Kuidas muutub juhi takistus temperatuuri tõustes. Joule-Lenzi seadus klassikalises elektroniteoorias

Resistentsuse sõltuvus temperatuurist

Vikipeediast, vabast entsüklopeediast

Jump to: navigation, search

Konstantse ristlõikega homogeense juhi takistus R sõltub juhi aine omadustest, selle pikkusest ja ristlõikest järgmiselt:

Kus ρ on juhi materjali eritakistus, L on juhi pikkus ja S on ristlõike pindala. Takistuse pöördväärtust nimetatakse juhtivuseks. See väärtus on seotud temperatuuriga Nernst-Einsteini valemiga:

T on juhi temperatuur;

D on laengukandjate difusioonikoefitsient;

Z on kandja elektrilaengute arv;

e - elementaarne elektrilaeng;

C - laengukandjate kontsentratsioon;

Boltzmanni konstant.

Seetõttu on juhi takistus seotud temperatuuriga järgmise seosega:

Takistus võib sõltuda ka parameetritest S ja I, kuna temperatuurist sõltuvad ka juhi ristlõige ja pikkus.

2) Ideaalne gaas on gaasi matemaatiline mudel, milles eeldatakse, et: 1) molekulide interaktsiooni potentsiaalse energia võib nende kineetilise energiaga võrreldes tähelepanuta jätta; 2) gaasimolekulide kogumaht on tühine; 3) molekulide vahel ei toimi tõmbe- või tõukejõud, osakeste kokkupõrked omavahel ja anuma seintega on absoluutselt elastsed; 4) molekulide interaktsiooniaeg on tühine võrreldes keskmise kokkupõrgetevahelise ajaga. Laiendatud mudelis ideaalne gaas osakesed, millest see koosneb, on elastsete sfääride või ellipsoidide kujul, mis võimaldab arvesse võtta mitte ainult translatsiooni, vaid ka pöörlemis-võnkuva liikumise energiat, aga ka mitte ainult tsentraalset, vaid ka mittetsentraalset osakeste kokkupõrked.

Gaasi rõhk:

Gaas täidab alati läbimatute seintega piiratud mahu. Nii näiteks gaasiballoon või kamber auto rehv peaaegu ühtlaselt gaasiga täidetud.

Püüdes laieneda, avaldab gaas survet silindri, rehvikambri või mis tahes muu tahke või vedela keha seintele, millega see kokku puutub. Kui mitte arvestada Maa gravitatsioonivälja toimet, mis anumate tavaliste mõõtmete juures muudab rõhku vaid tühiselt, siis tasakaaluseisundis tundub gaasi rõhk anumas meile täiesti ühtlane. See märkus viitab makrokosmosele. Kui kujutame ette, mis toimub anumas gaasi moodustavate molekulide mikrokosmoses, siis ei saa rääkida mingist ühtlasest rõhujaotusest. Mõnes kohas seina pinnal löövad gaasimolekulid vastu seinu, teisal aga lööke ei esine. See pilt muutub kogu aeg kaootiliselt. Gaasi molekulid tabavad anumate seinu ja lendavad seejärel peaaegu kiirusega võrdne kiirus molekulid enne kokkupõrget.

Ideaalne gaas. Ideaalse gaasi mudelit kasutatakse aine omaduste selgitamiseks gaasilises olekus. Ideaalse gaasi mudel eeldab järgmist: molekulide ruumala on anuma ruumalaga võrreldes tühine, molekulide vahel puuduvad tõmbejõud ning molekulide omavahel ja anuma seintega kokkupõrkel tekivad tõukejõud. tegutsema.

Ülesanne piletile nr 16

1) Töö võrdub võimsus * aeg = (pinge ruudus) / takistus * aeg

Takistus = 220 volti * 220 volti * 600 sekundit / 66000 džauli = 440 oomi

1. Vahelduvvool. Voolu ja pinge efektiivne väärtus.

2. Fotoelektriline efekt. Fotoelektrilise efekti seadused. Einsteini võrrand.

3. Määrake punase valguse kiirus = 671 nm klaasis, mille murdumisnäitaja on 1,64.

Vastused piletile nr 17

Vahelduvvool on elektrivool, mille tugevus ja suund ajas muutuvad või konkreetsel juhul muutub tugevus, hoides selle suuna elektriahelas muutumatuna.

Vahelduvvoolu efektiivset (efektiivset) väärtust nimetatakse väärtuseks alalisvool, mille toime annab ühe perioodi jooksul sama töö (termilise või elektrodünaamilise efekti) kui vaadeldav vahelduvvool. AT kaasaegne kirjandus sagedamini kasutatakse selle suuruse matemaatilist määratlust - vahelduvvoolu tugevuse ruutkeskmist väärtust.

Teisisõnu saab voolu efektiivse väärtuse määrata järgmise valemiga:

Sest harmoonilised vibratsioonid vool Samamoodi määratakse EMF ja pinge efektiivsed väärtused.

Fotoelektriline efekt, fotoelektriline efekt - aine elektronide emissioon valguse (või mõne muu) toimel. elektromagnetiline kiirgus). Kondenseerunud (tahketes ja vedelates) ainetes eristatakse väliseid ja sisemisi fotoelektrilisi efekte.

Stoletovi seadused fotoelektrilise efekti kohta:

Fotoelektrilise efekti 1. seaduse sõnastus: Fotovoolu tugevus on otseselt võrdeline valgusvoo tihedusega.

Fotoefekti 2. seaduse kohaselt suureneb valguse poolt väljapaisatud elektronide maksimaalne kineetiline energia valguse sagedusega lineaarselt ega sõltu selle intensiivsusest.

Fotoefekti 3. seadus: iga aine jaoks on fotoefekti punane piir ehk valguse minimaalne sagedus (või maksimaalne lainepikkus λ0), mille juures fotoefekt on veel võimalik, ja kui siis fotoefekt enam ei esine. Nende seaduste teoreetilise selgituse andis 1905. aastal Einstein. Tema järgi on elektromagnetkiirgus üksikute kvantide (footonite) voog, millest igaühe energia on hν, kus h on Plancki konstant. Fotoelektrilise efektiga peegeldub osa langevast elektromagnetkiirgusest metalli pinnalt ning osa tungib metalli pinnakihti ja neeldub seal. Pärast footoni neelamist saab elektron sellelt energiat ja, täites tööfunktsiooni φ, lahkub metallist: maksimaalne kineetiline energia, mis elektronil on metallist lahkudes.

Seadused väline fotoelektriline efekt

Stoletovi seadus: fotokatoodile langeva elektromagnetilise kiirguse konstantse spektraalse koostise korral on küllastusfotovool võrdeline katoodi energiavalgustusega (muidu: katoodilt 1 s jooksul välja löödud fotoelektronide arv on võrdeline kiirguse intensiivsusega ):

Ja fotoelektronide maksimaalne algkiirus ei sõltu langeva valguse intensiivsusest, vaid selle määrab ainult selle sagedus.

Igal ainel on fotoelektrilise efekti punane piir ehk valguse minimaalne sagedus (olenevalt aine keemilisest olemusest ja pinna seisundist), millest allpool on fotoefekt võimatu.

Einsteini võrrandid (mida mõnikord nimetatakse ka "Einsteini-Hilberti võrranditeks") - gravitatsioonivälja võrrandid üldine teooria relatiivsusteooria, ühendades kõvera aegruumi mõõdikud seda täitva aine omadustega. Seda terminit kasutatakse ka keeles ainsus: "Einsteini võrrand", kuna tensorite tähistuses on see üks võrrand, kuigi komponentides on see osadiferentsiaalvõrrandi süsteem.

Võrrandid näevad välja sellised:

Kus on Ricci tensor, mis saadakse aegruumi kõveruse tensorist, keerates selle üle indeksipaari, R on skalaarkõverus, see tähendab keerdunud Ricci tensor, meetriline tensor, o

kosmoloogiline konstant, a on aine energia-impulsi tensor, (π on arv pi, c on valguse kiirus vaakumis, G on Newtoni gravitatsioonikonstant).

Ülesanne piletile nr 17

k \u003d 10 * 10 in 4 \u003d 10 in 5 n / m = 100000 n / m

F=k*delta L

delta L = mg/k

vastus 2 cm

1. Mendelejevi-Clapeyroni võrrand. Termodünaamiline temperatuuriskaala. Absoluutne null.

2. Elektrivool metallides. Metallide elektroonilise teooria alused.

3. Millise kiiruse omandab rakett 1 minutiga, liikudes puhkeseisundist kiirendusega 60 m/s2?

Vastused piletile nr 18

1) Ideaalse gaasi olekuvõrrand (mõnikord Clapeyroni võrrand või Mendelejevi-Clapeyroni võrrand) on valem, mis määrab seose ideaalse gaasi rõhu, molaarmahu ja absoluutse temperatuuri vahel. Võrrand näeb välja selline:

P-rõhk

Vm - molaarmaht

R on universaalne gaasikonstant

T on absoluutne temperatuur, K.

See kirjutamisvorm on oma nime saanud Mendelejevi – Clapeyroni võrrandi (seaduse) järgi.

Clapeyroni tuletatud võrrand sisaldas mõnda mitteuniversaalset gaasikonstanti r, mille väärtust tuli mõõta iga gaasi jaoks:

Mendelejev leidis ka, et r on otseselt võrdeline u proportsionaalsuse koefitsiendiga R, mida ta nimetas universaalseks gaasikonstandiks.

TERMODÜNAAMILINE TEMPERATUURISKAALA (Kelvini skaala) - absoluutne temperatuuriskaala, mis ei sõltu termomeetrilise aine omadustest (võrdluspunktiks on absoluutne nulltemperatuur). Termodünaamilise temperatuuriskaala ülesehitus põhineb termodünaamika teisel seadusel ja eelkõige Carnot' tsükli efektiivsuse sõltumatusel töövedeliku olemusest. Termodünaamilise temperatuuri ühik kelvin (K) on määratletud kui 1/273,16 vee kolmikpunkti termodünaamilisest temperatuurist.

Absoluutne nulltemperatuur (harvemini - absoluutne nulltemperatuur) - minimaalne temperatuuripiir, mida a füüsiline keha universumis. Absoluutne null on absoluutse temperatuuriskaala, näiteks Kelvini skaala, lähtepunkt. 1954. aastal kehtestas X kaalude ja mõõtude peakonverents termodünaamilise temperatuuriskaala ühe võrdluspunktiga - vee kolmikpunktiga, mille temperatuuriks on võetud 273,16 K (täpselt), mis vastab 0,01 °C-le, nii et Celsiuse skaalal vastab absoluutne null temperatuurile -273,15°C.

Elektrivool - laetud osakeste suunatud (järjestatud) liikumine. Sellised osakesed võivad olla: metallides - elektronid, elektrolüütides - ioonid (katioonid ja anioonid), gaasides - ioonid ja elektronid, vaakumis teatud tingimustes - elektronid, pooljuhtides - elektronid ja augud (elektron-augu juhtivus). Mõnikord nimetatakse elektrivoolu ka aja muutumisest tulenevaks nihkevooluks elektriväli.

Elektrivoolul on järgmised ilmingud:

juhtide kuumutamine (ülijuhtides soojust ei eraldu);

muuta keemiline koostis juhid (täheldatud peamiselt elektrolüütides);

magnetvälja loomine (väljendub eranditult kõigis juhtmetes)

Hapete ja aluste teooriad - füüsikalis-keemiliste põhimõistete kogum, mis kirjeldab hapete ja aluste olemust ja omadusi. Kõik need tutvustavad hapete ja aluste määratlusi - kahte ainete klassi, mis reageerivad üksteisega. Teooria ülesandeks on ennustada happe ja aluse vahelise reaktsiooni produktid ja selle toimumise võimalikkus, milleks kasutatakse happe ja aluse tugevuse kvantitatiivseid karakteristikuid. Teooriate erinevused seisnevad hapete ja aluste määratlustes, nende tugevuse omadustes ja sellest tulenevalt nendevahelise reaktsiooni produktide ennustamise reeglites. Kõigil neil on oma rakendusala, mis osaliselt ristuvad.

Metallide interaktsiooni elektroonilise teooria põhisätted on looduses äärmiselt levinud ja neid kasutatakse laialdaselt teadus- ja tööstuspraktika. Hapete ja aluste teoreetilised kontseptsioonid on tähtsust kõigi keemia kontseptuaalsete süsteemide kujunemisel ja neil on mitmekülgne mõju paljude teoreetiliste kontseptsioonide väljatöötamisele kõigis peamistes keemiateadustes. Kaasaegsel hapete ja aluste teoorial põhinevad sellised keemiateaduste osad nagu vesi- ja mittevesilahuste elektrolüütide keemia, pH-meetria mittevesikeskkonnas, homo- ja heterogeenne happe-aluse katalüüs, happefunktsioonide teooria. ja paljud teised on välja töötatud.

Ülesanne piletile nr 18

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

Vastus: 3600m/s

1. Vooluvool vaakumis. Katoodkiiretoru.

2. Plancki kvanthüpotees. Valguse kvantloomus.

3. Terastraadi kõvadus on 10000 N/m. kui kaua kaabel pikeneb, kui selle külge riputatakse raskus 20 kg.

Vastused piletile nr 19

1) Elektrivoolu saamiseks vaakumis on vajalik vabade kandjate olemasolu. Neid saab saada metallidest elektronide kiirgamisel – elektronide emissioon (ladina keelest emissio – vabastamine).

Nagu teate, hoitakse tavalistel temperatuuridel elektrone metalli sees, hoolimata asjaolust, et nad teostavad soojusliikumist. Järelikult on pinna lähedal elektronidele mõjuvad jõud, mis on suunatud metalli sisse. Need on jõud, mis tekivad elektronide ja kristallvõre positiivsete ioonide vahelise tõmbe tõttu. Selle tulemusena ilmuvad pinnakihis metallid elektriväli, ja potentsiaal suureneb väliskosmosest metalli liikudes teatud väärtuse Dj võrra. Vastavalt potentsiaalne energia elektron väheneb eDj võrra.

Kineskoop on katoodkiirgusseade, mis muudab elektrisignaalid valguseks. Seda kasutatakse laialdaselt telerite seadmes, kuni 1990. aastateni kasutati telereid eranditult kineskoobi baasil. Seadme nimes kajastus sõna "kineetika", mida seostatakse ekraanil liikuvate kujunditega.

Peamised osad:

elektronpüstol, mis on ette nähtud elektronkiire moodustamiseks, värvilistes kineskoopides ja mitmekiireliste ostsilloskoopide torud on ühendatud elektron-optiliseks prožektoriks;

fosforiga kaetud ekraan – aine, mis elektronkiire tabamisel helendab;

kõrvalekaldesüsteem juhib kiirt nii, et see moodustab soovitud kujutise.

2) Plancki hüpotees – 14. detsembril 1900 Max Plancki poolt püstitatud hüpotees, mis seisneb selles, et soojuskiirguse ajal ei kiirgata ja neeldub energiat mitte pidevalt, vaid eraldi kvantidena (osadena). Igal sellisel osakvantil on energia E, mis on võrdeline kiirguse sagedusega ν:

kus h ehk proportsionaalsuskoefitsient, mida hiljem nimetatakse Plancki konstandiks. Selle hüpoteesi põhjal tegi ta ettepaneku teoreetiline järeldus keha temperatuuri seos selle keha poolt kiiratava kiirgusega – Plancki valem.

Plancki hüpotees leidis hiljem eksperimentaalset kinnitust.

Selle hüpoteesi edenemist peetakse kvantmehaanika sünnihetkeks.

Valguse kvantloomus on elementaarosake, elektromagnetkiirguse kvant (kitsamas tähenduses - valgus). See on massita osake, mis saab eksisteerida vaakumis ainult valguse kiirusel liikudes. Ka footoni elektrilaeng on võrdne nulliga. Footon saab olla ainult kahes spinni olekus, mille pöörlemisprojektsioon on liikumissuunal (helikaalsus) ±1. Füüsikas tähistatakse footoneid tähega γ.

Klassikaline elektrodünaamika kirjeldab footonit kui elektromagnetlaineümmarguse parem- või vasakpoolse polarisatsiooniga. Klassikalise kvantmehaanika seisukohalt iseloomustab footonit kui kvantosakest laine-osakeste duaalsus, see avaldab samaaegselt osakese ja laine omadusi.

Ülesanne piletile nr 19

F=k*delta L

delta L = mg/k

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

vastus 2 cm

1. Elektrivool pooljuhtides. Pooljuhtide sisejuhtivus räni näitel.

2. Valguse peegelduse ja murdumise seadused.

3. Millist tööd teeb elektriväli 5x10 18 elektroni liigutamiseks vooluringi sektsioonis, mille potentsiaalide erinevus on 20 V.

Vastused piletile nr 20

Elektrivool pooljuhtides on materjal, mis oma erijuhtivuse poolest asub juhtide ja dielektrikute vahel ning erineb juhtidest erijuhtivuse tugeva sõltuvuse poolest lisandite kontsentratsioonist, temperatuurist ja kokkupuutest. mitmesugused kiirgus. Pooljuhi peamine omadus on suurenemine elektrijuhtivus temperatuuri tõusuga.

Pooljuhid on ained, mille ribavahemik on mõne elektronvoldi (eV) suurusjärgus. Näiteks võib teemanti omistada laia vahega pooljuhtidele ja indiumarseniidi kitsa vahega pooljuhtidele. Pooljuhtide hulka kuuluvad paljud keemilised elemendid (germaanium, räni, seleen, telluur, arseen ja teised), suur summa sulamid ja keemilised ühendid(galliumarseniid jne). Peaaegu kõik meid ümbritseva maailma anorgaanilised ained on pooljuhid. Looduses levinuim pooljuht on räni, mis moodustab ligi 30% maakoorest.

Metallides, millel puudub ülijuhtivus, täheldatakse madalatel temperatuuridel lisandite olemasolu tõttu piirkonda 1 - temperatuurist peaaegu sõltumatu jääktakistuse ala (joonis 10.5). Jääktakistus- puhka mida vähem, seda puhtam metall.

Riis. 10.5. Metalli takistuse sõltuvus temperatuurist

Takistuse kiire tõus madalatel temperatuuridel kuni Debye temperatuurini K don seletatav võre termiliste vibratsioonide uute sageduste ergastamisega, mille juures toimub laengukandjate hajumine - piirkond 2 .

Kell T> Q d, kui võnkumiste spekter on täielikult ergastatud, põhjustab võnkumiste amplituudi suurenemine temperatuuri tõusuga lineaarse takistuse suurenemise ligikaudu T pl - piirkond 3 . Kui konstruktsiooni perioodilisust rikutakse, tekib elektronil hajumine, mis toob kaasa liikumissuuna, lõplike keskmiste vabateede ja metalli juhtivuse muutumise. Juhtivuselektronide energia metallides on 3–15 eV, mis vastab lainepikkustele 3–7 Å. Seetõttu põhjustavad lisanditest, defektidest, kristalli pinnast või aatomite (fonoonide) termilistest vibratsioonidest tulenevad perioodilisuse rikkumised metalli eritakistuse suurenemist.

Kulutame metallide eritakistuse temperatuurisõltuvuse kvalitatiivne analüüs. Metallides sisalduv elektrongaas on degenereerunud ja elektronide hajumise peamine mehhanism kõrgel temperatuuril on hajumine fonoonide poolt.

Kelltemperatuur langeb absoluutse nullini, tavaliste metallide takistus kipub muutuma konstantseks- jääktakistus. Erandiks sellest reeglist on ülijuhtivad metallid ja sulamid, mille puhul takistus kaob alla teatud kriitilise temperatuuri. T sv (ülijuhtivasse olekusse ülemineku temperatuur).

Temperatuuri tõustes ilmneb enamiku metallide takistuse kõrvalekalle lineaarsest sõltuvusest sulamistemperatuuri lähedal T pl. Mõningast kõrvalekallet lineaarsest sõltuvusest võib täheldada ferromagnetiliste metallide puhul, kus pöörlemisjärjekorra rikkumiste korral esineb elektronide täiendav hajumine.

Kui saavutatakse sulamistemperatuur ja üleminek vedelasse olekusse, suureneb enamiku metallide eritakistus järsult ja mõnel väheneb see. Kui metalli või sulami sulamisega kaasneb mahu suurenemine, siis eritakistus suureneb kaks kuni neli korda (näiteks elavhõbeda puhul 4 korda).

Metallides, mille maht sulamise ajal väheneb, väheneb takistus (galliumi puhul 53% võrra). antimon -29% ja vismut -54%). Sellist anomaaliat saab seletada tiheduse ja kokkusurutavusmooduli suurenemisega nende metallide üleminekul tahkest olekust vedelasse. Mõnede sula (vedelate) metallide puhul lakkab takistus suurenemast temperatuuri tõustes konstantse mahu juures, teistes kasvab see aeglasemalt kui tahkes olekus. Selliseid kõrvalekaldeid võib ilmselt seostada võrehäire nähtustega, mis esinevad erinevates metallides nende üleminekul ühest agregatsiooniseisundist teise.

Metallide oluline omadus on temperatuuri koefitsient elektriline takistus, mis näitab takistuse suhtelist muutust ühe kelvini (kraadi) temperatuurimuutuse korral

a-r- positiivne, kui takistus suureneb temperatuuri tõustes. On ilmne, et väärtus a r on ka temperatuuri funktsioon. Piirkonnas 3 lineaarne sõltuvus r( T) (vt joonis 10.3) seos on täidetud:

kus r 0 ja a r - eritakistus ja takistuse temperatuuritegur temperatuurilT 0 ja r - vastupidavus temperatuurilT. Eksperimentaalsed andmed näitavad, et enamiku metallide puhul a r toatemperatuuril umbes 0,004 To-1. Ferromagnetiliste metallide puhul väärtus a r on mõnevõrra kõrgem.

Metallide jääktakistus . Nagu eespool mainitud, kaldub tavaliste metallide takistus konstantsele väärtusele - jääktakistus, kui temperatuur langeb absoluutse nullini. Tavalistes metallides (mitte ülijuhtides) tekib jääktakistus juhtivuselektronide hajumisest staatiliste defektide tõttu

Metalljuhi üldist puhtust ja täiuslikkust saab määrata takistuste suhtega r= R 273 /R 4,2 K. Standardse puhtusastmega 99,999 vase puhul on see suhe 1000. Rohkem väärtused r saab saavutada täiendava tsooni ümbersulatamise ja üksikute kristallide kujul olevate proovide valmistamisega.

Ulatuslik katsematerjal sisaldab arvukalt andmeid metallide resistentsuse mõõtmise kohta, mis on põhjustatud neis sisalduvatest lisanditest. Märkida võib järgmisi kõige iseloomulikumaid metallide legeerimisest põhjustatud muutusi. Esiteks, peale fononi häirete, on lisand võre ideaalsuse lokaalne rikkumine, mis on kõigis muudes aspektides täiuslik. Teiseks mõjutab doping riba struktuuri, nihutades Fermi energiat ning muutes oleku tihedust ja efektiivset massi, s.t. parameetrid, mis määravad osaliselt metalli ideaalse takistuse. Kolmandaks võib doping muuta elastsuskonstante ja vastavalt ka võre vibratsioonispektrit, mõjutades ideaalset takistust.

Juhtide kogutakistus temperatuuril üle 0K jääktakistuse summa r puhata ja võre termiliste vibratsioonide hajumisest tingitud takistus - r T

Seda seost tuntakse Mathysseni takistuse liitlikkuse reeglina. Sageli aga täheldatakse olulisi kõrvalekaldeid Mathysseni reeglist ja mõned neist kõrvalekalletest ei pruugi rääkida peamiste metallide vastupidavust mõjutavate tegurite kohaldatavuse kasuks lisandite sisseviimisel. Siiski annavad olulise panuse ka selle jaotise alguses märgitud teine ​​ja kolmas tegur. Kuid sellegipoolest mõjutab esimene tegur tugevamini lahjendatud tahkete lahuste vastupidavust.

Jääktakistuse muutus 1 at. % lisandit ühevalentsetele metallidele saab leida Linde reegliga, mille järgi

kus a ja b- konstandid sõltuvalt metalli olemusest ja perioodist, mille jooksul see viibib Perioodiline süsteem lisandite aatomite elemendid;Δ Ζ - lahusti metalli ja lisandi aatomi valentside erinevus. Märkimisväärset praktilist huvi pakuvad vabadest töökohtadest ja interstitsiaalsetest aatomitest tingitud takistuse arvutused. Sellised vead tekivad kergesti, kui proovi kiiritatakse suure energiaga osakestega, näiteks reaktori neutronite või kiirendi ioonidega.

Iga juhtiva materjali üks omadusi on takistuse sõltuvus temperatuurist. Kui see on kujutatud graafikuna, kus piki horisontaaltelge on märgitud ajaintervallid (t) ja piki vertikaaltelge oomilise takistuse (R) väärtus, siis saadakse katkendlik joon. Takistuse sõltuvus temperatuurist koosneb skemaatiliselt kolmest osast. Esimene vastab kergele kuumutamisele - sel ajal muutub takistus väga vähe. See juhtub teatud hetkeni, pärast mida tõuseb diagrammi joon järsult üles - see on teine ​​jaotis. Kolmas ja viimane komponent on sirgjoon, mis läheb üles punktist, kus R kasv peatus, horisontaaltelje suhtes suhteliselt väikese nurga all.

füüsiline tähendus See graafik on järgmine: takistuse sõltuvust juhi temperatuurist kirjeldatakse lihtsaga, kuni kuumutamise määr ületab teatud väärtuse, mis on iseloomulik sellele konkreetsele materjalile. Toome abstraktse näite: kui temperatuuril +10°C on aine takistus 10 oomi, siis kuni 40°C juures R väärtus praktiliselt ei muutu, jäädes mõõtevea piiresse. Kuid juba 41 ° C juures tõuseb takistus kuni 70 oomi. Kui temperatuuri edasine tõus ei lõpe, lisandub iga järgmise kraadi kohta veel 5 oomi.

Seda omadust kasutatakse laialdaselt erinevates elektriseadmetes, seega on loomulik esitada andmeid vase kui ühe levinuima materjali kohta. Seega põhjustab vaskjuhi kuumutamine iga täiendava kraadi võrra takistuse suurenemist poole protsendi võrra. konkreetne väärtus (leiate võrdlustabelitest, mis on antud temperatuuril 20°C, pikkusega 1 m ja ristlõikega 1 ruutmm).

Kui metalljuhis ilmub elektrivool - suunaline liikumine elementaarosakesed millel on tasu. Metalli sõlmedes paiknevad ioonid ei suuda elektrone pikka aega oma välistel orbiitidel hoida, seetõttu liiguvad nad kogu materjali mahu ulatuses vabalt ühest sõlmest teise. See kaootiline liikumine on tingitud välisest energiast – soojusest.

Kuigi liikumise fakt on ilmne, ei ole see suunatud, mistõttu seda ei käsitleta vooluna. Elektrivälja ilmumisel orienteeruvad elektronid vastavalt selle konfiguratsioonile, moodustades suunatud liikumise. Aga kuna soojusefekt pole kuhugi kadunud, siis juhuslikult liikuvad osakesed põrkuvad suunatud väljaga. Metallide takistuse sõltuvus temperatuurist näitab voolu läbimise häiringu suurust. Mida kõrgem on temperatuur, seda suurem on juhi R.

Ilmselge järeldus: kuumutamise astet vähendades saate vähendada takistust. (umbes 20°K) iseloomustab täpselt osakeste termilise kaootilise liikumise märkimisväärne vähenemine aine struktuuris.

Juhtivate materjalide käsitletav omadus on leidnud laialdast rakendust elektrotehnikas. Näiteks kasutatakse elektroonilistes andurites juhi takistuse sõltuvust temperatuurist. Teades selle väärtust mis tahes materjali puhul, saab valmistada termistori, ühendada selle digitaal- või analooglugemisseadmega, sooritada vastava skaala gradueerimise ja kasutada alternatiivina.Enamik tänapäevaseid temperatuuriandureid põhinevad sellel põhimõttel, kuna töökindlus on suurem, ja disain on lihtsam.

Lisaks võimaldab takistuse sõltuvus temperatuurist arvutada elektrimootori mähiste soojenemise.

Takistus ja seega ka metallide vastupidavus sõltub temperatuurist, suurenedes selle kasvuga. Juhi takistuse sõltuvus temperatuurist on seletatav asjaoluga, et

1. laengukandjate hajumise intensiivsus (kokkupõrgete arv) suureneb temperatuuri tõustes;

2. nende kontsentratsioon muutub juhi kuumutamisel.

Kogemused näitavad, et mitte liiga kõrgel ja mitte liiga madalal temperatuuril väljendatakse takistuse ja juhi takistuse sõltuvust temperatuurist valemitega:

kus ρ 0 , ρ t - juhi aine eritakistus vastavalt temperatuuril 0 ° C ja t°C; R 0 , R t - juhi takistus 0 °С juures ja t°С, α - temperatuuri takistustegur: mõõdetakse SI-des Kelvinites miinus esimese võimsuseni (K -1). Metalljuhtide puhul on need valemid rakendatavad alates temperatuurist 140 K ja kõrgemal.

Temperatuuri koefitsient Aine takistus iseloomustab kuumutamisel tekkiva takistuse muutumise sõltuvust aine tüübist. See on arvuliselt võrdne juhi takistuse (takistuse) suhtelise muutusega kuumutamisel 1 K võrra.

hαi=1⋅ΔρρΔT,

kus hαi on temperatuuri takistusteguri keskmine väärtus vahemikus Δ Τ .

Kõigile metalljuhtmetele α > 0 ja muutub veidi temperatuuriga. Puhaste metallide jaoks α \u003d 1/273 K -1. Metallides on vabade laengukandjate (elektronide) kontsentratsioon n= konst ja kasv ρ tekib vabade elektronide hajumise intensiivsuse suurenemise tõttu kristallvõre ioonidel.

Elektrolüütide lahuste jaoks α < 0, например, для 10%-ного раствора поваренной соли α \u003d -0,02 K -1. Elektrolüütide takistus väheneb temperatuuri tõustes, kuna molekulide dissotsiatsioonist tulenev vabade ioonide arvu suurenemine ületab ioonide hajumise suurenemist kokkupõrgete ajal lahusti molekulidega.

Sõltuvusvalemid ρ ja R elektrolüütide temperatuuri kohta on sarnased ülaltoodud metalljuhtide valemitega. Tuleb märkida, et see lineaarne sõltuvus säilib ainult väikeses temperatuurivahemikus, milles α = konst. Temperatuurimuutuste suurte intervallide korral muutub elektrolüütide takistuse sõltuvus temperatuurist mittelineaarseks.

Graafiliselt on metalljuhtide ja elektrolüütide takistuse sõltuvused temperatuurist näidatud joonistel 1, a, b.

Väga madalatel temperatuuridel, absoluutse nulli lähedal (-273 °C), langeb paljude metallide takistus järsult nulli. Sellele nähtusele on antud nimi ülijuhtivus. Metall läheb ülijuhtivasse olekusse.

Metallide takistuse sõltuvust temperatuurist kasutatakse takistustermomeetrites. Tavaliselt võetakse sellise termomeetri termomeetriliseks korpuseks plaatinatraat, mille takistuse sõltuvust temperatuurist on piisavalt uuritud.

Temperatuuri muutusi hinnatakse traadi takistuse muutuse järgi, mida saab mõõta. Need termomeetrid võivad mõõta väga madalat ja väga madalat kõrged temperatuurid kui tavalised vedeliktermomeetrid ei sobi.

Ülijuhtivuse fenomen

ÜLIJUHTIVUS- nähtus, et paljud chem. elemendid, ühendid, sulamid (nimetatakse ülijuhtideks), kui need jahutatakse alla teatud väärtuse. (sellele materjalile iseloomulik) temperatuur T s toimub üleminek normaalselt nö. ülijuhtiv olek, milles nende elektrilised. DC takistus vool puudub täielikult. Selles üleminekus on struktuurne ja optiline (piirkonnas nähtav valgus) ülijuhtide omadused jäävad praktiliselt muutumatuks. Elektriline ja magn. ülijuhtivas olekus (faasis) oleva aine omadused erinevad järsult samadest omadustest normaalolekus (kus need on reeglina metallid) või teiste materjalide omadustest, mis ei lähe ülijuhtivasse olekusse. sama temperatuur.

S. fenomeni avastas G. Kamerlingh-Onnes (N. Kamerlingh-Onnes, 1911), uurides elavhõbeda vastupidavuse kulgu madalal temperatuuril. Ta leidis, et kui elavhõbeda traat jahutada alla 4 K, hüppab selle takistus nulli. Normaalse oleku saab taastada, juhtides näidist läbi piisavalt tugeva voolu [ületab kriitiline vool I C (T)] või asetades selle piisavalt tugevasse välisesse. magn. väli [ületab kriitiline magnetväli H C (T)].

1933. aastal avastasid F. W. Meissner ja R. Ochsenfeld veel ühe ülijuhtidele iseloomuliku olulise omaduse (vt. Meissneri efekt:) tel. magn. väli vähem kui mõni kriitiline. väärtus (olenevalt aine tüübist) ei tungi sügavale ülijuhti, millel on lõpmatu tahke silindri kuju, mille telg on suunatud piki välja ja erineb nullist ainult õhukese pinnakihi poolest. See avastus võimaldas F. ja G. Londonil (F. London, H. London, 1935) sõnastada fenomenoloogilised. ülijuhtide magnetostaatikat kirjeldav teooria (vt Londoni võrrand), kuid S. olemus jäi ebaselgeks.

Ülivoolavuse avastamine 1938. aastal ja selle nähtuse seletus L. D. Landau poolt tema sõnastatud kriteeriumi alusel (vt Landau ülivoolavuse teooria) Bose osakeste süsteemide jaoks andis alust oletada, et ülivoolavust saab tõlgendada elektroni ülivoolavusena. vedelik, kuid elektronide Fermi olemus ja nendevaheline tõukejõud ei võimaldanud ülivoolavuse teooriat lihtsalt S-le üle kanda. 1950. aastal V. L. Ginzburg ja Landau 2. tüüpi faasisiirete teooria põhjal (vt. Landau teooria), sõnastas fenomenoloogilise. ur-tion, mis kirjeldab termodünaamikat ja e-magn. ülijuhtide omadused peaaegu kriitilised. temp. T s. Mikroskoopi ehitamine teooria (vt allpool) põhjendas Ginzburg-Landau teooriat ja selgitas selles sisalduvaid fenomenoloogilisi elemente. ur-siooni konstant. Avanemise sõltuvus kriitiline. temp. T süleminek metalli ülijuhtivasse olekusse selle isotoopkoostisest (isotoobiefekt, 1950) andis tunnistust kristalse mõjust. võred C-l. See võimaldas X. Frohlichil (N. Frohlich) ja J. Bardeenil (J. Bardeen) demonstreerida elektronide vahelise esinemise võimalust kristallide juuresolekul. spetsiifilise külgetõmbe võred, mis võivad domineerida nende Coulombi tõrjumise üle ja seejärel L. Cooperile (L. Cooper, 1956) - elektronide poolt seotud olekute moodustumise võimalus - Cooperi paarid (Cooperi efekt).

1957. aastal koostasid J. Bardin, L. Cooper ja J. Shrpffer (J. Schrieffer) mikroskoopilised. S. teooria, mis selgitas seda nähtust Cooperi elektronpaaride Bose kondensatsiooni põhjal ja võimaldas lihtsa mudeli raames kirjeldada ka paljusid teisi (vt Bardeen - Cooper - Schrieffer mudel, BCS mudel) . ülijuhtide omadused.

Praktiline ülijuhtide kasutamist piirasid madalad kriitilised väärtused. väljad (~1 kOe) ja temperatuur (~20 K). 1952. aastal A. A. Abrikosov ja N. N. Zavaritskii, katsete analüüsi põhjal. kriitilised andmed. magn. õhukeste ülijuhtivate kilede väljad näitasid uue ülijuhtide klassi olemasolu (L. V. Shubnikov kohtas nende ebatavalisi magnetilisi omadusi juba 1937. aastal, üks olulisemaid erinevusi tavapärastest ülijuhtidest on ülijuhtiva voolu võimalikkus mittetäielikuga magnetvälja nihkumine ülijuhi ruumalalt laias valikus magnetväljadesse). See avastus määras täiendavalt kindlaks ülijuhtide jagunemise esimest tüüpi ülijuhtideks ja teist tüüpi ülijuhtideks.Teist tüüpi ülijuhtide kasutamine võimaldas hiljem luua kõrge kriitilisusega ülijuhtivaid süsteeme. väljad (sadu kOe suurusjärgus).

Otsige kõrge kriitilisusega ülijuhte. pace-rami stimuleeris uut tüüpi materjalide uurimist. Paljusid on uuritud. sünteesiti ülijuhtivate süsteemide klasse, orgaanilisi ülijuhte ja magnetilisi ülijuhte, kuid kuni 1986. aastani max. kriitiline temp-pa täheldati Nb 3 Ge sulami puhul ( T s 23 K). 1986. aastal avastasid J. G. Bednorz ja K. A. Muller uus klass metalloksiidi kõrgtemperatuursed ülijuhid (HTSC) (vt Oxide high-temperature superconductors), kriitiline. temp-pa to-rykh järgmise kahe aasta jooksul "tõsteti" 30-35 K-lt 120-125 K-ni. Neid ülijuhte uuritakse intensiivselt, otsitakse uusi ja täiustatakse tehnoloogiaid. olemasolevate omadused, mille alusel teatud seadmeid juba luuakse.

Oluliseks saavutuseks S. valdkonnas oli avastus 1962. aastal josephsoni efekt tunneldamine Cooper paarib kahe ülijuhi vahel läbi õhukese dielektriku. kiht. See nähtus pani aluse uus piirkondülijuhtide rakendused (vt Nõrk ülijuhtivus, krüoelektroonilised seadmed).

Loodus ülijuhtivus. S. fenomen on tingitud elektronidevahelise korrelatsiooni ilmnemisest, mille tulemusena moodustavad nad Cooperi paarid, mis järgivad Bose'i statistikat ja elektronvedelik omandab ülivoolavuse. Fononi mudelis S. toimub elektronide sidumine spetsiifilise, mis on seotud kristallilise olemasoluga. fononi atraktsioonivõred. Isegi kõhulihastega. nulltemperatuuri korral võre võngub (vt joonis 1). Null vibratsiooni, kristallvõre dünaamika). El - staatiline. elektroni interaktsioon võre ioonidega muudab nende võnkumiste olemust, mis toob kaasa lisamise ilmnemise. teistele elektronidele mõjuv tõmbejõud. Seda külgetõmmet võib pidada virtuaalsete fononite vahetuseks elektronide vahel. See külgetõmme seob elektronid kitsas kihis piiri lähedal Fermi pinnad. Selle kihi paksus energeetilises. skaala määratakse max. fononi energia , kus wD on Debye sagedus, v s- heli kiirus, o - võre konstant(vt Debye temperatuur ; ) impulsiruumis vastab see paksuskihile , kus v F on elektronide kiirus Fermi pinna lähedal. Määramatuse seos annab foonide interaktsioonipiirkonna iseloomuliku skaala koordinaatruumis:
kus M on tuuma iooni mass, t on elektroni mass. Suurus cm, st fononi külgetõmme osutub pikamaaliseks (võrreldes aatomitevaheliste kaugustega). Elektronide Coulombi tõukejõud ületab tavaliselt mõnevõrra fononi külgetõmbe suurusjärku, kuid aatomitevahelistel vahemaadel toimuva sõelumise tõttu nõrgeneb see tõhusalt ja fononi külgetõmbejõud võib domineerida, ühendades elektronid paarideks. Cooperi paari suhteliselt väike sidumisenergia osutub oluliselt väiksemaks kineetiline energia elektronid, seega vastavalt kvantmehaanika, seotud olekud ei oleks tohtinud tekkida. Kuid antud juhul räägime paaride moodustumisest mitte vabadest isolaatidest. elektronid kolmemõõtmelises ruumis, kuid Fermi vedeliku kvaasiosakestest, mille Fermi pind on täidetud. See viib tegelikuni kolmemõõtmelise probleemi asendamine ühemõõtmelisega, kus seotud olekud tekivad meelevaldselt nõrga külgetõmbe korral.

BCS mudelis on vastandmomendiga elektronid paaris R ja - R(Cooperi paari summaarne impulss on 0). Paari orbitaalmoment ja koguspinn on samuti võrdsed 0-ga. Teoreetiliselt on teatud mittefonoonsete sfääriliste mehhanismide puhul võimalik ka elektronide paaristumine nullist erineva orbitaalimpulsiga. Ilmselt toimub paaristumine sellisesse olekusse ülijuhtides raskete fermionidega (nt CeCu 2 Si 2 , CeCu 6 , UB 13 , CeA1 3 ).

Ülijuhis temperatuuril T < T s mõned elektronid, mis on ühendatud Cooperi paarideks, moodustavad Bose kondensaadi (vt joonis 1). Bose-Einsteini kondensatsioon). Kõiki Bose kondensaadi elektrone kirjeldatakse ühe koherentse lainefunktsiooniga. Ülejäänud elektronid on ergastatud ülekondenseeritud olekus (Fermi kvaasiosakesed) ja nende energia. spekter on ümber paigutatud võrreldes elektronide spektriga tavalises metallis. Isotroopses BCS mudelis elektroni energia e sõltuvus impulsist Rülijuhis on kujul ( p F – Fermi impulss):

Riis. Joonis 1. Ülijuhi elektronide energiaspektri ümberkorraldamine (pidev joon) võrreldes tavalise metalliga (katkendjoon).

Riis. 2. BCS mudeli energiavahe temperatuurisõltuvus.

Seega tekib Fermi taseme lähedal (joonis 1) spektris energiavahe (1). Et erutada elektrooniline süsteem sellise spektri puhul on vaja vähemalt üks Cooperi paar purustada. Kuna sel juhul moodustub kaks elektroni, on nende kummagi energia mitte väiksem kui , seega on Cooperi paari sidumisenergia mõistlik. Vahe suurus sõltub oluliselt temperatuurist (joon. 2), kusjuures ta käitub nagu T = 0 jõuab max. väärtused ja

kus on ühe elektroni olekute tihedus Fermi pinna lähedal, g- eff. elektronidevaheline tõmbekonstant.

BCS-mudelis eeldatakse, et elektronidevaheline side on nõrk ja kriitiline. temp-pa osutub iseloomulike fononisagedustega võrreldes väikeseks . Paljude ainete (nt Pb) puhul ei ole see tingimus aga täidetud ja parameeter (tugev side). Isegi lähendamist käsitletakse kirjanduses. Ülijuhte, millel on tugev side elektronide vahel, kirjeldab nn. Eliashbergi võrrandid (G. M. Eliashberg, 1968), millest on selge, et väärtus T s põhimõttelisi piiranguid pole.

Tühja olemasolu elektronspektris viib eksponentsiaalini. kõigi nende elektronide arvuga määratud suuruste sõltuvused madalate temperatuuride piirkonnas (näiteks elektroonika soojusmahtuvus ja soojusjuhtivus, helineeldumistegur ja madalsagedus el-magn. kiirgus).

Kaugel Fermi tase väljend (1) kirjeldab energeetilist. normaalse metalli elektronspekter, st paaritumisefekt mõjutab elektrone momentidega laiuse piirkonnas. Cooperi korrelatsiooni ruumiline skaala (paari "suurus") . Korrelatsiooni pikkus on cm (alumise piiri realiseerib HTSC), kuid tavaliselt ületab see palju kristalli perioodi. restid.

Al-dünaamiline ülijuhtide omadused sõltuvad standardkorrelatsiooni vahelisest seosest. pinnakihi pikkus ja iseloomulik paksus, milles e-magn.suurus oluliselt muutub. väljad, kus n s on ülijuhtivate (paaritud) elektronide kontsentratsioon, e on elektroni laeng. Kui (selline piirkond on alati lähedal T s, sest kl ), siis võib Cooperi paare käsitleda punktipaaridena, seega ülijuhi elektridünaamika on lokaalne ja ülijuhtiva voolu määrab vektori potentsiaali väärtus AGAülijuhi vaadeldavas punktis (Londoni võrrand). Kell ilmnevad Cooperi paaride kondensaadi koherentsed omadused, el-dünaamika muutub mittelokaalseks - vool antud punktis määratakse väärtustega AGA terves piirkonnas ( Pippardi võrrand Tavaliselt on see olukord massiivsete puhaste ülijuhtide puhul (piisaval kaugusel nende pinnast).

Metalli üleminek normaalolekust ülijuhtivasse olekusse magnetvälja puudumisel. väli on teist järku faasisiire. Seda üleminekut iseloomustab keeruline skalaarjärjestuse parameeter – Cooperi paaride Bose kondensaadi lainefunktsioon, kus r- ruumiline koordinaat. BCS mudelis [for T = T s , ja millal T = O]. Samuti on oluline lainefunktsiooni faas: ülijuhtiva voolu tihedus j s määratakse selle faasi gradiendi kaudu:

kus * märk tähistab keerulist konjugatsiooni. Ka voolutiheduse j s väärtus kaob, kui T = T s. Faasisiirde normaalset metalli ülijuhti võib pidada spontaanse sümmeetria katkemise tulemuseks rühma suhtes sümmeetriaU(l) lainefunktsiooni gabariidi teisendused . Füüsiliselt vastab see allolevale rikkumisele T s elektronide arvu säilimine seoses nende paaristamisega ja seda väljendatakse matemaatiliselt nullist erineva ilmumisega, vt. tellida parameetrite väärtused

Lõhe energias. elektronide spekter ei kattu alati järjestusparameetri mooduliga (nagu see on BCS mudeli puhul) ega kattu üldse vajalik tingimus C. Näiteks kui ülijuhti sisestatakse paramagnet. lisandeid teatud kontsentratsioonivahemikus, võib realiseerida lünkadeta S. (vt allpool). Omapärane pilt S.-st kahemõõtmelistes süsteemides, kus termodünaamiline. tellimuse parameetri faasi kõikumised hävitavad kaugjärjestuse (vt joonis 1). Mermin-Wagner teoreem), ja ometi toimub S.. Selgub, et ülijuhtiva voolu j s olemasolu vajalik tingimus ei ole isegi mitte kaugjärjestuse olemasolu (järjekorraparameetri lõplik keskmine väärtus), vaid nõrgem tingimus korrelatsiooni võimsusseaduse vähenemiseks. funktsiooni

termilised omadused. Ülijuhi (nagu ka tavalise metalli) soojusmahtuvus koosneb elektronist Ces ja võre Cps komponent. Indeks s viitab ülijuhtivuse faasile, P- normaalseks e- elektroonilisele komponendile, R- võre külge.

Ülijuhtivale olekule ülemineku ajal soojusmahtuvuse võreosa peaaegu ei muutu, samas kui elektrooniline osa suureneb järsult. BCS teooria raames isotroopse spektri jaoks

Kui väärtus Ces väheneb eksponentsiaalselt (joon. 3) ja ülijuhi soojusmahtuvuse määrab selle võreosa Cps ~ T 3. Iseloomulik eksponentsiaalne sõltuvus Ces võimaldab otsest mõõtmist. Selle sõltuvuse puudumine näitab, et Fermi pinna teatud punktides on energia vahe läheb nulli. Suure tõenäosusega on viimane tingitud elektronide külgetõmbemehhanismist (näiteks raskete fermionidega süsteemides, kus UB 13 ja CeCuSi 2 puhul madalatel temperatuuridel).

Riis. 3. Soojusmahtuvuse hüpe ülijuhtivasse olekusse üleminekul.

Metalli soojusjuhtivus ülijuhtivasse olekusse üleminekul ei koge hüpet, s.t. . Sõltuvus on põhjustatud mitmetest teguritest. Ühest küljest aitavad elektronid ise kaasa soojusjuhtivusele, mis temperatuuri langedes ja Cooperi paaride moodustumisel väheneb. Teisest küljest hakkab fononite panus m ps mõnevõrra suurenema, kuna elektronide arvu vähenemisega suureneb fononite keskmine vaba tee (Cooperi paarideks ühendatud elektronid ei hajuta fononeid ega kanna ise soojust edasi). Seega, samas kui . Puhastes metallides, kus kõrgem T s prevaleerib soojusjuhtivuse elektrooniline osa, see jääb määravaks ka ülijuhtivasse olekusse üleminekul; selle tulemusena kõikidel madalamatel temperatuuridel T s. Sulamites, vastupidi, määrab soojusjuhtivuse peamiselt selle fononiosa ja see hakkab läbimisel paaritute elektronide arvu vähenemise tõttu suurenema.

Magnetilised omadused. Tulenevalt ülijuhis voolavate mittehajutavate ülijuhtivate voolude võimalusest määratakse kindlaks määramisel. katsetingimustes ilmneb Meissneri efekt, st käitub mitte liiga tugeva välise mõju juures. magn. väljad ideaalse diamagnetina (magnetiline vastuvõtlikkus). Niisiis, proovi jaoks, millel on homogeenses välisküljes pika täissilindri kuju. magn. valdkonnas H rakendatakse piki selle telge, proovi magnetiseerimine . Ekstrusiooniväli. magn. suurem osa ülijuhist põhjustab selle vaba energia vähenemise. Sel juhul voolavad sõeluvad ülijuhtivad voolud õhukese pinnakihina cm See väärtus iseloomustab ka välise läbitungimissügavust. magn. väljad proovis.

Vastavalt oma käitumisele piisavalt tugevates väljades jagatakse ülijuhtivad materjalid kahte rühma: 1. ja 2. tüüpi ülijuhid (joonis 4). Algus magnetiseerimiskõverate osa (kus ) vastab täielikule Meissneri efektile. 1. ja 2. tüüpi ülijuhtide kõverate edasine kulg erineb oluliselt.

Riis. 4. 1. ja 2. tüüpi ülijuhtide magnetiseerimise sõltuvus välisest magnetväljast.

1. tüüpi ülijuhid kaotavad oma S. järsult (1. tüüpi faasisiire): kas antud väljale vastava kriitilise väärtuse saavutamisel. temp. T C (N), või ext. väljad kriitiliseks väärtused H C (T)(termodünaamiline kriitiline väli). Magnetilises toimuva faasisiirde punktis. valdkonnas, energeetilises. 1. tüüpi ülijuhi spektris tekib kohe lõpliku suurusega tühimik. Kriitiline valdkonnas H C (T) määrab löökide erinevuse. vaba energia ülijuht F s ja normaalne F lk faasid:

Varjatud ud. faasisiirde soojus

kus S n ja S s- ud. vastavate faaside entroopiad. Beat-hüpe soojusmahtuvus juures T = T koos

Välise puudumisel magn. väljad aadressil T = T s suurusjärk Q= Oh, see tähendab, et toimub 2. tüüpi üleminek.

BCS mudeli järgi termodünaamiline kriitiline valdkond on seotud kriitilisega. temp-parve suhe

ja selle sõltuvus temperatuurist kõrge ja madala temperatuuri piiravatel juhtudel on järgmine:

Riis. 5. Termodünaamilise kriitilise magnetvälja Hc sõltuvus temperatuurist.

Mõlemad piirväärtused f-ly on lähedased empiirilisele. seos , mis kirjeldab hästi tüüpilisi katseid. andmed (joon. 5). Mittesilindrilise puhul kogemuse geomeetria, kui ületatakse välisväärtus. magn. välja määratletud kogused H 0 = (1 - N)H C (N - demagnetiseeriv tegur) 1. tüüpi ülijuht läheb vahepealsesse olekusse : proov jaotatakse normaal- ja ülijuhtivate faaside kihtideks, millede mahtude suhe sõltub väärtusest H. Proovi üleminek normaalolekusse toimub järk-järgult, suurendades vastava faasi osakaalu.

Vaheseisund võib tekkida ka siis, kui ülijuhti läbib vool, mis ületab teatud kriitilise väärtuse. tähenduses On, mis vastab loomisele proovi pinnale kriitiline. magn. väljad N s.

Vaheoleku tekkimine 1. tüüpi ülijuhis ning lõpliku suurusega ülijuhtivate ja normaalfaaside kihtide vaheldumine on võimalik ainult eeldusel, et nende faaside vaheline liides on positiivse pinnaenergiaga. Suurus ja märk sõltuvad omavahelisest suhtest

Suhe kutsus parameeter Ginzburg - Landau ja mängib olulist rolli fenomenoloogilises. teooria C. Märk (või x väärtus) võimaldab ülijuhi tüübi rangelt määrata: 1. tüüpi ülijuhi puhul ja; 2. tüüpi ülijuhtide ja 2. tüüpi ülijuhtide hulka kuuluvad puhas Nb, enamik ülijuhtivaid sulameid, orgaanilisi ja kõrge temperatuuriga ülijuhte.

Seetõttu on 2. tüüpi ülijuhtide puhul 1. tüüpi faasiüleminek normaalolekusse võimatu. Vaheolekut ei realiseerita, kuna faasipiiridel olev pind oleks negatiivse väärtusega. energiat ja ei mängiks enam lõpmatut killustatust piirava teguri rolli. Piisavalt nõrkade väljade ja 2. tüüpi ülijuhtide puhul toimub Mensneri efekt. Madalamale jõudmisel kriitiline väljad H C1(juhul ), mis osutub antud juhul formaalselt arvutatust väiksemaks H S muutub energeetiliselt soodsaks magnetilise läbitungimiseks. väljad ülijuhiks üksikute keeriste kujul (vt Kvantiseeritud keerised), millest igaüks sisaldab ühte magnetvookvanti. 2. tüüpi ülijuht läheb segaolekusse.

« Füüsika – 10. klass

Millist füüsikalist suurust nimetatakse takistuseks
Millest ja kuidas sõltub metalljuhi takistus?

Erinevatel ainetel on erinev takistus. Kas takistus sõltub juhi olekust? tema temperatuurist? Vastus peab tulema kogemusest.

Kui juhite akust voolu läbi terasspiraali ja seejärel hakkate seda põleti leegis kuumutama, näitab ampermeeter voolutugevuse vähenemist. See tähendab, et temperatuuri muutudes muutub juhi takistus.

Kui temperatuuril 0 ° C on juhi takistus R 0 ja temperatuuril t on see võrdne R, siis on takistuse suhteline muutus, nagu kogemus näitab, otseselt võrdeline temperatuuri muutusega t :

Proportsionaalsuskoefitsienti α nimetatakse temperatuuri takistusteguriks.

Temperatuuri takistustegur- väärtus, mis võrdub juhi takistuse suhtelise muutuse ja selle temperatuurimuutuse suhtega.

See iseloomustab aine vastupidavuse sõltuvust temperatuurist.

Takistuse temperatuuritegur on arvuliselt võrdne juhi takistuse suhtelise muutusega kuumutamisel 1 K (1 °C võrra).

Kõigi metalljuhtide puhul on koefitsient α > 0 ja see muutub temperatuuriga veidi. Kui temperatuurimuutuste intervall on väike, võib temperatuurikoefitsienti pidada konstantseks ja võrdseks selle keskmise väärtusega selles temperatuurivahemikus. Puhaste metallide jaoks

Elektrolüütide lahustes takistus temperatuuri tõustes ei suurene, vaid väheneb. Nende jaoks α< 0. Например, для 10%-ного раствора поваренной соли α = -0,02 К -1 .

Juhti kuumutamisel muutuvad selle geomeetrilised mõõtmed veidi. Juhi takistus muutub peamiselt selle takistuse muutumise tõttu. Selle takistuse sõltuvuse temperatuurist leiate, kui asendate väärtused valemis (16.1) Arvutused annavad järgmise tulemuse:

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

kus ΔT on absoluutse temperatuuri muutus.

Kuna a muutub juhi temperatuuri muutumisel vähe, siis võib eeldada, et juhi eritakistus sõltub temperatuurist lineaarselt (joonis 16.2).

Takistuse suurenemine on seletatav asjaoluga, et temperatuuri tõustes suureneb ioonide võnkumiste amplituud kristallvõre sõlmedes, mistõttu vabad elektronid põrkuvad nendega sagedamini, kaotades oma liikumissuuna. Kuigi koefitsient a on üsna väike, on kütteseadmete parameetrite arvutamisel takistuse sõltuvuse arvessevõtmine temperatuurist absoluutselt vajalik. Niisiis suureneb hõõglambi volframhõõgniidi takistus rohkem kui 10 korda, kui vool läbib seda kuumutamise tõttu.

Mõnede sulamite, näiteks vase ja nikli sulami (Konstantin) puhul on temperatuuri takistustegur väga väike: α ≈ 10 -5 K -1; Konstantini eritakistus on suur: ρ ≈ 10 -6 oomi m. Selliseid sulameid kasutatakse võrdlustakistite ja mõõteriistade lisatakistite valmistamiseks, st juhtudel, kui on vaja, et takistus ei muutuks märgatavalt temperatuurikõikumiste korral .

On ka selliseid metalle, näiteks nikkel, tina, plaatina jne, mille temperatuurikoefitsient on palju suurem: α ≈ 10 -3 K -1 . Nende takistuse sõltuvust temperatuurist saab kasutada temperatuuri enda mõõtmiseks, mis viiakse läbi takistustermomeetrid.

Pooljuhtmaterjalidest valmistatud seadmed põhinevad ka takistuse sõltuvusel temperatuurist - termistorid. Neid iseloomustab suur temperatuuritakistustegur (kümneid kordi kõrgem kui see metallide koefitsient), omaduste stabiilsus ajas. Termistoride takistused on palju kõrgemad kui metallitakistustermomeetritel, tavaliselt 1, 2, 5, 10, 15 ja 30 kΩ.

Tavaliselt võetakse takistustermomeetri peamiseks tööelemendiks plaatinatraat, mille temperatuurisõltuvus on hästi teada. Temperatuurimuutusi hinnatakse traadi takistuse muutuse järgi, mida saab mõõta.Selliste termomeetritega saab mõõta väga madalaid ja väga kõrgeid temperatuure, kui tavapärased vedelikutermomeetrid ei sobi.

Ülijuhtivus.

Metallide vastupidavus väheneb temperatuuri langedes. Mis juhtub, kui temperatuur läheneb absoluutsele nullile?

1911. aastal avastas Hollandi füüsik X. Kamerling-Onnes tähelepanuväärse nähtuse – ülijuhtivus. Ta leidis, et elavhõbeda jahutamisel vedelas heeliumis muutub selle takistus esmalt järk-järgult ja seejärel langeb temperatuuril 4,1 K väga järsult nullini (joonis 16.3).

Nimetatakse nähtust, kus juhi takistus langeb kriitilisel temperatuuril nullini ülijuhtivus.

Kamerling-Onnesi avastamine, mille eest ta pälvis 1913. aastal Nobeli preemia, viis ainete omaduste uurimiseni madalatel temperatuuridel. Hiljem avastati palju teisi ülijuhte.

Paljude metallide ja sulamite ülijuhtivust täheldatakse väga madalatel temperatuuridel – alates umbes 25 K. Viitetabelites on toodud mõningate ainete üleminekutemperatuurid ülijuhtivusseisundisse.

Temperatuuri, mille juures aine muutub ülijuhtivaks, nimetatakse kriitiline temperatuur.

Kriitiline temperatuur ei sõltu ainult aine keemilisest koostisest, vaid ka kristalli enda struktuurist. Näiteks hall tina on teemantstruktuuriga kuubikuga kristallvõre ja on pooljuht ning valgel tinal on tetragonaalne elementelement ja see on hõbevalge, pehme, plastiline metall, mis on võimeline minema ülijuhtivasse olekusse temperatuuril 3,72 K.

Ülijuhtivas olekus ainetel oli teravaid kõrvalekaldeid nende magnetilistes, termilistes ja mitmetes muudes omadustes, mistõttu oleks õigem rääkida mitte ülijuhtivast olekust, vaid aine erilisest olekust, mida täheldatakse madalatel temperatuuridel.

Kui rõngasjuhis, mis on ülijuhtivas olekus, tekitatakse vool ja seejärel vooluallikas eemaldatakse, siis selle voolu tugevus ei muutu meelevaldselt pikka aega. Tavalises (mitteülijuhtivas) juhis elektrivool sel juhul peatub.

Ülijuhte kasutatakse laialdaselt. Niisiis ehitatakse ülijuhtiva mähisega võimsaid elektromagneteid, mis loovad magnetvälja pikaks ajaks energiat kulutamata. Pealegi ülijuhtivas mähises soojust ei teki.

Ülijuhtiva magneti abil on aga võimatu saada meelevaldselt tugevat magnetvälja. Väga tugev magnetväli hävitab ülijuhtiva oleku. Sellise välja võib tekitada ka ülijuhtivas olekus olev vool.Seetõttu on iga ülijuhtivas olekus oleva juhi jaoks kriitiline voolutugevuse väärtus, mida ülijuhtivusseisundit rikkumata ületada ei saa.

Ülijuhtivaid magneteid kasutatakse elementaarosakeste kiirendites, magnetohüdrodünaamilistes generaatorites, mis muudavad magnetväljas liikuva kuuma ioniseeritud gaasi joa mehaanilise energia elektrienergiaks.

Ülijuhtivuse selgitus on võimalik ainult selle põhjal kvantteooria. Selle andsid alles 1957. aastal Ameerika teadlased J. Bardeen, L. Cooper, J. Schrieffer ja Nõukogude teadlane, akadeemik N. N. Bogolyubov.

1986. aastal avastati kõrgtemperatuuriline ülijuhtivus. Lantaani, baariumi ja teiste elementide (keraamika) komplekssed oksiidühendid on saadud ülijuhtivasse olekusse ülemineku temperatuuriga umbes 100 K. See on kõrgem kui vedela lämmastiku keemistemperatuur atmosfääri rõhk(77 K).

Kõrgtemperatuuriline ülijuhtivus toob lähitulevikus kindlasti kaasa uue tehnilise revolutsiooni kogu elektrotehnikas, raadiotehnikas ja arvutidisainis. Nüüd takistab selles valdkonnas edusamme vajadus jahutada juhte kalli gaasi - heeliumi - keemistemperatuurini.

Ülijuhtivuse füüsikaline mehhanism on üsna keeruline. Väga lihtsustatult saab seda seletada järgmiselt: elektronid ühendatakse korrapäraseks jooneks ja liiguvad ioonidest koosneva kristallvõrega kokku põrkamata. See liikumine erineb oluliselt tavapärasest termiline liikumine, mille juures vaba elektron liigub juhuslikult.

Jääb loota, et ülijuhte on võimalik luua ka toatemperatuuril. Generaatorid ja elektrimootorid muutuvad ülimalt kompaktseks (mitu korda väiksemaks) ja ökonoomsemaks. Elektrit saab edastada mis tahes vahemaa tagant ilma kadudeta ja koguda lihtsatesse seadmetesse.