modstand

Resistivitet er en egenskab af et materiale, som karakteriserer dets evne til at forhindre passage af elektrisk strøm.

Karakteristik af elektriske materialer

Hovedkarakteristika inden for elteknik er den specifikke elektriske ledningsevne målt i cm / m. Det tjener som en proportionalitetskoefficient mellem feltstyrkevektoren og den aktuelle tæthed. Det betegnes ofte med det græske bogstav gamma y. Modstanden er anerkendt som den gensidige af elektrisk ledningsevne. Som følge heraf bliver den ovenfor nævnte formel: den aktuelle tæthed er direkte proportional med feltstyrken og omvendt proportional med den specifikke modstand af mediet. Enheden bliver Om m.

Konceptet er relevant, ikke kun for solid media. For eksempel udføres strømmen af ​​væskeelektrolytter og ioniserede gasser. Derfor er det i hvert tilfælde tilladt at indføre begrebet resistivitet, fordi en elektrisk ladning passerer gennem mediet. Det er svært at finde værdierne i referencebøgerne for eksempel til svejsebue af en simpel grund - de er ikke tilstrækkeligt involveret i sådanne opgaver. Dette hævdes ikke. Siden opdagelsen af ​​Davys glød af platinpladen med elektrisk strøm gik et århundrede før indførelsen af ​​glødende pærer til almindelig brug - af en tilsvarende årsag blev betydningen og betydningen af ​​opdagelsen ikke straks genkendt.

Afhængig af resistivitetsværdien er materialerne opdelt:

1. For ledere - mindre end 1/10000 Ohm m.
2. Til dielektrikum - mere end 100 millioner Ohm m.
3. Ifølge værdierne for specifik modstand findes der mellem dielektrikum og ledere.

Disse værdier karakteriserer udelukkende kroppens evne til at modstå passagen af ​​elektrisk strøm og påvirker ikke andre aspekter( elasticitet, varmebestandighed).For eksempel er magnetiske materialer ledere, dielektrikum og halvledere.

Hvordan ledningsevne dannes i et materiale

I moderne fysik forklares modstand og ledningsevne sædvanligvis af zone teori. Den er anvendelig på faste krystallinske legemer, hvis gitteratomer gøres stationære. Ifølge dette koncept bestemmes energien af ​​elektroner og andre typer ladningsbærere af de etablerede regler. Der er tre hovedzoner i materialet:

• Valenszonen indeholder elektroner forbundet med atomer. I denne region klassificeres elektronenergien med trin, og antallet af niveauer er begrænset. Den ydre af atomets lag.
• Forbudt Zone. I dette område har afgiftsoperatører ikke ret til. Det tjener som grænsen mellem de to andre zoner. Metaller er ofte fraværende.
• Frizonen er placeret over de to foregående. Her deltager elektroner frit i skabelsen af ​​elektrisk strøm og enhver energi. Ingen niveauer.

Dielektrics er kendetegnet ved frizonenes højeste placering. Med naturlige forhold, der kan forestilles på Jorden, udfører materialerne ikke elektrisk strøm. Stor bredde og bandgap. Metaller har en masse fri elektroner. Og valensbåndet betragtes samtidigt som ledningsområdet - der er ingen forbudte stater. Som et resultat har disse materialer lav resistivitet.

-modstande Ved grænsefladen mellem atomkontakterne dannes der mellemliggende energiniveauer, der forekommer usædvanlige virkninger, der anvendes af halvlederfysik. Heterogeniteter skabes med vilje ved indførelsen af ​​urenheder( acceptorer og donorer).Som et resultat dannes der nye energitilstande, der manifesterer sig i processen med elektrisk strøm, strømmer nye egenskaber, som kildematerialet ikke besidder.

Halvledere har en forbudt båndbredde. Under påvirkning af eksterne kræfter kan elektroner forlade valensområdet.Årsagen er elektrisk spænding, varme, stråling, andre typer af effekter. I dielektrikum og halvledere, som temperaturen falder, overføres elektroner til lavere niveauer, hvilket resulterer i, at valensbåndet er fyldt, og ledningsbåndet forbliver frit. Strømmen strømmer ikke. I overensstemmelse med kvantteori er klassen af ​​halvledere karakteriseret som materialer med et båndgab på mindre end 3 eV.

Fermi Energy

Fermi-energien indtager et vigtigt sted i teorien om ledningsevne, forklaringer på fænomener, som forekommer i halvledere. Subtiliteter tilføjer vage definitioner af udtrykket i litteraturen. Udenlandsk litteratur siger, at Fermi-niveauet er en vis værdi i eV, og Fermi-energien er forskellen mellem den og den laveste i en krystal. Her er de valgte generelle og forståelige sætninger:

1. Fermi-niveauet er maksimumet af alt, der er forbundet med en elektron i metaller ved en temperatur på 0 K. Derfor er Fermi-energien forskellen mellem denne figur og minimumsniveauet ved absolut nul.
2. Fermi-energiniveauet - sandsynligheden for at finde elektroner er 50% ved alle temperaturer undtagen absolut nul.

Fermi-energien bestemmes udelukkende til en temperatur på 0 K, mens niveauet findes under alle forhold. I termodynamikken beskriver konceptet det fulde kemiske potentiale for alle elektroner. Fermi-niveauet defineres som det arbejde, der bruges på tilsætningen af ​​et objekt af en enkelt elektron. Parameteren bestemmer materialets ledningsevne, hjælper med at forstå halvlederernes fysik.

Fermi-niveauet eksisterer ikke nødvendigvis fysisk. Der er tilfælde, hvor passagestedet var midt i den forbudte zone. Fysisk eksisterer ikke niveauet, der er ingen elektroner der. Parameteren kan imidlertid mærkes med et voltmeter: Den potentielle forskel mellem to punkter i kredsløbet( aflæsninger på displayet) er proportional med forskellen mellem Fermi-niveauerne af disse punkter og omvendt proportional med elektronladningen. Enkel afhængighed. Det er tilladt at forbinde disse parametre med ledningsevne og resistivitet ved hjælp af Ohms lov for kædesektionen.

Materialer med lav specifik modstand

Ledere omfatter de fleste metaller, grafit og elektrolytter. Sådanne materialer har lav resistivitet. I metaller danner positivt ladede ioner krystal gittersteder omgivet af en sky af elektroner. De kaldes sædvanligvis fælles for indrejse i ledningsbåndet.

Selv om det ikke er helt forstået, hvad en elektron er, beskrives det sædvanligvis som en partikel, der bevæger sig inde i en krystal med en termisk hastighed på hundreder af km / s. Dette er meget mere end nødvendigt for at starte et rumfartøj i kredsløb. Samtidig er drivhastigheden, som danner en elektrisk strøm under virkningen af ​​en intensitetsvektor, næsten ikke en centimeter pr. Minut. Feltet er fordelt i et miljø med lysets hastighed( 100 tusind km / s).

Som følge af disse relationer bliver det muligt at udtrykke ledningsevnen i form af fysiske mængder( se figur):

• Electron charge, e.
• Fri bærer koncentration, n.
• Elektronmasse, mig.
• Termisk hastighed af bærere,
• Electron betyder fri vej, l.

Fermi-niveauet for metaller ligger i intervallet 3-15 eV, og koncentrationen af ​​frie bærere er næsten uafhængig af temperaturen. Derfor bestemmes den specifikke ledningsevne og dermed modstanden af ​​molekylærgitterets struktur og dens nærhed til den ideelle frihed fra defekter. Parametrene bestemmer længden af ​​fribanen for elektroner, det er let at finde i referencebøger, hvis det er nødvendigt at foretage beregninger( for eksempel for at bestemme den specifikke modstand).

Metaller med et kubisk gitter har den bedste ledningsevne. Kobber er også inkluderet her. Overgangsmetaller er kendetegnet ved meget højere resistivitet. Ledningsevne falder med stigende temperatur og ved høje frekvenser af vekselstrøm. I sidstnævnte tilfælde observeres en hudeffekt. Temperaturafhængighed lineær over en vis grænse, opkaldt efter den hollandske fysiker Peter Debye.

Markerede og ikke så lige linjer afhængigheder. For eksempel øger temperaturbehandlingen af ​​stål antallet af defekter, der naturligt reducerer materialets ledningsevne. En undtagelse fra reglen var udglødning. Processen reducerer tætheden af ​​defekter, som følge af, at resistiviteten falder. Deformation har en klar effekt. For nogle legeringer resulterer bearbejdning i en markant stigning i resistiviteten.

Materialer med høj resistivitet

Nogle gange er det nødvendigt at øge resistiviteten specifikt. En lignende situation opstår i tilfælde med opvarmningsanordninger og elektroniske kredsløbsresistenser. Dernæst kommer legeringen med høj specifik modstand( mere end 0,3 μOm m).Når det bruges som en del af måleinstrumenterne, præsenteres kravet om et minimumspotentiale ved grænsefladen med kobberkontakten.

Den mest berømte var nichrome. Ofte er opvarmningsanordninger lavet af billige fehrle( skør, men billig).Afhængigt af formålet indgår kobber, mangan og andre metaller i legeringerne. Det er en dyr fornøjelse. For eksempel koster en manganinresistor 30 cent på Aliexpress, hvor priserne traditionelt er lavere end butikspriserne. Der er endda en legering af palladium med iridium. Prisen på materialet bør ikke tales højt.

Trykt kredsløbsresistens er ofte lavet af rene metaller i form af sputterfilm. Chrom, tantal, wolfram, legeringer er meget udbredt, blandt andet nichrome.

Stoffer, der ikke udfører en elektrisk strøm

Dielektrics er karakteriseret ved imponerende resistivitet. Dette er ikke en nøglefunktion. Dielektriske materialer omfatter materialer, der er i stand til at omfordele ladningen under virkningen af ​​et elektrisk felt. Som et resultat opstår akkumulering, som anvendes i kondensatorer. Graden af ​​ladningsfordeling er karakteriseret ved dielektrisk konstant. Parameteret viser, hvor mange gange kapacitansens kapacitans stiger, hvor i stedet for luft anvendes et bestemt materiale. Individuelle dielektrikum er i stand til at udføre og udsende svingninger under vekselstrømens virkning. Ferroelektricitet er kendt på grund af temperaturændringer.

Ved forandring af feltretningen forekommer tab. Ligesom magnetisk spænding er delvist omdannet til varme, når den udsættes for mildt stål. Det dielektriske tab afhænger hovedsageligt af frekvensen. Om nødvendigt anvendes ikke-polære isolatorer som materialer, hvis molekyler er symmetriske uden et udtalt elektrisk øjeblik. Polarisering sker, når ladningerne er fast forbundet med krystalgitteret. Typer af polarisering:

1. Elektronpolarisering opstår som et resultat af deformationen af ​​de ydre energikilder af atomer. Vendbar. Karakteristisk for ikke-polære dielektrikum i enhver fase af et stof. På grund af den lave elektronvægt forekommer det næsten øjeblikkeligt( enheder af fs).
2. Ionpolarisering udvider to størrelsesordener langsommere og er karakteristisk for stoffer med et ionisk krystalgitter. Derfor anvendes materialerne ved frekvenser op til 10 GHz og har en stor dielektrisk konstant( op til 90 for titandioxid).
3. Dipole-afslapningspolarisering er meget langsommere. Gennemførelsestiden er hundrededele af et sekund. Dipol-afslapningspolarisation er karakteristisk for gasser og væsker og afhænger hhv. Af viskositet( densitet).Effekten af ​​temperatur spores: effekten danner en top ved en bestemt værdi.
4. Spontan polarisering observeres i ferroelektricitet.