Oporność

Oporność

jest właściwością materiału, który charakteryzuje jego zdolność do zapobiegania przepływowi prądu elektrycznego.

Charakterystyka materiałów elektrycznych

Główną cechą w elektrotechnice jest właściwa przewodność elektryczna, mierzona w cm / m. Służy jako współczynnik proporcjonalności między siłą natężenia pola a gęstością prądu. Często jest to oznaczane grecką literą gamma γ.Oporność jest uznawana za odwrotność przewodności elektrycznej. W rezultacie powyższy wzór staje się: gęstość prądu jest wprost proporcjonalna do natężenia pola i odwrotnie proporcjonalna do specyficznej rezystancji ośrodka. Jednostka staje się Om m.

Rozważana koncepcja dotyczy nie tylko nośników stałych. Na przykład prąd jest wykonywany przez ciekłe elektrolity i zjonizowane gazy. Dlatego w każdym przypadku dopuszczalne jest wprowadzenie pojęcia oporności, ponieważ ładunek elektryczny przechodzi przez medium. Trudno jest znaleźć wartości w książkach referencyjnych, na przykład dla łuku spawalniczego z prostego powodu - nie są wystarczająco zaangażowane w takie zadania. To nie jest roszczenie. Od czasu odkrycia przez Davy blasku platynowej płyty prądem elektrycznym, minęło sto lat zanim wprowadzono do wspólnego użytku świecące żarówki - z podobnego powodu znaczenie i znaczenie odkrycia nie zostały natychmiast rozpoznane.

W zależności od wartości rezystywności, materiały są podzielone: ​​

1. Dla przewodów - mniej niż 1/10000 Ohm m.
2. Dla dielektryków - ponad 100 milionów Ohm m.
3. Zgodnie z wartościami rezystancji właściwej, występują między dielektrykami i przewodnikami.

Wartości te charakteryzują wyłącznie zdolność ciała do opierania się przepływowi prądu elektrycznego i nie wpływają na inne aspekty( elastyczność, wytrzymałość cieplna).Na przykład materiałami magnetycznymi są przewodniki, dielektryki i półprzewodniki.

Jak kształtuje się przewodnictwo w materiale

We współczesnej fizyce oporność i przewodność są zwykle wyjaśniane przez teorię stref. Ma zastosowanie do stałych brył krystalicznych, których atomy siatki są unieruchomione. Zgodnie z tą koncepcją energia elektronów i innych rodzajów nośników ładunku jest określona przez ustalone zasady. W materiale występują trzy główne strefy:

• Strefa walencyjna zawiera elektrony związane z atomami. W tym regionie energię elektronów ocenia się stopniowo, a liczba poziomów jest ograniczona. Zewnętrzna warstwa warstw atomu.
• Zabroniona strefa. W tym obszarze przewoźnicy nie są uprawnieni. Służy jako granica pomiędzy dwoma pozostałymi strefami. Metale są często nieobecne.
• Wolna strefa znajduje się powyżej poprzednich dwóch. Tutaj elektrony uczestniczą swobodnie w tworzeniu prądu elektrycznego i dowolnej energii. Brak poziomów.

Dielektryki charakteryzują się najwyższym położeniem wolnej strefy. W warunkach naturalnych, jakie można sobie wyobrazić na Ziemi, materiały nie przewodzą prądu elektrycznego. Duża szerokość i pasmo przenoszenia. Metale mają masę wolnych elektronów. A pasmo walencyjne jest jednocześnie uważane za region przewodzenia - nie ma stanów zabronionych. W rezultacie materiały te mają niską rezystywność.

Na styku styków atomowych powstają pośrednie poziomy energii, pojawiają się niezwykłe efekty, wykorzystywane przez fizykę półprzewodników. Niejednorodności tworzone są celowo poprzez wprowadzanie zanieczyszczeń( akceptantów i dawców).W wyniku tego powstają nowe stany energetyczne, objawiające się w procesie przepływu prądu elektrycznego nowe właściwości, których nie posiadał materiał źródłowy.

Półprzewodniki mają niedozwoloną szerokość pasma. Pod działaniem sił zewnętrznych, elektrony są w stanie opuścić region walencyjny. Przyczyną jest napięcie elektryczne, ciepło, promieniowanie, inne rodzaje efektów. W dielektrykach i półprzewodnikach, gdy temperatura spada, elektrony przechodzą na niższe poziomy, w wyniku czego pasmo wartościowości jest wypełniane, a pasmo przewodzenia pozostaje wolne. Prąd elektryczny nie płynie. Zgodnie z teorią kwantową, klasa półprzewodników jest scharakteryzowana jako materiały o luce pasmowej mniejszej niż 3 eV.

Fermi Energy

Energia Fermiego zajmuje ważne miejsce w teorii przewodnictwa, wyjaśnia zjawiska zachodzące w półprzewodnikach. Subtelności dodają niejasne definicje tego terminu w literaturze. Literatura obcojęzyczna mówi, że poziom Fermiego jest pewną wartością w eV, a energia Fermiego jest różnicą między nią a najniższą w krysztale. Oto wybrane ogólne i zrozumiałe zdania:

1. Poziom Fermiego jest maksimum wszystkiego, co jest nieodłączne w elektronie w metalach w temperaturze 0 K. Dlatego energia Fermiego jest różnicą między tą wartością a minimalnym poziomem w punkcie zero.
2. Poziom energii Fermiego - prawdopodobieństwo znalezienia elektronów wynosi 50% dla wszystkich temperatur z wyjątkiem absolutnego zera.

Energia Fermiego jest określana wyłącznie dla temperatury 0 K, podczas gdy poziom istnieje we wszystkich warunkach. W termodynamice koncepcja opisuje pełny potencjał chemiczny wszystkich elektronów. Poziom Fermiego definiuje się jako pracę poświęconą dodaniu obiektu przez pojedynczy elektron. Parametr określa przewodność materiału, pomaga zrozumieć fizykę półprzewodników.

Poziom Fermiego niekoniecznie istnieje fizycznie. Zdarzają się przypadki, gdy miejsce przejścia znajdowało się w strefie zakazanej. Fizycznie poziom nie istnieje, nie ma tam elektronów. Jednak parametr jest zauważalny za pomocą woltomierza: różnica potencjałów między dwoma punktami obwodu( odczyty na wyświetlaczu) jest proporcjonalna do różnicy między poziomami Fermiego tych punktów i odwrotnie proporcjonalna do ładunku elektronu. Proste uzależnienie. Dopuszczalne jest łączenie tych parametrów z przewodnością i rezystywnością, przy użyciu prawa Ohma dla sekcji łańcucha.

Materiały o niskiej rezystancji właściwej

Przewodniki zawierają większość metali, grafitu i elektrolitów. Takie materiały mają niską rezystywność.W metalach dodatnio naładowane jony tworzą sieci krystaliczne otoczone chmurą elektronów. Są one zwykle nazywane powszechnymi dla wejścia do pasma przewodnictwa.

Chociaż nie jest w pełni zrozumiałe, czym jest elektron, zwykle określa się go jako cząstkę poruszającą się wewnątrz kryształu o prędkości cieplnej wynoszącej setki km / s. To znacznie więcej niż potrzeba do wystrzelenia statku kosmicznego na orbitę.Jednocześnie prędkość dryftu, która tworzy prąd elektryczny pod wpływem wektora intensywności, ledwie osiąga centymetr na minutę.Pole jest rozproszone w środowisku o prędkości światła( 100 000 km / s).

W wyniku tych zależności staje się możliwe wyrażanie przewodnictwa pod względem wielkości fizycznych( patrz rysunek):

• , np.
• Bezpłatne stężenie nośnika, n.
• Masa elektronowa, ja.
• Prędkość cieplna nośników,
• Średnia droga swobodna elektronów, l.

Poziom Fermiego dla metali mieści się w zakresie 3-15 eV, a stężenie wolnych nośników jest prawie niezależne od temperatury. Dlatego też właściwa konduktywność, a tym samym opór, jest określona przez strukturę sieci molekularnej i jej bliskość idealnego, wolnego od wad. Parametry określają długość swobodnej ścieżki elektronów, można je łatwo znaleźć w książkach odniesienia, jeśli konieczne jest wykonanie obliczeń( na przykład w celu określenia rezystancji właściwej).

Metale o sześciennej sieci mają najlepszą przewodność.Miedź jest również uwzględniona tutaj. Metale przejściowe charakteryzują się znacznie większą rezystywnością.Konduktywność zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury i przy wysokich częstotliwościach prądu przemiennego. W tym drugim przypadku obserwuje się efekt skóry. Zależność temperaturowa liniowa powyżej pewnej granicy, nazwana na cześć holenderskiego fizyka Petera Debye'a.

Oznaczone, a nie takie zależności liniowe. Na przykład obróbka cieplna stali zwiększa liczbę wad, co w naturalny sposób zmniejsza przewodność materiału. Wyjątkiem od reguły było wyżarzanie. Proces ten zmniejsza gęstość defektów, dzięki czemu spada rezystywność.Deformacja ma jasny efekt. W przypadku niektórych stopów obróbka skrawaniem powoduje wyraźny wzrost rezystywności.

Materiały o wysokiej rezystancji

Czasami wymagane jest specyficzne zwiększenie rezystywności. Podobna sytuacja występuje w przypadku urządzeń grzewczych i rezystorów obwodów elektronicznych. Następnie następuje zwrot stopów o wysokiej oporności właściwej( ponad 0,3 μm m).W przypadku stosowania jako część przyrządów pomiarowych przedstawiono wymagania dotyczące minimalnego potencjału na styku ze stykiem miedzianym.

Najbardziej znanym był nichrome. Często urządzenia grzewcze są zbudowane z taniego fehrle( kruche, ale tanie).W zależności od przeznaczenia w stopach zawarte są miedź, mangan i inne metale. To droga przyjemność.Na przykład, opornik manganina kosztuje 30 centów na Aliexpress, gdzie ceny są tradycyjnie niższe niż ceny w sklepie. Istnieje nawet stop palladu z irydem. Cena materiału nie powinna być głośno wymawiana.

Rezystory z obwodami drukowanymi są często wykonane z czystych metali w postaci filmów rozpyłowych. Chrom, tantal, wolfram, stopy są szeroko stosowane, między innymi, nichrom.

Substancje, które nie przewodzą prądu elektrycznego Dielektryki

charakteryzują się imponującą rezystywnością.To nie jest kluczowa funkcja. Materiały dielektryczne obejmują materiały zdolne do redystrybucji ładunku pod działaniem pola elektrycznego. W rezultacie następuje akumulacja, która jest wykorzystywana w kondensatorach. Stopień redystrybucji ładunku charakteryzuje się stałą dielektryczną.Parametr pokazuje ile razy wzrasta pojemność kondensatora, gdzie zamiast powietrza wykorzystywany jest określony materiał.Poszczególne dielektryki są w stanie przewodzić i emitować oscylacje pod działaniem prądu przemiennego. Ferroelektryczność jest znana ze względu na zmiany temperatury.

W procesie zmiany występują straty kierunku pola. Tak jak napięcie magnetyczne jest częściowo przekształcane w ciepło po wystawieniu na działanie miękkiej stali. Strata dielektryczna zależy głównie od częstotliwości. W razie potrzeby izolatory niepolarne są stosowane jako materiały, których cząsteczki są symetryczne, bez wyraźnego momentu elektrycznego. Polaryzacja występuje, gdy ładunki są mocno połączone z siecią krystaliczną.Rodzaje polaryzacji:

1. Polaryzacja elektronowa zachodzi w wyniku deformacji zewnętrznych powłok energetycznych atomów. Odwracalny. Charakterystyka niepolarnych dielektryków w dowolnej fazie substancji. Ze względu na niską masę elektronów zachodzi prawie natychmiast( jednostki fs).
2. Polaryzacja jonów rozszerza się o dwa rzędy wielkości wolniej i jest charakterystyczna dla substancji z jonową siatką krystaliczną.Odpowiednio, materiały nakłada się przy częstotliwościach do 10 GHz i mają dużą stałą dielektryczną( do 90 dla ditlenku tytanu).
3. Polaryzacja dipolowa jest znacznie wolniejsza. Czas wykonania to setne sekundy. Polaryzacja dipolowa jest charakterystyczna dla gazów i cieczy i zależy odpowiednio od lepkości( gęstości).Wyznaczany jest wpływ temperatury: efekt tworzy pik przy pewnej wartości.
4. Spontaniczna polaryzacja jest obserwowana w ferroelektrykach.