3.2. Определение проводимости расплавов материалов

К числу важнейших физических свойств металлических распла­вов относится их электропроводность. Это свойство, как и вязкость, относится к структурно-чувствительным характеристикам, поэтому его изучение позволяет получить дополнительные данные об электронном строении, степени микронеоднородности и характере связей в жидких металлах, а также в шлаковых расплавах. Определе­ние электрической проводимости имеет большое прикладное значение для разработки новых технологий:

• электролитического получения металлов;

• эффективного рафинирования и модифицирования;

• термического воздействия на расплав;

• а также оценки микронеоднородности расплава, контроля и управле­ния металлургическими процессами.

По установившимся представлениям жидкий металл, как и твердый, имеет электронную проводимость. Хотя прямого экспери­ментального подтверждения этого не получено, можно считать такое предположение верным, поскольку абсолютные значения электропро­водности, теплопроводности и теплоемкости твердого и жидкого ме­талла по значениям близки. В связи с тем, что металлический рас­плав не является структурно-однородной жидкостью, а представляет собой динамическую систему кристаллоподобных микроагрегатов (кластеров) и подвижных частиц (квазигазовую составляющую), вели­чина электросопротивления позволяет оценить взаимосвязь электрон­ного и атомного строения расплава, степень микронеоднородности, а также взаимодействие частиц [1].

Основной константой, характеризующей электрические свойства вещества, является удельное электрическое сопротивление, завися­щее от природы расплава и температуры. Согласно закону Ома, удельное электрическое сопротивление можно определить по формуле:

ρ= R· S /l, (3.12)

где ρ - электрическое сопротивление, Ом; S - площадь поперечного сечения, м; l - длина, м.

Температурная зависимость электросопротивления металлов подчиняется следующему закону:

ρ_t = ρ₀ (1+α · t), (3.13)

где α - температурный коэффициент; t - температура; ρ_t - удельное электросопротивление при заданной температуре, им может быть, например ρ₀ металла при абсолютном нуле или ρ металла при температуре плавления.

Удельная электрическая проводимость является величиной, обратной удельному электросопротивлению:

σ= 1/ρ, (Ом^-1 м^-1). (3.14)

Электропроводность обусловлена движением электронов или ио­нов и зависит от количества носителей заряда и их подвижности. Подвижность электронов металла определяется в основном их длиной свободного пробега, которая зависит от интенсивности межчастично­го взаимодействия и дефектов структуры. В квантовой теории про­водимости металлов электрон рассматривается как частица, обладаю­щая волновыми свойствами, а движение электронов через кристаллическую решетку металла - как процесс дифракции электромагнитных волн. Рассеяние электронных волн вызывается искажениями в решетке металла, причем эти дефекты должны по размерам быть соизмеримы с длиной электронной волны. Центрами рассеяния, в первую очередь, являются искажения решетки, возникающие вследствие тепловых коле­баний ее узлов. Источником рассеяния электронных волн являются также примеси в металлах .

Согласно правилу Линде, добавочное электросопротивление, вы­зываемое содержанием 1 % примеси, пропорционально квадрату разно­сти валентностей чистого металла и примеси Z:

ρ = а + b (Z )², (3.15)

где a , b - константы, определяющие свойства металла растворите­ля.

В случае образования разбавленных растворов их удельное электросопротивление, включает по правилу Маттиссена два слагаемых:

ρ= ρ₀ + ρ_i, (3.16)

где ρ₀ - независимое от температуры остаточное сопротивление, связанное с наличием примесей и дефектов кристаллической решетки, а ρ_i – внутренне сопротивление, зависящее от температуры. Остаточное сопротивление, измеряемое обычно при температуре 4К, является только небольшой частью ρ, которое определяется при комнатной температуре. Необходимо упомянуть, что еще один вклад в электросопротивление вносит рассеяние электронов вследствие беспорядочного расположения спинов в ферромагнетиках ниже температур магнитного превращения.

Механизм электропроводности в жидком и твердом металле принципиально не различается. В большинстве металлов электропроводность резко увеличивается при плавлении и продолжает возрастать с увеличением температуры [3].

Повышение ρ при плавлении, по-видимому, является следствием уменьшения периодичности структуры расплава и увеличения амплитуды колебаний атомов. Микронеоднородность расп­лава и его электросопротивление также тесно связаны между собой.