ИЭ / Экзамен / Учебное пособие ЭТМ

цинк входит в состав многих электрических батареек и аккуму-

ляторов (Ni − Zn, Pb − Zn, Ag − Zn и др.);

оксид цинка входит в состав многих широко распространенных ферритов (марганец − цинковых, никель − цинковых и др.)

Ртуть. В таблице Д. И. Менделеева ртуть (Hg) находится под № 80 в II группе. В Земной коре порядка 2·10- 6 % ртути. Этот металл редко встречается в виде жидких капель, а чаще — в виде минерала «киноварь» (HgS). Ртуть из киновари получают окислением при тем-

Крупнейшие месторождения ртути находятся в Испании и Югославии. На территории бывшего СССР богатое по запасам месторождение имеется в Узбекистане в Ферганской долине. В России известны 23 месторождения ртути.

Физические свойства: температура плавления − 39 ° С (точное значение − 38,8 ° С при 760 мм рт. ст.), плотность при 20 ° С равна 13,55 г/см3 (плотность ртути больше, чем плотность свинца), температура испарения ртути 357 ° С. Этот металл и его пары очень ядовиты. По классу опасности ртуть относится к первому классу («чрезвычайно опасное химическое вещество»).

Удельное электрическое сопротивление ртути при 20 ° С равно

96·10- 8 Ом·м.

Ртуть была первым материалом, у которого была обнаружена в 1911 году сверхпроводимость с Тс равной 4,2 К.

Ртуть химически достаточно агрессивна, взаимодействует со многими металлами, образуя амальгамы (раствор металла в ртути).

Применение ртути:

подвижные электрические контакты; термоэлектрические контакты, принцип работы которых осно-

ван на расширении ртути; в качестве электрода (катод) при электролизе натрия; ртутные выпрямители; сверхпроводники;

153

пары ртути применяются в ртутно-кварцевых и люминесцентных лампах (при разряде появляется УФ излучение);

высоковакуумные диффузионные насосы, обеспечивающие вакуум порядка 10- 4 – 10 - 5 мм рт. ст. В этих насосах ртуть нагревается и, испаряясь, увлекает за собой молекулы воздуха. Затем ртуть охлаждается и процесс повторяется многократно;

ртуть используется для добычи золота (амальгамная металлургия); ртуть применяется в качестве балласта в подводных лодках и

для регулирования крена и дифферента некоторых аппаратов. Несмотря на вышеперечисленные области применения, исполь-

зования ртути стараются избегать из-за ее высокой токсичности. Литий. В таблице Д. И. Менделеева литий (Li) находится под

№ 3 в I группе. В Земной коре порядка 1·10- 3 % лития.

Физические свойства: температура плавления 180 ° С при наличии относительно высокой температуры испарения 1317 ° С, плотность 0,53 г/см3. Это легкоплавкий, серебристо-белый и легкий металл. Литий плавает в воде. По твердости литий мягче свинца. Литий относится к группе щелочных металлов.

Удельное электрическое сопротивление лития при 20 ° С равно 8·10- 8 Ом·м, при 185 ° С равно 14·10- 8 Ом·м. Сверхпроводимость при нормальном давлении и макроразмерах отсутствует. При давлении 23 ГПа сверхпроводимость возникает при 9 К.

Литий и его соединения широко применяются в технике. Из него изготавливают аккумуляторы, батарейки, иллюминаторы, прозрачные для мягкого рентгеновского излучения, сподуменовая керамика с низким коэффициентом расширения, активные диэлектрики LiNbO3 и LiTaO3 (пироэлектрики и электрооптические материалы), лазерный материал (LiF), ракетное топливо, ядерная и термоядерная техника.

Жидкий литий имеет следующие особенности, которые предопределили его использования в ядерной технике (нижеприведенные значения характеристик соответствуют жидкому литию при температуре 450 ° С):

1. Низкая вязкость (7·10- 7 м2/с), низкое давление паров (9,6·10- 2 МПа) и низкая плотность (0,49 г/см3);

154

2. Высокие теплоемкость — 4,2 кДж/(кг·К) и теплопроводность — 51 Вт/(м·К).

Благодаря этим свойствам литий (7Li) используется в качестве жидкометаллического теплоносителя, который «выводит» тепло из ядерного контура атомной электрической станции, где оно затем преобразуется в электроэнергию. Расплав лития химически агрессивен, поэтому иногда вместо лития применяют сплав лития со свинцом или расплавы натрия и калия.

Сплавы с высоким удельным электрическим сопротивлением

К этой группе сплавов относятся сплавы, у которых удельное электрическое сопротивление при 20 ° С находится в интервале 10- 6 – 10 - 5 Ом·м, они используются для создания резисторов, термопар и нагревательных приборов.

Сплавы для резисторов. Таких сплавов существует большое количество. Один из наиболее известных и широко применяемых в электро− и радиотехнике сплав, носит название манганин. Его основные компоненты — (85 % Cu + 12 % Mn + 3 % Ni). Особенностью манганина является то, что при контакте с медью он дает очень низкое термо-ЭДС, порядка 1 мкВ/° С. Удельное сопротивление манганина при 20 ºС равно 50·10- 8 Ом·м, то есть в 5 раз выше, чем у железа.

Этот сплав используется для создания прецизионных приборов, его рабочая температура до 300 ° С. Манганин выпускается в виде провода или ленты с толщиной (диаметром) более 0,01 мм, как с эмалированным или стеклянным покрытием, так и без него.

Кроме металлических сплавов, для резисторов применяются также неметаллические композиционные материалы такие, как бетэл, ЭКОМ, глина− шунгит. В этих материалах имеется диэлектрическая связка и проводящий наполнитель (сажа, графит, шунгит).

Сплавы для термопар. Таких сплавов также существует большое количество. Наиболее известные и широко используемые в технике сплавы приведены ниже.

Сплавы на основе меди. Константан — (60 % Cu + 40 % Ni).

Кроме перечисленных компонентов в сплав входят также в

155

небольших количествах кобальт и марганец. Этот сплав выпускается в виде провода или ленты с толщиной (диаметром) более 0,01 мм.

Особенности константана:

в контакте с медью он дает высокое значение термо-ЭДС, порядка 50 мкВ/° С. Интервал рабочих температур: (− 273 ÷ 400) º С, кратковременно до 700 ºС;

имеется слабая зависимость удельного электрического сопротивления от температуры. Отсюда название сплава, от греческого слова, означающего понятие «постоянный». При температуре 20 ° С удельное электрическое сопротивление равно 50·10- 8 Ом·м, т. е. так же, как для нихрома, и приблизительно в 5 раз выше, чем у железа.

Копель — (56 % Cu + 44 % Ni). В сплав также входит небольшое количество кобальта.

Сплавы на основе никеля. Алюмель — (95 % Ni + 5 % (Al, Si, Mn, Co)), его рабочая температура достигает 600 ° С.

Хромель — (90 % Ni + 10 % Cr + 1 % Co), его рабочая температура до 1000 ° С.

Характеристики некоторых широко распространенных термопар приведены в табл. 5.7, их температурные зависимости термо-ЭДС — на рис. 5.17.

Таблица 5.7

Характеристики некоторых широко распространенных термопар

156

5.3.4. Проводящие модификации углерода

Углерод. В таблице Д. И. Менделеева углерод (С) находится под № 6 в IV группе. Углерод впервые выделил, как химический элемент, А. Л. Лавуазье в 1775 году.

Углерод в сочетании с водородом образует органические соединения (от латинского слова «organismus» — живое тело, сущест- во) — углеводороды. В то же время сам углерод и его соединения с другими элементами являются неорганическими соединениями (например, диоксид углерода СО2, мел СаСО3, карбид кремния SiC и др.)

Распространенность углерода в Земной коре порядка 0,05 % (15 место среди элементов). Углерод совместно с водородом — основа биологической жизни на земле. Например, человек массой 70 кг содержит около 16 кг углерода. Углерод существует в нескольких кристаллических модификациях. Основными и наиболее распространенными являются две модификации:

алмаз — кубическая алмазоподобная структура с прочными ковалентными связями. Природный алмаз прозрачен или слабо окрашен;

графит — гексагональная слоистая структура черного цвета, химическая связь между слоями слабая (молекулярная).

Алмаз. Плотность алмаза — 3,5 г/см3, коэффициент теплопроводности при 20 ºС равен 3900 Вт/(м·К). Чистый алмаз — диэлектрик, его относительная диэлектрическая проницаемость равна 5,68 (при частоте 3 кГц и температуре 20 ° С), удельное электрическое сопротивление при 20 ° С равно 1010 – 10 12 Ом·м. При высоком содержании примесей алмаз становится полупроводником с шириной запрещенной зоны 5,5 – 7 эВ и удельным электрическим сопротивлением

100 – 10 6 Ом·м.

Алмаз — самое твердое вещество (табл. 5.8).

158

Алмазы бывают природные и искусственные.

Наиболее богатыми по содержанию природных алмазов являются, так называемые, кимберлитовые трубки (название дано от названия области Кимберли в Южной Африке, где впервые были выявлены такие геологические образования, богатые алмазами).

Кимберлитовая трубка (рис. 5.18) – след выхода газа через расплавленную застывающую поверхность Земли (возраст самых молодых алмазов много более 60 млн. лет). При этом существенную роль могут играть сдвиговые деформации, сопровождающие перемещение литосферных плит Земли. Кимберлитовые трубки встречаются в Южной Африке, Бразилии, Индии, Сибири.

≤ 1000 м

Рис. 5.18. Схема кимберлитовой трубки

159

Первый искусственный алмаз был получен в 1955 году в США фирмой General Electric при температуре 2000 – 2500 ° С и давлении 100 тысяч атмосфер. В СССР такой алмаз получили в 1961 году.

Теория получения искусственных алмазов была разработана в

СССР в 1940 году. Суть этой теории заключалась в том, что высокие давление и температура для синтеза алмаза могут быть понижены при добавлении катализаторов, в качестве которых предлагалось использовать железо и никель. Искусственные алмазы серого цвета, мелкие по размеру, их твердость ниже, чем у натуральных, они применяются только в технике.

Области применения алмазов:

машиностроение — алмазный инструмент для шлифовки, полировки и изготовления отверстий в твердых металлах, сплавах и керамике;

электротехника — изготовление фильер для протяжки микропровода (рис. 5.19);

нефтяная промышленность — изготовление коронок, применяемых для бурения скважин;

радиоэлектроника.

³

Рис. 5.19. Схема, иллюстрирующая применение фильер с алмазными вставками для изготовления тонкого провода из твердого металла (вольфрам и др.)

160

Алмаз обладает комплексом электро- и теплофизических свойств, представляющих интерес для радиоэлектроники:

-высокая рабочая температура. В кислородной среде рабочая температура 700 – 800 ° С, в бескислородной среде – 1400 – 1700 ° С, в то время как у кремния рабочая температура 180 – 190 ° С;

-высокая скорость дрейфа носителей электрического заряда, которая в 1,8 раза выше, чем у кремния, это означает, что транзисторы на основе алмазов имеют более высокое быстродействие;

-высокий коэффициент теплопроводности.

По перечисленному комплексу свойств алмаз имеет на 1 – 2 порядка более высокую эксплуатационную стойкость, чем другие материалы. Исходя из этого, применение алмаза в радиоэлектронике в настоящее время увеличивается. Ниже приведены некоторые примеры, иллюстрирующие использование алмаза в радиоэлектронике:

алмазные теплоотводы. Достоинство — алмазные теплоотводы по сравнению с оксидом бериллия (ВеО) не токсичны. Недостаток — высокая стоимость;

алмазные иллюминаторы для СВЧ волноводного тракта, в частности для подпитки энергией плазмы в термоядерном реакторе;

«алмазные пленки».

В 1985 году фирма «Sony» показала, что на алмазной подложке можно выращивать эпитаксиальный слой алмаза. Согласно способу эпитаксии атомы углерода, осаждающиеся из газовой фазы на подложку из алмаза, должны выстраиваться в виде структуры алмаза. Это более термодинамически выгодный процесс. Однако в реальности ка- кая-то часть атомов углерода в процессе осаждения образовывает структуру графита, что резко ухудшает свойства алмазной пленки. Были разработаны методы, предотвращающие образование графита в пленке. С использованием алмазных пленок были созданы транзисторы с рабочей температурой до 700 ºС (транзисторы на основе кремния имеют рабочую температуру 180−190 º С).

161

Графит. Графит имеет гексагональную слоистую структуру

(рис. 5.20).

Ковалентная связь

Атом углерода

Рис. 5.20. Кристаллическая структура графита

Энергия ковалентной связи в графите приблизительно в 6 раз больше, чем энергия молекулярной связи. Кристаллическая структура графита предопределила в нем резкую анизотропию свойств.

Физические свойства графита: плотность 2,24 г/см3, много меньше плотности алмаза.

Электрические свойства: удельное электрическое сопротивление при 20 ° С монокристалла параллельно основной плоскости (вектор Е ║ xz) равно 4·10- 7 Ом·м, удельное электрическое сопротивление при 20 ° С монокристалла перпендикулярно основной плоскости (вектор Е ┴ xz) равно 1·10- 4 Ом·м. Удельное электрическое сопротивление при 20 ° С поликристалла (хаотически расположенные микрокристаллы) равно 800·10- 8 Ом·м.

Механические свойства: твердость графита параллельно основной плоскости (xz) равна 1 баллу, перпендикулярно основной плоскости пластины графита — 5 баллов, механическая прочность графита на разрыв при 20 ° С приблизительно равна 15 МПа.

Месторождения графита приурочены к месторождениям угля и битума, они являются закристаллизованными участками этих месторождений. Графит встречается следующих видов: чешуйчатый, скрытно-кристаллический, плотно-кристаллический (самый лучший, но в тоже время самый редкий. Месторождение такого графита

162