Тема 25. Проводниковые материалы.

Вопросы:

1. Классификация и основные свойства проводниковых материалов.

2. Материалы высокой проводимости.

3. Сверхпроводники и криопроводники.

1. В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидко­сти, а при соответствующих условиях и газы. Важнейши­ми практически применяемыми в электротехнике тверды­ми проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы.

Из металлических проводниковых материалов могут быть выделены металлы высокой проводимости, имею­щие удельное сопротивление р при нормальной темпера­туре не более 0,05 мкОм·м, и сплавы высокого сопротив­ления, имеющие р при нормальной температуре не менее 0,3 мкОм·м. Металлы высокой проводимости использу­ются для проводов, токопроводящих жил; кабелей, обмо­ток электрических машин и трансформаторов и т. п. Особый интерес представляют собой обладающие чрезвычайно малым удельным сопротивлением при весьма низких (криоген­ных) температурах материалы – сверхпроводники и криопроводники.

К жидким проводникам относятся расплавленные ме­таллы и различные электролиты. Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряженность поля превзойдет некоторое критиче­ское значение, обеспечивающее начало ударной и фотопонизации, то газ может стать проводником с электрон­ной и ионной электропроводностью. Сильно ионизиро­ванный газ представляет собой особую проводящую сре­ду, носящую название плазмы.

Механизм прохождения тока в металлах – как в твердом, так и в жидком состоянии – обусловлен движе­нием свободных электронов под воздействием электриче­ского поля, поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью, или проводниками первого рода. Проводниками второго рода, или электро­литами, являются растворы (в частности, водные) кис­лот, щелочей и солей.

К важнейшим параметрам, характеризующим свойства проводниковых материалов, относятся: 1) удельная проводимость у или обратная ей величина – удельное со­противление ρ; 2) температурный коэффициент удельно­го сопротивления ТКр или α_р; 3) коэффициент теплопро­водности γ_т; 4) контактная разность потенциалов и тер­моэлектродвижущая сила (термоЭДС); 5) работа выхо­да электронов из металла; 6) предел прочности при рас­тяжении σ_в и относительное удлинение δ.

Значение удельной проводимости (или удельного со­противления) в основном зависит от средней длины сво­бодного пробега электронов в данном проводнике л, ко­торая, в свою очередь, определяется структурой провод­никового материала. Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой характеризуются наименьшими значениями удельного сопротивления; при­меси, искажая решетку, приводят к увеличению ρ. Тем­пературный коэффициент удельного сопротивления ме­таллов характеризует влияние температуры нагрева на электрическое сопротивление. С ростом температуры уве­личивается число препятствий на пути направленного движения свободных электронов под действием электри­ческого поля, т. е. уменьшается подвижность электронов и, как следствие, уменьшается удельная проводимость металлов и возрастает удельное сопротивление. При пе­реходе из твердого состояния в жидкое у большинства металлов наблюдается увеличение удельного сопротив­ления (медь и др.), у некоторых металлов (галлий, вис­мут, сурьма) ρ – уменьшение. Удельное сопротивление увеличивается при плавлении у тех металлов, у которых при плавлении увеличивается объем, т. е. уменьшается плотность.

Коэффициент теплопроводности γ_т металлов намного больше, чем коэффициент теплопроводности диэлектри­ков. Очевидно, что, при прочих равных условиях, чем больше удельная электрическая проводимость у металла, тем больше должен быть его коэффициент теплопровод­ности. При повышении температуры, когда подвижность электронов в металле и соответственно его удельная про­водимость у уменьшаются, отношение коэффициента теп­лопроводности металла к его удельной проводимости ут/у должно возрастать.

Термоэлектродвижущая сила возникает за счет кон­тактной разности потенциалов двух различных металли­ческих проводников. Причина появления этой разности потенциалов заключается в различии значений работы выхода электронов из различных металлов, а также в том, что концентрация электронов, а следовательно, давление электронного газа у разных металлов и сплавов могут быть неодинаковыми. В термопарах используются проводники, имеющие большой и стабильный коэффици­ент термоЭДС. Наоборот, для обмоток измерительных приборов и резисторов стремятся применять проводнико­вые металлы и сплавы с возможно меньшим коэффици­ентом термоЭДС относительно меди, чтобы избежать по­явления в измерительных схемах паразитных термоЭДС,. которые могли бы вызвать ошибки при точных измере­ниях.

2. Проводниковые материалы, кроме высокой электрической проводимости, должны иметь достаточную прочность, пластичность, коррозионную стойкость в ат­мосферных условиях и в некоторых случаях высокую из­носостойкость. Кроме того, металл должен хорошо сва­риваться и подвергаться пайке для получения соединения высокой надежности и электрической проводимости.

Практическое применение имеют химически чистые металлы: медь, алюминий, железо, серебро, платина, зо­лото и др. Эти металлы обладают высокой электрической проводимостью при минимальном содержании примесей и дефектов кристаллической решетки. В связи с этим та­кие металлы используют в технически чистом виде и для достижения максимальной электрической проводимости в отожженном состоянии.

Медь используют в виде проката: проволок различ­ных диаметров, шин, полос и прутков. Отожженную медь используют для обмоточных проводов и кабельных изде­лий, нагартованную – для подвесных токонесущих и кон­тактных проводов, коллекторных пластин. Для изделий, от которых требуется прочность выше 400 МПа, исполь­зуют латуни и бронзы с кадмием и бериллием, обеспечи­вающими большие прочность и износостойкость, чем медь, при некоторой потере электрической проводимости.

Алюминий высокой чистоты обладает хорошей плас­тичностью, поэтому из него изготовляют конденсаторную фольгу толщиной 6...7 мкм. Технически чистый алюминий используют в виде проволоки в производстве кабелей и токонесущих проводов. Алюминий уступает меди в электрической проводимости и прочности, но он значительно легче, больше распространен в природе.

Для токонесущих проводов воздушных линий элект­ропередач с большими расстояниями между опорами ис­пользуют алюминиевые сплавы повышенной механиче­ской прочности типа альдрей (0,3...0,5% Мg, 0,4...0,7 – Si, 0,2...0,3% Fе и АI – остальное). Алюминий обладает вы­сокой коррозионной стойкостью вследствие образования на поверхности защитной оксидной пленки А1₂О₃.

Сталеалюминиевый провод, широко применяемый в линиях электропередач, представляет собой сердечник, сбитый из стальных жил и обвитый снаружи алюминие­вой проволокой.

Алюминий – серебристо-белый блестящий металл, стойкий к окислению при нормальной температуре, от других металлов отличается наименьшим удельным со­противлением.

Платина – белый металл, практически не соединяю­щийся с кислородом и весьма стойкий к химическим реа­гентам. Платину применяют для изготовления термопар, рассчитанных на рабочие температуры до 1600 °С, а так­же для подвесок подвижных систем в электрометрах и других чувствительных приборах.

Золото – блестящий металл желтого цвета, обладаю­щий высокой пластичностью. Золото используют как кон­тактный материал в электронной технике, для покрытий внутренних поверхностей волноводов и резонаторов СВЧ.

Биметаллический провод (стальной провод, покрытый медью) используют при передаче переменных токов по­вышенной частоты.

В качестве твердых неметаллических проводниковых материалов используют материалы на основе углерода (электротехнические угольные изделия, сокращенно – электроугольные изделия). Из угля изготовляют щетки электрических машин, электроды для прожекторов, электроды для дуговых электрических печей и электро­литических ванн, аноды гальванических элементов. Угольные порошки используют в микрофонах для созда­ния сопротивления, изменяющегося от звукового давле­ния. Из угля делают высокоомные резисторы, разрядни­ки для телефонных сетей; угольные изделия применяют в электровакуумной технике.

В некоторых случаях (нагревательные элементы вы­сокотемпературных электрических печей, электроды магнитогидродинамические (МГД) генераторов) требуются проводниковые материалы, которые могли бы достаточно надежно работать при температурах 1500...2000 К и даже выше. В МГД-генераторах условия работы проводнико­вых материалов еще усложняются из-за соприкосновения материала с плазмой и возможности электролиза при прохождении через материал достоянного тока.

3. Особую группу материалов высокой элект­рической проводимости представляют сверхпроводники. Наличие у вещества практически бесконечной удельной проводимости было названо сверхпроводимостью. Тем­пературу Т_с, при охлаждении до которой вещество пере­ходит в сверхпроводящее состояние, называют темпера­турой сверхпроводящего перехода, а вещества, переходя­щие в сверхпроводящее состояние, - сверпроводниками.

Переход в сверхпроводящее состояние является обра­тимым; при повышении температуры выше значения Т_с сверхпроводимость нарушается и вещество переходит в нормальное состояние с конечным значением удельной проводимости у. Сверхпроводящее состояние разрушает­ся не только в результате нагрева, но также в сильных магнитных полях и при пропускании электрического тока большой силы (критическое значение поля и тока).

В настоящее время известно уже 35 сверхпроводниковых металлов и более тысячи сверхпроводниковых спла­вов химических соединений различных элементов. В та же время многие вещества, в том числе такие, обладающие весьма малыми значениями при нормальной темпе­ратуре металлы, как серебро, медь, золото, платина и др., при (наиболее низких достигнутых в настоящее время температурах (около милликельвина) перевести в сверх­проводящее состояние не удалось.

Чистые сверхпроводниковые металлы называются сверхпроводниками I рода, а сверхпроводниковые спла­вы и химические соединения называются сверхпроводни­ками II рода, и переход из нормального в сверхпроводя­щее состояние у них происходит не скачком (как у сверх­проводников I рода), а постепенно.

Из всех элементов, способных переходить в сверхпро­водящее состояние, ниобий имеет самую высокую кри­тическую температуру перехода 9,17 К (- 263,83°С).

Практическое использование нашли сверхпроводящие сплавы с высоким содержанием ниобия: 65БТ и 35БТ (ГОСТ 10994—74). Сплав 65БТ содержит 22...26% Тi, 63...68 – NЬ, 8,5...11,5% Zr и имеет критическую темпера­туру перехода 9,7 К (-263,3 °С). Оба сплава применяют для обмоток мощных генераторов, магнитов большой мощности (например, поезда на магнитной подушке), туннельных диодов (для ЭВМ).

Помимо явления сверхпроводимости, в современной электронике все шире используется явление криопроводимости, т. е. достижение металлами весьма малого зна­чения удельного сопротивления при криогенных темпера­турах (но без перехода в сверхпроводящее состояние). Металлы, обладающие таким свойством, называются криопроводмиками.

Применение криопроводников вместо сверхпроводни­ков в электрических машинах, аппаратах и других элект­ротехнических устройствах может иметь преимущества. Использование в качестве хладагента жидкого водорода или жидкого азота (вместо жидкого гелия, который зна­чительно дороже других хладагентов) упрощает и уде­шевляет выполнение тепловой изоляции устройства и: уменьшает расход мощности на охлаждение.

Во всех случаях для получения высококачественных криопроводников требуются исключительно высокая чи­стота (отсутствие примесей) и отсутствие наклепа (отож­женное состояние).

- 79 -