Įvadas
Šis straipsnis skirtas išnagrinėti metalų varžos priklausomybę nuo temperatūros. Elektrinė varža yra vienas pagrindinių laidininkų parametrų, apibūdinantis jų savybę priešintis elektros srovės tekėjimui. Ši savybė priklauso nuo įvairių faktorių, įskaitant medžiagos rūšį, jos būseną, matmenis ir, svarbiausia, temperatūrą. Straipsnyje bus aptariama teorinė šios priklausomybės pusė, pateikiami eksperimentinių tyrimų rezultatai ir aptariami veiksniai, lemiantys varžos kitimą keičiantis temperatūrai.
Teorinis pagrindas
Klasikinė teorija ir jos ribotumai
Klasikinė metalų laidumo teorija aiškina elektros srovės tekėjimą metaluose kaip laisvų elektronų judėjimą kristaline gardele. Pagal šią teoriją, elektronai nuolat susiduria su gardelės jonais, o šie susidūrimai sukuria pasipriešinimą srovės tekėjimui - varžą. Didėjant temperatūrai, gardelės jonų virpesiai stiprėja, todėl didėja elektronų susidūrimų su jonais tikimybė, o tai lemia didesnę varžą.
Tačiau klasikinė teorija negali pilnai paaiškinti visų eksperimentinių duomenų. Pavyzdžiui, ji numato, kad elektronų vidutinis greitis turėtų priklausyti nuo temperatūros, o tai prieštarauja eksperimentams. Be to, klasikinė teorija negali paaiškinti varžos priklausomybės nuo temperatūros labai žemose temperatūrose.
Kvantinė teorija
Norint tiksliau paaiškinti metalų varžos priklausomybę nuo temperatūros, būtina remtis kvantine mechanika. Kvantinė teorija teigia, kad elektronai metaluose užima tam tikrus energijos lygius, o šių lygių pasiskirstymas aprašomas Fermio-Dirako statistika. Pagal šią statistiką, net absoliutaus nulio temperatūroje (0 K) elektronai turi energiją, vadinamą Fermio energija (WF).
Sudarius elektrinį lauką, laidume dalyvauja tik tie valentiniai elektronai, kurių energija artima WF vertei. Šių elektronų vidutinis greitis (vF) nuo temperatūros beveik nepriklauso. Elektronų laisvasis kelias, o tuo pačiu elektrinis laidumas (bei varža), siejamas su elektronų sklaida.
Taip pat skaitykite: Metalų taršos poveikis
Defektai kristalinėje gardelėje
Elektronų sklaidą lemia įvairūs kristalinės gardelės defektai. Šie defektai skirstomi į statinius ir dinaminius. Statiniai defektai apima:
- Kristalitinę struktūrą: Realus metalo kristalas sudarytas iš mažų chaotiškai išdėstytų kristalitų.
- Tuščius gardelės mazgus: Dalis gardelės mazgų nėra užpildyti atomais.
- Daleles tarpmazgiuose: Kai kurie atomai yra įsiterpę tarp gardelės mazgų.
- Priemaišas: Kristale yra svetimų atomų.
Dinaminiai defektai atsiranda dėl atomų virpesių kristalinėje gardelėje. Šie virpesiai sukelia tarpatominių atstumų kitimus, sutrikdančius kristalo periodiškumą. Aukštesnėse nei kambario temperatūrose dinaminių ir dalies statinių defektų koncentracija proporcinga T, todėl elektronų laisvasis kelias mažėja, o specifinė varža didėja (~ T).
Eksperimentinis tyrimas
Darbo tikslas ir uždaviniai
Pagrindinis darbo tikslas - ištirti laidininko varžos priklausomybę nuo temperatūros. Šiam tikslui pasiekti buvo iškelti šie uždaviniai:
- Atlikti eksperimentinius matavimus, nustatant laidininko varžą skirtingose temperatūrose.
- Apskaičiuoti laidininko savitąją varžą.
- Nubraižyti grafiką, atspindintį varžos priklausomybę nuo temperatūros.
- Išanalizuoti gautus rezultatus ir palyginti juos su teorinėmis išvadomis.
Aparatūra ir darbo metodas
Eksperimentiniam tyrimui atlikti reikalinga ši aparatūra:
- Laidininkas, kurio varžos priklausomybė nuo temperatūros bus tiriama. Dažniausiai naudojamas varis.
- Termometras, skirtas laidininko temperatūrai matuoti.
- Šildymo įrenginys, skirtas kontroliuojamai laidininko temperatūros didinimui.
- Multimetras, skirtas laidininko varžai matuoti.
- Matavimo indai ir įrankiai, skirti laidininko matmenims nustatyti.
Darbo metodas apima šiuos etapus:
Taip pat skaitykite: Varžos priklausomybė nuo temperatūros puslaidininkiuose
- Laidininko matmenų (ilgio ir skerspjūvio ploto) nustatymas.
- Laidininko pradinės temperatūros nustatymas.
- Laidininko varžos matavimas pradinėje temperatūroje.
- Laidininko temperatūros palaipsniui didinimas ir varžos matavimas kiekvienoje temperatūroje.
- Gautų duomenų įrašymas į lentelę.
- Laidininko savitosios varžos apskaičiavimas kiekvienoje temperatūroje.
- Grafiko, atspindinčio varžos priklausomybę nuo temperatūros, nubraižymas.
Rezultatai ir jų aptarimas
Eksperimento metu gauti duomenys leidžia nustatyti varžos priklausomybę nuo temperatūros. Paprastai, tiesiškai didinant temperatūrą, varža taip pat didėja tiesiškai. Tai patvirtina teorines išvadas, kad varža didėja didėjant temperatūrai.
Grafikas, atspindintis varžos priklausomybę nuo temperatūros, paprastai yra tiesė. Šios tiesės nuolydis priklauso nuo laidininko medžiagos ir apibūdina, kaip stipriai varža kinta keičiantis temperatūrai.
Gauti eksperimentiniai rezultatai gali būti naudojami laidininko savitajai varžai apskaičiuoti. Savitoji varža yra medžiagos savybė, nepriklausanti nuo laidininko matmenų. Ji apibūdina medžiagos gebėjimą priešintis elektros srovės tekėjimui.
Taip pat skaitykite: Elektrinės varžos vadovas
tags: #metalu #varzos #pegal #temperaturines #priklausomybes #tyrimas