Электрические свойства металлических сплавов

35

Материалы высокой проводимости

Материалы высокой проводимости применяются в качестве монтажных и обмоточных проводов, соединительных, силовых и специальных высокочастотных кабелей, проводящих элементов радиодеталей и узлов электронной аппаратуры. К материалам высокой проводимости относятся медь и ее сплавы бронза, латунь, алюминий и его сплавы дюралюминий, альдрей, железо и стали, титан, никель, кобальт, серебро, золото, платина, цинк, кадмий.

Медь

Широкое применение меди обусловлено ее высокой электропроводностью, хорошей теплопроводностью, химостойкостью, ковкостью, вязкостью, высокими механическими свойствами. Медь часто встречается в самородном состоянии. Легко подвергается механической обработке, т.к. обладает высокой пластичностью. Добывают медь из оксидных и сульфидных руд. Их обжигают, плавят и получают черновую медь, которую подвергают рафинированию электролитическим методом. Для этого из черновой меди изготовляют аноды и проводят электролиз CuSO₄.

Чистая медь, которая применяется в электро- и радиотехнике, по содержанию примесей разделяется на марки МО и М1. МО содержит 99,95 меди, М1 – 99,90. Эти марки обладают свойствами

 плотность – 8,9^.10³ кгм³;

 температура плавления – 1083 С;

 удельное сопротивление  - 1,7241^.10^-8 Омм;

 механическая прочность – высокая;

 обрабатываемость – хорошая.

В зависимости от вида примеси увеличение содержания примесей в меди увеличивает удельное сопротивление 

Zn Cd Ag 0,5  примесей	5
Ni Sn Al 05 	25 – 40 
Be As Fe Si P 05 	больше 55

Из меди изготовляют токопроводящие жилы проводов и кабелей, токопроводящие детали радиоаппаратуры, фольгированный гетинакс для печатных схем, проволоку, листы, ленты, полосы, тонкую фольгу.

Медные сплавы

Бронзы – сплавы меди с некоторыми металлами. Различают следующие бронзы оловянные, алюминиевые, свинцовые, кремниевые, марганцевые, бериллиевые, кадмиевые и др.

Применение бронз

           кадмиевые – для контактов и коллекторных пластин

           фосфористая – для пружин в приборах и аппаратах

           бериллиевая – для токоведущих пружин, щеткодержателей, скользящих контактов, электродов, зажимов;

           оловянистая – ее называют телефонной т.к. из нее изготовляют проволоку для телефонных кабелей.

Латуни – медно–цинковые сплавы. Из них изготовляют листы и полосы. Свойства латуни. Удельное сопротивление латуни больше удельного сопротивления меди _лат _меди. Она способна удлиняться, сохраняя более высокую прочность, чем медь. Поэтому она находит широкое применение в качестве конструкционного и проводникового материала. Из нее изготовляют проводниковые детали резисторов, конденсаторов, катушек, монтажные элементы схем.

Алюминий

Стоит на II месте после Cu по применению в электро- и радиотехнике.

Плотность Al в 3,5 меньше плотности Cu и равна примерно (2,6  2,7) 10³ кгм³, удельное сопротивление  в 1,68 раза больше, чем у Cu,  = 2,85 10^-8 Омм. ПримесиTi Mn Cu Ag Mg в алюминии снижают электропроводность примерно на 10.

Для электротехники и радиотехники применяют алюминий с содержанием примесей не более 0,5 для изготовления алюминиевой фольги для электролитических конденсаторов не более 0,05.

Тепловые свойства алюминия

Температура, С
плавления–	660 - 657
кипения -	2300 - 2500
отжига -	350 - 400
литья -	700 - 750.

Алюминий легко окисляется на воздухе

4Al + 3O₂  2Al₂O₃

и при действии серной и щавелевой кислот H₂SO₄ H₂C₂O₄

.

Оксидная пленка на поверхности алюминия защищает его от дальнейшего окисления (пассивация). Промышленное оксидирование алюминия создает антикоррозийное и электроизоляционное покрытие, которое часто сочетают с окраской и полировкой для улучшения внешнего вида. Пробивное напряжение таких покрытий доходит до 400 В, (U_пр = 400 В).

Но пленка Al₂O₃ затрудняет пайку и создает большое сопротивление в контактах. При действии влаги в местах контакта Al-Cu образуется гальванопара с высоким значением э.д.с.

анод  AlH₂O O₂Cu  катод

_a = -17 B   Aнод+ Al⁰ - 3eˉ  Al³⁺     Kатод- 2H₂O + O₂ + 4eˉ  4OHˉ   _k = - 083 B

Al³⁺ + 3OH  AlOH₃

При этом алюминиевый проводник разрушается.

Для проводов воздушных линий с большим натяжением и нагрузкой применяется алюминиевый сплав альдрей, который состоит

(98,5  99)Al + (0,3  0,5)Mg + (0,4  0,7)Si + (0,2  0,3)Fe

Повышение механической прочности достигается термообработкой, возрастает прочность на растяжение до 35 кгмм² при удлинении 6,5  и  = 3,17 10 Оммм²м. Таким образом, альдрей по механической прочности примерно равен меди, а по легкости – алюминию.

Для передачи энергии применяются сталеалюминиевые провода, в котором центральные жилы стальные, а наружные – алюминиевые.

Железо и стали

Стали, используемые в основном в качестве конструкционного материала и магнитного материала в сердечниках трансформаторов, обладают более высоким удельным сопротивлением  по сравнению с медью, около 10^.10‾⁸ Омм. В качестве проводникового материала применяют сталь, с содержанием углерода 0,1  0,15 % с  в 6–7 раз больше, чем у меди. Ее используют для проводов воздушных линий передач небольших мощностей на короткие расстояния. Для предохранения от коррозии провода и изделия из стали покрывают цинком.

Свинец

Мягкий, пластичный, мало прочный металл, с низкой вибростойкостью. Температура плавления 327 °С. Удельное сопротивление  = 2, 4, 1 мкОмм при температурах t = 0, 200, 350 °С, соответственно.

Свинец ядовит. Антикоррозийность высокая. Применяют в качестве защитных оболочек в кабельной промышленности, плавких предохранителей, пластин свинцовых аккумуляторов, поглотителей рентгеновских лучей и радиоактивных излучений. По мере возможности вытесняется полихлорвинилом.

Олово

Чистое олово обладает крупнокристаллической структурой. При изгибе слышен треск от трения кристаллов, что определяет чистоту металла. Температура плавления 232 °С.

Благодаря мягкости и вязкости из него изготовляют фольгу. Высокая антикоррозийность позволяет использовать для защитных покрытий лужением или гальванизацией. Входит в состав бронз. Применяют при пайке.

36

Полупроводни́к — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектрикамии отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.^[1]

Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например,алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.

В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.

Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойствадиэлектриков.

По значению своего удельного сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Однако деление веществ на группы по их удельным сопротивлениям условно, так как под действием ряда факторов (нагревание, облучение, наличие примесей) удельное сопротивление многих веществ изменяется, причем у полупроводников весьма значительно. Если у металлов с ростом температуры сопротивление увеличивается, то у полупроводников уменьшается. К полупроводникам относят 12 химических элементов в средней части периодической системы, многие оксиды и сульфиды металлов, некоторые органические вещества. Наибольшее применение в науке и технике имеют германий и кремний. Различают полупроводники собственные (т.е. беспримесные) и примесные. Примесные делят на донорные и акцепторные. Проводимость собственных полупроводников Рассмотрим механизм на примере кремния. Кремний обладает атомной пространственной решеткой с ковалентным типом связи между атомами. При абсолютных температурах, близких к абсолютному нулю, все связи являются заполненными, т.е. свободных заряженных частиц в кристалле нет. При нагревании или облучении некоторые парноэлектронные связи разрываются, появляются свободные электроны и вакантные места, называемые дырками.

У собственных полупроводников число появившихся при разрыве связей электронов и дырок одинаково, т.е. проводимость собственных полупроводников в равной степени обеспечивается свободными электронами и дырками. Проводимость примесных полупроводников Если внедрить в полупроводник примесь с валентностью большей, чем у собственного полупроводника, то образуется донорный полупроводник.(Например, при внедрении в кристалл кремния пятивалентного мышьяка. Один из пяти валентных электронов мышьяка остается свободным). В донорном полупроводнике электроны являются основными, а дырки неосновными носителями заряда. Такие полупроводники называют полупроводниками n- типа, а проводимость электронной. Если внедрять в полупроводник примесь с валентностью меньшей, чем у собственного полупроводника, то образуется акцепторный полупроводник. (Например, при внедрении в кристалл кремния трехвалентного индия. У каждого атома индия не хватает одного электрона для образования парноэлектронной связи с одним из соседних атомов кремния. Каждая из таких незаполненных связей является дыркой). В акцепторных полупроводниках дырки являются основными, а электроны неосновными носителями заряда. Такие полупроводники называются полупроводниками p- типа, а проводимость дырочной.

37

Для собственного полупроводника концентрация свободных носителей заряда в зависимости от температуры определяется выражением

n=A ^. exp(-W_o/2kT),

где

n  - концентрация носителей заряда;

W_o  ширина запрещенной зоны;

k постоянная Больцмана;

A константа, зависящая от температуры;

Для примесных полупроводников

n₁=B . exp(-W_п/2kT),

где

W_п - энергия ионизации примеси;

В - константа, не зависящая от температуры.

Концентрация носителей заряда в полупроводниках при увеличении  до определенного предела практически перестает зависеть температуры. Для электронов критическая концентрация имеет порядок 10²⁵ м^-3. Такие полупроводники называются вырожденными. Увеличением концентрации примесей с низкой подвижностью в данном примесном  полупроводнике можно добиться увеличения его удельного сопротивления. Так, используя глубокий акцептор хром, можно получить арсенид галлия с удельным сопротивлением до 10⁶ Ом·м. Такие полупроводники относятся к высокоомным  компенсированным.

При увеличении концентрации носителей заряда в полупроводниках выше определенного предела она практически перестает зависеть от температуры. Для электронов критическая концентрация имеет порядок 10²⁵ м^-3. Такие полупроводники называются вырожденными.

Зависимость концентрации носителей заряда от температуры при разном содержании примесей показана на рисунке. Увеличением концентрации примесей с низкой подвижностью в данном примесном полупроводнике можно добиться увеличения его удельного сопротивления.

38

Диэлектрик (изолятор) — вещество, плохо проводящее электрический ток. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 10⁸ см⁻³. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле. С точки зрения зонной теории твёрдого тела диэлектрик — вещество с шириной запрещённой зоны больше 3 эВ.

Диэлектрики – вещества, обладающие малой электропроводностью, т.к. у них очень мало свободных заряженных частиц – электронов и ионов. Эти частицы появляются в диэлектриках только при нагреве до высоких температур. Существуют диэлектрики газообразные (газы, воздух), жидкие (масла, жидкие органические вещества) и твердые (парафин, полиэтилен, слюда, керамика и т.п.).

При наложении электрического напряжения в диэлектрике, представляющем сложную электрическую систему, протекают разнообразные электрические процессы, связанные с его поляризацией, электрической проводимостью. В случае очень большого напряжения может произойти разрушение диэлектрика, называемое пробоем. Эти процессы определяют свойства диэлектриков, а, следовательно, надежность их работы в радиоустройствах, поэтому рассмотрим эти процессы.

Поляризация диэлектриков — явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля, иногда под действием других внешних сил или спонтанно.

Поляризацию диэлектриков характеризует вектор электрической поляризации. Физический смысл вектора электрической поляризации — это дипольный момент, отнесенный к единице объема диэлектрика. Иногда вектор поляризации коротко называют просто поляризацией.

• Вектор поляризации применим для описания макроскопического состояния поляризации не только обычных диэлектриков, но и сегнетоэлектриков, и, в принципе, любых сред, обладающих сходными свойствами. Он применим не только для описания индуцированной поляризации, но и спонтанной поляризации (у сегнетоэлектриков).

Поляризация — состояние диэлектрика, которое характеризуется наличием электрического дипольного момента у любого (или почти любого) элемента его объема.

Различают поляризацию, наведенную в диэлектрике под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную) поляризацию, которая возникает всегнетоэлектриках в отсутствие внешнего поля. В некоторых случаях поляризация диэлектрика (сегнетоэлектрика) происходит под действием механических напряжений, сил трения или вследствие изменения температуры.

Поляризация не изменяет суммарного заряда в любом макроскопическом объеме внутри однородного диэлектрика. Однако она сопровождается появлением на его поверхности связанных электрических зарядов с некоторой поверхностной плотностью σ. Эти связанные заряды создают в диэлектрике дополнительное макроскопическое поле с напряженностью Е₁, направленное против внешнего поля с напряженностью Е₀. Результирующая напряженность поля Е внутри диэлектрика Е=Е₀-Е₁.

Типы поляризации

В зависимости от механизма поляризации, поляризацию диэлектриков можно подразделить на следующие типы:

• Электронная — смещение электронных оболочек атомов под действием внешнего электрического поля. Самая быстрая поляризация (до 10⁻¹⁵ с). Не связана с потерями.

• Ионная — смещение узлов кристаллической структуры под действием внешнего электрического поля, причем смещение на величину, меньшую, чем величинапостоянной решетки. Время протекания 10⁻¹³ с, без потерь.

• Дипольная (Ориентационная) — протекает с потерями на преодоление сил связи и внутреннего трения. Связана с ориентацией диполей во внешнем электрическом поле.

• Электронно-релаксационная — ориентация дефектных электронов во внешнем электрическом поле.

• Ионно-релаксационная — смещение ионов, слабо закрепленных в узлах кристаллической структуры, либо находящихся в междуузлие.

• Структурная — ориентация примесей и неоднородных макроскопических включений в диэлектрике. Самый медленный тип.

• Самопроизвольная (спонтанная) — благодаря этому типу поляризации у диэлектриков, у которых он наблюдается, поляризация проявляет существенно нелинейные свойства даже при малых значениях внешнего поля, наблюдается явление гистерезиса. Такие диэлектрики (сегнетоэлектрики) отличаются очень высокими значениями диэлектрической проницаемости (от 900 до 7500 у некоторых видов конденсаторной керамики). Введение спонтанной поляризации, как правило, увеличивает тангенс угла потерь материала (до 10⁻²)

• Резонансная — ориентация частиц, собственные частоты которых совпадают с частотами внешнего электрического поля.

• Миграционная поляризация обусловлена наличием в материале слоев с различной проводимостью, образованию объемных зарядов, особенно при высоких градиентах напряжения, имеет большие потери и является поляризацией замедленного действия.

Поляризация диэлектриков (за исключением резонансной) максимальна в статических электрических полях. В переменных полях, в связи с наличием инерции электронов, ионов и электрических диполей, вектор электрической поляризации зависит от частоты. В связи с этим вводится понятие дисперсии диэлектрической проницаемости.

39

Электропроводность диэлектриков.

Любой радиотехнический материал – проводник, полупроводник или диэлектрик – проводит электрический ток. Но в диэлектриках протекают токи очень малой величины, если даже они находятся под воздействием большого напряжения (500 В и выше).

Электрический ток в диэлектриках – это направленное движение электронов и ионов: положительных и (или) отрицательных ионов.

Основные виды электропроводности диэлектриков