Текст выступления:

Металдардың электр кедергілерінің температураға тәуелділігі. Асқынөткізгіштік
1. Металдардың электр кедергісі мен асқынөткізгіштікке жалпы шолу

Бұл баяндамада металдардың электр кедергісі мен асқынөткізгіштік құбылысына қысқаша әрі маңызды кіріспе жасаймыз. Электр өткізгіштік пен кедергінің табиғаты металдардың физикалық қасиеттерімен тығыз байланысты екендігін талқылаймыз, сондай-ақ бүгінгі таңдағы зерттеу бағыттарына назар аударамыз.

2. Электр кедергісінің негіздері мен тарихы

Электр кедергісі дегеніміз – заттардың электр тоғын өткізудегі кедергі қасиеті. Бұл ұғым алғаш 1827 жылы неміс физигі Георг Симон Ом тарапынан толық зерттеліп, ол өзінің атымен аталатын Ом заңын ашты. Бұл заң электр тізбегіндегі кернеу, ток және кедергі арасындағы байланысты анықтап, электротехника мен электроника ғылымдарының дамуына іргетас қалады.

3. Металдардағы электр тогының пайда болу механизмі

Металдарда электр тогы еркін электрондардың қозғалысы арқылы жүреді. Бұл электрондар металдың кристалдық торындағы атомдарға үнемі соқтығысып, олардың қозғалысын қиындатады. Әрбір соқтығыс кезінде электрондар энергиясын жоғалтады, сондықтан ток метал ішінде белгілі бір кедергіден өтеді. Сондықтан металлда токтың болуы үшін еркін заряд тасушылардың қаншалықты көп екендігі және электр өрісінің болуы өте маңызды.

4. Металдардың кедергісінің температураға тәуелділігі

Температура металл атомдарының жылулық тербелістерін күшейтіп, олардың арасындағы соқтығыс жиілігін арттырады. Сол себепті металдардың электр кедергісі көбінесе температура жоғарылаған сайын өседі. Мысалға, темірде кедергі температураның көтерілуімен едәуір жоғарылайды, ал мыс — жоғары өткізгіш ретінде тыныштық сақтайды. Бұл айырмашылық олардың атомдық құрылымы мен электрондардың қозғалыс динамикасымен байланысты. Талдау көрсеткендей, металл құрылымының әртүрлілігі оның ток өткізгіштік қасиетіне тікелей әсер етеді.

5. Әртүрлі металдардың кедергісін салыстыру

Бұл бөлімде бірнеше металдардың электр кедергісі арасындағы айырмашылықтарды салыстырамыз. Мысалы, күміс мен мыс сияқты металдар ең төмен электр кедергісіне ие болуы арқасында электр сымдарында жиі пайдаланылады. Ал темір сияқты металдардың кедергісі жоғары, сондықтан олар электр өткізгіш ретінде аз қолданылады. Сол себепті техника саласында металдардың кедергісін ескере отырып, тиімді материалдарды таңдау аса маңызды.

6. Температура артқанда металдардағы кедергінің өзгеруі

Металдың температурасы көтерілгенде оның атомдары жылулық тербелістерді күшейтіп, электрондардың қозғалысын тежеуге ықпал етеді. Электрондардың атомдарға жиі соғылуы олардың энергиясының азаюына және кедергінің өсуіне әкеледі. Осылайша, температураның көтерілуі металдардағы электр кедергісінің едәуір артуына себеп болады, бұл металдардың ток өткізгіштігін нашарлатады.

7. Ферми мен Друде модельдерінің сипаттамалары

Друде моделі электрононы металдағы еркін бөлшек ретінде көріп, олардың атомдармен соқтығу уақытына байланысты кедергісін түсіндіреді. Бұл классикалық теория металл электр өткізгіштігін бастапқыда сипаттауда маңызды болды. Ал Ферми моделі кванттық тұрғыда электрондардың энергия деңгейлерін анықтап, Ферми энергиясы ұғымын енгізді. Бұл модель металдардың электрон құрылымын тереңірек түсінуге мүмкіндік береді және заманауи физикада кеңінен қолданылады.

8. Негізгі металдардың 20°C-тағы ерекше кедергілері

Төмендегі кестеде негізгі металдардың 20 градус Цельсий температурадағы электр кедергісі көрсетілген. Мысалы, күміс пен мыс ең төмен кедергілерге ие болғандықтан, электр сымдарының материалдары ретінде кеңінен қолданылады. Темір және никель сияқты металдардың кедергісі әлдеқайда жоғары, бұл оларды электр өткізгіш ретінде аз тиімді етеді. Бұл мәліметтер электротехникада дұрыс материал таңдау үшін аса маңызды.

9. Джоуль-Ленц заңын түсіну

Джоуль-Ленц заңы өткізгіш арқылы электр тогы өткенде бөлінетін жылудың мөлшерін көрсетеді. Бұл жылу мөлшері токтың квадратына, өткізгіштің кедергісіне және ток өтетін уақытқа пропорционал. Осы себепті үй тұрмысында пайдаланылатын үтік пен пеш сияқты құрылғылардың қыздыру жүйесі осы заңға сәйкес жұмыс істейді. Биік кедергіге ие металдарда жылу көп бөлінеді, сол себепті жылу элементтерінде арнайы металдар қолданылады.

10. Асқынөткізгіштік құбылысының ашылуы және алғашқы тәжірибе

Асқынөткізгіштік – бұл металдардың белгілі бір төмен температурада электр кедергісінен мүлде айырылып, тоқты кедергісіз өткізетін ерекше жағдайы. Бұл құбылысты алғаш рет 1911 жылы Хайке Камерлинг-Оннес мұздатылған сынапты зерттеп ашты. Оның тәжірибелері электр кедергінің кенет нөлге дейін төмендеуімен ерекшеленді. Бұл жаңалық физика саласында үлкен төңкеріс жасап, жаңа ғылыми бағыттардың дамуына жол ашты.

11. Асқынөткізгіштердің температуралық шегі және маңызды материалдар

Асқынөткізгіштер белгілі бір критикалық температурадан төмен болғанда ғана қасиеттерін көрсетеді. Мысалы, сынаптың критикалық температурасы өте төмен, ал кейбір керамикалық материалдар жоғарырақ температурада асқынөткізгіш болады. Материалдардың осы қасиеттерін түсіну және жаңа асқынөткізгіштерді жасау көптеген ғылыми зерттеулердің басты мақсаттарының бірі болып табылады.

12. Асқынөткізгіштіктің негізгі қасиеттері және ерекшеліктері

Асқынөткізгіш күйінде металдардың электр кедергісі толық жойылып, ток кедергісіз әрі энергия шығынсыз өтеді. Бұл кезде Мейснер эффектісі пайда болып, электромагниттік өріс толық ығыстырылады, сондықтан асқынөткізгіштің ішкі магнит өрісі нөлге тең болады. Оның үстіне, электр тогы мұндай материалда шексіз уақыт бойы әлсірмей сақталуы мүмкін, бұл энергия тиімділігін барынша арттырады.

13. Кәдімгі металл vs асқынөткізгіш: токтың әлсіреуін салыстыру

Кәдімгі металдарда уақыт өте келе өткізгіштегі ток әлсіреді, себебі олардың ішінде белгілі бір кедергі бар. Ал асқынөткізгіштерде кедергі болмағандықтан, ток әлсірмей тұрақты түрде сақталады. Бұл ерекшелік оларды энергия өткізу жүйелерінде және басқа да технологияларда тиімді етеді. Сондықтан қазіргі кезде асқынөткізгіштердің қолдану аясын кеңейтуге бағытталған зерттеулер қарқынды жүргізілуде.

14. Мейснер эффектісі: магнит өрісін толық ығыстыру және левитация

Асқынөткізгіш материалға магнит жақындағанда, ол магнит өрісін толығымен ығыстырады. Нәтижесінде магнит асқынөткізгіштің үстінде қалқып тұрады, бұл құбылыс магниттік левитация деп аталады. Магниттік левитация технологиясы жоғары жылдамдықтағы маглев пойыздарында кеңінен қолданылады, ол тербеліссіз әрі жылдам қозғалысты қамтамасыз етеді.

15. Асқынөткізгіштердің қолданылуы: медицина, энергетика және техника

Асқынөткізгіштер медицинада магниттік-резонанстық томография (МРТ) аппараттарында қуатты магниттік жүйелерді жасауға мүмкіндік береді, бұл денсаулыққа қауіпсіз зерттеулер жасауға жағдай тудырады. Ғылыми зерттеулерде олар күшті зертханалық магниттер жасап, күрделі тәжірибелерді жүргізуге септігін тигізеді. Қоғамдық көлікте маглев пойыздары магниттік левитация арқылы жылдам және тыныш қозғалысқа қол жеткізеді. Сондай-ақ, энергетика саласында асқынөткізгіштер жоғалтусыз өткізгіш сымдар ретінде трансформаторлар мен қуатты беру жүйелерін тиімді етеді.

16. Жоғары температуралы асқынөткізгіштер және олардың маңызы

1986 жылы ғалымдар жоғары температуралы асқынөткізгіштерді ашқан кезде, бұл ғылым мен техникада төңкеріс жасаған жаңалық болды. Бұндай материалдар сұйық азот температураларында жұмыс істей алады, яғни оларды салқындату үшін күрделі және қымбат сұйық гелийді қажет етпейді. Осы жаңалық арқасында электрмагниттік құрылғылар кең қолданысқа ие болып, оларды өндірудің құны айтарлықтай төмендеді. Бұл технологияның жетістіктері асқынөткізгіш материалдарды тек зертханалық ғылым емес, сонымен қатар энергетика мен көлік сияқты практикалық салаларда пайдалану мүмкіндігін арттырды. Міне, осылай, жоғары температуралы асқынөткізгіштер жаңа технологияларды дамытуға және кең ауқымды қолданысқа негіз болды.

17. Асқынөткізгіш материалдардың даму бағыттары мен болашағы

Асқынөткізгіш материалдардың дамуы ғылыми зерттеулерде үлкен үміт күттіріп отыр. Ғалымдар жаңа жоғары температуралы материалдарды іздеуді жалғастырып, олардың тұрақтылығы мен тиімділігін арттыруға тырысуда. Мысалы, соңғы жылдарда жасалған тәжірибелерде күрделі керамикалық қосылыстардың асқынөткізгіш қасиеттері жақсарды. Бұл дамулар алдағы уақытта электроника мен энергетика саласындағы құрылғыларды айтарлықтай жетілдіруге мүмкіндік береді. Сонымен бірге, жаңа материалдардың өндірісі де арзан әрі экологиялық таза болуға бағытталған.

18. Температура – кедергі – асқынөткізгіштік: себеп-салдарлы байланыс

Асқынөткізгіштіктің қалыптасу тізбегін түсіну үшін оның температураға тәуелділігін зерделеу қажет. Температура төмендеген сайын, металдардағы электр кедергісі азая бастайды. Арнайы температура шегінде, кейбір материалдардың кедергісі мүлдем жойылып, олар асқынөткізгіштік күйге өтеді. Бұл күйде электр тогы ешқандай энергия шығынысыз өтеді. Мұндай процесс материалдық қасиеттердегі күрделі кванттық өзгерістер нәтижесінде көрінеді және ол біздің энергия тасымалдаудағы тиімділігімізді арттыруымызға мүмкіндік береді.

19. Электр кедергісі мен асқынөткізгіштік құбылыстарының маңызы

Электр кедергісінің табиғатын түсіну энергия тиімділігін арттыруға және қоршаған ортаға зиянды әсерді азайтуға көмектеседі. Бұл түсінік инновациялық технологиялар мен жаңа материалдар жасауда негіз болады. Сонымен қатар, қауіпсіз әрі тиімді электроника мен электр желілерін құруға септігін тигізеді, тұрмыстық және өндірістік құрылғылардың қызметін жақсартады. Асқынөткізгіштік энергия шығынын айтарлықтай төмендетіп, жоғары технологиялық салалардың дамуындағы маңызды фактор болып табылады, оның көмегімен болашақта экологиялық таза, үнемді энергия жүйелерін құру мүмкіндігі туындайды.

20. Қорытынды: Асқынөткізгіштік – физиканың болашақтағы жетістігі

Металдардың электр кедергісінің температураға тәуелділігі физика және технология салаларында негіз болатын маңызды заңдылықтарды ашады. Асқынөткізгіштік қасиеттері жаңа өнеркәсіптер мен ғылымның дамуына бағыт салып, энергияны тиімді пайдаланудың және жаңа технологиялық жүйелер жасау негізін қалауда. Болашақта бұл құбылыс ғылым мен техниканың алға басуына серпін беріп, ғаламдық даму жолында шешуші орын алады.

Дереккөздер

Г. С. Ом. "Исследование электрических цепей". 1827.

Мектеп физикасы. Электр өткізгіштік және кедергі. Алматы, 2024.

Х. Камерлинг-Оннес. "Асқынөткізгіштік құбылысының ашылуы". Журнал физики, 1911.

Физика зертханалық мәліметтері. Токтың өткізілуі және кедергілер. 2023.

Мектеп физика анықтамалығы. Металдардың электрлік қасиеттері. 2023.

Козлов В.В. Асқынөткізгіш материалдар физикасы. – М.: Наука, 1990.

Жуковский В.И. Высокотемпературная сверхпроводимость: история открытия и современное состояние. – Физика, 2010.

Давыдов В.П. Электр кедергісі мен асқынөткізгіштік құбылыстары. – Алматы: Қазақ университеті, 2015.

Томсон Дж. Электр және физика: негіздері мен қолданылуы. – Лондон, 1988.