Строение и свойства проводниковых материалов
Поможем в ✍️ написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Электрическая проводимость твердых тел в первую очередь определяется электронным строением атомов. В твердых телах в результате взаимодействия электромагнитных полей атомов энергетические электронные подуровни расщепляются, образуя энергетические зоны (рис. 11.1).

При переходе к более высоким энергиям зоны разрешенных подуровней становятся шире и перекрываются, а зоны запрещенных энергий при сближении атомов на расстояние а вообще исчезают. Плотность заполнения электронами энергетических зон и их перекрытие определяют электрическую проводимость твердых тел (рис. 11.2).

В кристаллах непереходных металлов (Cu , Ag , Au , Al) валентная зона заполнена не полностью, поэтому даже небольшое внешнее электрическое поле вызывает перемещение электронов в зоне на более высокие энергетические подуровни. Энергия, необходимая для такого перемещения, ничтожно мала, так как незанятые подуровни непосредственно примыкают к заполненным. Для натрия эта энергия составляет 1,6∙10-28 Дж.

Несколько меньшей электрической проводимостью обладают переходные металлы (Fe , Ni , Cr и т.д.). Они имеют незаполненные подуровни 3 d зоны, которая перекрывается с заполненной валентной зоной 4 s.

При наложении электрического поля уменьшается длина свободного пробега электрона, так как становится возможным переход не только в пределах одной зоны, но также из одной зоны в другую. Это уменьшает число электронов, создающих электрический ток и, тем самым, электрическую проводимость.

В отличие от металлов в кристаллах неметаллов (ковалентных и молекулярных) валентные зоны полностью укомплектованы и отделены от зоны проводимости, в которой есть свободные подуровни, широкой зоной запрещенных энергий (см. рис. 11.2). При нагреве происходит термическое возбуждение электронов. В некоторых кристаллах часть валентных электронов, преодолев зону запрещенных энергий, попадает в свободную зону, и появляется проводимость; их называют полупроводниками.

Ширина запрещенной зоны определяет электрическую проводимость полупроводников. Для химически чистого германия ширина запрещенной зоны равна 1,2∙10-19 Дж. В алмазе она настолько велика, что по электрической проводимости он близок к диэлектрикам. Серое олово по электрической проводимости близко к металлам, так как запрещенная зона мала. Дефекты и примеси уменьшают ширину запрещенной зоны и изменяют число электронов проводимости.

Электроны в проводниках при наложении электрического поля испытывают тормозящее влияние кристаллической решетки. В идеальном кристалле при температуре абсолютного нуля электроны, обеспечивающие проводимости, должны двигаться беспрепятственно. Такая решетка не должна оказывать сопротивление продвижению электронов проводимости, так как энергетические зоны электронов точно повторяются от атома к атому (рис. 11.3, а).

Сопротивление возникает при нарушении регулярного повторения зон вследствие рассеяния электронов. Такие нарушения создают атомы примесей (или легирующие элементы) (рис. 11.3, б), а также тепловые колебания атомов, при которых неизбежны отклонения их амплитуды от среднего значения (флуктуации энергии). В ферромагнитных металлах (Fe , Ni , Co) электроны проводимости испытывают также рассеяние, вызванное магнитным взаимодействием с ионным остовом решетки.

Таким образом, общее электросопротивление металла складывается из электросопротивлений, обусловленных тепловым и примесным рассеянием, исключая низкие температуры, растет с повышением температуры линейно. Влияние легирующих элементов оценивается удельным электросопротивлением ρл.

Деформация и остаточные напряжения, возникающие при технологической обработке, создают искажения в кристаллической структуре (вакансии, дислокации, блоки границы), которые также повышают электросопротивление вследствие дополнительного рассеяния. Однако доля ρд (которое показано для сплава Cr + 1% Ni) невелика по сравнению с ρт и ρл.

Температура нагрева оказывает влияние лишь на электросопротивление ρт, которое определяется тепловым рассеянием. Электросопротивление ρл, обусловленное примесным рассеянием при всех температурах остается постоянным. Таким образом, для металлов, в которых есть примесь, а также для сплавов общее электросопротивление складывается из ρл, которое не изменяется при нагреве, и ρт, линейно возрастающем при повышении температуры.

Для технических металлов и их сплавов влияние температуры нагрева на электросопротивление с некоторым приближением можно выразить следующей формулой:

                                                           ρт = ρ0 (1 + α  Т),

где ρт – удельное электросопротивление при температуре Т (включает тепловое и примесное рассеяния); ρ0 – удельное электросопротивление при 0К (включает только примесное рассеяние).

Из этой формулы можно определить значение температурного коэффициента электросопротивления α :

                                                           α  = (  /Т)(1/ ρ0 ).

Для чистых металлов ρ0 невелико и α  для всех металлов, за исключением ферромагнитных, имеет практически одинаковое значение, равное 0,004 К-1. У ферромагнетиков, например у железа, коэффициент несколько больше – 0,006 К-1.

Для сплавов отношение  /Т определяет рост электросопротивления вследствие теплового рассеяния, создаваемого атомами растворителя и зависящего только от вида растворителя. Для любого сплава данной системы это отношение имеет одно и то же значение, поэтому на рис. 11.4 все температурные зависимости сплавов на основе меди параллельны. Влияние легирующих элементов на электросопротивление находит свое отражение только в значении ρ0.

Малые значения температурного коэффициента α  будут иметь не химически чистые металлы, у которых ρ0 мало, а сплавы, образующие твердые растворы. Для тех сплавов, у которых удельное электросопротивление ρ0 имеет максимальное значение, температурный коэффициент α  будет минимальным.

Влияние легирующих элементов на проводимость сплавов различно и определяется видом образующихся фаз.

В сплавах со структурой твердых растворов удельное электросопротивление при 20  в зависимости от состава, согласно правилу Н.С. Курнакова, изменяется по нелинейной зависимости (рис. 11.5). сплав приобретает максимальное значение ρ в большинстве случаев при концентрации элементов, равной 50%(ат.).  Видимо, в таком сплаве примесное рассеяние вследствие искажений кристаллической решетки и нарушения периодичности энергетических зон достигает максимального значения. В тех сплавах, в которых хотя бы один из элементов является переходным металлом, температурный коэффициент α  может принимать отрицательные значения, т.е. электрическое сопротивление при нагреве несколько уменьшается. В тех случаях, когда необходим материал с повышенным электрическим сопротивлением, следует использовать сплавы со структурой твердых растворов.

При образовании в сплаве промежуточных фаз электросопротивление резко изменяется. В промежуточных фазах с ионным типом связи проводимость возникает из-за дефектности структуры вследствие недостатка или избытка атомов одного сорта. Те и другие фазы являются полупроводниками, при этом проводимость в ковалентных кристаллах создают электроны, а в ионных кристаллах также и ионы.

Промежуточные фазы с металлическим типом связи (электронные фазы, фазы Лавеса, σ-фазы, фазы внедрения) достаточно электропроводны а при упорядочении в расположении атомов при определенном стехиометрическом составе возможно возникновение сверхпроводимости.

При образовании смесей из перечисленных фаз, согласно правилу Н.С. Курнакова, растет по закону сложения. На рис. 11.6 это показано на примере сплавов, образующих твердые растворы ограниченной растворимости и эвтектические смеси. Подобные сплавы сохраняют высокую электрическую проводимость химически чистых металлов, но по сравнению с ними имеют некоторые дополнительные преимущества: более низкую температуру плавления, лучшую жидкотекучесть (для сплавов эвтектического состава), более высокую твердость и износостойкость, если один из сплавляемых металлов обладает таковыми и т.д.

Таким образом, влияние легирующих элементов на электрическую проводимость разнообразно, и это позволяет получать материалы, удовлетворяющие самым различным требованиям электротехнической промышленности.

 Влияние деформации и остаточных напряжений на электрическую проводимость чистых металлов незначительно, в связи с этим, не ухудшая электрических свойств, можно использовать пластическую деформацию и возникающий при этом наклеп для повышения прочности проводниковых материалов.

В сплавах влияние деформаций и остаточных напряжений на электрическую проводимость сильнее. Наклеп, вызывая значительное упрочнение, очень сильно (до 25%) снижает электрическую проводимость сплава. Таким образом, упрочнение проводниковых сплавов наклепом можно достичь только ценой потери электрической проводимости.

 

Дата: 2019-02-18, просмотров: 2069.