53

Лекция 6,7

Проводниковые материалы

Основными применяемыми в радио- и электронике проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы. Из металлических проводниковых материалов могут быть выделены материалы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление =0,1 мкОмм, и материалы высокого сопротивления с=0,3 мкОмм при комнатной температуре.

Материалы высокой проводимости используют для проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов и т.п. Сплавы высокого сопротивления применяют при изготовлении резисторов, электронагревательных элементов.

Материалы, имеющие очень малое удельное сопротивление при весьма низких (криогенных) температурах называют сверхпроводниками и криопроводниками.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Большинство металлов имеют высокую температуру плавления, только ртуть и некоторые специальные сплавы, например, индий-галлий, могут быть использованы в качестве жидких проводников при нормальной температуре.

Механизм прохождения тока через твердые и жидкие металлы обусловлен дрейфом свободных электронов под воздействием электрического поля, создаваемого в металле приложенным извне напряжением. Поэтому металлы называют проводниками с электронной (металлической) проводимостью, или проводниками первого рода.

Проводниками второго рода, или электролитами, являются растворы и расплавы солей, кислот, щелочей и других веществ с ионным строением молекул. Прохождение тока через электролиты связано с явлением электролиза; при этом электрические заряды переносятся вместе с частичками молекул (ионами) электролита; на электродах в соответствии с законами Фарадея выделяются продукты электролиза, а состав электролита меняется, в то время,

как в металлах при прохождении тока изменения массы и состава не наблюдается.

Все пары и газы, в том числе и пары металлов, при достаточно малых значениях напряженности электрического появляются диэлектриками и обладают очень высоким удельным сопротивлением. Однако, если напряженность превысит некоторое критическое значение, обеспечивающее начало ионизации, то газ может стать проводником с электронной или ионной проводимостями. Сильно ионизированный газ при равенстве количества электронов и положительных ионов в единице объема представляет собой особую токопроводящую среду, называемую плазмой.

Зависимость удельного сопротивления металлов от температуры.

Для большинства металлов при повышении температуры значение удельного сопротивления возрастает (рис.13).

Рис.13.Зависимость металлов и их сплавов от температуры.

При фазовом переходе из одного агрегатного состояния в другое удельное электрическое сопротивление металлов изменяется скачкообразно (рис.14).

Рис.14.Зависимость металлов при переходе в другое агрегатное состояние.

Изменение удельного сопротивления металлов при деформациях.

Пластическая деформация, как правило, повышает удельное сопротивление металлов в результате искажения кристаллической решетки. При рекристаллизации путем термической обработки (отжиг)  может быть восстановлено до первоначального значения.

При воздействии гидростатических давлений характер изменения у различных металлов различен, при этом могут наблюдаться повышения, понижения, а также скачкообразное изменение, обусловленное полиморфическими переходами (изменениями кристаллической структуры вещества). Такие изменениявисмута, бария, свинца и др. при изменении гидростатического давления используются в качестве реперных точек при измерении высоких давлений.

Удельное сопротивление сплавов.

Ранее отмечалось, что примеси и нарушения правильной структуры металлов ведут к увеличению их удельного сопротивления. Значительное возрастание его наблюдается при сплавлении двух и более металлов в том случае, если они образуют твердый раствор, т.е. создают при отвердевании совместную кристаллизацию и атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого.

Зависимость удельного сопротивления сплава из двух металлов от процентного содержания каждого из них представлена на рис.15.

Рис.15.Зависимость сплаваNi-Cuот % соотношенияNi.

Если же сплав из двух металлов создает раздельную кристаллизацию, т.е. компоненты сплава не образуют твердый раствор и искажения кристаллической решетки каждого компонента не имеют места, то удельное сопротивление сплава приближенно определяется арифметическим правилом сложения.

Теплопроводность металлов.

Тепло через металл передается, в основном, теми же свободными электронами, которые определяют электропроводность металлов, количество их в единице объема велико, поэтому, как правило, коэффициент теплопроводностиметаллов много больше, чем диэлектриков. При прочих равных условиях коэффициент теплопроводности тем больше, чем больше удельная проводимость.

С повышением температуры, когда направленная подвижность электронов в металле и, соответственно, его удельная проводимость уменьшается, отношение /должно возрастать. Математически это выражается закономВидемана-Франца-Лоренца:

;

где:

• T– абсолютная температура вK;

• L₀– число Лоренца,L₀=2,4510^-8(B²/K²)=²K²/3l²;

• K=1,3810^-23 Дж/К;

• l=1,610^-19 Кл.

Закон Видемана-Франца-Лоренца для большинства металлов хорошо подтверждается при температурах, близких к нормальной, однако в области низких температур его действие нарушается.

Механические свойстваметаллических проводников в весьма большой степени зависят от механической и термической обработки, от наличия примесей. Отжиг приводит к существенному снижению_pи увеличению относительного удлинения при разрывеl/l.

Соответствующие зависимости дляCuприведены на рис. 16.

Рис. 16. Зависимость параметров Cuот температуры отжига

(=1 час); 1 -=f(T); 2 - =f(T); 3 -l/l=f(t).