3. Электрорадиотехнические материалы

3.1. Проводниковые материалы

В эту группу входят:

1. Материалы высокой проводимости и благородные материалы.

2. Материалы высокого сопротивления и керметы.

3. Проводящие модификации углерода.

4. Материалы электровакуумной и криогенной техники.

5. Припои и флюсы.

3.1.1. Основные свойства проводниковых материалов

Проводниками называют материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная электропроводность. Это могут быть твердые тела, жидкости и при соответствующих условиях и газы. Твердыми проводниками являются металлы и их сплавы и некоторые модификации углерода. К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и электролиты.

Протекание тока по жидким и твердым металлам, а также полупроводникам обусловлено движением свободных электронов. Это электронные проводники или проводники I рода.

Проводниками II рода являются растворы кислот, щелочей и солей, ионные расплавы и плазма. Носители заряда в них ионы и перенос заряда сопровождается переносом вещества, (ионы нейтрализуются и осаждаются на электродах).

Металлические проводники – основные проводниковые материалы электротехники и электроники. Из 106 элементов – 76 металлы. Их характерными особенностями являются:

1. Высокие электро- и теплопроводность.

2. Положительный температурный коэффициент , сверхпроводимость.

3. Наличие термо-ЭДС и контактной разности потенциалов.

4. Явление термоэлектронной эмиссии.

5. Высокая отражательная способность электромагнитного излучения.

6. Механические прочность и пластичность.

Рассмотрим основные свойства металлических проводников.

Электропроводность. Закон Ома в дифференциальной форме дает для плотности тока:

,

где n - концентрация носителей; - их подвижность. Если ввести удельную электропроводность . Величина обратная называется удельным сопротивлением [Ом∙м]. Диапазон металлов и сплавов занимает всего 3 порядка, от 0,016 мкОм∙м для Аg до 10 мкОм∙м у керметов. Согласно электронной теории металлов: . Поскольку тепловая скорость и концентрация электронов n изменяются слабо, металлов зависит, в основном от длины свободного пробега , которая определяется строением, структурой и составом материала. Чистые бездефектные металлы имеют минимальное . В общем случае можно рассматривать как сумму , обусловленных различными механизмами рассеиваниями:

,

где - вклад рассеяния на фононах, т.е. тепловых колебаниях атомов в узлах, которое растет с температурой; - примесное; - дефектное и - на границах зерен и инородных включений рассеяния.

Типичная зависимость (Т) металлических проводников дана на рис.3.1. Ее вид у различных материалов имеет особенности. Так, в низкотемпературной области I может наблюдаться явление сверхпроводимости (падение до 0 при Т ). Теоретически у чистых бездефектных металлов при , однако, у реальных металлов при Т=0 определяется примесями и дефектами. Чем чище и совершенней материал, тем меньше область I по и Т.

Рис.3.1. Температурная зависимость удельного сопротивления металлов

В области II наблюдается быстрый рост с температурой (включаются новые собственные фононы) и при (температуры Дебая) (Т) линейно (растет амплитуда тепловых колебаний, все фононы включены); в области IV выше переходит в насыщение; область V характеризует (Т) в точке плавления и у расплавленного металла (а и б – для металлов с ростом V при плавлении, в – с уменьшением). Для примера, у меди: , при плавлении скачок в 2 раза.

Температурный коэффициент удельного сопротивления (ТКС)

На линейном участке (Т): причем для чистых металлов . Исключение – магнитные металлы (Fe, Ni, Co, Gd, Cr), в которых магнитное рассеяние уменьшает в 1,5-2 раза. ТКС жидких металлов меньше, чем твердых и может быть отрицательным.

Сверхпроводимость – состояние материала, при котором ниже некой критической температуры скачком ( ) уменьшается на 15 порядков и становится пренебрежимо малым ( мкОм∙м). Открыто в 1911 г. Объясняется образованием Куперовских пар, т.е. связыванием направленно движущихся электронов, находящихся с разных сторон ближайшего положительно заряженного атомного остова в отсутствии фононов. Такая пара движется без рассеяния. Ток, возбужденный в сверхпроводящем контуре, может течь в течение лет.

Размерные эффекты характерны для тонких металлических пленок. При толщине пленки (длина свободного пробега электронов) изменяется с d. Это обусловлено ростом рассеяния и отражения от поверхности. При d< пленки больше, чем у массивного образца, а ТКС может быть как положительным, так и отрицательным.

Удельное сопротивление сплавов всегда выше, чем у чистых металлов из-за дополнительного рассеяния на примесях и дефектах. Это относится и к сплавам типа твердых растворов замещения ( имеет максимум при некотором соотношении компонентов, а - минимум). сплавов всегда меньше, чем у чистых металлов и может принимать отрицательные значения, поскольку в них может зависеть от температуры и концентрация носителей.

Сопротивление проводников на высоких частотах определяется скин-эффектом, т.е. зависимостью проникновения электромагнитного поля вглубь материала от частоты. Глубина проникновения (расстояние от поверхности, где амплитуда в е раз меньше ) равна :

, , второй член в выражении для указывает на изменение фазы. Для меди на частоте 1 МГц: м.

Сопротивление зависит от деформаций и механических напряжений. В области упругости , где - механическое напряжение, - коэффициент механического напряжения, «+» соответствует растяжению, «-» - сжатию (при сжатии уменьшается, а при растяжении увеличивается амплитуда тепловых колебаний атомов в узлах решетки).

Пластическая деформация всегда повышает вследствие искажения решетки и дробления зерна. Рекристаллизационный отжиг восстанавливает .