Как влияет на удельное сопротивление проводника его деформация?

19 ответов на вопрос “Как влияет на удельное сопротивление проводника его деформация?”

  1. Purge Ответить

    На участке 4 вблизи температуры плавления имеет некоторая нелинейность, что объясняется другими механизмами рассеивания электронов.
    При переходе металла из твердого состояния в жидкое (температура плавления Тпл) может иметь место как резкое возрастание удельного сопротивления (а), так и его уменьшение (б). Это связано с изменением структуры кристаллической решетки. Если при плавлении объем металла возрастает, что имеет место для большинства металлов, то расстояние между атомами тоже возрастает, металлическая связь уменьшается, а амплитуда фононов возрастает, что уменьшает длину свободного пробега электронов, следовательно, сопротивление металла возрастает. Для некоторых металлов (висмут, галлий) при плавлении объем металла уменьшается, что усиливает связи между атомами, амплитуда фононов уменьшается и удельное сопротивление тоже уменьшается.
    На участке 5 металлы находятся в жидком состоянии и сохраняют кристаллическую решетку, поэтому зависимость удельного сопротивления от температуры поясняется аналогично участку 3.
    На участке 2, ниже температуры Дебая (ТД) изменяется частота тепловых колебаний узлов кристаллической решетки, поэтому зависимость ? = ¦(Т) нелинейна и подчиняется закону:
    ? = A?Tn (4.9)
    где n – изменяется от 1 до 5.
    На участке 1 некоторые металлы имеют конечное сопротивление (rост) даже при температуре Т=0 К. Это объясняется наличием в металле статических дефектов решетки, прежде всего примесей. Это позволяет оценивать чистоту металлов на основании отношения:
    ?300K / ?4K
    где ?300K , ?4K – соответственно удельное сопротивление металла при 300 К и 4,2 К (температура кипения жидкого гелия). Чем меньше это отношение, тем чище металл.
    У некоторых металлов при температуре ниже Тсв наблюдается резкое уменьшение удельного сопротивления до нуля. Такое явление называют сверхпроводимостью.
    Таким образом, согласно (4.9) металлические проводники в обычных условиях имеют линейную зависимость удельного сопротивления от температуры.
    Влияние примесей на удельное сопротивление металлических проводников.Как уже говорилось, причинами рассеяния электронов в металлах являются не только тепловые колебания узлов кристаллической решетки, но и наличие статических дефектов, которые, прежде всего связанные с примесями. Рассеивание на статических дефектах не зависит от температуры. Поэтому при абсолютном нуле сопротивление реальных металлов остается конечным. Из этого следует правило Маттиссена об аддитивности удельного сопротивления:
    ?пр = ?т + ?ост (4.10)
    где ?пр – полное сопротивление металла с примесью;
    ?т – сопротивление, обусловленное рассеянием электронов на фононах;
    ?ост – остаточное сопротивление, обусловленное рассеиванием электронов на статических дефектах решетки.
    Наибольший вклад в остаточное сопротивление вносит рассеяние на примесных атомах, которые практически всегда имеются в металлах. Поэтому длина свободного пробега электронов в металлах с примесью состоит из:
    1/lсв = 1/?Т +1/?д (4.11)
    где lТ, lД – длина свободного пробега электронов, ограниченная фононами и примесями, соответственно.
    Длина пробега lД:
    1/?д ? Nd Sd (4.12)
    где Nd – концентрация атомов примеси;
    Sd – эффективная плоскость рассеивания электронов атомами примеси.
    Тогда удельное сопротивление проводника с примесью:
    (4.13)
    То есть наличие примесь увеличивает удельное сопротивление металла, но его зависимости от температуры остается линейной (рис. 4.3)
    Различные примеси по-разному влияют на сопротивление металла. Это зависит от деформаций кристаллической решетки атомами примеси. Чем большая разность в размерах собственных и примесных атомов, тем больше остаточное сопротивление. То есть выполнится правило Линде:
    D?ост = а +b(DZ)2 (4.14)
    где D?ост – изменение остаточного сопротивления при изменении примеси;
    DZ – разность валентностей собственного атома и атома примеси;
    а, b – константы.
    Таким образом, на сопротивление металлов меньшее влияние оказывают примесные атомы металла, а большее – атомы металлоидов.
    В технике очень широко используют металлические сплавы, имеющие значительную концентрацию атомов примеси, со структурой неупорядоченного твердого раствора. Статическое распределение атомов разного вида в узлах кристаллической решетки вызывает значительные флюктуации периодического поля кристалла, рассеивающего электроны. Но в неупорядоченных твердых растворах, преимущественно с добавкой примеси, изменяется только период решетки. Поэтому действителен закон Нордгейма:
    D?ocт = C.xA.xB = C. xB (1-xB) = C.xA(1-xA) (4.15)
    де С – константа;
    xА, xВ – атомные доли компонентов в сплаве.
    То есть в бинарных твердых растворах А-В остаточное сопротивление возрастает, как при добавлении атомов металла В к металлу А, так и при добавленные атомов металла А к металлу В (рис. 4.4). Остаточное сопротивление достигает максимума при xА = xВ = 0,5.
    Закон Нордгейма описывает изменение остаточного сопротивления для непрерывных неупорядоченных твердых растворов. Если сплав отжечь, то он может стать упорядоченным и, если при этом возникают интерметаллические соединения, которые имеют собственную кристаллическую решетку, то зависимость остаточного сопротивления разделяется на части, соответственно числу интерметаллических соединений. Таким образом, удельное сопротивление металлических сплавов всегда выше сопротивления чистых металлов. Это свойство используется для получения высокоомных проводниковых материалов.
    Изменение удельного сопротивления при упругих деформациях объясняется изменением амплитуды колебания узлов кристаллической решетки металла. Увеличение амплитуды колебания узлов решетки металла приводит к уменьшению длины свободного пробега носителей заряда и удельное сопротивление возрастает. Пластическая деформация, как правило, повышает удельное сопротивление металлов вследствие искажения кристаллической решетки. При рекристаллизации путем термической обработки (отжига) удельное сопротивление может вновь снижено до первоначальных значений.
    Температурный коэффициент удельного сопротивления.В диа­пазоне температуры, где зависимость r от t близка к линейной (рис. 4.2, участок 3) допустима линейно-кусочная аппроксимация этой зависимости, и величина удельного сопротивления в конце диапазона температу­ры t может быть подсчитана по формуле
    rt = r0(1+art) (4.16)
    где r0—удельное сопротивление в начале диапазона.
    Величину ar из выражения (4.) называют средним темпера­турным коэффициентом удельного сопротивления в данном диа­пазоне температуры:
    , К-1 (4.17)
    Дифференциальное выражение для ar имеет вид
    , К-1 (4.18)
    Значения ar чистых металлов в твердом состоянии близки друг к другу, и поэтому приближенно можно считать ar » 0,004 , К-1.
    Исключение составляют элементы, относящиеся к ферромагнетикам — железо, никель, кобальт, гадолиний, а также натрий, ка­лий, хром и др., однако и для них ar отличается от приведенной величины только в 1,5—2 раза.
    Наличие примесей уменьшает значение ??. У некоторых сплавов ??. даже может приобретать небольшие отрицательные значения (рис.4.5). Это объясняют тем, что при более сложных составе и структурax по сравнению с чистыми металлами сплавы нельзя рассматривать как класси­ческие металлы, т. е. изменение проводи­мости их обусловливается не только из­менением подвижности носителей заряда но в некоторых случаях и частичным возрастанием концентрации носителей при повышении температуры. Сплав, у кото­рого уменьшение подвижности с увеличе­нием температуры компенсируется воз­растанием концентрации носителей заря­да, имеет нулевой температурный коэф­фициент удельного сопротивления.
    Это явление используется для изготовления термостабильных сплавов, например, константана, манганина ). Константан – сплав с 60% Ni и 40% Сu имеет большое сопротивление (~0,5 мкОм?м) и очень малый температурный коэффициент (меньше 10-6 К-1), отсюда и его название.
    Удельная теплопроводность металлов. Высокая теплопроводность металлов легко объясняется посредством передачи тепловой энергии атомов нагретого участка металла атомам холодного участка за счет переноса этой энергии коллективизированными электронами. Так как механизм электропроводности и теплопроводности в металлах обусловлен одними и теми же факторами: движением электронного газа и его плотностью, очевидно, что металлы с высокой электропроводностью являются также хорошими проводниками тепла, а диэлектрики обладают не только низкой электропроводностью, но и низкой теплопроводностью. Так, медь имеет удельную теплопроводность 406 Вт/К?м, серебро 453 Вт/К?м, алюминий 218 Вт/К?м, что значительно выше чем у диэлектриков. Удельная теплопроводность и электропроводность металлов связаны законом Видемана-Франца:
    lТ / ? = L0Т (4.19)
    где lТ – удельная теплопроводность.
    ? – удельная электропроводность.
    L0 – число Лоренца.
    Поскольку на участке комнатных температур удельная электропроводность падает пропорционально температуре, то согласно (4.19), удельная теплопроводность металлов не должна зависеть от температуры. Это следствие из закона Видемана-Франца выполняется для большинства металлов. Это свойство применяют в технике, при использовании металлов как радиаторов для охлаждения мощных полупроводниковых приборов.
    Для этой цели необходимо использовать металлы с большим значением удельной теплопроводности. Чаще всего, это сплавы на основе алюминия (силумин), которые имеют хорошие тепловые, механические и антикоррозийные свойства. Медь нельзя использовать вследствие её плохой коррозионной стойкости, а серебро – вследствие высокой стоимости.
    Контактные явления и термоэлектродвижущая сила (термо-э.д.с.)
    При соприкосновении двух разных металлов, между ними возникает контактная разность потенциалов. Согласно квантовой теории причиной этого является различная энергия Ферми соприкасающихся металлов. Пусть в изолированном состоянии электронный газ в металлах А и В имеет энергию Ферми WFA и WFB, отсчитываемую от дна зоны проводимости (рис.4.6).
    Термодинамическая работа выхода электронов из металла равняется, соответственно, cА и cВ. Поскольку кинетическая энергия электронов, которые находятся на уровне Ферми в разных металлах различна, то при контакте материалов возникает значительный переход электронов из металла В с большим значением энергии Ферми в металл, где эта энергия меньше. Например, из металла В в металл А. Вследствие этого металл В заряжается положительно, а металл А – отрицательно. Между ними возникает разность потенциалов, которая блокирует дальнейший переход носителей заряда. Равновесие наступит, если:
    eUK = WFB – WFA (4.20)
    где UK – контактная разность потенциалов.

    Наличие контактного поля обеспечивает равновесие потоков электронов из одного металла в другой. Равновесие вследствие большой скорости теплового движения устанавливается очень быстро (приблизительно за 10-16 с). Двойной слой d, который возникает при этом в области контакта, будет очень тонким (приблизительно равным периоду решетки), поэтому он не влияет на прохождение электрического тока через контакт. Поскольку энергия Ферми в металлах значительна, то контактная разность потенциалов достигает несколько вольт.
    Термоэлемент, который построен из двух различных металлических проводников с замкнутой цепью, называют термопарой (рис.4.7).
    Вольтметр в такой цепи будет показывать разность потенциалов, которую называют термоэлектродвижущей силой (термо-э.д.с.). Термо-э.д.с. равняется:
    U @ aT (Т2 – Т1) (4.21)
    где aT — относительная удельная термо-э.д.с.
    Значение aT зависит от природы материалов и температуры и включает в себя три составляющих. Первая обусловлена температурной зависимостью контактной разности потенциалов, поскольку с ростом температуры уровень Ферми в металлах незначительно, но смещается.
    Вторая составляющая обусловлена диффузией носителей заряда от горячих спаев к холодным. Поскольку существует градиент температуры от контакта к контакту, то возникает диффузия электронов от горячего контакта к холодному, что дает некоторый вклад в возникающую разность потенциалов.
    Третья составляющая возникает вследствие захвата электронов квантами тепловой энергии. Их поток тоже передвигается к холодному контакту. Значение aT приблизительно равняется нескольким мкВ/К.
    Термопары часто используют для измерения температуры. Если температуру холодного контакта поддерживать 0 ОС, то вольтметр будет показывать напряжение пропорциональное температуре горячего контакта. Достоинством термопар является высокая линейность, возможность измерения температуры в широком интервале температур, независимость значения термо-э.д.с. от длины проводников.
    Вследствие того, что значение aT зависит от состава материала и незначительно от температуры, термопары градуируют, используя точки плавления металлов: свинца, олова, серебра и других.
    Наиболее распространенными термопарами являются:
    · Хромель– копель (типа ХК). Она позволяет измерять температуры до 600 ОС и имеет при этой температуре термо-э.д.с. приблизительно 50 мВ.
    · Хромель-алюмель (типа ХА). Она используется к температурам 1000 ОС и имеет при этой температуре термо-э.д.с. приблизительно 40 мВ.
    · Медь-константан. Ее используют при низких температурах до 350 ОС. При этой температуре термо-э.д.с. достигает 15 мВ.
    · Платинородий-платина (типа ПП или ППР). Ее применяют до температуры 71600 ОС. Термо-э.д.с. у этой термопары невелика (приблизительно 14 мВ при 1600 ОС). Но она позволяет обеспечить наиболее точные и стабильные измерения температуры.
    Однако явление термо-э.д.с. имеет и отрицательные стороны. В реальных условиях исключить градиенты температур практически невозможно. Поэтому, если контактируют различные металлы, то возможно возникновение паразитной термо-э.д.с. Для устранения этого в цепях (прежде всего электроизмерительных устройств), надо подбирать контактирующие металлы с малыми значениями термо-э.д.с. Такой парой, например, является медь-манганин.

  2. адвокат-инженер Ответить

    Деформационный коэффициент ?? для полупроводников может достигать 200 и более, т. е. ?? >> 1 + 2?, и изменение сопротивления полупроводникового образца при его деформации обусловлено большим деформационным коэффициентом.
    Для характеристики чувствительности образца материала используется понятие коэффициента тензочувствительности К образца, который определяется как отношение относительного изменения сопротивления образца к относительной деформации:
    . (3.7)
    Тензорезистивный эффект проявляется на телах различной геометрической формы и существенно зависит от вида деформации и температуры. На этом эффекте основана работа тензорезистивных ПИП (тензодатчиков), предназначенных для измерения деформации и величин, преобразуемых в деформацию.
    3.1.2. Терморезистивный эффект
    Терморезистивный эффект – это изменение удельного сопротивления проводниковых, полупроводниковых и диэлектрических материалов под действием температуры.
    Структурная схема терморезистивного эффекта показана на рис. 3.3.


    Изменение удельного сопротивления в проводниках главным образом обусловлено рассеянием электронов на неоднородностях кристаллической решетки, вызван­ных ее тепловыми колебаниями. Согласно электронной теории металлов величина удельного сопротивления металлического проводника определяется выражением
    (3.8)
    где m – масса электрона; VТ – средняя скорость теплового движения электрона внутри металлического проводника; lСР – средняя длина свободного пробега электрона.
    При увеличении температуры металлического проводника колебания узлов кристаллической решетки усиливаются, что приводит к уменьшению средней длины свободного пробега электронов. Число свободных электронов при этом остается неизменным. Поэтому удельное сопротивление металлических проводников увеличивается при повышении температуры.
    В широком температурном диапазоне для описания зависимости удельного сопротивления от температуры используют полиномиальную зависимость
    , (3.9)
    где ?0 – удельное сопротивление при t = t0; t0 – начальное значение температуры, 0С; ?1, ?2,… – степенные температурные коэффициенты электрического сопротивления данного материала.
    Например, удельное сопротивление вольфрама в широком температурном диапазоне может быть найдено из уравнения второго порядка [20]
    . (3.10)
    Для большинства металлов в узком диапазоне температур допустима прямолинейно-кусочная аппроксимация этой зависимости. Значение удельного сопротивления в этом диапазоне может быть определено по формуле
    , (3.11)
    где r0 – удельное сопротивление при t = t0; (обычно t0 = 0 0С); ??,t – cредний температурный коэффициент удельного сопротивления в диапазоне температур (t – t0 ).
    . (3.12)
    Дифференциальное выражение для ??,t имеет вид
    . (3.13)
    Для большинства чистых металлов значения ??t близки друг к другу, за исключением магнетиков: Fe, Ni, Co, Cr, и приблизительно равны
    ??t ? 1/273 ? 0,004 [C-1].
    Так как удельное сопротивление всех металлов и большинства сплавов зависит от температуры, на их основе создаются чувствительные элементы датчиков для измерения температуры – терморезистивных датчиков.
    При изменении температуры полупроводника изменяется концентрация электронов и дыроки их подвижности. Изменение удельного сопротивления полупроводниковых материалов обусловлено в основном изменением концентрации носителей заряда. Чем выше температура, тем большее число электронов из валентной зоны преодолевает запрещенную зону и попадает в зону проводимости (в случае чистых полупроводников) или возрастает число активированных донорных или акцепторных атомов (в случае примесных полупроводников). Число свободных носителей заряда увеличивается согласно следующему соотношению [1]:
    , (3.14)
    где W – энергия активации; k – постоянная Больцмана; Т – температура, К.
    Зависимость удельного сопротивления полупроводников от температуры можно представить в виде
    . (3.15)
    Температурный коэффициент удельного сопротивления полупроводников
    . (3.16)
    Монокристаллические и поликристаллические полупроводники обладают, как правило, отрицательным температурным коэффициентом удельного сопротивления. Исключение составляет группа сегнетоэлектрических полупроводников (например, полупроводников на основе титаната бария), у которых в областях сегнетопараэлектрического фазового перехода наблюдается аномальный рост удельного сопротивления при повышении температуры. При легировании чистых полупроводников некоторыми примесями температурный коэффициент удельного сопротивления ??Т в определенном интервале температур может становиться положительным. Этот эффект объясняется снижением подвижности носителей зарядов при понижении температуры. При высоких температурах количество свободных носителей зарядов увеличивается за счет спонтанно образуемых носителей и их вклад в электропроводность полупроводника (см. (2.11)) становится определяющим. Поэтому в таком температурном диапазоне преобладают собственные свойства полупроводника и удельное сопротивление уменьшается с увеличением температуры. Например, кремний, легированный примесями n-типа, при температурах ниже 200 0C имеет положительный ??Т, а при температурах выше 200 0C – отрицательный [20]. Таким образом, удельное сопротивление полупроводников в одном диапазоне температур может возрастать при увеличении температуры, а в другом – уменьшаться.
    Полупроводниковые материалы с отрицательным температурным коэффициентом ??Т характеризуются величиной ??Т ? –(0,02 … 0,08) К-1. Положительный ??Т может достигать величины порядка (0,3 … 0,5) К-1.
    В табл. 3.2 приведены значения удельного сопротивления и температурных коэффициентов удельного сопротивления некоторых материалов.
    Таблица 3.2
    Материал
    Удельное сопротивление,
    ?. 106, Ом.м (Т = 20 0С)
    Температурный коэффициент удельного сопротивления ??Т, К-1
    Медь
    0,0172
    0,0043
    Платина
    0,098
    0,0039
    Никель
    0,068
    0,0067
    Германий
    0,68
    –
    Кремний
    –
    Зависимость удельного сопротивления полупроводников от температуры используется для создания терморезистивных датчиков температуры (термисторов).
    3.1.3. Магниторезистивный эффект (эффект Гаусса)
    Магниторезистивный эффект (эффект Гаусса) – изменение удельного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов в магнитном поле.
    На рис. 3.4 показана структурная схема эффекта. При помещении образца прямоугольного сечения из проводникового или полупроводникового материала в магнитное поле и при пропускании по нему электрического тока, направление которого перпендикулярно вектору индукции магнитного поля, сопротивление образца будет возрастать (поперечный эффект Гаусса). Если магнитное поле направлено параллельно направлению тока, то наблюдается продольный эффект Гаусса. Следует отметить, что при продольном эффекте изменение магнитосопротивления незначительно, поэтому он не получил большого применения.

    Рис. 3.4
    Магниторезистивный эффект, как и эффект Холла, проявляется исключительно в полупроводниках [1]. Изменение удельного сопротивления вызвано тем, что носители заряда, перемещающиеся в полупроводнике под действием электрического поля, не имеют одинаковых скоростей. Скорости носителей заряда различны и подчиняются распределению, отвечающему статистике Ферми – Дирака [21]. В результате этого поперечное поле Холла компенсирует влияние силы Лоренца только на носители заряда, имеющие среднюю скорость V. Поэтому траектория носителей заряда со скоростью большей или меньшей скорости V будет искривлена, что приведет к увеличению числа столкновений (уменьшению длины свободного пробега) и тем самым – к повышению удельного сопротивления полупроводника.
    Зависимость удельного сопротивления от магнитной индукции в большом диапазоне изменения индукции можно описать формулой
    , (3.17)
    где ?0 – удельное сопротивление при В = 0; А – постоянная.
    Из (3.17) следует, что при малых В (?.В < < 1) удельное сопротивление ? квадратично зависит от индукции В, а при больших значениях индукции удельное сопротивление достигает насыщения.
    Изменение удельного сопротивления от магнитной индукции В может быть описано также приближенной формулой [19]
    , (3.18)
    где n = (1–2) – в зависимости от величины (?В).
    Магниторезистивный эффект зависит также от направления магнитного поля и размеров образца. Эффект наиболее ярко выражен у пластин, имеющих форму диска Корбино, а также у некоторых сложных конфигураций.
    Эффект Гаусса широко используется при построении датчиков магнитного поля, магниторезистивных датчиков.
    3.1.4. Эффект Зеебека
    Эффект Зеебека – возникновение ЭДС в цепи, состоящей из двух разных проводников (или полупроводников), соединенных концами при различной температуре мест их соединений.
    Структурная схема эффекта Зеебека показана на рис. 3.5. Если взять проводник, концы которого имеют разные температуры, то от теплого конца к холодному будет передаваться тепловая энергия. Градиент температур приводит к появлению в проводнике электрического поля, обусловленного эффектом Томсона, который заключается в поглощении или высвобождении тепла линейно пропорционально току, проходящего через однородный проводник, имеющий градиент температуры вдоль его длины. Индуцированное электрическое поле приводит к появлению разности потенциалов [21], которая для однородного материала может быть найдена как
    , (3.19)
    где ?1 – абсолютный коэффициент Зеебека; dT – градиент температур.
    Уравнение (3.19) является основным математическим выражением для термоэлектрического эффекта.
    Термоэлектрические свойства материалов исследуются с помощью контура (термоэлектрического контура), составленного из двух разных проводников или полупроводников, рис. 3.6а.

    а б в
    Рис. 3.6
    В таком контуре индуцированная теплом разность потенциалов (термоЭДС) называется напряжением Зеебека и образуется тремя составляющими:
    1) объемной, обусловленной возникновением разности потенциалов на концах проводника (полупроводника), имеющих разную температуру. Это объясняется тем, что носители зарядов на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, и они диффундируют к холодному концу. В результате основные носители накапливаются на холодном конце проводника, а на горячем возникает потенциал противоположного знака;
    2) контактной, обусловленной температурной зависимостью контактной разности потенциалов мест соединения проводников;
    3) фононной, обусловленной увлечением электронов фононами, при превалирующем перемещении последних от горячего конца к холодному. Фононы сталкиваются с основными носителями заряда и увлекают их за собой. При низких температурах фононная составляющая может быть в десятки и сотни раз больше первых двух.
    Напряжение Зеебека можно записать в виде степенного ряда от разности температур:
    , (3.20)
    где ?1, ?2,…, ?n – температурно-независимые коэффициенты; Т0 – некоторая заданная температура калибровки.
    Для большинства материалов требуется примерно восемь коэффициентов ?i, чтобы получить погрешность определения термоЭДС не более ±1 % .
    Для многих комбинаций материалов в узком интервале температур можно считать, что
    , (3.21)
    где ?1 – коэффициент Зеебека.
    Законы термоэлектрического контура
    1. Для получения термоЭДС контур должен состоять из разнородных материалов (проводников или полупроводников).
    2. Алгебраическая сумма всех термоЭДС в контуре, состоящем из любого количества соединений разных материалов, будет всегда равна нулю, если все соединения находятся при одинаковых температурах.
    Это значит, что при включении в любое плечо контура дополнительного материала С (рис. 3.6б) результирующая термоЭДС в контуре не изменится при условии, что оба новых соединения будут иметь одинаковую температуру. Отсюда следует, что термоэлектрический контур можно разомкнуть в любом месте и включить в него дополнительные материалы. Количество дополнительных материалов неограничено, необходимо поддерживать только одинаковую температуру в местах их соединений. Термоэлектрические соединения могут выполняться любым способом: сваркой, пайкой, скруткой, сплавлением и т. д.
    Таким образом, если известны термоЭДС (Е1 и Е2) двух проводников А и В при их подсоединении к третьему проводнику С, то результирующее напряжение при непосредственном контакте проводников (А и В) будет равно алгебраической сумме термоЭДС Е1 и Е2:
    . (3.22)
    3. Если два соединения разных материалов, находящихся при температурах Т и Т1, вырабатывают термоЭДС ЕТ1, а при температурах Т1 и Т0 (рис. 3.6в) результирующая темоЭДС равна ЕТ2, то при температурах Т и Т0 выходная ЭДС определяется суммой двух ЭДС ЕТ1 и ЕТ2.
    В табл. 3.3 приведены значения коэффициента термоЭДС некоторых материалов по отношению к платине (при 100 0С) [6].
    Таблица 3.3
    Материал
    Кремний
    Железо
    Константан
    Молибденит
    ТермоЭДС, мВ
    +44
    +1,8
    -3,4
    -69 … -104
    В простейшем случае, когда цепь состоит из двух проводников или полупроводников, она называется термоэлектрическим преобразователем, или термопарой. Проводники или полупроводники, составляющие термопару, называются термоэлектродами, а места их соединения – спаями. Спай термопары, воспринимающий измеряемую температуру Т, называется рабочим (горячим) спаем. Второго спая обычно нет, а есть два так называемых «свободных» конца, с которых снимается термоЭДС.
    Третий закон позволяет градуировать (калибровать) термопару в одном температурном диапазоне, а использовать в другом [20], и его называют законом промежуточных температур.
    Эффект Зеебека нашел широкое применения в области измерения температуры, в частности в термоэлектрических преобразователях.
    3.1.5. Пьезоэлектрический эффект
    Различают прямой и обратный пьезоэлектрический эффект.
    Прямой пьезоэлектрический эффект заключается в образовании в кристаллическом материале электрических зарядов при приложении к нему механических напряжений (рис. 3.7а).

    а б
    Рис. 3.7
    Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в изменении размеров диэлектрика при приложении к нему электрического поля (рис. 3.7б).
    Пьезоэлектрический эффект наблюдается в природных кристаллах, таких как кварц (SiO2), поляризованных керамических материалах и некоторых полимерах, например поливинилиденфториде. Вещества, у которых наблюдаются такие свойства, называются пьезоэлектриками.
    Физическую природу пьезоэлектрического эффекта рассмотрим на примере пьезоэлектрического кри­сталла – кварца. В кристалле кварца можно выделить три главные оси (рис. 3.8а): продольную (оптическую ось) Z; электрическую ось Х (три оси, сдвинутые на 1200), механическую Y (три оси, сдвинутые на 1200). Электрические оси Х проходят через центр и соединяют два разнополярных иона. Кристалл кварца можно представить в виде элементарных ячеек (рис. 3.8б), состоящих из атомов Si, обладающих положительным зарядом, и спаренных атомов О2, обладающих отрицательным зарядом. По электрическим осям Х направлены векторы поляризации . Без приложения механических напряжений сумма векторов равна нулю, т. е. кварцевая ячейка является электрически нейтральной.

    а б в г
    Рис. 3.8
    Если к кристаллу кварца вдоль оси X приложена сила Fx, равномерно распределенная по грани, перпендикулярной оси X,то в результате деформации элементарной ячейки ее электрическая нейтральность нарушается. При этом, как показано на рис. 3.8в, сдавливающая сила сдвигает атомы кристалла таким образом, что положительный атом кремния перемещается в одну сторону решетки, а отрицательно заряженная пара атомов кислорода – в другую. В результате чего вдоль оси Y происходит перераспределение зарядов, т. е. в деформированном состоянии ячейки сумма проекций векторов и на ось Xстановится меньше (при сжатии) или больше (при растяжении) вектора . В результате появляется равнодействующая вектора поляризации, ей соответствуют поляриза­ционные заряды на гранях, знаки которых для сжатия показаны на рис. 3.8в. При этом деформация ячейки не влияет на электрическое состояние вдоль оси Y, сумма проекций векто­ров и на ось Y равна нулю, ибо Р2Y = Р3Y.
    Образование поляризационных зарядов на гранях, перпендику­лярных оси X,при действии силы по оси Xназывается продоль­ным пьезоэлектрическим эффектом.
    При механических напряжениях, приложенных вдоль одной из механических осей Y(рис. 3.8г), геометрическая сумма проекций векторов и на ось Yравна нулю, и на гранях пьезоэлемента, перпендикулярных оси Y, заряды не образуются. При этом сумма проекций векторов и на ось Xоказывается не равной вектору . В результате появляется равнодействующая вектора поляризации, ей соответствуют поляриза­ционные заряды на гранях, знаки которых для сжатия показаны на рис. 3.8г.
    Эффект образования зарядов на гранях, перпендикулярных нагружаемым граням, называется поперечным пьезоэлектрическим эффектом (например, при действии силы по оси Y образуются поляризационные заряды на гранях, перпендику­лярных оси X).
    При равномерном нагружении со всех сторон (например, гидростати­ческом сжатии) кристалл кварца остается электрически нейтральным. При нагружении по оси Z, перпендикулярной осям X и Y и называе­мой оптической осью, кристалл кварца также остается электрически нейтральным.
    При механическом напряжении сдвига геометриче­ская сумма проекций векторов и на ось X равна вектору , направленному по оси X, и на гранях, перпендикулярных оси X, заряд не возникает. Однако проекции векторов и на ось Y не равны, и на гранях, перпендикулярных оси Y, возникает заряд.
    В общем пьезоэлектрический эффект можно оценить через вектор поляризации [20] как
    (3.23)
    где x, y, z – координатные оси обычной ортогональной системы, совмещенные с осями кристалла.

    (3.24)

    где ? – осевое напряжение; dik – постоянные пьезоэлектрические коэффициенты вдоль ортогональных осей срезов кристалла (пьезоэлектрическая постоянная, пьезомодуль).
    Если из кристалла кварца вырезать параллелепипед так, чтобы его грани были перпендикулярны осям X-Y (рис. 3.9), то под действием силы FX в направлении оси X (продольный пьезоэффект) на гранях, параллельных оси Y, появится заряд Q, который находится как
    , (3.25)
    где ?х – поверхностная плотность заряда; Sх – пло-щадь грани, на которой образуется заряд; d11 – пьезоэлектрическая постоянная(пьезомодуль).
    При продольном пьезоэффекте заряд не зависит от размеров образца (пьезоэлемента). При поперечном пьезоэффекте заряд может быть увеличен соответствующим выбором размеров пьезоэлемента, т. е. длин ребер l и b:
    . (3.26)
    Пьезоэлектрические кристаллы являются прямыми преобразователями механической энергии в электрическую. Эффективность такого преобразования может быть выражена через коэффициент электромеханической связи kik:
    . (3.27)
    Этот коэффициент является важной характеристикой для случаев, когда необходимо обеспечить высокую эффективность передачи энергии, например в акустических и ультразвуковых датчиках.
    Пьезоэлектрический эффект используется для построения датчиков различных физических величин: силы, давления, акустических величин и др.
    В табл. 3.4 приведены характеристики некоторых пьезоэлектрических материалов.
    Таблица 3.4
    Материал
    Диэлектрическая проницаемость ?
    Пьезомодуль
    d. 1012, Кл/Н
    Модуль
    упругости
    Е, ГПа
    Коэффициент электромеханической связи k
    Кварц
    4,5(11)
    2,31(11)
    86,7(11)
    0,095
    Титанат
    бария ТБ-1
    45(11)
    100–110
    0,2(11)
    100(33)
    0,5(11)
    Группа
    ЦТС
    75(11)
    108–116
    0,2(11)
    113(33)
    0,41(11)
    Сульфат
    лития
    10,3
    16(22)
    62(22)
    0,38
    3.1.6. Эффект Холла
    Эффект Холла – возникновение электрического поля в проводниках и полупроводниках, помещенных в магнитное поле при протекании по ним электрического тока.
    Эффект Холла (структурная схема показана на рис. 3.10) является результатом действия сил Лоренца на носители заряда в твердом теле. Если пластина из проводящего материала помещена в магнитное поле, как показано на рис. 3.11, и в продольном направлении этой пластины через электроды 1 и 2 (токовые электроды) протекает электрический ток I, то носители заряда будут отклоняться перпендикулярно направлению их движения и вектору индукции магнитного поля. Сила Лоренца, действующая на заряд:
    , (3.28)
    где V – скорость движения заряда.

    Рис. 3.10 Рис. 3.11
    Из-за отклонения носителей заряда к одной из продольных граней пластины на ней произойдет накопление зарядов, а на противоположной грани возникнет их недостаток, в результате чего возникает поперечная составляющая градиента заряда, и появляется электрическое поле Холла, направленное поперек пластины. Это поле воздействует на носители заряда с силой FЕ, направленной в противоположном направлении:
    . (3.29)
    Процесс образования ЭДС будет продолжаться до тех пор, пока действие поля Холла не уравновесит действие силы Лоренца . Отсюда
    . (3.30)
    Из уравнения равновесия сил значение напряжения Холла Uх на электродах 3 и 4 (холловских электродов) (рис. 3.11) для прямоугольной изотропной пластины конечных размеров, расположенной в однородном магнитном поле, определяется выражением [22]
    , (3.31)
    где Rx – постоянная (коэффициент) Холла; F(l/b, B) – функция, учитывающая зависимость напряжения Холла от соотношения геометрических размеров пластины, токовых и холловских электродов и свойств материала пластины.
    При l >>b (l/b = 2–3) функция F(l/b, B) ? 1 и
    . (3.32)
    Для проводниковых материалов коэффициент Холла RX мал и эффект Холла в них практически не проявляется.
    Для полупроводников коэффициент Холла определяется свойствами материала:
    , (3.33)
    где АХ – коэффициент, зависящий от механизма рассеяния носителей заряда в кристаллической решетке (АХ = 1–1,93); n и р – концентрации электронов и дырок; ?n и ?р – подвижности электронов и дырок.
    Как правило, для изготовления пластины Холла используются материалы с одним типом электропроводности, преимущественно электронным.
    Для электронного и дырочного полупроводников Rх определяется как
    ; . (3.34)
    Взаимодействие (столкновение) с посторонними атомами в кристаллической решетке (с атомами примеси), влияние дефектов кристаллической решетки (дислокаций) приводят к тому, что скорости носителей заряда оказываются распределенными вокруг среднего значения скорости. Поэтому постоянная Холла примерно равна 0,8–1,2 теоретического значения [1].
    Возникновение напряжения Холла является малоинерционным процессом. Частотные характеристики пластин Холла определяются временем релаксации основных носителей, скин-эффектом и наличием вихревых токов.
    В постоянном магнитном поле и протекании постоянного тока ЭДС Холла также постоянна. Если одна из входных величин (индукция магнитного поля или ток) переменная, то и ЭДС Холла является переменной той же частоты, что и частота входной величины. Если ток изменяется с частотой ?1, а магнитная индукция с частотой ?2, то ЭДС состоит из суммы двух составляющих, одна из которых изменяется с частотой (?1 – ?2), а другая – с частотой (?1 + ?2) [23].
    Эффект Холла широко используется при создании измерительных преобразователей (датчиков Холла), предназначенных для измерения параметров постоянных и переменных магнитных полей, определения положения и перемещения объектов.
    В табл. 3.5 приведены характеристики некоторых материалов, применяемых для создания датчиков Холла.
    Таблица 3.5
    Материал
    Si
    Ge
    InAs
    GaAs
    HgTe
    Rx, м3 /(B.c)
    10-2 – 102
    7.10-2- 10-1
    10-4 – 9.10-4
    10-4 – 10-3
    3.10-5
    ?n, м2 /(B.c)
    0,12
    0,39
    3,0
    0,4
    1,7
    ?p, м2 /(B.c)
    0,05
    0,19
    0,02
    0,04
    0,01
    Средний температурный коэффициент постоянной Холла, % /град
    0,15
    -0,02 – -0,03
    0,07
    0,05 – 0,1
    –
    ?, Ом.м
    0,08-80
    1,8.10-5 – 2,8.10-2
    4.10-5
    (2,5–25).10-4
    10-5

  3. Ghodwyn Ответить

    – малое удельное сопротивление
    – достаточно высокая механическая прочность
    – удовлетворительная стойкость к коррозии даже в условиях повышенной плотности
    – хорошая обрабатываемость
    – хорошая способность к варке и пайке
    В норм. усл. медь достаточно устойчива к коррозии, т.к её хим. активность не высока.
    При 200oC идет медленное окисление с образование защитной пленки, интенсивное при 225oC
    Мех. и эл. св-ва сильно зависят от температуры окружающей среды и состояния.
    Мягкая отожженная медь в виде проволоки применяется как правило для изготовления токопроводящих жил, кабеля различного назначения, обмоточных и монтажных проводов в производстве волноводов.
    Твердая холодно-натянутая применяется в основном там, где необходима высокая мех. прочность, твердость, сопротивляемость нагрузкам и упругость.
    Такое же требования для изготовления контактных проводов, шин распределения устройств, коллекторных пластин эл. машин.
    Алюминий.
    Металл занимающий второе место после меди по значению в качестве проводниковых металлов. Очень сильно распространен в земной коре(3 место, 7,5%)
    Он легко окисляется на воздухе, покрываясь при этом прочной оксидной пленкой, которая защищает от дальнейшего окисления и обуславливает его высокую стойкость к коррозии.
    В обычных условиях слабо реагирует с конц. азотной кислотой. Имеет отрицательный к большинству металлов электрохим. потенциал и находится в контакте с ними образуя гальванические пары, что в присутствии влаги способствует развитию коррозии. В связи с тем, что оксидная пленка обладает электроизоляционными свойствами в месте контакта создается достаточно большое переходное сопротивление, которое затрудняет пайку обычными методами. Для этого используют специальный припой. Алюминиевые провода можно использовать без изоляции. Присутствие примесей в составе (железо, кремний, медь, цинк, титан) существенно снижает его удельную проводимость.
    В зависимости от количества примесей различают алюминий:
    -особой чистоты (не более 0,01% примесей)
    -высокой чистоты (не более 0,05% примесей)
    -технической чистоты (не более 1% примесей)
    Для электротехнических целей используется алюминий марок A5E,A7E
    В отожженом состоянии такой алюминий имеет высокую твердость и способен к большому относительному удлинению.
    Хорошая деформация алюминия и наличие примесей увеличивают твердость и прочность металла. Алюминий используется для изготовления токопроводящих жил, обмоток кабелей, монтажных и обмоточных проводов, а также не изолированных проводов воздушных линий передач.
    Сплавы алюминия отличаются легкостью и повышенной электрической прочностью.
    Cверхпроводники.
    Сверхпроводники, вещества, в которых при понижении температуры до некоторой критической величины Тсобнаруживается явление сверхпроводимости – их электрическое сопротивление полностью исчезает.
    При таких температурах меняется характер взаимодействия электронов между собой и атомными решетками, так что становится возможным притягивание одноименно заряженных ионов с противоположным импульсом и спином и образование эл. пар называемых куперовскими.
    Притягивание возможно только в среде, содержащей полож. заряж. ионы, поле которых ослабляет силы кулоновского отталкивания между эл.
    Поскольку эти пары в состоянии сверхпроводимости обладают большой энергией связи обмена энергией между ними и решеткой не наблюдается, при этом сопротивление становится практически равным нулю.
    Некоторые в-ва:свинец, олово, тантал, алюминий, цинк, вольфрам.

  4. Вампирша Ответить

    Причинами уменьшения проводимости металлов являются не только тепловые колебания, но и дефекты структуры кристаллов. Наибольшее рассеяние электронов происходит на примесях, которые всегда присутствуют в проводнике в виде загрязнения или легирующих элементов.
    Кроме того, удельное сопротивление повышают собственные дефекты структуры – вакансии, атомы внедрения, дислокации. При деформации металл происходит искажение кристаллической решетки, что также приводит к увеличению сопротивления.
    В качестве термостабильных проводниковых материалов используются сплавы, в которых удельное сопротивление определяется в основном неоднородностью структуры и в меньшей – тепловыми колебаниями.
    Увеличение сопротивление также проявляется при получении металлических пленок, используемых в микроэлектроники в качестве межэлементных соединений, контактных площадок, обкладок конденсаторов и д.р. Причинами этого являются изменение структуры при осаждении пленок и размерный эффект (возрастание роли поверхностных процессов над объемными).
    Контактные явления
    А
    Б
    +
    +
    –
    –
    При соприкосновении двух разных разнородных металлов между ними
    возникает разность потенциалов. Это объясняется разными уровнями
    энергии электронов, т.е. различной работой выхода. Поэтому при
    контактировании металлов происходит переход электронов из области
    с большим значением энергии в область, где эта энергия меньше. В результате металл А заряжается положительно, а металл Б – отрицательно. Возникающая контактная разность потенциалов составляет от десятых долей до нескольких вольт.
    Обычно электрический потенциал контакта не влияет на прохождение электрического тока.
    Контактные явления используются для создания термопар.
    Классификация проводниковых материалов:
    По агрегатному состоянию
    Твердые проводники – в основном металлы и металлические сплавы.
    Жидкие проводники – электролиты и расплавленные металлы. При нормальной температуре в качестве жидкого проводника может быть применена ртуть (-39 ºС) и галлий (29,8 ºС).
    Газы и пары при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками, однако если напряженность поля выше некоторой критической, газ становится проводниковым, обладающим электронной и ионной электропроводностью. Сильно ионизированный газ представляет собой особую проводящую среду, называемую плазмой.
    По величине проводимости
    материалы высокой проводимости;
    материалы высокого электрического сопротивления;
    сверхпроводящие материалы.
    По химическому составу
    чистые металлы;
    сплавы (высокого сопротивления, для термопар, припои);
    неметаллические материалы;
    контактные материалы.

  5. батя не бей Ответить

    • Материал:Все материалы имеют удельное электрическое сопротивление, которое
    указывает сопротивление в зависимости от поперечного сечения и длины
    проводника. Обычно оно обозначается греческой буквой ?(Rho = ро).
    Например, медь обнаруживает удельное электрическое сопротивление, равное:
    0,01786
    m
    ??mm2
    • Температура: Температура по-разному влияет на разные материалы. Например,
    сопротивление меди и стали увеличивается с повышением температуры. При
    нагревании этих материалов их электроны удерживаются на более бдизко
    расположенных орбитах, что затрудняет переход электронов от одного атома к
    другому. Материал, который проявляет такие свойства, называется резистором с
    PTC(Positive Temperature Coefficient = положительный температурный
    коэффициент). Если сопротивление падает по мере нагревания материала, он
    называется резистором с NTC(Negative Temperature Coefficient = отрицательный
    температурный коэффициент).
    • Размер:Вторым фактором, который влияет на сопротивление, является размер
    материала, используемого в качестве проводника. Проводник большего размера
    позволяет одновременно проходить большему числу электронов. В проводнике
    меньшего размера одновременно может проходить меньше электронов. если в
    качестве проводника используется провод, то чем он тоньше, тем больше его
    сопротивление. По мере увеличения диаметра сопротивление уменьшается.
    • Длина:Последним фактором является длина провода. По мере увеличения длины
    увеличивается также и сопротивление. Это происходит потому, что электронам
    нужно проследовать через большее число атомов. Электроны, проходящие через
    более короткие провода, встречаются с меньшим число атомов и испытывают
    меньшее сопротивление.
    • Коррозия:Коррозия в цепи также оказывает воздействие на сопротивление.
    Коррозия может происходить из-за попадания под воздействие таких элементов,
    как соль, вода и грязь. Если имеет место коррозия, сопротивление увеличивается.
    L1004_02009
    Корродированная клемма
    Curriculum Training 02-11
    Характеристики электричества Основы электрооборудования

  6. Made in МаМа Ответить

    Электрический ток I в любом веществе создается движением заряженных частиц в определенном направлении за счет приложения внешней энергии (разности потенциалов U). Каждое вещество обладает индивидуальными свойствами, по-разному влияющими на прохождение тока в нем. Эти свойства оцениваются электрическим сопротивлением R.
    Георг Ом эмпирическим путем определил факторы, влияющие на величину электрического сопротивления вещества, вывел формулу его зависимости от напряжения и тока, которая названа его именем. Единица измерения сопротивления в международной системе СИ названа его именем. 1 Ом — это величина сопротивления, замеренного при температуре 0ОС у однородного ртутного столба длиной 106,3 см с площадью поперечного сечения в 1 мм2.

    Определение
    Чтобы оценить и применять на практике материалы для изготовления электротехнических устройств, введен термин «удельное сопротивление проводника». Добавленное прилагательное «удельное» указывает на фактор использования эталонной величины объема, принятой для рассматриваемого вещества. Это позволяет оценивать электрические параметры разных материалов.
    При этом учитывают, что сопротивление проводника возрастает при увеличении его длины и уменьшении поперечного сечения. В системе СИ используется объем однородного проводника с длиной 1 метр и поперечным сечением 1м2. В технических расчетах применяется устаревшая, но удобная внесистемная единица объема, состоящая из длины 1 метр и площади 1мм2. Формула удельного сопротивления ? представлена на рисунке.

    Для определения электрических свойств веществ, введена еще одна характеристика — удельная проводимость б. Она обратно пропорциональна значению удельного сопротивления, определяет способность материала проводить электрический ток: б =1/?.
    Как удельное сопротивление зависит от температуры
    На величину проводимости материала влияет его температура. Разные группы веществ ведут себя не одинаково при нагреве или охлаждении. Это свойство учитывают в электрических проводах, работающих на открытом воздухе в жару и холод.

    Материал и удельное сопротивление провода подбираются с учетом условий его эксплуатации.
    Возрастание сопротивления проводников прохождению тока при нагреве объясняется тем, что с повышением температуры металла в нем увеличивается интенсивность передвижения атомов и носителей электрических зарядов во всех направлениях, что создает лишние препятствия для движения заряженных частиц в одну сторону, снижает величину их потока.
    Если уменьшать температуру металла, то условия для прохождения тока улучшаются. При охлаждении до критической температуры во многих металлах проявляется явление сверхпроводимости, когда их электрическое сопротивление практически равно нулю. Это свойство широко используется в мощных электромагнитах.
    Влияние температуры на проводимость металла используется электротехнической промышленностью при изготовлении обыкновенных ламп накаливания. Их нить из нихрома при прохождении тока нагревается до такого состояния, что излучает световой поток. В обычных условиях удельное сопротивление нихрома составляет около 1,05?1,4 (ом •мм2)/м.
    При включении лампочки под напряжение через нить проходит большой ток, который очень быстро разогревает металл. Одновременно возрастает сопротивление электрической цепи, ограничивающее первоначальный ток до номинального значения, необходимого для получения освещения. Таким способом осуществляется простое регулирование силы тока через нихромовую спираль, отпадает необходимость применения сложной пускорегулирующей аппаратуры, используемой в светодиодных и люминесцентных источниках.
    Как используется удельное сопротивление материалов в технике
    Цветные благородные металлы обладают лучшими свойствами электрической проводимости. Поэтому ответственные контакты в электротехнических устройствах выполняют из серебра. Но это увеличивает конечную стоимость всего изделия. Наиболее приемлемый вариант — использование более дешевых металлов. Например, удельное сопротивление меди, равное 0,0175 (ом •мм2)/м, вполне подходит для таких целей.
    Благородные металлы — золото, серебро, платина, палладий, иридий,
    родий, рутений и осмий, получившие название главным образом благодаря высокой химической стойкости и красивому
    внешнему виду в ювелирных изделиях.
    Кроме того, золото, серебро и платина
    обладают высокой пластичностью, а металлы платиновой группы — тугоплавкостью и,
    как и золото, химической инертностью. Эти достоинства благородных металлов сочетаются.
    Медные сплавы, обладающие хорошей проводимостью, используются для изготовления шунтов, ограничивающих протекание больших токов через измерительную головку мощных амперметров.
    Удельное сопротивление алюминия 0,026?0,029 (ом •мм2)/м чуть выше, чем у меди, но производство и стоимость этого металла ниже. К тому он же легче. Это объясняет его широкое применение в энергетике для изготовления проводов, работающих на открытом воздухе, и жил кабелей.
    Удельное сопротивление железа 0,13 (ом •мм2)/м также допускает его применение для передачи электрического тока, но при этом возникают бо?льшие потери мощности. Стальные сплавы обладают повышенной прочностью. Поэтому в алюминиевые воздушные провода высоковольтных линий электропередач вплетают стальные нити, которые предназначены для противостояния нагрузкам, действующим на разрыв.
    Особенно актуально это при образовании наледи на проводах или сильных порывах ветра.
    Часть сплавов, например, константин и никелин обладают термостабильными резистивными характеристиками в определенном диапазоне. У никелина удельное электрическое сопротивление практически не меняется от 0 до 100 градусов по Цельсию. Поэтому спирали для реостатов изготавливают из никелина.
    В измерительных приборах широко применяется свойство строгого изменения значений удельного сопротивления платины от ее температуры. Если через платиновый проводник пропускать электрический ток от стабилизированного источника напряжения и вычислять значение сопротивления, то оно будет указывать температуру платины. Это позволяет градуировать шкалу в градусах, соответствующих значениям Омам. Этот способ позволяет измерять температуру с точностью до долей градусов.

    Иногда для решения практических задач требуется узнать полное или удельное сопротивление кабеля. Для этого в справочниках на кабельную продукцию приводятся значения индуктивного и активного сопротивления одной жилы для каждого значения поперечного сечения. С их помощью рассчитываются допустимые нагрузки, выделяемая теплота, определяются допустимые условия эксплуатации и подбираются эффективные защиты.
    На удельную проводимость металлов оказывает влияние способ их обработки. Использование давления для пластической деформации нарушает структуру кристаллической решетки, увеличивает число дефектов и повышает сопротивление. Для его уменьшения применяют рекристаллизационный отжиг.
    Растяжения или сжатия металлов вызывают в них упругую деформацию, от которой уменьшаются амплитуды тепловых колебаний электронов, а сопротивление несколько снижается.
    При проектировании систем заземления необходимо учитывать удельное сопротивление грунта. Оно имеет отличия в определении от вышеперечисленного метода и измеряется в единицах системы СИ — Ом•метр. С его помощью оценивают качество растекания электрического тока внутри земли.
    Зависимость удельного сопротивления грунта от влажности и температуры почвы:


    На удельную проводимость грунта влияют многие факторы, включая влажность почвы, плотность, размеры ее частиц, температуру, концентрацию солей, кислот и щелочей.

  7. Kelebor Ответить

    Удельное сопротивление проводника зависит от температуры, давления, материала и др., вследствие чего от этих же факторов зависит и сопротивление проводника. Наибольшее практическое значение имеет зависимость удельного сопротивления, а следовательно, и сопротивления проводника, от температуры. В общем случае эта зависимость достаточно сложна.
     [1]
    Удельное сопротивление проводников является величиной не постоянной, а зависящей от температуры. Для всех металлов сопротивление увеличивается с увеличением температуры. При небольших колебаниях температуры зависимость удельного сопротивления от температуры следует линейному закону. Для каждого металла существует определенный температурный коэффициент сопротивления а, который определяет собой изменение удельного сопротивления проводника, отнесенное к одному ому при повышении температуры на ГС.
     [2]
    Удельное сопротивление проводников лежит в пределах от 10 – 6 до 10 – 2 ом-см, а технических диэлектриков от 109 до 1020 ом-см. Эти пределы в известной мере условны, но приближенно отражают установившиеся в технике представления.
     [3]
    Удельное сопротивление проводника представляет собой сопротивление провода длиной I м и площадью поперечного сечения 1 мм2 при температуре 20 С.
     [4]
    Удельное сопротивление проводников и непроводников зависит от температуры.
     [5]
    Удельное сопротивление проводников первого рода зависит от температуры. Как правило, с ростом температуры оно повышается. Исключение составляют графит и уголь.
     [6]
    Чем меньше удельное сопротивление проводника, тем меньшее количество тепла ( при том же токе) в нем выделяется. При состоянии сверхпроводимости, когда удельное сопротивление становится неизмерим э малым, в проводнике при прохождении тока не выделяется сколько-нибудь заметного количества тепла. Так как при этом энергия тока никуда не тратится, то раз возбужденный в замкнутом сверхпроводнике то; поддерживается в нем неопределенно долго без затраты энергии извне.
     [7]
    Изменение удельного сопротивления проводника под действием растягивающих или сжимающих усилий называют тензорезистивным эффектом. Он характеризуется тензочувст-вительностью, устанавливающей связь между относительным изменением сопротивления и относительной деформацией.
     [8]

  8. РеАлЬнЫй ПаЦаН Ответить

    Лекция №16
    Электроконтактный нагрев
    Прямой электронагрев сопротивлением
    Удельное электрическое сопротивление проводников
    В зависимости от характера свободных электрических зарядов различают проводники 1 и 2 рода. Под действием электрического поля в проводнике 1 рода (металлы) свободные заряды (электроны) направленно перемещаются. В проводнике 2 рода (электролиты) под действием электрического поля перемещаются ионы.
    Электрическое сопротивление металлических проводников.
    Формула для определения омического сопротивления проводника, т.е. сопротивления постоянному току при неизменной температуре имеет вид

    ? – удельное сопротивление – зависит от материала проводника, содержания примесей, механической и термической обработки, температуры. У металлов ?, как правило, растет с повышением температуры и для любой температуры t определяется формулой

    где ?20 – удельное сопротивление при 20°С,
    ?, ?, ? – температурные коэффициенты сопротивления;
    ? – превышение температуры проводника над 20°С:
    ? = t – 20
    В практических расчетах ограничиваются первыми двумя членами ряда:

    Температурный коэффициент сопротивления ? – [ град-1] является одной из важных физических характеристик проводниковых материалов.
    При протекании переменного электрического тока по проводнику проявляется поверхностный эффект, заключающийся в неравномерном распределении плотности тока по сечению проводника, которая экспоненциально убывает по направлении к его оси:

    где jх – плотность тока в слое проводника на расстоянии х от поверхности, А/м2;
    jm – плотность тока на поверхности проводника, А/м2;
    z0 – эквивалентная глубина проникновения тока, м.
    Максимальное значение плотности тока – на поверхности проводника, а в слое, толщина которого равна эквивалентной глубине проникновения, выделяется около 90% общего количества теплоты. Это позволяет реальное распределение плотности тока по сечению заменить фиктивным, считая, что электрический ток проникает только до глубины z0, плотность его на всей этой глубине постоянна, а выделяющаяся тепловая энергия равна количеству теплоты при реальном токораспределении.
    Эквивалентная глубина проникновения – расстояние от поверхности проводника, на котором плотность тока в е = 2,71 раза меньше, чем на поверхности. Глубина
    [м],
    где ? – удельное электрическое сопротивление, Ом·м,
    ? – относительное значение магнитной проницаемости проводника
    f – частота тока, Гц.
    Для частоты f = 50 Гц формула приобретает вид:

    Эквивалентная глубина проникновения электрического тока на трех частотах приведена в таблице.

  9. Cefyn Ответить

    Дело в том, что в его постановке и выводах произведена подмена, аналогичная подмене в школьной шуточной задачке на сообразительность, в которой спрашивается:
    – Cколько яблок на березе, если на одной ветке их 5, на другой ветке – 10 и так далее
    При этом внимание учеников намеренно отвлекается от того основополагающего факта, что на березе яблоки не растут, в принципе.
    В эксперименте Майкельсона ставится вопрос о движении эфира относительно покоящегося в лабораторной системе интерферометра. Однако, если мы ищем эфир, как базовую материю, из которой состоит всё вещество интерферометра, лаборатории, да и Земли в целом, то, естественно, эфир тоже будет неподвижен, так как земное вещество есть всего навсего определенным образом структурированный эфир, и никак не может двигаться относительно самого себя.
    Удивительно, что этот цирковой трюк овладел на 120 лет умами физиков на полном серьезе, хотя его прототипы есть в сказках-небылицах всех народов всех времен, включая барона Мюнхаузена, вытащившего себя за волосы из болота, и призванных показать детям возможные жульничества и тем защитить их во взрослой жизни. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

  10. Kajishicage Ответить




    Сопротивление проводников. Удельное сопротивление
    Как уже отмечалось, сила тока в цепи зависит не только от напряжения на концах участка, но также и от свойств проводника, включенного в цепь. Зависимость силы тока от свойств проводников объясняется тем, что разные проводники обладают различным электрическим сопротивлением.
    Электрическое сопротивление R — физическая скалярная величина, характеризующая свойство проводника уменьшать скорость упорядоченного движения свободных носителей зарядов в проводнике. Обозначается сопротивление буквой R. В СИ единицей сопротивления проводника является ом (Ом).
    1 Ом — сопротивление такого проводника, сила тока в котором равна 1 А при напряжении на нем 1 В.
    Применяются и другие единицы: килоом (кОм), мегаом (МОм), миллиом (мОм): 1 кОм = 103 Ом; 1 МОм = 106 Ом; 1 мОм = 10-3 Ом.
    Физическую величину G, обратную сопротивлению, называют электрической проводимостью

    Единицей электрической проводимости в СИ является сименс: 1 См — это проводимость проводника сопротивлением 1 Ом.
    Проводник содержит не только свободные заряженные частицы — электроны, но и нейтральные частицы и связанные заряды. Все они участвуют в хаотическом тепловом движении, равновероятном в любых направлениях. При включении электрического поля под действием электрических сил будет преобладать направленное упорядоченное движение свободных зарядов, которые должны двигаться с ускорением и их скорость должна была бы со временем возрастать. Но в проводниках свободные заряды движутся с некоторой постоянной средней скоростью. Следовательно, проводник оказывает сопротивление упорядоченному движению свободных зарядов, часть энергии этого движения передается проводнику, в результате чего повышается его внутренняя энергия. Из-за движения свободных зарядов искажается даже идеальная кристаллическая решетка проводника, на искажениях кристаллической структуры рассеивается энергия упорядоченного движения свободных зарядов. Проводник оказывает сопротивление прохождению электрического тока.
    Сопротивление проводника зависит от материала, из которого он изготовлен, длины проводника и площади поперечного сечения. Для проверки этой зависимости можно воспользоваться той же электрической схемой, что и для проверки закона Ома (рис. 2), включая в участок цепи MN различные по размерам проводники цилиндрической формы, изготовленные из одного и того же материала, а также из разных материалов.
    Результаты эксперимента показали, что сопротивление проводника прямо пропорционально длине l проводника, обратно пропорционально площади S его поперечного сечения и зависит от рода вещества, из которого изготовлен проводник:

    где — удельное сопротивление проводника.
    Удельное сопротивление проводника — скалярная физическая величина, численно равная сопротивлению однородного цилиндрического проводника, изготовленного из данного вещества и имеющего длину 1 м и площадь поперечного сечения 1 м2, или сопротивлению куба с ребром 1 м. Единицей удельного сопротивления в СИ является ом-метр (Ом·м).
    Удельное сопротивление металлического проводника зависит от
    концентрации свободных электронов в проводнике;
    интенсивности рассеивания свободных электронов на ионах кристаллической решетки, совершающих тепловые колебания;
    интенсивности рассеивания свободных электронов на дефектах и примесях кристаллической структуры.
    Наименьшим удельным сопротивлением обладает серебро и медь. Очень велико удельное сопротивление у сплава никеля, железа, хрома и марганца — “нихрома”. Удельное сопротивление кристаллов металлов в значительной степени зависит от наличия в них примесей. Например, введение 1 % примеси марганца увеличивает удельное сопротивление меди в три раза.

  11. Forcekiller Ответить

    Удельное сопротивление металлов при нагревании увеличивается в результате увеличения скорости движения атомов в материале проводника с возрастанием температуры. Удельное сопротивление электролитов и угля при нагревании, наоборот, уменьшается, так как у этих материалов, кроме увеличения скорости движения атомов и молекул, возрастает число свободных электронов и ионов в единице объема.
    Некоторые сплавы, обладающие большим удельным сопротивлением, чем составляющие их металлы, почти не меняют удельного сопротивления с нагревом (константан, манганин и др.). Это объясняется неправильной структурой сплавов и малым средним временем свободного пробега электронов.
    Величина, показывающая относительное увеличение сопротивления при нагреве материала на 1° (или уменьшение при охлаждении на 1°), называется температурным коэффициентом сопротивления.
    Если температурный коэффициент обозначить через ?, удельное сопротивление при to=20о через ?o, то при нагреве материала до температуры t1 его удельное сопротивление p1 = ?o + ??o (t1 – to) = ?o(1 + (?(t1 – to))
    и соответственно R1 = Ro (1 + (?(t1 – to))
    Температурный коэффициент а для меди, алюминия, вольфрама равен 0,004 1/град. Поэтому при нагреве на 100° их сопротивление возрастает на 40%. Для железа ? = 0,006 1/град, для латуни ? = 0,002 1/град, для фехрали ? = 0,0001 1/град, для нихрома ? = 0,0002 1/град, для константана ? = 0,00001 1/град, для манганина ? = 0,00004 1/град. Уголь и электролиты имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Температурный коэффициент для большинства электролитов равен примерно 0,02 1/град.
    Свойство проводников изменять свое сопротивления в зависимости от температуры используется в термометрах сопротивления. Измеряя сопротивление, определяют расчетным путем окружающую температуру.Константан, манганин и другие сплавы, имеющие очень небольшой температурный коэффициент сопротивления применяют для изготовления шунтов и добавочных сопротивлений к измерительным приборам.
    Пример 1. Как изменится сопротивление Ro железной проволоки при нагреве ее на 520°? Температурный коэффициент а железа 0,006 1/град. По формуле R1 = Ro + Ro?(t1 – to) = Ro + Ro 0,006 (520 – 20) = 4Ro, то есть сопротивление железной проволоки при нагреве ее на 520° возрастет в 4 раза.
    Пример 2. Алюминиевые провода при температуре -20° имеют сопротивление 5 ом. Необходимо определить их сопротивление при температуре 30°.
    R2 = R1 – ?R1 (t2 – t1) = 5 + 0,004 х 5 (30 – (-20)) = 6 ом.
    Свойство материалов изменять свое электрическое сопротивление при нагреве или охлаждении используется для измерения температур. Так, термосопротивления, представляющие собой проволоку из платины или чистого никеля, вплавленные в кварц, применяются для измерения температур от -200 до +600°. Полупроводниковые термосопротивления с большим отрицательным коэффициентом применяются для точного определения температур в более узких диапазонах.
    Полупроводниковые термосопротивления, применяемые для измерения температур называют термисторами.
    Термисторы имеют высокий отрицательный температурный коэффициент сопротивления, то есть при нагреве их сопротивление уменьшается. Термисторы выполняют из оксидных (подвергнутых окислению) полупроводниковых материалов, состоящих из смеси двух или трех окислов металлов. Наибольшее распространение имеют медно-марганцевые и кобальто-марганцевые термисторы. Последние более чувствительны к температуре.

  15. VideoAnswer Ответить

Добавить ответ

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *