فهم المقاومية الكهربائية للجرافيت

المقاومة الكهربائية للجرافيت هي مقدار من الكمية الفيزيائية التي تشير إلى توصيلها. هذه الطريقة هي تقنية لتقييم التوصيلية في مواد الجرافيت المختلفة بشكل فعال. وتتعلق المقاومة الكهربية للجرافيت بحجم المقاومة لكل وحدة طول ويعبر عنها عموماً بوحدة الأوم - متر، وتختصر بـ Ω-م.

قياس المقاومية الكهربائية للجرافيت

طريقة المجسات الأربعة

طريقة المجسات الأربعة هي الأكثر استخدامًا في المختبر مع طريقة قياس عالية الدقة. أربعة مسابر ، اضغط على التيار على العينة لحساب المقاومة عن طريق قياس فرق الجهد. وتتطلب ميزة طريقة المجسات الأربعة تجنب تأثير مقاومة التلامس، ودقة القياس عالية جدًا، ويمكن تطبيقها على العينات في شكل كتلة وأغشية رقيقة.

طريقة المجس الثنائي

تطبق طريقة المسبارين مباشرةً التيار على طرفي العينة وتقيس الجهد. احسب المقاومة الكلية. تتمثل ميزة طريقة المسبارين في أنها بسيطة وسهلة التشغيل. وبالإضافة إلى ذلك، تتكيف طريقة المسبارين أيضًا مع مشاهد القياس السريعة ومنخفضة الطلب.

طريقة السلك الساخن

تستخدم طريقة السلك الساخن التيار لتسخين السلك الساخن أو الملف الساخن داخل العينة من أجل قياس خصائص المقاومة المتغيرة حسب درجة الحرارة. تدرس هذه الطريقة أيضًا التوصيلية تحت ظروف درجات الحرارة العالية للمواد المختلفة.

طريقة المجسات الأربعة ذات درجة الحرارة العالية

يمكن اختبار المقاومة تحت ظروف بيئة ذات درجة حرارة عالية بهذه الطريقة. تجمع طريقة المسبار الرباعي لدرجات الحرارة العالية بين فرن درجة الحرارة العالية وجهاز المسبار الرباعي لتقييم الأداء في درجات الحرارة العالية.

طريقة مقاومة التلامس

تُستخدم طريقة مقاومة التلامس في الغالب في الدراسات المختبرية الدقيقة. إحدى القياسات الدقيقة المستخدمة لاختبار مقاومة العينة هي دائرة قياس جسر ويتستون المتوازنة.

تحليل الاعتماد على درجة الحرارة

يمكن لتحليل الاعتماد على درجة الحرارة دراسة قاعدة تغير المقاومة مع درجة الحرارة في مادة الجرافيت، واكتساب الخاصية التوصيلية المستقرة وذات الصلة بالجرافيت، وتقديم دعم البيانات لتطبيق المواد في درجات الحرارة العالية.

يوضح الجدول التالي مقاومة مواد الجرافيت المختلفة

العوامل المؤثرة على المقاومة الكهربائية للجرافيت

نقاء المادة

كلما قلت الشوائب التي تحتويها المادة قلت مقاومتها النوعية

حجم الحبيبات واتجاهها

حجم الحبيبات

تعتمد المقاومة الكهربائية للجرافيت بشكل كبير على حجم الحبيبات واتجاهها. فالحبيبات الأكبر حجمًا تقلل من تأثير تشتت حدود الحبيبات وتسمح بمزيد من الاستمرارية للمسار الموصل، مما يقلل من المقاومة؛ وعلى العكس من ذلك، فإن الحبيبات الأصغر حجمًا تزيد من حدود الحبيبات مما يؤدي إلى تشتت الإلكترونات بشكل متكرر وبالتالي زيادة المقاومة.

التوجيه

الجرافيت هو متباين الخواص مادة، بمقاومة منخفضة لتدفق الإلكترونات على طول مستوى الطبقة (المحور أ-ب) وعلى طول المقاومة المنخفضة. في المقابل، تزداد مقاومتها بشكل كبير بسبب قوة فان دير فال التي تعمل بشكل عمودي على مستوى الطبقة (المحور c). ولذلك، كلما كانت الحبيبات أكبر وكلما كان اتجاه الحبيبات قريبًا من اتجاه تدفق التيار، كلما انخفضت مقاومة الجرافيت.

العيوب الهيكلية

العيوب الشبكية

ستؤدي العيوب النقطية في الجرافيت، مثل الفجوات وذرات الشوائب، إلى تدمير نظام الرابطة π الكامل لذرات الكربون، وتمنع الحركة الحرة للإلكترونات داخل الطبقة، وبالتالي تزيد المقاومة النوعية.

عيوب حدود الحبيبات

يزيد وجود حدود الحبيبات من تشتت الإلكترونات، مما يعيق تدفق الإلكترونات عبر الحبيبات ويؤدي إلى زيادة المقاومة النوعية. علاوةً على ذلك، كلما زاد عدد الحدود الحبيبية أو صغر حجم الحبيبات أصبح هذا التأثير أكثر وضوحًا.

عيوب الطبقات البينية

ومن شأن هذا الخلع أو التجعد أو الفجوة بين الطبقات أن يقلل من التوصيلية بين الجرافيت الطبقاتوهو ما يجعل الإلكترونات تتدفق بصعوبة أكبر على طول اتجاه المحور c، ومن ثَمَّ تزيد مقاومته الرأسية بشكل كبير.

المسامية والتشققات

تجعل المسام والتشققات في المنتج المنطقة الموصلة الفعالة للجرافيت أقل، ومسار التيار أطول، مما يؤدي إلى تعزيز المقاومة.

تأثيرات درجة الحرارة

يمكن ملاحظة أنه كلما كان التكلس أو الرسم البياني تزداد درجة الحرارة، تنخفض المقاومة النوعية للمنتج تدريجيًّا. ومع ذلك، فإن أسباب الانخفاض مختلفة. فخلال مرحلة التحميص، يحدث انخفاض المقاومة النوعية بشكل رئيسي بسبب إطلاق المواد المتطايرة، وفحم الكوك للمواد الرابطة والانكماش المستمر للمنتج. خلال مرحلة الجرافيت، يرجع الانخفاض في المقاومة النوعية إلى تحول الكربون غير المتبلور إلى الجرافيت التركيب البلوري.

الضغط الخارجي

يزيد الضغط الخارجي من تكثيف المادة عن طريق ضغط مسام بنية الجرافيت. ويؤثر الضغط أيضًا على ترتيب طبقات الجرافيت البلورية ويقلل من المقاومة في اتجاه المحور c. وبوجه عام، ينعكس الضغط الخارجي في تقليل المسامية وتحسين اتصال الحبيبات وتعزيز ترتيب الطبقات البينية.

مقارنة بين التوصيلية الكهربية للجرافيت والنحاس

في تطبيقات درجات الحرارة العادية، يتمتع النحاس بتوصيلية أعلى من الجرافيت؛ ومع ذلك، في تطبيقات درجات الحرارة العالية، لا يزال الجرافيت يحافظ على توصيلية أعلى من النحاس.

الخاتمة

كان للمقاومة تأثير كبير على الخاصية الكهربائية للجرافيت. المقاومة الكهربائية هي أحد العوامل الحاسمة التي تحدد الخاصية الكهربائية للجرافيت. وكلما كانت الموصلية الكهربائية للجرافيت أصغر، كلما كانت الموصلية الكهربائية للجرافيت أفضل، وكلما قل استهلاكه للطاقة.