu - laidininkams.

Norint gauti srovės stiprumo priklausomybę grandinėje nuo Ohmo varžos, reikėjo atlikti puiki suma eksperimentai, kurių metu reikėjo keisti laidininko varžą. Šiuo atžvilgiu jis susidūrė su problema tirti laidininko varžą, priklausomai nuo jo individualių parametrų. Visų pirma Georgas Ohmas atkreipė dėmesį į laidininko varžos priklausomybę nuo jo ilgio, apie kurią jau trumpai buvo kalbama ankstesnėse pamokose. Jis padarė išvadą, kad didėjant laidininko ilgiui, jo varža taip pat didėja tiesiogiai proporcingai. Be to, buvo nustatyta, kad laidininko skerspjūvis, ty figūros plotas, kuris gaunamas su skerspjūviu, taip pat turi įtakos varžai. Šiuo atveju kuo didesnis skerspjūvio plotas, tuo mažesnis pasipriešinimas. Iš to galime daryti išvadą, kad kuo storesnė viela, tuo mažesnė jo varža. Visi šie faktai buvo gauti empiriškai.

Jei atkreipsite dėmesį į šią formulę, galime daryti išvadą, kad laidininko savitoji varža išreiškiama ja, ty nustatydami srovės stiprumą ir įtampą ant laidininko ir išmatuodami jo ilgį su skerspjūvio plotu, galite naudoti Ohmo koeficientą. dėsnį ir nurodytą formulę varžai apskaičiuoti. Tada jo vertę galima palyginti su lentelės duomenimis ir nustatyti, iš kokios medžiagos pagamintas laidininkas.

Krūvininkų skaičius metaliniame laidininke išlieka beveik nepakitęs kylant temperatūrai. Tačiau dėl kristalinės gardelės mazgų svyravimų intensyvėjimo didėjant temperatūrai, laisvųjų elektronų kryptingo judėjimo kelyje atsiranda vis daugiau kliūčių, veikiant elektrinis laukas t.y., ar mažėja vidutinis laisvasis elektrono kelias? , Mažėja elektronų judrumas ir dėl to mažėja savitasis metalų laidumas bei padidėja savitoji varža (2.1 pav.)

Kaip jau minėta, priemaišos ir taisyklingos metalų struktūros pažeidimai padidina jų varžą. Reikšmingas augimas? stebimas dviejų metalų lydinyje tuo atveju, kai jie sudaro kietą tirpalą vienas su kitu, t.y. patvirtinus, jie kristalizuojasi kartu, o vieno metalo atomai patenka į kito metalo kristalinę gardelę.

Šis koeficientas įdomus ne tik atsižvelgiant į įvairių derančių medžiagų veikimą tam tikroje konstrukcijoje (galimybę įtrūkti ar sulaužyti vakuumą tvirtas ryšys su akiniais, keramika, kai keičiasi temperatūra). Taip pat būtina apskaičiuoti laido atsparumo temperatūros koeficientą

Kai du skirtingi metaliniai laidininkai tarp jų yra kontaktinio potencialo skirtumas. Šio potencialo skirtumo atsiradimo priežastis yra elektronų darbo funkcijos verčių skirtumas skirtingi metalai, taip pat tuo, kad elektronų koncentracija, taigi ir elektronų dujų slėgis įvairių metalų ir lydiniai gali būti skirtingi. NUO elektroninė teorija metalai iš to seka, kad kontaktinio potencialo skirtumas tarp metalų A ir B yra lygus

Šie sunkumai buvo įveikti užėmus kvantinės mechanikos poziciją. Priešingai nei klasikinė elektroninė teorija Kvantinė mechanika mano, kad elektronų dujos metaluose esant įprastoms temperatūroms yra išsigimimo būsenoje.Šioje būsenoje elektronų dujų energija beveik nepriklauso nuo temperatūros, t.y. terminis judėjimas beveik nekeičia elektronų energijos. Todėl elektronų dujoms šildyti nenaudojama šiluma, o tai paaiškėja matuojant metalų šiluminę talpą. Elektronų dujos patenka į būseną, panašią į įprastas dujas, kai temperatūra siekia tūkstančius kelvinų. Atstovaujant metalui kaip sistemai, kurioje teigiamus jonus laiko kartu laisvai judantys elektronai, nesunku suprasti visų pagrindinių metalų savybių prigimtį: plastiškumą, plastiškumą, gerą šilumos laidumą ir didelį elektros laidumą.

Pakankamai perspektyvi laidininko medžiaga yra metalinis natris. Natris gali būti gaunamas išlydyto chlorido elektrolizės būdu natrio NaCl praktiškai neribotais kiekiais. Palyginus natrio savybes su kitų laidžių metalų savybėmis, matyti, kad natrio savitoji varža yra maždaug 2,8 karto didesnė? vario ir 1,7 karto daugiau? aliuminio, tačiau dėl itin mažo natrio tankio (jo tankis beveik 9 kartus mažesnis už vario tankį) viela su natriu, esant tam tikram laidumui vienam ilgio vienetui, turėtų būti daug lengvesnė už vielą iš kito metalo. Tačiau natris yra itin aktyvus chemiškai (intensyviai oksiduojasi ore, smarkiai reaguoja su vandeniu), todėl natrio viela turi būti apsaugota sandarinimo apvalkalu. Apvalkalas turi užtikrinti laidams reikalingą mechaninį stiprumą, nes natris yra labai minkštas ir turi mažą tempimo stiprumą deformacijos metu.

Geležis (plienas), kaip pigiausias ir prieinamiausias metalas, kuris taip pat turi didelį mechaninį stiprumą, yra labai įdomus naudoti kaip laidininko medžiaga. Tačiau net grynos geležies savitoji varža yra daug didesnė nei vario ir aliuminio; ? plieno, tai yra, geležies su anglies ir kitų elementų priemaiša, yra dar didesnis. Paprastas plienas turi mažą atsparumą korozijai: net ir su normali temperatūra, ypač tokiomis sąlygomis didelė drėgmė, greitai rūdija; Kylant temperatūrai, korozijos greitis smarkiai padidėja. Todėl plieninių vielų paviršius turi būti apsaugotas atsparesnės medžiagos sluoksniu. Tam dažniausiai naudojamos cinko dangos.

Tai vienetinio skerspjūvio ploto [ omai m ] laidininko vienetinio ilgio elektrinė varža, kurią sukelia krūvininkų judėjimas laidininke, taip pat puslaidininkiai, veikiami potencialios elektros, tirpaluose veda jonus. Specifinė elektrinė varža nuolatinei srovei, viena vertus, yra išvestinė iš laidininko elektrinės varžos, kita vertus, pagrindinė elektrinių medžiagų mokslo samprata, nes ji lemia laidininko medžiagos savybes, nepaisant jo ilgio ir formos apskritai.

Konstruojant varžos termometrus, naudojamas metalų gebėjimas keisti savo varžą keičiantis temperatūroms. Toks termometras yra platininė viela, suvyniota ant žėručio rėmo. Įdėjus termometrą, pavyzdžiui, į krosnį ir išmatavus platinos vielos varžą prieš ir po kaitinimo, galima nustatyti temperatūrą krosnyje.

Metaluose Fermio lygis yra laidumo juostoje, kuri užpildyta tik iš dalies. Laidumo juostoje esantys elektronai, gavę savavališkai mažą energijos priedą (pavyzdžiui, dėl šiluminio judėjimo ar elektrinio lauko), toje pačioje zonoje gali pereiti į aukštesnį (laisvą) energijos lygį, ty tapti laisvais elektronais ir dalyvauti dirigentijoje. Kylant temperatūrai, pasipriešinimas padidės, nes didėja laidumo elektronų sklaida ant gardelės šiluminių virpesių, o vidutinis laisvas elektrono kelias mažėja.

(visur žemiau varža suprantama kaip aktyvioji (varžinė) varža, kurioje vyksta elektros energijos išsisklaidymas (išsisklaidymas) ir jos negrįžtamas perėjimas į kitas energijos rūšis, pavyzdžiui, šiluminę)

Esant absoliučiam nuliui, idealiai tobulame kristale atomai išsidėstę griežtai periodiškai, o elektromagnetinės bangos laisvai praeina pro kristalinę gardelę, nepatiridamos pasipriešinimo. Realiomis sąlygomis metalai – laidininkai turi iškraipytą gardelę ir naudojami esant kitokiai nei absoliutus nulis temperatūrai.

Kylant temperatūrai, metalo atomai svyruoja aplink gardelės vietas, sukeldami elektronų bangų sklaidą ir padidindami elektrinę varžą. Šis padidėjimas gali būti išreikštas kaip santykiai

Esant labai mažoms deformacijoms, kartais pastebimas atsparumo sumažėjimas, kuris turi būti siejamas su šalutiniais poveikiais: metalo tankinimu, izoliacinių tarpkristalinių plėvelių sunaikinimu ir kt.

Tvarkos atsiradimas kietuose tirpaluose atsiranda dėl padidėjusios komponentų cheminės sąveikos, dėl kurios elektronai jungiasi stipriau nei nenusėdusiame kietame tirpale. Sustiprinus komponentų cheminę sąveiką, sumažėja laidumo elektronų skaičius ir padidėja liekamoji elektrinė varža. Tačiau kompozicijos metu gardelės joninės šerdies elektrinis laukas tampa simetriškesnis, todėl natūraliai sumažėja liekamoji varža. Pastaroji aplinkybė pasirodo vyraujanti, o kompiliuojant mažėja elektros varža.

2. Laidžios medžiagos

2.1. Bendra informacija apie laidininkus

Kaip elektros srovės laidininkai gali būti naudojami ir kietos medžiagos, ir skysčiai, o atitinkamomis sąlygomis (jonizacijos būsenoje) gali būti naudojamos ir dujos.

Iš metalo galima išskirti laidžias medžiagas metalai didelis laidumas , kurio varža normalioje temperatūroje yra ne didesnė kaip 0,05 μOhm m, ir didelio atsparumo lydiniai kurių savitoji varža ne mažesnė kaip 0,3 μOhm m.

Ypač domina medžiagos, kurių savitoji varža labai žemoje temperatūroje. superlaidininkai Ir kriolaidininkai .

Skysčių laidininkai apima išlydytus metalus ir elektrolitus. Daugumos metalų lydymosi temperatūra yra aukšta, tik gyvsidabris, kurio lydymosi temperatūra yra minus 39°C, gali būti naudojamas kaip skysto metalo laidininkas normalioje temperatūroje. Kiti metalai yra skysčių laidininkai tik esant aukštesnei temperatūrai.

Srovės pratekėjimo metaluose mechanizmas - tiek kietoje, tiek skystoje būsenoje - atsiranda dėl laisvųjų elektronų judėjimo veikiant elektriniam laukui; Štai kodėl metalai vadinami laidininkai su elektroninis laidumas arba pirmosios rūšies laidininkai . antros rūšies laidininkai, arba elektrolitai, yra tirpalai, ypač vandeniniai, rūgštys, šarmai ir druskos. Srovės praėjimas per šias medžiagas yra susijęs su transportavimu kartu su elektros krūviai jonų pagal Faradėjaus dėsnius, dėl kurių elektrolito sudėtis palaipsniui keičiasi, o ant elektrodų išsiskiria elektrolizės produktai. Išlydę joniniai kristalai taip pat yra antrosios rūšies laidininkai. Pavyzdys – elektra šildomos druskos kietinimo vonios.

Visos dujos ir garai, įskaitant metalo garus, nėra laidininkai esant mažam elektrinio lauko stipriui. Tačiau jei lauko stiprumas viršija tam tikrą kritinę reikšmę, kuri užtikrina smūgio ir fotojonizacijos pradžią, tada dujos gali tapti laidininku, turinčiu elektroninį ir joninį laidumą. Stipriai jonizuotos dujos, kai elektronų skaičius lygus teigiamai įkrautų jonų skaičiui tūrio vienete, yra speciali laidžioji terpė, vadinama plazma .

2.2. Metalų elektrinis laidumas

Klasikinė elektroninė metalų teorija vaizduoja laidininką kaip sistemą, susidedančią iš joninės kristalinės gardelės mazgų, kurių viduje yra laisvųjų elektronų elektronų dujos. Nuo vieno iki dviejų elektronų iš kiekvieno atomo pereina į laisvąją būseną. Elektronų dujoms buvo pritaikyti statistikos vaizdiniai ir dėsniai įprastų dujų. Atsižvelgdami į šiluminį ir elektrinį lauką nukreiptą elektronų judėjimą, gavome Omo dėsnio išraišką. Elektronams susidūrus su kristalinės gardelės mazgais, energija, susikaupusi elektronų pagreičio metu elektrinis laukas, perkeliamas ant metalinio laidininko pagrindo, dėl ko jis įkaista. Atsižvelgiant į šį procesą, buvo sukurtas Džaulio-Lenco dėsnis. Taigi elektroninė metalų teorija leido teoriškai aprašyti ir paaiškinti anksčiau eksperimentiškai rastus pagrindinius elektros laidumo ir nuostolių dėsnius. elektros energija metaluose. Taip pat paaiškėjo, kad galima paaiškinti ryšį tarp metalų elektros ir šilumos laidumo.

Tačiau buvo ir prieštaravimų tarp kai kurių teorijos išvadų ir eksperimentinių duomenų. Jas sudarė specifinės varžos priklausomybės nuo temperatūros kreivių skirtumai, neatitikimas tarp teoriškai gautų metalų šiluminės talpos verčių ir eksperimentinių duomenų.

Šie sunkumai buvo įveikti užėmus kvantinės mechanikos poziciją. Priešingai nei klasikinė elektronų teorija, kvantinė mechanika daro prielaidą, kad elektronų dujos metaluose įprastoje temperatūroje yra išsigimusios. Šioje būsenoje elektronų dujų energija beveik nepriklauso nuo temperatūros, t.y. šiluminis judėjimas beveik nekeičia elektronų energijos. Todėl šiluma nenaudojama elektronų dujoms šildyti, o tai atsiskleidžia matuojant metalų šiluminę talpą. Elektronų dujos patenka į būseną, panašią į įprastas dujas, kai temperatūra siekia tūkstančius kelvinų. Atstovaujant metalui kaip sistemai, kurioje teigiamus jonus laiko kartu laisvai judantys elektronai, nesunku suprasti visų pagrindinių metalų savybių prigimtį: plastiškumą, plastiškumą, gerą šilumos laidumą ir didelį elektros laidumą.

2.3. Laidininko savybės

KAM svarbiausi parametrai apibūdinančios laidžiųjų medžiagų savybes:

• savitasis laidumas g arba jo abipusis varža r,
• varžos temperatūros koeficientas TKr arba a r ,
• šilumos laidumas g t,
• kontaktinio potencialo skirtumas ir termo-emf,
• elektronų iš metalo darbo funkcija,
• ribinis tempiamasis stipris s r ir pailgėjimas lūžio metu Dl/l.

2.3.1. Laidininkų laidumas ir savitoji varža

Ryšys tarp srovės tankio J, A / m 2 ir elektrinio lauko stiprio E, V / m laidininke pateikiamas pagal gerai žinomą formulę:

Čia g, S/m yra laidininko medžiagos parametras, vadinamas jo laidumas ; pagal Omo dėsnį g nepriklauso nuo elektrinio lauko stiprumo, kai pastarasis kinta labai plačiame diapazone. Reikšmė r=1/g, atvirkštinė laidumas ir paskambino varža , laidininkui, kurio varža R, kurio ilgis l, ir pastovaus skerspjūvio S, apskaičiuojamas pagal formulę

ρ = R S/l. (2.2)

SI varžos vienetas yra Ohm m. Metalinių laidininkų varžos ρ verčių diapazonas normalioje temperatūroje yra gana siauras: nuo 0,016 sidabro iki maždaug 10 μΩ m geležies-chromo-aliuminio lydiniams, t.y. reikia tik trijų užsakymų. Savitojo laidumo γ vertė daugiausia priklauso nuo vidutinio laisvo elektronų kelio tam tikrame laidininke, kurį, savo ruožtu, lemia laidininko medžiagos struktūra. Visiems gryniems metalams su taisyklingiausia kristaline gardele būdinga mažiausios vertės varža; priemaišos, iškreipiančios gardelę, padidina ρ. Ir bangų teorijos požiūriu, elektronų bangų sklaida atsiranda ant kristalinės gardelės defektų, kurie yra proporcingi atstumui, maždaug ketvirtadalio elektronų bangos ilgio. Pažeidimai mažesni dydžiai nesukelti pastebimo bangų sklaidos.

2.3.2. Metalų varžos temperatūrinis koeficientas

Krūvininkų skaičius metaliniame laidininke išlieka praktiškai nepakitęs kylant temperatūrai. Tačiau dėl kristalinės gardelės mazgų svyravimų, kylant temperatūrai, laisvųjų elektronų judėjimo kelyje atsiranda vis daugiau kliūčių, nukreiptų veikiant elektriniam laukui, t.y. mažėja vidutinis laisvas elektrono kelias, mažėja elektronų judrumas ir dėl to mažėja savitasis metalų laidumas, didėja savitoji varža. Kitaip tariant, metalų varžos temperatūros koeficientas yra teigiamas.

2.3.3. Metalų savitosios varžos pokytis lydymosi metu

Pereinant iš kietos būsenos į skystą, daugumos metalų savitoji varža padidėja, kaip matyti iš 2.1 pav.; tačiau kai kurie metalai lydydami padidina ρ.

Šuolis atitinka vario lydymosi temperatūrą 1083°С

Atsparumas lydymosi metu didėja tiems metalams, kurie lydant didina tūrį, t.y. sumažinti tankį metalams, kurių tūrio pokytis lydymosi metu yra priešingas (panašus fazių perėjimas ledinis vanduo) ρ mažėja.

2.3.4. Metalų savitosios varžos pokytis deformacijų metu

Atsparumo pokytis tempimo ar suspaudimo metu gali būti apytiksliai įvertintas pagal formulę

ρ = ρ 0 (1± σ s) , (2.3)

kur ρ yra metalo savitoji varža veikiant mechaniniam įtempimui σ, ρ 0 yra metalo, nepaveikto mechaninis poveikis, s yra mechaninio įtempio koeficientas, apibūdinantis duotą metalą; pliuso ženklas formulėje atitinka įtampą, minuso ženklas – suspaudimą.

ρ kitimas tampriųjų deformacijų metu paaiškinamas metalo kristalinės gardelės mazgų svyravimų amplitudės pokyčiu. Ištempus šios amplitudės didėja, suspaudus – mažėja. Padidėjus gardelės vietų virpesių amplitudei, mažėja krūvininkų mobilumas ir dėl to padidėja ρ. Plastinė deformacija, kaip taisyklė, padidina metalų savitumą dėl kristalinės gardelės iškraipymo. Perkristalizavus atkaitinimo būdu, varža gali būti sumažinta iki pradinės vertės.

2.3.5. Lydinių varža

Didelis ρ padidėjimas pastebimas, kai susilieja du metalai, jei jie susidaro vienas su kitu kietas tirpalas , t.y. kietėjimo metu jie sukuria bendrą kristalizaciją, o vieno metalo atomai patenka į kito metalo kristalinę gardelę. ρ turi didžiausią vertę, atitinkančią tam tikrą konkretų santykį tarp komponentų kiekio lydinyje. Taigi N. S. Kurnakovas atrado, kad tais atvejais, kai tam tikru santykiu tarp komponentų jie sudaro ryškius cheminius junginius vienas su kitu ( intermetalikai ), kreivėse ρ yra lūžių, priklausomų nuo kompozicijos (2.2 pav.).

Ryžiai. 2.2. Cinko-magnio lydinių varžos priklausomybė nuo sudėties.
1 taškas atitinka gryną Mg, taškas 2 – junginį
MgZn, 3 - Mg 2 Zn 3, ., 4 - MgZn 4 5 - MgZn 6, 6 - grynas Zn.

A.F.Ioffe atliktas tyrimas parodė, kad daugelis intermetalinių junginių yra ne metalinio elektrinio laidumo medžiagos, o elektroniniai puslaidininkiai.

Jei dviejų metalų lydinys sukuria atskirą kristalizaciją, o sukietėjusio lydinio struktūra yra kiekvieno komponento kristalų mišinys (ty nėra kiekvieno komponento kristalinės gardelės iškraipymo), tada savitasis laidumas γ lydinys kinta maždaug tiesiškai keičiantis sudėčiai, ty . Atkaklus aritmetinė taisyklė maišymas (2.3 pav.).

2.3 pav. Vario-volframo lydinių savitojo laidumo priklausomybė nuo sudėties (masės procentais)

2.3.6. Metalų šilumos laidumas

Už šilumos perdavimą per metalą daugiausia atsakingi tie patys laisvieji elektronai, lemiantys metalų elektrinį laidumą, kurių skaičius tūrio vienete yra labai didelis. Todėl, kaip taisyklė, metalų šilumos laidumas γ t yra daug didesnis nei dielektrikų šilumos laidumas. Akivaizdu, kad jei kiti dalykai yra vienodi, kuo didesnis metalo savitasis elektros laidumas γ, tuo didesnis turėtų būti jo šilumos laidumas. Taip pat nesunku pastebėti, kad kylant temperatūrai, mažėjant elektronų judrumui metale ir atitinkamai jo savitam laidumui, santykis γ t /γ δ turėtų padidėti.

Metalo mechaninio apdorojimo grynumas ir pobūdis gali pastebimai paveikti jo šilumos laidumą, ypač esant žemai temperatūrai.

2.3.7. termoelektrovaros jėga

Kai susiliečia du metaliniai laidininkai, a kontaktinio potencialo skirtumas . Jo atsiradimo priežastis yra skirtingų metalų elektronų darbo funkcijos verčių skirtumai, taip pat tai, kad elektronų koncentracija ir, atitinkamai, elektronų dujų slėgis skirtinguose metaluose ir lydiniuose. gali būti skirtingos. Iš elektroninės metalų teorijos matyti, kad kontaktinio potencialo skirtumas tarp metalų A ir B yra lygus:

(2.4)

čia U A ir U B yra besiliečiančių metalų potencialai; n A ir n B yra elektronų koncentracijos metaluose A ir B.

Jei „sankryžų“ temperatūros vienodos, tai potencialų skirtumų suma lygi nuliui. Situacija skiriasi, kai vieno metalo temperatūra yra T 1, o kito - T 2.

Šiuo atveju tarp „sankryžų“ yra šiluminis emf, lygus

kurį galima parašyti kaip

Kur c yra termo-emf konstanta tam tikrai laidininkų porai, t.y. terminis emf turi būti proporcinga temperatūrų skirtumui tarp metalų.

Viela, sudaryta iš dviejų skirtingų metalų arba lydinių laidų, izoliuotų vienas nuo kito ( termopora ) gali būti naudojamas temperatūrai matuoti.

2.3.8. Mechaninės laidininkų savybės

Jiems būdingas atsparumas tempimui σ p ir santykinis pailgėjimas trūkimo metu Δl/l, taip pat trapumas, kietumas ir panašios savybės. Metalinių laidininkų mechaninės savybės labai priklauso nuo mechaninių ir karščio gydymas, nuo priemaišų buvimo ir kt. Atkaitinimo efektas lemia reikšmingą σ p sumažėjimą ir Δl/l padidėjimą. Tokie laidininkų medžiagų parametrai, kaip virimo ir lydymosi taškai, savitoji šiluminė talpa ir kt., ypatingų paaiškinimų nereikalauja.

2.4. Aukšto laidumo medžiagos

Plačiausiai naudojamos didelio laidumo medžiagos yra varis ir aliuminis.

2.4.1. Varis

Vario privalumai, užtikrinantys platų jo, kaip laidininko, naudojimą, yra šie:

1. maža varža;
2. pakankamai didelis mechaninis stiprumas;
3. patenkinamas atsparumas korozijai daugeliu atvejų;
4. geras apdirbamumas: varis susukamas į lakštus, juosteles ir traukiamas į vielą, kurios storis gali būti sumažintas iki tūkstantųjų milimetro dalių;
5. santykinis litavimo ir suvirinimo paprastumas.

Varis dažniausiai gaunamas apdorojant sulfidines rūdas. Po serijos rūdos lydymo ir skrudinimo intensyviai pučiant varį, skirtą elektros reikmėms, būtinai atlieka elektrolitinio gryninimo procesas.

Kaip laidininko medžiaga dažniausiai naudojamas varis M1 ir M0. M1 klasės varyje yra 99,9% vario, o viso priemaišų (0,1%) deguonies turi būti ne daugiau kaip 0,08%. Deguonies buvimas varyje pablogina jo mechanines savybes. Geriausias mechanines savybes turi M0 klasės varis, kuriame yra ne daugiau kaip 0,05% priemaišų, įskaitant ne daugiau kaip 0,02% deguonies.

Varis yra gana brangi ir menka medžiaga, todėl jį vis dažniau keičia kiti metalai, ypač aliuminis.

Kai kuriais atvejais naudojami vario lydiniai su alavu, siliciu, fosforu, beriliu, chromu, magniu ir kadmiu. Tokie lydiniai, vadinami bronzomis, tinkamai parinktos sudėties, pasižymi žymiai aukštesnėmis mechaninėmis savybėmis nei grynas varis.

2.4.2. Aliuminis

Aliuminis yra antra pagal svarbą laidų medžiaga po vario. Tai svarbiausias vadinamųjų lengvųjų metalų atstovas: lieto aliuminio tankis yra apie 2,6, o valcuoto – 2,7 Mg/m 3 . Taigi aliuminis yra apie 3,5 karto lengvesnis už varį. Aliuminio plėtimosi temperatūros koeficientas, savitoji šiluminė talpa ir lydymosi šiluma yra didesni nei vario. Dėl didelių verčių specifinė šiluma ir lydymosi šiluma, norint pašildyti aliuminį iki lydymosi temperatūros ir perkelti į išlydytą būseną, reikalauja daugiau šilumos nei kaitinti ir išlydyti tokį patį kiekį vario, nors aliuminio lydymosi temperatūra yra žemesnė nei vario.

Aliuminis turi žemesnes mechanines ir elektrines savybes nei varis. To paties skerspjūvio ir ilgio aliuminio vielos elektrinė varža yra 1,63 karto didesnė nei varinės vielos. Labai svarbu, kad aliuminio būtų mažiau nei vario.

Elektros reikmėms naudojamas A1 klasės aliuminis, kuriame yra ne daugiau kaip 0,5% priemaišų. Gamybai naudojamas dar grynesnis AB00 klasės aliuminis (ne daugiau kaip 0,03 % priemaišų). aliuminio folija, elektrodai ir elektrolitinių kondensatorių korpusai. Aukščiausio grynumo AB0000 aliuminio priemaišų kiekis ne didesnis kaip 0,004%. Ni, Si, Zn arba Fe priedai, kurių kiekis yra 0,5%, sumažina atkaitinto aliuminio γ ne daugiau kaip 2-3%. Labiau pastebimą poveikį daro Cu, Ag ir Mg priemaišos, kurių masės kiekis vienodas sumažina γ aliuminio kiekį 5-10%. Labai sumažina aliuminio Ti ir Mn elektrinį laidumą.

Aliuminis labai aktyviai oksiduojamas ir padengtas plona oksido plėvele, turinčia didelę elektrinę varžą. Ši plėvelė apsaugo metalą nuo tolesnės korozijos.

Aliuminio lydiniai padidino mechaninį stiprumą. Tokio lydinio pavyzdys yra aldrey , kuriame yra 0,3-0,5% Mg, 0,4-0,7% Si ir 0,2-0,3% Fe. Aldrey mieste susidaro Mg 2 Si junginys, kuris lydiniui suteikia aukštų mechaninių savybių.

2.4.3. Geležis

Geležis (plienas), kaip pigiausias ir prieinamiausias metalas, kuris taip pat turi didelį mechaninį stiprumą, yra labai įdomus naudoti kaip laidininko medžiaga. Tačiau net gryna geležis turi daug didesnę varžą, palyginti su variu ir aliuminiu; ρ plieno, t.y. geležis su anglies ir kitų elementų priemaiša yra dar didesnė. Paprastas plienas pasižymi mažu atsparumu korozijai: net esant normaliai temperatūrai, ypač esant didelei drėgmei, jis greitai rūdija; Kylant temperatūrai, korozijos greitis smarkiai padidėja. Todėl plieninių vielų paviršius turi būti apsaugotas atsparesnės medžiagos sluoksniu. Paprastai šiam tikslui naudojama cinko danga.

Kai kuriais atvejais, siekiant sumažinti spalvotųjų metalų suvartojimą, vadinamasis bimetaliniai . Tai plienas, iš išorės padengtas vario sluoksniu, o abu metalai yra tvirtai ir nuolat sujungti vienas su kitu.

2.4.4. Natrio

Natrio metalas yra labai perspektyvi laidi medžiaga. Natrio galima gauti elektrolizuojant išlydytą natrio chloridą NaCl praktiškai neribotais kiekiais. Palyginus natrio savybes su kitų laidininkų metalų savybėmis, matyti, kad natrio savitoji varža yra maždaug 2,8 karto didesnė nei ρ vario ir 1,7 karto didesnė nei ρ aliuminio, tačiau dėl itin mažo natrio tankio. (jo tankis yra beveik 9 kartus mažesnis už vario tankį), viela, pagaminta iš natrio, esant tam tikram laidumui vienam ilgio vienetui, turėtų būti žymiai lengvesnė už bet kurio kito metalo laidą. Tačiau natris yra itin aktyvus chemiškai (intensyviai oksiduojasi ore, smarkiai reaguoja su vandeniu), todėl natrio viela turi būti apsaugota sandarinimo apvalkalu. Apvalkalas turi suteikti vielai reikiamą mechaninį stiprumą, nes natris yra labai minkštas ir turi mažą atsparumą tempimui deformacijos metu.

2.5. Superlaidininkai ir kriolaidininkai

Kaip jau minėta, mažėjant temperatūrai, mažėja metalų savitoji varža. Ypač įdomus yra metalų elektrinio laidumo klausimas labai žemoje temperatūroje, artėjant prie absoliutaus nulio. Elektrinės varžos išnykimas, t.y. vadinama beveik begalinio medžiagos elektrinio laidumo atsiradimas superlaidumas , ir temperatūra, iki kurios aušinant įvyksta medžiagos perėjimas į superlaidžią būseną - superlaidumo pereinamoji temperatūra T s. Perėjimas į superlaidžią būseną yra grįžtamas: kai temperatūra pakyla iki Tc, superlaidumas sunaikinamas ir medžiaga pereina į normalią būseną, įgydama baigtinę savitojo laidumo γ reikšmę. Šiuo metu žinomi 27 paprasti (grynieji metalai) ir daugiau nei tūkstantis kompleksinių (lydinių ir cheminių junginių).

Tuo pačiu metu kai kurios medžiagos, įskaitant geriausias laidininkes medžiagas, tokias kaip sidabras ir varis, esant žemiausioms šiuo metu pasiekiamoms temperatūroms (tūkstantosioms kelvino dalims; pagal trečiąjį termodinamikos dėsnį absoliutaus nulio temperatūra iš esmės nepasiekiama). į superlaidžią būseną nepavyko. Įdomu pastebėti, kad ne tik junginiai ir metalo lydiniai, turinčius superlaidumą, bet ir tokių elementų junginius su ne superlaidžiais ir netgi junginius, kurių molekulėse yra tik ne superlaidžių elementų atomai.

Be superlaidžių elektromagnetų, galima pastebėti galimybę sukurti superlaidininkus elektros mašinos, transformatoriai ir panašūs mažos masės ir matmenų, bet didelio efektyvumo įrenginiai; labai didelės galios perdavimo linijos dideliais atstumais; ypač mažo slopinimo bangolaidžiai; energijos kaupimo įrenginiai ir kt.

Be superlaidumo reiškinio, šiuolaikinė elektrotechnika vis dažniau naudoja šį reiškinį kriolaidumas , t.y. kai kurių metalų pasiekimas labai mažo laidumo kriogeninėje temperatūroje (bet aukštesnė už superlaidumo pereinamąją temperatūrą, jei šis metalas apskritai priklauso superlaidininkams. Medžiagos, turinčios ypač palankių savybių naudoti kaip laidininkus kriogeninėje temperatūroje, vadinamos kriolaidininkai arba hiperlaidininkai .

Labai maža, bet vis dar baigtinė kriolaidininko savitosios varžos vertė jo darbinėje temperatūroje riboja leistiną srovės tankį jame, nors šis tankis gali būti daug didesnis nei įprastuose laiduose. Kriolaidininkai, kurių savitoji varža keičiasi sklandžiai, be šuolių, kai temperatūra kinta plačiame diapazone, negali būti naudojami daugelyje įrenginių, kurių veikimas pagrįstas superlaidumo atsiradimo ir sunaikinimo trigeriniu efektu. Tačiau kriolaidininkų naudojimas elektros mašinose, prietaisuose, kabeliuose ir kt. Tai taip pat turi savo privalumų, ir jie yra labai reikšmingi. Taigi, jei skystasis helis naudojamas kaip aušinimo priemonė superlaidžiuose įrenginiuose, kriolaidininkų darbinė temperatūra pasiekiama naudojant aukštesnės virimo temperatūros ir pigesnius šaltnešius: skystąjį vandenilį ar net skystąjį azotą. Tai labai supaprastina ir sumažina įrenginio diegimo ir eksploatavimo išlaidas. Be to, superlaidžiame įrenginyje, pavyzdžiui, elektromagnete, per kurio apviją teka stipri srovė, susikaupia daug energijos. magnetinis laukas. Jei dėl atsitiktinio temperatūros padidėjimo arba magnetinės indukcijos bent mažoje superlaidžios grandinės atkarpoje superlaidumas sunaikinamas, didelis skaičius energijos, kuri gali sukelti rimtą avariją. Kriolaidžios grandinės atveju temperatūros padidėjimas tik sukels laipsnišką šios grandinės atsparumo didėjimą be sprogimo poveikio.

Visais atvejais norint gauti kriolaidžias medžiagas, reikalingas didelis metalo grynumas ir darbinio grūdinimo nebuvimas. Bloga įtaka priemaišos ir ρ metalų darbinis sukietėjimas kriogeninėje temperatūroje yra daug stipresnis nei normalioje temperatūroje. Kriolaidininkus galima sėkmingai panaudoti elektros mašinų ir transformatorių apvijoms, kabelių laidininkams ir kt.

2.6. Didelio atsparumo lydiniai

Be didelio atsparumo, tokioms medžiagoms reikalingas didelis stabilumas ρ laikui bėgant, mažas TKρ ir mažas šiluminis emf koeficientas. šio lydinio poroje su variu. Pageidautina, kad tokie lydiniai būtų pigūs ir, jei įmanoma, juose nebūtų ribotų komponentų.

2.6.1. Manganinas

Tai tipiškiausias ir plačiausiai naudojamas pavyzdinių rezistorių lydinys. Apytikslė jo sudėtis: Cu- 85%, Mn- 12% ir Ni- 3%; pavadinimas kilęs dėl to, kad jame yra mangano; gelsva spalva atsiranda dėl didelio vario kiekio. ρ manganinas 0,42-0,48 μOhm∙m, termo-emf koeficientas. suporuotas su variu yra tik 1-2 μV / K, α ρ yra labai mažas. Maksimali ilgalaikė leistina darbo temperatūra ne aukštesnė kaip 200°C.

2.6.2. Konstantanas

Lydinys, kuriame yra apie 60 % vario ir 40 % nikelio; ši sudėtis atitinka minimalų α ρ Cu-Ni sistemoje esant gana didelei ρ reikšmei. Konstantano pavadinimas paaiškinamas reikšminga ρ pastovumu su temperatūros pokyčiais. Konstantano atsparumas karščiui yra didesnis nei manganino, o mechaninės savybės yra panašios. Esminis pastarųjų skirtumas – aukšta šiluminė emf. suporuotas su variu ir geležimi. Plačiam konstantano naudojimui trukdo didelis brangaus ir menko nikelio kiekis.

2.6.3. Geležies pagrindu pagaminti lydiniai

Vadinami sistemos Fe - Ni - Cr lydiniai nichromo arba (dėl didelio geležies kiekio) feronichromai ; vadinami sistemos Fe - Cr - Al lydiniai fechralami Ir luošas . Nichromai yra labai pažangūs technologiškai: juos galima lengvai sutraukti į ploną vielą ar juostelę, jie turi aukštą Darbinė temperatūra. Tačiau, kaip ir kostantanas, juose yra daug nikelio. Nichromai naudojami kaip elektriniai šildymo elementai.

Chromo ir aliuminio lydiniai yra daug pigesni nei nichromai, tačiau šie lydiniai yra mažiau technologiškai pažangūs, kietesni ir trapesni. Jie daugiausia naudojami didelės galios elektriniams šildymo įrenginiams.

2.7. Ugniai atsparūs metalai

Ugniai atsparūs metalai yra metalai, kurių lydymosi temperatūra viršija 1700°C. Paprastai jie yra chemiškai stabilūs žemoje temperatūroje, tačiau suaktyvėja esant aukštesnei temperatūrai. Jų operacija val aukšta temperatūra gali būti tiekiamas inertinių dujų atmosferoje arba vakuume. Tankiu pavidalu šie metalai dažniausiai gaunami miltelinės metalurgijos metodais – presuojant ir sukepinant. Elektroninėse technologijose lydymas elektronų ar lazerio spinduliu, zonų valymas, plazminis gydymas ir tt Šių medžiagų apdirbimas yra sudėtingas ir dažnai reikalauja kaitinimo.

2.7.1. Volframas

Itin sunkus kieto metalo pilka spalva. Iš visų metalų volframas turi aukščiausią lydymosi temperatūrą (3380 °C). Jis išgaunamas iš rūdų skirtinga kompozicija, iš kurių žinomiausi yra volframitas (FeWO 4 + MnWO 4) ir scheelitas (CaWO 4) komplekse cheminis apdorojimas. Volframas pasižymi silpnu mechaniniu kristalų sukibimu, todėl granuliuotos struktūros gana stori volframo gaminiai yra labai trapūs ir lengvai lūžta. Dėl mechaninio apdirbimo kalimo ir tempimo būdu volframas įgauna pluoštinę struktūrą ir jo lūžimas yra labai sunkus. Tai paaiškina plonų volframo gijų lankstumą.

Volframas naudojamas kaitinamųjų lempų gijų, taip pat elektrodų, šildytuvų, spyruoklių ir elektroninių lempų, rentgeno vamzdžių ir kt. Dėl savo ugniai atsparumo ir didelio mechaninio stiprumo volframas gali veikti aukštoje temperatūroje (daugiau nei 2000 ° C), tačiau tik dideliame vakuume arba inertinių dujų atmosferoje, nes. kaitinant iki kelių šimtų laipsnių temperatūros esant deguoniui, stipriai oksiduojasi.

2.7.2. Molibdenas

Šis metalas savo išvaizda ir apdirbimo technologija yra panašus į volframą. Molibdenitas MoS 2 yra svarbiausia pramoninė molibdeno rūda. Molibdenas naudojamas elektrovakuuminėje technologijoje žemesnėje temperatūroje nei volframas; kaitinamosios dalys, pagamintos iš molibdeno, turi būti eksploatuojamos vakuuminėje arba redukcinėje atmosferoje.

2.7.3. Tantalas

Jis gaunamas iš reto tantalito Fe (TaO 3) 2 miltelių metalurgijos metodais, pavyzdžiui, volframo ir molibdeno. Pagrindinis jo skirtumas slypi tik tame, kad sukepinimo procesas atliekamas vakuuminėse krosnyse, nes. tantalas linkęs sugerti dujas, todėl jis tampa trapus. Tantalui būdingas didelis plastiškumas net kambario temperatūroje. Tantalas priskiriamas superlaidininkui, naudojamas anodų ir generatorių lempų tinklelių gamyboje ir kt.

2.7.4. Titanas

Palyginti lengvas metalas, naudojamas elektrovakuuminėje technologijoje dėl savo gero mechaninės savybės. Pagrindiniai mineralai, kurių sudėtyje yra titano, yra rutilas ir ilmenis. Titanas gaminamas miltelių metalurgijos būdu. Jis naudojamas ne tik kaip konstrukcinė medžiaga, bet ir molibdeno bei volframo anodų milteliniams dažams ir generatorių lempų tinkleliams. Iš jo gaunami ir integrinių grandynų rezistoriai.

2.7.5. Renis

Vienas iš retų labai sunkiųjų metalų, kurio lydymosi temperatūra artima volframui. Renis išsiskiria retu savybių deriniu, atitinkančiu daugumą elektrovakuuminės technologijos reikalavimų. Vandenilio atmosferoje ir drėgnoje aplinkoje jis išgaruoja mažiau nei volframas. Vertinga renio savybė yra žemesnis, palyginti su volframu, sąveikos aukštoje temperatūroje su aliuminio oksidu laipsnis, iš kurio gaminami izoliaciniai vamzdeliai kai kurių tipų lempų šildomiems katodams ir tinkleliams.

2.8. taurieji metalai

Tarp tauriųjų metalų yra auksas, sidabras, platina ir platinos grupės metalai (rutenis Ru, rodis Rh, paladis Pd, osmis Os ir iridis Ir). Šie metalai vadinami tauriaisiais dėl jų grožio išvaizda ir didelis cheminis atsparumas. Jie naudojami kaip laidininkai ir kontaktai korozijai atsparioms dangoms, fotoelementų elektrodams. Sidabras taip pat naudojamas tiesiogiai dengti dielektriką kaip plokštes gaminant keraminius ir žėručio kondensatorius.

2.9. Nemetaliniai laidininkai

Iš kietų nemetalinių laidžių medžiagų didžiausia vertė turi anglies pagrindu pagamintų medžiagų. Iš anglies gaminami elektros mašinų šepečiai, prožektorių elektrodai, lanko elektrodai elektrinės orkaitės ir elektrolitinės vonios, anodai galvaniniai elementai. Anglies milteliai naudojami mikrofonuose, didelės varžos rezistoriuose, iš anglies gaminami telefono tinklų iškrovikliai.

Suodžiai, grafitas ir antracitas gali būti naudojami kaip žaliavos gaminant elektrinius anglies produktus. Natūralus grafitas yra viena iš sluoksninės struktūros grynos anglies modifikacijų, turinčių didelę elektrinių ir mechaninių savybių anizotropiją. Suodžiai yra smulkiai išsklaidyta anglis su sluoksniuotų medžiagų priemaišomis. Lakai, į kuriuos kaip pigmentą dedama suodžių, turi mažą varžą ir gali būti naudojami elektriniam laukui išlyginti. elektros mašinos aukštos įtampos.

1. Elektrinė varža metalai. Metalų elektrinio laidumo kvantinė teorija sumažinama iki šių:

bet . Idealioje kristalų grotelėje laidumo elektronai judėjimo metu neturėtų patirti pasipriešinimo. Pasipriešinimas atsiranda tada, kai struktūriniai defektai, tai yra, pažeidžiamas gardelės periodiškumas.

b . tikruose kristaluose Yra du struktūros pažeidimo mechanizmai: priemaišų ir šiluminių. Atitinkamai jie išskiria priemaišų savitoji varža r n Ir terminis(svyruojantis) r T. Pagal atsparumo adityvumo taisyklė metalo varža r lygus jų sumai r = r n + r T. (13.1)

in . atsparumas priemaišoms rn dėl svetimų atomų buvimo gardelėje (priemaišų atomai). Jei metalas pakankamai grynas, o priemaišų atomų koncentracija maža, tai atsparumas priemaišoms praktiškai nepriklauso nuo temperatūros ir tampa pastebimas tik prie absoliutaus nulio. Dėl priemaišų metalo savitoji varža neturėtų nukristi iki nulio net tada, kai T= 0 K.

G . Šiluminė varža r T atsiranda dėl laidumo elektronų sklaidos dėl kristalinės gardelės mazgų tankio svyravimų, atsirandančių mazgų šiluminio vibracinio judėjimo metu. Kvantinėje teorijoje šiluminis svyruojantis judesys gardelės atomai traktuojami kaip stovėjimo sistema garso bangos kristale - fononai. Todėl jie kalba apie laidumo elektronų sklaida ant fononų.

Priešingai nei klasikinė metalų elektrinio laidumo teorija Drudas – Lorenza, kuris numato varžos priklausomybę nuo formos temperatūros r~ , kvantinė teorija pateikia teisingą prognozę tiesinė priklausomybė r~T. Esant metalo temperatūrai T³ 50 tūkst r= r 0 aT, kuris atitinka empirinę formulę r= r 0 (1 + a t). Kvantinėje teorijoje paaiškėja, kad kada T® 0 bendra metalo savitoji varža r turėtų siekti nešvarumų rn. 90 paveiksle parodyta eksperimentinė gryno natrio varžos priklausomybė nuo temperatūros.

At T® 0 K r® rn\u003d 4 10 -11 omų m, o tai yra maždaug 0,4% atsparumo esant T= 273 K. Jau esant temperatūroms T³ 20 K priklausomybė r(T) tampa beveik tiesinis.

d . Elektra kvantinėje teorijoje interpretuojamas kaip elektronų dreifas periodiniame kristalo lauke. Šis dreifas atsiranda veikiant konstantai elektrinė jėga ją, kur E- elektrinio lauko, kuris sukuria srovę, stiprumas. Paaiškėjo, kad elektronų dreifo greitis priklauso nuo jų padėties laidumo juostoje gylio. Ši priklausomybė išreiškiama per efektyvioji masė m eff elektronas. Skirtingai nuo likusios masės m e laisvųjų elektronų efektyvioji elektrono masė metalo laidumo juostoje yra kintama reikšmė, kuri priklauso nuo juostos pločio.

Netoli juostos apačios efektyvioji elektronų masė yra teigiama. Dreifo kryptis atitinka srovės tankio vektorių. Kai ji kyla iki viršutinės zonos ribos, efektyvioji masė įgauna be galo didelę reikšmę m ef= ¥ ir tada tampa neigiamas. Atitinkamai, elektronų dreifo greitis, turintis „teisingą“ kryptį zonos apačioje, palaipsniui pereina per nulį ir viršutinėje zonos riboje įgauna neigiamas („neteisingas“) vertes.

Laisvųjų elektronų aproksimacijos teorijoje gauti ryšiai Drudas – Lorencas, pasirodys galiojantis periodiniame gardelės lauke judantiems elektronams, jei pakeisime juose likusią elektrono masę m eį veiksmingą m ef.

2. Superlaidumas. 1911 metais Camerling - Onnes, matuojant gyvsidabrio varžą žemoje temperatūroje, nustatyta, kad esant T= 4,2 K, gyvsidabrio varža praktiškai nukrito iki nulio. Šis reiškinys buvo vadinamas superlaidumas. 91 paveiksle parodytos kai kurių grynų metalų savitosios varžos priklausomybės nuo temperatūros, artimos absoliučiam nuliui, eksperimentinės kreivės. Akivaizdu, kad reiškinio negalima redukuoti iki normalaus bedefektų kristalo savitosios varžos kritimo, kai rn= 0 ir r T. Perėjimas į superlaidžią būseną vyksta ne sklandžiai, o staigiai esant tam tikrai temperatūrai T kr, kuris vadinamas kritinė pereinamoji temperatūra. Dabar žinoma apie 30 superlaidininkų. cheminiai elementai ir daugiau nei 500 superlaidžių medžiagų.

3. Superlaidumo poveikis.

bet . Elektra , sužadintas superlaidžiame žiede, gali cirkuliuoti jame metų metus.

b . efektas Meisneris. 1933 metais Valteris Meisneris Ir R. Oksenfeldas nustatė, kad medžiaga, patalpinta į magnetinį lauką (92 pav. kairėje), pereidama į superlaidžią būseną, neužšąla joje esančio magnetinio lauko, kaip turėjo būti, kai medžiaga tiesiog pereina į būseną su nuliu. pasipriešinimą, bet išstumia iš savo tūrio (92 pav. dešinėje). Tai būdinga idealūs diamagnetai su nuliniu magnetiniu pralaidumu m= 0.

Kadangi magnetinis laukas neprasiskverbia pro superlaidininką, iš to išplaukia elektros gali tekėti tik superlaidininko paviršiumi. Juk jei srovė galėtų tekėti superlaidininko storiu, tai aplink jį būtų magnetinis laukas superlaidininko storiu. Iš tiesų, patirtis rodo, kad elektros srovė teka superlaidininke storio paviršiaus sluoksniu l= 10 ¸ 100 nm. Magnetinis laukas taip pat prasiskverbia į šį gylį į superlaidininką, mažėjant atstumui x nuo paviršiaus pagal eksponentinį dėsnį

B = B 0 exp (- xcl). (13.2)

Superlaidžioje būsenoje esanti medžiaga įgyja dvi pagrindines viena su kita nesusijusias savybes: puikus laidumas ir tobulas diamagnetizmas.

efektas Meisneris leidžia stabiliai pakabinti superlaidžius kūnus magnetiniame lauke (93 pav.). Kai rutulys patenka į 1 tipo superlaidžią būseną, magnetinis laukas iš jo išstumiamas. Dėl to rutulio paviršiniame sluoksnyje indukuojama srovė tokia kryptimi, kad kamuolys išstumiamas iš lauko.

in . Kritinis magnetinio lauko poveikis . Tai susideda iš to, kad kai magnetinis laukas, kuriame yra superlaidininkas, pasiekia tam tikrą ribinę indukcijos vertę Kr»10 -2 ¸ 10 1 T, superlaidumas išnyksta.

94 paveiksle parodyta priklausomybė Kršvino (viršutinė kreivė) ir alavo (apatinė kreivė) temperatūrą. At kritinė temperatūra T = T kr kritinis laukas lygus nuliui, Kr= 0, ir mažėjant temperatūrai Kr dideja.

Jei sustiprinsime srovę, tekančią per superlaidininką, tada prie tam tikros jos kritinės vertės aš kr superlaidi būsena sunaikinama. Kadangi magnetinis laukas IN proporcingas srovei aš, tada priklausomybė aš kr nuo temperatūros yra panaši į priklausomybę Kr(T). Kritinio magnetinio lauko poveikis apsunkina itin stiprių magnetinių laukų gavimo naudojant superlaidžias grandines techniką. Apskaičiuojant kritinę srovę reikia atsižvelgti į tai, kad srovė teka paviršiniu sluoksniu. Pavyzdžiui, laidininkui, kurio skersmuo 1 mm at l = 35 nm skerspjūvis paviršinio sluoksnio, kuriuo teka srovė, apie 10 -4 mm 2 . Tai yra apie 0,01% viso laidininko skerspjūvio.

d. Poveikis Džozefsonas . 1962 metais Brianas Josephsonas teoriškai numatė du efektus, kurių esmė tokia.

Prie superlaidininko prijungiame ampermetrą (95-a pav. jis pavaizduotas strypo pavidalu) BET su nuolatinės srovės šaltiniu, kurio EML E ir voltmetras V. Vaikšto grandinėje D.C. registruotas ampermetru. Kadangi superlaidininko varža lygi nuliui, voltmetras rodo nulį.

Superlaidininką supjaustome į dvi dalis ir jas atskiriame taip, kad susidarytų storio tarpas d» 1 nm. Kaip ir prognozuota Džozefsonas, kai toks superlaidininkas yra įtrauktas į grandinę, galima pastebėti vieną iš šių dviejų efektų.

Stacionarus Džozefsono efektas. Per superlaidininką vis tiek teka nuolatinė srovė. Pasirodo, srovė be pasipriešinimo gali tekėti ne tik per superlaidininką, bet ir per jame esantį tarpą, jei jis pakankamai siauras (95-b pav.).

Nestacionarus Josephsono efektas. Superlaidininko galuose su tarpu, pastovus potencialų skirtumas. Tokiu atveju, aukštas dažnis elektromagnetinė banga (95-c pav.). Superlaidininku teka ne tik tiesioginė, bet ir aukšto dažnio kintamoji srovė.

Dabartiniai efektai Džozefsonas ne tik patvirtinta eksperimentiškai, bet ir naudojama mikroelektronikoje.

4. Superlaidumo teorija pastatytas 1957 m Johnas Bardeenas, Leonas Cooperis Ir Johnas Schriefferis. Pirmosiomis jų pavardžių raidėmis ji buvo vadinama BKSH - teorija. BCS teorija remiasi idėja, kad tarp metalo laidumo elektronų gali veikti patrauklias jėgas atsirandantys dėl jų kristalinės gardelės poliarizacijos.

Gardelėje judantis elektronas pritraukia prie savęs teigiamai įkrautus jonus, juos šiek tiek priartindamas ir taip savo kelyje sukurdamas energijos perteklių. teigiamas krūvis poliarizuota gardelė, prie kurios galima pritraukti kitus elektronus. Tai prilygsta patrauklios jėgos atsiradimui tarp elektronų, tik veikiančios ne tiesiogiai, o per poliarizuotą gardelę.

Galima daryti prielaidą, kad superlaidumo pirmiausia reikėtų tikėtis tuose metaluose, kuriuose vyksta stipri elektronų dujų sąveika su gardelėmis, todėl normaliomis sąlygomisį aukštą varža. Ir iš tiesų, tarp grynų metalų geriausi pasirodė esantys didžiausios varžos superlaidininkai - švinas Pb, niobis Nb, alavas Sn, gyvsidabris Hg. Tuo pačiu metu tokiuose mažo atsparumo metaluose kaip varis Cu ir sidabras Ag, kuriuose elektronų dujos turi didelį mobilumą, superlaidumas nepastebimas.

Taip, kaip parodyta Leonas Kuperis, adresu T< T kr, aukščiausias elektronai, esantys Fermio lygyje, gali susiporuoti. Kuriame jų bendra energija yra mažesnė už sumą atskirų elektronų energijos. Išsiskirianti energija turi būti pašalinta iš kristalo aušinant. Energijos sumažėjimas kuperių poros veda prie elektronų užimto ​​viršutinio lygio sumažėjimo. Dėl to tarp Cooper porų lygių ir artimiausių laisvųjų lygių atsiranda 2D pločio juostos tarpas (96 pav. kairėje). Šis atsirandantis energijos atotrūkis neleidžia Cooperio elektronų poroms gauti mažos energijos. Jie gali priimti tik bent 2D energiją, kuri leis elektronams peršokti šią spragą. Todėl kai T< T kr Cooper poros pasirodo labai stabilios.

At T< T kr ne visi elektronai poruojasi. Kiekvienoje temperatūroje nustatomas tam tikras pusiausvyros ryšys tarp normaliųjų ir suporuotų elektronų koncentracijų. Pasirodo, plotis yra 2 D Energijos tarpas superlaidininke priklauso nuo nesuporuotų elektronų skaičiaus. Jų koncentracija mažėjant temperatūrai mažėja ir atitinkamai didėja tarpo plotis (96 pav. dešinėje).

Kuperio poras sudarantys elektronai turi priešingus sukimus. Todėl poros sukinys lygus nuliui, ir taip yra bozonas. Bozonai gali kauptis žemės energetinėje būsenoje, iš kurios juos sunku perkelti į sužadintą būseną. Todėl Cooperio poros koordinuoto judėjimo būsenoje gali išlikti neribotą laiką. Toks koordinuotas porų judėjimas yra superlaidumo srovė.

Atstumas tarp poros elektronų yra didelis. Jis yra maždaug 1000 nm, tai yra apie 5000 atomų skersmenų. Maždaug 1000 porų persidengia ir užima visą tūrį.

5. BCS – kritinės srovės poveikio teorijos paaiškinimas. Gerai žinomiems superlaidininkams energijos tarpas yra vidutiniškai 2D = 3 meV » 5 10 -22 J. Norint sunaikinti Kuperio porą, vienas iš poros elektronų turi sumažinti jos judėjimo energiją, pasak bent jau, pagal 2D.

Tarkime, kad elektronas atiduoda šią energiją kaktomuša susidūrus su gardelės vieta taip, kad po susidūrimo jis atsimuša tokiu pat dreifo greičiu. v d in atvirkštinė kryptis. Elektronų energija prieš susidūrimą E k1 = aš(v f + v d) 2 ç 2, energija po smūgio E k2 = aš(v f - v d) 2 ç 2. Čia v f yra elektronų šiluminis greitis Fermio lygyje (»10 6 m ç nuo), v d yra elektronų dreifo greitis elektriniame lauke, jis neviršija 1 m ç iš.

nuosmukis kinetinė energija elektronas turi būti bent lygus 2D. Taigi D E k = = 2 m e v f v d= 2D. (13.3)

Vadinasi, minimalus dreifo greitis v d, būtinas Cooperio poros sunaikinimui, yra v d=D çm e v f. (13.4)

Elektronų laidumo srovės tankis yra j = env d, (13.5)

kur n yra laidumo elektronų koncentracija metale. Pakeitę kritinį dreifo greitį iš (13.4), gauname kritinį srovės tankį j kr .

j cr = env d= lt D çm e v f. (13.6)

Tipiniams superlaidininkams n\u003d 3 10 28 m -3, v f= 10 6 m ç s, 2D = 3 meV. Pakaitalas.

j cr = =10 12 . Tai atitinka 10 6 A srovę per laidininką, kurio skerspjūvis yra 1 mm 2. Tačiau tikrame superlaidininke srovė teka tik plonu, maždaug 35 nm storio paviršiniu sluoksniu, kuris atitinka skerspjūvį. S\u003d 10 -4 mm 2. Todėl kritinė srovė maždaug 1 mm storio superlaidininke yra tik i kr = j kr S= 10 6 A ç mm 2 10 - 4 mm 2 \u003d 100 A. Tai atitinka eksperimentą.

6. Kritinio magnetinio lauko BCS teorijos paaiškinimas. Superlaidininką patalpinus į magnetinį lauką IN Superlaidininko paviršiniame sluoksnyje indukuojama nuolatinė srovė. Ši neslopinama srovė turi tokį dydį ir kryptį, kad jos magnetinis laukas superlaidininko viduje visiškai kompensuoja išorinis laukas IN . Padidėjus laukui IN kompensacinės srovės tankis superlaidininkyje didėja. Jei išorinis laukas IN bus toks didelis, kad tankis indukcijos srovė pasiekia kritinę vertę, superlaidumas sunaikinamas.

Visa tai, kas išdėstyta pirmiau, taikoma superlaidininkai 1- miestai, kuriame elektros srovė egzistuoja tik paviršiniame sluoksnyje. Kiek vėliau jie buvo atrasti ir ištirti superlaidininkai 2- miestai. Juose, atsirandančių išoriniame magnetiniame lauke IN superlaidžios srovės teka ne tik paviršiumi, bet ir prasiskverbia į laidininko storį. 1 tipo superlaidininkai turi kritinį magnetinį lauką IN cr neviršija 0,1 T, o 2 tipo superlaidininkams jis pasiekia reikšmę IN kr » 20 Tl.

7. Efektai Džozefsonas yra paaiškinami BCS – teorija dėl Cooper porų tuneliavimo per siaurą tarpą tarp superlaidininkų. Pagal teoriją dažnis n kintamoji superlaidžioji srovė apskaičiuojama taip: n= . (13.7)

Su stresu dėl tarpo U= 1 mV dažnis n= 485 GHz, o tai atitinka EM spinduliuotės bangos ilgį l = cn= 0,6 mm.

8. Superlaidininko reaktyvumas. Bet kokioje temperatūroje T< T cr superlaidininke beveik visada yra abu superlaidieji elektronai su koncentracija nc ir normalus ( n n) elektronai. Jei superlaidininkas patalpintas į aukšto dažnio lauką, tai šiame kintamajame elektriniame lauke pagreitėja ne tik Kuperio poros, bet ir normalūs elektronai. Todėl srovė turi ir superlaidųjį, ir įprastą komponentą.

Tie ir kiti elektronai turi masę, dėl jų inercijos srovė atsilieka nuo HF lauko stiprumo fazės. Kuperių poros laidininke juda tarsi be trinties. Remiantis klasikine mechanika, dalelių greitis šiuo atveju atsilieka nuo periodinės jėgos, veikiančios jas fazėje. pc 2. Todėl aukšto dažnio srovės superlaidusis komponentas atsilieka nuo lauko stiprumo pc 2. Tai reiškia, kad Kuperio poros sukuria grynai reaktyvumą.

Normalūs elektronai juda tarsi su trintimi. Todėl jie sukuria ir reaktyvųjį, ir aktyvųjį pasipriešinimą.