weerstandsvermogen

weerstand is een eigenschap van een materiaal dat kenmerkend is voor het vermogen ervan om de doorgang van elektrische stroom te voorkomen.

Kenmerken van elektrische materialen

Het belangrijkste kenmerk van elektrotechniek is de specifieke elektrische geleiding, gemeten in cm / m. Het dient als een evenredigheidscoëfficiënt tussen de veldsterktevector en de stroomdichtheid. Het wordt vaak aangeduid met de Griekse letter gamma γ.De soortelijke weerstand wordt herkend als de reciproke van elektrische geleidbaarheid. Dientengevolge wordt de bovengenoemde formule: de stroomdichtheid is rechtevenredig met de veldsterkte en omgekeerd evenredig met de specifieke weerstand van het medium. De eenheid wordt Om m.

Het onderhavige concept is niet alleen relevant voor vaste media. De stroom wordt bijvoorbeeld uitgevoerd door vloeistofelektrolyten en geïoniseerde gassen. Daarom is het in elk geval toegestaan ​​om het concept van weerstand in te voeren, omdat er een elektrische lading door het medium gaat. Het is moeilijk om de waarden in de naslagwerken te vinden, bijvoorbeeld voor de lasboog om een ​​eenvoudige reden - ze zijn niet voldoende betrokken bij dergelijke taken. Dit wordt niet geclaimd. Sinds de ontdekking van Davy's gloeiing van de platinaplaat door elektrische stroom, ging er een eeuw voorbij voordat gloeilampen werden geïntroduceerd - om een ​​soortgelijke reden werd het belang en de betekenis van de ontdekking niet meteen erkend.

Afhankelijk van de resistiviteitswaarde zijn de materialen verdeeld:

1. voor geleiders - minder dan 1/10000 Ohm m.
2. voor diëlektrica - meer dan 100 miljoen ohm m.
3. Volgens de waarden van specifieke weerstand zijn er diëlektrische en geleiders.

Deze waarden kenmerken uitsluitend het vermogen van het lichaam om weerstand te bieden aan de passage van elektrische stroom en hebben geen invloed op andere aspecten( elasticiteit, hittebestendigheid).Magnetische materialen zijn bijvoorbeeld geleiders, diëlektrica en halfgeleiders.

Hoe geleidingsvermogen wordt gevormd in een materiaal

In de moderne fysica worden weerstand en geleidbaarheid meestal verklaard door de zonetheorie. Het is van toepassing op vaste kristallijne lichamen waarvan de roosteratomen stationair zijn gemaakt. Volgens dit concept wordt de energie van elektronen en andere soorten ladingdragers bepaald door de vastgestelde regels. Er zijn drie hoofdzones die inherent zijn aan het materiaal:

• De valentiezone bevat elektronen die geassocieerd zijn met atomen. In dit gebied wordt de elektronenergie stapsgewijs gesorteerd en is het aantal niveaus beperkt. De buitenste laag van het atoom.
• Verboden zone. In dit gebied hebben ladingmaatschappijen geen recht. Het dient als de grens tussen de twee andere zones. Metalen zijn vaak afwezig.
• De vrije zone bevindt zich boven de vorige twee. Hier nemen elektronen vrijelijk deel aan het creëren van elektrische stroom en elke energie. Geen niveaus.

Diëlektrica worden gekenmerkt door de hoogste locatie van de vrije zone. Met alle natuurlijke omstandigheden denkbaar op aarde, geleiden de materialen geen elektrische stroom. Grote breedte en bandafstand. Metalen hebben een massa vrije elektronen. En de valentieband wordt tegelijkertijd beschouwd als het geleidingsgebied - er zijn geen verboden staten. Dientengevolge hebben deze materialen een lage soortelijke weerstand.

-weerstanden Op het grensvlak van de atomaire contacten worden tussenliggende energieniveaus gevormd, ongewone effecten optreden, gebruikt door halfgeleiderfysica. Heterogeniteiten worden opzettelijk gecreëerd door de introductie van onzuiverheden( acceptoren en donoren).Als een resultaat worden nieuwe energietoestanden gevormd, die nieuwe eigenschappen in het proces van elektrische stroomstroming manifesteren die het oorspronkelijke materiaal niet had.

Semiconductors hebben een verboden bandbreedte. Onder invloed van externe krachten kunnen elektronen het valentiebereik verlaten. De oorzaak is elektrische spanning, warmte, straling, andere soorten effecten. In diëlektrica en halfgeleiders gaan elektronen naar lagere niveaus naarmate de temperatuur daalt, met als gevolg dat de valentieband wordt gevuld en de geleidingsband vrij blijft. Elektrische stroom vloeit niet. Volgens de kwantumtheorie wordt de klasse van halfgeleiders gekarakteriseerd als materialen met een bandafstand van minder dan 3 eV.

Fermi Energy

De Fermi-energie neemt een belangrijke plaats in in de theorie van geleidbaarheid, verklaringen van verschijnselen die voorkomen in halfgeleiders. Subtiliteiten voegen vage definities van de term in de literatuur toe. Buitenlandse literatuur zegt dat het Fermi-niveau een bepaalde waarde is in eV, en de Fermi-energie is het verschil tussen het en het laagste in een kristal. Hier zijn de geselecteerde algemene en begrijpelijke zinnen:

1. Het Fermi-niveau is het maximum van alles wat inherent is aan een elektron in metalen bij een temperatuur van 0 K. Daarom is de Fermi-energie het verschil tussen dit cijfer en het minimumniveau op het absolute nulpunt.
2. Het Fermi energieniveau - de waarschijnlijkheid van het vinden van elektronen is 50% bij alle temperaturen behalve het absolute nulpunt.

De Fermi-energie wordt uitsluitend bepaald voor een temperatuur van 0 K, terwijl het niveau onder alle omstandigheden bestaat. In de thermodynamica beschrijft het concept het volledige chemische potentieel van alle elektronen. Het Fermi-niveau wordt gedefinieerd als het werk dat wordt besteed aan de toevoeging van een object door een enkel elektron. De parameter bepaalt de geleidbaarheid van het materiaal, helpt de fysica van halfgeleiders te begrijpen.

Het Fermi-niveau bestaat niet noodzakelijk fysiek. Er zijn gevallen waarin de doorgang zich in het midden van de verboden zone bevond. Fysiek bestaat het niveau niet, er zijn geen elektronen. De parameter is echter merkbaar met een voltmeter: het potentiaalverschil tussen twee punten van het circuit( metingen op het display) is evenredig met het verschil tussen de Fermi-niveaus van deze punten en omgekeerd evenredig met de elektronenlading. Eenvoudige verslaving. Het is toegestaan ​​om deze parameters te koppelen aan geleidbaarheid en soortelijke weerstand, met behulp van de wet van Ohm voor de kettingsectie.

Materialen met lage specifieke weerstand

De geleiders omvatten de meeste metalen, grafiet en elektrolyten. Dergelijke materialen hebben een lage soortelijke weerstand. In metalen vormen positief geladen ionen kristalroosterplekken omringd door een wolk van elektronen. Ze worden meestal normaal genoemd voor toegang tot de geleidingsband.

Hoewel het niet volledig begrepen wordt wat een elektron is, wordt het gewoonlijk beschreven als een deeltje dat zich in een kristal beweegt met een thermische snelheid van honderden km / sec. Dit is veel meer dan nodig is om een ​​ruimtetuig in een baan om de aarde te brengen. Tegelijkertijd bereikt de driftsnelheid, die een elektrische stroom vormt onder de werking van een intensiteitsvector, amper een centimeter per minuut. Het veld wordt gedistribueerd in een omgeving met de snelheid van het licht( 100.000 km / s).

Als resultaat van deze relaties, wordt het mogelijk om de geleidbaarheid uit te drukken in termen van fysieke grootheden( zie figuur):

• Elektronenlading, e.
• Vrije dragerconcentratie, n.
• Electronenmassa, ik.
• Thermische snelheid van dragers,
• Electron mean free path, l.

Het Fermi-niveau voor metalen ligt in het bereik van 3-15 eV en de concentratie van vrije dragers is bijna onafhankelijk van de temperatuur. Daarom wordt de specifieke geleidbaarheid, en dus de weerstand, bepaald door de structuur van het moleculaire netwerk en de nabijheid ervan tot het ideale, vrij van gebreken. De parameters bepalen de lengte van het vrije pad van elektronen, het is gemakkelijk te vinden in naslagwerken, als het nodig is om berekeningen te maken( bijvoorbeeld om de specifieke weerstand te bepalen).

Metalen met een kubusvormig rooster hebben de beste geleidbaarheid. Koper is hier ook opgenomen. Overgangsmetalen worden gekenmerkt door een veel hogere soortelijke weerstand. Geleidbaarheid neemt af met toenemende temperatuur en bij hoge frequenties van wisselstroom. In het laatste geval wordt een huideffect waargenomen. Temperatuurafhankelijkheid lineair boven een bepaalde limiet, genoemd naar de Nederlandse natuurkundige Peter Debye.

Gemarkeerde en niet zo rechte afhankelijkheden. Temperatuurbehande- ling van staal verhoogt bijvoorbeeld het aantal defecten, wat op natuurlijke wijze de geleidbaarheid van het materiaal vermindert. Een uitzondering op de regel was uitgloeien. Het proces vermindert de dichtheid van defecten, waardoor de soortelijke weerstand afneemt. Vervorming heeft een schitterend effect. Voor sommige legeringen resulteert bewerking in een duidelijke toename van de soortelijke weerstand.

Materialen met een hoge weerstand

Soms is het vereist om de soortelijke weerstand specifiek te verhogen. Een soortgelijke situatie doet zich voor in gevallen met verwarmingsapparaten en elektronische circuitweerstanden. Dan komt de draai van legeringen met hoge specifieke weerstand( meer dan 0,3 μOm m).Bij gebruik als onderdeel van meetinstrumenten wordt de eis van een minimale potentiaal op de interface met het koperen contact gepresenteerd.

De beroemdste was nichrome. Vaak zijn verwarmingsinrichtingen opgebouwd uit goedkope fehrle( bros, maar goedkoop).Afhankelijk van het doel, zijn koper, mangaan en andere metalen opgenomen in de legeringen. Het is een kostbaar genoegen. Een manganineweerstand kost bijvoorbeeld 30 cent op AliExpress, waar prijzen traditioneel lager zijn dan winkelprijzen. Er is zelfs een legering van palladium met iridium. De prijs van het materiaal mag niet hardop worden uitgesproken.

Printplaatweerstanden worden vaak gemaakt van zuivere metalen in de vorm van sputterfilms. Chroom, tantaal, wolfraam, legeringen worden veel gebruikt, onder andere, nichroom.

Stoffen die geen elektrische stroom geleiden

Diëlektrica worden gekenmerkt door een indrukwekkende weerstand. Dit is geen belangrijk kenmerk. Diëlektrische materialen omvatten materialen die in staat zijn om de lading opnieuw te verdelen onder invloed van een elektrisch veld. Als gevolg hiervan vindt accumulatie plaats, die wordt gebruikt in condensatoren. De mate van ladingsherverdeling wordt gekenmerkt door diëlektrische constante. De parameter laat zien hoe vaak de capaciteit van de condensator toeneemt, waarbij in plaats van lucht een specifiek materiaal wordt gebruikt. Individuele diëlektrica zijn in staat om oscillaties uit te voeren en uit te zenden onder invloed van wisselstroom. Ferro-elektriciteit is bekend vanwege temperatuurveranderingen.

Bij het wijzigen van de veldrichting treden verliezen op. Net zoals de magnetische spanning gedeeltelijk wordt omgezet in warmte bij blootstelling aan zacht staal. Het diëlektrische verlies hangt voornamelijk af van de frequentie. Indien nodig worden niet-polaire isolatoren gebruikt als materialen, waarvan de moleculen symmetrisch zijn, zonder een uitgesproken elektrisch moment. Polarisatie vindt plaats wanneer de ladingen stevig zijn verbonden met het kristalrooster. Typen polarisatie:

1. Polarisatie van elektronen treedt op als een gevolg van de vervorming van de schillen van de externe energie van atomen. Omkeerbaar. Kenmerkend voor niet-polaire diëlektrica in elke fase van een stof. Vanwege het lage elektronengewicht treedt dit vrijwel onmiddellijk op( eenheden van fs).
2. Ionenpolarisatie strekt zich twee orden van grootte langzamer uit en is kenmerkend voor stoffen met een ionisch kristalrooster. Dienovereenkomstig worden de materialen toegepast bij frequenties tot 10 GHz en hebben ze een grote diëlektrische constante( tot 90 voor titaandioxide).
3. Dipool-relaxatiepolarisatie is veel langzamer. De uitvoeringstijd is honderdsten van een seconde. Dipool-relaxatiepolarisatie is kenmerkend voor gassen en vloeistoffen en hangt respectievelijk af van de viscositeit( dichtheid).Het effect van temperatuur wordt opgespoord: het effect vormt een piek op een bepaalde waarde.
4. Spontane polarisatie wordt waargenomen in ferro-elektrische systemen.