剖析高考命題中的敏感電阻

趙繼飛　趙訓(xùn)忠

摘 要：敏感電阻器是指其電阻值隨某些物理量變化的電阻，根據(jù)其所感應(yīng)的物理量的不同，敏感電阻器又可分為熱敏電阻器、光敏電阻器、力敏電阻、壓敏電阻器、濕敏電阻器、磁敏電阻器和氣敏電阻器等，這些電阻越來越多地走進(jìn)了中學(xué)課堂，成為電學(xué)的一部分教學(xué)內(nèi)容。本文主要結(jié)合近年來高考命題介紹了熱敏電阻、光敏電阻、電阻應(yīng)變片和無電阻的超導(dǎo)體的基本性質(zhì)以及應(yīng)用領(lǐng)域等，供老師們教學(xué)參考。

關(guān)鍵詞：高考命題；熱敏電阻；光敏電阻；電阻應(yīng)變片；超導(dǎo)體

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2014）10（S）-0060-4

引 言

隨著時(shí)代的發(fā)展，物理學(xué)也在日新月異的不斷發(fā)展進(jìn)步，現(xiàn)代的中學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容也緊隨時(shí)代脈搏，把一些的當(dāng)代物理的知識(shí)融入到物理教學(xué)中。

本世紀(jì)傳感器技術(shù)作為信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，早已與計(jì)算機(jī)使用技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)和通信技術(shù)等一起構(gòu)成了信息技術(shù)的完整學(xué)科。傳感器技術(shù)已經(jīng)滲透在航天科學(xué)、儀器儀表科學(xué)、控制科學(xué)等許多科學(xué)領(lǐng)域，可以說“沒有傳感器就沒有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展”的觀點(diǎn)已為全世界所公認(rèn)。敏感電阻器作為傳感器的一種，是“傳感器王國(guó)”中最為普通和基礎(chǔ)的一員。作為這樣的基本代表，形形色色的敏感電阻器越來越多的被融入到中學(xué)物理的學(xué)習(xí)當(dāng)中。筆者就高考中出現(xiàn)的熱敏電阻、光敏電阻、與力敏電阻相關(guān)的電阻應(yīng)變片和無電阻的超導(dǎo)體進(jìn)行介紹，以期讀者能對(duì)其有一個(gè)直觀的了解。

1 熱敏電阻器

1.1 熱敏傳感器高考考點(diǎn)引出

2008年廣東卷物理部分中，涉及到一道熱敏電阻的題目，該題目中熱敏電阻是隨溫度線性變化的，由于本文主要來介紹該類熱敏電阻的原理及應(yīng)用，以上高考題目的解答過程在此不再贅述。

1.2 熱敏傳感器的定義及分類

熱敏電阻器通常是指對(duì)溫度變化比較敏感的電阻，即隨著溫度的變化自身的電阻率會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化。根據(jù)電阻率變化的方向，熱敏電阻器可以分為：正溫度系數(shù)（Positive Temperature Coefficient）PTC熱敏電阻器，負(fù)溫度系數(shù)NTC熱敏電阻器和臨界溫度系數(shù)CTR熱敏電阻器[2]，其中，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻應(yīng)用最為廣泛。由于NTC在實(shí)際應(yīng)用中和教材習(xí)題中出現(xiàn)較多，筆者以NTC為例進(jìn)行介紹。

圖1 三種不同溫度系數(shù)熱敏電阻的電阻率隨溫度變化曲線

1.3 NTC電阻的特性

在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用過程中，主要會(huì)用到兩個(gè)參數(shù)指標(biāo)：標(biāo)準(zhǔn)阻值和熱敏材料常數(shù)。其中標(biāo)準(zhǔn)阻值為R25（Ω），它是指在25C°時(shí)，采用不超過0.1%測(cè)量功率所測(cè)得電阻值，也就是25C°時(shí)的電阻值。而熱敏電阻的熱敏材料常數(shù)B，是指兩個(gè)溫度下測(cè)得的零功率自然電阻值的自然對(duì)數(shù)之差，著兩個(gè)溫度倒數(shù)之差的比值，即：

B= （1）

在實(shí)驗(yàn)中，一般取25C°和50C°下的電阻，所以公式可以簡(jiǎn)化為：B=3854ln（R25-R50）。需要特別說明的是，熱敏材料常數(shù)B是熱敏電阻材料本身的一種特性。

由此，可得到其工業(yè)應(yīng)用過程的阻溫方程：

R（T）=Cρ0exp（ ）（2）

式中C為常數(shù)，ρ0為電阻率，B為熱敏材料常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。

由（2）式可知，電阻隨溫度變化是非線性的，但是在教材中的電阻一般是線性的，這主要是由于中學(xué)物理學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生受知識(shí)范圍的限制，為簡(jiǎn)化計(jì)算和實(shí)驗(yàn)過程，近似的把溫度與電阻值之間的關(guān)系看做線性關(guān)系。

1.4 熱敏電阻器的應(yīng)用

①消磁，例如：彩電的消磁、彩顯監(jiān)視器中的消磁。

②恒溫設(shè)備，例如：驅(qū)蚊器、恒溫箱、家用空調(diào)、電熱取暖器、溫床育苗、人工孵化、倉(cāng)庫存儲(chǔ)等設(shè)備和地方。

③過流過熱保護(hù)，例如：自動(dòng)車床、電熱烘箱、球磨機(jī)、電子鎮(zhèn)流器（節(jié)能燈）、電子變壓器、萬用表。

④馬達(dá)啟動(dòng)，例如：冰箱、空調(diào)的壓縮機(jī)啟動(dòng)。

⑤物理量測(cè)量，例如：液位測(cè)量、風(fēng)速測(cè)量、溫度測(cè)量等。

2 光敏電阻器

2.1 光敏電阻的高考考點(diǎn)引出

2009年山東卷物理部分中，涉及到了光敏電阻的試題，其中題目中所敘述的光敏電阻的一些表述如下：“為了節(jié)能和環(huán)保，一些公共場(chǎng)所使用光控開關(guān)控制照明系統(tǒng)。光控開頭可采用光敏電阻來控制，光敏電阻是阻值隨著光的照度而發(fā)生變化的元件（照度可以反映光的強(qiáng)弱，光越強(qiáng)照度越大，照度單位為L(zhǎng)x）?！?/p>

2.2 光敏電阻器的工作原理

光敏電阻是利用內(nèi)光電效應(yīng)（當(dāng)光照在物體上時(shí)，使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)）工作的元器件。光敏電阻在光線作用下，光生電子-空穴對(duì)增加，電阻往往變小，光電流增大，這種效應(yīng)被稱為光導(dǎo)效應(yīng)，所以，光敏電阻又稱為光導(dǎo)管。

2.3 光敏電阻的基本結(jié)構(gòu)及基本特性

如圖2所示光敏電阻的剖面結(jié)構(gòu)圖，光敏電阻是在絕緣基底上涂一層對(duì)光敏感的半導(dǎo)體物質(zhì)，兩端有梳妝金屬電極，在半導(dǎo)體上覆蓋一層漆膜。

圖2 光敏電阻的剖面結(jié)構(gòu)圖

一般經(jīng)常用到的光敏電阻的特性主要有：暗電阻、暗電流、亮電阻、亮電流、光電流、光照特性、光譜特性、伏安特性等。

①暗電阻：光敏電阻在未受到光照時(shí)的阻值，此時(shí)流過的電流為暗電流。

②亮電阻：在受到光照時(shí)的電阻，此時(shí)的電流稱為亮電流。

③光電流：亮電流與暗電流之差。

④描述光電流與光照強(qiáng)度之間的關(guān)系。如圖3入射光通量與光電流的關(guān)系多數(shù)是非線性的，不宜做線性測(cè)量元件，一般用做開關(guān)式的光電轉(zhuǎn)換器。

圖3 光敏電阻的光照特性與光譜特性示意圖

⑤光譜響應(yīng)：如圖3所示，光敏電阻靈敏度與入射波長(zhǎng)有關(guān)，這主要是因?yàn)楣獠ㄩL(zhǎng)與半導(dǎo)體摻雜的材料有關(guān)。

⑥伏安特性：所加電壓越高，光電流越大，而且沒有飽和的現(xiàn)象。在給定的電壓下，光電流的數(shù)值將隨光照增強(qiáng)而增大。

2.4 光敏電阻的分類及應(yīng)用

根據(jù)光敏電阻的光譜特性可以分為以下三種光敏電阻器：

①紫外光敏電阻器：該類電阻器主要由硫化鎘、硒化鎘等材料制作而成，對(duì)紫外光反應(yīng)靈敏，主要是用于探測(cè)紫外線。

②可見光光敏電阻器：主要是由鎘的硒化物、硫化物、硅、鍺等材料制成。對(duì)可見光區(qū)反應(yīng)敏感，用作各種光電系統(tǒng)，例如：自動(dòng)開關(guān)門戶、自亮燈、自動(dòng)給水裝置、光電計(jì)數(shù)器、煙霧報(bào)警器等。

③紅外光敏感電阻器：只要由硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛等材料制成。對(duì)紅外光區(qū)反應(yīng)靈敏。被廣泛的應(yīng)用于紅外通信、導(dǎo)彈制導(dǎo)、非接觸測(cè)量、人體病變探測(cè)、夜視鏡等設(shè)備和領(lǐng)域。

3 電阻應(yīng)變片

3.1 電阻應(yīng)變片的高考考點(diǎn)引出

2007年高考廣東卷物理部分中出現(xiàn)了壓敏電阻，其描述為：“壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小?！痹诳茖W(xué)研究中，壓敏電阻指的是在一定電流范圍內(nèi)隨電壓改變而改變的電阻器，顯然此處的“壓敏電阻”實(shí)際上其描述的為力敏電阻，壓敏電阻最廣泛的應(yīng)用就是電阻應(yīng)變片。

3.2 電阻應(yīng)變片的定義及基本結(jié)構(gòu)

電阻應(yīng)變片，它是利用材料的壓阻效應(yīng)（材料收到應(yīng)力作用時(shí)，由于載流子遷移率不同，其電阻或電阻率發(fā)生變化）。一般電阻應(yīng)變片的導(dǎo)電材料有金屬和半導(dǎo)體兩類材料，由此，可以把電阻應(yīng)變片分為金屬絲式電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體式電阻應(yīng)變片，金屬絲式電阻應(yīng)變片根據(jù)敏感柵極的結(jié)構(gòu)不同又可以分為金屬絲式電阻應(yīng)變片和金屬箔式電阻應(yīng)變片兩種。

圖4 金屬絲式電阻應(yīng)變片和金屬箔式電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖

如圖4所示，最基本的電阻應(yīng)變片都是在基底上制作一定長(zhǎng)度柵狀的電阻應(yīng)變絲（箔），電阻應(yīng)變絲（箔）的兩端分別連接著引線，最后在上邊蓋上一層覆蓋層。

3.3 電阻應(yīng)變片的工作原理

由電阻的決定式

R=ρ （3）

經(jīng)過推導(dǎo)可得：

=[（1+2μ）+C（1+2μ）]ε=K·ε（4）

式中R為應(yīng)變片的電阻，ΔR為電阻變化量，μ為金屬材料的泊松比，C為材料和加工方式來決定的常熟，ε軸向線應(yīng)變，K為靈敏系數(shù)。從而由（4）可知應(yīng)變片的形變可以通過電阻值的變化來反映。

3.4 電阻應(yīng)變片的應(yīng)用

①應(yīng)變式力（荷重）傳感器。主要用于測(cè)量壓力、重力等力學(xué)量，例如：各種電子稱與材料試驗(yàn)機(jī)的測(cè)力元件、發(fā)動(dòng)機(jī)的推力測(cè)試、水壩壩體承載狀況監(jiān)測(cè)、電子稱等。

②應(yīng)變式壓力傳感器。主要用來測(cè)量流動(dòng)介質(zhì)的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)壓力，例如：動(dòng)力管道設(shè)備的進(jìn)出口氣體或液體的壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的壓力、槍管及炮管內(nèi)部的壓力、內(nèi)燃機(jī)管道的壓力等。

③應(yīng)變式加速度傳感器。主要用于測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)過程的加速度，例如：火箭發(fā)射加速度。

④應(yīng)變式容器內(nèi)液體重量或液位傳感器?？蓽y(cè)量容器內(nèi)儲(chǔ)存的溶液重量或液位，例如：飛機(jī)油位，儲(chǔ)油罐液位等。

4 超導(dǎo)體

4.1 超導(dǎo)體的高考考點(diǎn)引出

2013年高考天津卷物理部分，第12題關(guān)于超導(dǎo)體描述的主要特征為：“超導(dǎo)體在溫度特別低時(shí)電阻可以降到幾乎為零，這種性質(zhì)可以通過實(shí)驗(yàn)研究。將一個(gè)閉合超導(dǎo)金屬圓環(huán)水平放置在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁感線垂直于圓環(huán)平面向上，逐漸降低溫度使環(huán)發(fā)生由正常態(tài)到超導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)變后突然撤去磁場(chǎng)，若此后環(huán)中的電流不隨時(shí)間變化，則表明其電阻為零。”

4.2 超導(dǎo)現(xiàn)象

1911年，荷蘭的昂納斯（Onnes）首次發(fā)現(xiàn)：當(dāng)汞的溫度降到4.2K以下時(shí)，其電阻消失，電流可以毫無損耗的通過。這是人類歷史上第一次發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，即當(dāng)某些物質(zhì)在低于一定的磁場(chǎng)環(huán)境下，當(dāng)溫度降到一定溫度下，物質(zhì)內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)基本消失，電阻幾乎降到零的現(xiàn)象，稱為超導(dǎo)現(xiàn)象。

4.3 超導(dǎo)體的基本電磁學(xué)性質(zhì)

（1）超導(dǎo)的完全導(dǎo)電性

當(dāng)溫度下降時(shí)，超導(dǎo)體的電阻在不斷下降，但是到達(dá)某一溫度時(shí)，電阻突然下降到零，這個(gè)溫度稱為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，又稱臨界溫度。如圖5，給出了氧化釔鋇銅（YBCO）超導(dǎo)薄膜的電阻隨溫度變化曲線，在93K時(shí)發(fā)生電阻突變，所以其臨界溫度為93K。

圖5 YBCO超導(dǎo)薄膜的電阻隨溫度的變化曲線

（2）超導(dǎo)的完全抗磁性

當(dāng)超導(dǎo)體發(fā)生從“正常態(tài)-超導(dǎo)態(tài)”，轉(zhuǎn)變后，發(fā)現(xiàn)樣品內(nèi)部磁通被完全排除，樣品外部的磁通則增加。先降溫再加磁場(chǎng)結(jié)果不變。把以上超導(dǎo)體的性質(zhì)成為超導(dǎo)體的完全抗磁性又稱為“邁斯納效應(yīng)”。

當(dāng)外界磁場(chǎng)強(qiáng)度增加到一定值的時(shí)候，超導(dǎo)體又回到正常態(tài)，出現(xiàn)了電阻，這個(gè)特定的磁場(chǎng)強(qiáng)值HC稱為臨界磁場(chǎng)。臨界磁場(chǎng)與溫度T、臨界溫度TC有關(guān)，其經(jīng)驗(yàn)公式為：

HC=HC（0）[1-（ ）2]（5）

4.4 超導(dǎo)體的應(yīng)用

①超導(dǎo)電機(jī)，電機(jī)將不會(huì)發(fā)熱，將電能有效地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

②超導(dǎo)輸電，輸電線的損耗為極小，可以有效地增加傳輸效率。

③精密的超導(dǎo)儀器，如核磁共振儀、電子顯微鏡、回旋加速器等要求精密而強(qiáng)大的磁場(chǎng)，超導(dǎo)磁鐵可以滿足要求。

④超導(dǎo)磁懸浮列車，可以使列車浮在軌道上，實(shí)現(xiàn)阻力的最小化。

⑤超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，可以使計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度得到極大的提高，同時(shí)使能量消耗有效地減小。

⑥超導(dǎo)加速器，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)，相比普通的加速器，使加速梯度更大，能量消耗更小。

結(jié) 論

隨著時(shí)代的發(fā)展和傳感器技術(shù)的應(yīng)用，敏感電阻器作為傳感器中的基本組成部分，也在越來越受到人們的重視。熱敏電阻、光敏電阻、電阻應(yīng)變片以及超導(dǎo)體其基本特性各不相同，但是作為基本的敏感電阻和新型無電阻材料，他們?cè)诠まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航空航天、軍事、科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景，也持續(xù)受到高考命題者的關(guān)注。

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[9]劉鳳娟.ZnO基薄膜的生長(zhǎng)及其紫外光敏電阻器的研制[D].北京：北京交通大學(xué)， 2012.

[10]鐘鳴，王軍.高考專題之光電門實(shí)驗(yàn)[J].物理教學(xué)探討， 2014，（1）：50.

（欄目編輯 王柏廬）

⑥伏安特性：所加電壓越高，光電流越大，而且沒有飽和的現(xiàn)象。在給定的電壓下，光電流的數(shù)值將隨光照增強(qiáng)而增大。

2.4 光敏電阻的分類及應(yīng)用

根據(jù)光敏電阻的光譜特性可以分為以下三種光敏電阻器：

①紫外光敏電阻器：該類電阻器主要由硫化鎘、硒化鎘等材料制作而成，對(duì)紫外光反應(yīng)靈敏，主要是用于探測(cè)紫外線。

②可見光光敏電阻器：主要是由鎘的硒化物、硫化物、硅、鍺等材料制成。對(duì)可見光區(qū)反應(yīng)敏感，用作各種光電系統(tǒng)，例如：自動(dòng)開關(guān)門戶、自亮燈、自動(dòng)給水裝置、光電計(jì)數(shù)器、煙霧報(bào)警器等。

③紅外光敏感電阻器：只要由硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛等材料制成。對(duì)紅外光區(qū)反應(yīng)靈敏。被廣泛的應(yīng)用于紅外通信、導(dǎo)彈制導(dǎo)、非接觸測(cè)量、人體病變探測(cè)、夜視鏡等設(shè)備和領(lǐng)域。

3 電阻應(yīng)變片

3.1 電阻應(yīng)變片的高考考點(diǎn)引出

2007年高考廣東卷物理部分中出現(xiàn)了壓敏電阻，其描述為：“壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小。”在科學(xué)研究中，壓敏電阻指的是在一定電流范圍內(nèi)隨電壓改變而改變的電阻器，顯然此處的“壓敏電阻”實(shí)際上其描述的為力敏電阻，壓敏電阻最廣泛的應(yīng)用就是電阻應(yīng)變片。

3.2 電阻應(yīng)變片的定義及基本結(jié)構(gòu)

電阻應(yīng)變片，它是利用材料的壓阻效應(yīng)（材料收到應(yīng)力作用時(shí)，由于載流子遷移率不同，其電阻或電阻率發(fā)生變化）。一般電阻應(yīng)變片的導(dǎo)電材料有金屬和半導(dǎo)體兩類材料，由此，可以把電阻應(yīng)變片分為金屬絲式電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體式電阻應(yīng)變片，金屬絲式電阻應(yīng)變片根據(jù)敏感柵極的結(jié)構(gòu)不同又可以分為金屬絲式電阻應(yīng)變片和金屬箔式電阻應(yīng)變片兩種。

圖4 金屬絲式電阻應(yīng)變片和金屬箔式電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖

如圖4所示，最基本的電阻應(yīng)變片都是在基底上制作一定長(zhǎng)度柵狀的電阻應(yīng)變絲（箔），電阻應(yīng)變絲（箔）的兩端分別連接著引線，最后在上邊蓋上一層覆蓋層。

3.3 電阻應(yīng)變片的工作原理

由電阻的決定式

R=ρ （3）

經(jīng)過推導(dǎo)可得：

=[（1+2μ）+C（1+2μ）]ε=K·ε（4）

式中R為應(yīng)變片的電阻，ΔR為電阻變化量，μ為金屬材料的泊松比，C為材料和加工方式來決定的常熟，ε軸向線應(yīng)變，K為靈敏系數(shù)。從而由（4）可知應(yīng)變片的形變可以通過電阻值的變化來反映。

3.4 電阻應(yīng)變片的應(yīng)用

①應(yīng)變式力（荷重）傳感器。主要用于測(cè)量壓力、重力等力學(xué)量，例如：各種電子稱與材料試驗(yàn)機(jī)的測(cè)力元件、發(fā)動(dòng)機(jī)的推力測(cè)試、水壩壩體承載狀況監(jiān)測(cè)、電子稱等。

②應(yīng)變式壓力傳感器。主要用來測(cè)量流動(dòng)介質(zhì)的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)壓力，例如：動(dòng)力管道設(shè)備的進(jìn)出口氣體或液體的壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的壓力、槍管及炮管內(nèi)部的壓力、內(nèi)燃機(jī)管道的壓力等。

③應(yīng)變式加速度傳感器。主要用于測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)過程的加速度，例如：火箭發(fā)射加速度。

④應(yīng)變式容器內(nèi)液體重量或液位傳感器。可測(cè)量容器內(nèi)儲(chǔ)存的溶液重量或液位，例如：飛機(jī)油位，儲(chǔ)油罐液位等。

4 超導(dǎo)體

4.1 超導(dǎo)體的高考考點(diǎn)引出

2013年高考天津卷物理部分，第12題關(guān)于超導(dǎo)體描述的主要特征為：“超導(dǎo)體在溫度特別低時(shí)電阻可以降到幾乎為零，這種性質(zhì)可以通過實(shí)驗(yàn)研究。將一個(gè)閉合超導(dǎo)金屬圓環(huán)水平放置在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁感線垂直于圓環(huán)平面向上，逐漸降低溫度使環(huán)發(fā)生由正常態(tài)到超導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)變后突然撤去磁場(chǎng)，若此后環(huán)中的電流不隨時(shí)間變化，則表明其電阻為零?！?/p>

4.2 超導(dǎo)現(xiàn)象

1911年，荷蘭的昂納斯（Onnes）首次發(fā)現(xiàn)：當(dāng)汞的溫度降到4.2K以下時(shí)，其電阻消失，電流可以毫無損耗的通過。這是人類歷史上第一次發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，即當(dāng)某些物質(zhì)在低于一定的磁場(chǎng)環(huán)境下，當(dāng)溫度降到一定溫度下，物質(zhì)內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)基本消失，電阻幾乎降到零的現(xiàn)象，稱為超導(dǎo)現(xiàn)象。

4.3 超導(dǎo)體的基本電磁學(xué)性質(zhì)

（1）超導(dǎo)的完全導(dǎo)電性

當(dāng)溫度下降時(shí)，超導(dǎo)體的電阻在不斷下降，但是到達(dá)某一溫度時(shí)，電阻突然下降到零，這個(gè)溫度稱為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，又稱臨界溫度。如圖5，給出了氧化釔鋇銅（YBCO）超導(dǎo)薄膜的電阻隨溫度變化曲線，在93K時(shí)發(fā)生電阻突變，所以其臨界溫度為93K。

圖5 YBCO超導(dǎo)薄膜的電阻隨溫度的變化曲線

（2）超導(dǎo)的完全抗磁性

當(dāng)超導(dǎo)體發(fā)生從“正常態(tài)-超導(dǎo)態(tài)”，轉(zhuǎn)變后，發(fā)現(xiàn)樣品內(nèi)部磁通被完全排除，樣品外部的磁通則增加。先降溫再加磁場(chǎng)結(jié)果不變。把以上超導(dǎo)體的性質(zhì)成為超導(dǎo)體的完全抗磁性又稱為“邁斯納效應(yīng)”。

當(dāng)外界磁場(chǎng)強(qiáng)度增加到一定值的時(shí)候，超導(dǎo)體又回到正常態(tài)，出現(xiàn)了電阻，這個(gè)特定的磁場(chǎng)強(qiáng)值HC稱為臨界磁場(chǎng)。臨界磁場(chǎng)與溫度T、臨界溫度TC有關(guān)，其經(jīng)驗(yàn)公式為：

HC=HC（0）[1-（ ）2]（5）

4.4 超導(dǎo)體的應(yīng)用

①超導(dǎo)電機(jī)，電機(jī)將不會(huì)發(fā)熱，將電能有效地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

②超導(dǎo)輸電，輸電線的損耗為極小，可以有效地增加傳輸效率。

③精密的超導(dǎo)儀器，如核磁共振儀、電子顯微鏡、回旋加速器等要求精密而強(qiáng)大的磁場(chǎng)，超導(dǎo)磁鐵可以滿足要求。

④超導(dǎo)磁懸浮列車，可以使列車浮在軌道上，實(shí)現(xiàn)阻力的最小化。

⑤超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，可以使計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度得到極大的提高，同時(shí)使能量消耗有效地減小。

⑥超導(dǎo)加速器，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)，相比普通的加速器，使加速梯度更大，能量消耗更小。

結(jié) 論

隨著時(shí)代的發(fā)展和傳感器技術(shù)的應(yīng)用，敏感電阻器作為傳感器中的基本組成部分，也在越來越受到人們的重視。熱敏電阻、光敏電阻、電阻應(yīng)變片以及超導(dǎo)體其基本特性各不相同，但是作為基本的敏感電阻和新型無電阻材料，他們?cè)诠まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航空航天、軍事、科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景，也持續(xù)受到高考命題者的關(guān)注。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃賢武，鄭筱霞. 傳感器原理與應(yīng)用[M]. 電子科技大學(xué)出版社， 1999.

[2]席軍，劉廷華. PTC 熱敏電阻的開發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 塑料， 2006，（4）：79.

[3]Park K. Fabrication and electrical properties of Mn–Ni–Co–Cu–Si oxides negative temperature coefficient thermistors[J]. Journal of the American Ceramic Society， 2005，（4）：862.

[4]李加升，卜燕萍，曾靜. PTC 熱敏電阻及其應(yīng)用研究[J]. 湖南農(nóng)機(jī)， 2007，（5）：13.

[5]朱盈權(quán). PTC 熱敏電阻的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)（續(xù)二）[J]. 電子元件與材料， 2002，（8）：22.

[6]沙占友， 王彥朋， 杜之濤. NTC 熱敏電阻的線性化及其應(yīng)用[J]. 自動(dòng)化儀表，2004，（9）：28.

[7]歐陽春光， 陽猛. 熱敏電阻 （NTC） 及其應(yīng)用[J]. 家電科技， 2009，（3）：38.

[8]喬建良.智能光敏電阻檢測(cè)裝置研究與設(shè)計(jì)[D].南京：南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文， 2006.

[9]劉鳳娟.ZnO基薄膜的生長(zhǎng)及其紫外光敏電阻器的研制[D].北京：北京交通大學(xué)， 2012.

[10]鐘鳴，王軍.高考專題之光電門實(shí)驗(yàn)[J].物理教學(xué)探討， 2014，（1）：50.

（欄目編輯 王柏廬）

⑥伏安特性：所加電壓越高，光電流越大，而且沒有飽和的現(xiàn)象。在給定的電壓下，光電流的數(shù)值將隨光照增強(qiáng)而增大。

2.4 光敏電阻的分類及應(yīng)用

根據(jù)光敏電阻的光譜特性可以分為以下三種光敏電阻器：

①紫外光敏電阻器：該類電阻器主要由硫化鎘、硒化鎘等材料制作而成，對(duì)紫外光反應(yīng)靈敏，主要是用于探測(cè)紫外線。

②可見光光敏電阻器：主要是由鎘的硒化物、硫化物、硅、鍺等材料制成。對(duì)可見光區(qū)反應(yīng)敏感，用作各種光電系統(tǒng)，例如：自動(dòng)開關(guān)門戶、自亮燈、自動(dòng)給水裝置、光電計(jì)數(shù)器、煙霧報(bào)警器等。

③紅外光敏感電阻器：只要由硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛等材料制成。對(duì)紅外光區(qū)反應(yīng)靈敏。被廣泛的應(yīng)用于紅外通信、導(dǎo)彈制導(dǎo)、非接觸測(cè)量、人體病變探測(cè)、夜視鏡等設(shè)備和領(lǐng)域。

3 電阻應(yīng)變片

3.1 電阻應(yīng)變片的高考考點(diǎn)引出

2007年高考廣東卷物理部分中出現(xiàn)了壓敏電阻，其描述為：“壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小?！痹诳茖W(xué)研究中，壓敏電阻指的是在一定電流范圍內(nèi)隨電壓改變而改變的電阻器，顯然此處的“壓敏電阻”實(shí)際上其描述的為力敏電阻，壓敏電阻最廣泛的應(yīng)用就是電阻應(yīng)變片。

3.2 電阻應(yīng)變片的定義及基本結(jié)構(gòu)

電阻應(yīng)變片，它是利用材料的壓阻效應(yīng)（材料收到應(yīng)力作用時(shí)，由于載流子遷移率不同，其電阻或電阻率發(fā)生變化）。一般電阻應(yīng)變片的導(dǎo)電材料有金屬和半導(dǎo)體兩類材料，由此，可以把電阻應(yīng)變片分為金屬絲式電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體式電阻應(yīng)變片，金屬絲式電阻應(yīng)變片根據(jù)敏感柵極的結(jié)構(gòu)不同又可以分為金屬絲式電阻應(yīng)變片和金屬箔式電阻應(yīng)變片兩種。

圖4 金屬絲式電阻應(yīng)變片和金屬箔式電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖

如圖4所示，最基本的電阻應(yīng)變片都是在基底上制作一定長(zhǎng)度柵狀的電阻應(yīng)變絲（箔），電阻應(yīng)變絲（箔）的兩端分別連接著引線，最后在上邊蓋上一層覆蓋層。

3.3 電阻應(yīng)變片的工作原理

由電阻的決定式

R=ρ （3）

經(jīng)過推導(dǎo)可得：

=[（1+2μ）+C（1+2μ）]ε=K·ε（4）

式中R為應(yīng)變片的電阻，ΔR為電阻變化量，μ為金屬材料的泊松比，C為材料和加工方式來決定的常熟，ε軸向線應(yīng)變，K為靈敏系數(shù)。從而由（4）可知應(yīng)變片的形變可以通過電阻值的變化來反映。

3.4 電阻應(yīng)變片的應(yīng)用

①應(yīng)變式力（荷重）傳感器。主要用于測(cè)量壓力、重力等力學(xué)量，例如：各種電子稱與材料試驗(yàn)機(jī)的測(cè)力元件、發(fā)動(dòng)機(jī)的推力測(cè)試、水壩壩體承載狀況監(jiān)測(cè)、電子稱等。

②應(yīng)變式壓力傳感器。主要用來測(cè)量流動(dòng)介質(zhì)的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)壓力，例如：動(dòng)力管道設(shè)備的進(jìn)出口氣體或液體的壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的壓力、槍管及炮管內(nèi)部的壓力、內(nèi)燃機(jī)管道的壓力等。

③應(yīng)變式加速度傳感器。主要用于測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)過程的加速度，例如：火箭發(fā)射加速度。

④應(yīng)變式容器內(nèi)液體重量或液位傳感器。可測(cè)量容器內(nèi)儲(chǔ)存的溶液重量或液位，例如：飛機(jī)油位，儲(chǔ)油罐液位等。

4 超導(dǎo)體

4.1 超導(dǎo)體的高考考點(diǎn)引出

2013年高考天津卷物理部分，第12題關(guān)于超導(dǎo)體描述的主要特征為：“超導(dǎo)體在溫度特別低時(shí)電阻可以降到幾乎為零，這種性質(zhì)可以通過實(shí)驗(yàn)研究。將一個(gè)閉合超導(dǎo)金屬圓環(huán)水平放置在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁感線垂直于圓環(huán)平面向上，逐漸降低溫度使環(huán)發(fā)生由正常態(tài)到超導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)變后突然撤去磁場(chǎng)，若此后環(huán)中的電流不隨時(shí)間變化，則表明其電阻為零?！?/p>

4.2 超導(dǎo)現(xiàn)象

1911年，荷蘭的昂納斯（Onnes）首次發(fā)現(xiàn)：當(dāng)汞的溫度降到4.2K以下時(shí)，其電阻消失，電流可以毫無損耗的通過。這是人類歷史上第一次發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，即當(dāng)某些物質(zhì)在低于一定的磁場(chǎng)環(huán)境下，當(dāng)溫度降到一定溫度下，物質(zhì)內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)基本消失，電阻幾乎降到零的現(xiàn)象，稱為超導(dǎo)現(xiàn)象。

4.3 超導(dǎo)體的基本電磁學(xué)性質(zhì)

（1）超導(dǎo)的完全導(dǎo)電性

當(dāng)溫度下降時(shí)，超導(dǎo)體的電阻在不斷下降，但是到達(dá)某一溫度時(shí)，電阻突然下降到零，這個(gè)溫度稱為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，又稱臨界溫度。如圖5，給出了氧化釔鋇銅（YBCO）超導(dǎo)薄膜的電阻隨溫度變化曲線，在93K時(shí)發(fā)生電阻突變，所以其臨界溫度為93K。

圖5 YBCO超導(dǎo)薄膜的電阻隨溫度的變化曲線

（2）超導(dǎo)的完全抗磁性

當(dāng)超導(dǎo)體發(fā)生從“正常態(tài)-超導(dǎo)態(tài)”，轉(zhuǎn)變后，發(fā)現(xiàn)樣品內(nèi)部磁通被完全排除，樣品外部的磁通則增加。先降溫再加磁場(chǎng)結(jié)果不變。把以上超導(dǎo)體的性質(zhì)成為超導(dǎo)體的完全抗磁性又稱為“邁斯納效應(yīng)”。

當(dāng)外界磁場(chǎng)強(qiáng)度增加到一定值的時(shí)候，超導(dǎo)體又回到正常態(tài)，出現(xiàn)了電阻，這個(gè)特定的磁場(chǎng)強(qiáng)值HC稱為臨界磁場(chǎng)。臨界磁場(chǎng)與溫度T、臨界溫度TC有關(guān)，其經(jīng)驗(yàn)公式為：

HC=HC（0）[1-（ ）2]（5）

4.4 超導(dǎo)體的應(yīng)用

①超導(dǎo)電機(jī)，電機(jī)將不會(huì)發(fā)熱，將電能有效地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

②超導(dǎo)輸電，輸電線的損耗為極小，可以有效地增加傳輸效率。

③精密的超導(dǎo)儀器，如核磁共振儀、電子顯微鏡、回旋加速器等要求精密而強(qiáng)大的磁場(chǎng)，超導(dǎo)磁鐵可以滿足要求。

④超導(dǎo)磁懸浮列車，可以使列車浮在軌道上，實(shí)現(xiàn)阻力的最小化。

⑤超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，可以使計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度得到極大的提高，同時(shí)使能量消耗有效地減小。

⑥超導(dǎo)加速器，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)，相比普通的加速器，使加速梯度更大，能量消耗更小。

結(jié) 論

隨著時(shí)代的發(fā)展和傳感器技術(shù)的應(yīng)用，敏感電阻器作為傳感器中的基本組成部分，也在越來越受到人們的重視。熱敏電阻、光敏電阻、電阻應(yīng)變片以及超導(dǎo)體其基本特性各不相同，但是作為基本的敏感電阻和新型無電阻材料，他們?cè)诠まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航空航天、軍事、科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景，也持續(xù)受到高考命題者的關(guān)注。

參考文獻(xiàn)：

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[3]Park K. Fabrication and electrical properties of Mn–Ni–Co–Cu–Si oxides negative temperature coefficient thermistors[J]. Journal of the American Ceramic Society， 2005，（4）：862.

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[6]沙占友， 王彥朋， 杜之濤. NTC 熱敏電阻的線性化及其應(yīng)用[J]. 自動(dòng)化儀表，2004，（9）：28.

[7]歐陽春光， 陽猛. 熱敏電阻 （NTC） 及其應(yīng)用[J]. 家電科技， 2009，（3）：38.

[8]喬建良.智能光敏電阻檢測(cè)裝置研究與設(shè)計(jì)[D].南京：南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文， 2006.

[9]劉鳳娟.ZnO基薄膜的生長(zhǎng)及其紫外光敏電阻器的研制[D].北京：北京交通大學(xué)， 2012.

[10]鐘鳴，王軍.高考專題之光電門實(shí)驗(yàn)[J].物理教學(xué)探討， 2014，（1）：50.

（欄目編輯 王柏廬）