Résistivité

La résistivité est une propriété d'un matériau qui caractérise sa capacité à empêcher le passage du courant électrique.

Caractéristiques des matériaux électriques

La caractéristique principale du génie électrique est la conductivité électrique spécifique, mesurée en cm / m. Il sert de coefficient de proportionnalité entre le vecteur d'intensité de champ et la densité de courant. Il est souvent désigné par la lettre grecque gamma γ.La résistivité est reconnue comme étant l'inverse de la conductivité électrique. En conséquence, la formule mentionnée ci-dessus devient: la densité de courant est directement proportionnelle à l'intensité du champ et inversement proportionnelle à la résistance spécifique du milieu. L'unité devient OM m

Le concept à l'étude ne concerne pas uniquement les supports solides. Par exemple, le courant est réalisé par des électrolytes liquides et des gaz ionisés. Par conséquent, dans chaque cas, il est possible d'introduire le concept de résistivité, car une charge électrique traverse le milieu. Il est difficile de trouver les valeurs dans les ouvrages de référence, par exemple pour l'arc de soudage pour une raison simple: ils ne sont pas suffisamment impliqués dans de telles tâches. Ce n'est pas revendiqué.Depuis la découverte de la plaque de platine par le courant électrique de Davy, un siècle s'est écoulé avant l'introduction des ampoules incandescentes d'usage courant - pour une raison similaire, l'importance et la portée de la découverte n'ont pas été immédiatement reconnues.

En fonction de la valeur de résistivité, les matériaux sont divisés:

1. Pour les conducteurs - inférieur à 1/10000 Ohm
2. Pour les diélectriques - Plus de 100 millions d'Ohm
3. Selon les valeurs de résistance spécifique, il existe des propriétés de diélectrique et des conducteurs.

Ces valeurs caractérisent exclusivement la capacité du corps à résister au passage du courant électrique et n'affectent pas les autres aspects( élasticité, résistance à la chaleur).Par exemple, les matériaux magnétiques sont des conducteurs, des diélectriques et des semi-conducteurs.

Mode de formation de la conductivité dans un matériau

En physique moderne, la résistance et la conductivité sont généralement expliquées par la théorie des zones. Il est applicable aux corps cristallins solides dont les atomes de réseau sont rendus stationnaires. Selon ce concept, l’énergie des électrons et d’autres types de porteurs de charge est déterminée par les règles établies. Il existe trois zones principales inhérentes au matériau:

• La zone de valence contient des électrons associés à des atomes. Dans cette région, l'énergie des électrons est notée par étapes et le nombre de niveaux est limité.L'extérieur des couches de l'atome. Zone interdite
• .Dans ce domaine, les opérateurs de charge ne sont pas autorisés. Il sert de frontière entre les deux autres zones. Les métaux sont souvent absents.
• La zone libre est située au-dessus des deux précédentes. Ici, les électrons participent librement à la création de courant électrique et de toute énergie. Aucun niveau. Les diélectriques

sont caractérisés par l'emplacement le plus élevé de la zone libre. Quelles que soient les conditions naturelles imaginables sur Terre, les matériaux ne conduisent pas de courant électrique. Grande largeur et bande interdite. Les métaux ont une masse d'électrons libres. Et la bande de valence est simultanément considérée comme la région de conduction - il n'y a pas d'états interdits. En conséquence, ces matériaux ont une faible résistivité.

À l'interface des contacts atomiques, des niveaux d'énergie intermédiaires se forment, des effets inhabituels se produisent, utilisés par la physique des semi-conducteurs. Les hétérogénéités sont créées intentionnellement par l'introduction d'impuretés( accepteurs et donneurs).En conséquence, de nouveaux états d’énergie se forment, lesquels manifestent de nouvelles propriétés dans le processus de circulation du courant électrique que le matériau initial ne possédait pas.

Les semi-conducteurs ont une largeur de bande interdite. Sous l'action de forces extérieures, les électrons peuvent quitter la région de valence. La cause en est la tension électrique, la chaleur, le rayonnement, d'autres types d'effets. Dans les diélectriques et les semi-conducteurs, la bande de valence est remplie et la bande de conduction reste libre lorsque la température diminue, les électrons passent à des niveaux plus bas. Le courant électrique ne circule pas. Conformément à la théorie quantique, la classe des semi-conducteurs est caractérisée en tant que matériaux avec une bande interdite inférieure à 3 eV.

Fermi Energy

L'énergie de Fermi occupe une place importante dans la théorie de la conductivité, explication des phénomènes se produisant dans les semi-conducteurs. Les subtilités ajoutent des définitions vagues du terme dans la littérature. La littérature étrangère dit que le niveau de Fermi est une certaine valeur en eV et que l’énergie de Fermi est la différence entre celui-ci et le plus bas d’un cristal. Voici les phrases générales et compréhensibles choisies:

1. Le niveau de Fermi est le maximum de tout ce qui est inhérent à un électron dans les métaux à une température de 0 K. Par conséquent, l’énergie de Fermi est la différence entre ce chiffre et le niveau minimum au zéro absolu.
2. Le niveau d'énergie de Fermi - la probabilité de trouver des électrons est de 50% à toutes les températures sauf le zéro absolu.

L'énergie de Fermi est déterminée uniquement pour une température de 0 K, alors que le niveau existe dans toutes les conditions. En thermodynamique, le concept décrit le potentiel chimique complet de tous les électrons. Le niveau de Fermi est défini comme le travail consacré à l'ajout d'un objet par un seul électron. Le paramètre détermine la conductivité du matériau, aide à comprendre la physique des semi-conducteurs.

Le niveau de Fermi n'existe pas nécessairement physiquement. Il existe des cas où le lieu de passage se trouvait au milieu de la zone interdite. Physiquement, le niveau n'existe pas, il n'y a pas d'électrons. Cependant, le paramètre est visible avec un voltmètre: la différence de potentiel entre deux points du circuit( valeurs affichées à l'écran) est proportionnelle à la différence entre les niveaux de Fermi de ces points et inversement proportionnelle à la charge en électrons. Simple dépendance. Il est possible de lier ces paramètres à la conductivité et à la résistivité, en utilisant la loi d’Ohm pour la section de chaîne.

Matériaux à faible résistance spécifique

Les conducteurs comprennent la plupart des métaux, du graphite et des électrolytes. De tels matériaux ont une faible résistivité.Dans les métaux, les ions chargés positivement forment des sites de réseau cristallin entourés d’un nuage d’électrons. Ils sont généralement appelés commun pour entrée dans la bande de conduction.

Bien que l'on ne connaisse pas bien ce qu'est un électron, il est généralement décrit comme une particule se déplaçant à l'intérieur d'un cristal avec une vitesse thermique de plusieurs centaines de km / s. C'est beaucoup plus que ce qui est nécessaire pour lancer un vaisseau spatial en orbite. Dans le même temps, la vitesse de dérive, qui forme un courant électrique sous l'action d'un vecteur d'intensité, atteint à peine un centimètre par minute. Le champ est distribué dans un environnement à la vitesse de la lumière( 100 000 km / s).

Grâce à ces relations, il devient possible d'exprimer la conductivité en termes de quantités physiques( voir figure):

• , e.
• Concentration en porteurs libres, n.
• Masse électronique, moi.
• Vitesse thermique des porteurs,
• Moyenne voie libre des électrons, l.

Le niveau de Fermi pour les métaux est compris entre 3 et 15 eV et la concentration en porteurs libres est presque indépendante de la température. Par conséquent, la conductivité spécifique, et donc la résistance, est déterminée par la structure du réseau moléculaire et sa proximité avec l’idéal, exempt de défauts. Les paramètres déterminent la longueur du chemin libre des électrons, il est facile de le trouver dans les ouvrages de référence, s’il est nécessaire de faire des calculs( par exemple, afin de déterminer la résistance spécifique).

Les métaux à réseau cubique ont la meilleure conductivité.Le cuivre est également inclus ici. Les métaux de transition se caractérisent par une résistivité beaucoup plus élevée. La conductivité diminue avec l'augmentation de la température et aux hautes fréquences du courant alternatif. Dans ce dernier cas, un effet de peau est observé.La dépendance thermique linéaire au-dessus d'une certaine limite porte le nom du physicien néerlandais Peter Debye.

Dépendances en ligne marquées et non droites. Par exemple, le traitement thermique de l'acier augmente le nombre de défauts, ce qui réduit naturellement la conductivité du matériau. Une exception à la règle était le recuit. Le processus réduit la densité de défauts, ce qui entraîne une diminution de la résistivité.La déformation a un effet brillant. Pour certains alliages, l’usinage entraîne une nette augmentation de la résistivité.

Matériaux à haute résistivité

Parfois, il est nécessaire d'augmenter spécifiquement la résistivité.Une situation similaire se produit dans les cas avec des appareils de chauffage et des résistances de circuit électronique. Viennent ensuite les alliages à haute résistance spécifique( supérieure à 0,3 µO m).Lorsqu'il est utilisé dans le cadre d'instruments de mesure, l'exigence d'un potentiel minimal à l'interface avec le contact en cuivre est présentée.

Le plus célèbre était le nichrome. Souvent, les appareils de chauffage sont construits en Fehrle bon marché( fragile, mais bon marché).Selon leur utilisation, le cuivre, le manganèse et d'autres métaux sont inclus dans les alliages. C'est un plaisir coûteux. Par exemple, une résistance au manganine coûte 30 cents sur Aliexpress, où les prix sont traditionnellement plus bas que les prix en magasin. Il y a même un alliage de palladium avec iridium. Le prix du matériel ne doit pas être annoncé à haute voix.

Les résistances à circuit imprimé sont souvent fabriquées à partir de métaux purs sous forme de films de pulvérisation. Le chrome, le tantale, le tungstène, les alliages sont largement utilisés, entre autres, le nichrome. Substances

qui ne conduisent pas de courant électrique Les diélectriques

se caractérisent par une résistivité impressionnante. Ce n'est pas un élément clé.Les matériaux diélectriques comprennent des matériaux capables de redistribuer la charge sous l'action d'un champ électrique. Il en résulte une accumulation qui est utilisée dans les condensateurs. Le degré de redistribution de la charge est caractérisé par la constante diélectrique. Le paramètre indique combien de fois la capacité du condensateur augmente, où un matériau spécifique est utilisé à la place de l'air. Les diélectriques individuels sont capables de conduire et d’émettre des oscillations sous l’action du courant alternatif. La ferroélectricité est connue en raison des changements de température.

Au cours du processus de modification de la direction du champ, des pertes se produisent. Tout comme la tension magnétique est partiellement convertie en chaleur lorsqu’elle est exposée à de l’acier doux. La perte diélectrique dépend principalement de la fréquence. Si nécessaire, des isolants non polaires sont utilisés comme matériaux dont les molécules sont symétriques, sans moment électrique prononcé.La polarisation se produit lorsque les charges sont fermement connectées au réseau cristallin. Types de polarisation:

1. La polarisation électronique se produit à la suite de la déformation des couches d'énergie extérieures des atomes. RéversibleCaractéristique des diélectriques non polaires dans n'importe quelle phase d'une substance. En raison du faible poids électronique, il se produit presque instantanément( unités de fs).
2. La polarisation ionique s'étend deux ordres de grandeur plus lentement et est caractéristique des substances à réseau cristallin ionique. En conséquence, les matériaux sont appliqués à des fréquences allant jusqu'à 10 GHz et ont une constante diélectrique élevée( jusqu'à 90 pour le dioxyde de titane).
3. La polarisation de relaxation dipolaire est beaucoup plus lente. Le temps d'exécution est en centièmes de seconde. La polarisation de relaxation dipolaire est caractéristique des gaz et des liquides et dépend respectivement de la viscosité( densité).L'effet de la température est tracé: l'effet forme un pic à une certaine valeur.
4. Une polarisation spontanée est observée dans les ferroélectriques.