Работа №2

Анализ металлических систем методом электросопротивления.

Цель работы: Освоить методику измерения электрических характеристик и изучить с помощью этого метода основные закономерности в металлических системах.

I. Общие сведения.

Как известно, электрическая проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов под воздействием электрического поля.

Удельная электропроводность металла  определяется по формуле:

где N – количество свободных электронов в единице объема, е – заряд электрона, m – масса электрона, - средняя скорость электрона, l – длина свободного пробега.

Удельное электросопротивление и удельная электропроводность взаимосвязаны =1/. В своем движении в поле с определенной разностью потенциалов электроны испытывают сопротивление, вызываемое тепловыми колебаниями решетки (фононами) и её несовершенствами. Примеси и различного рода дефекты кристаллической структуры повышают электрическое сопротивление. При этом точечные дефекты играют значительно большую роль по сравнению с дефектами пространственными.

II. Электросопротивление чистых металлов. А) Влияние пластической деформации.

Пластическая деформация, повышающая плотность дефектов структуры, вызывает значительное повышение удельного электрического сопротивления. Однако, у чистых металлов (Al, Cu, Fe и т.д., за исключением W) этот прирост невелик и находится в пределах 2-6%, даже при значительной деформации.

Наличие искажений в кристаллической решетке (не только от пластической деформации, но и от примесей, вакансий), препятствующих перемещению свободных электронов, обуславливает конечное сопротивление металла при 0К. Это, так называемое, остаточное сопротивление:

=_М+₀,

где  - полное электросопротивление

_М - сопротивление отожженного металла,

₀ - остаточное сопротивление.

Отжиг наклепанного металла уменьшает величину электрического сопротивления до исходных значений (до наклепа). Часто заметное понижение электросопротивления наблюдается еще на стадии возврата (возврат – период интенсивной аннигиляции точечных дефектов). Величина электросопротивления отожженного металла может колебаться в некоторых пределах, так как искажения кристаллической решетки по границам зерен повышают электросопротивление металла.

Б) Влияние температуры.

Особая роль в формировании электросопротивления металлов и сплавов принадлежит температуре. Согласно теории электропроводности абсолютно чистый металл с идеально построенной неискаженной решеткой при абсолютном нуле не должен обладать конечным сопротивлением. Электронная волна распространяется беспрепятственно. При нагреве металла у него появляется электрическое сопротивление, возрастающее с температурой, длина свободного пробега электрона уменьшается. Сопротивление вызывается динамическими искажениями решетки, связанными с тепловыми колебаниями атомов (фононами).

Температурная зависимость электросопротивления чистых металлов имеет сложный характер. Общий вид такой зависимости представлен на рис.2.1.

Рис.1. Температурная зависимость электросопротивления чистых металлов.

I. Общий случай, непереходные металлы; II. Металлы IV и Vгрупп; III. Металлы VI группы.

_D – «Дебаевская» характеристическая температура, _ - температурный коэффициент сопротивления.

Согласно теоретическим оценкам число фононов в области температур Т<_D пропорционально Т³, и пропорционально Т в области Т>_D; .

У большинства переходных металлов зависимость электросопротивления от температуры описывается членом Тⁿ, где n меняется от 2,0 до 5,3. Большая группа металлов, различающихся как по валентности, так и по типу кристаллической решетки дает зависимость электросопротивления пропорциональную Т⁵. В переходных металлах наряду с рассеянием электронов на фононах действуют и другие механизмы рассеяния. Это переход валентные s-электронов на d уровень, рассеяние электронов на электронах, магнитные эффекты. Они могут действовать линейно, приводя к различным отклонениям от линейности.

При температуре плавления электрическое сопротивление жидкого металла обычно возрастает скачком в 1,5-2,0 раза (следствие изменения компактности решетки). Исключением является сурьма, у которой при плавлении сопротивление падает вследствие замены ковалентной связи на металлическую.

Нагревание жидкого металла также приводит к повышению электросопротивления.

Фазовые превращения, протекающие с изменением типа и размеров кристаллической решетки, сопровождаются появлением скачка на кривой зависимости сопротивления от температуры.

Аномально изменяется при повышении температуры сопротивление ферромагнетиков, что обусловлено их спонтанной намагниченностью. При её исчезновении, выше точки Кюри, электросопротивление изменяется нормальным образом, как у парамагнитных металлов.

Электрическое сопротивление чистых металлов с кубической решеткой не зависит от кристаллографического направления. В металлах с гексагональной решеткой кристаллографическое направление приходится учитывать при образовании текстуры, например, при наклепе, рекристаллизации, электролитическом осаждении и т.д.