Проводниковые, полупроводниковые и сврхпроводящие материалы Проводники п рирода проводимости и основные характеристики проводниковых материалов

Из проводниковых материалов - твердых тел, жидкостей и газов в электротехнике наиболее часто применяют металлы и сплавы.

Согласно классической теории (Друде, Лорентц) металлы можно рассматривать как кристаллический остов, состоящий из положительных ионов, погруженных в среду из свободных коллективизированных электронов, называемой "электронным газом" или "электронной жидкостью".

Наличие свободных не локализованных электронов обуславливает высокую пластичность, характерный блеск металлов, высокую электро- и теплопроводность.

Если к проводнику приложить внешнее напряжение, то свободные электроны, совершающие тепловые колебания с средней скоростью порядка 10⁵м/с, приобретают некоторую добавочную скорость направленного движения (несколько мм в секунду), что вызывает протекание электрического тока.

Плотность тока связана с напряженностью электрического поля формулой:

известной, как закон Ома в дифференциальной форме. Здесь  удельная проводимость в симменсах на метр. Удельное сопротивление:

измеряется в Ом^.м или в мкОм^.м.

На электронном уровне, согласно классической теории металлов:

где: e - заряд электрона, n - концентрация свободных электронов, l- средняя длина свободного пробега между двумя соударениями с узлами решетки, m - масса электрона, V_T - средняя скорость теплового движения электрона.

Квантово-механическое описание учитывает, что электрон обладает свойствами, как частицы, так и волны, поэтому в идеальной периодической решетке электронные волны не рассеиваются. В реальных кристаллах строгая периодичность нарушается примесями, дефектами решетки (дислокации) и тепловыми колебаниями ионов.

Уточненное выражение для удельной проводимости выглядит так:

где h - постоянная Планка.

Основные характеристики проводниковых материалов:

• удельная электрическая проводимость или удельное электросопротивление  ; ,

где: электрическое сопротивление;

площадь поперечного сечения проводника;

- длина проводника.

• температурный коэффициент удельного сопротивления - T_kp

• коэффициент теплопроводности _т;

• контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила (термо - э.д.с.);

• предел прочности при растяжении и относительное удлинение при разрыве

Зависимость удельного электрического сопротивления металлов от температуры

Характерными температурами являются:

• Т_пл - температура плавления;

• _Д - температура Дебая;

Т_кр - температура перехода в сверхпроводящее состояние.

У металлов, не обладающих сверхпроводимостью, при низких температурах из-за наличия примесей наблюдается области:

1 - область остаточного сопротивления, почти не зависящая от температуры. Остаточное сопротивление тем меньше, чем чище металл.

2 – область ,где быстрый рост удельного сопротивления при низких температурах до температуры _Д может быть объяснен возбуждением новых частот тепловых колебаний решетки, при которых происходит рассеяние носителей заряда;

3 - область при Т > _Д , когда спектр колебаний возбужден полностью, увеличение амплитуды колебаний с ростом температуры приводит к линейному росту сопротивления примерно до Т_пл .

При переходе в жидкое состояние у большинства металлов удельное сопротивление увеличивается в 1.5 - 2 раза (у висмута и галлия уменьшается).

Температурный коэффициент удельного электрического сопротивления T_kp определяется так:

В справочниках часто приводится величина

В области линейной зависимости можно пользоваться выражением:

где и удельное сопротивление и температурный коэффициент в начале температурного диапазона, а удельное сопротивление при температуре T.

Проводниковые материалы специального назначения

Жаростойкие сплавы - это сплавы на основе никеля, хрома и других компонентов. Устойчивость этих сплавов к высоким температурам объясняется наличием на их поверхности оксидов хрома Cr₂O₃ и закиси никеля NiO. Сплавы системы Fe – Ni - Cr называются нихромами, на основе никеля, хрома и алюминия фехралями и хромалями. В марках сплавов буквы обозначают: Х - хром, Н - никель, Ю - алюминий, Т титан. Цифра, следующая за буквой, означает среднее процентное содержание этого металла. Некоторые свойства жаростойких сплавов приведены в таблице.

Марка сплава	Тип сплава	PмкОм . м	Tkp. 105 1/oC	Максимально допустимая температура, oC
Х20Н80	Нихром	1.04 - 1.17	9	1100
Х13Ю4	Фехраль	1.2 - 1.34	15	960
Х23Ю5Т	Хромаль	1.3 - 1.5	5	1150

Основная область применения этих сплавов - электронагревательные приборы, реостаты, резисторы. Для электротермической техники и электрических печей большой мощности используют обычно более дешевые, чем нихром, фехраль и хромаль сплавы.

ЖАРОПРОЧНОСТЬ, способность конструкционных материалов (главным образом, металлических) выдерживать без существенных деформаций механические нагрузки при высоких температурах. Определяется комплексом свойств: сопротивлением ползучести, длительной прочностью и

ЖАРОСТОЙКОСТЬ, способность металлических материалов противостоять химическому разрушению поверхности под действием воздуха или др. окислительной газовой среды при высоких температурах.

Контрольные вопросы

1. Закон Ома в дифференциальной форме;

2. Выражение удельной проводимости на электронном уровне;

3. Квантово-механическое описание удельной проводимости;

4. Основные характеристики проводниковых материалов;

5. Зависимость удельного электрического сопротивления металлов от температуры;

6. Проводниковые материалы специального назначения

Сверхпроводимость металлов и сплавов

У многих металлов и сплавов при температурах, близких с T=0^oК, наблюдается резкое уменьшение удельного сопротивления. Это явление получило название сверхпроводимости, а температуру Т_св, при которой происходит переход в сверхпроводящее состояние, называют критической температурой перехода. Впервые сверхпроводимость была обнаружена у ртути (Т_св=4,2*К) голландским физиком Х.Каммерлинг-Онкесом в 1911 году. Максимальную критическую температуру среди чистых металлов имеет технеций (11.2 К), среди сплавов - твердый ратвор соединений Nb3Al и NbGe (20.05К).

Далее оказалось, что при крайне низких температурах целый ряд веществ обладает сопротивлением по крайней мере в 10-12 раз меньше, чем при комнатной температуре. Эксперименты показывают, что если создать ток в замкнутом контуре из сверхпроводников, то этот ток продолжает циркулировать и без источника ЭДС. Токи Фуко в сверхпроводниках сохраняются очень долгое время и не затухают из-за отсутствия джоулева тепла (токи до 300А продолжают течь много часов подряд). Изучение прохождения тока через ряд различных проводников показало, что сопротивление контактов между сверхпроводниками также равно нулю. Отличительным свойством сверхпроводимости является отсутствие явления Холла. В то время, как в обычных проводниках под влиянием магнитного поля ток в металле смещается, в сверхпроводниках это явление отсутствует. Ток в сверхпроводнике как бы закреплен на своем месте.

Сверхпроводимость исчезает под действием следующих факторов:

1) повышение температуры;

2) действие достаточно сильного магнитного поля;

3) достаточно большая плотность тока в образце;

С повышением температуры до некоторой T_с почти внезапно появляется заметное омическое сопротивление. Переход от сверхпроводимости к проводимости тем круче и заметнее, чем однороднее образец ( наиболее крутой переход наблюдается в монокристаллах).

Переход от сверхпроводящего состояния в нормальное можно осуществить путем повышения магнитного поля при температуре ниже критической T_с. Минимальное поле B_с, в котором разрушается сверхпроводимость называется критическим магнитным полем. Зависимость критического поля от температуры описывается эмпирической формулой.

где В₀ - критическое поле, экстраполированное к абсолютному нулю температуры.

Свойством сверхпроводимости обладают около половины металлов и несколько сотен сплавов. Одновалентные металлы, ферромагнетики, а также металлы, которые при комнатных температурах являются хорошими проводниками, по-видимому, не обладают сверхпроводимостью. Сверхпроводящие сплавы не обязательно состоят из сверхпроводящих металлов, более того, в их состав могут входить полупроводники (например, GeTe, SrTiO3). При обычных температурах проводимость сверхпроводников ниже, чем у несверхпроводящих металлов.

Сверхпроводящие свойства зависят от типа кристаллической структуры. Изменение типа решетки, например, при больших давлениях, может перевести вещество из обычного в сверхпроводящее состояние. Критические температуры изотопов элементов, переходящих в сверхпроводящее состояние (Т_ci), связаны с массами изотопов М_ai соотношением

(изотопический эффект)

Введение примеси в сверхпроводник уменьшает резкость перехода в сверхпроводящее состояние.

Регистрация сверхпроводящих свойств кристалла осуществляется либо измерением падения напряжения на образце, которое обращается в нуль при T < Т_с, либо наблюдением за магнитным полем, создаваемым током в сверхпроводнике. Если сверхпроводник выполнен в виде замкнутого контура, то после индуцирования в нем тока I₀ с помощью внешнего магнитного поля ток в контуре должен затухать по закону

где:

R-сопротивление,Ом; L - индуктивность, Гн.

Измеряя зависимость от времени магнитного поля, создаваемого током в контуре, можно определить I(t) и, следовательно, R. Результаты исследования показывают, что удельное сопротивление вещества в сверхпроводящем состоянии, по крайней мере, меньше 10^-25 Ом*м.

В нормальных металлах ток исчезает примерно через 10^-12 с. В сверхпроводнике ток, может циркулировать годами (теоретически 105 лет!).