Удельное сопротивление (при 20° C)
| Вещество | Уровень удельного сопротивления, мкОм • мм2/м |
|---|---|
| Алюминий | 0,028 |
| Вольфрам | 0,055 |
| Железо | 0,098 |
| Золото | 0,023 |
| Константан | 0,44−0,52 |
| Латунь | 0,025−0,06 |
| Манганин | 0,42−0,48 |
| Медь | 0,0175 |
| Молибден | 0,057 |
| Никелин | 0,39−0,45 |
| Никель | 0,100 |
| Олово | 0,115 |
| Ртуть | 0,958 |
| Свинец | 0,221 |
| Серебро | 0,016 |
| Тантал | 0,155 |
| Фехраль | 1,1−1,3 |
| Хром | 0,027 |
| Цинк | 0,059 |
| Вещество | К | Вещество | К |
|---|---|---|---|
| Алюминий | 0,0042 | Олово | 0,0042 |
| Вольфрам | 0,0048 | Платина | 0,004 |
| Константан | 0,2 | Ртуть | 0,0009 |
| Латунь | 0,001 | Свинец | 0,004 |
| Медь | 0,0043 | Серебро | 0,0036 |
| Манганин | 0,3 | Сталь | 0,006 |
| Молибден | 0,0033 | Тантал | 0,0031 |
| Никель | 0,005 | Хром | 0,006 |
| Никелин | 0,0001 | Фехраль | 0,0002 |
| Нихром | 0,0001 | Цинк | 0,004 |
Сплавы сопротивления
- Константан (58,8 Cu, 40 Ni, 1,2 Mn)
- Манганин (85 Cu, 12 Mn, 3 Ni)
- Нейзильбер (65 Cu, 20 Zn, 15 Ni)
- Никелин (54 Cu, 20 Zn, 26 Ni)
- Нихром (67,5 Ni, 15 Cr, 16 Fe, 1,5 Mn)
- Реонат (84Cu, 12Mn, 4 Zn)
- Фехраль (80 Fe, 14 Cr, 6 Al)
Удельное сопротивление нихрома
Рассмотрим электронную теорию данного явления. При движении по проводнику свободные электроны постоянно встречают на своем пути другие электроны и атомы. Взаимодействуя с ними, свободный электрон теряет часть своего заряда. Таким образом, электроны сталкиваются с сопротивлением со стороны материала проводника. Каждое тело имеет свою атомную структуру, которая оказывает электрическому току разное сопротивление. Единицей сопротивления принято считать Ом.
Сопротивление каждого отдельно взятого проводника (обозначается R или r.) зависит от свойств материала, из которого он изготовлен. Для точной характеристики электрического сопротивления того или иного материала было введено понятие — удельное сопротивление (нихрома, алюминия и т. д.). Удельным считается сопротивление проводника длиной до 1 м, сечение которого — 1 кв. мм. Этот показатель обозначается буквой p. Каждый материал, использующийся в производстве проводника, обладает своим удельным сопротивлением. Для примера рассмотрим удельное сопротивление нихрома и фехрали.
- Х15Н60 — 1.13 Ом*
- Х23Ю5Т — 1.39 Ом* мм2/м
- Х20Н80 — 1.12 Ом* мм2/м
- ХН70Ю — 1.30 Ом* мм2/м
- ХН20ЮС — 1.02 Ом* мм2/м
Применение
Высокий уровень удельное сопротивления нихрома, фехрали позволяет использовать эти материалы в произвгоодстве нагревательных элементов. Самая распространенная продукция — нихромовая нить, лента, полоса Х15Н60 и Х20Н80, а также фехралевая проволока Х23Ю5Т. для приборов теплового действия, бытовых приборов и электронагревательных элементов промышленных печей.
Молибден удельное — Справочник химика 21
Значение того или иного металла в народном хозяйстве страны принято оценивать долей его производства в общем производстве металлов или в производстве железа и его сплавов. Удельный вес различных металлов существенно меняется со временем. Появление новых отраслей техники (ракетостроение, атомная энергетика, электроника и др.) вызывает потребность в материалах с новыми свойствами и стимулирует развитие новых направлений в металлургии. Так уже после 1945 года промышленное значение приобрели такие металлы как титан, молибден, цирконий, ниобий. В настоящее время в цветной металлургии производятся более 30 металлов, являющихся редкими элементами, и сотни их сплавов. Поэтому доля производства различных металлов со временем меняется. Например, за последние годы существенно возросла доля производства алюминия, но практически не изменилась доля производства меди.В — от об. до т. кип. в дистиллированной, умягченной, природной, питьевой воде и воде высокой степени чистоты (платина и ее сплавы, золото, молибден, тантал, титан, вольфрам, цирконий). И — платиновые аппараты для получения воды с высокой удельной проводимостью. [c.258]
Малая скорость испарения, высокое удельное электросопротивление, высокая термоэлектронная эмиссия делают рений ценным материалом для электронной промышленности. Из рения можно изготовлять нити накала, катоды и другие детали для радиоламп и электровакуумных приборов. Для этих же целей могут применяться вольфрам и молибден, покрытые слоем рения. Рениевые и покрытые рением детали в несколько раз устойчивее обычных. Рений хорош в электрических контактах. Контакты из рения и его сплавов служат в несколько раз дольше, чем контакты из других материалов [73].
Удельные константы скорости и энергии [активации окисления пропилена в акролеин на молибден-ванадиевых катализаторах [c.225]
Двусернистый молибден (дисульфид молибдена, молибденит) и графит в виде порошков обеспечивают работоспособность узлов трения при высоких удельных нагрузках и температурах (молибденит до 300—350 °С, графит до 450—500 °С). Молибденит можно применять в вакууме и в среде инертного газа и при более высоких температурах (до 1250°С при 5-10 мм рт.ст.). Графит работоспособен только при адсорбции паров воды, газов, различных загрязнений, поэтому при температуре выше 110°С у него возрастает коэффициент трения, а в вакууме теряются смазывающие свойства.
При помощи молибден — рениевых термопар можно измерять температуры выше 1900 °С, а при помощи вольфрам — рениевых — выше 2700 °С. При таких высоких температурах чрезвычайно трудно подобрать изоляционные и защитные материалы. Окись алюминия дает удовлетворительные результаты при температуре до 1900 °С, а окись бериллия и окись тория, хотя они и стабильны, обладают при температуре выше 2000 °С низким удельным сопротивлением.
Удельная магнитная восприимчивость молибдена Молибден парамагнитен. [c.257]
Электроды. Анодным материалом в ртутном методе электролиза является графит. Условия работы графитовых анодов здесь несколько более благоприятны, чем в диафрагменном методе электролиза, в связи с большей концентрацией и кислотностью анолита, более низкой температурой и повышенной плотностью тока. Вследствие этого удельный расход графита при ртутном методе меньше, чем при диафрагменном. Повышенные требования предъявляются к графиту в отношении механической прочности и содержания зольных примесей некоторые примеси, содержащиеся в золе графита (ванадий, хром, молибден), уже в ничтожных концентрациях катализируют выделение водорода на амальгаме частички графита, осыпающиеся с анода на амальгаму, также ускоряют ее разложение, образуя коротко-замкнутые гальванические элементы.
Большинство чистых металлов не пригодно для этих целей, так как они обладают малым удельным сопротивлением и большим температурным коэффициентом, но все же благодаря другим ценным свойствам молибден, никель, вольфрам, железо и иридий находят применение в качестве нагревателей. Применяют также графит, уголь, карборунд и т. п. [c.123]
Большие потенции таятся в плазмохимической технологии производства мелкодисперсных порошков — основного сырья для порошковой металлургии, в восстановлении металлов, синтезе оксидов, карбидов, силицидов, нитридов, карбонитридов, боридов таких металлов, как титан, цирконий, ванадий, ниобий, молибден [13]. Все эти соединения являются сверхтвердыми и жаропрочными материалами, столь необходимыми для современного машиностроения. Уже разработана технология синтеза монооксидов (ЭО) элементов, обычно встречаюпщхся лишь в составе диоксидов ЭОг), например монооксида кремния (510), обладающего ценнейшими электрофизическими свойствами. И несмотря на то, что плазмохимические процессы в таких синтезах характеризуются высокими энергетическими параметрами (7ж5000—6000 К тепловой поток до 5—7 МВт иа 1 см ), процессы эти отличаются не только исключительно высокими скоростями, но и относительно низкими удельными энергетическими затратами — всего лишь около 1—2 кВт-ч/кг Таким образом, химия высоких энергий направлена на экономию энергии.
Молибден — металл серебристо-белого цвета с атомной массой 95,9, валентностью 3, 4, 6, 8, плотностью 10,2 г/см, температурой плавления 2620Х, удельным электросопротивлением 0,052 Он-мм. Твердость молибдена может колебаться от 7 до 10 ГПа. [c.151]
Предйожены многочисленные другие рецептуры катализаторов, которые с успехом применяются в промышленности [16]. Состав некоторых из этих катализаторов приведен в табл. 5. Из табл. 5 можно сделать вывод, что вполне приемлемые катализаторы могут значительно различаться по содержанию окиси кобальта и трехокиси молибдена, атомному отношению кобальт молибден, суммарному весу обоих металлов и удельной поверхности. Сопротивление раздавливанию изменяется в весьма широких пределах, но во всех случаях оказывается достаточно высоким для того, чтобы катализатор противостоял истиранию в промышленных реакторах. Различаются также катализаторы по составу носителя и методу приготовления эти различия характеризуются насыпным весом катализатора, изменяющимся в широких пределах. Стоимость катализаторов (в ценах 1958 г.) изменяется от 1380 до 2230 долл. на объема реактора. Эти пределы достаточно широки, но стоимость катализатора не имеет первостепенного значения в экономике [c.144]
В составе малоуглеродистой стали обычно присутствуют углерод, марганец, кремний, сера, фосфор, кислород, азот, водород, а также могут быть добавки легирующих элементов, используемых в качестве раскислителей хром, алюминий, бор, ванадий, титан, молибден. Содержание каждого из указанных элементов в малоуглеродистой стали составляет десятые либо сотые доли процента. Между тем, их влияние на склонностъ стали к хрупкости при понижении температуры может оказаться значительным, хотя удельный вес влияния каждого элемента определить весьма трудно. Поэтому исследователи рассматривают свойства чистых сплавов а-желе-за с регулируемыми добавками различных элементов [48], а промышленные стали оценивают с применением методов статистического анализа [49]. [c.39]
Хотя кинетические кривые реакции распада ГП и растворе ния молибдена имеют 5-образный вид, она не является автока-талитической. Ускорение ее в начальный период объясняется увеличением удельной поверхности молибдена вследствие каталитической эрозии . Молибден играет двойную роль — катализирует распад ГП и реагента, взаимодействующего с продуктами распада. Если ГП берется в избытке (выше стехиометрического отношения 10 1), то его распад прекращается после того, как растворится весь молибден. Роль спирта заключается, по-видимому, в том, что, образуя за счет водородной связи ассо-циаты с ГП, он облегчает его распад в начальный период реакции. В таких ассоциатах водородная связь прочнее, чем в само-ассоциатах (димерах) ГП, и поэтому пероксидный кислород становится более активным . [c.222]
Вольфрам образует соединения, близкие по химическим свойствам к соединениям молибдена. Так же как окись молибдена, 0з малоактивный катализатор для неполного окисления углеводородов. На рис. 91 (кривая 2) показано изменение работы выхода электрона смешанных вольфрам-висмутовых катализаторов различного состава. Смеси, содержащие 35—40% атомн. В1, увеличивают ф аналогично молибден-висмутовым контактам. На рис. 92 показана зависимость удельных констант скоростей образования акролеина, СО и СО., от состава катализатора. Селективность окисления пропилена в акролеин максимальна для катализаторов, содержащих 33—43% атомн. В1, но значительно ниже значений, полученных для молнбден-висму-товых контактов. [c.227]
В некоторых случаях окись алюмишш служит ие только носителем, имеющим большую удельную поверхность, но выполняет и некоторые дополнительные функции. Так, двуокись молибдена МоОг сама не активна, но на окисноалюминиевом носителе является одним пз наиболее активных и долговечных катализаторов. Вполне возможно, что в условпях реакции двуокись молибдена восстанавливается в неактивный металлический молибден окись алюминия, вероятно, подавляет эту реакцию восстановления в такой степени, что катализатор на носителе достаточно длительно сохраняет свою активность [7]. [c.292]
Двусернистый молибден (дисульфид молибдена) и графит вводят как противоизносные присадки с целью получения смазок, работоспособных в условиях высоких удельных нагрузок и температур. При приготовлении смазок можно использовать только природные графит и дисульфид молибдена, имеющие чешуйдатое строение. Искусственные графит и дисульфид молибдена работают в узле трения как абразив, не уменьшая, а увёличивая износ деталей. [c.254]
Исследование серии алюмокобальтмолибденовых оксидных катализаторов с постоянным содержанием суммы оксидов Со и Мо (15 0,6%) и различным атомным отношением Со/(Со+ + Мо) (табл. 20) методом РФЭС и спектроскопии диффузного отражения [90] показало, что возможно существование пяти типов различных частиц молибден в полимолибдатных структурах, монослой Мо +, двойной слой, кристаллиты С03О4 и 0AI2O4. Наличие этих частиц и их количество зависит от способа получения, атомного отношения Со/(Со + Мо), удельной поверхности оксида алюминия и температуры прокаливания. [c.42]
Подобное обсуждение многочисленных свойств катализатора, влияю щих на его активность, избирательность и стабильность, выходит из рамок этой статьи. Эти факторы всесторонне рассмотрены в литературе [23, 24] и во многих руководствах и монографиях, посвященных катализу и катализаторам. Общеизвестно, что исключительно важную роль играет удельная поверхность катализатора. Детально изучено [71 влияние отношения кобальт молибден и общего содержания активных металлов на обессеривающую активность промотированных окисных алюмомолибдено-вых катализаторов. [c.211]
Шеелит — вольфрамат кальция Са У 04, минерал белого цвета с желтоватым ( медовым ) оттенком, Встречаются также серые, зеленые и бурые разности. Удельный вес от 5,8 до 6,2 твердость 4,5—5 по минералогической шкале. Немагнитен. Теоретическое содержание 80,6%, Шеелит обладает свойством флуоресцировать в ультрафиолетовых лучах. Чистый шеелит дает яркую светло-голубую флуоресценцию, в присутствии примесей других элементов (в частности молибдена) — голубова-то-белую или желтоватую. Это свойство используется практически для оконтуривания залежей шеелита в забоях, а также для минералогических исследований. Шеелит встречается в кварцевых жилах и в контактных, так называемых скарновых, зудах, отличающихся сложным минералогическим составом. Тоэтому шеелиту сопутствует большое количество различных минералов, в первую очередь гранаты, пироксен, амфибол, которые являются основными минералами скарнов, затем кальцит, апатит, кварц и пр. часто в скарновых рудах встречаются вместе с шеелитом также различные сульфидные минералы — пирит, халькопирит, галенит, молибденит, пирротин, арсенопирит, антимонит. [c.76]
Отсутствие корреляций между концентрацией ионов Сг (V) и Сг (III) в окисленных АМХ катализаторах и их дегидрирующей активностью (см. рис. 1 и 4) указывает на то, что эти ионы не являются прямыми предшественниками активных центров дегидрирования изоамиленов в АМХ образцах. Тогда возможная причина повышения дегидрирующей активности АМ катализаторов при введении СггОз — образование на их поверхности соединений молибдена с хромом, обладающих высокой активностью в реакции дегидрирования изоамиленов в изопрен. Наличие взаимодействия между молибденом и хромом в АМХ катализаторах подтверждается результатами по экстракции молибдена растворами аммиака [6], данными дериватографии [6, 7], термодесорбции водорода [8] и хемосорбции кислорода [9]. А высокая удельная активность, например, молибдата хрома в реакции дегидрирования изоамиленов показана в работах [10, 11]. [c.105]
Как уже отмечалось выше, пленка образуется при ф —0,15 в и анодно окисляется при ф 0,40 0,45 в. Очевидно, область потенциалов от —0,15 до 0,45 в можно считать областью пассивного состояния молибдена, а М0О2 — пассивирующим окислом. Эта фаза термодинамически устойчива в области потенциалов от —0,1 до 0,48 в. Свойства б-фазы МоО2 — низкое удельное сопротивление и высокая химическая стабильность в растворах кислот [12] — соответствуют свойствам пассивирующей пленки на молибдене. [c.10]
Исследования плазменного процесса восстановления молибдена из триоксида молибдена и парамолибдата аммония (ПМА) авторы работы [15] проводили на том же пилотном заводе могцностью 120 кВт. При восстановлении молибдена из ПМА крупностью до 50 мкм в тех же условиях, что и для вольфрамового сырья, степень восстановления составляла 90 -Ь 96 % при температуре плазмы в зоне ввода сырья 5800 К. Дисперсный молибден, полученный восстановлением из ПМА, имел удельную поверхность до 46 м /г при среднем размере частиц Мо 0,0126 мкм. [c.148]
Особенно наглядные результаты обессеривания получаются при работе с высокосернистыми продуктами, например с буроугольными и сланцевыми бензинами [16]. Так, например, бензин, выделяемый путем разгонки кашпирской сланцевой смолы, содержит 10,6%S, главным образом в виде гомологов тиофена его удельный вес 0,891 (15°/15°) его фракционный состав по Энглеру начало кипения 145° от 150 до 175° — 85% конец кипения 200°. После повторной гидрогенизации при 350° и начальном давлении водорода 50 ат (оперативное давление около 100 ат) получается продукт, полностью или почти полностью обессеренный (содержание серы от 0,0 до 0,2%) его удельный вес 0,750—0,760 его фракционный состав до 150° — от 50 до 65% от 160 до 175° — 20—30%, конец кипения прежний. В качестве катализатора для получения подобных результатов наиболее подходящим оказался двухсернистый молибден M0S2. [c.626]
Для получения общей дифракционной картины порошки снимали на дифрактометре УРС-50 ИМ по методу столбиков. Для расчета межслоевого расстояния 002 снимали рентгенограммы в камерах ВРС-3 ф 143,25 мм) с молибденом в качестве эталона. Удельную поверхность определяли методом низкотемпературной адсорбции азота по БЭТ. Плотность образцов измеряли ппкно-метрическим методом в этиловом спирте. Теплопроводность измерялась по методу Нернста, электропроводность — зондовым а термо-э.д.с.— потенциометрическим методом. [c.79]
Основные расчетные выражения и необходимые пояснения
Электропроводность. Проводниковые, полупроводящие и изоляционные материалы
Основные расчетные выражения и необходимые пояснения
Электропроводность – это способность вещества проводить электрический ток, обусловленная наличием свободных зарядов в веществе. Для численного определения этой способности вводятся величины: «удельное электрическое сопротивление», ρ и «удельная электрическая проводимость», γ. Эти величины являются обратными по отношению друг к другу:
(2.1.)
Значение удельной электрической проводимости вещества – γ [См/м]определяется как произведение суммарного заряда свободных носителей в единице объема nq [Кл/м3] и подвижности этих зарядов – u [м2/с×В]:
[1] (2.2)
n – концентрация свободных зарядов, [1/м3], q – заряд носителя, [Кл].
Удельное электрическое сопротивление, ρ – это параметр вещества, численно равный сопротивлению образца длиной 1 м с площадью поперечного сечения 1 м2, измеренному в плоско-параллельном поле.
Удельное электрическое сопротивление измеряется в [ ] или в [Ом×м]. Удельная электрическая проводимость измеряется в [См/м].
По значению удельного электрического сопротивления все вещества подразделяются на 3 класса:
Проводники………………………………………..…ρ ≈ 10-8…10-6Ом×м;
Слабопроводящие материалы (полупроводники)…ρ ≈ 10-6…107Ом×м;
Диэлектрики (изоляционные материалы)………….ρ ≈106…1020Ом×м.
В электропроводном материале вместо электростатического поля электрических зарядов (которое рассматривалось в теме 1) существует электрическое поле тока, протекающего по материалу. Виды полей, встречающихся в задачах раздела 2 те же, что и в разделе 1. Но для электропроводного материала формулы будут выглядеть следующим образом:
Для плоско-параллельного поля, проводимость конструкции, имеющей площадь поперечного сечения S и длину d, будет равна:
, (2.3)
где
g — удельная электропроводность материала.
Поскольку проводимость есть величина, обратная сопротивлению: , а удельная электропроводность обратная удельному электрическому сопротивлению , то формула 2.3 идентична хорошо известной:
r ,
где: — S — площадь поперечного сечения проводника; d — длина проводника.
Для радиально цилиндрического поля, сохраняя те же, что в разделе 1 обозначения геометрических размеров, напишем выражение для проводимости между двумя коаксиальными цилиндрами:
, (2.4)
из которого также несложно получить выражение для сопротивления:
В радиально-сферическом поле потенциал шара, с которого стекает ток в «бесконечность», будет выражаться как:
, (2.5)
где I — ток, стекающий с шарового электрода радиуса r.
Проводимость между двумя концентрическими (имеющими общий центр) сферами радиусов r1 и r2 :
, (2.6)
Сравнивая выражения раздела 1 и 2 нетрудно установить их полную аналогию. В том и другом случае при одинаковых полях одинаковы и части выражений, содержащие геометрические параметры. Если независимо от вида поля эти части выражений обозначить буквой Г, то будем иметь два аналогичных выражения:
Для электростатического поля Для поля электрического тока
в диэлектрике: в проводнике:
С = e0eГ G = gГ (2.7)
Если материал конструкции между электродами имеет большое удельное сопротивление и определенное значение диэлектрической проницаемости, то для такой конструкции справедливо вытекающее из (2.7) выражение:
CR = e0er (2.8)
Левая часть этого выражения есть постоянная времени разряда конденсатора с ёмкостью С через сопротивление R. Правая часть называется постоянной времени релаксации:
τ = e0er.
Время релаксации отражает скорость затухания возбуждения в материале после исчезновения электрического поля, вызвавшего это возбуждение.
В некоторых заданиях раздела затрагивается тема создания композиционных материалов, электропроводность и диэлектрическая проницаемость которых определяются соотношением не реагирующих между собой компонентов с различными значениями указанных величин.
Композиционным материалом называется материал, состоящий из двух или более компонентов, химически не связанных между собой, но в итоге изменяющих параметры материала в целом по сравнению с параметрами каждого из компонентов.
Примеры: бетон, текстолит, гетинакс, эком, бетэл, вилит, резина, стеклопластик, некоторые материалы для электрических контактов, магнитодиэлектрики и др.
Если сравнить между собой формулы разделов 1 и 2 настоящего задачника, то мы увидим их полную идентичность. Поэтому электро-проводность и диэлектрическую проницаемость можно считать аналогичными величинами и присвоить им единое название — “обобщенная проводимость”. Будем обозначать это понятие общим символом “s“, понимая в каждом конкретном случае под ним или диэлектрическую проницаемость или электропроводность.
Если смешивать два вещества с разными значениями s, то возможно образование двух структур: “матричная система” и “статистическая смесь”.
В матричной системе один из материалов образует непрерывную матрицу, в которую вкраплены включения другого материала. Значение обобщенной проводимости для матричной смеси определяется выражением:
, (2.9)
в котором s0 и s1 — обобщенные проводимости матричной фазы и наполнителя, n1 — объемная доля наполнителя (в долях единицы).
В статистической смеси оба материала равноправны, и значение обобщенной проводимости рассчитывается по выражению:
,
(2.10)
Пользуясь выражениями, приведенными выше, можно вычислить необходимые параметры всех заданий раздела 2.
2.2. Пример выполнения 2-го задания
Задание 2-61.
Опишите свойства электроизоляционных кабельных резин. Проверьте, сработает ли устройство защитного отключения (УЗО) при следующих условиях: Шахтный одножильный кабель диаметром 12 мм длиной 500 м, сечением жилы 35 мм2, с изоляцией из резины типа РТИ-1 попал в воду. Напряжение на жиле – 380 В. УЗО срабатывает, если утечка через изоляцию превысит 10 мА.
2. Определение величин, необходимых для выполнения задания.
Для того, чтобы сработало УЗО необходимо, чтобы сопротивление изоляции провода было бы не более такого, при котором ток утечки был бы равен 10 мА. Найдём это сопротивление:
Rиз. ≤ 380 В / 0,01 А=38000 Ом.
Поскольку ток через изоляцию стекает с жилы, поле тока можно принять радиально-цилиндрическим, и сопротивление изоляции будет равно:
.
Неизвестным параметром в этом выражении является удельное сопротивление резины – ρрезины.
Удельное электрическое сопротивление, ρ – это параметр вещества, численно равный сопротивлению образца длиной 1 м с площадью поперечного сечения 1 м2, измеренному в плоско-параллельном поле.
Можно предположить, что при увлажнении удельное сопротивление изоляции снижается. Если оно снизится таким образом, что сопротивление изоляции в целом станет ниже 38 кОм, то должно сработать УЗО.
Критическое значение удельного электрического сопротивления резины:
3. Описание материалов.
Резина представляет собой вулканизированную многокомпонентную смесь на основе каучуков /1/. Резиновая смесь изготавливается путём введения в каучук минеральных или углеродных порошкообразных наполнителей (мел, тальк, каолин, техуглерод), вулканизирующих агентов и др.
Каучуки бывают натуральные и синтетические. Натуральный каучук является естественным продуктом коагуляции[2] частиц, содержащийся в соке, который извлекают из стволов каучуковых деревьев, растущих в странах с тропическим климатом. Синтетические каучуки являются продуктом полимеризации (вулканизации) смесей разнообразных химических веществ: изопрена, бутадиена, стирола, изобутилена, этилена, пропилена, хлоропрена и др.
Резины типа РТИ относятся к кабельным изоляционным резинам, то есть применяются при изготовлении кабелей наряду с изоляционно-защитными резинами, резинами для защитных оболочек и электропроводящими резинами. Для изоляции, допускающей длительный нагрев токопроводящей жилы до 65 0 С, применяются резины на основе каучуков общего назначения типов РТИ-0, РТИ-1, РНИ, а также изоляционно-защитные резины типов РТИШ и РТИШМ. Наиболее широко для изолирования кабелей, проводов и шнуров применяют резины типа РТИ-1. Они отвечают эксплуатационным требованиям всех кабельных изделий на переменное напряжение до 660 В и постоянное до 1000 В.
Прочность при растяжении резины РТИ-1 составляет 5,88 МПа, а относительное удлинение при разрыве не менее 350 % /1, стр. 107, табл.17.4/.
Электрические характеристики резин типа РТИ-1 в зависимости от времени увлажнения показаны в таблице:
Таблица 17.6 /1, стр. 109/
| Время увлажнения, сут | Увлажнение при 20 0С | Увлажнение при 70 0С | ||||||
| ρ, Ом∙м | tgδ | ε | Eпр, МВ/м | ρ, Ом∙м | tgδ | ε | Eпр, МВ/м | |
| 2,4∙1013 | 0,021 | 3,4 | 41,9 | 2,4∙1013 | 0,021 | 3,6 | 41,9 | |
| 8,0∙1012 | 0,022 | 3,8 | 37,5 | 3,9∙1012 | 0,013 | 4,2 | 13,9 | |
| 1,3∙1012 | 0,026 | 3,9 | 17,9 | 3,9∙1012 | 0,012 | 4,3 | 9,8 | |
| 1,2∙1012 | 0,026 | 3,8 | 15,1 | 3,9∙1012 | 0,012 | 4,6 | 8,0 | |
| 1,1∙1012 | 0,027 | 3,8 | 14,1 | 3,6∙1012 | 0,015 | 4,6 | 6,0 |
В таблице помимо удельного электрического сопротивления приводятся также значения тангенса угла диэлектрических потерь (tgδ), диэлектрической проницаемости (ε) и электрической прочности (Eпр).
Определения по /3/:
Углом диэлектрических потерь, δ (дельта) называют угол, дополняющий до 90 градусов угол сдвига между током и напряжением в диэлектрике.
Диэлектрическая проницаемость, ε является мерой поляризации вещества в электрическом поле.
Электрической прочностью, Eпр называется средняя напряженность электрического поля, при которой происходит электрический пробой.
Решение.
Рассчитаем удельное электрическое сопротивление электрической изоляции из резины РТИ-1, при котором может сработать УЗО. Для этого вначале определим радиус токопроводящей жилы через площадь её сечения — S:
.
Радиус внешней эквипотенциальной поверхности коаксиальной системы можно принять равным 6 мм, поскольку кабель находится в воде, а его диаметр равен 12 мм. Рассчитываем удельное электрическое сопротивление:
Таким образом, УЗО может сработать, если удельное сопротивление в результате увлажнения снизится до 2∙108 Ом∙м.
5. Вывод.
Сравнивания полученное значение со значениями в таблице п. 3, видим, что удельное сопротивление резины РТИ-1 даже после 14-и дней увлажнения при любой температуре имеет значения на 4 порядка выше, чем полученное в нашем расчёте. Таким образом, при попадании резинового кабеля в воду срабатывания УЗО не произойдёт. То есть условия электробезопасности при эксплуатации резинового кабеля в воде соблюдаются. По-видимому, отключение УЗО может произойти, если в изоляции будут дополнительные повреждения, например, трещины от старения.
6. Использованная литература.
1. Справочник по электротехническим материалам: В 3 т. Т.2/ Под редакцией Ю.В.Корицкого и др. – 3-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 464 с.: ил.
2. Cовременный словарь иностранных слов : / Изд-во «Русский язык». – Ок. 20000 слов. – М.: Рус. Яз., 1993. – 740 с.
3. Ю.В. Целебровский, Шпаргалка по электроматериаловедению. Новосибирск, 2006. – 31 с.
Тексты заданий
Задание 2-01. Опишите свойства меди и области её применения. Используя эти свойства, решите задачу:В точку на поверхности расплавленной меди вводится ток силой 10 кА. Если измерять разность потенциалов между точками радиально отстоящими от места ввода тока на расстоянии 10 и 20 см, что покажет прибор?
Задание 2-02. Опишите алюминий (физические, электрические свойства, область применения). Решите задачу: Между двумя коаксиальными кольцами наливается расплавленный алюминий. Как нужно изменить толщину слоя застывшего алюминия, чтобы сопротивление между кольцами не изменилось?
Задание 2-03. Опишите медь и алюминий как электропроводящие материалы и укажите, как влияют добавки на электрические характеристики материалов. Покажите это на следующем примере:Одна проволока сделана из алюминия с добавлением 0,25% меди. Другая — из чистого алюминия. Во сколько раз длина одной проволоки больше другой, если их сопротивление и сечение одинаковы?
Задание 2-04. Опишите поликристаллический графит — свойства (физические, электрические), область применения. Выполните расчет: К концам двух коаксиальных цилиндров из поликристаллического графита с наружными диаметрами 5 см и 10 см, толщиной стенки 1 см и длиной 1 м приложено напряжение 1 В. Определить токи в том и другом цилиндре.
Задание 2-05. Опишите физические и электрические свойства контактных композиционных материалов и область их применения. Рассчитайте сопротивление контакта в следующем примере: При замыкании контактов, выполненных из контактной композиции КМК-Б25, они коснулись друг друга лишь площадками диаметром 0,1 мм.
Задание 2-06. Опишите электроизоляционные неорганические плёнки. Разберите следующий пример: Электролитический конденсатор, анодом которого служит алюминиевая фольга, изолированная от второго электрода оксидной пленкой, имеет емкость 1 мкФ. Какой должна быть технология нанесения оксидной пленки, чтобы получить наибольшее сопротивление изоляции конденсатора? Укажите значение этого сопротивления.
Задание 2-07. Опишите физические и электрические свойства меди и припоя ПОС-10, области применения. Решите с использованием найденных параметров задачу: Медный провод сечением 1 мм2 запаивается припоем ПОС-10 в цилиндрическую втулку с внутренним диаметром 2 мм на длину 5 мм. Найти сопротивление контакта.
Задание 2-08. Опишите физические и электрические свойства контактных композиционных материалов и область их применения. Определите марку контактной композиции в следующем примере: Композиционный материал для сильноточных контактов состоит из медной матрицы (97% по массе) и углеродистого наполнителя (поликристаллический графит, 3% по массе). Сравните расчетное значение удельного сопротивления этой композиции со справочным.
Задание 2-09. Опишите электрические свойства растворов соляной кислоты и латунь, как электропроводящий материал. Сравните эти свойства, используя следующий пример: Полиэтиленовая труба с внутренним диаметром 0,5 м, заполненная 10% соляной кислотой, служит проводником электрического тока. Определите сечение проводника из латуни марки Л68, эквивалентное названному электролитическому проводнику.
Задание 2-10. Опишите полиэтилены. Найдите минимальное значение сопротивления изоляции из полиэтилена (ПЭВД) у одножильного кабеля с диаметром токоведущей жилы 1 мм и диаметром экрана 10 мм при длине кабеля 1 км.
Задание 2-11. Опишите физические и электрические свойства 10% раствора поваренной соли. Какую разность потенциалов следует приложить к двум полушаровым электродам диаметром 1 мм, погруженным с поверхности 10% раствор поваренной соли на значительном расстоянии от стенок сосуда и друг от друга, чтобы между этими электродами потек ток силой 1 А?
Задание 2-12. Опишите физические и электрические свойства, область применения нихромовой проволоки из сплава Х20Н80. Определите массу этой проволоки диаметром 0,6 мм, необходимую для создания резистора с сопротивлением 2,5 кОм, работающем при оптимальной для этой марки температуре.
Задание 2-13. Разрабатывается новый электротехнический материал, путём смешивания измельченной слюды (мусковит) с полиуретаном. Опишите физические, электрические свойства и область применения указанных материалов. Предскажите значения удельного сопротивления нового материала при содержании в нём слюды (с минимальным удельным сопротивлением) 20% и 80% по объему.
Задание 2-14. Опишите высоконагревостойкое стеклоэмалевое покрытие для провода марки ПЭЖБ и оцените сопротивление изоляции этого провода в нормальном состоянии и после выдержки в 100% влажности в течение 250 часов. Диаметр провода — 0,4 мм, толщина изоляции — 20 мкм, а длина провода — 100 м.
Задание 2-15. Опишите физические и электрические свойства, область применения нихрома и стали. Пользуясь найденными параметрами, оцените как отличаются длины проволок из нихрома марки Х15Н60 и стали марки НЖ, если у этих проволок одинаковое сечение и сопротивление.
Задание 2-16. Опишите алюминий как материал для проводов линий электропередачи. Пользуясь найденными параметрами решите задачу: Электрический ток передается через землю с удельным сопротивлением 70 Ом∙м на расстояние 95,5 км при помощи 2-х полушаровых электродов радиусом 1 м, вдавленных с поверхности в грунт по обоим концам электропередачи. Обратно ток возвращается по алюминиевому проводу. Какое сечение провода соответствует условию равенства сопротивлений указанных путей тока?
Задание 2-17. Опишите физические, электрические свойства и область применения стального (марка “сталь 10”), алюминиевого и медного проводов и определите соотношение их сечений при одинаковых сопротивлении и длине.
Задание 2-18. Опишите алюминий и сталь как материалы для проводов линий электропередачи. Пользуясь найденными параметрами решите следующую задачу: Провод линии электропередачи марки АС 120/19 имеет стальной сердечник из 7-ми стальных проволок диаметром 1,85 мм (марка стали НЖ и навив из 26 алюминиевых проволок диаметром 2,7 мм). Каково соотношение значений постоянного тока текущего по стали и алюминию?
Задание 2-19. Опишите физические и электрические свойства стали и хлорированного полиэтилена, область их применения. Решите с использованием найденных параметров задание: Провод длиной 10 км имеет стальную жилу диаметром 0,5 мм (сталь марки “сталь 10”) и изоляцию из хлорированного полиэтилена ХПЭ толщиной 1 мм. Во сколько раз сопротивление изоляции больше сопротивления жилы провода?
Задание 2-20. В точку на поверхности расплавленной меди вводится ток, растекающийся в расплаве. На расстояниях 5 и 15 см от точки ввода тока измеряется разность потенциалов, составляющая 100 мкВ. Опишите физические и электрические свойства меди, область применения и определите, какой ток вводится в расплав?
Задание 2-21.Полагая, что структура контактного композиционного материала для сильноточных контактов марки КМК-Б45 является статистической смесью, рассчитайте ожидаемое значение удельного сопротивления этого материала, описав предварительно входящие в него компоненты и необходимые для расчета параметры. Компонентом с малым процентным содержанием можно пренебречь. Учесть, что в справочнике содержание компонентов указано в долях массы.
Задание 2-22. Опишите физические и электрические свойства, область применения молибдена и вольфрама. Определите, во сколько раз как отличается вес отожженных проволок из вольфрама и молибдена, если у них одинаковое сечение и сопротивление?
Задание 2-23. Опишите влияние добавок на удельное сопротивление меди и алюминия. Рассчитайте сопротивление постоянному току катушки из медной проволоки в случае, если в меди содержится 0,06 % железа. Диаметр проволоки 0,5 мм, длина — 100 м. Меньше это сопротивление или больше, чем у проволоки тех же размеров из алюминия с тем же содержанием железа?
Задание 2-24. Изучите дисилицид молибдена, как жаростойкий материал для резисторов — свойства (физические, электрические), область применения. Пользуясь найденными параметрами решите задачу: К двум коаксиальным цилиндрам из дисилицида молибдена с наружными диаметрами 5 и 10 мм, толщиной стенки 1 мм и длиной 1 м приложено по концам напряжение 1 В. Найти значения токов в том и другом цилиндре.
Задание 2-25. Опишите физические и электрические свойства, область применения контактной композиции КМК-А32. При замыкании сильноточных контактов, выполненных из контактной композиции КМК-А32 они коснулись друг друга площадками с радиусом 0,1 мм. Оцените значение сопротивления такого контакта.
Задание 2-26. Опишите конденсаторные керамические материалы с линейной поляризацией и выберите из них такой, конденсатор из которого с емкостью 1 пФ, будет иметь наименьшее сопротивление изоляции. Рассчитайте это сопротивление.
Задание 2-27. Опишите физические и электрические свойства электролитов. Используя раствор хлористого калия, определите потенциал погруженного в него электрода и его изменение при изменении концентрации соли до 20 %. Условия: Полушаровый электрод диаметром 1 см погружен с поверхности в 5 % раствор хлористого калия и с него стекает ток 0,1 А.
Задание 2-28. Поликристаллический графит — свойства (физические, электрические), область применения. На поверхности земли, удельное сопротивление которой 50 Ом∙м вертикально стоит полый цилиндр из поликристаллического графита высотой 1 м, наружным диаметром 10 см и толщиной стенки 1 см. К верхнему его концу подводится ток 0,1 А. Какова разность потенциалов между этим концом и точкой на поверхности грунта, отстоящей от оси цилиндра на 1 м?
Задание 2-29. Фторопласт — свойства (физические, электрические), область применения. Найти погонное значение сопротивления изоляции из фторопласта типа 2М у одножильного экранированного провода с сечением жилы 0,5 мм2 и толщиной изоляции 1 мм.
Задание 2-30. Опишите медь бронзу как электропроводные материалы и укажите как влияют добавки на электрические характеристики материалов. Решите пример: Одна проволока сечением 1 мм2 сделана из меди, содержащей с 0,1 % алюминия. Другая — из чистой меди. Во сколько раз длина одной проволоки больше другой, если сопротивление их одинаково?
Задание 2-31. Опишите физические и электрические свойства электролитов. Для соляной кислоты рассмотрите следующий пример: Между двумя полушаровыми электродами диаметром 1 мм, погруженными с поверхности в 5 % раствор соляной кислоты протекает ток 1 А. Оцените разность потенциалов приложенных к этим электродам. Как изменится эта разность потенциалов при повышении концентрации кислоты до 40 %?
Задание 2-32. Опишите физические и электрические характеристики меди, область применения. Определите длину и сопротивление медной проволоки марки МТ диаметром 0,9 мм, если ее масса на катушке составляет 10 кг.
Задание 2-33. Опишите физические и электрические свойства, область применения алюминия. Обратите внимание на свойства расплава алюминия и разберите следующий пример. Между двумя коаксиальными кольцами находится слой затвердевшего алюминия. Определите, как следует изменить толщину этого слоя в расплавленном состоянии, чтобы сопротивление между кольцами не изменилось?
Задание 2-34. Опишите алюминий как материал для проводов линий электропередачи. Пользуясь найденными параметрами, решите задачу: Электрический ток передается через землю с удельным сопротивлением 120 Ом∙м на расстояние 10 км и возвращается по алюминиевому проводу марки А из проволоки марки АТ сечением 50 мм2. Для ввода тока в землю и вывода из нее используются полушаровые электроды. Определить диаметр этих электродов при условии равенства сопротивлений “земляного” провода и провода из алюминия.
Задание 2-35. Опишите физические и электрические свойства, область применения хромели и алюмели и определить соотношение их длин при одинаковых сечении и сопротивлении.
Задание 2-36. Опишите сталь и медь как материал для проводов и определите сопротивление 1 км военно-полевого проводадля телефонной связи.Военно-полевой провод состоит из 7 стальных жил из стали марки 10 диаметром 0,1 мм и одной медной жилы из меди марки МТ того же диаметра.
Задание 2-37. Опишите физические и электрические свойства, область применения меди и кабельной резины РТИ-1. Пользуясь найденными параметрами решите задачу: Медный провод марки МТ сечением 0,75 мм2 и длиной 1 км имеет изоляцию из кабельной резины типа РТИ-1 толщиной 1 мм. Во сколько раз сопротивление изоляции больше сопротивления жилы провода ?
Задание 2-38. Опишите полиэтилен и определите минимальное значение тока утечки через полиэтиленовую изоляцию кабеля при напряжении на жиле 70 кВ. Одножильный кабель имеет длину 1 км, диаметр жилы 10 мм и толщину изоляции – 15 мм.
Задание 2-39. Изучите класс карбоцепных полимеров. Разберите пример. Минимальный ток утечки через изоляцию из хлорированного полиэтилена составляет 2 мкА. Подберите и опишите материал из того же класса, при котором в той же конструкции минимальный ток утечки через изоляцию понизился бы до 0,02 мкА.
Задание 2-40. Дайте описание поливинилхлорида. Определите во сколько раз и в какую сторону изменится сопротивление изоляции кабеля из этого материала, если от протекающего тока он нагреется до 1400 С.
Задание 2-41. Ознакомтесь с полиэфирами и эпоксидными смолами. Разберите пример: Изоляционная деталь выполнена из полиформальдегида и имеет сопротивление изоляции 32 МОма. Подберите и опишите эпоксидную смолу с отвердителем, из которой можно было бы изготовить такую же деталь, но с сопротивлением не менее 3000 МОм.
Задание 2-42. Опишите электроизоляционный покрывной лак марки ХС-9105 и оцените максимально возможное значение сопротивления изоляции провода, покрытого таким лаком, если диаметр проводника — 1 мм, толщина пленки — 0,03 мм, а длина провода — 1 м. Как изменится это сопротивление, если провод выдержать 4 суток при влажности 95 % и температуре 400 С ?
Задание 2-43. Изучите клеющие лаки. Подберите и опишите такой тип лака, чтобы сопротивление изоляции между пластинами было бы не менее 1 ГОма. Условие: Две металлические пластины площадью 1 м2 склеиваются лаком таким образом, что толщина пленки лака между пластинами составляет 0,2 мм.
Задание 2-44. Рассмотрите составы и свойства компаундов, обратив особое внимание на заливочные компаунды. Разберите пример: При изготовлении трансформатора тока его изоляция была выполнена из заливочного компаунда типа КФ-4, при этом сопротивление изоляции при 200С составило 60 МОм. Подберите и опишите такой заливочный компаунд, при котором сопротивление изоляции в тех же условиях можно повысить до 5,5 ГОм и более.
Задание 2-45. Изучите электроизоляционные бумаги из синтетических волокон. Оцените максимально возможное сопротивление изоляции между обкладками конденсатора ёмкостью 1 мкФ. Изоляция конденсатора выполнена из бумаги типа КМ-60.
Задание 2-46. Изучите материалы на основе асбеста. С использованием этих материалов необходимо выполнить изделие, состоящее из двух металлических пластин и двухслойной изоляции из асбестовых материалов между этими пластинами. Подберите и опишите такие материалы, которые бы создавали напряженность постоянного электрического поля у одной пластины в 1000 раз большую, чем у другой.
Задание 2-47. Опишите гетинакс и текстолит и выберите таки марки этих листовых материалов, чтобы сопротивление их оказалось одинаковым.
Задание 2-48. Ознакомтесь со свойствами кабельных электроизоляционных резин. Одножильный кабель с изоляцией из резины должен эксплуатироваться в воде. Выберите и опишите резину, которая обеспечивала бы сопротивление изоляции в этих условиях не менее 70 кОм/км при радиусе жилы 2 мм и толщине изоляции — 3 мм.
Задание 2-49. При изготовлении композиционного материала для сильноточных контактов марки КМК-А25 в него не добавили никель. Опишите правильный состав и свойства этого материала и сравните расчетное значение удельного сопротивления полученного материала со справочным для этой марки. При расчетах можно принять, что матрицей в этой композиции служит вольфрам, и учесть, что в справочнике содержание компонентов указано в долях массы.
Задание 2-50. Ознакомтесь с высокочастотными керамическими материалами. Выберите и опишите такую марку керамики, при которой сопротивление изоляции керамического конденсатора было бы наибольшим. Керамический конденсатор имеет емкость 0,01 мкФ, выполнен с применением керамики на основе диоксида титана и работает в интервале частот 0,5 — 5 МГц. Рассчитайте его сопротивление.
Задание 2-51. Опишите физические, электрические свойства и область применения полиуретана и слюды. Рассчитайте параметры нового электротехнического материала, сстоящего из измельченной слюды (мусковита) и полиуретана, значение диэлектрической проницаемости которого минимальное из возможных. Зная, что относительная диэлектрическая проницаемость слюды равна 7, предскажите значения диэлектрической проницаемости нового материала при содержании в нём слюды 30 % и 70 % по объему.
Задание 2-52. Изучите пропиточные составы высокой нагревостойкости. Изоляция, выполненная путем пропитки пропиточным нагревостойким составом марки СПВ-914, при нагревании до 8500 С имеет сопротивление 2 МОм. Подберите и опишите такие пропиточные составы для изоляции того же устройства, чтобы сопротивление изоляции в тех же условиях повысилось, по крайней мере, до 25 МОм.
Задание2-53. Разберите электроизоляционные покрытия высокой нагревостойкости. Разберите пример: Деталь изолирована высоконагревостойким органосиликатным покрытием марки ОС-92-18 и имеет сопротивление изоляции 32 МОм при температуре 7000 С. Подберите и опишите такое покрытие, из которого можно было бы изготовить такую же деталь, но с сопротивлением в тех же условиях не менее 85 МОм.
Задание 2-54. Опишите поливинилхлорид и алюминий. Рассчитайте длину алюминиевого проводника сечением 1,5 мм2 в поливинилхлоридной изоляции с минимальным значением удульного сопротивления толщиной 1 мм, при которой сопротивление проводника постоянному току будет в 109 раз меньше сопротивления его изоляции.
Задание 2-55. Опишите слюдяные электроизоляционные материалы. Рассчитайте сопротивление изоляции между контактными пластинами коллектора электрической машины с изоляцией из миканита во влажном состоянии, если в сухом состоянии оно равно 1 МОм.
Задание 2-56. Опишите мрамор как минеральный диэлектрик и рассчитайте диапазоны сопротивления устройства следующей конструкции: Между двумя металлическими пластинами с площадью 1 м2 находится мраморная доска толщиной 1 см. Сопротивление необходимо рассчитать двумя способами, задаваясь: а) диэлектрической проницаемостью и удельным сопротивлением, б) только удельным сопротивлением.
Задание 2-57. Опишите медь и полиэтилен. Разберите пример: Имеется коаксиальный кабель, радиус медной жилы которого 1 мм, а радиус оплетки — 5 мм. Изоляция кабеля выполнена из полиэтилена. Найти длину, при которой сопротивление изоляции будет в 1010 раз больше продольного сопротивления медной жилы.
Задание 2-58. Изучите электроизоляционные картоны. Разберите пример. Барьерная изоляция масляного трансформатора выполнена из картона марки А. Рассчитайте диапазон значений полного сопротивления 1 м2 барьерной изоляции при изменении влагосодержания от 1 до 6 %.
Задание 2-59. Опишите кабельные изоляционные резины.Найдите погонное сопротивление изоляции коаксиального двухслойного кабеля, состоящего из резины РНИ и РТИ-0, толщиной 1 мм каждый слой при радиусе жилы 3 мм. Ближе к жиле находится резина с большей электрической прочностью (Епр).
Задание 2-60. Опишите композиционный электроизоляционный материал изофлекс и рассчитайте его диэлектрическую проницаемость, воспользовавшись моделью статистической смеси. Перед этим ознакомьтесь также с изделиями из стеклянных волокон. Значения диэлектрической проницаемости компонентов примите минимальными, а объемную долю неорганического компонента — 0,1.
Ответы
2-01. 284 мкВ 2-02. 1,64 2-03. 1,04 2-04. 157 А; 353 А 2-05. 509,6 мкОм 2-06. 97,4 ГОм 2-07. 4,6 мкОм 2-08. rрасч.=0,02 мкОм×м 2-09. 0,87 мм22-10. 36,7 ГОм 2-11. 52,6 В 2-12. (1,46¸1,61) кг 2-13. (1,2¸2,2)×1012 Ом×м 2-14. 77,7 МОм; 155,4 Ом 2-15. (8,15¸8,92) 2-16.6,28×10-6 м22-17. 1:1,65:5,88 2-19. 50×1032-20. 1320 А 2-21. 0,024 мкОм×м 2-22.1,64 2-23. 11,7 Ом 2-24. 62,8 А; 141 А 2-25. 0,14×10-3 Ом; 504,7 ГОм 2-27. (0,46¸0,119) В 2-28. 15,1 В 2-29. 2 МОм/км 2-30. 1,1 2-31. 16,1 В; 12,4 В 2-32. 1769,1 м; 50,1 Ом 2-33. 1,64 2-34. 5,97 м 2-35. 2,06 2-36.1014Ом 2-37. 1,77×1062-38. 0,32 мкА 2-40. (2¸200)×104 2-42. 9,3 ГОм 2-45. »2 ГОм 2-49. 0,032 мкОм×м 2-50.141,7 ГОм 2-51. 3,92; 5,47 2-54. 287 м 2-55. 5 кОм 2-56. 1 кОм; 10 МОм 2-57. 2,16 км 2-58. 0,11 кВ; 0,203 кВ 2-59. 35,56 ГОм 2-60. 3,18
[1] Это выражение вытекает из закона Ома в дифференциальной форме: j=γE; понятия плотности тока j, равной произведению суммарного заряда носителей в единице объёма nq на их скорость v (j=nq×v) и определения подвижности как средней скорости носителей зарядов при единичной напряженности электрического поля: u=v/E
[2] Коагуляция [лат. сoaguulatio свёртывание, сгущение] – укрупнение частиц в дисперсных системах; ведёт к выпадению из коллоидного раствора хлопьевидного осадка или образованию студня /2/.
Молибден. Свойства, описание, продукция — ERGARDA.COM
Молибден – химический элемент VI группы периодической системы химических элементов с символом «Mo» и атомным номером 42 .
Свойства молибдена
| Атомный номер | 42 |
| Атомная масса, г/моль | 95,9 |
| Электронная конфигурация | 4s24p64d55s1 |
| Плотность, г/см3 | 10,22 |
| Температура плавления, oC | 2610 |
| Температура кипения, oC | 4639 |
| Удельное электрическое сопротивление при 20oC, Ом·м | 55·10-9 |
| Удельное электрическое сопротивление при 2700oC, Ом·м | |
| Работа выхода электронов, эВ | 4,37 |
является четвертым по тугоплавкости металлом и востребован во множестве направлений промышленности, науки и техники. Несомненное преимущество молибдена перед другими тугоплавкими металлами — это его высокая пластичность и сравнительно низкая плотность.
Молибден является идеальным металлом для изготовления электродов стекловаренных (стеклоплавильных) печей. По этой причине, молибден имеет самое широкое применение в стекольной промышленности.
Продукция из молибдена
Мы предлагаем к продаже качественную продукцию из молибдена, соответствующую отечественным и международным стандартам, по выгодной цене. У нас Вы можете купить как молибденовый прокат (пруток, лист, проволока), так и изделия из молибдена по Вашим чертежам.
Цена молибдена
Вы всегда можете уточнить цены на молибден и сделать заявку, позвонив по телефону (495) 287-30-58 или отправив запрос на наш e-mail [email protected] или факс (495) 612-00-88.
| Сопротивление проводников опыт | Fiziku5
Тесты к лекции №7
Тест 7.1. Всякое упорядоченное движение электрических зарядов есть –
£ электродвижущая сила.
£ действие сторонних сил.
£ электрический поток.
£ электрический ток.
Тест 7.2. Ток, который не изменяется ни по величине, ни по времени, это
£ Постоянный ток
£ Пульсирующий ток
£ Переменный ток
£ Электрический ток
Тест 7.3. Что принимают за направление тока?
£ направление движения положительных зарядов.
£ направление движения отрицательных зарядов.
£ произвольное направление.
£ указывается в условии задачи.
Тест 7.4. Формула закона Ома для участка цепи, содержащего ЭДС
£
£
£
£
Тест 7.5. В сеть с напряжением 100 B включено сопротивление 34 Ом, последовательно с ним два параллельно включенных сопротивления: 20 Ом и 80 Ом. Найдите напряжение на сопротивлении -80 Ом.
£ 50 В
£ 34 В
£ 22 В
£ 66 В
£ 32 В
Сопротивление проводников. Сверхпроводимость. Электронная теория проводимости металлов. Законы Ома и Джоуля – Ленца в дифференциальной форме[11]
8.1. Сопротивление проводников.
8.2. Сверхпроводимость.
8.3. Электронная теория проводимости металлов.
8.4. Законы Ома и Джоуля – Ленца в дифференциальной форме.
8.1. Сопротивление проводников
Опыт 8.1.Сопротивление проводников.
Цель работы:
Изучить зависимость сопротивления проводников.
Оборудование:
1. 3 проволоки (две хромелевые, одна молибденовая)
2. Вольтметр
3. Амперметр
4. Источник постоянного напряжения
Рис.8.1.
Ход работы.
Основной частью установки является панель, на которой натянуты три спирали. Две спирали, левая и центральная, выполнены из хромеля (сплав никеля с хромом), а правая спираль сделана из молибдена. При этом площадь поперечного сечения всех проволок, из которых навиты спирали, одинакова. Длина каждой из проволок, количество витков и их диаметр так же совпадают. Последовательно в цепь подключен амперметр. Вольтметр подключен к концам спиралей.
1. К источнику постоянного напряжения подключают правую спираль из молибдена. Замыкают цепь и увеличивают напряжение на концах спиралей. Исходя и показаний приборов, при напряжении 3В ток спирали составляет 3А. Это значит, что сопротивление молибденовой спирали равно 1Ом (3В/3А=1Ом).
2. Переключают источник тока на левую хромелевую спираль. Здесь, при напряжении 15 В и токе в 1 А сопротивление равно 15 Ом (15В/1 А=15Ом).
Сопротивление проволоки из хромеля в 15 раз больше, чем сопротивление проволоки из молибдена. Это значит что удельное сопротивление хромеля больше, чем удельное сопротивление молибдена в 15 раз.
3. Две спирали из хромели соединяют последовательно. Выставляют напряжение в 15В. Амперметр показывает, что ток через эти две спирали составляет 0,5А. Отсюда следует, что сопротивление равно 30Ом (15В/0,5А=30Ом). Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине.
4. Спирали соединяют параллельно. Напряжение вновь 15 В. Ток в цепи равен 2А. Это значит, что сопротивление двух параллельных спиралей составляет 7,5Ом (15В/2А=7,5Ом). Сопротивление двух параллельно включенных спиралей оказалось меньше, чем сопротивление одной спирали. Обратите внимание на то, что когда мы соединяем две спирали параллельно, мы увеличиваем вдвое поперечное сечение проводника. При увеличении поперечного сечения вдвое сопротивление уменьшилось в 2 раза. Значит сопротивление проводника обратно пропорционально площади его поперечного сечения.
Выводы:
1. Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине.
2. Сопротивление проводника обратно пропорционально площади его поперечного сечения.
Сопротивление проводников объясняется тем, что:
1. При движении электронов между узлами кристаллической решетки происходят соударения, т. к. атомы (ионы) кристаллической решетки колеблются около положения равновесия. Чем выше температура проводника, тем больше амплитуда колебания атомов (ионов), тем больше сопротивление проводника. Это можно показать опытным путем. Лампочку и проводник соединяют последовательно. При нагревании проводника накал лампочки уменьшается, это значит, что сопротивление в цепи возрастает. При остывании проводника накал лампочки увеличивается, что указывает на уменьшение сопротивления цепи.
Рис. 8.2.
2. Т. к. кристаллическая решетка состоит из ионов, внутри проводника возникает периодическое электрическое поле. Потенциал этого поля тоже изменяется по периодическому закону, поэтому упорядоченное движение электронов нарушается.
Экспериментально установлено, что сопротивление проводников R зависит от температуры по закону:
где α, β, γ = const.
Рис. 8.3.
Однако на практике коэффициенты b и g столь малы, что ими пренебрегают. Если выразить эту зависимость графически, то можно заметить, что при абсолютном нуле сопротивление проводников должно упасть до нуля. Однако это далеко не всегда так. В формуле зависимости сопротивления от температуры a называется температурным коэффициентом сопротивления (т. к.с.) и индивидуален для каждого проводника. Для выяснения физического смысла a поступим следующим образом:
Из (8.3) вычтем (8.2) и получим . Итак (8.4)
– физическая величина, численно равная относительному изменению сопротивления проводника при изменении его температуры на 1°С.
8.2. Сверхпроводимость
В 1911 году Камерлинг — Онессом было открыто явление сверхпроводимости, когда при охлаждении проводника ниже критической температуры его сопротивление практически уменьшалось до нуля. В установке Камерлинг — Онесса в сосуде Дьюара с жидким гелием находился ртутный замкнутый виток, в котором индуцировался электрический ток, затем судили о величине этого тока по интенсивности магнитного поля около сосуда.
Схема опыта Камерлинг – Онесса(рис. 8.3)[3]
Рис. 8.4.
Первая фаза опыта.
Ключ К1 замкнут, а ключ К2 – разомкнут. В цепи идет ток.
Вторая фаза опыта.
Отключаем источник тока путем размыкания ключа К1, при одновременном замыкании ключа К2. В течение длительного времени фиксируется ток в цепи, погруженной в жидкий гелий.
8.3. Электронная теория проводимости металлов
Сопротивление однородного по сечению и химическому составу реального проводника можно рассчитать по формуле:
где l — длина проводника,
S — поперечное сечение проводника,
r — удельное сопротивление проводника.
Отсюда:
т. е. r – физическая величина, численно равная сопротивлению куба вещества с ребром, равным 1.
Согласно классической электронной теории проводимости, электроны в металле представляют собой идеальный газ. Экспериментальное доказательство того, что проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов, было дано в опытах Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси (в 1913 г.), Стюартом и Толменом (в 1916 г.).
Удельное электрическое сопротивление стали — Мастер Фломастер
Удельным сопротивлением металлов считается их способность к противодействию электрическому току, проходящему через них. Единицей измерения данной величины служит Ом*м (Ом-метр). В качестве символа используется греческая буква ρ (ро). Высокие показатели удельного сопротивления означают плохую проводимость электрического заряда тем или иным материалом.
Технические характеристики стали
Прежде чем подробно рассматривать удельное сопротивление стали, следует ознакомиться с ее основными физико-механическими свойствами. Благодаря своим качествам, этот материал получил широкое распространение в производственной сфере и других областях жизни и деятельности людей.
Сталь представляет собой сплав железа и углерода, содержащегося в количестве, не превышающем 1,7%. Кроме углерода, сталь содержит определенное количество примесей – кремния, марганца, серы и фосфора. По своим качествам она значительно лучше чугуна, легко поддается закаливанию, ковке, прокату и другим видам обработки. Все виды сталей отличаются высокой прочностью и пластичностью.
По своему назначению сталь подразделяется на конструкционную, инструментальную, а также с особыми физическими свойствами. В каждой из них содержится различное количество углерода, благодаря которому материал приобретает те или иные специфические качества, например, жаропрочность, жаростойкость, устойчивость к действию ржавчины и коррозии.
Особое место занимают электротехнические стали, выпускаемые в листовом формате и применяющиеся в производстве электротехнических изделий. Для получения этого материала производится легирование кремнием, способным улучшить его магнитные и электрические свойства.
Для того чтобы электротехническая сталь приобрела необходимые характеристики, необходимо соблюдение определенных требований и условий. Материал должен легко намагничиваться и перемагничиваться, то есть, обладать высокой магнитной проницаемостью. Такие стали имеют хорошую магнитную индукцию, а их перемагничивание осуществляется с минимальными потерями.
От соблюдения этих требований зависят габариты и масса магнитных сердечников и обмоток, а также коэффициент полезного действия трансформаторов и величина их рабочей температуры. На выполнение условий оказывают влияние многие факторы, в том числе и удельное сопротивление стали.
Удельное сопротивление и другие показатели
Величина удельного электрического сопротивления представляет собой отношение напряженности электрического поля в металле и плотности тока, протекающего в нем. Для практических расчетов используется формула: в которой ρ является удельным сопротивлением металла (Ом*м), Е – напряженностью электрического поля (В/м), а J – плотностью электротока в металле (А/м 2 ). При очень большой напряженности электрического поля и низкой плотности тока, удельное сопротивление металла будет высоким.
Существует еще одна величина, называемая удельной электропроводностью, обратная удельному сопротивлению, указывающая на степень проводимости электрического тока тем или иным материалом. Она определяется по формуле и выражается в единицах См/м – сименс на метр.
Удельное сопротивление тесно связано с электрическим сопротивлением. Однако они имеют различия между собой. В первом случае – это свойство материала, в том числе и стали, а во втором случае определяется свойство всего объекта. На качество резистора влияет сочетание нескольких факторов, прежде всего, формы и удельного сопротивления материала, из которого он изготовлен. Например, если для изготовления проволочного резистора использовалась тонкая и длинная проволока, то его сопротивление будет больше, чем у резистора, изготовленного из толстой и короткой проволоки одинакового металла.
В качестве другого примера можно привести резисторы из проволоки с одинаковым диаметром и длиной. Однако, если в одном из них материал имеет высокое удельное сопротивление, а в другом низкое, то соответственно в первом резисторе электрическое сопротивление будет выше, чем во втором.
Зная основные свойства материала, можно использовать удельное сопротивление стали для определения величины сопротивления стального проводника. Для вычислений, кроме удельного электрического сопротивления потребуется диаметр и длина самого провода. Расчеты выполняются по следующей формуле: , в которой R является сопротивлением проводника (Ом), ρ – удельным сопротивлением стали (Ом*м), L – соответствует длине провода, А – площади его поперечного сечения.
Существует зависимость удельного сопротивления стали и других металлов от температуры. В большинстве расчетов используется комнатная температура – 20 0 С. Все изменения под влиянием этого фактора учитываются с помощью температурного коэффициента.
Удельное сопротивление железа, алюминия и других проводников
Передача электроэнергии на дальние расстояния требует заботиться о минимизации потерь, происходящих от преодоления током сопротивления проводников, составляющих электрическую линию. Разумеется, это не значит, что подобные потери, происходящие уже конкретно в цепях и устройствах потребления, не играют роли.
Пожалуй, даже наоборот, но только в устройствах имеют значение не потери энергии как таковые, а другие эффекты, связанные с сопротивлением: нагревание проводников от активных сопротивлений, «размазывание» сигналов от паразитных реактивных сопротивлений. И их минимизация связана не с экономическим последствием потери энергии, а с правильной работой и работоспособностью электрических и электронных схем. Потому что в компактных устройствах большую роль играет защита от перегрева схем или отдельных высокоинтегрированных компонент, а не потеря энергии, которая в абсолютном выражении в общем-то невелика. И вообще, оплачивается потребителями.
Поэтому важно знать параметры всех используемых элементов и материалов. И не только электрические, но и механические. И иметь в распоряжении какие-то удобные справочные материалы, позволяющие сравнивать характеристики разных материалов и выбирать для проектирования и работы именно то, что будет оптимальным в конкретной ситуации.В линиях передачи энергии, где задачей ставится наиболее продуктивно, то есть с высоким КПД, довести энергию до потребителя, учитывается как экономика потерь, так и механика самих линий. От механики — то есть устройства и расположения проводников, изоляторов, опор, повышающих/понижающих трансформаторов, веса и прочности всех конструкций, включая провода, растянутые на больших расстояниях, а также от выбранных для выполнения каждого элемента конструкции материалов, зависит и конечная экономическая эффективность линии, ее работы и затрат на эксплуатацию. Кроме того, в линиях, передающих электроэнергию, более высоки требования на обеспечение безопасности как самих линий, так и всего окружающего, где они проходят. А это добавляет затрат как на обеспечение проводки электроэнергии, так и на дополнительный запас прочности всех конструкций.
Для сравнения данные обычно приводятся к единому, сопоставимому виду. Зачастую к таким характеристикам добавляется эпитет «удельный», а сами значения рассматриваются на неких унифицированных по физическим параметрам эталонах. Например, удельное электрическое сопротивление — это сопротивление (ом) проводника, выполненного из какого-то металла (меди, алюминия, стали, вольфрама, золота), имеющего единичную длину и единичное сечение в используемой системе единиц измерения (обычно в СИ). Кроме того, оговаривается температура, так как при нагревании сопротивление проводников может вести себя по-разному. За основу берутся нормальные средние условия эксплуатации — при 20 градусах Цельсия. А там, где важны свойства при изменении параметров среды (температуры, давления), вводятся коэффициенты и составляются дополнительные таблицы и графики зависимостей.
Виды удельного сопротивления
Так как сопротивление бывает:
- активное — или омическое, резистивное, — происходящее от затрат электроэнергии на нагревание проводника (металла) при прохождении в нем электрического тока, и
- реактивное — емкостное или индуктивное, — которое происходит от неизбежных потерь на создание всякими изменениями тока, проходящего через проводник электрических полей, то и удельное сопротивление проводника бывает двух разновидностей:
- Удельное электрическое сопротивление постоянному току (имеющее резистивный характер) и
- Удельное электрическое сопротивление переменному току (имеющее реактивный характер).
Здесь удельное сопротивление 2 типа является величиной комплексной, оно состоит из двух компонент ТП — активной и реактивной, так как резистивное сопротивление существует всегда при прохождении тока, независимо от его характера, а реактивное бывает только при любом изменении тока в цепях. В цепях постоянного тока реактивное сопротивление возникает только при переходных процессах, которые связаны с включением тока (изменение тока от 0 до номинала) или выключением (перепад от номинала до 0). И их учитывают обычно только при проектировании защиты от перегрузок.
В цепях же переменного тока явления, связанные с реактивными сопротивлениями, гораздо более многообразны. Они зависят не только от собственно прохождения тока через некоторое сечение, но и от формы проводника, причем зависимость не является линейной.
Дело в том, что переменный ток наводит электрическое поле как вокруг проводника, по которому протекает, так и в самом проводнике. И от этого поля возникают вихревые токи, которые дают эффект «выталкивания» собственно основного движения зарядов, из глубины всего сечения проводника на его поверхность, так называемый «скин-эффект» (от skin — кожа). Получается, вихревые токи как бы «воруют» у проводника его сечение. Ток течет в некотором слое, близком к поверхности, остальная толщина проводника остается неиспользуемой, она не уменьшает его сопротивление, и увеличивать толщину проводников просто нет смысла. Особенно на больших частотах. Поэтому для переменного тока измеряют сопротивления в таких сечениях проводников, где все его сечение можно считать приповерхностным. Такой провод называется тонким, его толщина равна удвоенной глубине этого поверхностного слоя, куда вихревые токи и вытесняют текущий в проводнике полезный основной ток.
Разумеется, уменьшением толщины круглых в сечении проводов не исчерпывается эффективное проведение переменного тока. Проводник можно утончить, но при этом сделать его плоским в виде ленты, тогда сечение будет выше, чем у круглого провода, соответственно, и сопротивление ниже. Кроме того, простое увеличение площади поверхности даст эффект увеличения эффективного сечения. Того же можно добиться, используя многожильный провод вместо одножильного, к тому же, многожилка по гибкости превосходит одножилку, что часто тоже бывает ценно. С другой стороны, принимая во внимание скин-эффект в проводах, можно сделать провода композитными, выполнив сердцевину из металла, обладающего хорошими прочностными характеристиками, например, стали, но невысокими электрическими. При этом поверх стали делается алюминиевая оплетка, имеющая меньшее удельное сопротивление.
Кроме скин-эффекта на протекание переменного тока в проводниках влияет возбуждение вихревых токов в окружающих проводниках. Такие токи называются токами наводки, и они наводятся как в металлах, не играющих роль проводки (несущие элементы конструкций), так и в проводах всего проводящего комплекса — играющих роль проводов других фаз, нулевых, заземляющих.
Все перечисленные явления встречаются во всех конструкциях, связанных с электричеством, это еще более усиливает важность иметь в своем распоряжении сводные справочные сведения по самым разным материалам.
Удельное сопротивление для проводников измеряется очень чувствительными и точными приборами, так как для проводки и выбираются металлы, имеющие самое низкое сопротивление —порядка ом *10-6 на метр длины и кв. мм. сечения. Для измерения же удельного сопротивления изоляции нужны приборы, наоборот, имеющие диапазоны очень больших значений сопротивления — обычно это мегомы. Понятно, что проводники обязаны хорошо проводить, а изоляторы хорошо изолировать.
Таблица
Железо как проводник в электротехнике
Железо — самый распространенный в природе и технике металл (после водорода, который металлом тоже является). Он и самый дешевый, и имеет прекрасные прочностные характеристики, поэтому применяется повсюду как основа прочности различных конструкций.
В электротехнике в качестве проводника железо используется в виде стальных гибких проводов там, где нужна физическая прочность и гибкость, а нужное сопротивление может быть достигнуто за счет соответствующего сечения.
Имея таблицу удельных сопротивлений различных металлов и сплавов, можно посчитать сечения проводов, выполненных из разных проводников.
В качестве примера попробуем найти электрически эквивалентное сечение проводников из разных материалов: проволоки медной, вольфрамовой, никелиновой и железной. За исходную возьмем проволоку алюминиевую сечением 2,5 мм.
Нам нужно, чтобы на длине в 1 м сопротивление провода из всех этих металлов равнялось сопротивлению исходной. Сопротивление алюминия на 1 м длины и 2,5 мм сечения будет равно
, где R – сопротивление, ρ – удельное сопротивление металла из таблицы, S – площадь сечения, L – длина.
Подставив исходные значения, получим сопротивление метрового куска провода алюминия в омах.
После этого разрешим формулу относительно S
, будем подставлять значения из таблицы и получать площади сечений для разных металлов.
Так как удельное сопротивление в таблице измерено на проводе длиной в 1 м, в микроомах на 1 мм2 сечения, то у нас и получилось оно в микроомах. Чтобы получить его в омах, нужно умножить значение на 10-6. Но число ом с 6 нулями после запятой нам получать совсем не обязательно, так как конечный результат все равно находим в мм2.
- Медь
- Вольфрам
- Никелин
- Железо
Как видим, сопротивление железа достаточно большое, проволока получается толстая.
Но существуют материалы, у которых оно еще больше, например, никелин или константан.
Таблица удельного электрического сопротивления металлов и сплавов в электротехнике
Удельное сопротивление металлов.
| Серебро | 0,015..0,0162 |
| Медь | 0,01724..0,018 |
| Золото | 0,023 |
| Алюминий | 0,0262..0,0295 |
| Иридий | 0,0474 |
| Молибден | 0,054 |
| Вольфрам | 0,053..0,055 |
| Цинк | 0,059 |
| Никель | 0,087 |
| Железо | 0,098 |
| Платина | 0,107 |
| Олово | 0,12 |
| Свинец | 0,217..0,227 |
| Титан | 0,5562 — 0,7837 |
| Висмут | 1,2 |
Удельное сопротивление сплавов.
| Сталь | 0,103..0,137 |
| Никелин | 0,42 |
| Константан | 0,5 |
| Манганин | 0,43…0,51 |
| Нихром | 1,05…1,4 |
| Фехраль | 1,15…1,35 |
| Хромаль | 1,3…1,5 |
| Латунь | 0,025..0,108 |
| Бронза | 0,095..0,1 |
Значения даны при температуре t = 20° C. Сопротивления сплавов зависят от их точного состава.
comments powered by HyperComments
Удельное электрическое сопротивление | Мир сварки
Удельное электрическое сопротивление материалов
Удельное электрическое сопротивление (удельное сопротивление) — способность вещества препятствовать прохождению электрического тока.
Единица измерения (СИ) — Ом·м; также измеряется в Ом·см и Ом·мм2/м.
| 1 Ом·м = 1·106 Ом·мм2/м |
| Металлы | ||
| Алюминий | 20 | 0,028·10-6 |
| Бериллий | 20 | 0,036·10-6 |
| Бронза фосфористая | 20 | 0,08·10-6 |
| Ванадий | 20 | 0,196·10-6 |
| Вольфрам | 20 | 0,055·10-6 |
| Гафний | 20 | 0,322·10-6 |
| Дюралюминий | 20 | 0,034·10-6 |
| Железо | 20 | 0,097·10-6 |
| Золото | 20 | 0,024·10-6 |
| Иридий | 20 | 0,063·10-6 |
| Кадмий | 20 | 0,076·10-6 |
| Калий | 20 | 0,066·10-6 |
| Кальций | 20 | 0,046·10-6 |
| Кобальт | 20 | 0,097·10-6 |
| Кремний | 27 | 0,58·10-4 |
| Латунь | 20 | 0,075·10-6 |
| Магний | 20 | 0,045·10-6 |
| Марганец | 20 | 0,050·10-6 |
| Медь | 20 | 0,017·10-6 |
| Магний | 20 | 0,054·10-6 |
| Молибден | 20 | 0,057·10-6 |
| Натрий | 20 | 0,047·10-6 |
| Никель | 20 | 0,073·10-6 |
| Ниобий | 20 | 0,152·10-6 |
| Олово | 20 | 0,113·10-6 |
| Палладий | 20 | 0,107·10-6 |
| Платина | 20 | 0,110·10-6 |
| Родий | 20 | 0,047·10-6 |
| Ртуть | 20 | 0,958·10-6 |
| Свинец | 20 | 0,221·10-6 |
| Серебро | 20 | 0,016·10-6 |
| Сталь | 20 | 0,12·10-6 |
| Тантал | 20 | 0,146·10-6 |
| Титан | 20 | 0,54·10-6 |
| Хром | 20 | 0,131·10-6 |
| Цинк | 20 | 0,061·10-6 |
| Цирконий | 20 | 0,45·10-6 |
| Чугун | 20 | 0,65·10-6 |
| Пластмассы | ||
| Гетинакс | 20 | 109–1012 |
| Капрон | 20 | 1010–1011 |
| Лавсан | 20 | 1014–1016 |
| Органическое стекло | 20 | 1011–1013 |
| Пенопласт | 20 | 1011 |
| Поливинилхлорид | 20 | 1010–1012 |
| Полистирол | 20 | 1013–1015 |
| Полиэтилен | 20 | 1015 |
| Стеклотекстолит | 20 | 1011–1012 |
| Текстолит | 20 | 107–1010 |
| Целлулоид | 20 | 109 |
| Эбонит | 20 | 1012–1014 |
| Резины | ||
| Резина | 20 | 1011–1012 |
| Жидкости | ||
| Масло трансформаторное | 20 | 1010–1013 |
| Газы | ||
| Воздух | 0 | 1015–1018 |
| Дерево | ||
| Древесина сухая | 20 | 109–1010 |
| Минералы | ||
| Кварц | 230 | 109 |
| Слюда | 20 | 1011–1015 |
| Различные материалы | ||
| Стекло | 20 | 109–1013 |
ЛИТЕРАТУРА
- Альфа и омега. Краткий справочник / Таллин: Принтэст, 1991 – 448 с.
- Справочник по элементарной физике / Н.Н. Кошкин, М.Г. Ширкевич. М., Наука. 1976. 256 с.
- Справочник по сварке цветных металлов / С.М. Гуревич. Киев.: Наукова думка. 1990. 512 с.
Удельное сопротивление металлов, электролитов и веществ (Таблица)
Удельное сопротивление металлов и изоляторов
В справочной таблице даны значения удельного сопротивления р некоторых металлов и изоляторов при температуре 18—20° С, выраженные в ом·см. Величина р для металлов в сильной степени зависит от примесей, в таблице даны значения р для химически чистых металлов, для изоляторов даны приближенно. Металлы и изоляторы расположены в таблице в порядке возрастающих значений р.
Закон Ома устанавливает связь между силой тока в проводнике и разностью потенциалов (напряжением) на его концах. Формулировка для участка электрической цепи (проводника), не содержащего источников электродвижущей силы (ЭДС): сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника. Законы Ома для замкнутой неразветвлённой цепи: сила тока прямо пропорциональна электродвижущей силе и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи. Закон Ома справедлив для постоянных и квазистационарных токов. Был открыт немецким физиком Георгом Омом в 1826 году. * Современная энциклопедия
В случае переменного тока, величины, входящие в расчётные формулы – становятся комплексными.
Закон Ома в дифференциальной форме — описывает исключительно электропроводящие свойства материала, вне зависимости от геометрических размеров.
Удельное электрическое сопротивление вещества есть электросопротивление изготовленного из него куба со сторонами, равными единице (1метр), когда ток идёт перпендикулярно двум его противоположным граням, площадью 1 квадратный метр каждая.
Удельное сопротивление зависит от концентрации в проводнике свободных электронов и от расстояния между ионами кристаллической решетки, иначе говоря, от материала проводника.
Размерность удельного электросопротивления в сист.2/м] (SI – Ω·m, рус. – Ом-метр, англ. – ohm-meter). Для измерения проводниковых материалов разрешается использовать внесистемную единицу –
Ом·мм2/м (для миллиметрового сечения проводника, длиной 1 м., то есть – миллионную часть Ом-метра).
Физический смысл удельного сопротивления: материал (однородный и изотропный*) имеет удельное электрическое сопротивление один Ом·м, если изготовленный из этого материала куб со стороной 1 метр имеет сопротивление 1 Ом при измерении на противоположных гранях куба.
* Изотропность – идентичность физических свойств во всех направлениях.
Удельное сопротивление характеризует способность вещества проводить электрический ток и не зависит от формы и размеров вещества, но меняется, при отличии его температуры от 20 °C (то есть, от комнатной, при которой определялись табличные значения для справочников).
На практике, в технике чаще применяется единица, в миллион раз меньшая (миллиметровое токоведущее сечение), чем Ом·м:
1 мкОм·м (SI – µΩ·m, рус.-9 Ом•м)
Металлы высокой проводимости (не более 0,1 мкОм.м) – используются для изготовления проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов и т. п. Металлы и сплавы высокого сопротивления (не менее 0,3 микроом-метр) — применяются для производства образцовых резисторов, реостатов, электроизмерительных приборов, электронагревательных устройств, нитей ламп накаливания и т. п. Нагревательные сплавы должны выдерживать длительную работу на открытом воздухе — без разрушения при температурах не менее 1000 °С.
Таблица значений удельного электрического сопротивления,
мкОм·м (микроом-метр) = Ом·мм2/м (равные числовые величины)
при температуре окружающей среды 20 градусов по Цельсию
Серебро — 0,015-0,016
Медь — 0,0172-0,0180
Золото — 0,024
Алюминий — 0.026-0.030
Вольфрам — 0,053-0,055
Цинк 0,053-0,062
Никель — 0.068-0,073
Латунь (сплав меди с цинком) — 0,043 — 0,108
Железо — 0,098
Сталь — 0,10-0,14
Олово — 0,12
Оловяно-свинцовый припой — 0,14 — 0,16
Бронзовые сплавы — 0,02 — 0,2
Свинец — 0,217 — 0,227
Никелин — 0,4
Манганин — 0,42 — 0,48
Константан — 0,48 — 0,52
Нихром — 1,05-1,40
Фехраль — 1,15-1,35
Угольно-графитовые щётки для электрических машин — 20-50
Угольный сварочный электрод — 50-90 мкОм·м
Минералка (с минерализацией воды — 2-7 грамм на литр) — 1-4 *10^6 мкОм·м = 1-4 Ом•м
Вода грунтовая — 10-50 *10^6
Влажная / сырая садовая земля (верхний слой почвы, грунта — после поливки) — 20-60 *10^6
Почему в электросетях применяется высокое напряжение
В линии электропередачи, при постоянной передаваемой мощности её потери растут прямо пропорционально длине ЛЭП и обратно пропорционально квадрату ЭДС. Таким образом, считается желательным, увеличение напряжения до величин в десятки (внутригородские воздушные и кабельные сети электропередач на 380 вольт, 6, 10, 20, 35, 110, 220 и 330 кВ) и сотни киловольт (магистральные электросети сверхвысокого — ЛЭП500-750 кВ и ультравысокого напряжения, 1150кВ и выше) на линиях переменного и постоянного (150, 400, 800 кВ) тока. Но, при таких параметрах эксплуатации, постоянно растущем потреблении электрической энергии и частых пиковых перегрузках, износ оборудования, отсутствие резервных мощностей, погодные аномалии, локальные несоответствия требованиям безопасности, непрофессионализм и элементарное разгильдяйство — могут стать причиной нештатных ситуаций и системных аварий (называемых теперь, на английский манер — блэкаут). По этой причине, муниципальные власти любого посёлка и города — имеют постоянную головную боль по обеспечению резервными источниками питания (аккумуляторами и дизель-генераторами) для бесперебойного электроснабжения социальных объектов по резервной схеме.
Спецсплавы на медной основе, в электротехнике
При больших токах, до 10 А – применяют проволочный резистор большой мощности, называемый реостатом. В качестве обмотки используют проволоку, изготовленную из термостабильного (с минимальным температурным коэффициентом) сплава с большим удельным сопротивлением, например, из константана (40% Ni, 1,2% Mn, 58,8% Cu). Если напряжение между соседними витками не превышает 1 вольта — такую проволку можно наматывать плотно, виток к витку, без особой изоляции между витками, благодаря наличию естественной плёнки окисла, образующейся на поверхности данного металла, при быстром (не более трёх секунд) нагреве до достаточно высокой температуры (порядка 900 °С).
В приборах высокого класса точности – применяется манганин (3%Ni, 12%Mn, 85%Cu), менее термоустойчивый, но, в отличие от константанового провода, имеющий очень малую термоЭДС (контактную разность электрических потенциалов) в паре с медью.
Обозначения рекомендуемых кратных и дольных величин от единиц СИ
10^9 Ом — гигаом ГОм GΩ
10^6 Ом — мегаом МОм MΩ
10^3 Ом = 1000 Ом — килоом кОм kΩ.-9 Ом — наноом нОм nΩ
Зависимость сопротивления от температуры.
При нагревании, электрическое сопротивление металлических проводников – возрастает, а при охлаждении – уменьшается. Для вычисления, по формуле, электросопротивления при определённой температуре – используют, так называемый, «температурный коэффициент сопротивления» (ТКС). Расчёты ведутся от некоторого начального уровня температуры. Для интервала температур, в пределах обычных погодных условий (в зимнее и летнее время года) окружающей среды, зависимость для проводника описывается математической формулой:
R2 = R1 * (1 + α * (t2 – t1)),
где R1 (начальное, известное значение, при нуле или 20 градусов по Цельсию, измеренное или посчитанное) и R2 (искомое) – сопротивления резистора соответственно при температурах t1 (0°С или 20°С) и t2; α – температурный коэффициент сопротивления (из справочной таблицы), равный относительному изменению электр. сопротивления (удельного или абсолютного) при изменении температуры на 1 °С. Так как значения ТКС очень малы, то в справочниках их указывают в единицах тысячных или миллионных долей (ppm/°С — Parts Per Million) относительного изменения сопротивления на градус.
Обычно, исходные, табличные значения различных физических постоянных – приводятся или к нормальной комнатной температуре +20 °С или к нулевой (в справочных таблицах проводниковых и реостатных материалов, применяемых в электрических аппаратах).
В металлических термометрах, изготавливаемых из медной или платиновой проволоки – электросопротивление, с повышением температуры (без экстремально высоких, для этих материалов, значений) увеличивается почти линейно. Но, при чрезмерно сильном нагреве, к примеру, тонкого медного провода до температуры красного каления, его активное электрическое сопротивление постоянному току возрастает многократно.
Пример расчёта для стометрового алюминиевого шинопровода, радиусом 40 мм, нагретого на 95°С:
R = (R1 * (1 + α * (t2–t1))) * L / S =
= 2,62*10 -8 Ом•м * (1 + 0,0042*95) * 100 / (3,14 * 40 2 * 10 -6 ) = 7,3 * 10 -4 Ом
где:
S – площадь сечения в м 2 (с вычетом толщины слоёв изоляции),
L – длина проводника в метрах.
Температурный коэффициент сопротивления х10 -3 , 1/градус:
Алюминий – 4,2
Бронза оловянистая твёрдотянутая – 0,6-0,7
Вольфрам – 4,2
Графит – -1,3
Дюраль – 2,2
Константан – 0,003-0,005
Латунь – 1,5
Манганин – 0,03-0,06 (при температуре до 250-300°С)
Медь – 4,3
Нихром – 0,14
Серебро – 4,0
Сталь – 9,0
Цинк – 4,2
2
Постоянные резисторы и их маркировка
В буквенно-цифровой (кодовой) маркировке резисторов – на их корпус наносится числовое значение электрического сопротивления и буквы, первая из которых обозначает множитель (R или Е – Ом,  K – килоом,  M – мегаом) и, заодно, определяет положение разделительной запятой десятичного знака.2)/4
с помощью своего калькулятора, находится диаметр (в миллиметрах) = корень квадратный из (4 * S / 3.14)
Длина провода, в единицах системы СИ (переводим в метры):
80 см = 0.8 м
Находим электр. сопротивление по формуле:
R = (p * L) / S = (0.017 * 0.8) / 0.2 = 0.068 Ом
Ответ: с точностью до второго знака после запятой, R = 0.07 Ом
Электромонтажные работы — монтаж электрики, подключение и обслуживание электропроводки. | Минисправочник по электрическим параметрам: соотношения Ом х мм2/м и мкОм x м (микроом), в технических расчётах.
Конвертер удельного электрического сопротивления • Электротехника • Полный калькулятор • Онлайн-конвертеры единиц измерения
Конвертер длины и расстоянияКонвертер массыКонвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питанияКонвертер площадиКонвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептахКонвертер температурыКонвертер давления, механического напряжения, модуля ЮнгаКонвертер энергии и работыКонвертер мощностиКонвертер силыКонвертер времениКонвертер линейной скоростиПлоский уголКонвертер тепловой эффективности и топливной экономичностиКонвертер чисел в различных системах счисления.Конвертер единиц измерения количества информацииКурсы валютРазмеры женской одежды и обувиРазмеры мужской одежды и обувиКонвертер угловой скорости и частоты вращенияКонвертер ускоренияКонвертер углового ускоренияКонвертер плотностиКонвертер удельного объемаКонвертер момента инерцииКонвертер момента силыКонвертер вращающего моментаКонвертер удельной теплоты сгорания (по массе)Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему)Конвертер разности температурКонвертер коэффициента теплового расширенияКонвертер термического сопротивленияКонвертер удельной теплопроводностиКонвертер удельной теплоёмкостиКонвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излученияКонвертер плотности теплового потокаКонвертер коэффициента теплоотдачиКонвертер объёмного расходаКонвертер массового расходаКонвертер молярного расходаКонвертер плотности потока массыКонвертер молярной концентрацииКонвертер массовой концентрации в раствореКонвертер динамической (абсолютной) вязкостиКонвертер кинематической вязкостиКонвертер поверхностного натяженияКонвертер паропроницаемостиКонвертер плотности потока водяного параКонвертер уровня звукаКонвертер чувствительности микрофоновКонвертер уровня звукового давления (SPL)Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давленияКонвертер яркостиКонвертер силы светаКонвертер освещённостиКонвертер разрешения в компьютерной графикеКонвертер частоты и длины волныОптическая сила в диоптриях и фокусное расстояниеОптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×)Конвертер электрического зарядаКонвертер линейной плотности зарядаКонвертер поверхностной плотности зарядаКонвертер объемной плотности зарядаКонвертер электрического токаКонвертер линейной плотности токаКонвертер поверхностной плотности токаКонвертер напряжённости электрического поляКонвертер электростатического потенциала и напряженияКонвертер электрического сопротивленияКонвертер удельного электрического сопротивленияКонвертер электрической проводимостиКонвертер удельной электрической проводимостиЭлектрическая емкостьКонвертер индуктивностиКонвертер реактивной мощностиКонвертер Американского калибра проводовУровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицахКонвертер магнитодвижущей силыКонвертер напряженности магнитного поляКонвертер магнитного потокаКонвертер магнитной индукцииРадиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излученияРадиоактивность. Конвертер радиоактивного распадаРадиация. Конвертер экспозиционной дозыРадиация. Конвертер поглощённой дозыКонвертер десятичных приставокПередача данныхКонвертер единиц типографики и обработки изображенийКонвертер единиц измерения объема лесоматериаловВычисление молярной массыПериодическая система химических элементов Д. И. Менделеева
Высоковольтная линия идет на север от атомной электростанции в Пикеринге, Онтарио, Канада
Общие сведения
Алюминиевый провод высоковольтной линии электропередачи
Как только электричество покинуло лаборатории учёных и стало широко внедряться в практику повседневной жизни, встал вопрос о поиске материалов, обладающих определёнными, порой совершенно противоположными, характеристиками по отношению к протеканию через них электрического тока.
Трубчатый нагреватель кухонной плиты
Например, при передаче электрической энергии на дальнее расстояние, к материалу проводов предъявлялись требования минимизации потерь из-за джоулева нагрева в сочетании с малыми весовыми характеристиками. Примером тому являются всем знакомые высоковольтные линии электропередач, выполненные из алюминиевых проводов со стальным сердечником.
Или, наоборот, для создания компактных трубчатых электронагревателей требовались материалы с относительно высоким электрическим сопротивлением и высокой термостойкостью. Простейшим примером прибора, в котором применяются материалы с подобными свойствами, может служить конфорка обыкновенной кухонной электроплиты.
От проводников, используемых в биологии и медицине в качестве электродов, зондов и щупов, требуется высокая химическая устойчивость и совместимость с биоматериалами в сочетании с малым контактным сопротивлением.
Александр Николаевич Лодыгин. Источник: Wikimedia CommonsВольфрамовая спираль лампы накаливания
К разработке такого ныне привычного всем прибора, как лампа накаливания, свои усилия приложила целая плеяда изобретателей из разных стран: Англии, России, Германии, Венгрии и США. Томас Эдисон, проведя более тысячи опытов проверки свойств материалов, подходящих на роль нитей накала, создал лампу с платиновой спиралью. Лампы Эдисона, хотя и имели высокий срок эксплуатации, но не были практичными из-за высокой стоимости исходного материала.
Последующие работы русского изобретателя Лодыгина, предложившего использовать в качестве материалов нити относительно дешёвые тугоплавкие вольфрам и молибден с более высоким удельным сопротивлением, нашли практическое применение. К тому же Лодыгин предложил откачивать из баллонов ламп накаливания воздух, заменяя его инертными или благородными газами, что привело к созданию современных ламп накаливания. Пионером массового производства доступных и долговечных электрических ламп стала компания General Electric, которой Лодыгин переуступил права на свои патенты и далее успешно работал в лабораториях компании долгое время.
Низкое качество электропроводки часто является причиной пожаров в каркасных домах
Этот перечень можно продолжать, поскольку пытливый человеческий ум настолько изобретателен, что порой для решения определённой технической задачи ему нужны материалы с невиданными доселе свойствами или с невероятными сочетаниями этих свойств. Природа уже не успевает за нашими аппетитами и учёные всех стран мира включились в гонку создания материалов, не имеющих природных аналогов.
Одной из важнейших характеристик как природных, так и синтезированных материалов является удельное электрическое сопротивление. Примером электрического прибора, в котором в чистом виде применяется это свойство, может служить плавкий предохранитель, защищающий нашу электро- и электронную аппаратуру от воздействия тока, превышающего допустимые значения.
При этом надо заметить, что именно самодельные заменители стандартных предохранителей, выполненные без знаний удельного сопротивления материала, порой служат причиной не только выгорания различных элементов электрических схем, но и возникновения пожаров в домах и возгорания проводки в автомобилях.
Различные плавкие предохранители, применяемые для защиты электронной аппаратуры
То же самое относится и к замене предохранителей в силовых сетях, когда вместо предохранителя меньшего номинала устанавливается предохранитель с большим номиналом тока срабатывания. Это приводит к перегреву электропроводки и даже, как следствие, к возникновению пожаров с печальными последствиями. Особенно это присуще каркасным домам.
Историческая справка
Понятие удельного электрического сопротивление появилось благодаря трудам известного немецкого физика Георга Ома, который теоретически обосновал и в ходе многочисленных экспериментов доказал связь между силой тока, электродвижущей силой батареи и сопротивлением всех частей цепи, открыв таким образом закон элементарной электрической цепи, названным затем его именем. Ом исследовал зависимость величины протекающего тока от величины приложенного напряжения, от длины и формы материала проводника, а также от рода материала, используемого в качестве проводящей среды.
При этом надо отдать должное работам сэра Гемфри Дэви, английского химика, физика и геолога, который первым установил зависимости электрического сопротивления проводника от его длины и площади поперечного сечения, а также отметил зависимость электропроводности от температуры.
Исследуя зависимости протекания электрического тока от рода материалов, Ом обнаружил, что каждый доступный ему проводящий материал обладал некоторой присущей только ему характеристикой сопротивления протеканию тока.
Надо заметить, что во времена Ома один из самых обыкновенных ныне проводников — алюминий — имел статус особо драгоценного металла, поэтому Ом ограничился опытами с медью, серебром, золотом, платиной, цинком, оловом, свинцом и железом.
В конечном итоге Ом ввёл понятие удельного электрического сопротивления материала как фундаментальной характеристики, совершенно ничего не зная ни о природе протекания тока в металлах, ни о зависимости их сопротивления от температуры.
Удельное электрическое сопротивление. Определение
Удельное электрическое сопротивление или просто удельное сопротивление — фундаментальная физическая характеристика проводящего материала, которая характеризует способность вещества препятствовать похождению электрического тока. Обозначается греческой буквой ρ (произносится как ро) и рассчитывается исходя из эмпирической формулы для расчёта сопротивления, полученной Георгом Омом.
R = ρ ∙ L/S
или, отсюда
ρ = R ∙ S/L
где R — сопротивление в Омах, S — площадь в м²/, L — длина в м
Размерность удельного электрического сопротивления в Международной системе единиц СИ выражается в Ом•м.
Это сопротивление проводника длиной в 1 м и площадью поперечного сечения в 1 м²/ величиной в 1 Ом.
В электротехнике, для удобства расчётов, принято пользоваться производной величины удельного электрического сопротивления, выражаемой в Ом•мм²/м. Значения удельного сопротивления для наиболее распространённых металлов и их сплавов можно найти в соответствующих справочниках.
В таблицах 1 и 2 приведены значения удельных сопротивлений различных наиболее распространённых материалов.
Таблица 1. Удельное сопротивление некоторых металлов
| Металл | ρ, Ом•мм²/м | Металл | ρ, Ом•мм²/м | Металл | ρ, Ом•мм²/м |
|---|---|---|---|---|---|
| Серебро | 0,015…0,0162 | Алюминий | 0,0262…0,0295 | Железо | 0,098 |
| Медь | 0,01724…0,018 | Цинк | 0,059 | Платина | 0,107 |
| Золото | 0,023 | Никель | 0,087 | Олово | 0,12 |
Таблица 2. Удельное сопротивление распространенных сплавов
| Сплав | ρ, Ом•мм²/м | Сплав | ρ, Ом•мм²/м | Сплав | ρ, Ом•мм²/м |
|---|---|---|---|---|---|
| Сталь | 0,103…0,137 | Манганин | 0,43…0,51 | Хромаль | 1,3…1,5 |
| Эваном | 0,764 | Нихром | 1,05…1,4 | Латунь | 0,025…0,108 |
| Константан | 0,5 | Фехраль | 1,15…1,35 | Бронза | 0,095…0,1 |
Источник: Статья Википедии «Удельное электрическое сопротивление» с изменениями и дополнениями
Кристалл кварца
Удельные электрические сопротивления различных сред. Физика явлений
Удельные электрические сопротивления металлов и их сплавов, полупроводников и диэлектриков
Сегодня, вооружённые знаниями, мы в состоянии заранее просчитать удельное электрическое сопротивление любого, как природного, так и синтезированного материала исходя из его химического состава и предполагаемого физического состояния.
Эти знания помогают нам лучшим образом использовать возможности материалов, порой весьма экзотические и уникальные.
В силу сложившихся представлений, с точки зрения физики твёрдые тела подразделяются на кристаллические, поликристаллические и аморфные вещества.
Кварцевые резонаторы в различных устройствах
Проще всего, в смысле технического расчёта удельного сопротивления или его измерения, дело обстоит с аморфными веществами. Они не имеют выраженной кристаллической структуры (хотя и могут иметь микроскопические включения таковых веществ), относительно однородны по химическому составу и проявляют характерные для данного материала свойства.
У поликристаллических веществ, образованных совокупностью относительно мелких кристаллов одного химического состава, поведение свойств не очень отличается от поведения аморфных веществ, поскольку удельное электрическое сопротивление, как правило, определяется как интегральное совокупное свойство данного образца материала.
Кварцевый резонатор в форме камертона в корпусе и со снятым корпусом
Сложнее дело обстоит с кристаллическими веществами, особенно с монокристаллами, которые имеют различное удельное электрическое сопротивление и другие электрические характеристики относительно осей симметрии их кристаллов. Это свойство называется анизотропией кристалла и широко используется в технике, в частности, в радиотехнических схемах кварцевых генераторов, где стабильность частоты определяется именно генерацией частот, присущих данному кристаллу кварца.
Каждый из нас, являясь обладателем компьютера, планшета, мобильного телефона или смартфона, включая владельцев наручных электронных часов вплоть до iWatch, одновременно является обладателем кристаллика кварца. По этому можно судить о масштабах использования в электронике кварцевых резонаторов, исчисляемых десятками миллиардов.
Помимо прочего, удельное сопротивление многих материалов, особенно полупроводников, зависит от температуры, поэтому справочные данные обычно приводятся с указанием температуры измерения, обычно равной 20 °С.
Уникальные свойства платины, имеющей постоянную и хорошо изученную зависимость удельного электрического сопротивления от температуры, а также возможность получения металла высокой чистоты послужили предпосылкой создания на её основе датчиков в широком диапазоне температур.
Для металлов разброс справочных значений удельного сопротивления обусловлен способами изготовления образцов и химической чистотой металла данного образца.
Для сплавов более сильный разброс справочных значений удельного сопротивления обусловлен способами изготовления образцов и непостоянством состава сплава.
Удельное электрическое сопротивление жидкостей (электролитов)
Вода имеет максимальную плотность при 4 °С
В основе понимания удельного сопротивления жидкостей лежат теории термической диссоциации и подвижности катионов и анионов. Например, в самой распространённой жидкости на Земле – обыкновенной воде, некоторая часть её молекул под воздействием температуры распадается на ионы: катионы Н+ и анионы ОН– . При подаче внешнего напряжения на электроды, погружённые в воду при обычных условиях, возникает ток, обусловленный перемещением вышеупомянутых ионов. Как выяснилось, в воде образуются целые ассоциации молекул — кластеры, порой соединяющимися с катионами Н+ или анионами ОН–. Поэтому передача ионов кластерами под воздействием электрического напряжения происходит так: принимая ион в направлении приложенного электрического поля с одной стороны, кластер «сбрасывает» аналогичный ион с другой стороны. Наличие в воде кластеров прекрасно объясняет тот научный факт, что при температуре около 4 °C вода имеет наибольшую плотность. Большая часть молекул воды при этом находится в кластерах из-за действия водородных и ковалентных связей, практически в квазикристаллическом состоянии; термодиссоциация при этом минимальна, а образование кристаллов льда, который имеет более низкую плотность (лёд плавает в воде), ещё не началось.
В целом проявляется более сильная зависимость удельного сопротивления жидкостей от температуры, поэтому эта характеристика всегда измеряется при температуре в 293 K, что соответствует температуре 20 °C.
Помимо воды имеется большое число других растворителей, способных создавать катионы и анионы растворяемых веществ. Знание и измерение удельного сопротивления таких растворов также имеет большое практическое значение.
Для водных растворов солей, кислот и щелочей существенную роль в определении удельного сопротивления раствора играет концентрация растворённого вещества. Примером может служить следующая таблица, в которой приведены значения удельных сопротивлений различных растворённых в воде веществ при температуре 18 °С:
Таблица 3. Значения удельных сопротивлений различных растворённых в воде веществ при температуре 18 °С
| Удельное сопротивление, Ом•м | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Концентрация c, % | NH₄Cl | NaCl | ZnSO₄ | CuSO₄ | КОН | NaOH | H₂SO₄ |
| 5,0 | 10,9 | 14,9 | 52,4 | 52,9 | 5,8 | 5,1 | 4,8 |
| 15,0 | 3,9 | 6,1 | 24,1 | 23,8 | 2,4 | 2,9 | 1,8 |
| 25,0 | 2,5 | 4,7 | 20,8 | — | 1,9 | 3,7 | 1,4 |
Данные таблиц взяты из Краткого физико-технического справочника, Том 1, — М.: 1960
Цветная гибкая полихлорвиниловая и жидкая изоленты
Удельное сопротивление изоляторов
Огромное значение в отраслях электротехники, электроники, радиотехники и робототехники играет целый класс различных веществ, имеющий относительно высокое удельное сопротивление. Вне зависимости от их агрегатного состояния, будь оно твёрдое, жидкое или газообразное, такие вещества называются изоляторами. Такие материалы используются для изолирования отдельных частей электрических схем друг от друга.
Примером твёрдых изоляторов может служить всем знакомая гибкая изолента, благодаря которой мы восстанавливаем изоляцию при соединении различных проводов. Многим знакомы фарфоровые изоляторы подвески воздушных линий электропередач, текстолитовые платы с электронными компонентами, входящими в состав большинства изделий электронной техники, керамика, стекло и многие другие материалы. Современные твёрдые изоляционные материалы на базе пластмасс и эластомеров делают безопасным использование электрического тока различных напряжений в самых разнообразных устройствах и приборах.
Мощные понижающие трансформаторы на трансформаторной подстанции в Торонто, Канада
Помимо твёрдых изоляторов широкое применение в электротехнике находят жидкие изоляторы с высоким удельным сопротивлением. В силовых трансформаторах электросетей жидкое трансформаторное масло предотвращает межвитковые пробои из-за ЭДС самоиндукции, надёжно изолируя витки обмоток. В масляных выключателях масло используется для гашения электрической дуги, которая возникает при переключении источников тока. Конденсаторное масло используется для создания компактных конденсаторов с высокими электрическими характеристиками; помимо этих масел в качестве жидких изоляторов используются природное касторовое масло и синтетические масла.
При нормальном атмосферном давлении все газы и их смеси являются с точки зрения электротехники отличными изоляторами, но благородные газы (ксенон, аргон, неон, криптон) в силу их инертности обладают более высоким удельным сопротивлением, что широко используется в некоторых областях техники.
Но самым распространённым изолятором служит воздух, в основном состоящий из молекулярного азота (75% по массе), молекулярного кислорода (23,15% по массе), аргона (1,3% по массе), углекислого газа, водорода, воды и некоторой примеси различных благородных газов. Он изолирует протекание тока в обычных бытовых выключателях света, переключателях тока на основе реле, магнитных пускателях и механических рубильниках. Необходимо отметить, что снижение давления газов или их смесей ниже атмосферного приводит к росту их удельного электрического сопротивления. Идеальным изолятором в этом смысле является вакуум.
Красными стрелками показано заземление оборудования столба высоковольтной линии электропередачи в жилом районе. На желтом фоне написано, что заземляющий провод изготовлен из омеднённой стали и не представляет ценности при сдаче в металлолом.
Удельное электрическое сопротивление различных грунтов
Одним из важнейших способов защиты человека от поражающего действия электрического тока при авариях электроустановок является устройство защитного заземления.
Оно представляет собой преднамеренное соединение кожуха или корпуса электроустройств с защитным заземляющим устройством. Обычно заземление выполняется в виде зарытых в землю на глубину более 2,5 метра стальных или медных полос, труб, стержней или уголков, которые в случае аварии обеспечивают протекание тока по контуру устройство — корпус или кожух — земля — нулевой провод источника переменного тока. Сопротивление этого контура должно быть не более 4 Ом. В этом случае напряжение на корпусе аварийного устройства снижается до безопасного для человека величин, а автоматические устройства защиты электрической цепи тем или иным способом производят отключение аварийного устройства.
При расчёте элементов защитного заземления существенную роль играет знание удельного сопротивления грунтов, которое может варьироваться в широких пределах.
Сообразуясь с данными справочных таблиц, выбирается площадь заземляющего устройства, по ней вычисляется количество заземляющих элементов и собственно конструкция всего устройства. Соединение элементов конструкции устройства защитного заземления производится сваркой.
Электротомография
Электроразведка изучает приповерхностную геологическую среду, применяется для поиска рудных и нерудных полезных ископаемых и других объектов на основе исследования различных искусственных электрических и электромагнитных полей. Частным случаем электроразведки является электротомография (Electrical Resistivity Tomography) — метод определения свойств горных пород по их удельному сопротивлению.
Суть метода заключается в том, что при определённом положении источника электрического поля проводятся замеры напряжения на различных зондах, затем источник поля перемещают в другое место или переключают на другой источник и повторяют измерения. Источники поля и зонды-приёмники поля размещают на поверхности и в скважинах.
Затем полученные данные обрабатываются и интерпретируются с помощью современных компьютерных методов обработки, позволяющих визуализировать информацию в виде двухмерных и трёхмерных изображений.
Электротомография оказывает неоценимую помощь геологам, археологам и палеозоологам
Являясь очень точным методом поиска, электротомография оказывает неоценимую помощь геологам, археологам и палеозоологам.
Определение формы залегания месторождений полезных ископаемых и границ их распространения (оконтуривание) позволяет выявить залегание жильных залежей полезных ископаемых, что существенно снижает затраты на их последующую разработку.
Археологам этот метод поиска даёт ценную информацию о расположении древних захоронений и наличия в них артефактов, тем самым сокращая затраты на раскопки.
Палеозоологи с помощью электротомографии ищут окаменевшие останки древних животных; результаты их работ можно увидеть в музеях естественных наук в виде поражающих воображение реконструкций скелетов доисторической мегафауны.
Кроме того, электротомография применяется при возведении и при последующей эксплуатации инженерных сооружений: высотных зданий, плотин, дамб, насыпей и других.
Определение диаметра проволоки
Определения удельного сопротивления на практике
Порой для решения практических задач перед нами может встать задача определения состава вещества, например, проволоки для резака пенополистирола. Имеем два мотка проволоки подходящего диаметра из различных неизвестных нам материалов. Для решения задачи необходимо найти их удельное электрическое сопротивление и далее по разнице найденных значений или по справочной таблице определить материал проволоки.
Отмерим рулеткой и отрежем по 2 метра проволоки от каждого образца. Определим диаметры проволок d₁ и d₂ микрометром. Включив мультиметр на нижний предел измерения сопротивлений, измеряем сопротивление образца R₁. Повторяем процедуру для другого образца и также измеряем его сопротивление R₂.
Учтём, что площадь поперечного сечения проволок рассчитывается по формуле
S = π · d2/4
Теперь формула для расчёта удельного электрического сопротивления будет выглядеть следующим образом
Измерение сопротивления куска проволоки
ρ = R · π · d2/4 · L
Подставляя полученные значения L, d₁ и R₁ в формулу для расчёта удельного сопротивления, приведенную в статье выше, вычисляем значение ρ₁ для первого образца.
ρ1 = 0,12 ом мм2/м
Подставляя полученные значения L, d₂ и R₂ в формулу, вычисляем значение ρ₂ для второго образца.
ρ2 = 1,2 ом мм2/м
Из сравнения значений ρ₁ и ρ₂ со справочными данными вышеприведенной Таблицы 2, делаем вывод, что материалом первого образца является сталь, а второго — нихром, из которого и изготовим струну резака.
Автор статьи: Сергей Акишкин
Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.
Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.
Настройка вашего браузера для приема файлов cookie
Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:
- В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
- Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
- Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
- Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
- Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.
Почему этому сайту требуются файлы cookie?
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.
Что сохраняется в файле cookie?
Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.
Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.
Молибденовая проволока
Молибденовая проволока Перейти к содержанию ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ- Удельное сопротивление (Ом – см / Ф)
- 31.000
- Удельное сопротивление (мкОм – см2 / см)
- 5,15
- Коммерческий Допуск сопротивления (для размеров ниже 0,020)
- 3,00%
- Температурный коэффициент сопротивления (Ом / Ом / градус C {от 0 до 100 ° C})
- 0,0033
- Термическая ЭДС против меди
- -.014
- Плотность (гм / см3)
- Плотность (фунты / дюйм3)
- 0,36900
- Модуль Юнга (* 106 PSI)
- 0
- Удельный Нагрев при 20 градусах Цельсия (кал / г)
- 0,064
- Теплопроводность (Вт / см / градус Цельсия)
- 1,397000
- Коэффициент линейного расширения (X 10-6 дюймов / в градусах.C) Градус. C
- 5,4
- Точка плавления ° C
- 2610,00
- Точка плавления ° F
- 4730,00
- Проволока
- Да
- Лента
- Да
- Квадратный
- Да
- Изолированный
- Да
- Гальванический
- Да
- ЭЛЕМЕНТ
- Мо:
- МИН
- 99.9000
- НОРМАЛЬНЫЙ
- 0,0000
- МАКС
- 0,0000
- UTS Hard:
- 320000
- UTS Снятие напряжения
- UTS Отожженный:
- 100000
- YTS Растяжение — твердое:
- 320000
- YTS Растяжение — снятие напряжения:
- 0
- YTs Растяжение — Отожженное
- 100000
- Магнитный
- Нет
- Рабочая температура ° C
- 200.00
- Рабочая температура ° F
- 392,00
Электрическое переключение в тонкопленочных структурах на основе оксидов молибдена
Мы сообщаем об экспериментальном исследовании электрической нестабильности в тонкопленочных структурах на основе оксидов молибдена. Тонкие пленки оксида молибдена получают термовакуумным испарением и анодным окислением. Приведены результаты рентгеноструктурного анализа, исследования оптических и электрических свойств.Показано, что исходный оксид, осажденный в вакууме, представляет собой аморфный MoO 3 . В структурах МОМ (металл-оксид-металл) с пленками оксида Мо, полученными двумя способами, обнаружен эффект электрического переключения с S-образной вольт-амперной характеристикой. Мы выдвинули гипотезу, согласно которой механизм переключения связан с развитием электрической нестабильности, вызванной переходом изолятор-металл в Mo 8 O 23 . Канал переключения, содержащий оксид с более низкой валентностью, появляется в исходной пленке в процессе электрического формирования структуры МОМ.Полученные результаты указывают на возможность применения этих структур в оксидной микро- и наноэлектронике в качестве электронных переключателей и других электронных устройств.
1. Введение
Оксиды переходных металлов (TMO) представляют собой один из наиболее многообещающих классов веществ с точки зрения их использования в разработке электронных компонентов [1]. Система молибден-кислород, как и большинство ТМО, образует ряд оксидов с переменной валентностью катиона, которые характеризуются множеством структурных и физико-химических свойств [1–3].Основными двойными оксидами молибдена являются MoO 2 и MoO 3 .
Диоксид молибдена кристаллизуется в моноклинной структуре, которая образована бесконечными цепочками искаженных октаэдров MoO 6 , грани которых соединены друг с другом за счет сил Ван-дер-Ваальса. Триоксид молибдена MoO 3 имеет слоистую структуру, основным элементом которой является двойной октаэдр со связью MoO 6 [2–5]. Триоксид молибдена имеет несколько полиморфов, и наиболее термодинамически стабильным из них является -MoO 3 (пространственная группа Pnma ).При снижении отношения содержания кислорода к металлу до 2,9 и ниже может образоваться один из семи стабильных или метастабильных субоксидов: Mo 18 O 52 , Mo 9 O 26 , Mo 8 O 23 , Mo 5 O 14 и Mo 17 O 47 , а также η — и γ -Mo 4 O 11 [3].
Стехиометрический MoO 3 — диэлектрик с шириной запрещенной зоны ~ 3 эВ [1]. Во время восстановления за счет образования дефицита кислорода или введения атомов донорной примеси появляются дополнительные донорные уровни вблизи дна зоны проводимости, и поэтому восстановленный оксид ведет себя как полупроводник.Поликристаллический MoO 3 , как и монокристалл, имеет серо-желтый цвет и минимальное значение края поглощения составляет 440 нм, что соответствует наименьшему значению ширины запрещенной зоны 2,8 эВ [6]; таким образом, ширина запрещенной зоны зависит от стехиометрии и кристаллического состояния. Значения электропроводности оксидов молибдена варьируются от диэлектрика MoO 3 до полупроводника Mo 18 O 52 (удельное сопротивление ρ = 78,1 Ом · см) и вплоть до металла η -Mo 4 O 11 ( ρ = 1.66 × 10 −4 Ом · см) [6]. Диоксид молибдена также проявляет металлические свойства [1, 6] (для массивных образцов ρ = 8,8 · 10 −5 Ом · см при комнатной температуре [2]).
Благодаря своим особым физическим и химическим свойствам оксиды молибдена могут найти применение в электронных устройствах, таких как электрохромные дисплеи и индикаторы, обратимые катоды литиевых батарей, газовые сенсоры и элементы памяти [2, 3]. Например, эффекты резистивной коммутационной памяти в структурах на основе оксидов Mo наблюдались в ряде работ [7, 8], а явления фотохромизма и электрохромизма в MoO 3 описаны в [9–11]. ].
Переходы металл-изолятор (MIT) также наблюдались в некоторых оксидах молибдена и родственных ему соединениях. В частности, Mo 8 O 23 демонстрирует двухступенчатую структурную ПМИ с образованием волны зарядовой плотности (ВЗП) при = 315 K и = 285 K [12], а также η -Mo 4 O 11 демонстрирует аналогичные переходы при температурах 109 и 35 K соответственно [13]. Mott MIT описан в R 2 Mo 2 O 7 (где R — редкоземельный элемент) [14], а переход Пайерлса — в квази-1D калийно-молибденовой бронзе K 0.3 МоО 3 [15]. Предполагается, что индуцированный электронами MIT возникает в квази-2D однослойном дисульфиде молибдена [16], а резистивная коммутирующая память в сборках наносфер MoS 2 сообщается в [17]. В работе [18] в водородной бронзе H 0,33 MoO 3 обнаружен ПИТ при = 380 K, связанный с упорядочением атомов H, в отличие от бронз MoO 3 (где A — щелочной металл) и низшие оксиды молибдена (то есть упомянутые выше Mo 4 O 11 и Mo 8 O 23 ), в которых низкотемпературный переход Пайерлса обусловлен нестабильностью поверхности Ферми и образованием ВЗП [19].Кроме того, сообщалось [20] об инверсном (когда низкотемпературная фаза является металлической) MIT в стеклах состава MoO 3 -TeO 2 в диапазоне 230–340 К в зависимости от концентрация оксида молибдена.
Обратите внимание, что переключение памяти наблюдается во многих TMO [8, 21, 22]. Наиболее обсуждаемые в литературе модели механизма ReRAM в оксидных структурах основаны либо на росте и разрыве металлической нити внутри оксидной матрицы под действием электрического тока, либо на окислительно-восстановительных процессах, ответственных за образование некоторых высокоэффективных проводимость или локальные включения с низкой проводимостью, соответствующие определенной кислородной стехиометрии [22].Идеология MIT также иногда используется для объяснения свойств структур и механизма переключения памяти в них [23]. В любом случае, явление переключения памяти, по-видимому, связано с переносом ионов [22, 24]. Здесь также уместно упомянуть работы, в которых обсуждаются эффекты памяти в материале с MIT (диоксид ванадия), связанные с наличием гистерезиса в температурной зависимости проводимости [25].
С другой стороны, моностабильное пороговое переключение (без эффектов памяти), связанное с MIT, также характерно для ряда TMO [22, 26, 27].Поэтому изучение порогового переключения в оксиде молибдена и его возможной связи с явлением MIT представляет значительный научный и практический интерес. Исходя из вышеизложенного, целью данной работы является изучение электрических свойств тонкопленочных структур МОМ («металл-оксид-металл») на основе оксида молибдена и выявление основных закономерностей эффектов электроформования и переключение в этих структурах.
2. Подготовка образцов и методы эксперимента
Тонкопленочные образцы оксида молибдена получали двумя способами: анодным окислением [28] и термовакуумным напылением.
Анодирование молибдена проводили в электролите на основе ацетона (22 г бензойной кислоты плюс 40 мл насыщенного водного раствора буры на литр ацетона) [27, 29]. Предварительную очистку поверхности образцов молибдена производили химическим травлением в 5% -ном водном растворе соляной кислоты с последующей промывкой в дистиллированной воде и сушкой в потоке горячего воздуха. Сразу после анодирования оксид был очень чувствителен к воде и водяному пару. Кроме того, после извлечения образца из электрохимической ячейки остатки электролита из-за быстрого испарения ацетона агрессивно обнажили оксидную пленку после изготовления с образованием неоднородной поверхности.Поэтому после окисления в электролите образцы тщательно промывали чистым ацетоном и мгновенно сушили. Анодное оксидирование проводилось в гальваностатическом режиме; ток составлял = 70 мА (с площадью окисленной поверхности S ~ 1 см 2 ), а время окисления составляло от 5 до 10 минут. Падение напряжения на электрохимической ячейке увеличивалось до значений 30–35 В за первые несколько десятков секунд, а затем достигало насыщения. Такое необычное поведение (отсутствие линейного роста) и относительно высокие значения I a могут быть связаны с высокой электронной проводимостью продукта окисления (который может включать низшие оксиды молибдена, например.g., Mo 4 O 11 и MoO 2 , с относительно высокой электронной проводимостью) и возможное растворение пленки. Наличие в анодном оксиде молибдена низших оксидов подтверждено экспериментальными данными [30], где было показано, что степень окисления (валентное состояние) молибдена в пленке анодного оксида (АОП) меньше шести. Кроме того, это было подтверждено теоретически с точки зрения термодинамики процесса: образование ненасыщенного оксида MoO 2 оказалось энергетически более выгодным, чем MoO 3 [31].
Образцы пленок, осажденных в вакууме, были изготовлены термическим испарением порошка MoO 3 при остаточном давлении 10 –4 Торр на полированные танталовые пластины или стеклянные подложки для электрических и оптических исследований соответственно с использованием вакуумного универсального столба ВУП- 5 М. Использовался специальный испаритель (закрытая лодочка с отверстиями) из танталовой фольги толщиной 0,2 мм. Все подложки подвергались предварительной обработке в спирте, после чего промывались в дистиллированной воде и сушились, а окончательная термообработка проводилась непосредственно в рабочей вакуумной камере ВУП-5 М, где они нагревались до температуры 400 ° С. ° C.Толщина осажденных слоев была определена по интерференционным спектрам пропускания и отражения [32] и составила от 300 до 800 нм. В отличие от АОП пленки вакуумного напыления были устойчивы к атмосферной воде.
Вольт-амперные характеристики образцов измерялись в структурах сэндвич-геометрии с подпружиненным верхним электродом (Au-проволока диаметром 0,5 мм), нижним электродом служил либо молибден (в случае анодного оксида), либо металлический тантал. Образцы подвергались предварительной гальванопластике при напряжении переменного тока, близком к напряжению пробоя, в течение определенного времени.Процесс гальванопластики и кривые I-V после формования исследовали осциллографическим методом [27] (рис. 1) в динамическом режиме переменного тока с использованием цифрового осциллографа OWON PDS 50226 с записью данных на ПК. Все электрические измерения проводились на воздухе в стандартных условиях (комнатная температура, атмосферное давление и влажность; также в некоторых случаях температура менялась от комнатной до 100 ° C).
Рентгеновские исследования выполнены на дифрактометре ДРОН-6 с использованием Fe-излучения, измерения спектров отражения и пропускания — на спектрофотометре СФ-56 в диапазоне длин волн 200–1100 нм.
3. Экспериментальные результаты и обсуждение
Рентгеновская дифрактограмма образца оксида молибдена, осажденного в вакууме, представлена на рисунке 2 (а). Изучение фазового состава и структуры показывает, что образцы представляют собой аморфные образцы MoO 3 с небольшой кислородной нестехиометрией [4].
Пленки анодного оксида на Мо, как и пленки, полученные вакуумным напылением, являются аморфными (или аморфно-микрокристаллическими, согласно литературным данным [29]), но их состав соответствует, как описано выше в разделе 2, скорее MoO 2 и не до высшей окиси.На рис. 2 (б) показаны спектры отражения и пропускания для одного из образцов. Обработка экспериментальных данных с использованием огибающей интерференционных экстремумов [32] дает толщину пленки () нм, а край поглощения около λ ≈ 400 нм указывает на то, что фазовый состав оксида соответствует MoO 3 с запрещенная зона ~ 3 эВ.
Исходные структуры демонстрируют нелинейные и слегка асимметричные вольт-амперные характеристики без областей отрицательного дифференциального сопротивления (NDR).Когда амплитуда приложенного напряжения достигает напряжения формования, наблюдается резкое и необратимое увеличение проводимости, и кривая становится S-образной (Рисунок 3). При увеличении тока характеристика I-V может изменяться до тех пор, пока параметры структуры переключения не будут окончательно стабилизированы. Описанный выше процесс качественно аналогичен гальванопластике коммутационных устройств на основе других TMO [22, 27].
Таким образом, первая стадия формирования не отличается от обычного электрического пробоя оксидных пленок.Однако, если ток после пробоя ограничен (достаточно большим значением; см. Рисунок 1), это приводит к образованию канала переключения, а не канала пробоя. Ожидается, что последний будет иметь металлическую проводимость и не иметь отрицательного сопротивления в характеристике I-V . Совершенно очевидно, что фазовый состав этого канала переключения должен отличаться от материала исходной оксидной пленки, поскольку проводимость канала на несколько порядков превышает проводимость несформированной структуры.
После гальванопластики характеристики I-V , как уже было сказано, имеют S-образную форму (Рисунок 3). Образцы изначально находятся в состоянии высокого сопротивления (ВЫКЛ); когда приложенное напряжение достигает порогового значения, наблюдается резкое увеличение проводимости и образец переходит в состояние низкого сопротивления (ВКЛ). Описанное поведение полностью обратимо, хотя при прямой и обратной развертке напряжения кривые I-V демонстрируют небольшой гистерезис в области NDR.
Кривые I-V для напыленной и анодной пленок качественно схожи, но имеется существенная количественная разница в их пороговых параметрах. Например, напряжение переключения для структур на основе АОФ составляет ~ 2 В (рис. 3 (б)), тогда как для структур на основе пленок, полученных термическим напылением, составляет ~ 10 В (рис. 3 (а)). Это различие можно объяснить разницей в толщине пленок. Из-за неоднородности толщины АОФ (о чем можно судить по неоднородности цвета интерференции) их толщина не измерялась.Однако максимальную (при условии абсолютной эффективности реакции анодного окисления) толщину можно оценить по закону Фарадея [28]:
где μ = 128 г / моль и ρ = 6,5 г / см постоянный. Для = 70 мА и t = 10 мин, (1) дает d ~ 20 нм, что значительно меньше типичной толщины пленок, полученных вакуумным напылением, и, как следствие, пороговое напряжение для АОП также ниже. чем у пленок, полученных термическим напылением.
Следует отметить, что переключение не наблюдается в более тонких пленках, полученных напылением в вакууме ( d <100 нм), в отличие от ультратонких АОФ. Вероятной причиной этого может быть тот факт, что относительно тонкие пленки, осажденные в вакууме, содержат дефекты проводимости по всей толщине из-за локальных вариаций стехиометрии, тогда как такие дефекты невозможны в анодных пленках, поскольку они выращиваются в сильном электрическом поле во время анодного окисления, и появление таких дефектов прервало бы процесс роста пленки.
Далее отметим, что, в отличие от большинства других TMO [22, 27], процесс гальванопластики в структурах на основе Mo был затруднен, как и в структурах на основе оксидов марганца и иттрия [33, 34]; то есть часто происходил обычный электрический пробой, а не образование коммутационного канала. Однако для пленок оксида Мо, полученных вакуумным напылением, процессы гальванопластики и переключения были более стабильными, что позволило в этом случае наблюдать трансформацию кривых I-V при изменении температуры.Было обнаружено, что с повышением температуры пороговое напряжение снижалось. При ~ 55–65 ° C началось вырождение области NDR, при T ≈ 67 ° C → 0, а при еще более высоких температурах эффект переключения больше не проявлялся (рис. 4).
Известно, что при гальванопластике под электродом [27] образуется переключающий канал за счет кристаллизации и частичного восстановления исходного оксида. В случае гальванопластики структур на основе оксидов V, Nb, Ti и Fe наиболее энергетически выгодным (с точки зрения минимума свободной энергии Гиббса Δ в соответствующих реакциях наивысшего восстановления оксида) является образование каналов состоящий из VO 2 , Ti 2 O 3 , NbO 2 и Fe 3 O 4 [27], и общим для всех этих соединений является наличие в них MIT.При этом пороговое напряжение уменьшается с ростом температуры, стремясь к нулю при температуре перехода для каждого из этих соединений.
В этом случае механизм переключения можно описать в рамках модели «критической температуры» [35]. Из-за эффекта джоулева нагрева, когда напряжение достигает критического значения V =, канал нагревается до T =, и структура претерпевает переход из изолирующего выключенного состояния в металлическое включенное состояние.Это в точности модель «критической температуры» (то есть простой электротермический механизм, хотя и учитывающий специфическую зависимость σ ( T ) материала в MIT), хотя сам механизм MIT таков: конечно, по сути электронная. В этой модели
то есть квадрат порогового напряжения линейно стремится к нулю при T → (см. рис. 4, вставка). Отметим, что значение в (2) не совпадает в точности с равновесной температурой перехода для ПМИ в конкретном материале: например, для диоксида ванадия она в (2) может изменяться в диапазоне 310–330 К, тогда как температура МИТ в отсутствие электрического поля в этом соединении составляет 340 К [1, 22, 27, 31, 35].
Можно предположить, что в случае Мо также имеет место образование канала, и этот канал должен состоять из материала, демонстрирующего ПМИ, что является причиной переключения с S-образной вольт-амперной характеристикой (рисунок 3). .
Краткий обзор материалов с MIT в семействе соединений молибдена (см. Раздел 1) показывает, что наиболее подходящим кандидатом на роль такого «канального» соединения является Mo 8 O 23 , потому что в этом случае значение практически совпадает с экспериментально измеренным выше сообщенным.Следует отметить, что образование других соединений молибдена (например, пирохлоров, бронз, сульфидов или халькогенидных стекол), демонстрирующих МИТ с близкими по порядку величинами температур перехода [14–18, 20], невозможно из-за отсутствия необходимых химические элементы (т.е. редкоземельные элементы, щелочные металлы или водород, сера и теллур) в фазовом составе как оксидной пленки, так и металлических электродов (Au, Ta, Mo).
4. Заключение
Представленные в этой статье результаты переключения из состояния с высоким сопротивлением в состояние с низким сопротивлением с помощью NDR S-типа в оксидах молибдена, полученных как термическим вакуумным осаждением, так и электрохимическим анодным окислением, показывают, что эффект переключения является из-за, по-видимому, фазового перехода диэлектрик-металл в коммутационном канале, полностью или частично состоящем из низшего оксида Mo 8 O 23 , образовавшегося в исходной пленке в процессе гальванопластики.Ток, протекающий по каналу, нагревает его до температуры MIT = 315 K [12], и структура переходит в металлическое низкоомное состояние.
Таким образом, каналы, состоящие из этого низшего оксида, образуются в исходных пленках оксида Мо в процессе предварительной гальванопластики. Электроформирование приводит к изменениям стехиометрии кислорода, обусловленным ионными процессами в электрических полях, близких к полю пробоя структуры МОМ. Эта картина очень похожа на то, что наблюдается во многих других TMO, демонстрирующих переходы изолятор в металл [15, 22, 27, 33–35].Полученные результаты по пороговому переключению в тонкопленочных структурах МОМ с оксидами молибдена указывают на возможность применения этого материала в оксидной электронике в качестве микро- и наноструктурированных переключающих элементов и других электронных устройств.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации данной статьи.
Благодарности
Работа поддержана Программой стратегического развития Петрозаводского государственного университета (2012–2016 гг.) И Минобрнауки РФ как базовая часть Госпрограммы №1.2014/154 в научной сфере, Проект № 1704 и государственной программе № 3.757.2014 / К.
Теория энергонезависимого резистивного переключения в однослойном дисульфиде молибдена с пассивными электродами
Межатомные силы в моделировании МД данного исследования вычисляются с использованием реактивного силового поля (ReaxFF), которое может моделировать химические реакции, такие как разрыв и образование связей, с точностью, близкой к к моделированию ab initio с гораздо меньшими вычислительными затратами 16 .ReaxFF уже использовался для моделирования процесса образования филаментов в мемристивных устройствах на основе оксидов 12 . Здесь мы используем потенциал ReaxFF, разработанный для MoS 2 17 , который предсказывает структурные и механические свойства, динамику дефектов и фазовый переход однослойного MoS 2 с превосходной точностью 17,18 .
Предыдущие теоретические и экспериментальные исследования показали, что моновакансии S являются наиболее распространенным и стабильным дефектом в MoS 2 19,20 .Эксперименты на MoS 2 NVRM также убедительно свидетельствуют о том, что дефекты вакансий S играют решающую роль в RS монослоя MoS 2 11,14,15 . Недавно сообщалось о мемристивном действии, вызванном фазовым переходом от H к H d и T d в 2H – MoTe 2 4 . Это, однако, крайне маловероятно в случае 2H-MoS 2 , потому что (1) это хорошо изученный материал и о каких-либо метастабильных фазах, таких как H d , никогда не сообщалось, (2) Mo-S Связи MoS 2 значительно прочнее и труднее деформируются по сравнению со связями Mo-Te в MoTe 2 (дополнительная таблица 1), и (3) изолирующий фазовый переход 2H в металлический 1T затруднен в MoS 2 высоким энергетическим барьером 18,21 .
Появление атома серы
Структура устройства, используемого для моделирования методом МД, показана на рис. 1a, c. В большинстве симуляций не используются явные электроды из-за отсутствия подходящих реактивных силовых полей, но две стенки Леннарда-Джонса (LJ), приспособленные для имитации взаимодействий графен-MoS 2 , размещаются сверху и снизу, чтобы обеспечить MoS 2 слой необходимой механической опоры [см. «Методы»]. В наших обширных тестовых симуляциях в критическом поле 2.85 VÅ −1 , примечательное событие наблюдается в точках вакансий. Из-за силы, создаваемой приложенным полем, атом S, находящийся непосредственно над вакансией, «выскакивает» на плоскость атомов Mo и задерживается там (рис. 1b, d).
Рис. 1: Детали «выскакивания».a Схема начальной атомной конфигурации монослоя MoS 2 с единственной вакансией S, помещенной между двумя стенками графенового ДЖ. Фиолетовый и желтый шары соответственно представляют атомы Mo и S.Сайт вакансии выделен красным пунктирным кружком. Стенки графена представлены прозрачными голубыми листами сверху и снизу монослоя MoS 2 . b Атомная конфигурация системы после приложения электрического поля 2,85 ВА −1 в течение 1 нс. Увеличенное изображение вида сбоку атомов вокруг вакансии c до и d после приложения E-поля. Вертикальная стрелка указывает направление электрического поля ( E ).DFT рассчитала плотность состояний модели суперячейки 10 × 10 монослоя MoS 2 с моновакансией S e до и f после S «всплытия». g График изоповерхности спроецированной энергии заряда для состояний, очень близких к уровню Ферми. h Кумулятивная PDOS атомов Mo и S, которые попадают в круговые области разного радиуса вокруг вытолкнутого атома S.
Чтобы получить представление об изменении проводимости из-за выскакивания атомов S, мы вычисляем плотность состояний (DOS) с помощью DFT.ПЭС сверхъячейки 10 × 10, несущей моновакансию S (0,33% или ~ 10 13 см −2 концентрация вакансий), показывает ширину запрещенной зоны около 1,67 эВ с нулевыми состояниями на уровне Ферми и состоянием, индуцированным небольшими дефектами вблизи зона проводимости (рис. 1д). Удивительно, но выталкивание атомов S вызывает появление новых состояний на уровне Ферми и вокруг него, а также еще два дефектных состояния в запрещенной зоне (рис. 1f), что указывает на металлическую природу вытянутой конфигурации. На рис. 1g изображена энергетическая плотность заряда для состояний на уровне Ферми и вокруг него.В дополнение к этому показаны проецируемые DOS (PDOS) для всех атомов, находящихся в кругах с разными радиусами с центром вокруг вытолкнутого атома (рис. 1h). Очевидно, что основной вклад в металлические состояния вносят атомы, расположенные внутри круга радиусом 5 Å (область 0,785 нм, 2 ) вокруг выскочившего атома. Мы называем эту область «виртуальной нитью», поскольку она функционально имитирует проводящую нить мемристоров на основе оксида 1,12 . Также интересно отметить, что, несмотря на то, что атом S занимает межузельное положение после выталкивания, параметры решетки в плоскости минимально расширяются (около 0.26%), что делает пренебрежимо малым эффектом деформации электронной структуры.
И DFT, и ReaxFF предсказывают, что одиночная S-образная автономная структура MoS 2 будет менее стабильной, чем конфигурация родительской S-вакансии, более чем на 1,4 эВ. Хотя в автономной форме и при 0 K эта разница в энергии весьма значительна, все кардинально меняется, когда вводятся стенки LJ, комнатная температура (300 K) и электрическое поле. После запуска ReaxFF MD при 300 K с приложенным полем 2,85 ВА -1 , та же структура становится около 0.86 эВ более стабильны после появления S с точки зрения средней потенциальной энергии (без учета энергии, получаемой от поля). Когда снимки этих двух структур (вакансия и всплытие) выполняются при 300 К без приложенного поля, вспученная структура оставалась более стабильной, чем ее родительская структура с вакансией, со средней разностью энергий 0,73 эВ, что указывает на энергонезависимую природу перехода. Чтобы получить более полное представление об энергии активации этого перехода, мы выполняем вычисления эластичной ленты с подталкиваемым изображением (CINEB) 22,23 между этими двумя усредненными по положению структурами с использованием ReaxFF [см. «Методы»].При нулевом смещении барьер прямого перехода из вакансии в всплывающее состояние составляет около 0,95 эВ, в то время как обратный барьер оказался около 1,81 эВ, причем оба они являются относительно высокими для любой диффузии при 300 К. Однако прямой барьер, который запрещает выталкивание S, может монотонно уменьшаться с помощью положительного электрического поля, как показано на дополнительном рис. 1a. При очень высоком поле 3,5 В -1 прямой барьер становится всего 0,3 эВ, тогда как при 2,5 В -1 , близком к пороговому полю для лопания, высота барьера равна 0.6 эВ. Чтобы проанализировать химические свойства этого явления выскакивания и проверить надежность прогнозов, сделанных ReaxFF, мы проводим дальнейший анализ на основе DFT, результаты которого сведены в Таблицу 1. Можно заметить, что ReaxFF успешно воспроизводит предсказанные DFT. тенденция для сборов и заявок на облигации. Хотя плата за ReaxFF значительно занижена по сравнению с оплатой за Bader 24 , прогнозы DDEC и порядка облигаций 25,26 довольно близки.Значения интегрированной популяции кристаллических орбиталей перекрытия (ICOOP) количественно определяют порядок связи конкретных связей, тогда как значения интегрированной кристаллической орбитальной популяции Гамильтона (ICOHP) 27,28 обеспечивают оценку прочности связи (чем больше отрицательное, тем сильнее). Оказывается, что после вспенивания связи Mo – S становятся значительно более прочными, чем нормальные связи Mo – S или вакансия-S-соседний-Mo, как показано с помощью анализа порядка связи DDEC и ReaxFF и анализа прочности связи ICOHP. Это также подтверждает относительно более высокую стабильность вытянутой конфигурации.Дополнительный рис. 2 иллюстрирует график разности зарядов вытянутой структуры в соответствии с конфигурацией родительской вакансии. Это наглядно подтверждает, что вспученное состояние действительно является дефектом акцепторного типа, который вводит в систему локализованные металлические состояния.
Таблица 1 Химическое понимание S «всплывающего окна».Биполярное переключение
Из-за гораздо более прочных связей и чрезвычайно высокого барьера обратной энергии требуется значительная сила, чтобы вернуть вытолкнутый атом S обратно в его исходное положение.Наше обширное тестовое моделирование показывает, что силы, создаваемые даже сильными обратными E-полями, недостаточны для возвращения атома. Это согласуется с результатами расчетов CINEB с отрицательными полями, показанными на дополнительном рис. 1b. Монотонный декремент обратного барьера очевиден с увеличением абсолютной величины обратного поля. Однако, в отличие от прямого барьера, влияние электрического поля на обратный барьер вряд ли имеет значение по сравнению с высотой нулевого смещения.
Тем не менее, комбинация подходящего отрицательного поля и высокой локальной температуры, которая моделирует джоулева нагрев из-за сильного тока, протекающего в проводящих областях, восстанавливает исходное расположение атомов. Доминирующая роль джоулева нагрева в разрыве проводящих нитей в традиционных устройствах RS на основе оксидов уже хорошо известна 29,30,31 . В 2D-мемристивных устройствах также наблюдался эффект нагрева из-за высокого тока в низкоомном состоянии (LRS) 32 .Недавно Akinwande et al. сообщили о настройке термической оптимизации, чтобы минимизировать повышение температуры в переключателе hBN 9 , а через личное общение мы узнали, что значительное нагревание также наблюдалось в их устройствах на основе MoS 2 . Следовательно, мы можем предположить, что джоулев нагрев является критическим фактором в процессе сброса 2D NVRM. В МД эффект джоулева нагрева реализуется за счет повышения температуры всех атомов, находящихся в радиусе 5 Å вокруг вытолкнутого атома.
Чтобы представить полное атомистическое повествование о механизме переключения, мы выполнили долгосрочное моделирование МД с последовательным изменением электрического поля, как показано на рис.2. Исследуемый образец MoS 2 18,9 нм × 26,5 нм (дополнительный рис. 3) имеет 12 рассеянных моновакансий S на нижней S-плоскости (концентрация составляет около 0,08% или ~ 2 × 10 12 см −2 в том же порядке, что и в ссылке 3 .). После начального нагрева в течение 1 нс и прогона T = 300 K в течение еще 1 нс последовательно прикладываются медленно меняющиеся импульсы электрического поля, каждый шириной 1 нс. События всплеска инициируются при положительном поле 2,75 VÅ -1 , где 3 атома S из 12 вакансий попадают в плоскость Mo.При увеличении поля до 2,85 VÅ −1 количество населенностей увеличивается до 10, в то время как одиночный атом S перемещается непосредственно в место вакансии. Дальнейшее увеличение поля до 3 В. -1 выталкивает одинокий оставшийся атом, увеличивая счетчик заселенностей до 11. На рис. 2а показаны изменения электрического поля и количества вытолкнувшихся атомов в зависимости от времени моделирования.
Рис. 2: Характеристики биполярного переключения монослоя MoS 2 , состоящего из 12 S моновакансий в одной плоскости.a График приложенного электрического поля и № выскочивших атомов по сравнению со временем моделирования. b График гистерезиса, показывающий изменение количества вытолкнутых атомов с приложенным полем. Порядок применения поля: 0 → 3 → 0 → −2,5 → 0. Атомистические снимки увеличиваются в местах вакансий в разные моменты времени, отображая различные события, c начальное местоположение вакансии (4 нс), выталкивание атома S после установки (10 нс), возвращение атома после сброса (15 нс), d вторичный щелчок (32 нс) во время сброса и его восстановление (35 нс) с положительным полем 2 ВА -1 в следующем цикле и e локализованное искажение во время сброса (32 нс) и его восстановления (36 нс ).Черные, красные и зеленые стрелки выделяют места вакансий, вторичные выталкиваемые атомы и искаженные места.
Образование небольших токопроводящих дорожек вокруг вакансий должно приводить к значительному увеличению локальной температуры из-за джоулева нагрева. Обычно изменение температуры связано с подачей электроэнергии 31 . Поскольку нам не хватает каких-либо знаний об электрической мощности при атомистическом моделировании, температура увеличивается пропорционально приложенному полю. При экспериментальных измерениях ток согласования устанавливается для защиты устройства от постоянного выхода из строя во время установленного процесса, в то время как в процессе сброса соответствие по току удаляется 3,15 .Наше тестовое моделирование также показывает, что повышение локальной температуры до очень высокого значения во время установленного процесса искажает и необратимо повреждает структуру. Таким образом, мы присвоили температуре проводящих нитей хорошо проверенное эмпирическое значение 790 K при поле 3 VÅ −1 , чтобы исключить возможность структурных искажений. Следовательно, скорость изменения температуры в установленном процессе становится примерно 164 кВ -1 Å. Мы рассмотрели 19 атомов в радиусе 5, окружающих центры вакансий, как зону филамента, и сразу после всплытия локальная температура этих зон повышается до заданных температур.Даже когда поле уменьшается до нуля, количество выталкиваемых атомов остается неизменным, демонстрируя функцию энергонезависимой памяти.
Для сброса устройства электрическое поле прикладывается в обратном направлении, и одновременно повышается температура виртуальных нитей. Опять же, после выполнения строгого тестового моделирования, чтобы гарантировать максимальную отдачу за относительно короткое время моделирования, не вызывая каких-либо структурных искажений, мы эмпирически приняли максимальные значения обратного поля и соответствующую локальную температуру равными -2.5 VÅ −1 и 1190 K соответственно, что соответствует скорости 355 KV −1 Å. Аналогичные настройки использовались ранее для успешного моделирования устройств RRAM на основе углерода, в которых применяется локальная температура> 2200 К для инициирования разрыва проводящего пути, вызванного плавлением 33 . Изменение локальной температуры с E-полем показано на дополнительном рис. 4a, b. Событие сброса начинается при -1,75 ВА -1 . Дальнейшее увеличение обратного поля до -2.25 и −2,5 VÅ −1 с соответственно повышенной локальной температурой приводит к успешному возвращению всех 11 вытолкнутых атомов в их исходные положения. Локальный нагрев существенно не изменяет общую температуру образца, повышая ее только примерно на 5-7 К. На трех снимках рис. 2с показаны начальная моновакансия S, выталкивание атома S во время SET и возврат во время сброса. . После поля максимального сброса общее количество срабатываний падает до 0 с 11, что указывает на переключение сопротивления. Электрическое поле далее уменьшается до нуля, а количество популяции остается прежним.График гистерезиса показан на рис. 2б. Видеозаписи циклов установки и сброса включены в дополнительные материалы.
Чтобы оценить согласованность различных задействованных процессов, мы выполнили еще один цикл полной установки и сброса, используя те же входные параметры, что и первый цикл. После установки общее количество щелчков достигает 11. Во втором цикле некоторые аномальные события, такие как вторичные хлопки и локальное искажение, происходят во время процесса сброса. Вторичный всплеск означает выталкивание соседнего атома S первичного выталкиваемого атома в плоскость Мо.На первом снимке фиг. 2d показан вторичный щелчок во время состояния сброса. Как видно из рисунка, первичный вытолкнутый атом возвращается в свое исходное положение, в то время как другой соседний атом S, не связанный с какой-либо вакансией, выскакивает в плоскость Мо. Расчеты DFT показывают, что вторичные выскочившие атомы функционально эквивалентны первичным выскочившимся атомам (дополнительные рисунки 5–7). Следовательно, вторичные взорванные атомы включаются в общее количество заселенностей, и оба рассматриваются одинаково с точки зрения локальной температуры.Во втором цикле после сброса общее количество щелчков падает до 3. Локальное искажение во время сброса изображено на первом снимке фиг. 2e. Чтобы изучить влияние вторичных щелчков и локальных искажений в последующих циклах, мы далее последовательно применяем более короткие (0,5 нс каждый) положительные импульсы 2 и 2,75 В Å −1 . Интересно, что вторичные шипы и локальные искажения полностью восстанавливаются под прямыми полями (рис. 2d, e).
Падение количества вытянутых атомов для первого цикла составляет 100%, а во втором — около 73%.Мы смоделировали другой образец с 24 вакансиями (0,16% или ~ 4 × 10 12 см −2 концентрации), где количество популяции уменьшилось примерно на 82% после сброса (дополнительный рис. 8a, b). Поскольку удельное сопротивление напрямую связано с количеством населенностей, наличие значительных вакансий в реалистичных образцах должно привести к значительному изменению его удельного сопротивления.
Униполярная коммутация
Далее мы сосредоточимся на механизме униполярной коммутации. Для этого требуется, чтобы поле сброса применялось в том же направлении, что и заданное.В нашем МД-моделировании для униполярных операций наблюдаются два типа событий. Во время процесса установки атомы S из верхней плоскости S попадают в плоскость Mo, но во время процесса сброса некоторые атомы S возвращаются в свое исходное положение, то есть в верхнюю плоскость S (рис. 3c), а некоторые перемещаются в исходное положение вакансии, т. е. нижняя S-плоскость (рис. 3d). Это событие, очевидно, перезагрузит устройство, но значительно ограничит циклическую выносливость, поскольку атомы, которые переместились в прежние места вакансий, не могут быть снова вытолкнуты с той же полярностью поля.Мы заметили, что только при очень высокой локальной температуре количество атомов, возвращающихся в свое исходное положение, становится устойчивым в долгосрочной перспективе. В недавнем экспериментальном исследовании 15 было упомянуто, что для сброса устройства для униполярного переключения требуются высокий ток и плотность мощности, что указывает на то, что джоулев нагрев играет определяющую роль в восстановлении состояния с высоким сопротивлением (HRS). В то время как биполярное переключение представляет собой комбинированный эффект электрического поля и джоулева нагрева, в механизме униполярного сброса, по-видимому, преобладает только эффект локального нагрева.Высокий ток, продемонстрированный при очень низком напряжении во время процесса униполярного сброса 3 , также указывает на эту гипотезу. Чтобы смоделировать экспериментальное наблюдение, мы применили минимальное положительное поле 0,02 VÅ −1 и увеличили локальную температуру виртуальных зон волокна до 1300 K. Мы снова моделируем два последовательных цикла (рис. 3a, b) и наблюдаем что 80% всех выскочивших атомов вернулись на свои исходные позиции в обоих случаях.
Рис. 3. Униполярные коммутационные характеристики монослоя MoS 2 , состоящего из 12 S моновакансий.a График приложенного электрического поля и № выскочивших атомов по сравнению со временем моделирования. b График гистерезиса, показывающий изменение количества вытолкнутых атомов с приложенным полем. Порядок применения поля: 0 → 3 → 0 → 0,02 → 0. При сбросе локальная температура вокруг вытолкнутых атомов повышается до 1300 К. Моментальные снимки атома увеличиваются в местах вакансий, отображая выскакивание атома c S во время набора (8 нс) и возвращение вытолкнутого атома в его исходное положение после сброса ( 12 нс), и d выскакивание атома S (8 нс) и перемещение в противоположную плоскость (12 нс).
Устройство с явными графеновыми электродами
Мы расширяем это исследование, чтобы изучить влияние реальных графеновых электродов на дефектную структуру MoS 2 во внешнем поле. Для этих систем взаимодействия C – Mo, C – S и C – C описываются с помощью реактивного силового поля. Обратите внимание, что полная обработка ReaxFF с явными графеновыми электродами чрезвычайно затратна в вычислительном отношении. Таким образом, мы смогли смоделировать лишь несколько «игрушечную систему» с гораздо меньшим числом активных атомов MoS 2 и гораздо более коротким масштабом времени [см. «Методы»].Однако эти симуляции необходимы для проверки пассивной природы графеновых электродов и проверки согласованности других процессов, наблюдаемых в системах на основе LJ-стенок. Две отдельные границы раздела графен-MoS 2 образуются со средней деформацией 1,95% и 0,35% соответственно [до релаксации, см. «Методы»]. На одной стороне чешуйки MoS 2 размещен единственный отдельно стоящий слой графена, тогда как на другой стороне используется двухслойный графен, а атомы самого внешнего слоя остаются фиксированными, чтобы имитировать поведение объемного электрода.Эта конфигурация имитирует экспериментальную установку, в которой объемный субстрат с одной стороны поддерживает устройство. Помимо чешуйки MoS 2 , электрическое поле приложено к соседним слоям графена. Как и в системе на основе стенок ЛД, выскакивание атомов S наблюдается и в явной системе графен – MoS 2 . Однако оказалось, что пороговое электрическое поле для всплеска сильно зависит от деформации интерфейса. На рис. 4а мы изобразили количество выстреливаемых атомов с величиной импульсов электрического поля, приложенных к системе графен – MoS 2 – графен с высокой (средняя деформация 1.95%) и низкие (средняя деформация 0,35%) межфазные деформации. В случае сильно напряженной структуры событие хлопка происходит даже при низком поле 1 VÅ -1 , тогда как для структуры с низкой деформацией требуется высокое поле около 3 VÅ -1 , чтобы вытолкнуть S атомы. Как видно из рисунка, из десяти вакансий максимум шесть атомов выталкиваются при импульсах электрического поля 1,5 и 2 ВА −1 для высокодеформированной границы раздела. Постепенное приращение приложенного поля с помощью длительных импульсов, как это сделано для системы на основе неявных стен, помогло бы увеличить количество популяции и достичь его верхнего предела.На рис. 4b мы показали импульсы приложенного электрического поля со временем моделирования и соответствующий увеличенный вид сбоку сильно деформированной (1,95%) структуры графен-MoS 2 -графен вблизи местоположения S-вакансии. Поскольку значительный всплеск происходит при 1,5 В -1 , мы применили импульс электрического поля 1,5 В -1 для настройки устройства и обратный импульс -1,5 В -1 для его сброса, оба продолжительностью 1 нс. широкий. Во время сброса местная температура повышается до 1200 К.Мы также выполнили расчеты CINEB для систем с низкой и высокой деформацией, чтобы определить высоту прямого и обратного барьера для S-выталкивания. При нулевом смещении прямой (обратный) барьер составляет 1,03 эВ (1,59 эВ) для системы с высокой деформацией (рис. 4c) и 1,2 эВ (1,44 эВ) для системы с низкой деформацией (рис. 4d). Это согласуется с изменением критического электрического поля для лопания с деформацией (рис. 4а). Мы наблюдаем локальный минимум сразу после барьера, который, вероятно, возникает из-за того, что конечные точки представляют собой усредненные по положению структуры (до и после взрыва).Однако для согласованности мы рассчитали высоту барьера только по отношению к конечным точкам. Для этого случая также наблюдается последовательный монотонный декремент переднего барьера с ростом электрического поля (рис. 4в, г). Отметим, что в то время как прямой барьер для системы неявных графеновых стенок MoS 2 (0,86 эВ) ниже, чем у явной системы графен – MoS 2 (1,03 эВ), критическое поле для всплеска намного больше (2,75 и 1 VÅ -1 ) для первого случая.Существует общая тенденция к переоценке критического поля, когда взаимодействие электрод-MoS 2 моделируется через потенциал LJ вместо полного реактивного потенциала, что также отражено в других наших моделированиях [см. Обсуждение и SI]. Причина этого пока не ясна. Однако собственное выталкивание атомов S происходит для обеих систем независимо от используемого электродного потенциала, что качественно подтверждает устойчивость этого механизма. Хотя система MoS 2 с неявными стенками из графена переоценивает критическое электрическое поле для установки и сброса, это недорогая система в вычислительном отношении и подходит для проверки циклических характеристик устройства, хотя и в некоторой степени качественно.
Рис. 4: Эффект явных графеновых электродов.a Счетчик популяции для систем с высокой и низкой деформацией и различными электрическими полями. Всего в обеих системах по десять вакансий. b График приложенного электрического поля со временем моделирования и соответствующие увеличенные изображения сбоку около вакансии графена (монослой) –MoS 2 –графен (бислой) системы. Средняя межфазная деформация между графеном и MoS 2 равна 1.95%. Самый внешний слой графена оставался фиксированным во время моделирования. Положительное поле означает поле, приложенное сверху к нижнему электроду, а отрицательное поле означает поле, приложенное снизу вверх. Для хлопка прикладывается импульс электрического поля 1,5 В Å -1 , а для возврата — 1,5 В Å -1 импульс вместе с локальной температурой 1200 К. Зависящие от электрического поля энергетические барьеры активации для выталкивания атома S (прямая реакция) для графена (монослой) –MoS 2 –графен (двухслойный) c высокодеформированная и d низко деформированная системы.Обратите внимание, что энергия на оси y является относительной и представляет только высоту барьера и относительную разность общей энергии между двумя конечными точками. Следовательно, с этих графиков можно сравнивать только барьеры под действием различных электрических полей, а не абсолютные значения полных энергий. Расчеты CINEB были выполнены с учетом вкладов потенциальной энергии от электрических полей.
MatWeb, ваш источник информации о материалахЧто такое MatWeb? MatWeb’s база данных свойств материалов с возможностью поиска включает паспорта термопластов и термореактивных полимеров, таких как АБС, нейлон, поликарбонат, полиэстер, полиэтилен и полипропилен; металлы, такие как алюминий, кобальт, медь, свинец, магний, никель, сталь, суперсплавы, сплавы титана и цинка; керамика; плюс полупроводники, волокна и другие инженерные материалы. Преимущества регистрации в MatWeb Как найти данные о собственности в MatWebНажмите здесь, чтобы узнать, как войти материалы вашей компании в MatWeb. У нас есть более 150 000 материалы в нашей базе данных, и мы постоянно добавляем к этому количеству, чтобы предоставить Вам доступен самый полный бесплатный источник данных о собственности материалов в Интернете. Для вашего удобства в MatWeb также есть несколько конвертеров. и калькуляторы, которые делают общие инженерные задачи доступными одним щелчком мыши кнопки. MatWeb находится в стадии разработки.Мы постоянно стремимся найти лучшее способы служить инженерному сообществу. Пожалуйста, не стесняйтесь свяжитесь с нами с любыми комментариями или предложениями. База данных MatWeb состоит в основном из предоставленных таблиц данных и спецификаций. производителями и дистрибьюторами — сообщите им, что вы видели их данные о материалах на MatWeb. |
|
Напыленные двухслойные тонкие пленки Mo с уменьшенной толщиной и улучшенным электрическим сопротивлением
Благодаря своим замечательным свойствам, таким как высокая термическая стабильность при повышенных температурах, хорошая адгезия, замечательная электропроводность [1, 2] и высокая отражательная способность [3] ], молибден (Mo) широко используется в качестве заднего контактного слоя, особенно в тонкопленочных солнечных элементах на основе халькопирита (CuInGaSe 2 ) [4–6].Превосходство Mo, который обеспечивает выход Na из подложки из известково-натриевого стекла (SLG) в слой поглотителя CIGS из-за его столбчатой микроструктуры, а также его роли в качестве заднего отражателя для падающего света [3], приводит к улучшенным эффективность солнечных батарей. Таким образом, спрос на Мо быстро увеличился в течение последнего десятилетия, особенно для использования в фотоэлектрической промышленности CIGS, с годовым объемом производства в настоящее время до четверти миллиона метрических тонн [7, 8].
Наиболее часто используемым методом нанесения слоя Mo является распыление [6, 9–11], поскольку более высокая эффективность преобразования может быть достигнута с помощью обратного контакта распыляемого Mo.Слой Mo с высокой отражательной способностью, низким удельным сопротивлением и хорошей адгезией является наиболее желательным для использования в солнечном элементе CIGS. Однако это сложная задача, поскольку может оказаться невозможным получить желаемую пленку Мо даже при правильном выполнении напыления. Например, коэффициент отражения уменьшается при приложении давления газа [4] и увеличивается за счет мощности плазмы [6]. Более того, увеличение давления улучшает адгезию и снижает удельное сопротивление [5], в то время как удельное сопротивление уменьшается при приложении температуры [12].Чтобы преодолеть компромисс, особенно между удельным сопротивлением и адгезией (поскольку это основные требования), Скофилд попытался сформировать двухслойную структуру Mo, состоящую из двух режимов осаждения, начиная с высокого давления для хорошей адгезии, а затем продолжая с низким давлением в для достижения высокой проводимости [13]. Соответствующая литература показывает, что двухслойная структура Mo демонстрирует лучшие адгезионные свойства, в то время как ее электрические свойства все еще требуют улучшения [14]. Чтобы получить Mo-бислой, который отвечает всем требованиям для надлежащего обратного контакта, параметры роста, такие как температура подложки [15], давление рабочего газа [5] и мощность [16], должны быть тщательно отрегулированы.Многим исследователям удалось получить двухслойную тонкую пленку Mo с желаемыми свойствами в приблизительном микронном масштабе [5, 15]. Однако необходимо уменьшить толщину, а также снизить затраты на материалы без ущерба для качества.
В этом исследовании мы изучили способы получения более адгезивной и более тонкой двухслойной пленки Mo с низким удельным сопротивлением и высокой отражательной способностью, сначала оптимизировав свойства однослойного Mo. После изменения температуры осаждения от комнатной температуры (RT) до 400 ° C, чтобы найти наименьшее удельное сопротивление, мы исследовали влияние давления газа в диапазоне от низкого до высокого на адгезию монослоя Mo.Затем мы использовали информацию о температуре и давлении, полученную в результате оптимизации однослойного Mo, для нанесения двухслойной пленки Mo с превосходными свойствами. В результате нам удалось получить очень тонкий бислой Mo, удельное сопротивление и отражательная способность которого были чрезвычайно низкими и высокими соответственно, который также показал сильную адгезию, кристалличность и морфологию поверхности.
Mo-single и бислои были нанесены на подложки из известково-натриевого стекла (SLG), очищенные обычным методом RCA, с помощью магнетронного распыления на постоянном токе с использованием мишени из Mo с высокой степенью чистоты (99.95%). Расстояние между мишенью и подложкодержателем было фиксированным во всех напылениях. Базовое давление было установлено примерно 2 × 10 -6 Торр, что достаточно мало для начала процесса. Чтобы удалить загрязнения с целевой поверхности, перед фактическим нанесением применялось предварительное распыление. Во всех следующих осаждениях в камеру вводили сверхчистый газ Ar (99,999%), и подложку вращали со скоростью 8 об / мин для достижения равномерного образования пленки.Первоначально влияние температуры подложки и давления рабочего газа на структурные и электрические свойства монослоя Mo было исследовано путем разделения процедур роста для оптимизации. Сначала осаждение пленки Mo проводили под давлением газа 12 мТорр при различных температурах подложки от RT до 400 ° C. Давление газа изменялось от низкого до высокого, устанавливая температуру на уровне 300 ° C. Затем, чтобы получить двухслойный Mo, сначала наносили нижний слой при высоком давлении 24 мТорр (HPS), а затем наносили верхний слой при низком давлении 3 мТорр (LPS) без каких-либо перерывов в работе. процесс.Влияние температуры подложки на кристаллические свойства как однослойных, так и двухслойных пленок Mo было исследовано с помощью дифракции рентгеновских лучей (Rigaku Smartlab) с излучением CuK α . Затем морфологию поверхности и микроструктуру образцов наблюдали с помощью сканирующего электронного микроскопа (Nova nanoSEM 430). Электрические параметры образцов были исследованы с использованием как четырехзондового, так и бесконтактного методов для проверки достоверности результатов. Измерение коэффициента отражения проводилось с использованием спектрометра UV-vis-NIR (модель Jasco V-670) в диапазоне 300-1800 нм.Затем использовали скотч для проверки адгезии пленок к подложкам.
3.1. Влияние температуры роста на формирование однослойного Mo
Морфология слоев Mo, выращенных при 12 мТорр и повышенных температурах роста, начиная с RT, видимых на изображениях SEM (не показаны), существенно не отличается, так как температура оказывает большее влияние на кристаллические свойства, а не их морфология. Спектры XRD демонстрируют, что все тонкие пленки имеют ориентацию (110), что доказывает кристаллическое образование [14] независимо от температуры роста, как показано на рисунке 1.Структурные параметры, рассчитанные с использованием сдвига основного (110) пика XRD (вставка на рис. 1), сведены в таблицу 1. Значение FWHM пропорционально уменьшается с увеличением температуры до 300 ° C, становясь в этой точке самым низким. Как следствие, размер кристаллов, рассчитанный по формуле Шеррера [17], является наибольшим, а плотность дислокаций и деформация соответственно наименьшими при этой температуре роста. Таким образом, из этих результатов можно сделать вывод, что тонкая пленка Mo, выращенная при 300 ° C, имеет лучшие структурные свойства и что небольшое ухудшение начинает проявляться при дальнейшем увеличении температуры роста, как показано в таблице 1.
Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения
Рис. 1. XRD-спектры тонких пленок Mo при различных температурах роста. На вставке — увеличенное изображение основного пика ориентации (110).
Загрузить рисунок:
Стандартный образ Изображение высокого разрешенияТаблица 1. Структурные свойства тонких пленок Мо, рассчитанные по основному пику с использованием спектров XRD.
| Температура (° C) | FWHM (градусы) | Размер кристалла (нм) | Плотность дислокаций * 10 14 | Деформация (ε) |
|---|---|---|---|---|
| РТ | 0,78 | 10,86 | 84,79 | 0,0034 |
| 100 | 0,37 | 22,89 | 19,08 | 0,0016 |
| 200 | 0.31 | 27,59 | 13,13 | 0,0013 |
| 300 | 0,26 | 33,22 | 9,06 | 0,0011 |
| 400 | 0,37 | 23,02 | 18,87 | 0,0016 |
Вариации поверхностного сопротивления тонких пленок Мо можно увидеть на рисунке 2. Графики, полученные с использованием как бесконтактного, так и четырехточечного метода измерения, очень похожи друг на друга, что подтверждает достоверность измерений.Наименьшее сопротивление листа было зарегистрировано при температуре роста 300 ° C, составляя 1,44 Ом sq -1 и 1,22 Ом sq -1 с использованием методов бесконтактного и четырехточечного зонда соответственно. Исцеление листового сопротивления повышенной температурой роста приводит к значительному падению при 300 ° C, что можно объяснить повышенной подвижностью адатомов носителей заряда. Эти носители получают избыточную кинетическую энергию из-за нагрева, что приводит к их повышенной подвижности [15, 18].Обратное поведение (видно на графиках на фиг. 2) после точек минимума, возможно, связано с ухудшением кристаллических свойств при температуре роста около 400 ° C.
Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения
Рис. 2. Листовое сопротивление тонких пленок Мо в зависимости от температуры роста.
Загрузить рисунок:
Стандартный образ Изображение высокого разрешения3.2. Влияние рабочего давления газа на формирование однослойного Мо
После определения оптимальной температуры роста 300 ° C путем исследования структурных и электрических свойств, зависимость от давления тонких пленок Мо была исследована путем поддержания постоянной температуры и изменения давления роста. .
Структура пленки трансформируется из сплошной в пористую с увеличением давления, как показано на рисунке 3. Полученная пленка слишком плотная, когда она выращивается при низком давлении (рисунок 3 (a)).При среднем давлении на его поверхности появляются гранулированные образования (рис. 3 (b)). Наконец, при высоком давлении размер гранул увеличивается и формируются удлиненные формы (рис. 3 (c)). Это изменение в формировании структуры путем приложения различных давлений является типичным и широко освещается в соответствующей литературе [5]. Падающие осаждаемые атомы получают достаточно кинетической энергии для достижения подвижности из-за меньшего количества столкновений между ионами рабочего газа и, таким образом, образуют плотную и плоскую пленку при низких давлениях.С другой стороны, падающие частицы-мишени подвергаются сильным столкновениям во время HPS, поэтому они достигают подложки с пониженной кинетической энергией и более высокими углами падения [19]. Затем адатомы начинают оседать на ближайших кластерах и образовывать пористую микроструктуру, поскольку у них нет избыточной энергии для дальнейшей диффузии. Трехмерные образования, наблюдаемые в HPS, можно отнести к эффекту затенения [20], поскольку первые кластеры затеняют отложения на более низких участках. Рабочее давление влияет не только на морфологию, но также на электрические и адгезионные свойства, как показано в таблице 2.
Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения
Рис. 3. СЭМ-изображения сверху тонких пленок Мо, выращенных при различных рабочих давлениях газа: LPS-3 mTorr (a), MPS-12 mTorr (b) и HPS-24 mTorr (c) при температуре роста. 300 ° С.
Загрузить рисунок:
Стандартный образ Изображение высокого разрешенияТаблица 2. Листовое сопротивление и адгезионные свойства тонких пленок Мо, выращенных при различных давлениях рабочего газа.
| Давление (мТл) | Сопротивление листа (Ом кв −1 ) | Тест на адгезию |
|---|---|---|
| 3 (LPS) | 0,48 | Отказ |
| 12 (МПС) | 1,51 | Пройд |
| 24 (л.с.) | 1,31 | Пройд |
Листовое сопротивление всех зависящих от давления тонких пленок Мо довольно низкое по сравнению с их аналогами, выращенными при комнатной температуре (не показаны) из-за положительного влияния температуры.Незначительная разница в листовом сопротивлении пленок, особенно между MPS-Mo и HPS-Mo, может быть объяснена улучшенными структурными свойствами, поскольку температура имеет способность залечивать несовершенства и дефекты кристаллической структуры.
Известный метод скотча [21] был использован для исследования соответствующих адгезионных свойств пленок. Только пленка Mo, выращенная при самом низком давлении, не выдержала испытания, в то время как другие прошли испытание на адгезию, а также дали относительно низкие значения сопротивления листа, как показано в таблице 2.
3.3. Формирование двухслойного Mo
Обычно предпочтительно комбинировать HPS-Mo и LPS-Mo в качестве нижнего и верхнего слоев соответственно для получения двухслойной тонкой пленки Mo с хорошими адгезионными свойствами и низким сопротивлением листа. Поверхности обеих двухслойных тонких пленок Мо выглядят довольно гладкими, как показано на рисунках 4 (а) и (b), поскольку верхний плотный слой покрывает нижнюю столбчатую микроструктуру как одеяло. Пленка, выращенная при 300 ° C, тоньше (~ 270 нм), чем пленка, выращенная в режиме RT (~ 335 нм), как видно из изображений поперечного сечения SEM.Кристаллический размер первой пленки примерно в три раза больше, чем размер последней пленки (см. Таблицу 1).
Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения
Рис. 4. Вид сверху (вверху) и поперечное сечение (внизу) СЭМ-изображения двухслойных тонких пленок Mo, выращенных при температурах роста RT (a) и 300 ° C (b). Видно столбчатое образование нижнего слоя в результате роста ГПС.
Загрузить рисунок:
Стандартный образ Изображение высокого разрешенияВ отличие от традиционного способа получения двухслойного Mo-бислоя, при котором нижний слой HPS-Mo должен быть слишком тонким [15, 22], мы использовали более толстый нижний слой HPS-Mo (см. СЭМ-изображения в поперечном сечении) для усиления адгезии, поскольку мы уже может обеспечить очень низкое сопротивление листа даже для HPS-Mo.Для двухслойных тонких пленок Mo сопротивление листа уменьшается с ~ 0,67 Ом sq -1 до ~ 0,5 Ом sq -1 при повышении температуры роста от RT до 300 ° C, как показано в таблице 3. Удельное сопротивление для температура, используемая для тонкой пленки Mo, рассчитана как 14 мкм Ом · см, что довольно мало по сравнению с тем, что указано в соответствующей литературе [2]. Обратное поведение между размером кристаллов и сопротивлением листа (таблица 3) не является совпадением: больший размер кристаллов приводит к заниженным границам зерен, что, в свою очередь, приводит к повышенной подвижности электронов и пониженному сопротивлению листа.
Таблица 3. Листовое сопротивление и размер кристаллов двухслойных тонких пленок Mo, выращенных при различных температурах роста.
| Температура (° C) | Сопротивление листа (Ом кв −1 ) | Размер кристалла (нм) |
|---|---|---|
| РТ | 0,67 | 25,67 |
| 300 | 0,50 | 37,82 |
Коэффициент отражения как RT-выращенных, так и термически нанесенных двухслойных Mo-пленок и однослойного Mo-слоя с самым низким давлением роста почти такой же или значительно выше, чем у двух других-однослойных Mo-слоев (рис. 5). .С другой стороны, самый низкий коэффициент отражения был зарегистрирован у однослойного Mo, выращенного с помощью HPS, в то время как MPS-Mo показывает средний коэффициент отражения. Как известно, коэффициент отражения определяется свойствами поверхности и плотностью материала переднего слоя, независимо от его микроструктуры. Таким образом, делается вывод, что самый высокий и самый низкий коэффициент отражения имеют образцы, передние слои которых были выращены с использованием LPS и HPS соответственно, поскольку пленка, выращенная LPS, будет иметь высокую плотность материала и более гладкую поверхность, а пористую поверхность вместе с пониженная плотность материала достигается за счет использования HPS [23].
Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения
Рис. 5. График отражательной способности однослойных Mo и Mo-двухслойных тонких пленок.
Загрузить рисунок:
Стандартный образ Изображение высокого разрешенияВ заключение, мы установили оптимальную температуру 300 ° C, которая обеспечивает наилучшее кристаллическое и самое низкое листовое сопротивление монослоя Mo при поддержании давления на уровне 12 мТорр. Мы также заметили, что не только свойства поверхности, но также электрические и адгезионные свойства зависят от изменения давления роста при поддержании постоянной температуры 300 ° C.Примечательно, что HPS-Mo демонстрирует хорошую адгезию, но пониженное сопротивление листа, в то время как LPS-Mo ведет себя противоположным образом, что приводит к компромиссу для получения надлежащего слоя Mo-одиночного заднего контакта. Поэтому мы нанесли двухслойную тонкую пленку Mo, нижний слой HPS которой был сделан толще, чем верхний слой LPS, чтобы усилить адгезию. Несмотря на увеличенную толщину слоя HPS, нам удалось достичь удельного сопротивления приблизительно 14 мкм Ом · см для двухслойной тонкой пленки Mo, выращенной при температуре 300 ° C.Насколько нам известно, это одно из самых низких значений удельного сопротивления, которое можно увидеть в соответствующей литературе для очень тонкой пленки (~ 270 нм). Кроме того, мы также смогли улучшить кристалличность. Наконец, коэффициент отражения двухслойных пленок Mo, выращенных как при комнатной температуре, так и при 300 ° C, достаточно высок для использования хорошего заднего отражателя. В результате мы смогли успешно вырастить липкую двухслойную тонкую пленку из Mo, толщина которой очень мала по сравнению с обычным обратным контактным слоем из Mo с хорошей кристалличностью, высокой отражательной способностью и чрезвычайно низким удельным сопротивлением, что делает наш Mo-бислой совершенно уникальным в этом отношении. .
Эта работа была частично поддержана Министерством развития Турецкой Республики (грант № DPT010K121260). Авторы хотели бы поблагодарить центр UNAM при Билькентском университете за помощь в создании изображений с помощью SEM и докторов. Омер Фарук Юксель и Уммюхан Акин из Сельчукского университета за измерение коэффициента отражения.
Изменение удельного сопротивления и толщины тонкой пленки Mo как функция …
Контекст 1
… и контактное сопротивление R C. Для омических контактов удельное сопротивление контакта, определенное как [9], может быть получено из наклона кривой J-V при нулевом смещении, где A C — площадь контакта.Изучение морфологических свойств проводили с помощью микроскопа Park Scientific AFM. Влияние давления рабочего газа и мощности тлеющего разряда на удельное электросопротивление было исследовано в попытке найти условия осаждения для получения тонких пленок Mo с низким сопротивлением. Для этого осаждали тонкие пленки Mo при изменении давления от 1×10-2 до 1,6×10-2 мбар и мощности тлеющего разряда (GD) от 50 до 200 Вт. Результаты показали, что удельное сопротивление пленок Mo уменьшается при увеличении GD. -мощности или уменьшением давления Ar (см. рис.3). С другой стороны, измерения размера зерна пленок Mo, проведенные с помощью AFM-микроскопа, показали, что этот параметр увеличивается как в результате уменьшения давления Ar, так и увеличения мощности GD. Этот результат указывает на то, что снижение удельного сопротивления может быть отчасти связано с увеличением размера зерна. На рис. 2 представлены изображения АСМ, показывающие влияние давления рабочего газа и мощности ГД на морфологию пленок Мо. Исследования AFM ясно показали, что давление Ar и мощность GD влияют на морфологию пленок Mo, нанесенных методом магнетронного распыления постоянного тока (с конфигурацией S-Gun).На рис. 3 изображены кривые, которые показывают влияние давления Ar и мощности GD как на удельное электрическое сопротивление пленок Мо, так и на размер зерен. При сопоставлении кривых удельного сопротивления с кривыми размера зерен наблюдается, что уменьшение удельного сопротивления пленок Мо сопровождается увеличением размера зерен. Такое поведение можно объяснить, если предположить, что увеличение размера зерна увеличивает подвижность носителей в пленках Мо. Похоже, что увеличение размера зерен пленок Мо приводит к уменьшению высоты зернограничного потенциального барьера, а также к уменьшению количества границ зерен, которые носитель должен пересекать во время электрического транспорта, что, в свою очередь, приводит к уменьшение удельного сопротивления.На рис. 4 показаны результаты, показывающие, что увеличение толщины пленки также может снизить удельное сопротивление пленок Мо. Такое поведение также можно объяснить увеличением подвижности носителей, вызванным увеличением размера зерна. Наименьшее значение удельного сопротивления, найденное нами для пленок Mo, составило 9×10-6 Ом · см. Это было получено с пленками Mo, приготовленными при давлении Ar 1,15×10-2 мбар и целевой мощности 200 Вт. Значения 1,6×10-5 Ом · см были сообщены [6] для пленок Mo, нанесенных на подложки из известково-натриевого стекла. планарным ВЧ магнетронным распылением и 1.1×10 — 5 Ом · см для пленок Mo, нанесенных планарным магнетронным распылением на постоянном токе. Пленки Mo будут использоваться в качестве слоев заднего контакта для солнечных элементов на основе Cu (In, Ga) Se 2, и лучшим параметром, характеризующим качество омического контакта, является его контактное сопротивление ρ C [11]. Таким образом, также было изучено влияние химического состава (содержания Ga) на удельное сопротивление контакта Mo с тонкими пленками CuIn x Ga 1 — x Se 2. На рисунке 5 изображена кривая контактного сопротивления Mo на тонких пленках CuIn x Ga 1 — x Se 2 в зависимости от химического состава x.На рис. 5 показаны кривые зависимости I от V, полученные для оценки того, является ли контакт Mo с тонкими пленками Cu (In, Ga) Se 2 омическим. Пленки Mo были нанесены на пленки Cu (In, Ga) Se 2 с использованием параметров осаждения, приводящих к наименьшему значению удельного сопротивления (1,15×10 — 2 мбар и 200 Вт). Результаты на рис. 5 показывают, что удельное сопротивление контакта Mo с тонкими пленками CuIn x Ga 1 — x Se 2 увеличивается при увеличении содержания Ga.
