Проводниковые материалы. Электропроводность. (Лекция 3.1)

Сентябрь 15, 2022

Главная
Физика
Проводниковые материалы. Электропроводность. (Лекция 3.1)

Содержание

2. Проводниковые материалы - это материалы, хорошо проводящие электрический ток при приложении внешнего электрического поля Е. В
3. Классификация проводниковых материалов
4. Структурная схема
5. 3.1. Электропроводность проводниковых материалов Электропроводность
6. Электропроводность γ = e∙N∙μ где N - концентрация свободных носителей заряда, м-3; ~ 1028 в одном
7. Подвижность где V – скорость электрона в электрическом поле, м/с; е – заряд электрона, Кл; λСР
8. Электропроводность
9. Удельное сопротивление ρ = 1 Ом⋅м или Ом⋅мм2/м. основной параметр проводниковых материалов ρ = 1/γ Электропроводность
10. Удельное сопротивление где p1 – удельное сопротивление в начале диапазона; величина αρ – характеризует средний температурный
11. Т↑ => λСР ↓ => μ↓ => ρ ↑ , γ↓ Зависимость электропроводности проводника от температуры
12. Зависимости удельного сопротивления от температуры в широком интервале температур для меди (а) и при низких температурах
13. Температурный коэффициент сопротивления ТКR (ТКρ) проводников (чистых металлов) положителен и составляет величину (3∙10-3...4∙10-3) 1/град. Несколько большим
14. Введение в медный проводник 0,01 ат. доли примеси серебра вызывает увеличение удельного сопротивления меди на 0,002
15. Влияние примесей на проводимость Ме
16. Вносят свой вклад в электросопротивление и дефекты, вводимые в металл при его холодной пластической деформации (ХПД),
17. В сплавах с ростом концентра- ции примесей удельное электро- сопротивление сплава ρ возра- стает за счет
18. Правило Матиссена для сплавов Удельное электросопротивление металла со статическими дефектами определяется правилом Матиссена ρ = ρт
19. Примеры для сплавов благородных металлов Электропроводность
20. Сu - 0,0175 Ом∙мм2/м. Ni, - 0,073 Ом∙мм2/м константан (60% Сu и 40% Ni) 0,5 Ом∙мм2/м.
21. Зависимость αρ и ρ от температуры для манганина Электропроводность
23. Электросопротивление тонких плёнок Характеристикой электросопротивления тонких пленок с толщиной d более 0,1 мкм является сопротивление квадрата
24. Формулы для расчёта электросопротивления Общее электросопротивление пленочного проводникового элемента рассчитывается по формуле , Ом, где l
25. Электросопротивление на высоких частотах Электропроводность На высоких частотах наблюдается неравномерное распределение электрического тока по сечению проводников:
26. Электросопротивление на высоких частотах Электропроводность Глубина проникновения поля численно равна расстоянию, на котором амплитуда напряженности поля,
27. Электросопротивление на высоких частотах Электропроводность Связь глубины проникновения поля с физическими характеристиками вещества определяется выражением: Коэффициент
28. Классификация проводниковых материалов по ρ 1. Проводниковые материалы с малым электрическим сопротивлением (ρ=(0.015...0.2)×10-6 Ом×м). К ним
29. Сверхпроводимость 3.2. Сверхпроводимость - это явление резкого уменьшения удельного сопротивления металлов и сплавов при температурах, близких
30. Одним из главных отличий сверхпроводников от идеальных проводников является эффект Мейснера, открытый в 1933 году, т.е.
31. Куперовская пара электронов сверхпроводящие электроны собственные колебания решетки согласованы с электронной волной Для двух электронов, находящихся
32. Критическое магнитное поле В магнитном поле с напряженностью Н энергия переворота частицы со спином ½ равна
33. Значение ρ составляет ~ 10-25 Ом*м, что в 1017 раз меньше удельного сопротивления меди при 200С.
34. Зависимость сопротивления сверхпроводников Iр и IIр от температуры Мягкие и твердые сверпроводники Сверхпроводимость
35. Твердые сверхпроводники обладают рядом особенностей: При охлаждении переход в сверхпроводящее состояние происходит не резко (как у
36. Применение сверхпроводников в мощных магнитах, трансформаторах, генераторах, линиях передач сводит к нулю потери в проводниках и
37. Сверхпроводимость
38. Академики В.Л. Гинзбург, А.А. Абрикосов нобелевские лауреаты за работы по сверхпроводимости http://polit.ru/article/2012/12/04/superconductor/ Сверхпроводимость
39. Криопроводимость (прежнее название – гиперпроводимость), явление достижения некоторыми металлами при криогенных температурах (но при температуре выше
40. http://perst.isssph.kiae.ru/supercond/bulletein.php?menu=bull_subj&id=462 В основе линии – самый длинный (600 м), самый мощный (574 МВт) и самый высоковольтный
41. Для изготовления кабеля потребовалось 155 км ВТСП проводника – ленточных проводов ВТСП 1-го поколения Bi-2223 Сверхпроводимость
42. Классификация сверхпроводников 1. Наиболее известными сверхпроводниками являются олово (Тсп= =3,72 К), свинец (Тсп=7,2 К), ниобий (Тсп=9,2
44. Скачать презентацию

Слайд 2

Проводниковые материалы - это материалы, хорошо проводящие электрический ток при приложении

внешнего электрического поля Е. В качестве проводниковых материалов в технике используется, в основном, два класса проводников.
Твердые проводники с электронной проводимостью (проводники первого рода). К ним относятся металлы, сплавы, углеродистые материалы.
Жидкие проводники (проводники второго рода). К этому виду проводниковых материалов относятся расплавленные и жидкие металлы (галлий, ртуть), различные электролиты.
Особое состояние – плазма.

Слайд 3

Классификация проводниковых материалов

Слайд 4

Структурная схема

Слайд 5

3.1. Электропроводность проводниковых материалов
Электропроводность

Слайд 6

Электропроводность
γ = e∙N∙μ
где
N - концентрация свободных носителей заряда, м-3;
~ 1028 в

одном кубическом метре (Ag, Cu, Au и Al)
μ - подвижность носителей заряда, м2/В∙с;
e - величина заряда носителя, Кл;
γ – электропроводность, См.

Электропроводность

Слайд 7

Подвижность
где
V – скорость электрона в электрическом поле, м/с;
е – заряд

электрона, Кл;
λСР – средняя длина свободного пробега электрона, м;
m – масса электрона.
μ - подвижность носителей заряда, м2/В∙с.

Электропроводность

Слайд 8

Электропроводность

Слайд 9

Удельное сопротивление
ρ = 1 Ом⋅м или Ом⋅мм2/м.
основной параметр проводниковых материалов

ρ = 1/γ

Электропроводность

Слайд 10

Удельное сопротивление
где p1 – удельное сопротивление в начале диапазона;
величина αρ

– характеризует средний температурный коэффициент

Электропроводность

Слайд 11

Т↑ => λСР ↓ => μ↓ => ρ ↑ ,

γ↓

Зависимость электропроводности проводника от температуры может определяться только длиной свободного пробега электрона в решетке. Из физики твердого тела известно, что λСР уменьшается при повышении температуры.

Электропроводность

Слайд 12

Зависимости удельного сопротивления от температуры в широком интервале температур для меди

(а) и при низких температурах для меди и алюминия (б)

Удельное сопротивление меди

Электропроводность

Слайд 13

Температурный коэффициент сопротивления ТКR (ТКρ) проводников (чистых металлов) положителен и составляет

величину
(3∙10-3...4∙10-3) 1/град. Несколько большим αρ характеризуются ферромагнитные металлы.
На практике при изменении αρ часто бывает полезной следующая формула
αρ = αr + αl
αr – ТК сопротивления данного резистора,
αl - ТК линейного расширения материала.
У чистых металлов αρ >> αl, поэтому у них αρ ≈ αr. Однако для термостабильных металлических сплавов такое приближение оказывается несправедливым.

Электропроводность

Слайд 14

Введение в медный проводник 0,01 ат. доли примеси серебра вызывает увеличение

удельного сопротивления меди на 0,002 мкОм·м.

Влияние примесей

Электропроводность

Слайд 15

Влияние примесей на проводимость Ме

Слайд 16

Вносят свой вклад в электросопротивление и дефекты, вводимые в металл при

его холодной пластической деформации (ХПД), так, после сильной ХПД у Al, Cu, Ag, Au, ρ увеличивается на 5-6%, а у Mo и W до 10-20%.

Влияние обработки

Электропроводность

Слайд 17

В сплавах с ростом концентра- ции примесей удельное электро- сопротивление сплава

ρ возра- стает за счет увеличения состав ляющей ρост. Соответственно, ТКС сплава с ростом концентрации дефектов уменьшается.

Электропроводность

Слайд 18

Правило Матиссена для сплавов
Удельное электросопротивление металла со статическими дефектами определяется правилом

Матиссена
ρ = ρт + ρост, (2.12)
где ρт - составляющая удельного электросопротивления, обусловленная рассеянием электронов на тепловых колебаниях решетки, ρост - остаточное электросопротивление, обусловленное рассеянием электронов на точечных и линейных дефектах.
При этом величина ρост практически не зависит от температуры Т.
Поэтому температурная зависимость удельного электросопротивления сплава ρ=f(Т) характеризуется более слабым изменением, чем чистого металла. ТКС сплава определяется только относительным изменением составляющей электросопротивления Δρт/ρ, обусловленной рассеянием электронов на тепловых колебаниях решетки, происходящим при изменении температуры ΔТ, и выражается соотношением
,1/K

Электропроводность

Слайд 19

Примеры для сплавов благородных металлов
Электропроводность

Слайд 20

Сu - 0,0175 Ом∙мм2/м. Ni, - 0,073 Ом∙мм2/м
константан (60% Сu и

40% Ni) 0,5 Ом∙мм2/м.
ТКρ этого сплава отрицателен или очень мал: - (5...20)∙10-6 1/град;

Зависимость ТКρ и ρ для сплава Ni – Cu

Электропроводность

Слайд 21

Зависимость αρ и ρ от температуры для манганина
Электропроводность

Слайд 22

Слайд 23

Электросопротивление тонких плёнок
Характеристикой электросопротивления тонких пленок с толщиной d более 0,1

мкм является сопротивление квадрата поверхности (ρкв)
, Ом, (2.14)
где d - толщина пленки; ρ - удельное электросопротивление пленки данной толщины, Ом×м.

Электропроводность

Слайд 24

Формулы для расчёта электросопротивления
Общее электросопротивление пленочного проводникового элемента рассчитывается по формуле
,

Ом,
где l - длина пленки, мм; b - ширина пленки, мм.
Для тонкослойных резисторов величина ρкв находится в пределах 500...1000 Ом.
Сопротивление проволочного резистивного элемента определяется соотношением
, Ом,
где ρ - удельное сопротивление проводника, Ом·м, l - длина проводника, м; S – плошадь поперечного сечения, м2.

Электропроводность

Слайд 25

Электросопротивление на высоких частотах
Электропроводность
На высоких частотах наблюдается неравномерное распределение электрического тока

по сечению проводников: плотность тока максимальна
на поверхности и убывает по мере проникновения в глубь проводника. Это явление получило название поверхностного эффекта (скин - эффекта).

Слайд 26

Электросопротивление на высоких частотах
Электропроводность
Глубина проникновения поля численно равна расстоянию, на котором

амплитуда напряженности поля, а следовательно, и плотности тока, уменьшается в е раз по отношению к своему значению на поверхности проводника.

Слайд 27

Электросопротивление на высоких частотах
Электропроводность
Связь глубины проникновения поля с физическими
характеристиками вещества определяется

выражением:

Коэффициент увеличения сопротивления kR
цилиндрического провода круглого сечения S0 рассчитывают по формуле (Δ << d) :

Слайд 28

Классификация проводниковых материалов по ρ
1. Проводниковые материалы с малым электрическим сопротивлением

(ρ=(0.015...0.2)×10-6 Ом×м). К ним относятся:
материалы для моточных изделий, проводного монтажа, печатных и пленочных проводников;
металлы и сплавы для электрических контактов;
припои;
Неметаллические проводниковые материалы.
2. Проводниковые материалы с удельным электросопротивлением более 0,2×10-6 Ом×м:
высокоомные сплавы и материалы для проволочных резисторов;
материалы для пленочных резисторов;
сплавы для выводов электровакуумных и полупроводниковых приборов.
3. Сверхпроводящие материалы:
чистые металлы;
интерметаллические и химические соединения металлов;
керамические материалы.

Слайд 29

Сверхпроводимость
3.2. Сверхпроводимость
- это явление резкого уменьшения удельного сопротивления металлов и сплавов

при температурах, близких к абсолютному нулю.

Впервые сверхпроводимость была обнаружена у ртути (Тсв=4,2 К) в 1911 году голландским физиком Х. Каммерлинг-Оннесом.

Слайд 30

Одним из главных отличий сверхпроводников от идеальных проводников является эффект Мейснера, открытый

в 1933 году, т.е. полное вытеснение магнитного поля из материала (диамагнетизм) при переходе в сверхпроводящее состояние.

Сверхпроводимость

Слайд 31

Куперовская пара электронов сверхпроводящие электроны
собственные колебания решетки согласованы с электронной волной
Для

двух электронов, находящихся на расстоянии порядка атомного
(d ~ 10-8 см),
Энергия магнитной связи W ≈ 10-4 эВ.
Это соответствует температуре частиц порядка 1 К.

Сверхпроводимость

Слайд 32

Критическое магнитное поле
В магнитном поле с напряженностью Н энергия переворота частицы

со спином ½ равна 2μН. Сравнивая эту энергию с энергией, необходимой для переворота электрона и разрыва куперовской пары в сверхпроводящем металле, получим правильную оценку так называемого критического магнитного поля, разрушающего сверхпроводимость: Н ~ 10 кГс, магнитная индукция ~ 1 Тл.

Сверхпроводимость

Слайд 33

Значение ρ составляет ~ 10-25 Ом*м, что в 1017 раз меньше

удельного сопротивления меди при 200С.

Параметры сверхпроводников

Сверхпроводимость

Слайд 34

Зависимость сопротивления сверхпроводников Iр и IIр от температуры
Мягкие и твердые сверпроводники
Сверхпроводимость

Слайд 35

Твердые сверхпроводники обладают рядом особенностей:
При охлаждении переход в сверхпроводящее состояние происходит

не резко (как у мягких и СВП), а на протяжении некоторого температурного диапазона.
При изменениях магнитной индукции могут также наблюдаться промежуточные состояния между СВП и нормальным.
Эффект Майснера-Оксенфельда-Аркадьева у них выражен не полностью.
Замечается тенденция к рассеянию энергии при пропускании через них переменного тока.
СВП свойства в большой степени зависят от технологического режима изготовления и т. д.

Сверхпроводимость

Слайд 36

Применение сверхпроводников в мощных магнитах, трансформаторах, генераторах, линиях передач сводит к

нулю потери в проводниках и позволяет значительно повышать плотность тока и напряженность магнитного поля.
Маломощная элекроника (Джозефсоновский переход).

Сверхпроводимость

Слайд 37

Сверхпроводимость

Слайд 38

Академики В.Л. Гинзбург, А.А. Абрикосов нобелевские лауреаты за работы по сверхпроводимости
http://polit.ru/article/2012/12/04/superconductor/
Сверхпроводимость

Слайд 39

Криопроводимость (прежнее название – гиперпроводимость),
явление достижения некоторыми металлами при криогенных

температурах (но при температуре выше Ткр, если данный металл принадлежит к СВП) весьма малого значения ρ, в сотни и тысячи раз меньшего, чем ρ при нормальной температуре.
Cu и Al (охлаждение - жидкий водород)
Вi (охлаждение жидкий азот)

Сверхпроводимость

Слайд 40

http://perst.isssph.kiae.ru/supercond/bulletein.php?menu=bull_subj&id=462
В основе линии – самый длинный (600 м), самый мощный (574

МВт) и самый высоковольтный (138 кВ) трехфазный ВТСП кабель в мире

Сверхпроводимость

Слайд 41

Для изготовления кабеля потребовалось 155 км ВТСП проводника – ленточных проводов

ВТСП 1-го поколения Bi-2223

Сверхпроводимость

Слайд 42

Классификация сверхпроводников
1. Наиболее известными сверхпроводниками являются олово (Тсп= =3,72 К), свинец

(Тсп=7,2 К), ниобий (Тсп=9,2 К). У остальных металлов сверхпроводимость наблюдается или при охлаждении под очень высоким давлением - до 108...109 Па, или в тонких пленках этих материалов.
2.Широкий класс сверхпроводников представляют сплавы, интерметаллические соединения и химические соединения металлов. Таких сверхпроводников известно более 1000. Наиболее известными из них являются соединение V3Ga (Тсп=14,8 К), станнид ниобия Nb3Sn (Тсп=18,0 К), германид ниобия Nb3Ge (Тсп=23,3 К).
3. Разработаны сверхпроводящие керамические материалы сложных химических составов на основе редкоземельных металлов, обладающих сверхпроводимостью при сравнительно высоких температурах, приближающихся к температуре жидкого азота. К ним относятся материалы La1,8Sr0,2CuO4 (Тсп=36 К), La1-xBaxCuyO3-y (Тсп=56 К), YBa2Cu3O6,5 (Тсп=82 К).
В настоящее время налажен выпуск сверхпроводящих материалов в виде проволоки и лент, а также полуфабрикатов для изготовления на их основе тонких пленок методом пленочной микроэлектроники.

Проводниковые материалы. Электропроводность. (Лекция 3.1)

Содержание

Проводниковые материалы - это материалы, хорошо проводящие электрический ток при приложении

Классификация проводниковых материалов

Структурная схема

3.1. Электропроводность проводниковых материаловЭлектропроводность

Электропроводностьγ = e∙N∙μгде N - концентрация свободных носителей заряда, м-3;~ 1028 в

Подвижностьгде V – скорость электрона в электрическом поле, м/с; е – заряд

Электропроводность

Удельное сопротивление ρ = 1 Ом⋅м или Ом⋅мм2/м.основной параметр проводниковых материалов

Удельное сопротивлениегде p1 – удельное сопротивление в начале диапазона; величина αρ

Т↑ => λСР ↓ => μ↓ => ρ ↑ ,

Зависимости удельного сопротивления от температуры в широком интервале температур для меди

Температурный коэффициент сопротивления ТКR (ТКρ) проводников (чистых металлов) положителен и составляет

Введение в медный проводник 0,01 ат. доли примеси серебра вызывает увеличение

Влияние примесей на проводимость Ме

Вносят свой вклад в электросопротивление и дефекты, вводимые в металл при

В сплавах с ростом концентра- ции примесей удельное электро- сопротивление сплава

Правило Матиссена для сплавовУдельное электросопротивление металла со статическими дефектами определяется правилом

Примеры для сплавов благородных металловЭлектропроводность

Сu - 0,0175 Ом∙мм2/м. Ni, - 0,073 Ом∙мм2/мконстантан (60% Сu и

Зависимость αρ и ρ от температуры для манганинаЭлектропроводность

Электросопротивление тонких плёнокХарактеристикой электросопротивления тонких пленок с толщиной d более 0,1

Формулы для расчёта электросопротивленияОбщее электросопротивление пленочного проводникового элемента рассчитывается по формуле,

Электросопротивление на высоких частотахЭлектропроводностьНа высоких частотах наблюдается неравномерное распределение электрического тока

Электросопротивление на высоких частотахЭлектропроводностьГлубина проникновения поля численно равна расстоянию, на котором

Электросопротивление на высоких частотахЭлектропроводностьСвязь глубины проникновения поля с физическимихарактеристиками вещества определяется

Классификация проводниковых материалов по ρ1. Проводниковые материалы с малым электрическим сопротивлением

Сверхпроводимость3.2. Сверхпроводимость- это явление резкого уменьшения удельного сопротивления металлов и сплавов

Одним из главных отличий сверхпроводников от идеальных проводников является эффект Мейснера, открытый

Куперовская пара электронов сверхпроводящие электронысобственные колебания решетки согласованы с электронной волнойДля

Критическое магнитное полеВ магнитном поле с напряженностью Н энергия переворота частицы

Значение ρ составляет ~ 10-25 Ом*м, что в 1017 раз меньше

Зависимость сопротивления сверхпроводников Iр и IIр от температурыМягкие и твердые сверпроводникиСверхпроводимость

Твердые сверхпроводники обладают рядом особенностей:При охлаждении переход в сверхпроводящее состояние происходит

Применение сверхпроводников в мощных магнитах, трансформаторах, генераторах, линиях передач сводит к

Сверхпроводимость

Академики В.Л. Гинзбург, А.А. Абрикосов нобелевские лауреаты за работы по сверхпроводимостиhttp://polit.ru/article/2012/12/04/superconductor/Сверхпроводимость

Криопроводимость (прежнее название – гиперпроводимость), явление достижения некоторыми металлами при криогенных

http://perst.isssph.kiae.ru/supercond/bulletein.php?menu=bull_subj&id=462В основе линии – самый длинный (600 м), самый мощный (574

Для изготовления кабеля потребовалось 155 км ВТСП проводника – ленточных проводов

Классификация сверхпроводников1. Наиболее известными сверхпроводниками являются олово (Тсп= =3,72 К), свинец

Похожие презентации

3.1. Электропроводность проводниковых материалов
Электропроводность

Электропроводность
γ = e∙N∙μ
где
N - концентрация свободных носителей заряда, м-3;
~ 1028 в

Подвижность
где
V – скорость электрона в электрическом поле, м/с;
е – заряд

Удельное сопротивление
ρ = 1 Ом⋅м или Ом⋅мм2/м.
основной параметр проводниковых материалов

Удельное сопротивление
где p1 – удельное сопротивление в начале диапазона;
величина αρ

Правило Матиссена для сплавов
Удельное электросопротивление металла со статическими дефектами определяется правилом

Примеры для сплавов благородных металлов
Электропроводность

Сu - 0,0175 Ом∙мм2/м. Ni, - 0,073 Ом∙мм2/м
константан (60% Сu и

Зависимость αρ и ρ от температуры для манганина
Электропроводность

Электросопротивление тонких плёнок
Характеристикой электросопротивления тонких пленок с толщиной d более 0,1

Формулы для расчёта электросопротивления
Общее электросопротивление пленочного проводникового элемента рассчитывается по формуле
,

Электросопротивление на высоких частотах
Электропроводность
На высоких частотах наблюдается неравномерное распределение электрического тока

Электросопротивление на высоких частотах
Электропроводность
Глубина проникновения поля численно равна расстоянию, на котором

Электросопротивление на высоких частотах
Электропроводность
Связь глубины проникновения поля с физическими
характеристиками вещества определяется

Классификация проводниковых материалов по ρ
1. Проводниковые материалы с малым электрическим сопротивлением

Сверхпроводимость
3.2. Сверхпроводимость
- это явление резкого уменьшения удельного сопротивления металлов и сплавов

Куперовская пара электронов сверхпроводящие электроны
собственные колебания решетки согласованы с электронной волной
Для

Критическое магнитное поле
В магнитном поле с напряженностью Н энергия переворота частицы

Зависимость сопротивления сверхпроводников Iр и IIр от температуры
Мягкие и твердые сверпроводники
Сверхпроводимость

Твердые сверхпроводники обладают рядом особенностей:
При охлаждении переход в сверхпроводящее состояние происходит

Академики В.Л. Гинзбург, А.А. Абрикосов нобелевские лауреаты за работы по сверхпроводимости
http://polit.ru/article/2012/12/04/superconductor/
Сверхпроводимость

Криопроводимость (прежнее название – гиперпроводимость),
явление достижения некоторыми металлами при криогенных

http://perst.isssph.kiae.ru/supercond/bulletein.php?menu=bull_subj&id=462
В основе линии – самый длинный (600 м), самый мощный (574

Классификация сверхпроводников
1. Наиболее известными сверхпроводниками являются олово (Тсп= =3,72 К), свинец