Odolnost

Odolnost je vlastností materiálu, který charakterizuje jeho schopnost zabránit průchodu elektrického proudu.

Charakteristika elektrických materiálů

Hlavním znakem elektrotechniky je specifická elektrická vodivost měřená v cm / m. Slouží jako koeficient proporcionality mezi vektorovou silou pole a proudovou hustotou. To je často označováno řeckým písmem gamma γ.Odpor je rozpoznán jako reciproční elektrická vodivost. V důsledku toho se vzorec zmíněný výše stává: proudová hustota je přímo úměrná intenzitě pole a nepřímo úměrná specifickému odporu média. Jednotka se stává Om m.

Uvažovaná koncepce je relevantní nejen pro pevné média. Proud se například provádí kapalnými elektrolyty a ionizovanými plyny. Proto je v každém případě povoleno zavést koncepci odporu, protože elektrický náboj prochází médiem. Je těžké najít hodnoty v příručkách, například pro svařovací oblouk, z jednoduchého důvodu - nejsou dostatečně zapojeny do těchto úkolů.To není nárokováno. Od objevu Davyho záře platinové desky elektrickým proudem prošlo sto let před zavedením žhavých žárovek do běžného použití - z podobného důvodu nebyl okamžitě uznán důležitost a význam tohoto objevu.

V závislosti na hodnotě odporu jsou materiály rozděleny:

1. Pro vodiče - méně než 1/10000 Ohm m.
2. Pro dielektrikum - více než 100 milionů Ohm m.
3. Semiconduktory jsou mezi dielektriky a vodiči podle hodnot odporu.

Tyto hodnoty charakterizují výhradně schopnost těla odolávat průchodu elektrického proudu a neovlivňují jiné aspekty( pružnost, tepelná odolnost).Například magnetické materiály jsou vodiče, dielektrika a polovodiče.

Jak se vodivost vytváří v materiálu

V moderní fyzice se odpor a vodivost obvykle vysvětlují teorií zón. Je použitelný pro pevná krystalická tělesa, jejichž atomy mřížky jsou stacionární.Podle této koncepce je energie elektronů a jiných typů nosičů náboje určena zavedenými pravidly. V materiálu jsou tři hlavní zóny:

• Valenční zóna obsahuje elektrony spojené s atomy. V této oblasti se energie elektronů stupňuje stupněm a počet úrovní je omezen. Vnější vrstvy atomu.
• Omezená oblast. V této oblasti nejsou nositelé poplatků oprávněni. Slouží jako hranice mezi dvěma dalšími zónami. Kovy často chybějí.
• Volná zóna se nachází nad dvěma předchozími. Zde se elektrony účastní volně při vytváření elektrického proudu a jakékoli energie.Žádné úrovně.

Dielektrika se vyznačuje nejvyšším umístěním volné zóny. Při jakýchkoli přirozených podmínkách, které lze na Zemi představit, materiály nevedou k elektrickému proudu. Velká šířka a bandgap. Kovy mají hmotnost volných elektronů.A valenční pás je současně považován za vodivou oblast - neexistují žádné zakázané stavy. Výsledkem je, že tyto materiály mají nízkou resistivitu.

Na rozhraní atomových kontaktů se vytvářejí mezilehlé úrovně energie, objevují se neobvyklé účinky používané fyzikou polovodičů.Heterogenita se vytváří záměrně zaváděním nečistot( akceptorů a dárců).V důsledku toho se vytvářejí nové energetické stavy, které projevují nové vlastnosti v procesu toku elektrického proudu, který původní materiál neměl.

V polovodičích je pásová mezera malá.Při působení vnějších sil elektrony mohou opustit oblast valence. Příčinou je elektrické napětí, teplo, záření, jiné typy účinků.V dielektrikách a polovodičích při poklesu teploty dochází k tomu, že elektrony přecházejí na nižší úrovně, v důsledku toho se naplní valenční pás a vodivý pás zůstane volný.Elektrický proud neteče. V souladu s kvantovou teorií je třída polovodičů charakterizována jako materiály s mezery pásma menší než 3 eV.

Fermi Energy

Energie Fermi zaujímá důležité místo v teorii vodivosti, vysvětlení jevů vyskytujících se v polovodičích. Drobnosti přidávají vágní definice pojmu v literatuře. Zahraniční literatura říká, že úroveň Fermi je určitou hodnotou v eV a Fermiho energie je rozdíl mezi ní a nejnižší v krystalu. Zde jsou vybrané obecné a srozumitelné věty:

1. Úroveň Fermi je maximem všech vlastností elektronu v kovu při teplotě 0 K. Energie Fermi je proto rozdíl mezi tímto číslem a minimální úrovní absolutní nuly.
2. Úroveň energie Fermiho - pravděpodobnost nalezení elektronů je 50% při všech teplotách kromě absolutní nuly.

Energie Fermiho je určena výhradně pro teplotu 0 K, zatímco úroveň existuje za všech podmínek. V termodynamice koncepce popisuje úplný chemický potenciál všech elektronů.Úroveň Fermiho je definována jako práce vynaložená na přidání objektu jedním elektronem. Parametr určuje vodivost materiálu, pomáhá pochopit fyziku polovodičů.

Úroveň Fermi nutně neexistuje fyzicky. Existují případy, kdy bylo místo průchodu uprostřed zakázané zóny. Fyzicky, úroveň neexistuje, tam nejsou žádné elektrony. Parametr je však patrný u voltmetru: potenciální rozdíl mezi dvěma body obvodu( hodnoty na displeji) je úměrný rozdílu mezi úrovněmi Fermi těchto bodů a nepřímo úměrný elektronovému náboji. Jednoduchá závislost. Je povoleno propojit tyto parametry s vodivostí a měrným odporem za použití Ohmova zákona pro řetězec.

Materiály s nízkým specifickým odporem

Vodiče zahrnují většinu kovů, grafitu a elektrolytů.Tyto materiály mají nízkou resistivitu. V kovu kladně nabité ionty tvoří krystalové mřížky obklopené mrakem elektronů.Jsou obvykle nazývány společnými pro vstup do vedení pásmo.

Ačkoli není zcela pochopen, jaký je elektron, je obvykle popsán jako částice pohybující se uvnitř krystalu s tepelnou rychlostí stovek km / s. To je mnohem víc, než je zapotřebí, aby kosmická loď vypustila na oběžnou dráhu. Současně rychlost driftu, která vytváří elektrický proud pod působením intenzity vektoru, sotva dosahuje centimetru za minutu. Pole je distribuováno v prostředí s rychlostí světla( 100 tisíc km / s).

V důsledku těchto vztahů je možné vyjádřit vodivost z hlediska fyzikálních veličin( viz obrázek):

• elektronového náboje, např.
• Koncentrace volného nosiče, n.
• Elektronová hmota, já.
• Tepelná rychlost nosičů,
• Elektrická střední dráha, l.

Úroveň Fermi pro kovy leží v rozmezí 3-15 eV a koncentrace volných nosičů je téměř nezávislá na teplotě.Proto je specifická vodivost, a tudíž i odpor, určena strukturou molekulární mřížky a její blízkosti k ideálu, bez vad. Parametry určují délku volné cesty elektronů, je snadné je najít v referenčních knihách, je-li třeba provádět výpočty( například za účelem určení specifického odporu).

Kovy s kubickou mřížkou mají nejlepší vodivost. Zde je také zahrnut měď.Přechodové kovy jsou charakterizovány mnohem vyšší rezistivitou. Vodivost se s rostoucí teplotou a vysokými frekvencemi střídavého proudu snižuje. Ve druhém případě je pozorován efekt kůže. Tepelná závislost lineární nad určitou hranicí, pojmenovaná po holandském fyzikovi Peter Debye.

Značené a ne tak přímočaré závislosti. Například tepelné zpracování oceli zvyšuje počet defektů, což přirozeně snižuje vodivost materiálu. Výjimkou z pravidla byla žíhání.Proces snižuje hustotu defektů, kvůli nimž se sníží odpor. Deformace má jasný efekt. U některých slitin má opracování výrazné zvýšení odporu.

Materiály s vysokým měrným odporem

Někdy je nutné specificky zvýšit odpor. Podobná situace nastává v případech s topnými zařízeními a elektronickými obvodovými odpory. Pak přichází řada slitin s vysokým specifickým odporem( více než 0,3 μmm).Při použití jako součást měřicích přístrojů je uveden požadavek minimálního potenciálu na rozhraní měděného kontaktu.

Nejslavnější byl nichrom.Často jsou topná zařízení zkonstruována z levných obalů( křehké, ale levné).V závislosti na účelu jsou ve slitinách obsaženy měď, mangan a další kovy. Je to drahé potěšení.Například manganin rezistor stojí 30 centů na Aliexpressu, kde ceny jsou tradičně nižší než ceny obchodů.Je dokonce i slitina palladia s iridiem. Cena materiálu by neměla být vyprávěna nahlas.

Rezistory s plošnými spoji jsou často vyrobeny z čistých kovů ve formě rozprašovacích fólií.Chrom, tantal, wolfram, slitiny jsou široce používány, mimo jiné, nichróm.

Látky, které nevykonávají elektrický proud

Dielektrika se vyznačuje působivým odporem. Toto není klíčová vlastnost. Dielektrické materiály zahrnují materiály schopné přerozdělit náboj pod působením elektrického pole. Výsledkem je akumulace, která se používá u kondenzátorů.Stupeň přerozdělování náboje je charakterizován dielektrickou konstantou. Parametr ukazuje, kolikrát se zvyšuje kapacita kondenzátoru, kde místo vzduchu se používá určitý materiál. Jednotlivé dielektriky jsou schopny provádět a vydávat oscilace pod působením střídavého proudu. Ferroelectricita je známa kvůli změnám teploty.

Při změně směru směru pole dochází ke ztrátám. Stejně jako magnetické napětí je částečně převedeno na teplo při vystavení měkké oceli. Dielektrická ztráta závisí hlavně na frekvenci. V případě potřeby se nepolární izolátory používají jako materiály, jejichž molekuly jsou symetrické, bez výrazného elektrického momentu. Polarizace nastane, když jsou náboje pevně připojeny k krystalové mřížce. Typy polarizace:

1. Polarizace elektronu nastává v důsledku deformace vnějších energetických nábojů atomů.Reverzibilní.Charakteristika nepolárních dielektrik v jakékoliv fázi látky. Vzhledem k nízké hmotnosti elektronů se vyskytuje téměř okamžitě( jednotky fs).
2. Polarizace iontů se rozšiřuje o dva řády pomaleji a je charakteristická pro látky s iontovou krystalovou mřížkou. Materiály se proto používají při frekvencích do 10 GHz a mají velkou dielektrickou konstantu( až 90 pro oxid titaničitý).
3. Polarizace dipól-relaxace je mnohem pomalejší.Doba provedení je stotiny sekundy. Dipol-relaxační polarizace je charakteristická pro plyny a kapaliny a závisí na viskozitě( hustotě).Účinek teploty je sledován: efekt tvoří vrchol u určité hodnoty.
4. Spontánní polarizace je pozorována u feroelektriky.