Site Loader

Содержание

ПРОВОДИМОСТЬ — это… Что такое ПРОВОДИМОСТЬ?

  • ПРОВОДИМОСТЬ — ПРОВОДИМОСТЬ, проводимости, мн. нет, жен. (физ.). Способность пропускать сквозь себя электричество. Проводимость проволоки. Проводимость раствора. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 …   Толковый словарь Ушакова

  • ПРОВОДИМОСТЬ — (Conductivity) способность проводников проводить электричество; характеризуется величиной, обратной электрическому сопротивлению. Единица проводимости сименс; если сопротивление проводника равно 1/4 ома, то проводимость будет 4 сименса. Самойлов… …   Морской словарь

  • проводимость — проводность Словарь русских синонимов. проводимость сущ., кол во синонимов: 4 • адмитанс (1) • …   Словарь синонимов

  • ПРОВОДИМОСТЬ — то же, что электропроводность …   Большой Энциклопедический словарь

  • ПРОВОДИМОСТЬ — ПРОВОДИМОСТЬ, и, жен. (спец.). Способность тела, среды пропускать через себя электрический ток, тепло, звук. Электрическая п. П. металлов. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 …   Толковый словарь Ожегова

  • ПРОВОДИМОСТЬ — электрическая, то же, что (см. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ). Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983 …   Физическая энциклопедия

  • проводимость — электропроводность Величина, обратная сопротивлению, качественно выражающая способность тела пропускать электрический ток. [http://www.iks media.ru/glossary/index.html?glossid=2400324] Тематики электросвязь, основные понятия Синонимы… …   Справочник технического переводчика

  • проводимость

    — удельная электрическая проводимость; скалярная проводимость; проводимость Скалярная величина, характеризующая электропроводность среды и являющаяся функцией термодинамических параметров. электропроводность; отрасл. электрическая проводимость;… …   Политехнический терминологический толковый словарь

  • проводимость — 3.8 проводимость (conductivity) s, См/м: Отношение абсолютных величин плотности тока в среде и напряженности электрического поля: где   вектор плотности тока, А/м2;   вектор напряженности электрического поля, В/м. Примечание В изотропной среде… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • Проводимость — Классическая электродинамика Магнитное поле соленоида Электричество · Магнетизм Электростатика Закон Кулона …   Википедия

  • SI794 I Передатчик индуктивной проводимости, 24–230В переменного/постоянного тока | Hach Российская Федерация — Обзор

    Хотели бы Вы воспользоваься конфигуратором прежде, чем добавите это в свою корзину? Если нет, добавьте в корзину напрямую.

    Товар #: LXV507.99.00002

    Прочный 4-проводной трансмиттер для измерений индуктивной проводимости в реальном времени. Для использования с любым источником питания благодаря универсальному блоку питания.

    • Анализ воды в промышленности и при очистке сточных вод
    • Прочный и надежный благодаря высококачественным материалам
    • Подходит для использования с любым источником питания благодаря универсальному блоку питания

    Электрический ток и электропроводность вещества

     

    Чтобы разобраться в таком явлении как электропроводность вещества, сначала нужно понять, что такое электрический ток, так как эти два явления неразрывно связаны друг с другом. Электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц, которое может происходить под воздействием электрического поля.

    Главная особенность электрического тока – его широкое применение в энергетике. Это – единственный вид энергии, который можно свободно передавать на большие расстояние без какой-либо дополнительной переработки.

    Рассматривая передачу энергии, нужно затронуть тему проводников, по которым передаётся ток. Заряженными частицами могут быть электроны, ионы в электролитах и газах, в полупроводниках такими частицами становятся электроны и дырки. Данная особенность напрямую зависит от структуры вещества или тела. При этом каждое тело обладает собственной электрической проводимостью.

    Что такое электрическая проводимость?

    Простыми словами электрическая проводимость или электропроводность – это способность или свойство вещества или тела проводить электрический ток, который создаётся под действием электрического поля.

    Это физическая величина, которую можно измерить, на основе которой даётся характеристика того или иного проводника. Чем выше эта характеристика, тем лучше тело проводит ток.

    Как уже было сказано, проводниками электрического тока выступают свободные заряженные частицы, а значит, электропроводность зависит от количества таких свободных частиц. Чем большей будет концентрация свободных заряженных частиц, тем лучше вещество или тело будет проводить электрический ток.

    Основные группы проводников

    Так как разные тела располагают разным количеством свободных частиц, электропроводимость у всех отличается. По этому показателю тела можно разделить на три основные группы.

    К первой группе относятся проводники, у них самая высокая проводимость. Такие тела лучше всего способны проводить электрический ток. Однако проводники также могут быть двух видов, отличие заключается в особенностях протекания тока.


    1. Первый вид проводников – металлы. У них электронная проводимость, так как ток протекает за счёт большого количества свободных электронов;

    2. Второй вид проводников с высокой электропроводимостью – различные кислоты, щелочные растворы и соли. Другое их название – электролиты. В них свободными заряженными частицами являются ионы. Отсюда и название – ионная проводимость.


    Стоит отметить, что существуют вещества смешанного типа, то есть, заряженными частицами в них могут быть как электроны, так и ионы. Это могут быть некоторые газы.

    Высокая электропроводность металлов легко объяснима при рассмотрении их структуры. В атомах металлов валентные электроны могут легко перемещаться от одного атома к другому, так как они слабо связаны с ядром. Таким образом, образуется электрический ток.

    Электрическое сопротивление и скорость протекания тока

    Электропроводимость тела напрямую зависит от сопротивления вещества, а её величина будет обратнопропорциональна показателю сопротивления.

    Электрическое сопротивление – это свойство любого проводника; величина сопротивления равна отношению напряжения к силе протекающего тока. Можно сказать, что чем выше напряжение подаваемого тока, тем выше скорость протекания тока, однако сопротивление проводника снижает этот показатель.

    Следует добавить, что электрического поле, порождающее упорядоченное движение частиц, а, следовательно, и электрический ток, распространяется в пространстве со скоростью света. То есть, электрический ток протекает всегда со скоростью 300 тысяч километров в секунду.

    В чём же тогда особенность скорости движения? Дело в том, что скорость протекания тока равна скорости света, однако отдельные электроны могут двигаться с разной скоростью – от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров в секунду. Это, разумеется, не очень большая скорость.

    Почему же, существует подобная разница и как объяснить скорость распространения тока? Напряжение тока как раз определяет скорость движения отдельных электронов – несколько миллиметров или сантиметров в секунду.

    Дело в том, что каждый отдельный электрон движется в одном огромном потоке электронов, которые полностью заполняют проводник. И каждый электрон постоянно взаимодействует с другими электронами. Так происходит во время прохождения электрического тока.

    Поэтому отдельный электрон движется крайне медленно, однако, скорость распространения энергии в электрическом проводнике будет очень высока. Соответственно, чем больше будет количество свободных частиц, тем лучше будет их взаимодействие, а значит, выше будет скорость распространения тока и скорость передачи электрической энергии.

    Научно-исследовательские проекты: статья

    Ващенко Елена Валерьевна

    Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

    Цели проекта:

    1) выяснение механизма проводимости металлической нанопленки серебра на подложке из монокристаллического сапфира Al2O3 в вакууме;

    2) определение является ли адсорбированный слой молекул газа на поверхность образцов дополнительным каналом, по которому осуществляется проводимость, и каков его вклад в проводимость структуры в зависимости от вида и концентрации газовой среды;

    3) анализ спектров экстинкции металлической нанопленки серебра в вакууме и в различных газовых средах.

    Описание проблемы, на решение которой направлен проект: Определение механизма проводимости в системах: металлическая нанопленка – диэлектрическая подложка в вакууме и газовых средах. Создание и исследование сверхчувствительной наносистемы, реагирующей на наличие адсорбированных молекул газов изменением тока проводимости и положением плазмонного резонанса в спектре экстинкции нанопленки.

    Краткая аннотация проекта: Образцы, представляют собой ансамбли металлических наночастиц серебра на поверхности подложки из монокристаллического сапфира Al2O3 и изготавливаются в сверхвысоком вакууме методом термического испарения серебра на поверхность предварительно очищенной сапфировой пластинки диаметром 10 мм. Атомы, адсорбированные на поверхности, диффундируют по ней и при встрече друг с другом образуют зародыши металлической фазы, которые затем вырастают в наночастицы. Средним размером частиц металла можно управлять, регулируя время осаждения. Между размером и формой частиц, выросших в таких условиях, существует определенная корреляция, которая устанавливается с помощью сканирующей электронной микроскопии и линейной спектроскопии. Серебряная гранулированная пленка напыляется на диэлектрическую подложку в зазор между электродами из серебряного проводящего клея. Величина тока регистрируется с помощью цифрового пикоамперметра KEITHLEY с чувствительностью 1 фА.

    Материалы, имеющие структуру металлическая нанопленка-диэлектрическая подложка очень перспективны для создания новых устройств в области наноэлектроники, тем, что в них происходит синтез оптических и электрических свойств. Эти материалы обладают уникальными оптическими свойствами в видимой и ближней инфракрасной области (ИК), благодаря возбуждению плазмонного резонанса в них. Также, было установлено, что они являются проводниками электрического тока за счет переноса заряда между частицами. Полная интеграция таких наноматериалов требует фундаментальных достижений в области исследования их фотоэлектрических свойств. Вопросы о механизмах проводимости являются базовыми при выяснении более сложных явлений. Изучению электропроводности металлических пленок, а также установлению механизма переноса заряда в них посвящено множество работ. Анализ этих работ позволил выявить некоторые особенности проводимости в таких пленках, связанных с их морфологией, структурой, расстоянием между частицами и их размерами. Тем не менее, до последнего времени не было единой точки зрения на механизм протекания электрического тока в таких системах.

    В ходе проводимых в лаборатории «Фотофизика поверхности» НИУ ИТМО исследований по изучению фотоэлектрических свойств ансамблей металлических наноструктур на поверхностях прозрачных диэлектриков, вошедших в кандидатскую диссертацию «Фотоэлектронные свойства ансамблей металлических наночастиц на поверхности прозрачных диэлектриков», были получены вольт-амперные, температурные зависимости тока проводимости, а также зависимости тока от количества напыляемого металла на подложки и вида подложи. Кроме того был обнаружен новый эффект фотопроводимости, а именно увеличение тока проводимости под действием излучения в области возбуждения плазмонных резонансов в нанопленках. Изучение фотопроводимости в пленках имеет фундаментальное значение, так как позволяет не только определить влияние оптических характеристик металлических наночастиц на проводимость системы, но и по характеру этого влияния оценить, какой из механизмов темновой проводимости является определяющим в данном конкретном случае. Установлено, что проводимость и фотопроводимость исследуемых гранулированных металлических пленок осуществляется за счет движения носителей по ловушкам в диэлектрических подложках. Ток проводимости, при одинаковом количестве напыляемого металла, зависит от количества ловушечных уровней в диэлектрике, по которым возможен перенос носителей. Так для наночастиц серебра на подложке из стеклообразного кварца в вакууме удельное поверхностное сопротивление порядка — 1012 Ом/?, а для серебряных наночастиц на подложке из монокристаллического сапфира (Al2O3) с относительно малым числом структурных дефектов при том же количестве напыляемого серебра порядка 1014 Ом/?. Исследуемые образцы были из вакуума помещены в атмосферу. Проводимость образца, представляющего серебреную пленку на подложке из стеклообразного кварца, не изменилась. Результат был перепроверен с углекислым газом. Действие углекислого газа на проводимость гранулированной металлической пленки серебра на кварцевой подложке, при помещении пленки в стеклянный купол с газом, также не было обнаружено. Было сделано предположение, что проводимость гранулированной пленки серебра на кварце не чувствительна к адсорбции газов. Иной результат получился при исследовании проводимости гранулированной металлической пленки серебра на сапфировой подложке. Удельное поверхностное сопротивление пленки на воздухе оказалось в два раза больше, чем в вакууме. Следует отметить, что сопротивление гранулированной металлической пленки серебра на сапфире на несколько порядков больше, чем на кварце. Именно с этим обстоятельством связано различное действие адсорбированных газов на проводимость пленок серебра на различных подложках: оно существенно для малых токов проводимости порядка 10-13 А (сапфировая подложка), а для токов порядка 10-11 А (кварцевая подложка) оно мало по сравнению с темновым током. Следовательно, для того, чтобы система из металлической пленки на диэлектрической подложке была чувствительна к адсорбции молекул газов, в качестве подложке нужно выбирать диэлектрик с относительно малым числом дефектов, но в тоже время необходимо, чтобы в нем возможен был перенос носителей по ловушечным уровням. Как было показано, монокристаллический сапфир подходит на роль подложки для такой системы.

    В данной работе предполагается исследовать действие различных газов на проводимость структуры серебряная нанопленка на подложке из сапфира в зависимости от концентрации. А также определить оптимальные значения количества напыляемого металла (средние размеры частиц в пленке и расстояния между ними), при которых работа такого сенсора наиболее эффективна. Кроме того было обнаружено, что помещение образцов на воздух из вакуума приводит к изменению положения плазмонного резонанса в спектре экстинкции металлической пленки. Если в ходе исследования обнаружится зависимость в смещениях плазмонного резонанса в спектре экстинкции серебряной пленки от вида газа и концентрации, то этот эффект можно будет применить в качестве дополнительного параметра сенсора.

    Информация о научной новизне проекта: Спектр наноматериалов, используемых в сенсорах, достаточно широк. В данном исследовательском проекте предложена возможность создания дешевого и сверхчувствительного химического сенсора, основанного на ранее не применяемом и исследованным автором эффекте изменения проводимости системы металлическая серебряная нанопленка на поверхности монокристаллического сапфира Al2O3, за счет создания дополнительного канала проводимости по адсорбированному слою молекул газа в дополнении к проводимости по ловушкам в диэлектрике. Предполагается путем перебора газовых различных сред определить оптимальную прикладную применимость такого сенсора.

    Страница не найдена | Кафедра физики твердого тела ПетрГУ

    http://secretary.rid.go.th/ http://rtlabs.nitk.ac.in/ http://www.ei.ksue.edu.ua/ http://www.unajma.edu.pe/ http://www.drbrambedkarcollege.ac.in/ https://esperanza.eastern.edu/ https://www.hsri.or.th/ https://www.agrft.uni-lj.si/ http://www4.fe.usp.br/ https://www.cnba.uba.ar/

    Home
    bak hocam 2yildir kullandigim siteye gelip kod ekliyorsun not yazip kodlarini siliyorum (insan olan utanir kusura bakma hocam diyip giderdi) kendine dusmanmi ariyorsun? belliki sen disli birine denk gelmemissin hayatin boyunca ama ben cok ugrastim cokta denk geldim bu sekilde tanimadigin birini tehtit etmen ya deli oldugunu gosterir yada tecrubesizligini sen bana isimi ogretecegine once baskalarina ait olan sitelere girmemeyi ogren ondan sonra bana isimi ogretirsin ben cok takintili bir adamim beni kotu bir insan olmaya zorlama rica ediyorum bak lutfen birbirimizi uzmeyelim emin ol bu site felan umrumdami saniyorsun? olay tamamen prensip meselesi sen benim yatakodama gelip beraber yatacagiz diyorsun oyle bir olay yok isine bak oldu 10 kisi daha cagir 500 kod eklesin herkes yorumbacklink isimi yapiyorsun? sacmalamissin daha fazla beni muatap etme kendinle yaptigin terbiyesizligin farkina var illa darbe yiyincemi aklin basina gelecek anlamiyorum ki o kadar yaziyorum ki birbirimize kotuluk yapmayalim kalp kirmayalim birbirimizi uzmeyelim sana daha once boyle notlar yazan bir linkci gordun mu Allah askina ben bazen goruyorum ana baci duymadigim kufurler yaziyor adamlar birbirine sen benim gibi bir insani uzuyorsun ama lutfen.. 8yildir ben kimseyle ortak site kullanmadim babam gelse onunlada kullanmam en hassas oldugum konudur bu bir daha kod eklememeni siddetle tavsiye ediyorum yoksa farkli seyler olur ve kendine nur topu gibi manyak bir dusman edinirsin bos yere bu polemigi uzatiyorsun haksiz olan sensin kod disinde birsey yazmak istersen yazabilirsin ama rica ediyorum isi inada bindirme senden ERDEMLİ DÜRÜST VE OLGUN bir davranis bekliyorum beni anladigini umuyorum ve tekrar inşAllah kod eklemeyecegini umuyorum olumlu olumsuz notunu buraya yazablirsin bende bir daha bu siteyi kullanmiyacagim sanada kullandirmam tabiki is site isi degil prensip isi.. ihtiyacin olabilir site sayin azdir bunlar dogal seyler ben gerekirse kendim eklerim senin kodlarini oyle bir durumda kendi kodlarimida silerim sadece senin olur ama o son not garip bir insan oldugunu dusunduruyor bana ve inan ugrasacak vaktim de kafamda yok kendine sardirma hepimiz ekmek davasindayiz senle isim yok benden sana kotulukte gelmez ama beni zorlama lutfen.. zaten kafamda bir dunya sorun var hayat acimasiz hayat zor benim derdim bana yetiyor butun ictenligim ve iyi niyetim ile sana bu notu yaziyorum bu kadar sozden sonra kod ekleyecegini sanmiyorum birde seninle ugrasmayayim guzel kardesim arkadasim lutfen rica ediyorum LUTFEN barış her zaman erdemli insanlarin isidir lutfen ayni olgunluk ile senden olumlu donusunu bekliyorum eger yazdiklarimda kalp kirici yada incitici birsey varsa lutfen kusura bakma 1-2defa kontrol ettim ama belki gozumden kacmis olabilir hakkini helal et ve en iyisi ikimiz icinde helallesip bu isi noktalamaktir inan kotu biri degilim selam ve sevgiyle..

    Длительно-Допустимый Ток для Алюминиевой Шины

    Расчет сечения алюминиевой шины по длительно допустимым токовым нагрузкам проводят в соответствии с главой 1.3 «Правил устройства электроустановок» выпущенных Министерством Энергетики СССР в 1987 году — выбираются допустимые длительные токи для неизолированных проводов и шин. Предельно допустимые длительные токи для алюминиевых шин прямоугольного сечения для постоянного и переменного тока при подключении 1 полосы на фазу собраны в нижеследующей таблице:

    Какой длительно допустимый предельный ток для алюминиевой шины?

    Сечение шины, ммПостоянный ток, АПеременный ток, А
    Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 15×3165165
    Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 20×3215215
    Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 25×3265265
    Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 30×4370365
    Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 40×4480480
    Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 40×5545540
    Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 50×5670665
    Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 50×6745740
    Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 60×6880870
    Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 60×810401025
    Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 60×1011801155
    Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 80×611701150
    Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 80×813551320
    Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 80×1015401480
    Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 100×614551425
    Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 100×816901625
    Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 100×1019101820
    Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 120×820401900
    Длительно допустимый ток для шины алюминиевой 120×1023002070

    Купить электротехнические медные и алюминиевые шины можно в нашей компании со склада и под заказ:

    Электрический ток в газах: опыт и проводимость газа

     

    Проведем следующий опыт.

    картинка

    Присоединим электрометр к дискам плоского конденсатора. После этого зарядим конденсатор. При обычной температуре и сухом воздухе конденсатор будет разряжаться очень медленно. Из этого можно сделать вывод, что ток в воздухе между дисками очень мал.

    Следовательно, в обычных условиях газ является диэлектриком. Если теперь нагреть воздух между пластин конденсатора, то стрелка электрометра быстро приблизится к нулю, и, следовательно, конденсатор разрядится. Значит, в нагретом газе устанавливается электрический ток, и такой газ будет являться проводником.

    Электрический ток в газах

    Газовый разряд – процесс прохождения тока через газ. Из опыта видно, что с увеличением температуры проводимость воздуха увеличивается. Помимо нагревания, проводимость газа можно увеличить и другими способами, например, действием излучений.

    В обычных условиях газы в основном состоят из нейтральных атомов и молекул, и поэтому являются диэлектриками. Когда мы воздействуем на газ излучением или нагреваем его, часть атомов начинают распадаться на положительные ионы и электроны – ионизироваться. Ионизация газа происходит вследствие того, что при нагревании скорость молекул и атомов увеличивается очень сильно, и при столкновениях друг с другом они распадаются на ионы.

    Проводимость газа

    Проводимость в газах осуществляется в основном электронами. В газах сочетаются два вида проводимости: электронная и ионная. В отличии от растворов электролитов, в газах образование ионов происходит либо при нагревании, либо за счет действия внешних ионизаторов – излучений, в то время, как в растворах электролитов образование ионов вызвано ослаблением межмолекулярных связей.

    Если в какой-то момент ионизатор прекратит свое действие на газ, то ток тоже прекратится. При этом положительно заряженные ионы и электроны могут опять объединиться – рекомбинировать. Если отсутствует внешнее поле, то заряженные частицы будут исчезать только вследствие рекомбинации.

    Если действие ионизатора не будет прерываться, то установится динамическое равновесие. В состоянии динамического равновесия, число вновь образующихся пар частиц (ионов и электронов) будет равняться числу исчезающих пар — вследствие рекомбинации.

    Нужна помощь в учебе?



    Предыдущая тема: Законы электролиза Фарадея
    Следующая тема:&nbsp&nbsp&nbspНесамостоятельный и самостоятельный разряды: на примере опытов

    Электропроводность — Energy Education

    Рис. 1. Линии электропередач высокого напряжения изготовлены из алюминия из-за его высокой электропроводности. [1]

    Электропроводность — это свойство материалов, которое определяет, насколько хорошо данный материал будет проводить электричество. Электропроводность тесно связана с удельным сопротивлением (которое используется чаще):

    [математика] \ sigma = \ frac {1} {\ rho} [/ математика]

    где [math] {\ sigma} [/ math] — это проводимость (в м / Ом), а [math] \ rho [/ math] — это удельное сопротивление (в Ом / м).Чтобы определить сопротивление провода (который может быть сделан практически из чего угодно: меди, алюминия; это уравнение работает даже для дерева!), Используйте:

    [математика] R = \ rho \ frac {A} {l} = \ frac {A} {\ sigma l} [/ math]

    , где [math] A [/ math] — это площадь поперечного сечения провода (в м 2 ), а [math] l [/ math] — его длина (в м).

    Электропроводность тесно связана с электропроводностью. Электропроводность — это свойство самого материала (например, серебра), а электрическая проводимость — это свойство определенного электрического компонента (например, конкретного провода).

    Электропроводность можно определить как напряжение, необходимое для протекания определенного количества электрического тока. Это во многом определяется количеством электронов во внешней оболочке; эти электроны определяют легкость, с которой генерируются подвижные электроны. Другой фактор — но менее важный — это количество атомов в единице объема, которое определяет количество электронов, которые будут легко перемещаться в ответ на электрическое поле. Материалы с высокой проводимостью, такие как медь и алюминий, называются проводниками.Материалы с низкой проводимостью, такие как резина и стекло, называются электрическими изоляторами (или просто изоляторами, когда нет возможности путаницы с теплоизоляцией). Другой особый класс материалов, таких как кремний и германий, находится между ними и называется полупроводниками.

    Как правило, большинство металлов обладают высокой проводимостью (это еще один способ сказать, что металлы имеют тенденцию быть проводниками), потому что электроны в их внешней оболочке могут легко перемещаться. Неметаллы, как правило, обладают низкой проводимостью. [2]

    Чтобы узнать о физике проводимости, обратитесь к гиперфизике.

    Для дальнейшего чтения

    Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

    Список литературы

    Возможность визуализации электропроводности ткани путем переключения градиентов поля с помощью МРТ

    Моделирование

    Моделирование во временной области (FDTD), написанное в MATLAB версии R2014a (MathWorks, Natick MA), использовалось для моделирования электрических и магнитных полей во время градиентный импульс.Каждая итерация моделирования FDTD использует дискретную форму уравнений Максвелла для ускорения электромагнитных полей на конечное время dt , что позволяет динамически отслеживать напряженность и форму поля (21, 22). Синие стрелки на блок-схеме обрисовывают в общих чертах стандартный алгоритм FDTD для электромагнитных волн. На первом этапе закон Ампера дискретизируется таким образом, что составляющая электрического поля в момент времени t n +1 может быть записана в терминах дискретного оператора ротора, действующего на прошлое магнитное поле и прошлое электрическое поле. поле — оба в момент времени t n .После обновления каждой компоненты электрического поля закон Фарадея затем используется для обновления каждой компоненты магнитного поля при t n +1 аналогичным образом, но с использованием только что определенного электрического поля. Затем симуляция возвращается к обновлению электрического поля для следующего момента времени. Поскольку ротор действует нелокально, каждый компонент электромагнитного поля имеет свою собственную сетку, которая покрывает объем моделирования, но немного смещена по отношению к другим компонентам. Этот подход использовался в прошлом для расчета силы вихревых токов в ткани, хотя о влиянии вихревых токов на магнитное поле не сообщалось (23).

    Изображение цилиндрической фантомной и градиентной катушек показано вверху слева, а осевой профиль фантома показан справа. Сам цилиндр (красная часть) имеет проводимость σ p , а 4 вставки (синие области) имеют проводимость, которая варьируется от σ p на указанную величину (−0,5, +1, +3 и +2 См / м). Моделирование проводилось с σ p , установленным на 1, 10, 100 и 1000 См / м. Чтобы моделировать электромагнитные поля без проводящего материала, весь фантом был равномерно настроен на фоновую проводимость 0.001 См / м. На нижней блок-схеме представлены уравнения для моделирования. Первая симуляция следует синим стрелкам, тогда как вторая продолжается красными стрелками. Что касается второго уравнения моделирования, ρ free — это свободный заряд, который накапливается на границах раздела материалов, r и r ‘ — пространственные векторы, V — это напряжение, создаваемое ρ free , а E ρ — электрическое поле, создаваемое напряжением V .Подробности дискретизации этих уравнений можно найти в ссылках 21 и 22.

    Объем моделирования моделировал магнитный канал, частично загруженный диэлектрическим материалом. Стенки канала были смоделированы как идеальные электрические проводники, а открытые концы — как идеально согласованные слои (24). Различия между моделированием с диэлектрическим фантомом и без него были связаны с вихревыми токами. В дополнение к стандартному моделированию FDTD, которое оценивает эффекты объемной проводимости, также было выполнено второе моделирование, учитывающее диэлектрические границы раздела фаз.

    Первое моделирование было выполнено в цилиндрической системе координат для более точного изображения плотности тока, как описано в следующем абзаце. Размер сетки в r , ϕ и z составлял 31 × 28 × 82 с разрешением 1 см в r и z и π / 14 рад в ϕ. Чтобы моделирование FDTD было стабильным, поля не могут развиваться быстрее, чем скорость распространения, определяемая соответствующими уравнениями, что в данном случае означает dt≈Σdxi2c = 4,4 пс, где c — скорость света, а dx i — это расстояние между точками сетки моделирования в направлении i th .Смоделированный фантом представлял собой цилиндр радиусом 14 см и высотой 36 см с центром в середине канала ствола, как показано на рис. Фантом имел первичную проводимость σ p с вариациями первичной проводимости порядка 1 См / м, как показано на осевом срезе фантома. Четыре моделирования были выполнены с σ p = 1, 10, 100 и 1000 См / м. Чтобы уменьшить числовые неоднородности, для областей за пределами фантома была установлена ​​фоновая проводимость 0.001 См / м. Эта фоновая проводимость снижает шум, позволяя нефизическим переходным процессам затухать без значительного изменения значений моделирования (24). Для справки, σ составляет от 0,4 до 1,4 См / м в биологической ткани и 5,96 · 10 7 в меди; r был установлен на 80 по всему фантому и 1 за пределами фантома для всех симуляций объемной проводимости. Диэлектрические свойства на границах раздела обрабатывались, как описано Jewett et al. (25).

    Для стимуляции фантома градиентным импульсом, 2 кольца (внутренний диаметр 18 см, внешний диаметр 19 см, разделенные на 33 см и центрированные вокруг изоцентра) были обозначены как области катушки.Импульс создавался путем постепенного увеличения электрического поля в области катушки в направлении E ϕ до достижения постоянного конечного значения. Путем прямого увеличения E ϕ , в отличие от моделирования источника напряжения, можно обойти сопротивление катушки и устранить индуцированные катушкой вихревые токи, магнитное поле которых маскирует индуцированные тканью вихревые токи. Цилиндрические координаты были выбраны для более реалистичного моделирования распределения тока.В действительности, ток течет без накопления заряда, или, что то же самое, расхождение плотности тока равно 0. Согласно законам Ома и Гаусса расхождение в плотности тока создает чистый заряд. На конечной сетке цилиндрические координаты допускают бездивергентную плотность тока, тогда как декартовы координаты — нет. Нарастание импульса моделировалось как первые 8 членов ряда Фурье трапециевидного импульса и устанавливалось постоянным при достижении первых максимумов. Результатом был линейный градиент вдоль оси канала ствола, а параметры импульса были отрегулированы эмпирически так, чтобы время нарастания составляло 1 мкс, а конечная амплитуда градиента составляла 150 мкТл / м, что давало скорость нарастания 150 Т / м · с.Этот большой градиент, хотя и недоступен для сканеров всего тела человека, типичен для сканеров для животных малого диаметра с небольшими градиентами вставки, которые используются в нашей лаборатории. Вихревые токи вызываются ∂B∂t, а не величиной B ; таким образом, для симметричного импульса вихревые токи, вызванные нарастанием или затуханием импульса, различаются только знаком. Поскольку для моделирования FDTD требуется такой короткий dt , моделировалось только нарастание импульса.

    Первоначальные численные переходные процессы на границах острых диэлектрических свойств оказались нестабильными при отражении от проводящего материала.Моделирование стабилизировалось после добавления члена к дискретной производной по времени, такого что ∂∂t → 1dt + δ. Эффект δ должен был гасить резкие начальные колебания, когда поля росли от нулевой величины. При моделировании без проводящего материала, включая δ, значения поля увеличивались примерно на 50%, но когда поле было нормализовано по максимальному значению, моделирование с δ и без него отличалось менее чем на 1%, что указывает на сохранение формы поля. Моделирование с тем же значением для δ сходилось к тому же стационарному состоянию после затухания вихревых токов.

    Также было высказано предположение, что на магнитное поле влияет заряд, который накапливается на границах раздела диэлектриков во время градиентных импульсов (26). Описанное ранее моделирование FDTD было расширено, чтобы включить эффекты накопленных зарядов. Это показано красными стрелками. В каждый момент времени после обновления электромагнитных полей электрическое поле использовалось для определения накопленной плотности заряда.

    Уравнения для обновления плотности заряда выводятся с использованием уравнения сохранения заряда ∂ρfree∂t = −∇ ⋅ J, где ρ free — это плотность свободного заряда.Применяя закон Ома, J = σ E, допуская неоднородность σ и и предполагая линейный материал, можно расширить сохранение заряда до

    ∂ρfree∂t = −σϵρfree − E⋅ (∇σ − σ∇ln (ϵ))

    (3)

    Уравнение 3 подразумевает, что существующий заряд распадается с характерным временем затухания ϵ / σ, тогда как электрический поле вызывает накопление заряда в областях, где диэлектрические свойства меняются в пространстве. Дискретизируя это уравнение, можно увеличить плотность заряда из рассчитанного электрического поля.

    Заряд создает напряжение, равное

    V (r) = 14πϵ∫ρfree (r ′, t− | r − r ′ | c) | r − r ′ | d3r ′

    (4)

    , где r и r ′ пространственные векторов, и интегрирование осуществляется по всему объему моделирования, хотя только аккумулирующие заряд интерфейсы имеют ненулевую плотность заряда. Этот интеграл можно представить в виде свертки и эффективно реализовать с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ). Чтобы правильно распространять напряжение, созданное из накопленного заряда, необходимо использовать потенциал с запаздыванием по времени.Это может быть выполнено путем вычисления напряжения для наиболее обновленного распределения заряда и сохранения рассчитанного напряжения для использования на n временных точек позже, если r составляет n точек сетки от источника в r ‘. Градиент этого напряжения представляет собой дополнительный вклад электрического поля от накопленного заряда, который добавляется к электрическому полю, создаваемому изменениями в магнитном поле. Затем моделирование перезапускает цикл, обновляя поля, как описано ранее.

    Использовалась меньшая прямоугольная сетка 32 × 32 × 42 с разрешением 1 см в x , y и z и dt = 19 пс. Размер сетки был уменьшен, потому что дополнительная сложность замедлила моделирование, и были использованы прямолинейные координаты, так что свертки можно было выполнять с помощью БПФ. Области, где заряды накапливались в результате ненулевого расхождения плотности тока, были установлены на 0. Фантом был настроен на 16-сантиметровый куб с однородной проводимостью, что достаточно для исследования заряда, который накапливается на поверхности.Моделирование по своей природе нестабильно по причинам, описанным в следующем абзаце, но при определенных условиях моделирование не расходится быстро. Управляющий член в уравнении 3 пропорционален градиенту σ и ϵ, а резкие переходы от воздуха к физиологическим значениям σ и создали большие значения ∂ρfree∂t, которые дестабилизировали моделирование; следовательно, моделирование разошлось слишком быстро, чтобы быть полезным. Чтобы изучить взаимосвязь между σ, ϵ и накоплением заряда, моделирование проводилось с более низкими значениями σ и ϵ, в частности, σ = 0.06, 0,12 и 0,24 См / м, с ϵ r = 8 и ϵ r = 4, 6 и 8, с σ = 0,12 См / м.

    Вторая симуляция нестабильна из-за роста чистого заряда. В действительности, общий заряд сохраняется, и положительный заряд, созданный в одной точке, уравновешивается таким же отрицательным зарядом в другом месте. Во время моделирования общий заряд обычно сохраняется, но любой чистый дисбаланс в заряде создает цикл самоподдержки, который вызывает расхождение плотности заряда и, следовательно, электромагнитных полей.К сожалению, из-за конечной точности численных вычислений эта нестабильность возможна, но моделирование остается полезным в течение разумного периода времени, если его тщательно реализовать. Несбалансированные заряды могут быть уменьшены, и моделирование расходится только после миллионов итераций, если каждый компонент электрического поля интерполируется на одну и ту же сетку, артефакты наложения спектров из БПФ обрабатываются окнами, а плотность заряда, вычисленная на каждой итерации, усредняется с недавними прошлыми значениями до предотвратить большие колебания.

    Эксперименты МРТ

    Эксперименты МРТ с использованием предложенной последовательности были проведены на системе для мелких животных 7T, управляемой версией программного обеспечения Agilent vnmr4 (Санта-Клара, Калифорния). Сканер оснащен градиентной системой, которая обеспечивает максимальную силу градиента 620 мТл / м и максимальную скорость нарастания 6200 Тл / м · с. Фантом представлял собой пластиковую трубку диаметром около 1,5 см и длиной 6,5 см. Пробирку заполняли раствором, концентрация Gd которого была эквивалентна 5% раствору ProHance (Bracco Imaging, Township, NJ).Внутри пробирки находились 2 запаянные соломинки с добавлением 1% и 2% NaCl по массе к раствору Gd. Для справки, проводимость ткани серого вещества можно имитировать с помощью агарового геля с 0,15% NaCl (27). Соломинки плотно прижимались к стенкам трубки для предотвращения артефактов вибрационного движения.

    Трубка была помещена в магнитное отверстие перпендикулярно основному магнитному полю сканера животных 7T. Направление считывания совпадало с осью трубки. Мультиградиентное эхо-сканирование было изменено, чтобы включить вихретоковый (EC) градиент дробления.Параметры сканирования: TR = 82,2 мс, TE = 6,0 мс, TE2 = 10,0 мс и α = 20 ° с изотропным разрешением 62,5 мкм. ЕС-дробилка имела максимальную амплитуду 200 мТл / м с временем нарастания и затухания 40 мкс, достигая скорости нарастания 5000 Т / м · с. ВЧ возбуждение осуществлялось прямоугольным импульсом длительностью 100 мкс. Градиент был помещен на ось считывания, и было выполнено 2 сканирования, которые различались только полярностью EC дробилки. Для сравнения, сканирование также проводилось без дробилки EC.

    Чтобы изолировать влияние вихревых токов, фазовый сигнал от дробилки EC с положительной полярностью был вычтен из сигнала дробилки с отрицательной EC (28).Затем фазовый сигнал разворачивался с использованием техники развёртывания фазы на основе лапласа (29). Затем вихревые токи в градиентных катушках создавали магнитное поле, которое линейно изменялось в пространстве, в результате чего фазовый член изменялся таким же образом. Этот фазовый член был подобран и удален из фазовых данных. Наконец, накопление фазы в результате магнитных источников вне поля зрения (FOV) было удалено с помощью алгоритма VSHARP, который использует теорему о сферическом среднем значении для разделения фазовых вкладов от источников внутри и вне поля зрения (30).Тканевые вихревые токи находятся в пределах поля зрения, а фаза, исходящая от источников за пределами поля зрения, считалась фоновой фазой и удалялась. Принцип, лежащий в основе способности VSHARP разделять эти два члена, заключается в том, что фаза, исходящая от источников за пределами поля зрения, удовлетворяет уравнению Лапласа, тогда как фазы, исходящие изнутри поля зрения, нет.

    Сверхбыстрые многоцикловые терагерцовые измерения электропроводности в сильно возбужденных твердых телах

    Электропроводность по измерениям пропускания в ТГц диапазоне

    Эксперимент проводился в Deutsches Elektronen-SYnchrotron (DESY) LASer на свободных электронах в Гамбурге (FLASH), где два набора ондуляторов одновременно обеспечивали синхронизированные импульсы крайнего ультрафиолетового (XUV) -FEL и THz-FEL 19,20,21,22 , ср.Рис. 1. Излучение XUV-FEL длительностью 150 фс на длине волны λ = 13,6 нм и с энергией импульса до 160 мкДж было использовано для ионизации 5 d и 5 p электронов в свободном пространстве толщиной 30 нм. -стоянная золотая фольга. Затем образец термализуется в состояние вырожденной плазмы, достигая максимальной температуры электронов T e = 16 800 K, т.е. 1,5 эВ при пиковых интенсивностях 5 × 10 11 Вт / см 2 . Многопериодные импульсы ТГц-ЛСЭ, содержащие отдельные циклы в диапазоне 0.5–4 ТГц (см. Дополнительную информацию) со средней пиковой частотой 2,8 ТГц ( λ = 105 мкм) исследуют эти условия с максимальной энергией 10 мкДж. Мы применяем электрооптическую выборку для измерения формы волны электрического поля ТГц диапазона во временной области, E ( t ), за один раз с использованием отдельного зондирующего лазерного импульса 50 фс, 800 нм. Фронт импульса 800 нм был разделен эшелонным зеркалом 23,24 , так что отдельные пространственные области импульса кодировали последовательность временных точек формы волны ТГц.На каждом выстреле мы наблюдали в общей сложности 11 ТГц циклов длительностью 5 пс, непрерывно разрешая динамику нагрева твердого тела с отдельными циклами короче 500 фс.

    Рис. 1: Экспериментальная установка для измерения передачи терагерцового (ТГц) диапазона через свободно стоящие золотые фольги, возбуждаемые импульсами экстремального ультрафиолета (XUV).

    Импульсы XUV (пиковая длина волны 13,6 нм) и многоцикловые ТГц (пиковая частота 2,8 ТГц) генерируются двумя отдельными ондуляторами с использованием одного и того же электронного сгустка при кинетической энергии ~ 680 МэВ 19,21 .В то время как остаточные электроны отгибаются сбрасывающими магнитами (DM), два фотонных пучка разделяются металлическим зеркалом (MM) со сквозным отверстием в его центре, то есть XUV-импульсы проходят через отверстие, а основные часть ТГц излучения отражается. После транспортировки с помощью нескольких зеркал скользящего падения (GIM) XUV-импульсы фокусируются на свободно стоящих золотых фольгах многослойным сферическим зеркалом Mo / Si с фокусным расстоянием 3,4 м, близким к нормальному падению. Золотая фольга закреплена на стальной карточке для образцов с отверстиями диаметром 250 мкм, а XUV-импульсы расфокусированы в фокусное пятно размером 255 мкм × 225 мкм на полуширине на мишени.Терагерцовые импульсы переносятся металлическими зеркалами перед фокусировкой на мишени с помощью внеосевого параболического зеркала (OAP) диаметром 2 дюйма ( f /1). После прохождения через образец терагерцовые импульсы коллимируются другим OAP, и амплитуда поля E измеряется с помощью однократной электрооптической (EO) выборки 23,24 с использованием кристалла ZnTe толщиной 0,5 мм в качестве показано на вставке справа.

    Чтобы определить электропроводность этих образцов, мы сначала измерили пропускание ТГц-ЛСЭ тонкой металлической фольги без возбуждения (рис.2а, б) с последующим пропусканием через фольгу, нагретую XUV-FEL (рис. 2а, в). Затем падающее ТГц поле определяется пропусканием через отверстие на карте образца после полной абляции фольги (рис. 2a, d). Во время эксперимента «накачка-зонд» мы наблюдаем значительное увеличение пропускания ТГц излучения почти сразу после того, как импульс XUV-FEL возбуждает образец. Перед возбуждением сигнал с временным разрешением воспроизводит передачу ТГц излучения через холодную фольгу, которая составляет порядка 1%.После возбуждения пропускание быстро увеличивается, приближаясь к 10% падающего поля. Эти значительные изменения в передаче обеспечивают чувствительное и точное измерение с меньшими полосами погрешности, чем измерения отражательной способности ТГц 25 . Поскольку длина волны λ ТГц-ЛСЭ намного больше, чем толщина образца, мы связываем пропускание ∣ t r ∣ и проводимость σ во временной области 26 :

    $$ | {t} _ {\ text {r}} | = \ frac {| {E} _ {\ text {t}} | } {| {E} _ {\ text {i}} | } = \ left | \ frac {2} {\ sigma {Z} _ {\ text {0}} d + 2} \ right | \ приблизительно \ frac {2} {\ left | \ sigma \ right | {Z} _ {\ text {0}} d + 2} $$

    (1)

    , где E t и E i — амплитуды прошедшего и падающего электрического поля, Z 0 = 377 Ом — полное сопротивление свободного пространства, а d = 30 нм — толщина образца.Хотя наши импульсы ТГц-ЛСЭ имеют конечную ширину полосы, на достаточно низкой частоте в комплексной проводимости тонких металлических пленок σ = σ r + i σ i преобладает действительная часть, которая не зависит от частоты 23,27,28 , т.е. σ ( ω ) ≈ σ r ( ω ) ≈ ∣ σ ( ω ) ∣, где ω — угловая частота ТГц (см. дополнительную информацию).Поскольку у металлов большая электропроводность, \ (\ left | \ sigma \ right | {Z} _ {\ text {0}} d \) значительно больше 2, что приводит к \ (\ sigma \ sim \ frac {1} {{t} _ {\ text {r}}} \) масштабирование. Используя уравнение. (1), мы получаем электрическую проводимость по амплитуде каждого цикла ТГц, как показано на рис. 2а, что указывает на быстрое снижение проводимости сразу после возбуждения XUV-FEL с последующими более медленными постепенными изменениями.

    Рис. 2: Пример однократного измерения электропроводности.

    Красные квадраты в a — это электрическая проводимость σ (левая ось), определенная из измерений пропускания ТГц (правая ось). Δ I / I 0 — соответствующее изменение интенсивности импульса выборки электрооптики. Сплошная красная кривая в a представляет пропускание в ТГц диапазоне через золотую пленку 30 нм, возбужденную с плотностями энергии 0,91 ± 0,18 МДж / кг, а синяя и серая кривые представляют измерения до и после возбуждения ЛСЭ, соответственно.Отмечена граница каждого ТГц цикла. Данные электропроводности с временным разрешением ( σ ) выводятся из каждого цикла, за исключением первой точки данных, которая представляет собой среднее значение за пять циклов ТГц, которые поступают до возбуждения XUV-FEL. Электропроводность холодных образцов, измеренная предварительными выстрелами, показана синей пунктирной линией со светло-голубой областью, указывающей на точность измерения. При измерении на входе импульс нагрева XUV-FEL достигает 0 пс. Импульсы XUV-FEL отсутствуют во время измерений до и после съемки.Планки погрешностей в ∣ σ ∣ представляют систематическую неопределенность измерений. Данные в b d показывают измеренные изображения профилей электрического поля ТГц диапазона 23,24 с однократным временным разрешением для условий, отмеченных синей, красной и серой кривыми на и соответственно. Каждый набор данных в b d содержит пару кросс-поляризационных изображений, разделенных призмой Волластона, с соответствующими линиями, наложенными поверх изображений.

    Сравнение данных по электропроводности постоянного тока и оптической проводимости

    На рис. Вложение энергии импульса XUV-FEL завершено. На этом этапе возбужденные электроны XUV-FEL рекомбинировали, и электронная система приняла распределение Ферми 29 , характеризуемое ее температурой.Двухтемпературная модель (TTM) 8,30 применяется для расчета T e и T i для этих условий (см. Дополнительную информацию). Из-за медленной электрон-фононной связи 8 при t = 0,7 пс температура ионов ( T i ) остается небольшой ( T i ≤ 470 K), а электронная система содержит большую часть поглощенная энергия. На рисунке 3 показана действительная часть электропроводности σ r как функция энергии фотонов из данных ТГц и оптических данных 30 для трех различных температур электронов.В исх. 30 , оптическая проводимость измеряется на образце того же типа, нагретом с помощью удвоенных по частоте импульсов титан-сапфирового лазера (400 нм) с длительностью импульса 45 фс. В этом случае лазерное поглощение происходит за счет возбуждения 5 d электронов в зону проводимости. Для этого сравнения мы выбираем данные через 0,54 пс после лазерного возбуждения, когда нагретые электроны термализуются, что приводит к тем же условиям температуры и плотности с погрешностями, как и в наших ТГц экспериментах.Измерения оптической проводимости усредняются по целевой области, равной 1/3 от полуширины на полувысоте (FWHM) луча накачки лазера с гауссовым профилем. С другой стороны, настоящие ТГц эксперименты исследуют немного большую площадь, равную FWHM профиля накачки. Таким образом, измерения THz усредняются в немного большем диапазоне температурных условий; они отличаются менее чем на 12% RMS от усредненных температур (см. дополнительную информацию). На рис. 3 также показана проводимость по постоянному току наших образцов тонкой фольги, измеренная четырехточечным зондом при комнатной температуре.давая σ 0 = 1,84 ± 0,15 × 10 7 См / м. Последний демонстрирует отличное согласие с проводимостью по терагерцовым измерениям.

    Рис. 3: Электропроводность как функция энергии фотонов для различных условий возбуждения твердого золота.

    Данные по широкополосной электропроводности (действительная часть, σ r ) при температурах электронов T e = 300 K (синий), 9000 ± 900 K (зеленый) и 16000 ± 1500 K (красный) обозначены разными цветами; проводимость ТГц диапазона при малых энергиях фотонов (0.75–3,75 ТГц по частоте или 3–15,5 мэВ по энергии фотонов) показаны в виде квадратных блоков, которые покрывают диапазон частотных составляющих в ТГц циклах (горизонтальный размер) и неопределенности предполагаемых значений проводимости (вертикальный размер), оптический проводимость при более высоких энергиях фотонов (1,55 эВ) из работы. 30 представлены в виде ромбов, а проводимость постоянного тока при комнатной температуре, измеренная четырехточечным датчиком, указана черной стрелкой. Сплошные кривые представляют соответствие модели Друде высокочастотным и низкочастотным данным, а пунктирные кривые представляют экстраполяцию модели Друде из значений оптической проводимости при 1.55 эВ по модели Друде. Электропроводность, измеренная с помощью ТГц излучения, хорошо согласуется с проводимостью по постоянному току, полученной при измерениях с помощью четырехточечного зонда, в то время как экстраполяция оптических измерений показывает значительные расхождения.

    С повышением температуры мы обнаруживаем, что значения проводимости по постоянному току уменьшаются, в то время как, с другой стороны, оптические данные 1,55 эВ показывают противоположную тенденцию. {2} \ tau} {m (1-i \ omega \ tau)}, $$

    (2)

    , где n e — плотность электронов носителей заряда, e — заряд электрона, m = 9.{2})} \). При T e = 300 K, электронная плотность дает n e = 5,9 × 10 28 m −3 , что соответствует одному электрону-носителю на атом 32 . Время рассеяния электронов определяется с использованием данных проводимости, измеренных в трех режимах с помощью 1) четырехточечного зонда на нулевой частоте, 2) зонда THz-FEL на пиковой частоте 2,8 ТГц и 3) оптического зондирующего лазера при 1,55 эВ. При повышенных температурах только данные по ТГц и оптической проводимости используются для решения n e и τ в формуле Друде.Рисунок 3 показывает, что модель Друде может удовлетворительно описать частотную зависимость электропроводности от переменного к постоянному режиму, если данные доступны в обоих режимах. Кроме того, мы обнаруживаем, что частотная характеристика σ r ( ω ) эффективно постоянна для энергий фотонов от нуля до 0,012 эВ, что приводит к σ r σ 0 в этом режиме. , т.е. значение проводимости на постоянном токе идентично проводимости в диапазоне ТГц.Пунктирные кривые на рис. 3 показывают результаты, когда та же модель применяется с использованием только оптических данных при 1,55 эВ для экстраполяции на режим проводимости постоянного тока. Это приводит к значительно более низким значениям проводимости по постоянному току σ 0 , чем полученные в результате наших измерений в ТГц диапазоне, что демонстрирует необходимость измерений в режиме ТГц (также см. Подробные сравнения в дополнительной информации).

    Временная эволюция электропроводности

    Путем изменения задержки между накачкой XUV-FEL и серией зондирующих импульсов ТГц диапазона мы можем измерить временную эволюцию электропроводности в течение временного окна длительностью 35 пс, охватывающего переход от твердое состояние в возбужденное лазером твердое тело и в состояние теплой плотной материи (плазмы).На рис. 4 показана зависимость электропроводности от времени для плотности энергии 0,89 ± 0,18 МДж / кг и в предположении постоянной толщины образца в течение всего временного интервала. После резкого уменьшения сразу после t = 0 проводимость продолжает снижаться более медленными темпами. Он следует экспоненциальному тренду примерно до t = 15 пс, на что указывает линейная зависимость на полулогарифмическом графике, c f . Рис. 4. Однако при t = 14,5 пс наблюдается разрыв, определяемый двухсегментной экспоненциальной аппроксимацией; это время совпадает с фазовым переходом плавления и началом гидродинамического расширения 8,9 .Расширение образца при t > 15 пс, вероятно, сопровождается увеличением толщины образца d , а также развитием градиентов плотности. В будущих исследованиях эти данные будут объединены с независимыми измерениями профиля плотности для определения перехода к классическому режиму плазмы. Эти наблюдения показывают, что многоцикловый ТГц зонд точно определяет σ 0 для сильно возбужденных твердых тел и предоставляет информацию о фазовых переходах.В следующем разделе мы сосредоточимся на данных до t = 15 пс, поскольку целевая толщина хорошо ограничена до плавления и, кроме того, для этих условий существуют независимо измеренные точные структурные факторы.

    Рис. 4: Электропроводность с временным разрешением σ 0 золота (логарифмическая вертикальная ось) при средней плотности энергии возбуждения 0,89 ± 0,18 МДж / кг, измеренная с помощью многоциклового ТГц-ЛСЭ при различных временных задержках.

    Каждый раздел охватывает временной интервал 5 пс, а данные представлены усредненными по 4–6 снимкам.Планки погрешностей включают стандартное отклонение и систематическую ошибку измерений. Данные после 0 пс аппроксимируются двухсегментной функцией экспоненциального затухания, представленной штриховой и пунктирной линиями. Пересечение этих двух кривых при t = 14,5 пс совпадает с фазовым переходом плавления золота.

    Зависимость частот рассеяния электронов от времени и температуры

    Применение модели Друде (рис. 3) к временным данным в ТГц диапазоне определяет полную частоту рассеяния электронов ν e .Данные показывают быстрое увеличение сразу после возбуждения XUV-FEL, в то время как плотность свободных носителей n e увеличивается незначительно, т.е. в 1,3 раза. Данные ν e как функция от T e показаны на рис. 5a. При максимальной температуре электронов T e = 16000 ± 1000 K мы находим увеличение ν e более чем в шесть раз по сравнению со значением комнатной температуры. Значительное увеличение ν e объясняет противоположную температурную зависимость σ r , наблюдаемую между ТГц и оптическим режимами на рис.3, с ω / ν e = ω τ ≪ 1 в ТГц режиме приводит к \ ({\ sigma} _ {\ text {r}} \ propto \ frac {1} { {\ nu} _ {\ text {e}}} \) в соответствии с формулой. (2), а ω / ν e ≫ 1 в оптическом режиме приводит к σ r ν e . Данные ν e , экстраполированные из данных оптической проводимости с использованием исходной модели Друде 13 и модифицированной модели Друде 16 , показывают даже более высокие значения, чем данные ТГц, c f .Рис. 5а. Значительно более высокие данные ν e , приведенные в исх. 13 можно объяснить следующим: (1) в данном исследовании используются лазерные импульсы 800 нм, 30 фс для возбуждения образцов толщиной 300 нм, что может привести к большим продольным градиентам плотности энергии во время измерения через 0,1 пс после лазерное возбуждение; (2) использование достаточно толстых мишеней препятствует использованию ТТМ для определения температуры, а оценка T e с использованием плотности состояний электронов осложняется эффектами гибридизации электронных орбиталей 16 .Для сравнения, теоретические расчеты, представленные в 16 , хорошо согласуются с нашими измерениями при T e <10 000 K, но немного завышают экспериментальные результаты при более высоких температурах.

    Рис. 5: Частоты рассеяния электронов как функции времени и температуры, определенные из широкополосной проводимости, подгоняются с использованием модели Друде.

    a показывает полную частоту рассеяния электронов ( ν e ) как функцию температуры электронов T e , определенную в этой работе (синие символы), по сравнению с данными оптических измерений 13 , 16 (серые незакрашенные треугольники и ромбы) и теоретические расчеты из исх. 16 (красная кривая). b ν e определено из измерений проводимости с временным разрешением (синие кружки), которые являются суммой электрон-электронного рассеяния ν ee (зеленые кружки) и частот электрон-ионного рассеяния ν ei (красный), а при отрицательной временной задержке данные для ν e и ν ei перекрываются. c ν ee данные получены из полной частоты рассеяния электронов ν e (зеленые символы), а зеленая пунктирная кривая соответствует данным с \ ({T} _ {\, \ text {e} \,} ^ {2} \) масштабирование.Синяя и красная кривые — теоретические расчеты по ссылкам. 16,34 . d ν ei данные как функция температуры ионов T i (красные символы), а черные ромбы представляют ν ei , рассчитанные на основе ионно-ионного структурного фактора ( S ii ), измеренные в исх. 8 с использованием формулы Зимана 35 , что указывает на отличное соответствие между этими двумя методами.Горизонтальные полосы погрешностей в a , c и d учитывают флуктуацию энергии ЛСЭ и распределение температуры по зондируемой области ТГц, а в b они представляют ширину циклов ТГц. Вертикальные полосы погрешностей определяются точностью измеренной электропроводности, а полосы погрешностей электронных температур учитывают как погрешности экспериментальных измерений, так и диапазон температур, определенный расчетами ТТМ.

    На рис. 5б показана временная эволюция ν e при плотности поглощенной энергии 0,89 ± 0,18 МДж / кг, где мы видим начальный скачок ν e сразу после возбуждения при t = 0 пс, и последующее медленное увеличение с более поздними временными задержками. Первое поведение синхронизировано с мгновенным нагревом электронов, когда произошли небольшие изменения температуры ионов. Таким образом, мы связываем этот скачок с быстрым ростом ν ee .Следовательно, мы можем определить ν ee как функцию T e , как показано на рис. 5c, ν ee ( T e ) = ν e ( T e , T i ) — ν ei ( T i ), используя данные ν e , представленные на рис. 5a. Здесь мы аппроксимируем ν e ν ei при комнатной температуре и ν ei T i при T i около 300 K 32 .{2}} {{\ varepsilon} _ {\ text {F}}} \), где — приведенная постоянная Планка, k B — постоянная Больцмана, а ε F = 5,5 эВ — энергия Ферми золота. Мы находим, что коэффициент масштабирования A = 0,95 хорошо согласуется с предсказанием из исх. 32 . Количественное определение ν ee в сильно возбужденных твердых телах было спорным ( 13,14,17,33,34 ) и до сих пор было невозможно определить из экспериментальных данных.Что еще более важно, в отличие от металлического водорода, где переход от ферми-вырожденного металла к максвелловской плазме наблюдался при температурах, в 0,15–0,4 раза превышающих температуру Ферми ( T F ) в ссылке. 4 , мы не наблюдаем нарушения поведения ферми-жидкости в золоте для T e до 1/4 T F . Разделение электрон-ионной и электрон-электронной составляющих рассеяния предлагает первую прямую проверку теории и позволяет дальнейшее исследование границы между квантово-механическим и классическим поведением металлов.На рис. 5c также показаны результаты теоретических расчетов T e в зависимости от ν ee значений 16,34 . Расчеты из исх. 34 завышают вклад процессов рассеяния ν ee в общую электропроводность. Данные из исх. 16 — это уточненный расчет исх. 34 , что намного лучше согласуется с нашими экспериментальными результатами при T e ≤ 10000 K.В исх. 16 учитывается только рассеяние между 6 s и 5 d электронами, а рассеяние между 6 s электронами игнорируется, потому что только небольшая его часть может вносить вклад в электрическую проводимость посредством процесса Umklapp 32 . Расхождение при T e > 10 000 K согласуется со сравнением ν e на рис. 5а, указывая на необходимость дальнейшего улучшения теории.

    На основании данных ν ee как функции T e , мы построим график зависимости ν ee от времени на рис. 5b с использованием T e , полученного из TTM. расчеты. Далее получаем ν ei = ν e ν ee на каждом временном шаге при переходе образцов в режим перегрева 8 . Выявлено сложное взаимодействие между ν ee и ν ei : (1) сразу после возбуждения XUV-FEL T e достигает 16000 ± 1000 K и ν ee значительно превышает ν ei ; (2) энергетическая связь электронов с ионами приводит к увеличению ν ei , сопровождаемому уменьшением ν ee ; (3) вблизи полностью расплавленного состояния при ~ 15 пс, ν ei ≈ 3 ν ee , когда T i составляет всего четверть от T e .Такие наблюдения показывают, что ν ee вносит существенный вклад в электрическую проводимость при T e ≥ 10000 К, однако ν ei ν ee в условиях равновесия.

    На рис. 4d представлена ​​зависимость частоты рассеяния электронов на ионах ν ei от температуры ионов T i . Мы обнаружили, что масштабирование ν ei T i все еще сохраняется до температуры плавления T расплав = 1337 K.Теоретические расчеты ν ei для веществ с высокой плотностью энергии обычно выполняются с использованием теории Займана 17,33,35 , которая требует знания ионно-ионного структурного фактора ( S ii ). Однако правильное моделирование S ii в этом режиме очень сложно из-за сильно связанных ионов и сложного электронного экранирования 15,36 . Поэтому мы используем экспериментально измеренный ион-ионный структурный фактор ( S ii ) из ​​работы. 8 для расчета ν ei по формуле Зимана 35,37 (см. Дополнительную информацию). Мы находим близкое согласие с данными ν ei , определенными с помощью этих различных подходов, демонстрируя связь между электронными и ионными структурными свойствами в сильно возбужденных системах.

    В заключение, используя многоцикловое ТГц излучение, мы демонстрируем чувствительное, с временным разрешением измерение электропроводности золота, возбуждаемого интенсивным сверхбыстрым лазером на свободных электронах.Мы показали, что в режиме теплой плотной материи проводимость постоянного тока хорошо аппроксимируется электропроводностью на частотах ТГц. Наши измерения предоставляют данные высокого качества, которые проверяют существующие теоретические расчеты и показывают ограничение экстраполяции измерений оптической проводимости на режим постоянного тока. Этот тип эксперимента позволяет нам измерять электропроводность в сверхбыстрых временных масштабах, позволяя одновременно определять частоту рассеяния электронов как функцию времени и температуры, а также определять отдельные вклады электрон-электронного и электрон-ионного рассеяния.Эта работа также указывает путь к пониманию взаимосвязи структуры материала и электропроводности в сильно возбужденных необратимых условиях, вдохновляя применение ТГц излучения для изучения взаимодействий высокоинтенсивного лазерного излучения с веществом, материаловедения и исследования планетных систем. интерьеры. Мы также ожидаем, что в будущем исследования этого типа можно будет проводить с помощью настольных лазерных систем, т. Е. Нагрев образцов с помощью сверхбыстрых лазерных импульсов высокой интенсивности и зондирование их с помощью одноциклового или многоциклового 38 , генерируемого лазером высокой яркости. цикл ТГц излучения 39 .

    Что такое проводимость металлов?

    Электропроводность металла — это мера способности материала передавать тепло или электричество (или звук). Обратной величиной проводимости является сопротивление или способность уменьшать их поток.

    Понимание тенденции материала к поведению может быть решающим фактором при выборе этого материала для конкретного применения. Очевидно, что некоторые материалы выбраны потому, что они легко проводят электричество (например, проволока) или тепло (например, ребра или трубы в радиаторе или теплообменнике).Для других применений (например, для изоляции) выбираются материалы, потому что они не обладают хорошей проводимостью.

    Чистые металлы обычно обеспечивают лучшую проводимость. В большинстве металлов наличие примесей ограничивает поток электронов. Таким образом, по сравнению с чистыми металлами элементы, которые добавляются в качестве легирующих агентов, могут считаться «примесями». Таким образом, сплавы обладают меньшей электропроводностью, чем чистый металл. Если требуются другие свойства, обеспечиваемые легированием (например, для дополнительной твердости или прочности), важно выбрать добавки в сплав, которые не оказывают значительного влияния на проводимость, если это также важно.

    Металлы проводят электричество, позволяя свободным электронам перемещаться между атомами. Эти электроны не связаны ни с одним атомом, ни с ковалентной связью. Поскольку одинаковые заряды отталкиваются друг от друга, движение одного свободного электрона внутри решетки вытесняет электроны в следующем атоме, и процесс повторяется — двигаясь в направлении тока к положительно заряженному концу.

    Теплопроводность аналогична электрической в ​​том, что возбуждение атомов в одной секции приводит к возбуждению и вибрации соседних атомов.Это движение или кинетическая энергия — как если бы вы потирали руки друг о друга, чтобы согреться — позволяет теплу проходить через металл. Сплавы, которые представляют собой комбинацию различных металлических элементов, имеют более низкий уровень теплопроводности, чем чистые металлы. Атомы разного размера или атомного веса будут колебаться с разной скоростью, что изменит характер теплопроводности. Чем меньше передача энергии между атомами, тем меньше проводимость.

    Чистое серебро и медь обеспечивают самую высокую теплопроводность, в меньшей степени алюминий.Нержавеющие стали обладают низкой теплопроводностью. Некоторые материалы, в том числе медь, легко проводят как тепло, так и электричество. В то время как другие, например стекло, проводят тепло, но не проводят электричество.

    Как мы уже отмечали ранее, выбор металла для любого применения, вероятно, требует компромиссов. Например, подумайте о выборе металла в посуде. В то время как алюминий является достойным проводником тепла, медь проводит лучше и обеспечивает более быстрое и равномерное приготовление пищи — если вы ищете эту быструю еду.Но медь намного дороже. Вот почему вся посуда, кроме самой высококачественной, сделана из алюминия или алюминия с покрытием или оболочкой (алюминий реагирует на соленые и кислые продукты), а не из более дорогой меди. Еще один вариант — медь с покрытием из нержавеющей стали.

    Как и в большинстве подобных случаев, ближайший к вам металлург может помочь принять экономически эффективное решение по выбору сплава — по проводимости или почти по любым другим желаемым характеристикам.

    Ионодные электроды — Теория проводимости

    Фон

    Электропроводность является неотъемлемым свойством большинства материалов и варьируется от материалов с очень высокой проводимостью, таких как металлы, до материалов с высоким сопротивлением, таких как полимеры или стекло.Водные растворы, такие как морская вода и гальванические ванны, имеют электропроводность между этими двумя крайними значениями. В водных растворах электрический ток переносится заряженными ионами. Проводимость определяется количеством носителей заряда, скоростью их движения и количеством заряда, которое каждый из них несет. Следовательно, для большинства водных растворов, чем выше концентрация растворенных солей, что приводит к большему количеству ионов, тем выше проводимость. Этот эффект продолжается до тех пор, пока раствор не достигнет максимального значения, после чего проводимость может фактически уменьшиться с увеличением концентрации.Это может привести к двум различным концентрациям соли, имеющей одинаковую проводимость. Это необходимо учитывать при использовании проводимости для определения концентрации растворов. Некоторые виды ионизируются более полно в воде (сильные электролиты, такие как NaCl и HCl), чем другие, и в результате их растворы становятся более проводящими. Каждая кислота, основание или соль имеет свою характеристическую кривую зависимости концентрации от проводимости. Повышение температуры дает ионам больше энергии, заставляя их двигаться быстрее и, следовательно, увеличивая проводимость.. Поскольку ионы имеют разный размер и при движении переносят разное количество воды, температурный эффект для каждого иона различен. Обычно проводимость колеблется примерно в пределах 1–3% на градус Цельсия, и этот температурный коэффициент сам может изменяться в зависимости от концентрации и температуры.

    Определения

    Электропроводность материала — это неотъемлемое свойство. Чистая вода при определенной температуре всегда будет иметь одинаковую проводимость. Электропроводность образца чистой воды зависит от способа проведения измерения — размера образца, расстояния между измерительными электродами и т. Д.Он определяется как величина, обратная сопротивлению в Ом, измеренному между противоположными гранями куба жидкости диаметром 1 см при определенной температуре. См. Рисунок ячейки проводимости. Базовая единица измерения проводимости — Сименс (S). Поскольку измерение дает проводимость, были разработаны методы преобразования измеренного значения в проводимость, чтобы можно было сравнивать результаты различных экспериментов. Это делается путем измерения постоянной ячейки (K) для каждой установки с использованием раствора известной проводимости.

    Проводимость ячейки x константа ячейки (K) = проводимость

    (Уравнение 1)

    Константа ячейки связана с физическими характеристиками измерительной ячейки. K определяется для двух плоских параллельных измерительных электродов как расстояние между электродами (d), деленное на площадь электрода (A). Таким образом, для куба жидкости размером 1 см: —

    K = d / A = 1 см – 1

    (Уравнение 2)

    На практике измеренное значение ячейки вводится в счетчик, и преобразование проводимости в проводимость выполняется автоматически.Используемое значение K зависит от линейного диапазона измерения выбранной ячейки. Обычно для измерений чистой воды выбирают ячейку с K = 0,1 см – 1, а для воды из окружающей среды и промышленных растворов используют ячейку с K от 0,4 до 1 см – 1. Ячейки с K = 10 см – 1 лучше всего подходят для образцов с очень высокой проводимостью. Для некоторых растворов, таких как чистая вода, значения проводимости настолько низкие, что некоторые пользователи предпочитают вместо этого использовать удельное сопротивление и сопротивление. Удельное сопротивление обратно пропорционально проводимости (R = 1 / C), а сопротивление обратно пропорционально проводимости.Единицы сопротивления даны в Ом, 1 Ом = 1 / Сименс. Из уравнения. 1 и 2 видно, что единицы проводимости указаны в Сименс / см, и, следовательно, единицы удельного сопротивления выражены в Ом – см. Удельное сопротивление сверхчистой воды составляет 18 МОм-см.

    Как измеряется проводимость?

    В простейшем варианте (двухэлектродная ячейка) напряжение подается на две плоские пластины, погруженные в раствор, и измеряется результирующий ток. Согласно закону Ома, проводимость = ток / напряжение.На самом деле здесь много практических трудностей. Электропроводность раствора обусловлена ​​подвижностью ионов. Использование постоянного напряжения скоро истощит ионы возле пластин, что вызовет поляризацию и сопротивление выше реального. В основном это можно преодолеть, используя напряжение переменного тока, но тогда разработчик прибора должен скорректировать различную емкость и другие эффекты. Современные сложные двухэлектродные приборы для измерения проводимости используют сложные формы сигналов переменного тока, чтобы минимизировать эти эффекты, и, используя постоянную ячейки, измеренную температуру, температурный коэффициент и эталонную температуру, будут сообщать о проводимости образца.


    Прочность

    Материалы ячеек следует выбирать в соответствии с потребностями применения. Для полевых и требовательных лабораторных применений многие пользователи выбирают ячейку, изготовленную с эпоксидным корпусом и углеродными измерительными электродами, поскольку было показано, что она является чрезвычайно прочной и химически стойкой. Для особо требовательных приложений некоторые производители поставляют защитные кожухи для датчиков, которые можно прикрепить к датчику для дополнительной защиты. Для применений с чистой водой, таких как испытания воды для инъекций Фармакопеи США, предпочтительным материалом является нержавеющая сталь.Он очень прочен, может изготавливаться с точными допусками, а для низкой проводимости не требуются низкие контактные сопротивления. Для химически реактивных образцов стекло и платина часто являются оптимальным выбором, так как они имеют лучшую общую химическую стойкость из всех обычно используемых. клеточные материалы

    Таблица 1 Типичная удельная электропроводность стандартных растворов

    Образец при 25 ° C Электропроводность, мкСм / см
    Сверхчистая вода 0.055
    Дистиллированная вода 1.0
    Дождевая вода 50
    Питьевая вода 500
    Промышленные сточные воды 5 000
    Морская вода 50 000
    1M NaCl 85 000
    1M HCl 332 000

    Таблица 2 — TC (значения температурного коэффициента)

    Образец Процент / ° C (при 25 ° C)
    Сверхчистая вода 4.55
    Солевой раствор (NaCl) 2,12
    5% NaOH 1,72
    Разбавленный раствор аммиака 1.88
    10% HCl 1,32
    5% серная кислота 0,96
    98% серная кислота 2,84
    Сахарный сироп 5.64
    Статья о проводимости

    — новый веб-сайт Centurion NDT

    ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОВОДИМОСТИ МЕТОДОМ ВИХРЕННОГО ТОКА

    В последнее время многие компании начали использовать вихревые токи для измерения проводимости цветных металлов. Во многих случаях это их первая встреча с вихревыми токами.

    Автор за последние одиннадцать лет работал со многими из этих первых пользователей кондуктометров.Надеемся, что этот документ поможет им делать более точные показания за счет лучшего понимания технологии и ее ограничений.

    Вихревой ток — это метод неразрушающего контроля, в котором используется зонд или катушка для установления небольшого переменного электрического тока в исследуемом материале; это вихревой ток, который дал название методу испытаний. На измерительный зонд или катушку воздействует вихревой ток. Интерпретируя влияние исследуемого материала на зонд, можно получить информацию о проницаемости, массе и электропроводности материала.

    В данной статье мы будем иметь дело с электропроводностью сплавов цветных металлов. Несмотря на то, что мы не имеем дела непосредственно с массой, пользователю важно знать о возможном влиянии этой переменной, что будет обсуждаться позже в этой статье.

    Электропроводность — это свойство металлов, которое можно использовать для сортировки различных сплавов или определения условий термообработки сплава. В материалах, которые будут использоваться для электрических проводников, электропроводность является жизненно важным прямым показателем способности материала работать эффективно.

    Термическая обработка влияет как на твердость, так и на электропроводность большинства алюминиевых сплавов. Хотя основной целью термической обработки является контроль твердости сплава, измерение твердости с помощью контактного тестера происходит медленно, может быть затруднено на больших или сложных деталях и может привести к нежелательным поверхностным дефектам. Испытание на вихретоковую проводимость обеспечивает быстрое портативное косвенное измерение твердости при условии, что сплав известен.

    Некоторые термины, используемые при тестировании проводимости, являются уникальными для данной области или, по крайней мере, не охватываются в большинстве словарей.

    IACS

    IACS означает Международный стандарт отожженной меди. Это шкала измерения, которая сравнивает проводимость материалов с проводимостью отожженной меди. Показания выражены в процентах IACS. Поскольку некоторые материалы являются лучшими проводниками, чем медь, иногда встречаются показания выше 100%.

    В некоторых таблицах указано удельное сопротивление материалов, а не их проводимость. Значения удельного сопротивления в микром-сантиметрах можно легко преобразовать в значения проводимости IACS по следующей формуле:

    % IACS = 172.41 / удельное сопротивление

    Точность

    Точность определяется в словаре как отсутствие ошибок. Для наших целей более подходящим словом может быть неопределенность. Есть много переменных, которые могут повлиять на показания вихревых токов. Каждое измерение имеет некоторую неопределенность. Точность считывания — это сумма неопределенностей каждого теста, приведшего к окончательному результату.

    К счастью, документация по прослеживаемым стандартам включает точность. Это рассчитано производителем.Большинство производителей инструментов указывают точность своих инструментов.

    Разрешение

    Разрешение — это предел того, насколько небольшое изменение может быть измерено. Например, на большинстве цифровых кондуктометров отображается одна цифра после десятичной точки. Следовательно, такой инструмент будет иметь разрешающую способность +/- 0,1% IACS.

    Разрешение теперь является мерой точности, но это один из факторов, ограничивающих точность прибора.

    Прослеживаемый стандарт

    Прослеживаемый стандарт — это стандарт, значение которого было установлено с использованием стандартов и инструментов, точность которых прослеживается до Национального бюро стандартов.

    Первичный эталон проводимости

    Первичный эталон — это прослеживаемый эталон, значение которого было установлено не вихретоковыми методами.

    Точность первичных эталонов ограничена несколькими факторами. Наиболее часто используемая процедура описана в ASTM B 193. Короче говоря, точно обработанный стержень из однородного материала соединяется с мостом Уитстона, при этом точно поддерживается постоянная температура. Через стержень пропускают электрический ток постоянного тока, чтобы определить его удельное сопротивление.Точность ограничена погрешностью измерения размеров, точностью контроля температуры и точностью прецизионных резисторов. В настоящее время наилучшая достижимая точность составляет 0,1%.

    Первичные эталоны не используются для калибровки вихретоковых измерителей в полевых условиях, так как столбики довольно большие. Если бы они были разделены на более мелкие купоны, они никогда больше не могли бы быть повторно сертифицированы в качестве первичных стандартов.

    Вторичный эталон

    Вторичный эталон изготавливается путем вихретоковой передачи от первичных эталонов.В лучшей современной технологии используется прецизионный анализатор импеданса для сравнения значений первичных стандартов с образцами образцов, которые хранятся в масляной ванне с прецизионным контролем температуры. Наилучшая доступная в настоящее время точность обеспечивает точность 0,35% для наилучших доступных вторичных эталонов.

    Третичный стандарт

    Значение третичного стандарта устанавливается путем передачи вихретокового сигнала от вторичного уровня. Поскольку лучшие вторичные эталоны имеют точность 0.35%, а лучший вихретоковый перенос имеет точность 0,25%, лучшие третичные стандарты могут иметь точность не более 0,6%.

    Четвертичный стандарт

    Стандарт, значение которого установлено как вихретоковый переход от третичного стандарта. Это редко используется из-за присущей им неточности.

    Есть шесть факторов, которые влияют на точность измерения вихретоковой проводимости. Это температура, отрыв, изогнутые поверхности, краевой эффект, толщина материала и покрытие.

    Температура

    Температура, вероятно, является наиболее важной переменной, контролируемой оператором прибора. Электропроводность большинства материалов снижается с повышением температуры. Скорость изменения различна для разных материалов. Значение проводимости почти всегда выражается как значение при 68 ° F (20 ° C). Например, алюминиевый сплав с температурным коэффициентом 0,0029 и проводимостью 43,42% IACS при 68 ° F будет иметь значение 42.6% IACS при 80 ° F. Это изменение на 0,82% IACS или 1,9% от фактического значения.

    Если температурный коэффициент известен, скорректированное значение проводимости можно вычислить по следующей формуле:

    IACSc = IACSs * (1 + Temp Coef. * (20 — temp oC))

    Где IACSc = значение IACS с поправкой на температуру

    IACS = стандартное значение IACS

    Temp Coef. = Температурный коэффициент

    Поскольку большинство измерений выполняется при температуре, отличной от 68,00 ° F., необходимо использовать какой-либо метод коррекции для получения правильного значения. На кондуктометрах, таких как Centurion NDT / Magnaflux FM-140, калибровка в полевых условиях выполняется с использованием двух стандартов, один выше и один ниже диапазона измерения.

    На рисунке 1 показано изменение проводимости для алюминиевого образца с проводимостью 40% IACS и температурным коэффициентом 0,0027. Это ясно показывает значительное уменьшение проводимости при повышении температуры. Для этого материала изменение всего на 2 градуса по Фаренгейту дает изменение более чем на.1% МАКО.

    Информация на этих иллюстрациях основана на фактических тепловых коэффициентах и ​​значениях IACS по стандартам Boeing, принадлежащим Centurion NDT. Для простоты значения IACS округлены.

    Когда калибровка выполняется с использованием стандартов при той же температуре, что и тестируемый материал, в пределах стандартов происходит компенсирующее изменение проводимости. Рисунок 2 иллюстрирует изменение проводимости стандартов, а также исследуемого материала.

    На этом рисунке линии не параллельны, а перекрывают друг друга при повышении температуры.Однако эти три линии не будут встречаться в одной и той же точке. Это приведет к небольшой предсказуемой ошибке, поскольку ценность материала не поддерживает постоянную связь со стандартами.

    На рис. 3 показана погрешность в процентах от показаний для нашего материала в диапазоне температур при использовании стандартов существенно разного значения и материала.

    На рис. 4 показано уменьшение погрешности в результате использования стандартов со значениями и температурными коэффициентами, близкими к испытуемому материалу.

    Следующие предложения помогут уменьшить количество ошибок, связанных с температурой. Материал должен иметь стабильную температуру. Избегайте снятия показаний под прямыми солнечными лучами или вскоре после переноса материала в отапливаемое помещение с кондиционером. Прибор и стандарты должны иметь ту же температуру, что и тестируемый материал.

    Lift Off

    Вихретоковый зонд должен находиться в тесном контакте с испытываемым материалом. Однако, поскольку вихревой ток использует магнитное поле, тонкое непроводящее покрытие приемлемо для большинства инструментов.Это позволит проводить испытания через непроводящую краску или окисление.

    Для подтверждения надлежащего подавления отрыва в качестве прокладки можно использовать лист бумаги или клейкую ленту. Не должно быть никаких изменений в показаниях, когда зонд находится непосредственно на материалах или через прокладку. У некоторых инструментов есть элемент управления на передней панели, чтобы облегчить пользователю настройку для отрыва.

    Криволинейные поверхности

    Криволинейные поверхности могут влиять на показания, поскольку только часть датчика может контактировать с материалом.Компенсация отрыва на большинстве кондуктометров позволяет получать точные показания на поверхностях с радиусом более трех дюймов. Поверхности с малым радиусом изменят указанное значение проводимости. Однако, поскольку радиус постоянен в измеряемой области, и датчик надежно перемещается на каждой части, часто может использоваться поправочный коэффициент.

    Edge Effect

    На показания прибора влияет, когда датчик помещается близко к краю детали.Как правило, зона испытания должна быть как минимум в два раза больше диаметра катушки зонда. На меньших площадях датчик необходимо закрепить, чтобы получить повторяемые результаты; затем может быть разработан коэффициент преобразования.

    Толщина материала

    Вихревые токи проникают в материал на небольшое расстояние. Для алюминиевых сплавов и инструментов, работающих на частоте 60 кГц или выше, это не проблема для материалов толщиной более 0,060 дюйма.

    Облицовка

    Поскольку вихретоковый контроль — это в основном контроль поверхности, на результаты влияет оболочка.Обычно показания увеличиваются с увеличением толщины оболочки. Поскольку на показания влияет проводимость материала основы и облицовки, а также толщина облицовки, иногда необходимо снять облицовку с небольшого участка, чтобы точно измерить проводимость основного материала.

    При выполнении измерения вихретоковой проводимости в соответствии со спецификациями производителя обычно указываются детали процедуры и точности. Для получения более подробной информации по этой теме вам может помочь следующая публикация.

    ASTM B 193 Метод испытания удельного сопротивления материалов электропроводников

    ASTM E 1004 Электромагнитные (вихретоковые) измерения электропроводности

    Рисунок 1

    Рисунок 2

    Рисунок 3

    Введение в термическую и электрическую проводимость (все содержание)

    Примечание. Пакеты обучения и обучения DoITPoMS предназначены для интерактивного использования на компьютере! Эта версия TLP для печати предназначена для удобства, но не отображает все содержимое TLP.Например, отсутствуют какие-либо видеоклипы и ответы на вопросы. Форматирование (разрывы страниц и т. Д.) Печатной версии непредсказуемо и сильно зависит от вашего браузера.

    Содержание

    • Цели
    • Перед тем, как начать
    • Введение
    • Введение в проводимость
    • Металлы: модель электропроводности Друде
    • Факторы, влияющие на электрическую проводимость
    • Металлы теплопроводности
    • Электропроводность: неметаллы
    • Неметаллы: тепловые фононы
    • Приложения
    • Сводка
    • вопросов
    • Идем дальше

    Цели

    По завершении этого пакета TLP вам необходимо:

    • Понимать основные механизмы и модели теплопроводности и теплопроводности металлов и неметаллов.
    • Помните о некоторых факторах, которые влияют на оба типа проводимости.
    • Знайте некоторые области применения обоих типов проводников и изоляторов.

    Перед тем, как начать

    Этот TLP является введением, поэтому никаких специальных знаний не требуется. Однако есть и другие TLP, которые охватывают более сложные темы, такие как полупроводники, ссылки на которые приведены в разделе для дальнейшего чтения.

    Введение

    Электропроводность охватывает невероятно большой порядок величин (30!) От изоляторов до металлов и даже может быть бесконечным в сверхпроводниках.Знание того, как управлять им, привело к компьютерной революции и постоянно растущей миниатюризации

    Теплопроводность, хотя для известных материалов она составляет всего около 10 порядков величины, по-прежнему имеет решающее значение для многих важных технологических достижений, от реактивных турбин и космических путешествий до USB-холодильников для напитков.

    Чтобы по-настоящему оценить эти достижения, важно понимать, как возникает проводимость в материалах. Существуют простые модели, которые можно использовать для прогнозирования поведения многих материалов; между теплопроводностью и электропроводностью в металлах существуют близкие параллели, в то время как механизмы проводимости в неметаллах совершенно разные.

    Введение в проводимость

    Электропроводность

    Важно не запутаться в проводимости, проводимости, сопротивлении и удельном сопротивлении.

    Свойства материалов: электропроводность σ и удельное электрическое сопротивление ρ

    Электропроводность материала определяется как количество электрического заряда, переносимого в единицу времени через единицу площади под действием единичного градиента потенциала: J = σ E

    где J — плотность тока (ток на единицу площади), а E — градиент потенциала.Это еще один способ выражения закона Ома, который чаще выражается как \ (V = I R \).

    Для изотропного материала:

    \ [\ sigma = \ frac 1 \ rho \]

    Единицами измерения удельного электрического сопротивления являются омметр ( Ом · м ), а для проводимости — обратная величина ( Ом -1 м -1 ). Для фактического образца длиной l и площадью поперечного сечения A сопротивление R рассчитывается по формуле:

    \ [R = \ rho \ frac l A \]

    Электрические сигналы распространяются со скоростью, близкой к скорости света, хотя , а не означает, что сами электроны движутся так быстро.Вместо этого типичная дрейфовая скорость электронов (их средняя скорость) намного ниже: менее 1 мм с -1 . Это подробно описано в разделе моделей Друде.

    Еще одно уместное напоминание о потенциале и токе: ток — это поток электронов, а потенциал — это движущая сила, заставляющая их течь. Обладая достаточным потенциалом, электроны могут переносить заряд через любой материал, включая вакуум (см. ЭЛТ), хотя они бессильны без какого-либо чистого тока.

    Лучшие электрические проводники (кроме сверхпроводников) — это чистая медь и чистое серебро с удельным сопротивлением 16,78 и 15,87 нОм соответственно. Для сравнения, полистирол имеет удельное сопротивление до 10 28 нОм, что на 27 порядков отличается!

    Теплопроводность:

    Чтобы понять теплопроводность материалов, важно знать концепцию теплопередачи, которая представляет собой движение тепловой энергии от более горячего тела к более холодному.Это происходит при нескольких обстоятельствах:

    • Когда температура объекта отличается от температуры окружающей среды;
    • Когда объект имеет температуру, отличную от температуры другого объекта, контактирующего с ним;
    • Когда внутри объекта существует температурный градиент.

    Направление теплопередачи определяется вторым законом термодинамики, который гласит, что энтропия изолированной системы, которая не находится в тепловом равновесии, будет со временем увеличиваться, приближаясь к максимальному значению в состоянии равновесия.Это означает, что передача тепла всегда происходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой и будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнуто тепловое равновесие.

    Передача тепловой энергии происходит только через 3 режима: теплопроводность, конвекция и излучение. Каждый режим имеет свой механизм и скорость передачи тепла, и, таким образом, в любой конкретной ситуации скорость передачи тепла зависит от того, насколько преобладает определенный режим.

    Проводимость включает передачу тепловой энергии за счет комбинации диффузии электронов и фононных колебаний — применимо к твердым телам.

    Конвекция включает передачу тепловой энергии в движущейся среде — горячий газ / жидкость движется через более холодную среду (обычно из-за разницы в плотности).

    Излучение включает передачу тепловой энергии электромагнитным излучением. Солнце — хороший пример передачи энергии через (близкий) вакуум.

    Этот TLP фокусируется на проводимости в кристаллических твердых телах.

    Теплопроводность, Κ, — это свойство материала, которое указывает на способность проводить тепло.Согласно первому закону Фурье тепловой поток пропорционален разности температур, площади поверхности и длине образца:

    \ [H = \ frac {\ Delta Q} {\ Delta t} = \ kappa A \ frac {\ Delta T} {l} \]

    где ΔQ / Δt — скорость теплопередачи, A — площадь поверхности, а l — длина.

    Лучшие металлические теплопроводники — это чистая медь и серебро. При комнатной температуре технически чистая медь обычно имеет проводимость около 360 Вт · м -1 K -1 (хотя теплопроводность монокристалла меди была измерена при 12 200 Вт · м -1 K -1 при температура 20.8 К). В металлах движение электронов преобладает над теплопроводностью.

    Основной материал с самой высокой теплопроводностью (помимо сверхтекучего гелия II), что, возможно, удивительно, является неметаллом: чистый монокристаллический алмаз, который имеет теплопроводность при комнатной температуре около 2200 Вт · м -1 K -1 . Высокая проводимость используется даже для проверки подлинности алмаза. Сильные ковалентные связи внутри молекулы ответственны за высокую проводимость, хотя свободных электронов нет, тепло передается фононами.Большинство природных алмазов также содержат атомы бора, которые заменяют атомы углерода в кристаллической матрице, которые также обладают высокой теплопроводностью.

    Металлы: модель электропроводности Друде

    Из-за квантово-механической природы электронов полное моделирование движения электронов в твердом теле (т. Е. Проводимости) потребует рассмотрения не только всех остовов положительных ионов, взаимодействующих с каждым электроном, , но также каждого электрона с каждым другим электроном .Даже с продвинутыми моделями это быстро становится слишком сложным для адекватного моделирования материала макроскопического масштаба.

    Модель Друде значительно упрощает ситуацию за счет использования классической механики и рассматривает твердое тело как фиксированный массив ядер в «море» несвязанных электронов. Кроме того, электроны движутся по прямым линиям, не взаимодействуют друг с другом и случайным образом рассеиваются ядрами.

    Вместо моделирования всей решетки используются два статистически полученных числа:
    τ , среднее время между столкновениями (время рассеяния ) и
    l , среднее расстояние, пройденное между столкновениями (среднее значение свободного пространства путь )

    Под действием поля E электроны испытывают силу –e E, и, таким образом, ускорение от F = m a

    Для электрона, выходящего из столкновения со скоростью v 0 , скорость по истечении времени t определяется выражением:

    \ [v = v_ {0} — \ frac {eEt} {m} \]

    Конечно, если электроны рассеиваются случайным образом при каждом столкновении, v 0 будет нулем.{2} \ tau E} {m} \]

    Проводимость σ = n e μ, где μ — подвижность , которая определяется как

    \ [\ mu = \ frac {| v |} {E} = \ frac {eE \ tau} {mE} = \ frac {e \ tau} {m} \]

    Конечный результат всей этой математики — разумное приближение проводимости ряда одновалентных металлов. При комнатной температуре, используя кинетическую теорию газов для оценки скорости дрейфа, модель Друде дает σ ~ 10 6 Ом -1 м -1 .Это примерно правильный порядок величины для многих одновалентных металлов, таких как натрий ( σ ~ 2,13 × 10 5 Ом –1 м –1 ).

    Модель Друде можно визуализировать с помощью следующего моделирования. В отсутствие приложенного поля видно, что электроны перемещаются беспорядочно. Используйте ползунок, чтобы применить поле, чтобы увидеть его влияние на движение электронов.

    Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 8 и более поздних версий, который можно скачать здесь.

    Однако важно отметить, что для неметаллов, многовалентных металлов и полупроводников модель Друде с треском проваливается. Чтобы иметь возможность более точно предсказать проводимость этих материалов, требуются квантово-механические модели, такие как модель почти свободных электронов. Это выходит за рамки настоящего TLP

    . Сверхпроводники

    также не объясняются такими простыми моделями, хотя дополнительную информацию можно найти на сайте Superconductivity TLP.

    Факторы, влияющие на электрическую проводимость

    Электропроводность большинства металлических проводников (не полупроводников!) Легко определить.Есть три важных случая:

    Чистые и почти чистые металлы

    Для чистых металлов при температуре около комнатной удельное сопротивление линейно зависит от температуры.

    \ [\ rho_2 = \ rho_1 [1 + \ alpha (T_2 — T_1)] \]

    Однако при низких температурах проводимость перестает быть линейной (сверхпроводники рассматриваются отдельно), а удельное сопротивление связано с температурой по правилу Маттизена:

    \ [\ rho (T) = {\ rho _ {{\ rm {defect}}}} + {\ rho _ {{\ rm {Thermal}}}} \]

    Низкотемпературное удельное сопротивление (\ ({\ rho _ {{\ rm {defect}}}} \)) зависит от концентрации дефектов решетки, таких как дислокации, границы зерен, вакансии и межузельные атомы.Следовательно, оно ниже в отожженных металлических образцах с крупными кристаллами и выше в сплавах и закаленных металлах. Вы можете подумать, что при более высоких температурах электроны будут иметь больше энергии, чтобы двигаться через материал, поэтому, возможно, довольно удивительно, что удельное сопротивление увеличивается (а, следовательно, и проводимость уменьшается) с увеличением температуры. Причина этого в том, что с повышением температуры электроны все чаще рассеиваются на колебаниях решетки или фононах, что приводит к увеличению удельного сопротивления.Этот вклад в удельное сопротивление описывается термином ρ термического .

    Температурная зависимость проводимости чистых металлов схематично проиллюстрирована в следующем моделировании. Используйте ползунок для изменения температуры, чтобы увидеть, как это влияет на движение электронов через решетку. Вы также можете ввести межузельные атомы, щелкнув мышью внутри решетки.

    Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 и более поздних версий, который можно загрузить здесь.

    Сплавы — твердый раствор

    Как и раньше, добавление примеси (в данном случае другого элемента) снижает проводимость. Для твердого раствора изменение удельного сопротивления в зависимости от состава определяется правилом Нордхейма:

    \ [\ rho = \ chi _ {\ alpha} \ rho _ {\ alpha} + \ chi _ {\ beta} \ rho _ {\ beta} + C \ chi _ {\ alpha} \ chi _ {\ beta} \]

    , где C — постоянная величина, CA и CB — атомные доли металлов A и B, удельные сопротивления которых равны ρA и ρB соответственно.2 \]

    , где ΔZ — разность валентностей растворенного вещества и растворителя.

    Таким образом, растворенные атомы с более высоким (или более низким) зарядом, чем решетка, будут иметь большее влияние на удельное сопротивление.

    Сплавы — многофазные

    Для сплава, в котором есть две или более различных фаз, вклады просто линейно влияют на общее удельное сопротивление (хотя влияние многих границ зерен немного увеличивает удельное сопротивление).

    \ [\ rho = \ chi_ \ alpha \ rho_ \ alpha + \ chi_ \ beta \ rho_ \ beta \]

    Следующая анимация иллюстрирует правило Маттейзена, правило Нордхейма и правило смешения.

    Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 8 и более поздних версий, который можно скачать здесь.

    Металлы теплопроводные

    Металлы обычно имеют относительно высокую концентрацию свободных электронов проводимости, и они могут передавать тепло при движении через решетку. Фононная проводимость также имеет место, но эффект перекрывается электронной проводимостью.

    Следующая симуляция показывает, как электроны могут проводить тепло, сталкиваясь с ядрами и передавая тепловую энергию.Нажмите кнопку «источник», чтобы приложить источник тепла к одной стороне образца. График покажет температурный градиент внутри образца, и вы также можете применить радиатор к противоположной стороне образца, используя кнопку «сток».

    Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 и более поздних версий, который можно загрузить здесь.

    Закон Видеманна-Франца

    Так как преобладающий метод теплопроводности у металлов одинаковый для теплопроводности и электропроводности (т.{- 2}} \]

    Этот закон можно объяснить тем фактом, что свободные электроны в металле участвуют в механизмах переноса тепла и электричества. Теплопроводность увеличивается со средней скоростью электронов, так как это увеличивает прямой перенос энергии. Однако электропроводность уменьшается с увеличением скорости частиц, поскольку столкновения отвлекают электроны от прямого переноса заряда.

    Электропроводность: неметаллы

    Хотя модель Друде достаточно хорошо работает для одновалентных металлов, она не предсказывает свойства полупроводников, сверхпроводников или неметаллических проводников.

    Сверхпроводники и полупроводники лучше всего объясняются в их собственных TLP.

    Ионная проводимость

    Для некоторых материалов нет чистого движения электронов, но они по-прежнему проводят электричество.

    Это механизм ионной проводимости, при котором некоторые заряженные ионы могут перемещаться через объемную решетку (с помощью обычных механизмов диффузии, за исключением движущей силы электрического поля).

    Такие ионные проводники используются в твердооксидных топливных элементах, хотя, например, для оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (YZT), рабочие температуры составляют от 500 до 1000 градусов C.Поскольку они действуют по механизму, подобному диффузии, более высокие температуры приводят к более высокой проводимости, что противоположно тому, что предсказывала бы простая модель Друде.

    Напряжение пробоя

    Существует важный и потенциально смертельный механизм, благодаря которому изолятор может стать проводящим. В воздухе это обычно распознается как молния. Следует отметить, что механизм может ионизировать «изолятор», делая его временно более проводящим.

    Газы обычно ионизируются в бытовых осветительных приборах.Наиболее распространены люминесцентные лампы и неоновые лампы.

    Для первоначального возбуждения паров ртути в свете люминесцентной лампы необходим всплеск напряжения, превышающий напряжение пробоя. Это можно заметить при включении такого света, как внезапное возгорание с соответствующим всплеском радиопомех. Неисправная трубка может не полностью ионизироваться, что приводит к небольшому свечению на концах.

    Под высоким напряжением может проводиться даже оргстекло. Временно ионизированный путь непрозрачен при охлаждении, что в данном случае дает фигуру Лихтенберга. Изображение «Фигура Лихтенберга» от Берт Хикман

    Более подробная информация доступна на странице Dielectrics TLP по разбивке

    .

    Неметаллы: тепловые фононы

    Как упоминалось ранее, металлы имеют два режима теплопроводности: на основе электронов и на основе фононов. Для неметаллов имеется относительно мало свободных электронов, поэтому преобладает фононный метод.

    Тепло можно рассматривать как меру энергии колебаний атомов в материале.Как и все вещи в атомном масштабе, здесь есть квантово-механические соображения; энергия каждой вибрации квантована (и пропорциональна частоте). Фонон — это квант колебательной энергии, и за счет комбинации (суперпозиции) многих фононов тепло наблюдается макроскопически.

    Энергия данного колебания решетки в жесткой кристаллической решетке квантована в квазичастицу, называемую фононом . Это аналог фотона в электромагнитной волне; тепловые колебания в кристаллах можно описать как термически возбужденные фононы, которые можно отнести к термически возбужденным фотонам.Фононы являются основным фактором, определяющим электрическую и теплопроводность материала.

    Фонон — это квантово-механическая адаптация нормальной модальной вибрации в классической механике. Ключевым свойством фононов является дуальность волна-частица; нормальные моды имеют волновые явления в классической механике, но приобретают поведение, подобное частицам в квантовой механике.

    Энергия фонона пропорциональна его угловой частоте ω:

    \ [\ varepsilon = (n + \ frac {1} {2}) \ hbar \ omega \]

    с квантовым числом n .Член \ (\ frac {1} {2} \ hbar \ omega \) — это энергия нулевой точки моды. Это определяется как минимально возможная энергия, которой обладает система, и является энергией основного состояния.

    Если твердое тело имеет более одного типа атомов в элементарной ячейке, будет два возможных типа фононов: «акустические» и «оптические» фононы. Частота акустических фононов примерно равна частоте звука, а частота оптических фононов близка к частоте инфракрасного света. Их называют оптическими, поскольку в ионных кристаллах они легко возбуждаются электромагнитным излучением.

    Если кристаллическая решетка имеет нулевую температуру, она находится в основном состоянии и не содержит фононов. Когда решетку нагревают и поддерживают при ненулевой температуре, ее энергия не постоянна, а колеблется случайным образом около некоторого среднего значения. Эти флуктуации энергии вызваны случайными колебаниями решетки, которую можно рассматривать как газ фононов. Поскольку температура решетки порождает эти фононы, их иногда называют тепловыми фононами . Тепловые фононы могут создаваться или разрушаться случайными колебаниями энергии.

    Считается, что фононы тоже обладают импульсом и, следовательно, могут проводить энергию через решетку. В отличие от электронов, существует чистое движение фононов — от более горячей части решетки к более холодной, где они разрушаются. Электроны должны сохранять нейтральность заряда в решетке, поэтому нет чистого движения электронов во время теплопроводности.

    Следующая симуляция показывает схематические оптические и акустические фононы в двумерной решетке и дает возможность анимировать двумерный волновой вектор, определяемый щелчком внутри зеленого поля.

    Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 и более поздних версий, который можно загрузить здесь.

    Рассеяние переброса

    Когда два фонона сталкиваются, образующийся фонон имеет векторную сумму их импульсов. Способ обработки частиц, движущихся в решетке квантово-механическим способом в рамках схемы редуцированных зон (которая выходит за рамки данной TLP, но более подробно исследуется в TLP зон Бриллюэна), приводит к концептуально странному эффекту. Если импульс слишком велик (вне первой зоны Бриллюэна), то образующийся фонон движется почти в противоположном направлении.Это Umklapp scattering , и оно преобладает при более высоких температурах, снижая теплопроводность при повышении температуры.

    Приложения

    Кремниевые чипы

    Поскольку электрические свойства меняются в зависимости от микроструктуры, был разработан тип компьютерной памяти, называемый памятью с произвольным доступом с фазовым переходом (PC-RAM). Используемый материал представляет собой халькогенид, обозначаемый как GST (Ge 2 Sb 2 Te 5 ).

    Аморфное состояние является полупроводником, а в (поли) кристаллической форме — металлическим.При нагревании выше точки стеклования, но ниже точки плавления кристаллизуется ранее полупроводниковая аморфная ячейка. Точно так же, полностью расплавившись, а затем быстро охлаждая клетку, она остается в металлическом кристаллическом состоянии.

    Это изменение удельного сопротивления в зависимости от микроструктуры имеет решающее значение для работы таких устройств. Варьируя условия нагрева, различная пропорция каждой ячейки GST может быть кристаллической и аморфной — правило смеси применяется, поскольку фактически это две фазы.Это позволяет использовать несколько различимых уровней сопротивления для каждой ячейки, увеличивая плотность хранения и снижая стоимость мегабайта.

    Наиболее распространенной проблемой кремниевых устройств является рассеивание тепла.

    Современный процессор имеет расчетную тепловую мощность более 70 Вт (Intel i7 3770, процесс 22 нм). Охладитель должен отводить указанное количество тепла с поверхности кристалла, которое обычно составляет менее 10 см 2 . Обычно радиаторы имеют медный блок, прикрепленный к корпусу микропроцессора с помощью термопасты и давления.Основная часть радиатора обычно делается из гораздо более дешевого алюминия, хотя для интерфейса необходима высокая теплопроводность меди. Термопаста, хотя и является лучшим проводником тепла, чем воздух, намного хуже, чем большинство металлов, поэтому ее используют только в качестве тонкого слоя для замены воздушных зазоров.

    Электропроводность — не самый эффективный метод отвода тепла к отдельному радиатору, поэтому можно использовать конвекцию и скрытую теплоту испарения. Тепловые трубы, обычно сделанные из меди, заполнены жидкостью с низкой температурой кипения, которая кипит на горячем конце и конденсируется на холодном конце трубы.Это гораздо более быстрый способ передачи тепла на большие расстояния.

    Космос

    Теплоизоляторы находят множество применений, разработка которых связана с попытками улучшить объемные механические свойства при сохранении изоляционных свойств (т.е. не пропускает тепло, но не плавится)

    Особенно известное применение теплоизоляции — это (ныне списанные) плитки космических челноков, которые отвечают за защиту челнока во время повторного входа в атмосферу.Они такие хорошие изоляторы, что снаружи они могут раскалиться докрасна, а внутри шаттла астронавты еще живы.

    Одним из лучших теплоизоляторов является кремнеземный аэрогель.

    Аэрогель — это твердотельный материал с чрезвычайно низкой плотностью, сделанный из геля, в котором жидкая фаза геля заменена газом. В результате получается твердое тело чрезвычайно низкой плотности, что делает его эффективным теплоизолятором.

    Одно применение аэрогелей — легкий сборщик микрометеоритов, аэрогель был использован.Хотя он очень легкий, он достаточно силен, чтобы улавливать микрометеоры.

    Спички остаются холодными в миллиметрах от паяльной лампы, большой массив аэрогелевых кирпичей готов к запуску в космос, а образовавшаяся космическая пыль фотографируется по возвращении на Землю

    Aerogels могут изготавливаться из различных материалов, но имеют универсальную структуру. (аморфные «нано-пены» с открытыми ячейками). Однако обычно используется силикат. Аэрогели кремнезема были впервые открыты в 1931 году.

    Аэрогели обладают экстремальной структурой и экстремальными физическими свойствами. Высокая пористость структуры аэрогеля обеспечивает низкую плотность. Процент открытого пространства в структуре аэрогеля составляет около 94% для геля плотностью 100 кг · м 3 .

    Аэрогели — хорошие теплоизоляторы, поскольку они исключают три метода передачи тепла (конвекцию, теплопроводность и излучение). Они являются хорошими конвективными изоляторами благодаря тому, что воздух не может циркулировать по решетке.Кремнеземный аэрогель является особенно хорошим проводящим изолятором, потому что кремнезем плохо проводит тепло — металлический аэрогель, с другой стороны, был бы менее эффективным изолятором. Углеродный аэрогель является эффективным изолятором излучения, потому что углерод способен поглощать инфракрасное излучение, которое передает тепло. Следовательно, для максимальной теплоизоляции лучший аэрогель — это кремнезем, легированный углеродом.

    Трансмиссия

    Одно из самых масштабных применений электрических проводников — передача энергии.

    К сожалению, свойства, которые желательны для прочного кабеля, кажутся противоположными свойствам хорошего проводника.

    Алюминиевые сплавы могут быть очень прочными из-за своей плотности, но, согласно правилу Нордхейма, они намного хуже проводят.

    Существует огромное множество сталей, но, опять же, межузельные атомы углерода увеличивают сопротивление по сравнению с чистым железом. Это означает, что необходим кабель большего диаметра, который из-за плотности стали оказывается очень тяжелым и дорогим.Более тяжелый кабель также означает, что мы должны построить дополнительные пилоны, что составляет значительную часть стоимости.

    Медь, хотя и подходит для домашней электропроводки, является плотной и все более дорогой.

    Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 и более поздних версий, который можно загрузить здесь.

    Для большинства воздушных силовых кабелей решением является использование двух материалов — стальной жилы, окруженной множеством отдельных алюминиевых жил. Это позволяет получить легкие, высокопрочные кабели с приемлемой проводимостью.

    Сверхпроводники были испытаны для передачи энергии, но только под землей, и при значительно более высокой стоимости (и эффективности!).

    Термоэлектрический эффект

    Термоэлектрический эффект — это прямое преобразование разницы температур в электрическое напряжение и наоборот. Проще говоря, термоэлектрическое устройство создает напряжение, когда на каждой стороне устройства разная температура. Он также может работать «в обратном направлении», поэтому, когда на него подается напряжение, создается разница температур.Этот эффект можно использовать для выработки электричества, измерения температуры, охлаждения объектов или их нагрева. Поскольку знак приложенного напряжения определяет направление нагрева и охлаждения, термоэлектрические устройства представляют собой очень удобные регуляторы температуры.

    Эффект Пельтье заключается в том, что когда (постоянный) ток течет через переход металл-полупроводник, тепло либо поглощается, либо выделяется. Это связано с тем, что средняя энергия электронов в двух материалах различается, и это различие компенсируется теплом.

    Для более полного понимания требуется знание зонной структуры, более подробно рассмотренной в TLP по полупроводникам.

    Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 и более поздних версий, который можно загрузить здесь.

    Сводка

    Мы рассмотрели основы, лежащие в основе электрической и теплопроводности, а также некоторые из наиболее распространенных приложений. Вы должны понимать роль электронов и фононов в теплопроводности, а также то, как взаимодействия между ними приводят к изменению электропроводности в зависимости от температуры.Вы должны понимать, что металлы имеют больше механизмов теплопередачи, чем их неметаллические аналоги, что объясняет, почему они имеют более высокую теплопроводность. Кроме того, этот TLP должен был затронуть некоторые из основных применений тепловых и электрических проводников и изоляторов. Наконец, была установлена ​​связь между теплопроводностью и электропроводностью металлов, включая закон Видемана-Франца.

    Суммируя факторы, влияющие на проводимость:

    • Температура — при повышении температуры увеличивается средняя энергия, приходящаяся на один фонон, и благодаря механизму рассеяния с перебросом тепла теплопроводность уменьшается.Фононы также больше рассеивают электроны.
    • Плотность электронов (в металлах) — если электроны являются проводниками, большее количество (валентных) электронов обычно приводит к лучшей проводимости.
    • Легирование — межузельные частицы рассеивают электроны и снижают проводимость. Фазовые границы, примеси, дислокации и т. Д. Снижают проводимость даже при низкой температуре.

    Вопросы

    Быстрые вопросы

    Вы сможете без особого труда ответить на эти вопросы после изучения данного TLP.Если нет, то вам следует пройти через это еще раз!

    1. Для фононов нормальные моды

    2. Каким образом кристаллические решетки влияют на электроны, исходя из предположений модели свободных электронов?

    3. Разброс Umklapp:

    4. Что из следующего верно согласно закону Видемана-Франца?

    5. Какие из следующих утверждений об электропроводности почти чистых материалов верны?

    6. Какой из них является правильным с точки зрения электропроводности от лучшей к худшей (предполагается, что это чистые материалы)?

      Nb 3 Sn при 4K, Ag при 300K, Au при 300K, Nb 3 Sn при 300K, Cu при 300K.
      б Ag при 300K, Cu при 300K, Nb 3 Sn при 4K, Au при 300K, Nb 3 Sn при 300K.
      c Nb 3 Sn при 4K, Ag при 300K, Cu при 300K, Au при 300K, Nb 3 Sn при 300K.
      d Nb 3 Sn при 300K, Cu при 300K, Ag при 300K, Au при 300K, Nb 3 Sn при 4K.
      e Nb 3 Sn при 4K, Cu при 300K, Nb 3 Sn при 300K, Ag при 300K, Au при 300K.

    Далее

    Книги

    Курс химии A NST IB и / или курс физики NST IB также более подробно рассматривают проведение.

    Сайтов

    Академический консультант: Джесс Гвинн (Кембриджский университет)
    Разработка контента: Эндрю Витти
    Фотография и видео:
    Веб-разработка: Лианн Саллоус и Дэвид Брук

    DoITPoMS финансируется Великобританией Центр материаловедения и кафедра материаловедения и металлургии, Кембриджский университет

    .

    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.