Текст выступления:

Металдардағы электр кедергісінің температураға тәуелділігі. Асқын өткізгіштік
1. Металдардағы электр кедергісі және асқын өткізгіштік: Негізгі тақырыптар

Қазіргі заманғы техниканың көптеген салаларында металдардың электр қасиеттері аса маңызды рөл атқарады. Бұл презентацияда металдардағы электр кедергісі және асқын өткізгіштік құбылыстарының негіздері, физикалық себептері мен практикалық қолданыстары қарастырылады. Осы тақырыптарды кеңінен аша отырып, біз металдардың ток өткізгіштік қасиеттерін жақсырақ түсінетін боламыз.

2. Металдардың электрлік қасиеті және оның физикасын түсіну

Металдарда электр тогы молекулярлы деңгейде еркін электрондардың қозғалуы арқылы тарайды. Бұл электрондар металдың кристалл торында еркін жүре алады, сол себепті металдар тамаша өткізгіштерге жатады. Дегенмен, температураның өзгеруі бұл электрондардың қозғалысына әсер етіп, олардың кедергісін арттыруы немесе төмендетуі мүмкін. Құрылымдық физика тұрғысынан металдардың атомдық құрылымы мен электрондық құрылымы электр өткізгіштігінің маңызды негіздері болып табылады.

3. Электр кедергісі дегеніміз не?

Электр кедергісі – бұл материалдың электр тогының өтуіне қарсы тұру қабілеті. Материал арқылы өтіп жатқан токтың бір бөлігі энергия ретінде жылуға айналып, жоғалады. Бұл құбылыс біздің күнделікті өмірде, мысалы электр құрылғыларының қызуына байланысты байқалады. Кедергінің SI өлшем бірлігі – Ом, ол Ом заңы арқылы есептеледі. Ом заңы бойынша, кедергі токтың кернеуі мен күші қатынасымен анықталады, яғни R = U/I. Кедергінің мөлшері материалдың түріне, көлеміне және температурасына байланысты өзгеріп отырады. Мысалы, металдарда температура артқанда кедергі көбейетіні тәжірибеде дәлелденген және бұл олардың атомдық түзылығымен тікелей байланысты.

4. Металдардың атомдық құрылымы мен еркін электрондар

Металдық атомдар бір-біріне жақын орналасқан тығыз кристалл торын жасайды. Бұл торда металдың валенттік электрондарының бір бөлігі еркін қалып, атомдар арасында бос қозғала алады. Бұл еркін электрондар электрлік токтың негізгі тасымалдаушылары болып табылады. Сыртқы электр өрісі әсерінен олар бір бағытқа қозғалып, металдың электр өткізгіштік қасиетін көрсетеді. Осылайша, металдардың құрылымы мен электрондық еркіндігі олардың токты тиімді өткізуіне мүмкіндік береді.

5. Температураның электр кедергісіне әсері

Температураның өзгеруі металдардың электр кедергісіне тікелей әсер етеді. Мысалы, салқындаған металлдағы атомдар аз тербеліс жасап, электрондардың қозғалысы аз бөгеледі, сондықтан кедергі төмен болады. Ал жоғары температурада атомдардың тербелісі күшейіп, электрондар соқтығысу жиілігі артады, нәтижесінде кедергі өседі. Температураның бұл әсері металдың электрлогиясында ерекше мәнге ие және жылудың электр өткізгіштігіне қалай әсер ететінін түсіндіреді.

6. Температура мен электр кедергісінің графигі

Металдардың кедергісінің температураға тәуелділігі график түрінде қарастырылған. Мысалы, мыс металында температура өскен сайын кедергі тасымалданушылардың кедергісі артып, біртіндеп өсетіні анық көрінеді. Бұл тәжірибелер физикадағы негізгі заңдылықтарды растауға септігін тигізеді. Қорытындылай келе, температураның өсуімен металдардағы электрондардың қозғалысы қиындай түсіп, электр тогының өтуіне кедергі көп болады.

7. Мыс және темір: Электр өткізгіштік тұрғысынан қарастыру

Мыс және темір сияқты металдар электр өткізу кезінде әр түрлі сипатқа ие. Мыс – өте жақсы өткізгіш, ол электр сымдары мен кабельдерде кеңінен қолданылады. Оның өткізгіштігі жоғары және кедергісі төмен, сондықтан энергия үнемдеуге септігін тигізеді. Ал темір металдарының құрамында түрлі қосылыстар мен реңктер болғандықтан, оның өткізгіштігі аздау келеді, бірақ механикалық берік қасиеттері электр сымдарында қолданылуына себепші болады.

8. Өткізгіштік пен кедергінің арасындағы байланыс

Материалдардың электр өткізгіштігі мен кедергісі тығыз байланысты қасиеттер болып табылады. Өткізгіштіктің формуласымен көрсетілгендей, ол кедергінің кері шамасы болып табылады: өткізгіштік жоғары болса, кедергі төмен болады. Бұл қатынас электрлік жүйелерді жобалауда және материалдарды таңдау кезінде маңызды параметр болып саналады, себебі жоғары өткізгіштігі кедергісі аз материалдар электр энергиясын тиімді тасымалдауға мүмкіндік береді.

9. Металдардың салыстырмалы электр кедергілері

Мыс, алюминий және темір металдарының электр кедергісін салыстырғанда, мыс ең төменгі кедергіге ие екені байқалады. Бұл себептен мыс электр саласында негізгі материал болып табылады. Алюминий жеңіл әрі арзанырақ болғанымен, оның кедергісі мысқа қарағанда жоғары. Темірдің кедергісі ең жоғары, бірақ оның беріктігі мен басқа механикалық қасиеттері электр сымдарын күшейтуге мүмкіндік береді. Осы мәліметтер инженерлік шешімдер қабылдауда ескеріледі.

10. Электр сымдарының материалын таңдау критерийлері

Электр сымдарының материалы таңдау кезінде бірнеше маңызды фактор ескеріледі. Біріншіден, материалдың электр кедергісі – бұл токтың өткізілу сапасын және энергияның жоғалуын анықтайтын негізгі сипаттама. Қосымша, сымдардың механикалық беріктігі маңызды, оларды орнату және пайдалану кезінде созылу мен иілуге төтеп беруі қажет. Сонымен қатар, материалдың бағасы да үлкен рөл атқарады: мыс жоғары өткізгіштігіне сәйкес қымбат, ал алюминий – жеңіл әрі арзан, бұл оны кейбір жағдайларда тиімді таңдау етеді.

11. Кедергінің температураға тәуелділігінің формуласы

Температураның өзгеруі металдардың электр кедергісін айқындайтын негізгі факторлардың бірі болып табылады. Формула R = R₀[1 + α(T – T₀)] арқылы материал кедергісінің нақты температурада қалай өзгеретінін есептеуге болады. Бұл формула металдың бастапқы кедергісін және температура коэффициентін пайдалана отырып, температураның әсерін дәл модельдейді. Бұл теориялық тәсіл тәжірибеде металдардың электр қасиеттерін зерттеуде аса қажетті.

12. Асқын өткізгіштіктің ашылуы: Тарихи тәжірибе

Асқын өткізгіштік құбылысын алғаш рет 1911 жылы Хейке Камерлинг-Оннес ашты. Ол темірдің төзімділігі төмен температурада кенеттен нөлге дейін азайғанын байқап, бұл жаңалық физика ғылымында төңкеріс жасады. Осыдан кейінгі жылдары көптеген материалдар зерттеліп, олардың асқын өткізгіштік қасиеттері анықталды. Бұл эксперименттер кванттық физика мен материалтанудың дамуына үлкен серпін берді.

13. Асқын өткізгіштердің негізгі ерекшеліктері

Асқын өткізгіш материалдарда электр кедергісі толықтай жойылып, ток энергиясын шығынсыз өткізеді. Бұл құбылыс тек белгілі бір төмен температурадан төмен кезде байқалады және магнит өрісі мен ток күші оның болуын тежей алады. Сонымен қатар, асқын өткізгіштер мәңгілік магнит эффектісін көрсете алады, яғни олар магнит өрісін шығарып, ерекше магниттік қасиеттерге ие. Мұндай материалдар жарық пен жылу энергиясын барынша аз жоғалтып, заманауи техникада маңызды әлеуетке ие.

14. Металл және асқын өткізгіш кедергісінің салыстырмалы графигі

Бұл графикте металдар мен асқын өткізгіштердің кедергісінің салыстырмалы динамикасы көрсетілген. Критикалық температурада асқын өткізгіштің кедергісі кенет төмендеп нөлге айналады, ал одан кейінгі температурада қалыпты металдарға тән кедергі қайтадан артады. Бұл ерекше құбылыс металдардың кәдімгі өткізгіштік заңдылығынан мүлдем өзгеше екеніне дәлел. Осы өзгеріс техникалық құрылғылардың жобалануында асқын өткізгіштердің қолдану мүмкіндіктерін айқындайды.

15. Асқын өткізгіш материалдардың мысалдары

Асқын өткізгіш материалдардың ішінде сынап, қорғасын және керамікалық қосылыстар кең таралған. Мысалы, жетеуліктікті жоғары температуралардағы керамікалық асқын өткізгіштер электр энергетикасында және магниттік резонанс томографиясында қолданылады. Бұл материалдардың ашылуы мен зерттелуі көптеген технологиялық және ғылыми жетістіктерге жол ашты. Асқын өткізгіштердің даму тарихы – ғылым мен техникадағы ұлы ұмтылыстардың нәтижесі.

16. Асқын өткізгіш материалдардың критикалық температуралары

Асқын өткізгіштік — электр кедергісі толық жойылатын ерекше жағдай. Бұл құбылыс белгілі бір критикалық температурада байқалады. Әртүрлі материалдардың осы маңызды температуралары әртүрлі болады. Осы кестеде жоғары температуралы асқын өткізгіш материалдардың критикалық температуралары салыстырылып көрсетілген. Мұндай материалдар, әдетте, салқындатуға жұмсалатын энергияны айтарлықтай азайтуға мүмкіндік береді. Мысалы, тұзды металлдар мен төмен температуралы асқын өткізгіштерде критикалық температура бірнеше градус Кельвинмен шектелсе, жоғары температуралы материалдарда бұл көрсеткіш оншақты Кельвинге жетеді. Ғылыми шолулар көрсеткендей, бұл технология энергетикалық тиімділікті арттыру және жабдықтардың үнемді жұмыс істеуіне жағдай жасау тұрғысынан үлкен үміт береді.

17. Асқын өткізгіштердің практикалық қолданылуы

Асқын өткізгіш технологиялар қазіргі әлемде маңызды қолдануларға ие. Біріншіден, олар магниттік резонансты томография аппаратураларында қолданылады, бұл медициналық диагнозда науқастардың өмірін жақсартуға мүмкіндік береді. Екіншіден, олар магниттік левитация пойызының жүрісін қамтамасыз ете отырып, көлік саласында революциялық өзгерістер жасайды. Осы тәжірибелер жоғары ток өткізу қасиеті мен нөлдік кедергі арқасында жүзеге асуда. Бұл технологиялар қарапайымдылығымен ғана емес, сонымен қатар экономикалық тиімділігімен де ерекшеленеді, себебі олар салқындату шығындарын азайтады әрі жоғары өнімділікті қамтамасыз етеді.

18. Асқын өткізгіштіктің ғылыми және технологиялық маңызы

Асқын өткізгішттік – кванттық физиканың негізгі зерттеу тақырыптарының бірі. Ғылымда бұл құбылыс материалдардың ішкі құрылымын, электрондардын әрекетін түсінуге және жаңа кванттық эффектілерді ашуға жол ашады. Сондай-ақ, ол кванттық компьютерлер мен энергия үнемдеу құрылғылары сияқты жаңа технологияларды дамытудың негізі болып табылады. Әсіресе жоғары температуралы асқын өткізгіштердің ізденісі қазіргі материалтануда маңызды бағыттардың бірі болып табылады, себебі олар болашақта энергияны тиімді пайдалану мен техниканы жетілдіру мүмкіндіктерін кеңейтеді.

19. Температура мен электр кедергісінің байланысы: Қорытынды тұжырым

Температураның көтерілуі металдардың электр кедергісін арттырады, өйткені электрондар атом иондарының қозғалысымен жиі соқтығысады. Дегенмен, кейбір ерекше облыста, температура төмендегенде, асқын өткізгіштерде кедергі кенеттен толығымен жойылады. Бұл – физикадағы таңғажайып құбылыс, ол материалдардың мінез-құлқын түбегейлі өзгертеді. Мұндай құбылыстар металдарды тәжірибеде қолдану аясына және ғылыми зерттеулер әдістеріне үлкен әсер етеді, әсіресе жаңа материалдардың қасиеттерін анықтауда. Температура мен электр өткізгіштік арасындағы байланысты түсіну материалдар технологиясын жетілдіруге және жаңа инновациялық шешімдер қабылдауға мүмкіндік береді.

20. Металдардағы электр кедергісі мен асқын өткізгіштік: Қорытынды және болашақ технологиялар

Температура мен электр кедергісінің өзара байланысы электроника мен энергетика салаларында маңызы ерекше. Асқын өткізгіштік технологиялары ғылым мен техниканың дамуына серпін беріп, энергетиканың тиімділігін арттыруға мүмкіндік береді. Осы бағыттағы зерттеулер жаңа құрылғылар мен құрылымдарды жасауға негіз болып, болашақта энергетикалық ресурстарды үнемдеуді және сенімділікті арттыруды қамтамасыз етеді. Бұл технологиялардың арқасында адамзат энергия мен ақпарат тасымалдауда жаңа сапа деңгейіне жетеді.

Дереккөздер

П.И. Ландау, Е.М. Лифшиць, "Теория твердого тела", Научная книга, 2019.

А.А. Гринфельд, "Физика металлов и сплавов", Высшая школа, 2021.

Х.К. Оннес, "Магнитные свойства и сверхпроводимость“, Ученые записки, 1911.

И.В. Козлов, "Металлы и их применение", Техника, 2020.

М.И. Карпов, "Основы физики: Электричество и магнетизм", 2023.

Александров К. С., Иванова Л. В. Асқын өткізгіштік негіздері. — Москва: Наука, 2018.

Петров В. М., Сергеева Е. Н. Жоғары температуралы асқын өткізгіштер. — Санкт-Петербург: БХВ-Петербург, 2020.

Журнал «Физика твердого тела», №5, 2022. — Специальный выпуск по асқын өткізгіштікке.

Brown J. Superconductors and Their Technological Applications. — Cambridge University Press, 2019.