Проводниковые материалы

Проводниковые материалы обладают способностью проводить электрический ток и характеризуются весьма малым или заданным удельным электрическим сопротивлением . К ним относятся и материалы с высоким сопротивлением, и сверхпроводниковые, и криопроводниковые материалы, у которых удельное электрическое сопротивление при очень низких температурах весьма мало.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

1. По агрегатному состоянию

Разделяют на газообразные, жидкие и твердые.

а) газообразные

К газообразным проводниковым материалам относят все газы и пары, в том числе и пары металлов. При достаточно малых значениях напряженности электрического поля Е они являются диэлектриками и обладают очень высоким удельным электрическим сопротивлением . Однако при напряженности электрического поля, которое обеспечивает начало ионизации, газ может стать проводником, в котором перенос электрических зарядов осуществляется электронами и ионами. Если в единице объема сильно ионизированного газа наступает равенство между числом электронов и положительных ионов, то такой газ представляет собой особую проводящую среду, называемую плазмой.

Проводимость газов и паров используют в различных газоразрядных приборах.

б) жидкие

К жидким проводникам относят расплавы металлов и растворы (в частности, водные) и расплавы солей, кислот и других веществ с ионным строением молекул.

Они разделяются по механизму прохождения тока через вещество

Проводники первого рода - проводниками с электронной (металлической) электропроводностью

Проводники второго рода - механизм прохождения электрического тока через них осуществляется двумя путями :

• с переносом частиц вещества;

• электронным

Растворы и расплавы солей, кислот и щелочей, проводящие электрический ток, называют электролитами или проводниками второго рода. При прохождении электрического тока через электролит, в который погружены электроды, электрические заряды переносятся вместе с частицами молекул (ионами) электролита. На электродах происходит выделение веществ из раствора.

в) твердые

К твердым проводникам относят металлы и сплавы. В периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева 75% элементов - металлы. В твердом состоянии металлы имеют кристаллическую структуру, для которой характерен особый вид металлической связи между атомами.

2. по характеру применения

металлические материалы разделяют на материалы высокой проводимости (удельное электрическое сопротивление <0,1 мкОмм) и материалы с высоким сопротивлением (удельное электрическое сопротивление >0,3 мкОмм).

Материалы с высокой проводимостью (железо, медь, алюминий, золото, серебро и др.) используют как основу в контактных материалах и припоях, для изготовления проводов, микропроводов, проводящих покрытий и пленок, различных токопроводящих деталей.

Материалы с высоким сопротивлением используют в качестве резистивных материалов и материалов для термопар. Наиболее известные сплавы с высоким сопротивлением: медно-марганцевые (манганины), медно-никелевые (константаны), сплавы железа, никеля и хрома (нихромы).

Материалы, обладающие ничтожно малым удельным электрическим сопротивлением при очень низких температурах называются сверхпроводниками. Свойством сверхпроводимости обладают ртуть, алюминий, свинец, ниобий, соединения ниобия с оловом, титаном и др.

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Механические свойства

К механическим свойствам относят твердость, упругость, вязкость, пластичность, линейное расширение, хрупкость, прочность, усталость.

1) Твердость

Твердость - это способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела.

Существуют различные методы определения твердости: вдавливание, царапание, упругая отдача. Наибольшее распространение получил метод вдавливания в материал стального шарика (твердость по Бриннелю), вдавливания конуса (по Роквеллу), вдавливания пирамиды (по Виккерсу).

2) Упругость - это свойство материала восстанавливать свою форму и объем после прекращения действия внешних сил, которые вызывают их изменение.

3) Вязкость - это способность материала оказывать сопротивление динамическим (быстровозрастающим) нагрузкам. Вязкость оценивают с помощью прибора, который называется маятниковым копром. Образец стандартной формы свободно устанавливают на опоры копра. Маятник массой Р поднимают на высоту h₂ и отпускают. Падая, маятник разрушает образец, который по инерции поднимается на некоторую высоту h₁

4) Ударная вязкость - это способность материала оказывать сопротивление ударным нагрузкам. Испытаниям на ударную вязкость подвергают те материалы, из которых изготавливают сталь, применяемую в условиях ударных нагрузок. Для проведения такого испытания берут стандартный образец, на котором делают надрез. Испытания образцов проводят на специальных установках - копрах маятникового типа. Образец разрушают с помощью маятника. Ударную вязкость определяют по формуле, зная работу, затраченную маятником на разрушение образца, и площадь поперечного сечения образца в месте надреза:

На ударную вязкость не испытывают такие хрупкие материалы, как чугун, силумин, закаленная инструментальная сталь.

5) Пластичность - это свойство материала деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия этих сил. Для количественной оценки пластичности электроматериалов используют относительное удлинение образца при разрыве и относительное сужение площади поперечного сечения образца.

6) температурный коэффициент линейного расширения ТКl – это коэффициент, который позволяет определять изменения любых геометрических размеров изделий (длины, ширины, толщины) при нагревании. Однако наиболее легко изменение размеров изделия при нагревании фиксируется по максимальному размеру длины. Различают температурный коэффициент линейного расширения при данной температуре ТКl и его среднее значение в интервале температур (1/град):

7) Хрупкость - это способность материалов разрушаться при приложении резкого динамического усилия. У таких хрупких материалов явление пластической деформации не наблюдается, т.е разрушение образца происходит при равенстве предела текучести , и предела прочности при растяжении. Значения относительного удлинения и относительного сужения для хрупких материалов близки к нулю.

К хрупким материалам относят стекло, керамику, фарфор, хром, марганец, кобальт, вольфрам.

8) Прочность - это способность материала сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь. Прочность определяют с помощью статического воздействия (растяжения) на материал на специальных испытательных установках, называемых разрывными машинами. Для испытания на растяжение изготавливают образцы в виде круглых стержней или пластин строго установленных размеров. Образцы закрепляют в зажимах разрывной машины и прикладывают к ним растягивающую нагрузку.

Наименьшее напряжение, при котором образец деформируется (течет) без заметного увеличения нагрузки, называется физическим пределом текучести .

Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке F_д, предшествующей разрушению образца, называется пределом прочности при растяжении а :

9) Усталость - это разрушение материала под действием небольших повторных или знакопеременных нагрузок (вибраций). Такие нагрузки испытывают, например, контакты, пружины. Под действием многократных повторно-переменных (изменяющихся только по значению) и знакопеременных нагрузок (сжатие и растяжение) металл разрушается при напряжениях, значительно меньших чем предел прочности, т.е. наступает усталость. Свойство металла выдерживать, не разрушаясь, большое число повторных или знакопеременных напряжений называется выносливостью.

Испытания на выносливость проводят на специальных машинах, вращая образцы с одновременным приложением изгибающих нагрузок, создающих растяжение и сжатие.

Физико – химические свойства

К физико-химическим свойствам относят цвет, плотность, температуру плавления, теплопроводность, тепловое расширение, электропроводность, магнитные свойства, поглощение газов, коррозионную стойкость и др.

Физико-химические свойства оценивают удельным электрическим сопротивлением , удельной электрической проводимостью, температурным коэффициентом удельного электрического сопротивленияи коэффициентом теплопроводности.

1) Плотность

По плотности металлы разделяют на легкие и тяжелые.

К легким относят те металлы, плотность которых меньше 5 Мг/м3. Одним из наиболее легких металлов считается натрий, плотность которого меньше плотности воды.

К тяжелым относят подавляющее большинство металлов, используемых в технике (железо, медь, никель, олово и др.).

2) Удельное электрическое сопротивление для образцов правильной формы

где R - сопротивление образца, Ом; S - площадь поперечного сечения образца, м²; l - длина образца, м.

Величину измеряют в омах на метр (Омм), однако для практических целей 1 Омм слишком большое значение, поэтому этот параметр чаще всего выражают в более мелких единицах, например в микроомах на метр. Диапазон значений металлических проводников (при нормальной температуре) от 0,016 для серебра до 10 мкОмм для некоторых сплавов.

Удельная проводимость металлических проводников согласно клас­сической теории металлов может быть выражена следующим образом:

где е — заряд электрона, n_o — число свободных электронов в еди­нице объема металла, λ—средняя длина свободного пробега электрона между двумя соударениями с узлами решетки, т — масса электрона, υ_т — средняя скорость теплового движения свободного электрона в металле.

Для различных металлов скорости хаотического теплового движения электронов υ_т (при определенной температуре) примерно одинаковы. Незначительно различаются также и концентрации сво­бодных электронов no: например, для меди и никеля это различие меньше 10%. Поэтому значение удельной проводимости γ (или удельного сопротивления ρ) в основном зависит от средней длины свободного пробега электронов в данном проводнике λ, которая, в свою очередь, определяется структурой проводникового матери­ала. Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой характеризуются наименьшими значениями удельного сопротивления; примеси, искажая решетку, приводят к увеличе­нию ρ.

Сопротивление проводников R_s на высоких частотах существенно больше их сопротивления на постоянном токе вследствие того, что высокочастотное поле проникает в проводник на небольшую глубину. Чем выше частота поля, тем на меньшую глубину оно проникает в проводник. Это явление получило название поверхностного эффекта. За глубину проникновения тока в проводник на данной частоте условно принимают глубину, на которой плотность тока уменьшается в 2,7 раза по сравнению с ее значением на поверхности проводника.

Величину, обратную удельному электрическому сопротивлению , называют удельной электрической проводимостью (См/м):

Удельное сопротивление сплавов. Примеси и нарушения правильной структуры металлов ведут к увеличению их удельного сопротивления. Значительное возрастание ρ наблюдается при сплавлении двух металлов в том случае, если они образуют друг с другом твердый раствор, т. е. создают при отвердевании совместную кристаллизацию и атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого.

3) Температурный коэффициент удельного электрического сопротивления

Удельное электрическое сопротивление металлов зависит от температуры.

Число носителей заряда (концентрация свободных электронов) в металлическом проводнике при повышении температуры остается практически неизменным.

Однако вследствие усиления колебаний узлов кристаллической решетки с ростом температуры появляется все больше и больше препятствий на пути направленного движения свободных электро­нов под действием электрического поля, т. е. уменьшается средняя длина свободного пробега элек­трона λ, уменьшается подвиж­ность электронов и, как следст­вие, уменьшается удельная про­водимость металлов и возрастает удельное сопротивление. Иными словами, тем­пературный коэффициент удельного сопротивле­ния металлов (К^-1) положителен.

,

где - элементарное приращение сопротивления проводника, соответствующее элементарному приращению температуры

Для чистых металлов в твердом состоянии должен быть близок к температурному коэффициенту объема идеальных газов, т.е. 1/273 = 0,00367 К^-1. При фазовом переходе из одного агрегатного состояния в другое удельное электрическое сопротивление металлов изменяется скачкообразно. Однако у металлов, плотность которых при плавлении уменьшается (висмут, сурьма и галлий), удельное электрическое сопротивление при плавлении снижается.

Средний температурный коэффициент удельного электрического сопротивления металлов (1/град) в диапазоне температур

где ,- значения, соответствующие температурамТ₀ и Т.

4) Изменение удельного со­противления при упругом растяжении или сжатии приближенно может оцениваться формулой

где ρ — удельное сопротивление металла при механическом напря­жении σ, ρ_о — удельное сопротивление металла, не подверженного механическому воздействию, — коэффициент механического на­пряжения, характеризующий данный металл; знак плюс в формуле соответствует растяжению, минус — сжатию.

Изменение ρ при упругих деформациях объясняется измене­нием амплитуды колебаний узлов кристаллической решетки металла. При растяжении эти амплитуды увеличиваются, при сжатии — уменьшаются. Увеличение амплитуды колебаний узлов приводит к уменьшению подвижности носителей зарядов и, как следствие, к возрастанию ρ. Уменьшение амплитуды колебаний, наоборот, приводит к уменьшению ρ. Пластическая деформация, как правило, повышает удельное сопротивление металлов вследствие искажения кристаллической решетки. При рекристаллизации путем термиче­ской обработки (отжига) удельное сопротивление может быть вновь снижено до первоначального значения. Наблюдающееся иногда при деформациях сжатия уменьшение удельного сопротивления объясняется вторичными явлениями: уплотнением металла, разру­шением оксидных пленок и т. д.

5)Теплопроводность металлов

За передачу тепла через металл в основном ответственны те же свободные электроны, которые определяют и электропроводность металлов и количество которых в единице объема металла весьма велико. Поэтому, как правило, теплопро­водность γ_T металлов намного больше, чем теплопроводность диэлектриков. Оче­видно, что при прочих равных условиях, чем больше удельная электрическая проводимость у металла, тем больше должна быть и его теплопроводность.

6) Термоэлектродвижущая сила

Рис. 4.1. Схема термопары

При соприкосно­вении двух различных металлических проводников между ними воз­никает контактная разность потен­циалов. Причина появления этой раз­ности потенциалов заключается в раз­личии значений работы выхода элек­тронов из различных металлов, а также в том, что концентрация электронов, а следовательно, и давление электронного газа у разных металлов и сплавов могут быть неодинаковыми. Из элек­тронной теории металлов следует, что контактная разность по­тенциалов между металлами А и В, равна:

где U_А и U_В — потенциалы соприкасающихся металлов;

п_A и п_B — концентрации электронов в металлах А и В;

k и е,— постоянная Больцмана и заряд электрона.

Если температуры «спаев» одинаковы, то сумма разностей по­тенциалов в замкнутой цепи равна нулю. Иначе обстоит дело, когда один из спаев имеет температуру Т₁, а другой — температуру T₂. (рис. 4.1). В этом случае между спаями возникает термо-э. д. с., равная

что можно записать в виде

(4.1)

где с — постоянный для данной пары проводников коэффициент термо-э.д.с., т. е. термо-э.д.с. должна быть пропорциональна раз­ности температур спаев.

Фактически соотношение (4.1) соблюдается не всегда и зави­симость термо-э.д.с. от разности температур спаев может быть не строго линейной.

Провод, составленный из двух изолированных друг от друга проволок из различных метал­лов или сплавов (термопара), может быть использован для изме­рения температур. В термопарах используются проводники, имею­щие большой и стабильный коэффициент термо-э.д.с. Наоборот, для обмоток измерительных приборов и эталонных резисторов стре­мятся применять проводниковые материалы и сплавы с возможно меньшим коэффициентом термо-э.д.с. относительно меди, чтобы избежать появления в измерительных схемах паразитных термо-э.д.с., которые могли бы вызвать ошибки при точных измерениях.

К технологическим свойствам относятся ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием, жидкотекучесть, усадка и др. Технологические свойства определяются комплексом физико-химических свойств материала. Для определения свойств мате­риала проводят соответствующие лабораторные испытания.