Kako se otpor provodnika mijenja s porastom temperature. Joule-Lenzov zakon u klasičnoj elektronskoj teoriji

Ovisnost otpora o temperaturi

Materijal sa Wikipedije - slobodne enciklopedije

Skoči na: navigacija, pretraga

Otpor R homogenog vodiča konstantnog poprečnog preseka zavisi od svojstava materijala vodiča, njegove dužine i preseka na sledeći način:

Gdje je ρ otpornost tvari provodnika, L je dužina provodnika, a S je površina poprečnog presjeka. Recipročna vrijednost otpora naziva se provodljivost. Ova količina je povezana s temperaturom Nernst-Einstein formulom:

T - temperatura provodnika;

D je koeficijent difuzije nosioca naboja;

Z je broj električnih naboja nosača;

e - elementarni električni naboj;

C - koncentracija nosioca naboja;

Boltzmannova konstanta.

Stoga je otpor provodnika povezan s temperaturom na sljedeći način:

Otpor može zavisiti i od parametara S i I jer poprečni presjek i dužina provodnika također zavise od temperature.

2) Idealan gas - matematički model gas, u kojem se pretpostavlja da: 1) potencijalna energija interakcije molekula može biti zanemarena u poređenju sa njihovom kinetičkom energijom; 2) ukupna zapremina molekula gasa je zanemarljiva; 3) između molekula ne postoje sile privlačenja ili odbijanja, sudari čestica međusobno i sa zidovima posude su apsolutno elastični; 4) vrijeme interakcije između molekula je zanemarljivo u poređenju sa prosječnim vremenom između sudara. U proširenom modelu idealan gasčestice od kojih se sastoji su u obliku elastičnih sfera ili elipsoida, što omogućava da se uzme u obzir energija ne samo translacionog, već i rotacijsko-vibracionog kretanja, kao i ne samo centralnog, već i necentralnog sudari čestica.

Pritisak plina:

Plin uvijek ispunjava zapreminu ograničenu zidovima koji su za njega neprobojni. Na primjer, plinski cilindar ili komora auto guma skoro ravnomerno ispunjen gasom.

Pokušavajući da se proširi, plin vrši pritisak na stijenke cilindra, cijevi guma ili bilo koje drugo tijelo, čvrsto ili tekuće, s kojim dolazi u kontakt. Ako ne uzmemo u obzir djelovanje Zemljinog gravitacijskog polja, koje sa uobičajenim veličinama posuda samo neznatno mijenja tlak, onda kada je tlak plina u posudi u ravnoteži, čini nam se da je potpuno ujednačen. Ova primjedba se odnosi na makrokosmos. Ako zamislimo šta se dešava u mikrokosmosu molekula koji čine gas u posudi, onda ne može biti govora ni o kakvoj ravnomernoj raspodeli pritiska. Na nekim mjestima na površini zida molekuli plina udaraju o zidove, dok na drugim mjestima nema udara. Ova se slika stalno mijenja na haotičan način. Molekuli plina udaraju u zidove posuda, a zatim odlete brzinom od skoro jednaka brzina molekula prije udara.

Idealan gas. Da bi se objasnile osobine materije u gasovitom stanju, koristi se model idealnog gasa. Model idealnog plina pretpostavlja sljedeće: molekuli imaju zanemarljivo mali volumen u odnosu na zapreminu posude, između molekula nema privlačnih sila, a kada se molekuli sudaraju jedni s drugima i sa zidovima posude, djeluju sile odbijanja.

Problem za kartu br. 16

1) Rad je jednak snaga * vrijeme = (napon na kvadrat) / otpor * vrijeme

Otpor = 220 volti * 220 volti * 600 sekundi / 66000 džula = 440 oma

1. Naizmjenična struja. Efektivna vrijednost struje i napona.

2. Fotoelektrični efekat. Zakoni fotoelektričnog efekta. Ajnštajnova jednačina.

3. Odrediti brzinu crvene svjetlosti = 671 nm u staklu s indeksom prelamanja 1,64.

Odgovori na ulaznicu br. 17

Naizmjenična struja je električna struja koja se mijenja u veličini i smjeru tijekom vremena ili, u određenom slučaju, mijenja veličinu dok zadržava svoj smjer u električnom kolu nepromijenjenim.

Efektivna (efektivna) vrijednost naizmjenične struje je veličina jednosmjerne struje, čije će djelovanje proizvesti isti rad (toplinski ili elektrodinamički efekat) kao onaj koji se razmatra. AC tokom jednog perioda. IN moderna književnostČešće se koristi matematička definicija ove vrijednosti - srednja kvadratna vrijednost naizmjenične struje.

Drugim riječima, efektivna vrijednost struje može se odrediti formulom:

Za harmonijske vibracije struja Na sličan način se određuju efektivne vrijednosti EMF i napona.

Fotoelektrični efekat, fotoelektrični efekat - emisija elektrona od strane supstance pod uticajem svetlosti (ili bilo koje druge elektromagnetno zračenje). U kondenzovanim (čvrstim i tečnim) materijama postoji spoljašnji i unutrašnji fotoelektrični efekat.

Stoletovljevi zakoni za fotoelektrični efekat:

Formulacija 1. zakona fotoelektričnog efekta: Jačina fotostruje je direktno proporcionalna gustini svjetlosnog toka.

Prema 2. zakonu fotoelektričnog efekta, maksimalna kinetička energija elektrona izbačenih svjetlošću raste linearno s frekvencijom svjetlosti i ne zavisi od njenog intenziteta.

3. zakon fotoelektričnog efekta: za svaku supstancu postoji crvena granica fotoelektričnog efekta, odnosno minimalna frekvencija svjetlosti (ili maksimalna valna dužina λ0) na kojoj je fotoelektrični efekat još uvijek moguć, a ako fotoelektrični efekat više nije javlja. Teorijsko objašnjenje ovih zakona dao je 1905. Ajnštajn. Prema njemu, elektromagnetno zračenje je tok pojedinačnih kvanta (fotona) sa energijom hν svaki, gdje je h Planckova konstanta. Sa fotoelektričnim efektom, dio upadnog elektromagnetnog zračenja se odbija od metalne površine, a dio prodire u površinski sloj metala i tamo se apsorbira. Nakon što je apsorbirao foton, elektron prima energiju od njega i, obavljajući radnu funkciju φ, napušta metal: maksimalnu kinetičku energiju koju elektron ima kada napušta metal.

Zakoni eksterni fotoelektrični efekat

Stoletovljev zakon: sa konstantnim spektralnim sastavom elektromagnetnog zračenja koje upada na fotokatodu, fotostruja zasićenja je proporcionalna energetskom osvjetljenju katode (drugim riječima: broj fotoelektrona koji su izbačeni iz katode za 1 s je direktno proporcionalan intenzitet zračenja):

I maksimum početna brzina fotoelektrona ne zavisi od intenziteta upadne svetlosti, već je određena samo njenom frekvencijom.

Za svaku tvar postoji crvena granica fotoelektričnog efekta, odnosno minimalna frekvencija svjetlosti (ovisno o kemijskoj prirodi tvari i stanju površine), ispod koje je fotoelektrični efekat nemoguć.

Einsteinove jednadžbe (koje se ponekad nazivaju i "Einstein-Hilbertove jednadžbe") - jednadžbe gravitacionog polja u opšta teorija relativnosti, povezujući metriku zakrivljenog prostor-vremena sa svojstvima materije koja ga ispunjava. Termin se takođe koristi u jednina: „Ajnštajnova jednačina“, pošto je u tenzorskoj notaciji ovo jedna jednačina, iako je u komponentama sistem parcijalnih diferencijalnih jednačina.

Jednačine izgledaju ovako:

Gdje je Ricci tenzor, dobijen iz prostorno-vremenskog tenzora zakrivljenosti konvolviranjem preko para indeksa, R je skalarna zakrivljenost, odnosno uvijeni Ricci tenzor, metrički tenzor, o

kosmološku konstantu, i predstavlja tenzor energije-momenta materije, (π je broj pi, c je brzina svjetlosti u vakuumu, G je Newtonova gravitacijska konstanta).

Problem za kartu br. 17

k = 10 * 10 in 4 = 10 in 5 n/m = 100000 n/m

F=k*delta L

delta L = mg/k

odgovor 2 cm

1. Mendeljejev-Klapejronova jednačina. Termodinamička temperaturna skala. Apsolutna nula.

2. Električna struja u metalima. Osnovni principi elektronske teorije metala.

3. Koju brzinu postiže raketa za 1 minut krećući se iz mirovanja ubrzanjem od 60 m/s2?

Odgovori na ulaznicu br. 18

1) Jednačina stanja idealnog plina (ponekad Clapeyronova jednačina ili Mendeleev-Clapeyronova jednačina) je formula koja uspostavlja odnos između tlaka, molarne zapremine i apsolutne temperature idealnog plina. Jednačina izgleda ovako:

P-pritisak

Vm- molarni volumen

R - univerzalna plinska konstanta

T - apsolutna temperatura, K.

Ovaj oblik zapisa naziva se Mendeljejev-Klapejronova jednačina (zakon).

Jednačina koju je izveo Clapeyron sadržavala je određenu ne-univerzalnu plinsku konstantu r, čija se vrijednost morala mjeriti za svaki plin:

Mendeljejev je otkrio da je r direktno proporcionalno u, nazvao je koeficijent proporcionalnosti R univerzalnom plinskom konstantom.

TERMODINAMIČKA TEMPERATURNA skala (Kelvinova skala) je apsolutna temperaturna skala koja ne zavisi od svojstava termometričke supstance (referentna tačka je apsolutna nula temperatura). Konstrukcija termodinamičke temperaturne skale zasniva se na drugom zakonu termodinamike i, posebno, na nezavisnosti efikasnosti Carnotovog ciklusa od prirode radnog fluida. Jedinica termodinamičke temperature, kelvin (K), definisana je kao 1/273,16 termodinamičke temperature trostruke tačke vode.

Temperatura apsolutne nule (rjeđe - temperatura apsolutne nule) - minimalna granica temperature koja može biti fizičko tijelo u Univerzumu. Apsolutna nula služi kao ishodište apsolutne temperaturne skale, kao što je Kelvinova skala. 1954. godine X Generalna konferencija za utege i mjere uspostavila je termodinamičku temperaturnu skalu s jednom referentnom tačkom - trostrukom tačkom vode, čija je temperatura uzeta kao 273,16 K (tačno), što odgovara 0,01 °C, tako da na Celzijusovoj skali temperatura odgovara apsolutnoj nuli -273,15 °C.

Električna struja je usmjereno (uređeno) kretanje nabijenih čestica. Takve čestice mogu biti: u metalima - elektroni, u elektrolitima - joni (katjoni i anjoni), u gasovima - joni i elektroni, u vakuumu pod određenim uslovima - elektroni, u poluprovodnicima - elektroni i rupe (provodljivost elektron-rupa). Ponekad se električna struja naziva i struja pomaka koja je rezultat promjene vremena električno polje.

Električna struja ima sljedeće manifestacije:

zagrijavanje provodnika (u supravodnicima se toplina ne oslobađa);

promijeniti hemijski sastav provodnici (uglavnom u elektrolitima);

Stvaranje magnetno polje(pojavljuje se u svim provodnicima bez izuzetka)

Teorije kiselina i baza su skup osnovnih fizičkih i hemijskih koncepata koji opisuju prirodu i svojstva kiselina i baza. Svi oni uvode definicije kiselina i baza - dvije klase tvari koje međusobno reagiraju. Zadatak teorije je da predvidi produkte reakcije između kiseline i baze i mogućnost njenog nastanka, za šta se koriste kvantitativne karakteristike jačine kiseline i baze. Razlike između teorija leže u definicijama kiselina i baza, karakteristikama njihove jačine i, kao posljedicu, u pravilima za predviđanje produkta reakcije između njih. Svi oni imaju svoje područje primjene, koje se djelomično preklapaju.

Osnovni principi elektronske teorije interakcija metala su izuzetno česti u prirodi i široko se koriste u naučnim i proizvodna praksa. Teorijske ideje o kiselinama i bazama imaju važno u formiranju svih konceptualnih sistema hemije i imaju raznolik uticaj na razvoj mnogih teorijskih koncepata u svim važnijim hemijskim disciplinama. Na osnovu moderna teorija kiseline i baze, razvijene su grane hemijskih nauka kao što su hemija vodenih i nevodenih rastvora elektrolita, pH-metrija u nevodenim medijima, homo- i heterogena kiselo-bazna kataliza, teorija kiselinskih funkcija i mnoge druge. .

Problem za kartu br. 18

v=at=60m/s2*60s=3600m/s

Odgovor: 3600m/s

1. Struja u vakuumu. Katodna cijev.

2. Plankova kvantna hipoteza. Kvantna priroda svjetlosti.

3. Krutost čelične žice je 10000 N/m. Koliko će se kabel izdužiti ako se na njega okači teret težine 20 kg?

Odgovori na ulaznicu br. 19

1) Za dobijanje električne struje u vakuumu neophodno je prisustvo slobodnih nosača. Mogu se dobiti emisijom elektrona metala - elektronska emisija (od latinskog emissio - oslobađanje).

Kao što je poznato, na uobičajenim temperaturama elektroni se zadržavaju unutar metala, uprkos činjenici da prolaze kroz termičko kretanje. Posljedično, blizu površine postoje sile koje djeluju na elektrone i usmjerene su u metal. To su sile koje proizlaze iz privlačenja između elektrona i pozitivnih iona u kristalnoj rešetki. Kao rezultat toga, u površinskom sloju se pojavljuje metal električno polje, a potencijal pri prelasku iz vanjskog prostora u metal raste za određenu količinu Dj. Odnosno potencijalna energija elektron se smanjuje za eDj.

Kineskop je uređaj katodnog zračenja koji pretvara električne signale u svjetlo. Široko korišteni u televizorima do 1990-ih, televizori bazirani isključivo na kineskopu. Naziv uređaja odražava riječ "kinetika", koja se povezuje sa pokretnim figurama na ekranu.

Glavni dijelovi:

elektronski top, dizajnirani da formiraju elektronski snop, u kolor slikovnim cijevima i višesnopnim oscilografskim cijevima kombinirani su u elektronsko-optički reflektor;

ekran prekriven fosforom - supstancom koja svijetli kada je udari snop elektrona;

sistem otklona kontroliše snop na način da formira potrebnu sliku.

2) Plankova hipoteza - hipoteza koju je 14. decembra 1900. izneo Maks Plank i koja kaže da se tokom toplotnog zračenja energija emituje i apsorbuje ne neprekidno, već u zasebnim kvantima (porcijama). Svaki takav kvantni dio ima energiju E, proporcionalnu frekvenciji ν zračenja:

gdje je h ili koeficijent proporcionalnosti, kasnije nazvan Planckova konstanta. Na osnovu ove hipoteze, on je predložio teorijski zaključak odnos između temperature tijela i zračenja koje emituje ovo tijelo - Planckova formula.

Planckova hipoteza je kasnije eksperimentalno potvrđena.

Formulacija ove hipoteze smatra se trenutkom rođenja kvantne mehanike.

Kvantna priroda svjetlosti je elementarna čestica, kvant elektromagnetnog zračenja (u užem smislu - svjetlost). To je čestica bez mase, sposobna da postoji u vakuumu samo kretanjem brzinom svjetlosti. Električno punjenje foton je takođe nula. Foton može biti samo u dva spinska stanja sa projekcijom spina na smjer kretanja (helicity) ±1. U fizici se fotoni simboliziraju slovom γ.

Klasična elektrodinamika opisuje foton kao elektromagnetni talas sa kružnom desnom ili lijevom polarizacijom. Sa stanovišta klasične kvantne mehanike, foton kao kvantna čestica karakteriše dualnost talasa i čestice, istovremeno ispoljava svojstva čestice i talasa.

Problem za kartu br. 19

F=k*delta L

delta L = mg/k

delta L = 20kg*10000n/kg / 100000n/m = 2 cm

odgovor 2 cm

1. Električna struja u poluvodičima. Intrinzična provodljivost poluvodiča na primjeru silicija.

2. Zakoni refleksije i prelamanja svjetlosti.

3. Koliki rad obavlja električno polje da pomjeri 5x10 18 elektrona u dijelu kola sa potencijalnom razlikom od 20 V.

Odgovori na ulaznicu br. 20

Električna struja u poluvodičima je materijal koji po svojoj specifičnoj vodljivosti zauzima srednju poziciju između vodiča i dielektrika i razlikuje se od provodnika po jakoj zavisnosti specifične provodljivosti o koncentraciji nečistoća, temperaturi i izloženosti. razne vrste zračenje. Glavno svojstvo poluprovodnika je povećanje električna provodljivost sa porastom temperature.

Poluprovodnici su supstance čiji je pojas u opsegu veličine nekoliko elektron volti (eV). Na primjer, dijamant se može klasificirati kao poluvodič širokog razmaka, a indijum arsenid se može klasificirati kao poluvodič uskog razmaka. Poluprovodnici uključuju mnoge hemijski elementi(germanijum, silicijum, selen, telur, arsen i drugi), ogromna količina legure i hemijska jedinjenja(galijum arsenid, itd.). Skoro sve neorganske supstance svijet oko nas - poluprovodnici. Najčešći poluprovodnik u prirodi je silicijum, koji čini skoro 30% zemljine kore.

U metalima koji ne poseduju supravodljivost, na niskim temperaturama, zbog prisustva nečistoća, uočava se oblast 1 – područje zaostalog otpora, gotovo nezavisno od temperature (slika 10.5). Preostali otpor- r ost što manje, to je metal čistiji.

Rice. 10.5. Ovisnost otpornosti metala o temperaturi

Brzo povećanje otpornosti na niskim temperaturama do Debye temperature Q dmože se objasniti pobuđivanjem novih frekvencija termičkih vibracija rešetke, pri čemu dolazi do raspršivanja nosilaca naboja - područje 2 .

At T>P d, kada je oscilacijski spektar potpuno pobuđen, povećanje amplitude oscilacije s povećanjem temperature dovodi do linearnog povećanja otpora na približno T pl - region 3 . Kada se naruši periodičnost strukture, elektron doživljava raspršivanje, što dovodi do promjene smjera kretanja, konačnih srednjih slobodnih putanja i provodljivosti metala. Energija provodnih elektrona u metalima je 3–15 eV, što odgovara talasnim dužinama od 3–7 Å. Stoga, svako kršenje periodičnosti uzrokovano nečistoćama, defektima, kristalnom površinom ili termičkim vibracijama atoma (fonona) uzrokuje povećanje otpornosti metala.

Hajde da izvedemo kvalitativna analiza temperaturne zavisnosti otpornosti metala. Elektronski gas u metalima je degenerisan i glavni mehanizam rasejanja elektrona u oblasti visokih temperatura je rasejanje fononima.

AtKako temperatura pada na apsolutnu nulu, otpor normalnih metala teži konstantnoj vrijednosti- rezidualni otpor. Izuzetak od ovog pravila su supravodljivi metali i legure, kod kojih otpor nestaje ispod određene kritične temperature T sv (temperatura prijelaza u supravodljivo stanje).

Sa povećanjem temperature, odstupanje otpornosti od linearne zavisnosti za većinu metala se javlja blizu tačke topljenja T pl. Određeno odstupanje od linearne ovisnosti može se uočiti kod feromagnetnih metala, kod kojih dolazi do dodatnog raspršenja elektrona zbog kršenja spinskog reda.

Kada se postigne temperatura topljenja i dođe do prijelaza u tečno stanje, većina metala doživljava nagli porast otpornosti, a neki ga smanjuju. Ako je topljenje metala ili legure praćeno povećanjem volumena, tada se otpornost povećava za dva do četiri puta (na primjer, za živu za 4 puta).

Kod metala čija se zapremina smanjuje tokom taljenja, naprotiv, dolazi do smanjenja otpornosti (za galijum za 53%, za antimon -29% i za bizmut -54%). Ovakva anomalija se može objasniti povećanjem gustine i modula stišljivosti tokom prelaska ovih metala iz čvrstog u tečno stanje. Za neke rastopljene (tečne) metale, otpornost prestaje da raste sa povećanjem temperature pri konstantnoj zapremini, kod drugih raste sporije nego u čvrstom stanju. Takve se anomalije, očigledno, mogu povezati sa fenomenima nereda rešetke, koji se različito javljaju u različitim metalima tokom njihovog prelaska iz jednog agregacionog stanja u drugo.

Važna karakteristika metala je temperaturni koeficijent električna otpornost pokazuje relativnu promjenu otpornosti s promjenom temperature od jednog Kelvina (stepen)

a r - pozitivan kada otpor raste s porastom temperature. Očigledno je da vrijednost a r je također funkcija temperature. U području 3 linearne zavisnosti r( T) (vidi sliku 10.3) vrijedi sljedeća relacija:

gdje je r 0 i a r - otpornost i temperaturni koeficijent otpornosti na temperaturiT 0 , i r - otpornost na temperaturiT. Eksperimentalni podaci pokazuju da za većinu metala a r na sobnoj temperaturi približno 0,004 TO-1 .Za feromagnetne metale vrijednost a r je nešto veće.

Preostala otpornost metala . Kao što je gore spomenuto, otpor normalnih metala teži konstantnoj vrijednosti - rezidualnom otporu, kako temperatura pada na apsolutnu nulu. U normalnim metalima (ne supravodnicima), rezidualni otpor nastaje zbog raspršivanja elektrona provodljivosti statičkim defektima

Opća čistoća i savršenstvo metalnog vodiča može se odrediti omjerom otpora r = R 273 /R 4,2 K. Za bakar standardne čistoće 99,999, ovaj omjer je 1000. B veći vrijednosti r može se postići dodatnim zonskim pretapanjem i pripremom uzoraka u obliku monokristala.

Opsežan eksperimentalni materijal sadrži brojne podatke o mjerenju otpornosti metala uzrokovanih prisustvom nečistoća u njima. Mogu se uočiti sljedeće najkarakterističnije promjene metala uzrokovane legiranjem. Prvo, osim fononskih perturbacija, nečistoća je lokalno narušavanje idealnosti rešetke, savršeno u svim drugim aspektima. Drugo, doping utiče na strukturu pojasa pomeranjem Fermijeve energije i promenom gustine stanja i efektivne mase, tj. parametri koji djelimično određuju idealnu otpornost metala. Treće, doping može promijeniti elastične konstante i, shodno tome, vibracioni spektar rešetke, utječući na idealni otpor.

Ukupna otpornost provodnika na temperaturama iznad 0K sastoji se od preostalog otpora r ost i otpornost zbog raspršenja toplinskim vibracijama rešetke - r T

Ovaj odnos je poznat kao Matthiessenovo pravilo aditivnosti otpornosti. Često se, međutim, uočavaju značajna odstupanja od Matthiessenovog pravila, a neka od ovih odstupanja možda ne idu u prilog primenljivosti glavnih faktora koji utiču na otpornost metala kada se u njih unesu nečistoće. Međutim, drugi i treći faktor navedeni na početku ovog odjeljka također daju značajan doprinos. Ali ipak, prvi faktor ima jači učinak na otpornost razrijeđenih čvrstih otopina.

Promjena preostalog otpora za 1 at. % nečistoće za jednovalentne metale može se pronaći pomoću Lindeovog pravila, prema kojem

Gdje a I b- konstante u zavisnosti od prirode metala i perioda koji zauzima u Periodni sistem elementi nečistoće atom;Δ Ζ - razlika između valencija metala otapala i atoma nečistoće. Proračuni otpora zbog slobodnih mjesta i međuprostornih atoma su od značajnog praktičnog interesa. Takvi defekti lako nastaju kada se uzorak ozrači česticama. visoke energije, na primjer, neutroni iz reaktora ili joni iz akceleratora.

Jedna od karakteristika svakog električno provodljivog materijala je ovisnost otpora o temperaturi. Ako ga prikažete u obliku grafikona gdje su vremenski intervali (t) označeni na horizontalnoj osi, a vrijednost omskog otpora (R) označena na vertikalnoj osi, dobit ćete isprekidanu liniju. Ovisnost otpora o temperaturi shematski se sastoji od tri dijela. Prvi odgovara laganom zagrijavanju - u ovom trenutku otpor se vrlo malo mijenja. To se događa do određene točke, nakon čega linija na grafikonu naglo ide gore - ovo je drugi odjeljak. Treća i posljednja komponenta je prava linija koja se proteže prema gore od tačke u kojoj je rast R stao, pod relativno malim uglom u odnosu na horizontalnu os.

Fizičko značenje Ovaj grafikon je sljedeći: ovisnost otpora o temperaturi provodnika opisuje se na jednostavan način sve dok vrijednost grijanja ne pređe određenu vrijednost karakterističnu za dati materijal. Dajemo apstraktan primjer: ako je na temperaturi od +10 ° C otpor tvari 10 Ohma, tada se do 40 ° C vrijednost R praktički ne mijenja, ostajući unutar greške mjerenja. Ali već na 41°C doći će do skoka otpora na 70 Ohma. Ako se daljnji porast temperature ne zaustavi, tada će za svaki sljedeći stupanj biti dodatnih 5 Ohma.

Ovo svojstvo ima široku primenu u raznim električnim uređajima, pa je prirodno dati podatke o bakru kao jednom od najčešćih materijala u Tako, za bakarni provodnik, zagrevanje za svaki dodatni stepen dovodi do povećanja otpora za pola procenta od specifična vrijednost (može se naći u referentnim tabelama, datim za 20°C, dužine 1 m sa poprečnim presjekom od 1 sq. mm).

Kada se električna struja pojavi u metalnom vodiču - usmjereno kretanje elementarne čestice, ima naplatu. Joni koji se nalaze u metalnim čvorovima nisu u stanju dugo zadržati elektrone u svojim vanjskim orbitama, pa se slobodno kreću po cijelom volumenu materijala od jednog čvora do drugog. Ovo haotično kretanje uzrokovano je vanjskom energijom - toplinom.

Iako je činjenica kretanja očigledna, ono nije usmjereno, pa se stoga ne smatra strujom. Kada se pojavi električno polje, elektroni su orijentirani u skladu sa svojom konfiguracijom, formirajući usmjereno kretanje. Ali budući da toplinski efekat nije nigdje nestao, haotično pokretne čestice sudaraju se s usmjerenim poljima. Ovisnost otpora metala o temperaturi pokazuje količinu smetnji pri prolasku struje. Što je temperatura viša, veći je R provodnika.

Očigledan zaključak: smanjenjem stepena zagrijavanja, možete smanjiti otpor. (oko 20°K) precizno karakteriše značajno smanjenje termičkog haotičnog kretanja čestica u strukturi supstance.

Ovo svojstvo provodljivih materijala našlo je široku primjenu u elektrotehnici. Na primjer, ovisnost otpora vodiča o temperaturi koristi se u elektroničkim senzorima. Znajući njegovu vrijednost za bilo koji materijal, možete napraviti termistor, spojiti ga na digitalni ili analogni uređaj za očitavanje, izvršiti odgovarajuću kalibraciju skale i koristiti ga kao alternativu Većina modernih temperaturnih senzora zasnovana je upravo na ovom principu, jer je pouzdanost viši i dizajn je jednostavniji.

Osim toga, ovisnost otpora o temperaturi omogućava izračunavanje zagrijavanja namotaja elektromotora.

Specifični otpor, a samim tim i otpor metala, zavisi od temperature, povećavajući se sa temperaturom. Zavisnost od temperature otpor provodnika se objašnjava činjenicom da

1. intenzitet disperzije (broj sudara) nosilaca naboja raste sa porastom temperature;

2. Njihova koncentracija se mijenja kada se provodnik zagrije.

Iskustvo pokazuje da se pri temperaturama koje nisu previsoke i ne preniske, ovisnosti otpora i otpora provodnika od temperature izražavaju formulama:

Gdje ρ 0 , ρ t - otpornost supstance provodnika, respektivno, na 0 °C i t°C; R 0 , R t - otpor provodnika na 0 °C i t°S, α - temperaturni koeficijent otpora: mjeri se u SI u Kelvinima minus prva snaga (K -1). Za metalne provodnike, ove formule su primjenjive počevši od temperatura od 140 K i više.

Temperaturni koeficijent Otpor tvari karakterizira ovisnost promjene otpora pri zagrijavanju o vrsti tvari. Numerički je jednak relativnoj promjeni otpora (otpornosti) vodiča kada se zagrije za 1 K.

hαi=1⋅ΔρρΔT,

gdje je hαi srednja vrijednost temperaturnog koeficijenta otpora u intervalu Δ Τ .

Za sve metalne provodnike α > 0 i neznatno varira s temperaturom. Za čiste metale α = 1/273 K -1. U metalima, koncentracija slobodnih nosilaca naboja (elektrona) n= konst i povećanje ρ nastaje zbog povećanja intenziteta raspršenja slobodnih elektrona na jonima kristalne rešetke.

Za otopine elektrolita α < 0, например, для 10%-ного раствора поваренной соли α = -0,02 K -1 . Otpor elektrolita opada sa porastom temperature, jer povećanje broja slobodnih jona zbog disocijacije molekula premašuje povećanje disperzije jona tokom sudara sa molekulima rastvarača.

Formule zavisnosti ρ I R o temperaturi za elektrolite su slične gore navedenim formulama za metalne provodnike. Treba napomenuti da je ova linearna zavisnost očuvana samo u malom temperaturnom rasponu, u kojem α = konst. Pri velikim temperaturnim rasponima, ovisnost otpora elektrolita o temperaturi postaje nelinearna.

Grafički, ovisnosti otpora metalnih provodnika i elektrolita od temperature prikazane su na slikama 1, a, b.

Na vrlo niskim temperaturama, blizu apsolutne nule (-273 °C), otpor mnogih metala naglo pada na nulu. Ovaj fenomen se zove superprovodljivost. Metal prelazi u supravodljivo stanje.

Ovisnost otpora metala o temperaturi koristi se u otpornim termometrima. Obično se platinasta žica koristi kao termometrijsko tijelo takvog termometra, ovisnost čijeg otpora o temperaturi je dovoljno proučena.

Promjene temperature se ocjenjuju promjenama otpora žice, koje se mogu mjeriti. Takvi termometri vam omogućavaju da mjerite vrlo nisko i vrlo visoke temperature kada konvencionalni termometri za tečnost nisu prikladni.

Fenomen supravodljivosti

SUPERVODLJIVOST- fenomen da množina. chem. elemenata, jedinjenja, legura (zvanih supraprovodnici) kada se ohlade ispod definicije. (karakteristična za ovaj materijal) temperatura T s dolazi do prelaska iz normalnog u tzv. supravodljivom stanju, u kojem su njihova elektric DC otpor struja je potpuno odsutna. Tokom ove tranzicije, strukturne i optičke (na području vidljivo svetlo) svojstva superprovodnika ostaju praktički nepromijenjena. Električni i mag. Svojstva tvari u supravodljivom stanju (fazi) oštro se razlikuju od istih svojstava u normalnom stanju (gdje su to po pravilu metali) ili od svojstava drugih materijala koji se na istoj temperaturi ne pretvaraju u supravodljivom stanju.

Fenomen žive otkrio je G. Kamerlingh-Onnes (N. Kamerlingh-Onnes, 1911) proučavajući ponašanje otpora žive na niskim temperaturama. Otkrio je da kada se živina žica ohladi ispod 4 K, njen otpor naglo postaje nula. Normalno stanje se može vratiti propuštanjem dovoljno jake struje kroz uzorak [preko kritična struja I C (T)] ili postavljanjem u dovoljno jako vanjsko okruženje. mag. polje [premašuje kritično magnetsko polje H C (T)].

Godine 1933., F. W. Meissner i R. Ochsenfeld otkrili su još jedno važno svojstvo karakteristično za supravodnike (vidi Meissnerov efekat:)ext. mag. polje manje od određenog kritičnog vrijednost (ovisno o vrsti tvari), ne prodire duboko u supravodič, koji ima oblik beskonačnog čvrstog cilindra, čija je os usmjerena duž polja, a razlikuje se od nule samo u tankom površinskom sloju. Ovo otkriće je omogućilo F. i G. Londonu (F. London, H. London, 1935) da formulišu fenomenološke. teorija koja opisuje magnetostatiku supravodiča (vidi. Londonska jednadžba), međutim, priroda S. je ostala nejasna.

Otkriće superfluidnosti 1938. i objašnjenje ovog fenomena od strane L. D. Landaua na osnovu kriterijuma koji je on formulisao (vidi Landauovu teoriju superfluidnosti) za sisteme Bose čestica dalo je razloga za pretpostavku da se S. može tumačiti kao superfluidnost elektronska tečnost, međutim, Fermijeva priroda elektrona i Kulonova odbojnost između njih nisu omogućili jednostavno prenošenje teorije superfluidnosti na S 2. reda (vidi Landauovu teoriju), formulisao je fenomenološku teoriju. jednadžbe koje opisuju termodinamiku i el-magn. svojstva superprovodnika blizu kritičnih. temperature T s. Konstrukcija mikroskopa teorije (vidi dolje) potkrijepile su Ginzburg-Landau teoriju i razjasnile one koje su uključene u fenomenološke. nivoi su konstantni. Otkrivanje zavisnosti je kritično. temperature T s prelazak u supravodljivo stanje metala iz njegovog izotopskog sastava (izotopski efekat, 1950.) ukazuje na uticaj kristala. rešetke na C. Ovo je omogućilo H. Frohlichu i J. Bardeenu da pokažu mogućnost pojave između elektrona u prisustvu kristalnih čestica. rešetke specifične privlačnosti, koje mogu prevladati nad njihovim Kulonovom odbijanjem, a potom i L. Cooper (L. Cooper, 1956) - mogućnost formiranja vezanih stanja elektrona - Cooperovi parovi (Cooper efekt).

Godine 1957., J. Bardeen, L. Cooper i J. Schrieffer formulirali su mikroskop. S.-ova teorija je objasnila ovaj fenomen na osnovu Bose kondenzacije Cooperovih parova elektrona, a također je omogućila da se mnoge opiše u okviru jednostavnog modela (vidi Bardeen-Cooper-Schrieffer model, BCS model). svojstva superprovodnika.

Praktično upotreba superprovodnika je bila ograničena na niske kritične vrijednosti. polja (~1 kOe) i temperatura (~20 K). Godine 1952. A. A. Abrikosov i N. N. Zavaritsky, na osnovu analize eksperimenata. kritične podatke mag. polja tankih supravodljivih filmova ukazala su na mogućnost postojanja nove klase supravodnika (L.V. Shubnikov se susreo sa njihovim neuobičajenim magnetnim svojstvima još 1937. godine; jedna od najvažnijih razlika od konvencionalnih supravodnika je mogućnost da supravodljiva struja teče s nepotpunim pomakom magnetnog polja iz zapremine supravodnika u široki raspon magnetnih polja). Ovo otkriće je naknadno odredilo podjelu supravodnika na supravodiče prvog tipa i supravodnike drugog tipa. Upotreba supravodnika 2. tipa naknadno je omogućila stvaranje supravodljivih sistema visoke kritičnosti. polja (reda stotina kOe).

Potraga za supravodičima visoke kritičnosti. Temp-rami je potaknuo istraživanje novih vrsta materijala. Mnogi su proučavani. sintetizovane su klase supravodljivih sistema, organskih supraprovodnika i magnetnih supraprovodnika, ali do 1986. godine max. kritičan temp-pa je uočena za leguru Nb 3 Ge ( T s 23 K). Godine 1986, J. G. Bednorz i K. A. Muller otkrili su nova klasa metal-oksidni visokotemperaturni superprovodnici (HTSC) (vidi Oksidni visokotemperaturni superprovodnici), kritični. čija je temperatura u naredne dve godine „podignuta“ sa 30-35 K na 120-125 K. Ovi supraprovodnici se intenzivno proučavaju, traže se novi, unapređuje tehnologija. svojstva postojećih, na osnovu kojih se već kreiraju određeni uređaji.

Važno dostignuće u oblasti S. bilo je otkriće 1962. godine Josephsonov efekat tuneliranje Cooperovih parova između dva supraprovodnika kroz tanki dielektrik. međusloj. Ovaj fenomen je bio osnova novo područje primjene superprovodnika (vidi Slaba supravodljivost, krioelektronski uređaji).

Priroda superprovodljivost. Fenomen elektrona uzrokovan je pojavom korelacije između elektrona, uslijed čega oni formiraju Cooperove parove koji se povinuju Bose statistici, a elektronska tekućina poprima svojstvo superfluidnosti. U fononskom modelu elektrona, uparivanje elektrona nastaje kao rezultat specifičnog fenomena povezanog s prisustvom kristalnih čestica. fononske privlačne rešetke. Čak i sa trbušnjacima. Na nultoj temperaturi rešetka oscilira (vidi. Nulta oscilacija, dinamika kristalne rešetke). El-static. interakcija elektrona sa ionima rešetke mijenja prirodu ovih vibracija, što dovodi do pojave komplementarnih vibracija. privlačna sila koja djeluje na druge elektrone. Ova privlačnost se može zamisliti kao razmjena virtuelnih fonona između elektrona. Ova privlačnost vezuje elektrone u uski sloj blizu granice Fermijeve površine. Debljina ovog sloja u energiji. skala je određena max. energija fonona , Gdje w D- Debye frekvencija, v s- brzina zvuka, o - konstanta rešetke(pogledajte Debajevu temperaturu ; ) u impulsnom prostoru to odgovara debljini sloja , Gdje v F je brzina elektrona blizu Fermijeve površine. Relacija nesigurnosti daje karakterističnu skalu područja interakcije fonona u koordinatnom prostoru:
Gdje M- masa jezgra jona, T- masa elektrona. Magnituda je cm, tj. privlačenje fonona se ispostavlja da je dalekosežno (u poređenju sa međuatomskim udaljenostima). Kulonovo odbijanje elektrona obično je nešto veće od privlačenja fonona, ali zbog skriniranja na međuatomskim udaljenostima ono je efektivno oslabljeno i fononsko privlačenje može dominirati, kombinujući elektrone u parove. Pokazalo se da je relativno mala energija vezivanja Cooperovog para znatno manja kinetička energija elektrona, dakle, prema kvantna mehanika, pridružene države nije trebalo nastati. Međutim, u ovom slučaju govorimo o formiranju parova ne od slobodnih izolatora. elektrona u trodimenzionalnom prostoru, a od Fermijevih tekućih kvazičestica kada su popunjene velika površina Fermi. Ovo vodi do stvarnog zamjena trodimenzionalnog problema jednodimenzionalnim, gdje vezana stanja nastaju pod proizvoljno slabom privlačnošću.

U BCS modelu, elektroni sa suprotnim impulsima su upareni r i - r(ukupni impuls Cooperovog para je 0). Orbitalni moment i ukupni spin para su takođe jednaki 0. Teoretski, sa određenim nefononskim mehanizmima, moguće je uparivanje elektrona sa orbitalnim momentom koji nije nula. Očigledno, uparivanje u ovo stanje se dešava u supravodnicima sa teškim fermionima (na primjer, CeCu 2 Si 2, CeCu 6, UB 13, CeA1 3).

U superprovodniku na temperaturi T < T s Neki elektroni spojeni u Cooperove parove formiraju Bose kondenzat (vidi. Bose - Einstein kondenzacija). Svi elektroni koji se nalaze u Bose kondenzatu opisani su jednom koherentnom valnom funkcijom. Preostali elektroni su u pobuđenim nadkondenzatnim stanjima (Fermijeve kvazičestice), a njihova energija je spektar je preuređen u poređenju sa spektrom elektrona u normalnom metalu. U izotropnom BCS modelu, ovisnost energije elektrona e o impulsu r u supravodniku ima oblik ( p F - Fermijev impuls):

Rice. 1. Restrukturiranje energetskog spektra elektrona u supravodiču (puna linija) u poređenju sa normalnim metalom (isprekidana linija).

Rice. 2. Temperaturna ovisnost energetskog jaza u BCS modelu.

Tako se u blizini Fermijevog nivoa (slika 1) pojavljuje energetski jaz u spektru (1). Da bi uzbudio elektronski sistem sa takvim spektrom, potrebno je razbiti barem jedan Cooper par. Budući da se u ovom slučaju formiraju dva elektrona, svaki od njih ima energiju ne manju od , tako da energija vezivanja Cooperovog para ima smisla. Veličina jaza značajno zavisi od temperature (slika 2), sa ona se ponaša kao i kada T = 0 dostiže maks. vrijednosti, i

Gdje je gustina jednoelektronskih stanja u blizini Fermijeve površine, g- eff. konstanta privlačenja elektrona i elektrona.

U BCS modelu pretpostavlja se da je sprega između elektrona slaba i kritična. temp-pa ispada da je mala u poređenju sa karakterističnim frekvencijama fonona . Međutim, za brojne tvari (na primjer, Pb) ovaj uvjet nije ispunjen i parametar (jaka veza) nije ispunjen. Čak se i o aproksimaciji raspravlja u literaturi. Superprovodnici sa jakom spregom između elektrona se opisuju kao tzv. Eliashbergove jednadžbe (G.M. Eliashberg, 1968), iz kojih je jasno da je vrijednost T s Nema temeljnih ograničenja.

Prisustvo jaza u spektru elektrona dovodi do eksponencijala ovisnost u području niskih temperatura svih veličina određenih brojem ovih elektrona (na primjer, elektronski toplinski kapacitet i toplotna provodljivost, koeficijenti apsorpcije zvuka i niske frekvencije el-magn. zračenje).

Daleko od toga Fermi nivo izraz (1) opisuje energiju. spektar elektrona normalnog metala, tj. efekat uparivanja utiče na elektrone sa impulsima u području širine . Prostorna skala Cooperove korelacije („veličina“ para). Duljina korelacije je cm (donja granica je ostvarena u HTSC-u), međutim, obično daleko premašuje kristalni period. rešetke.

El-dinamički. svojstva superprovodnika zavise od odnosa između standardne korelacije. dužina i karakteristična debljina površinskog sloja, u kojoj se značajno mijenja vrijednost el-magn. polja gde ns- koncentracija supravodljivih (sparenih) elektrona, e- naelektrisanje elektrona. Ako (takvo područje uvijek postoji u blizini T s, jer kada ), tada se Cooperovi parovi mogu smatrati točkastim, stoga je električna dinamika supravodnika lokalna i supravodljiva struja je određena vrijednošću vektorskog potencijala A u razmatranoj tački supravodiča (londonska jednačina). Kada se pojave koherentna svojstva kondenzata Cooperovih parova, električna dinamika postaje nelokalna - struja u datoj tački određena je vrijednostima A u cijeloj površini veličine ( Pippardova jednadžba To je obično situacija u masivnim čistim supravodičima (na dovoljnoj udaljenosti od njihove površine).

Prijelaz metala iz normalnog u supravodljivo stanje u odsustvu magneta. polje je fazni prelaz 2. reda. Ovaj prijelaz karakterizira složeni skalarni parametar reda - valna funkcija Bose kondenzata Cooperovih parova, gdje r- prostorna koordinata. U BCS modelu [at T = T s , i kada T = O ]. Faza valne funkcije je također od značajne važnosti: gustina supravodljive struje j s se određuje kroz gradijent ove faze:

gdje znak * označava kompleksnu konjugaciju. Gustoća struje j s takođe nestaje na T = T s. Fazni prelaz normalan metal - supravodnik se može smatrati rezultatom spontanog narušavanja simetrije u odnosu na grupu simetrijaU(l) mjerne transformacije valne funkcije. Fizički ovo odgovara kršenju u nastavku T s očuvanje broja elektrona zbog njihovog uparivanja, a matematički se izražava pojavom različitog od nule cf. vrijednosti parametara reda

Energetski jaz spektar elektrona ne poklapa se uvijek sa apsolutnom vrijednošću parametra reda (kao što je slučaj u BCS modelu) i uopće nije neophodan uslov C. Tako, na primjer, kada se uvodi paramagnetik u supravodič. nečistoće u određenom rasponu njihovih koncentracija, može se realizirati S. bez praznina (vidi dolje). Neobična je slika termodinamike u dvodimenzionalnim sistemima, gde je termodinamika. fluktuacije u fazi parametra poretka uništavaju dugoročni poredak (vidi Murmin-Wagnerova teorema), a ipak se S. odvija. Pokazalo se da neophodan uslov za postojanje supravodljive struje j s nije čak ni prisustvo dugog reda (konačna prosečna vrednost parametra reda), već više slabo stanje smanjenje korelacione funkcije po stepenu

Termička svojstva. Toplotni kapacitet supravodiča (kao i normalnog metala) sastoji se od elektronskog C es i rešetka C ps komponenta. Indeks s se odnosi na supravodljivu fazu, n- na normalno, e- na elektronsku komponentu, r- do rešetke.

Tokom prelaska u supravodljivo stanje, rešetkasti dio toplotnog kapaciteta ostaje gotovo nepromijenjen, ali se elektronski dio naglo povećava. U okviru BCS teorije za izotropni spektar

Kada vrijednost C es opada eksponencijalno (slika 3) i toplinski kapacitet supraprovodnika je određen njegovim rešetkastim dijelom C ps ~ T 3. Karakteristična eksponencijalna zavisnost C es omogućava direktno merenje. Odsustvo ove zavisnosti ukazuje da je u određenim tačkama Fermijeve površine energija. jaz ide na nulu. Potonje je po svoj prilici povezano sa nefononskim mehanizmom privlačenja elektrona (na primjer, u sistemima sa teškim fermionima, gdje na niskim temperaturama za UB 13 i za CeCuSi 2).

Rice. 3. Skok toplotnog kapaciteta pri prelasku u supravodljivo stanje.

Toplotna provodljivost metala prilikom prelaska u supravodljivo stanje ne doživljava skok, tj. . Ovisnost je uzrokovana brojnim faktorima. S jedne strane, sami elektroni daju svoj doprinos toplinskoj provodljivosti, koja se smanjuje kako temperatura pada i formiraju se Cooperovi parovi. S druge strane, doprinos fonona m ps počinje donekle rasti, jer kako se broj elektrona smanjuje, srednja slobodna putanja fonona raste (elektroni spojeni u Cooperovim parovima ne rasipaju fonone i ne prenose toplinu sami). Dakle, , dok . U čistim metalima, gdje više T s elektronski dio toplotne provodljivosti prevladava, ostaje odlučujući tokom prelaska u supravodljivo stanje; kao rezultat, na svim temperaturama ispod T s. U legurama, naprotiv, toplinska provodljivost je određena uglavnom svojim fononskim dijelom i, kada prolazi kroz, počinje rasti zbog smanjenja broja nesparenih elektrona.

Magnetna svojstva. Zbog mogućnosti da u supravodniku teku nedisipativne supravodljive struje, on je definiran. u eksperimentalnim uslovima ispoljava Meissnerov efekat, odnosno ponaša se u prisustvu ne previše jakih spoljašnjih uticaja. mag. polja kao idealni dijamagnet (magnetna osetljivost). Dakle, za uzorak koji ima oblik dugog čvrstog cilindra u homogenom spoljašnjem mag. polje N, primijenjena duž svoje ose, magnetizacija uzorka . Ext. mag. polje iz zapremine supravodiča dovodi do smanjenja njegove slobodne energije. U ovom slučaju, zaštitne supravodljive struje teku u tankom površinskom sloju cm. Ova vrijednost također karakterizira dubinu prodiranja vanjske površine. mag. polja za uzorkovanje.

Na osnovu ponašanja u dovoljno jakim poljima, supravodljivi materijali se dele u dve grupe: supravodnici tipa 1 i tipa 2 (slika 4). Početak dio krivulje magnetizacije (gdje ) odgovara punom Meissnerovom efektu. Dalji tok krivulja za supravodiče tipa 1 i tipa 2 značajno se razlikuje.

Rice. 4. Ovisnost magnetizacije od vanjskog magnetskog polja za tip 1 i tip 2 supravodiča.

Superprovodnici 1. vrste gube napon u skoku (fazni prijelaz 1. vrste): bilo kada dostignu kritičnu vrijednost koja odgovara datom polju. temperature T S (N), ili sa povećanjem eksterne polja do kritičnih vrijednosti N S (T)(termodinamičko kritično polje). U tački faznog prelaza koji se dešava u magnetnom polju. polju, u energiji. U spektru supravodiča tipa 1 odmah se pojavljuje jaz konačne veličine. Kritično polje N S (T) određuje razliku između otkucaja. superprovodnik slobodne energije F s i normalno F str faze:

Hidden beat toplota faznog prelaza

Gdje S n I Ss- beat entropija odgovarajućih faza. Jump beat. toplotni kapacitet na T = T s

U nedostatku eksternog mag. polja na T = T s magnitude Q = Oh, to jest, dolazi do tranzicije 2. reda.

Prema BCS modelu, termodinamički. kritičan polje je povezano sa kritičnim omjer temp-roj

a njena temperaturna zavisnost u ekstremnim slučajevima visokih i niskih temperatura ima oblik:

Rice. 5. Temperaturna zavisnost termodinamičkog kritičnog magnetnog polja H c.

Obje granične vrijednosti su bliske empirijskim. odnos, koji dobro opisuje tipične eksperimente. podaci (slika 5). U slučaju necilindričnog geometrija iskustva pri prekoračenju vanjske. mag. polje definisano količine H 0 = (1 - N)H C (N - faktor demagnetizacije)superprovodnik tipa 1 prelazi u srednje stanje : uzorak je podijeljen na slojeve normalne i supravodljive faze, čiji odnos volumena ovisi o vrijednosti N. Prijelaz uzorka u normalno stanje se odvija postepeno, kroz povećanje udjela odgovarajuće faze.

Međustanje može nastati i kada struja koja teče kroz supravodič premaši određenu kritičnu vrijednost. značenje I s, što odgovara stvaranju kritične vrijednosti na površini uzorka. mag. polja N s.

Formiranje međustanja u supravodiču tipa 1 i izmjena slojeva supravodljivih i normalnih faza konačne veličine moguće je samo pod pretpostavkom da međufaza između ovih faza ima pozitivnu površinsku energiju. Veličina i predznak zavise od odnosa između

Relacija se zove Ginzburg-Landau parametar i igra važnu ulogu u fenomenološkom. teorija C. Znak (ili vrijednost x) omogućava striktno određivanje tipa supravodiča: za tip 1 supravodiča i ; za supravodič tipa 2, a supraprovodnici tipa 2 uključuju čisti Nb, većinu supravodljivih legura, organske i visokotemperaturne supraprovodnike.

Za supravodnike 2. vrste, dakle, fazni prijelaz 1. reda u normalno stanje je nemoguć. Međustanje se ne ostvaruje, jer bi površina na granicama faza bila negativna. energije i više ne bi služio kao faktor koji ograničava beskrajnu fragmentaciju. Za dovoljno slaba polja i u supravodičima tipa 2 javlja se Mensnerov efekat. Kada dođe do donjeg kritičan polja N C1(u slučaju ), što se ispostavi da je u ovom slučaju manje od formalno izračunatog N S, magnetska penetracija postaje energetski korisna. polja u supravodič u obliku pojedinačnih vrtloga (vidi Kvantizovani vrtlozi), od kojih svaki sadrži jedan kvant magnetnog fluksa. Superprovodnik tipa 2 prelazi u mješovito stanje.

« Fizika - 10. razred"

Koja fizička veličina se zove otpor?
O čemu i kako ovisi otpor metalnog provodnika?

Različite supstance imaju različite otpornosti. Da li otpor zavisi od stanja provodnika? na njegovoj temperaturi? Iskustvo bi trebalo dati odgovor.

Ako propuštate struju iz baterije kroz čeličnu spiralu, a zatim je počnete zagrijavati u plamenu plamenika, ampermetar će pokazati smanjenje jačine struje. To znači da kako se temperatura mijenja, otpor provodnika se mijenja.

Ako je na temperaturi od 0 °C otpor provodnika jednak R 0, a na temperaturi t jednak R, tada je relativna promjena otpora, kao što pokazuje iskustvo, direktno proporcionalna promjeni temperature t:

Koeficijent proporcionalnosti α naziva se temperaturni koeficijent otpora.

Temperaturni koeficijent otpora- vrijednost jednaka omjeru relativne promjene otpora provodnika i promjene njegove temperature.

Karakterizira ovisnost otpornosti tvari o temperaturi.

Temperaturni koeficijent otpora numerički je jednak relativnoj promjeni otpora vodiča kada se zagrije za 1 K (za 1 °C).

Za sve metalne provodnike koeficijent α > 0 i neznatno se mijenja s temperaturom. Ako je raspon temperaturnih promjena mali, tada se temperaturni koeficijent može smatrati konstantnim i jednakim njegovoj prosječnoj vrijednosti u ovom temperaturnom rasponu. Za čiste metale

Za otopine elektrolita, otpor se ne povećava s povećanjem temperature, već opada. Za njih α< 0. Например, для 10%-ного раствора поваренной соли α = -0,02 К -1 .

Kada se provodnik zagrije, njegove geometrijske dimenzije se neznatno mijenjaju. Otpor provodnika se mijenja uglavnom zbog promjene njegove otpornosti. Možete pronaći ovisnost ove otpornosti o temperaturi ako zamijenite vrijednosti u formuli (16.1) Proračuni dovode do sljedećeg rezultata:

ρ = ρ 0 (1 + αt), ili ρ = ​​ρ 0 (1 + αΔT), (16.2)

gdje je ΔT promjena apsolutne temperature.

Budući da se malo mijenja s promjenama temperature provodnika, možemo pretpostaviti da otpor provodnika linearno ovisi o temperaturi (slika 16.2).

Povećanje otpora može se objasniti činjenicom da se s povećanjem temperature povećava amplituda vibracija iona u čvorovima kristalne rešetke, pa se slobodni elektroni češće sudaraju s njima, čime gube smjer kretanja. Iako je koeficijent a prilično mali, uzimanje u obzir ovisnosti otpora o temperaturi pri proračunu parametara uređaja za grijanje je apsolutno neophodno. Dakle, otpor volframove niti žarulje sa žarnom niti povećava se za više od 10 puta kada struja prolazi kroz nju zbog zagrijavanja.

Za neke legure, na primjer leguru bakra i nikla (Konstantin), temperaturni koeficijent otpornosti je vrlo mali: α ≈ 10 -5 K -1; Konstantinova otpornost je visoka: ρ ≈ 10 -6 Ohm m. Takve legure se koriste za izradu standardnih otpornika i dodatnih otpornika za mjerne instrumente, odnosno u slučajevima kada je potrebno da se otpor ne mijenja primjetno s temperaturnim kolebanjima.

Postoje i metali, na primjer nikl, kalaj, platina itd., čiji je temperaturni koeficijent znatno veći: α ≈ 10 -3 K -1. Ovisnost njihovog otpora o temperaturi može se koristiti za mjerenje same temperature, što se i radi u otporni termometri.

Uređaji napravljeni od poluprovodničkih materijala takođe se zasnivaju na zavisnosti otpora od temperature - termistori. Odlikuje ih veliki temperaturni koeficijent otpornosti (desetine puta veći od metala) i stabilnost karakteristika tokom vremena. Ocjene termistora su znatno veće od metalnih otpornih termometara, obično 1, 2, 5, 10, 15 i 30 kΩ.

Obično se platinasta žica uzima kao glavni radni element otpornog termometra, čija je ovisnost otpora o temperaturi dobro poznata. Promjene temperature su zaključene iz promjene otpora žice, koja se može izmjeriti. Takvi termometri omogućavaju mjerenje vrlo niskih i vrlo visokih temperatura kada su konvencionalni termometri za tekućinu neprikladni.

Superprovodljivost.

Otpor metala opada sa padom temperature. Šta se dešava kada se temperatura približi apsolutnoj nuli?

Godine 1911., holandski fizičar H. Kamerlingh-Onnes otkrio je izuzetan fenomen - superprovodljivost. Otkrio je da kada se živa ohladi u tekućem helijumu, njen otpor se prvo postepeno menja, a zatim na temperaturi od 4,1 K veoma naglo pada na nulu (slika 16.3).

Fenomen pada otpora provodnika na nulu na kritičnoj temperaturi naziva se superprovodljivost.

Otkriće Kamerlingh Onnesa, za koje je nagrađen 1913 Nobelova nagrada, obuhvatio je proučavanje svojstava supstanci na niskim temperaturama. Kasnije su otkriveni mnogi drugi supravodiči.

Superprovodljivost mnogih metala i legura uočava se na vrlo niskim temperaturama – počevši od oko 25 K. Referentne tabele daju prelazne temperature u supravodljivo stanje nekih supstanci.

Temperatura na kojoj supstanca prelazi u supravodljivo stanje naziva se kritična temperatura.

Kritična temperatura ne zavisi samo od hemijskog sastava supstance, već i od strukture samog kristala. Na primjer, sivi lim ima dijamantsku strukturu sa kubnom kristalna rešetka i poluvodič je, a bijeli kalaj ima tetragonalnu jediničnu ćeliju i srebrno-bijeli je, mekani, duktilni metal koji može prijeći u supravodljivo stanje na temperaturi od 3,72 K.

Za tvari u supravodljivom stanju zabilježene su oštre anomalije u magnetskim, toplinskim i nizom drugih svojstava, pa je ispravnije govoriti ne o supravodljivom stanju, već o posebnom stanju materije uočenom na niskim temperaturama.

Ako se struja stvori u prstenastom provodniku koji je u supravodljivom stanju, a zatim se izvor struje ukloni, tada se jačina te struje ne mijenja za bilo koje vrijeme. U običnom (nesuperprovodljivom) vodiču električna struja u ovom slučaju prestaje.

Superprovodnici se široko koriste. Tako se grade moćni elektromagneti sa supravodljivim namotajem, koji stvaraju magnetsko polje tokom dužih vremenskih perioda bez trošenja energije. Uostalom U supravodljivom namotu nema stvaranja toplote.

Međutim, nemoguće je dobiti proizvoljno jako magnetsko polje korištenjem supravodljivog magneta. Vrlo jako magnetno polje uništava supravodljivo stanje. Takvo polje može biti stvoreno i strujom u samom supravodniku. Stoga za svaki provodnik u supravodljivom stanju postoji kritična vrijednost struje, koja se ne može prekoračiti bez narušavanja supravodljivog stanja.

Superprovodni magneti se koriste u akceleratorima čestica i magnetohidrodinamičkim generatorima koji pretvaraju mehaničku energiju mlaza vrućeg joniziranog plina koji se kreće u magnetskom polju u električnu energiju.

Objašnjenje supravodljivosti moguće je samo na osnovu kvantna teorija. Dali su ga tek 1957. američki naučnici J. Bardin, L. Cooper, J. Schrieffer i sovjetski naučnik, akademik N. N. Bogolyubov.

Godine 1986. otkrivena je visokotemperaturna supravodljivost. Dobijena su složena oksidna jedinjenja lantana, barijuma i drugih elemenata (keramika) sa temperaturom prelaska u supravodljivo stanje od oko 100 K. To je više od tačke ključanja tečnog azota atmosferski pritisak(77 K).

Visokotemperaturna supravodljivost u bliskoj budućnosti zasigurno će dovesti do nove tehničke revolucije u cjelokupnoj elektrotehnici, radiotehnici i kompjuterskom dizajnu. Trenutno je napredak u ovoj oblasti otežan potrebom da se provodnici hlade do tačke ključanja skupog gasa helijuma.

Fizički mehanizam supravodljivosti je prilično složen. To se može objasniti vrlo jednostavno na sljedeći način: elektroni se udružuju u pravilnu liniju i kreću se bez sudara s kristalnom rešetkom koja se sastoji od jona. Ovaj pokret se značajno razlikuje od uobičajenog termičko kretanje, u kojem se slobodni elektron kreće haotično.

Nadamo se da će biti moguće stvoriti superprovodnike na sobnoj temperaturi. Generatori i elektromotori će postati izuzetno kompaktni (manji za nekoliko puta) i ekonomični. Električna energija se može prenositi na bilo koju udaljenost bez gubitaka i akumulirati u jednostavnim uređajima.