6. Проводниковые материалы

6.1. Электропроводность твердых тел

Проводимость твердых тел в первую очередь определяется электрон­ным строением атомов.

В твердых телах, в результате взаимодействия электромагнитных полей атомов, энергетические электронные подуровни расщепляются, образуя энергетические зоны.

Плотность заполнения электронами зон и их перекрытие опре­деляют электропроводность твердых тел (рис. 16).

В кристаллах непереходных металлов (Сu, Ag, Аu, Al, Na) валент­ная зона заполнена неполностью, поэтому даже небольшое внешнее электрическое поле вызывает перемещение электронов в зоне на более высокие энергетические подуровни. Энергия, необходимая для такого перемещения, ничтожно мала, так как незанятые подуровни непосред­ственно примыкают к заполненным. Для натрия эта энергия состав­ляет 10^-9 эВ.

Несколько меньшей электропроводностью обладают переходные металлы: Fe, Ni, Cr и т. д. Они имеют незаполненные подуровни 3d зоны, которая перекрывается с заполненной валентной зоной 4s. В результате возникает общая зона проводимости со свободными подуровнями. При наложении электрического поля становится воз­можным перемещение электрона не только в пределах зоны 3d, но и переход из зоны 4s в зону 3d. Это уменьшает число электронов, создаю­щих электрический ток и тем самым — электропроводность.

Рис. 16. Функция распределения электронов по энергиям : а — в проводнике; б — в полупровод­нике и диэлектрике; 1 — заполненные подуровни; 2 — свободные подуровни

В кристаллах неметаллов (ковалентных и молекулярных) валент­ные зоны полностью укомплектованы и отделены от зоны проводи­мости широкой зоной запрещенных энергий (рис. 16, б). При низких температурах такие кристаллы ведут себя как диэлектрики. При на­греве происходит термическое возбуждение электронов. В некоторых кристаллах, их называют полупроводниками, часть валентных электро­нов, преодолев зону запрещенных энергий, попадает в свободную зону и появляется проводимость.

Электроны при своем движении при наложении электрического поля испытывают тормозящее влияние искажений кристаллической структуры. В идеальной кристаллической решетке, в узлах которой при температурах абсолютного нуля будут находиться неподвижные атомы, электроны, обеспечивающие проводимость, должны двигаться беспрепятственно. Такая решетка не должна оказать сопротивления продвижению электронов, так как энергетические орбиты электронов точно повторяются от атома к атому.

Сопротивление возникает при нарушении регулярного повторения орбит вследствие рассеяния электронов. Такие нарушения создают атомы примесей (или легирующие элементы), а также тепловые колебания атомов, при которых неизбежны отклонения амплитуды колебаний отдельных атомов от среднего значения (флук­туации энергии).

Таким образом, общее электросопротивление металла складывается из сопротивлений за счет теплового и примесного рассеяний.

Деформация и остаточные напря­жения, возникающие при технологи­ческой обработке, создают искажения в кристаллической структуре (вакан­сии, дислокации, блоки, границы), которые также повышают сопротив­ление вследствие дополнительного рассеяния.

В ферромагнитных металлах Fe, Ni, Co электроны испытывают еще одно рассеяние, вызванное магнитным взаимодействием электронов со спи­новым моментом атома.

Температура нагрева оказывает влияние лишь на ту долю электро­сопротивления, которая определяется тепловым рассеянием. Электросо­противление из-за примесного рас­сеяния при всех температурах остается постоянным.

Малые значения температур­ного коэффициента электросопротивления будут иметь не химически чистые металлы, а сплавы, образующие твердые растворы. Для тех сплавов, у которых электросопротивление имеет максимальное значение, температурный коэффициент электро­сопротивления будет минимальным.

Влияние легирующих элементов в сплавах на проводимость раз­лично и определяется природой образующихся фаз.

При образовании твердых растворов удельное электросопротивле­ние сплавов, согласно правилу Н.С. Курнакова, растет по криволинейной зависимости. Сплав приобретает максимальное значение электросопротивления в большинстве случаев при концентрации элементов, равной 50 ат %. В тех сплавах, в которых хотя бы один из элементов является переходным металлом, взаимо­действие атомов может быть более сложным: валентные электроны непе­реходного металла могут заполнять недостроенные энергетические зоны переходного. В результате число носителей электрического тока в таких сплавах уменьшается и электросопротивление растет, а температурный коэффициент электросопротивления принимает отри­цательные значения, т. е. электросопротивление при нагреве умень­шается. Таким образом, в тех случаях, когда необходим материал с повышенным электрическим сопротивлением, следует использовать сплавы со структурой твердых растворов.

При образовании в сплаве промежуточных фаз электросопротив­ление резко изменяется.

В промежуточных фазах постоянного состава с ионным или ковалентным типом связи проводимость возможна лишь вследст­вие возникновения точечных дефектов, а также из-за частичной потери упорядоченности. В подобных же фазах переменного соста­ва проводимость возникает из-за дефектности структуры вследствие недостатка или избытка атомов одного сорта. Те и другие фазы являются полупроводниками, при этом проводимость в ковалентных кристаллах создают электроны, а в ионных кристаллах также и ионы.

Промежуточные фазы с металлическим ти­пом связи (электронные фазы, фазы Лавеса, σ-фазы, фазы внедрения и т. д.) достаточно электропроводны, а при упорядочении в рас­положении атомов при определенном стехиометрическом составе возможно возникновение сверхпроводимости.

Влияние легирующих эле­ментов в сплавах на электропроводность разнообразно и это позволяет получать ма­териалы, удовлетворяющие самым различным требованиям электротехнической промышлен­ности.

Влияние деформации и остаточных напря­жений на электропроводность чистых метал­лов ничтожно и составляет около 2%. Этот факт позволяет, не ухудшая электрических свойств, использовать пластическую дефор­мацию и возникающий при этом наклеп как способ повышения прочности проводниковых материалов.

В сплавах влияние деформаций и остаточ­ных напряжений на электропроводность зна­чительно сильнее. Наклеп, вызывая значи­тельное упрочнение, очень сильно (до 25%) снижает электропроводность сплава. Видимо искажения тонкой структуры сплава при деформации больше, чем чистых металлов. Таким образом, упрочнения проводниковых сплавов наклепом можно достичь только ценой потери электропроводности.