Электропроводность металлов
Обратная связь
ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ
Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение
Как определить диапазон голоса — ваш вокал
Как цель узнает о ваших желаниях прежде, чем вы начнете действовать. Как компании прогнозируют привычки и манипулируют ими
Целительная привычка
Как самому избавиться от обидчивости
Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам
Тренинг уверенности в себе
Вкуснейший «Салат из свеклы с чесноком»
Натюрморт и его изобразительные возможности
Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д.
Как научиться брать на себя ответственность
Зачем нужны границы в отношениях с детьми?
Световозвращающие элементы на детской одежде
Как победить свой возраст? Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия
Как слышать голос Бога
Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ)
Глава 3. Завет мужчины с женщиной
Оси и плоскости тела человека — Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.
Отёска стен и прирубка косяков — Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.
Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) — В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2
Исследование зависимости удельного электрического сопротивления сплавов
От состава, строения, механической и термической обработки
Разработал преподаватель
В.В.Кальянов
Цели работы
1.1 Экспериментальное определение зависимости удельного электрического сопротивления двухкомпонентных сплавов от соотношения содержания компонентов в сплаве.
1.2 Определение удельного электрического сопротивления меди от температуры отжига.
Материальное обеспечение
2.1 Методические указания по выполнению лабораторной работы.
2.2 Оборудование:
– образцы сплавов;
– комбинированный прибор для измерения сопротивления.
Последовательность выполнения работы
3.1 Измерить электрическое сопротивление при комнатной температуре опытных образцов сплавов с известным содержанием компонентов. Для этого образцы поочередно подключать к зажимам комбинированного прибора для измерения сопротивления.
3.2 По формуле (2) рассчитать удельное электрическое сопротивление материала для каждого образца.
3.3 Результаты измерений и расчетов внести в таблицы 1,2,3.
Таблица 1 – Результаты измерения R сплава медь-никель
| Геометрические размеры | Приближенный химический состав | R, Ом | ρ, мкОм∙м | |||
| l, м | S, м2 (мм2) | d, мм | Cu, % | Ni, % | ||
Таблица 2 – Результаты измерений R сплава олово-свинец
| Геометрические размеры | Приближенный химический состав | R, Ом | ρ, мкОм∙м | ||
| l, м | S, м2 (мм2) | d, мм | Sn, %; Pb, % | ||
| Sn-100% | |||||
| ПОС96 | |||||
| ПОС75 | |||||
| ПОС61 | |||||
| ПОС40 | |||||
| ПОС30 | |||||
| ПОС18 | |||||
| Pb-100% |
Таблица 3 – Результаты измерений R твердотянутой меди (МТ) от режима обработки
| Геометрические размеры | Приближенный химический состав | R, Ом | ρ, мкОм∙м | |||
| l, м | S, м2 (мм2) | d, мм | Температура отжига, °С | Время отжига, ч | ||
3.4 Составить отчет.
Общие теоретические сведения
Электропроводность металлов
Согласно энергетической диаграмме зонной теории твердого тела к проводникам относятся вещества, у которых отсутствует запрещенная зона, а валентная зона, заполненная электронами, примыкает к свободной зоне (или зоне проводимости). Все электроны валентной зоны являются свободными и участвуют в процессе электропроводности и поэтому проводимость металлических проводников, обусловленная значительной концентрацией свободных электронов, очень велика.
Электрический ток есть упорядоченное перемещение в веществе электрических зарядов. Наличие свободных носителей в веществе — достаточное и необходимое условие возможности электропроводности у вещества.
Для металлов характерна электронная электропроводность, при которой, в отличие от ионной и молионной электропроводности, отсутствует «видимый» перенос вещества при прохождении через вещество электрического тока.
Когда на металл не действует внешнее электрическое поле, то распределение скоростей «теплового» движения электронов проводимости V1 равновероятно по различным направлениям, поэтому геометрическая сумма этих скоростей в любой момент времени равна 0 и тока через металл нет.
Если к проводнику приложено внешнее электрическое поле напряженностью Е, то под действием этого поля, свободные электроны помимо скорости тепловых движений приобретают компонент «электрической» скорости vэ имеющей направление, противоположное направлению вектора Е. Благодаря наличию составляющих скоростей vτ + vэ создается упорядоченное движение зарядов в направлении градиента электрического поля, т.е. через металл проходит ток. Скорость дрейфа vτ, электрона не может возрастать безгранично под действием электрического поля, так как электрон испытывает соударения с атомами примесей, а также с квантами колебаний решетки.
Удельная проводимость металлов определяется по формуле
, (1)
где γ — удельная проводимость, См/м ;
n0 — число свободных электронов в единице объема металла;
е — заряд электрона, 1,6-10-19 Кл;
λср — средняя длина свободного пробега электрона между соударениями с узлами решетки;
т — масса электрона, 9,109-10-31 кг;
vτ — средняя скорость теплового движения свободного электрона, м/с.
При обычных условиях vτ >> vэ скорость хаотического теплового движения электрона vτ ≈ 105 м/с, а электрическая скорость vэ ≈ 10-3 м/с при Е=1 В/м.
Для различных проводников тепловая скорость v
На практике способность проводника пропускать электрический ток оценивается величиной удельного сопротивления
, (2)
где ρ — удельное сопротивление, Ом-м;
R — сопротивление проводника, Ом;
S — поперечное сечение проводника, м2;
l — длина проводника, м.
Так как удельное сопротивление металлов обуславливается двумя независимыми причинами — дефектами кристаллической решетки, к которым относятся примесные атомы, вакансии, дислокации, и тепловыми колебаниями решетки, поэтому удельное сопротивление можно представить в следующем виде
(3)
Слагаемое обусловлено рассеянием энергии свободных электронов на тепловых колебаниях решетки, а — рассеянием энергии на ионах примеси.
С повышением температуры удельное сопротивление металлов возрастает.
Характерная для металлов зависимость удельного сопротивления от температуры приведена на рисунке 1.
Поскольку сопротивление реальных металлов даже самой высокой степени чистоты включает , то при низких температурах ρ не зависит от температуры и определяется только (на рисунке 1 это область 1).
При более высоких температурах у достаточно чистых металлов >> и ρ ≈ . Быстрый рост объясняется тем, что при нагревании возбуждаются все новые частоты тепловых колебаний, на которых рассеиваются носители зарядов (на рисунке 1 это соответствует области II).
Рисунок 1 – Зависимость удельного сопротивления металла от температуры
При температурах, превышающих температуру Дебая Ө (для металлов она находится в пределах 400-800°С), удельное сопротивление возрастает практически линейно и обусловлено в основном усилением тепловых колебаний решетки. При этом уменьшается средняя длина свободного пробега электронов, их подвижность и, следовательно, уменьшается и проводимость (область III).
Изменение удельного сопротивления металлического проводника с температурой принято характеризовать температурным коэффициентом удельного сопротивления ТКρ или αр, имеющим размерность, обратную размерности температуры К-1 или С-1. Для расчетов пользуются средним температурным коэффициентом удельного сопротивления
, (4)
где — удельное сопротивление при температуре Т0, принятой за начальную, мкОм-м;
— удельное сопротивление при температуре Т1, мкОм-м.
Зная значение , определённое для интервала Т0-Т1 можно найти значение ρ2 для любой температуры Т2 внутри этого интервала
(5)
На рисунке 2 приведена температурная зависимость удельного сопротивления технически чистого железа и сплавов
Рисунок 2 – Зависимость удельного сопротивления ρ от температуры
1 — технически чистое железо, 2 — электротехническая сталь с содержанием 4% Si, 3 — сплав Fe-Ni-Cr
megapredmet.ru
|
Серебро … Медь . . …. Золото . … Алюминий Кальций . Бериллий Натрий . . Магний . Цинк . . . Калий . . Никель . . Кадмий . . Литий . . Железо . .Платина . Олово . . Хром . . Свинец . . |
961 1083 1063 660 850 1 280 98 650 420 63 1455 321 186 1539 3 224 232 1890 327 |
10,49 8,89 19,32 2,70 1,55 1,816 0,97 1,74 7,14 0,86 8,9 8,65 0,536 7,87 21,45 7,30 7,12 11,34 |
1,59 1,724 2,22 2,80 3,74 4,2 4,3 4,46 5,91 6,7 6,84 70,0 8,5 9,71 10,61 11,5 13,1 20,65 |
16,69 15,33 42,9 7,62 5,80 7,63 4,17 7,75 42,2 5,76 60,9 60,5 4,55 76,3 227,5 84,0 93,2 234,0 |
108,5 100,0 77,7 61,2 46,1 4.1,1 40,1 38,7 29,2 25,7 25,2 24,6 20,3 17,75 16,25 15,0 16,45 8,36 |
92,0 100,0 35,8 201,5 264,0 201,1 368,0 198,0 36,4 266,0 25,2 25,35 337,0 20,1 6,8 18,25 8,5 6,6 |
4,1 3,93 3,94 4,03 4,57 6,7 5,5 4,2 4,19 52 6,7 4,2 4,5 6,51 3,93 4,4 3,5 3,9 |
www.proelectro.ru
Металлы электропроводность — Справочник химика 21
Электропроводность различных металлов различна. Наибольшей электропроводностью обладает серебро у других металлов электропроводность уменьшается в следующем порядке Ag, Си, Аи, Сг, А1, М , Ыа, 1г, Ве, КЬ, 2п. [c.219]Сопоставьте свойства п объясните различия разбавленной и концентрированной серной кислоты (действие на металлы, электропроводность, водоотнимающее действие). [c.230]
Характерные свойства металлов — электропроводность и теплопроводность, в частности, зависят от передвижения электронов внутри решетки. Под воздействием внешнего электрического поля валентные электроны, число которых у атомов металлов невелико (1,2 или 3)-, перемещаются в направлении поля, создавая электрическую проводимость. [c.136]
Подготовка поверхности неорганических диэлектриков К неорганическим диэлектрикам относятся керамика, стекло фарфор слюда ситаллы ферриты Металлизацию неорганических диэлектриков применяют для придания поверхности деталей свойств металла электропроводности способности к пайке, теплопроводности Металлизацию стекла используют для получения зеркал Силикатные материалы (стекло кварц ситаллы, слюда ИТ п ) подвергают сначала химическому обезжириванию а затем обработке в хромовой смеси и в растворе плавиковой кислоты [c.37]
Физические свойства определяются видом щелочного металла. Электропроводность МСС выше, чем у применяемого для этого синтеза графита, по оси а в 10 раз, по оси с в 200 раз. Температурный коэффициент электросопротивления положительный, т. е. носит металлический характер. Аналогичные изменения наблюдаются у МСС щелочной металл (Аг)-графит. [c.273]
Нитриды металлических элементов, как правило, тугоплавки и мало летучи. Расплавленные нитриды щелочных металлов электропроводны. Нитриды неметаллических элементов немногочисленны, и свойства их изучены еш,е недостаточно. [c.57]
Важное свойство металлов — электропроводность, которое обусловлено наличием подвижных в кристаллической решетке металлов электронов. При обычных условиях наилучшей электрической проводимостью из всех металлов обладает серебро. Из элементов-металлов лишь германий является полупроводником (по электрической проводимости он занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками). Возможностью перемещения электронов объясняется и высокая теплопроводность металлов. [c.196]
Огромное большинство неорганических тел относится к категории полупроводников. Их удельная электропроводность меньше 10 Ом см В отличие от металлов электропроводность полупроводников растет с температурой. [c.516]
В некоторых естественных в узком смысле слова подгруппах металлов электропроводность с возрастанием заряда ядра падает. Ниже приведены для некоторых металлов значения электропроводности в обратных омах, умноженные на 10 [c.219]
Графит хорошо проводит тепло (в 3 раза лучше ртути) и обладает близкой к металлам электропроводностью (0,1 от электропроводности ртути). И электро- и теплопроводность больше параллельно слоям, чем перпендикулярно им. Максимум теплопроводности графита наблюдается около 0°С, а электропроводности — около 600 °С. Механическая прочность графита при переходе от обычных температур к 2500 °С возрастает почти вдвое. Его сжимаемость примерно в 20 раз больше сжимаемости алмаза. Заметное окисление графита при нагревании на воздухе наступает лишь выше 700 С. [c.502]
При Повышении температуры металла электропроводность его уменьшается. Причиной этого являются тепловые колебания положительных ионов металла. Амплитуда этих тепловых колебаний с повышением температуры увеличивается, что препятствует свободному перемещению электронов. [c.68]
ПОЛУПРОВОДНИКИ — вещества с электронной проводимостью, величина электропроводности которых лежит между электропроводностью металлов и изоляторов. Характерной особенностью П. является положительный температурный коэффициент электропроводности (в отличие от металлов). Электропроводность П. зависит от температуры, количества и природы примесей, влияния электрического поля, света и других внешних факторов. К П. относятся простые вещества — бор, углерод (алмаз), кремний, германий, олово (серое), селен, теллур, а также соединения — карбид кремния, соединения типа filmen (инднй — сурьма, индий — мышьяк, галлий — сурьма, алюминий — сурьма), соединения двух или трех элементов, в состав которых входит хотя бы один элемент IV—VII групп периодической системы элементов Д. И. Менделеева, некоторые органические вещества — полицены, азоаромати-ческие соединения, фталоцианин, некоторые свободные радикалы и др. К чистоте полупроводниковых материалов предъявляют повышенные требования, например, в германии контролируют примеси 40 элементов, в кремнии — 27 элементов и т. д. Тем не менее некоторые примеси придают П. определенные свойства и тип проводимости, а потому и являются необходимыми. Содержание примесей не должно превышать 10 —Ш %. П. применяются в приборах в виде монокристаллов с точно определенным содержанием примесей. Применение П. в различных отраслях техники, в радиотехнике, автоматике необычайно возросло в связи с большими преимуществами полупроводниковых приборов — они экономичны, надежны, имеют высокий КПД, малые размеры и др. [c.200]
Атомы металлов в твердой и жидкой фазах образуют в основном плотноупакованные структуры. При плавлении металлов электропроводность а обычно падает примерно в 1,5—2 раза. При повышении температуры жидкого металла электропроводность уменьшается, но медленнее, чем у твердых металлов. В жидких свинце и висмуте электропроводность почти не зависит от температуры, а у жидких цинка, кадмия и ртути она даже растет с увеличением температуры. Число электронов проводимости в единице объема жидких металлов часто почти совпадает с числом валентных электронов. Подвижность электронов в металлах, как было показано А. Р. Регелем [7], при плавлении меняется мало. Плотность жидких металлов меняется при их затвердевании незначительно. Сжимаемость жидких металлов, как и твердых, мала. Она примерно на порядок меньше сжимаемости жидких диэлектриков. [c.169]
Таким образом, при добавлении титранта (МОН) ионы Н+ заменяются ионами металла, а концентрация аниона остается неизменной. До точки эквивалентности число ионных частиц неизменно, только ионы водорода замещаются на ионы металла, и поскольку подвижность ионов водорода существенно вьппе подвижности ионов металла, электропроводность раствора падает, пока не достигается точка эквивалентности. После точки эквивалентности электропроводность определяется избытком гидроксид-ионов и возрастает с увеличением коицентрации титранта. Кривая титрования сильной кислоты сильным основанием имеет У-образную форму. [c.379]
Ковалентно-металлические связи. Полупроводники. В 6 мы уже упоминали, что наряду с металлами, обладающими большой электропроводностью, и изоляторами, которые практически ток не проводят, существует широкий класс кристаллических веществ, обладающих слабой (по сравнению с металлами) электропроводностью, причем температурная зависимость электропроводности таких кристаллов резко отлична от температурной зависимости электропроводности металлов (с повышением [c.214]
Применение диэлектриков с металлическими покрытиями позволяет заменять легкие сплавы и цветные металлы (например, цинковые сплавы при изготовлении многих изделий сложной конфигурации), резко снижать массу и себестоимость конструкций, соединять детали пайкой, придавать их поверхности свойства металлов (электропроводность и магнитные свойства, экранирование от воздействий электрического и магнитного полей, газовых разрядов, дру- [c.3]
Исходя из этого представления о механизме собственно моющего действия присадок к моторным маслам, наибольшей собственно моющей эффективностью должны обладать присадки, которые при растворении в маслах образуют наибольшее количество частиц, несущих самый высокий электрический заряд, т. е. растворы таких присадок в маслах должны обладать наибольшей эквивалентной (по металлу) электропроводностью. [c.219]
Металлы могут растворяться в расплавах солей и взаимодействовать, давая ионы металлов в неустойчивом валентном состоянии, что создает сложности при электролитическом получении металлов. Электропроводность таких растворов очень высока (ввиду избытка свободных электронов), и законы Фарадея неприменимы к подобным расплавам. [c.176]
Легко понять, что величина электропроводности зависит от числа носителей тока и от их подвижности. Количество электронов, переносящих электричество в металле, от температуры не зависит. Однако при повышении температуры увеличивается взаимодействие электронов с ионами, и электропроводность падает. В противоположность металлам электропроводность полупроводников при повышении температуры растет. Это может быть объяснено только тем, что возрастание температуры приводит к увеличению в них концентрации электронов, способных переносить ток. [c.265]
Второе характерное свойство металлов — электропроводность. В отличие от большинства неметаллических сред металлы проводят электрический ток, не претерпевая при этом химических изменений. Поэтому без металлов немыслима была бы электротехника, в частности передача электроэнергии на большие расстояния от ее источника. [c.442]
В более концентрированных растворах сольватированные ионы металла оказываются связанными в кластеры, а в области концентраций, больших 1 моль, растворы по свойствам приближаются к металлам. В последнем случае аммонизированные ионы металла удерживаются морем электронов , аналогично тому, что, имеет место в металле. Электропроводность растворов в аммиаке аномально большая при всех концентрациях, но особенно велика она в области больших концентраций и приближается к электропроводности металлического проводника. С позиций окислительно-510 [c.510]
Марганец, обладая более устойчивым строением валентного слоя электронов (d s ), в меньшей степени склонен к образованию металлообразных соединений. Марганец и рений образуют только силиды, обладающие металлической электропроводностью, а карбиды, нитриды и бориды этих металлов электропроводностью такого типа не обладают. [c.123]
Вначале оба металла получают в виде порошка грязно-серого цвета, но после переплавки они превращаются в блестящие, с серебристым оттенком плотные слитки по внешнему виду и свойствам это типичные металлы. Электропроводность их составляет приблизительно 30% электропроводности серебра. Они исключительно тугоплавки Мо плавится при 2610°, а W при 3380°. [c.359]
Согласно электронной теории металлов электропроводность а=1/р и теплопроводности Я объясняют движением электронов, но физические сущности этих свойств-различны. Закон Виде-мана — Франца, связывающий эти свойства, имеет всеобщий характер. Анализ этого закона на основе представлений электроотрицательности металлов позволил выяснить, что значение Яр различно для электроположительных, электроотрицательных и переходных металлов. Кроме того, для электроотрицательных металлов (А1, Си, 2п, kg, 5п, 8Ь, Аи, Т1, РЬ и В1) произведение кр возрастает с увеличением Р = 1г. [c.80]
С повышением валентности металла электропроводность хлоридов уменьшается для повышения электропроводности таких расплавов к ним добавляют хлориды щелочных металлов. Данные по вязкости и плотности в системе NaF — AIF3 (гл. XI) говорят, например, о наличии криолита, как химического соединения не только в твердом (о чем говорит диаграмма плавкости), айв жидком состоянии. О наличии в расплаве магниевой ванны карналлита как химического соединения говорят кривые плотности, вязкости удельной электропроводности, (гл. XII). [c.409]
Железо, кобальт и никель- серебристо-белые металлы, электропроводные, ковкие, обладающие магнитными свойствами. [c.211]
При повышении температуры металла электропроводность его уменьшается. Причиной этого являются тепловые колебания положительных ионов металла. Амплитуда этих тепловых колебаний с повышением температуры увеличивается, что препятствует свободному перемещению электронов. При температуре, которая на 100° выше точки плавления металла, электропроводность понижается по линейному закону, делается исчезающе малой. При переходе в парообразное состояние следует ожидать еще более резкого падения электропроводности. При понижении температуры электропроводность металлов увеличивается вначале линейно, а при низких температурах необычайно быстро. Так, при температуре —260° С электропроводность серебра почти в 50 раз больше, чем при0°С. Камерлинг-Оннесом были проведены работы по измерению электропроводности металлов при очень низких [c.218]
Несмотря на достигнутые успехи, вопрос об электронных полупроводниках остается и поныне одним из важнейших в тематике ЛФТИ. Однако в 40-е годы Абрам Федорович дал ему новое направление, связав электроппыс полупроводники не столько с типичными диэлектриками, в которые многие из них превраш аются при низких температурах, сколько с типичными металлами. Электропроводность металлов, как известно, не только не уменьшается, но, наоборот, увеличивается при понижении температуры. Опыты, проведенные Ю. П. Маслаковцем, Е. Д. Девятковой, Ю. А. Дунаевым и другими по указанию А. Ф. Иоффе, показали, во-первых, что многие полупроводники с проводимостью, обусловленной примесями (например, РЬЗд), при достаточно большом содержании последних или при достаточно низких температурах ведут себя фактически как металлы. При этом роль примесей в кристаллах типа СнзО играют избыточные (по отношению к химической формуле) атомы металла (Си) или металлоида (О). [c.19]
Вследствие весьма прочной связи ионита с катионом образовавшаяся внутрикомплексная соль обладает очень низкой степенью диссоциации. Об этом свидетельствует низкая электропроводность порядка 10″ сим1см для солей формы того же ионита содержащей щелочные металлы, электропроводность составляет величину порядка 10″ сим1см. [c.71]
Таким образом, при Т 0 К могут существовать только два вида вещества — кепроводники (изоляторы) и проводники, Прн повышсини температуры вещества начинаются тепловые колебания атомов в решетке, тем большие, чем выше температура. Эти 1- олебания препятствуют движению электронов. Поэтому в проводника.х типа металла электропроводность с повышением температуры снижается. [c.282]
Электрич. св-ва С.н. зависят от состава и т-ры среды-С.н. могут бьггь диэлектриками, полупроводниками или проводниками. Большая группа оксидных С.н. (силикатные, боратные, фосфатные) относится к классу изоляторов почти идеальный изолятор-кварцевое С.н. Поскольку носители тока в оксидных С.н.-катионы щелочных и щел.-зем. металлов, электропроводность, как правило, возрастает с увеличением их содержания в С. н. и повыщением т-ры. Стеклянные изоляторы используют для высоковольтных линий электропередач. Пригодность элежтротех-нических С.н. для работы в тех шш иных температурных условиях зависит от их состава и оценивается по т-ре (ТКюо), при к-рой С.н. имеет уд. электрич. проводимость [c.423]
Одргако для металлов все же наиболее характерно, что электроны последней зоны можно рассматривать как почти свободные, вся совокупность этпх электронов участвует в образовании металлической связи, а та часть электронов, которая расположена в квантовых ячейках вблизи поверхности Ферми, ответственна за специфические физические свойства металлов (электропроводность, теплопроводность и т. п.). [c.203]
Электропроводность ионных кристаллов очень различна у твердого тела и у расплава, поскольку она является следствием движения ионов, т. е. она является электролитической проводимостью в противоположность электронной проводимости в л еталлах. Электропроводность ионных кристаллов, зa eтнaя только при температурах, близких к точке плавления, составляет около 10 о.и см и быстро уменьшается с температурой. У расплавленных галогенидов характерная электропроводность находится в пределах от 0,1 до 10 о.и см (при температурах несколько выше точки плавления). С другой стороны, электрические и оптические свойства металлов (электропроводность. [c.138]
Благодаря высокой электропроводности углеродных волокон карбоволокниты могут выполнять функции антистатических или радиопоглощающих материалов, применяться в качестве электропроводящих панелей радиационного отопления и антиобледенителей самолетов. Такая отопительная система, в которой конструкционный волокнит является одновременно тепловыделяющим материалом, экономична и ее можно полностью автоматизировать. В этом случае эффективность применения волокнита зависит от выбора связующего. Электрическое сопротивление последнего понижают введением порошка графита, саж, тонкодисперсных частиц металлов. Электропроводность углеродного наполнителя способствует сокращению продолжительности формования толстостенных изделий из карбоволокнита, обеспечивая равномерный и быстрый прогрев заготовки пропусканием электрического тока по наполнителю [61]- [c.230]
Серебро обладает наивысшей среди металлов электропроводностью. Содержание металла в лакокрасочных материалах зависит от того, каким способом их наносят на отделываемую поверхность. При нанесении кистью оно не менее 50%, при распылении 35%, а при шелкографическом методе должно доходить до 60%, Токопроводящие лакокрасочные материалы приготовляют диспергированием порошка серебра в растворе связующего в органическом растворителе. Поверхность пластмассы покрывают лакокрасочными композициями, высыхающими на воздухе или отверждающимися на холоду. Покрытия горячего отверждения наносят [c.141]
chem21.info
2.3 влияние примесей и других структурных дефектов на электропроводность металлов
2.3 Влияние примесей и других структурных дефектов
на электропроводность металлов
Примеси снижают электропроводность в любом случае, даже если электропроводность металла примеси выше, чем у основного металла; это вызвано нарушением правильности структуры. Степень снижения электропроводности зависит от количества и состава примеси. Если ввести в медь серебро в количестве 0,5 %, то её электропроводность уменьшится на 1 %. Добавка в медь такого же количества кадмия снизит её электропроводность на 2 %, а цинка – на 5 %.
Примеси других элементов влияют на электропроводность гораздо заметнее. Для снижения электропроводности меди вдвое достаточно присутствие любой из перечисленных добавок: 1,2 % никеля; 1,1 % олова; 0,8 % алюминия; 0,4 % бериллия; 0,2 % железа или кремния; 0,1 % фосфора. Экспериментально установлено, что при малом содержании примесей удельное сопротивление металла возрастает пропорционально увеличению количества атомов каждой из примесей, таким образом эффекты от влияния нескольких различных примесей складываются.
Собственные дефекты структуры металла – вакансии, атомы внедрения, дислокации, границы зёрен – также увеличивают его удельное электрическое сопротивление.
Для оценки химической чистоты и структурного совершенства металлов используют значение остаточного сопротивления ρ4,2, измеренное при температуре жидкого гелия (4,2 К), а также параметр β, равный отношению значений сопротивления при комнатной температуре (300 К) и при температуре жидкого гелия:
β = ρ300 / ρ4,2.
Для наиболее чистых металлов, получаемых в настоящее время (со степенью чистоты 99,99999 %), параметр β достигает порядка 105.
Заметное влияние на удельное сопротивление металлов и сплавов оказывают искажения, вызываемые напряжённым состоянием материала. Например, при всестороннем сжатии у большинства металлов удельное сопротивление уменьшается. Это объясняется сближением атомов и уменьшением амплитуды тепловых колебаний решётки. При упругом растяжении и кручении межатомные расстояния увеличиваются, что вызывает возрастание ρ. Пластическая деформация и наклеп всегда повышают удельное сопротивление металлов и сплавов, однако это повышение, даже при значительном наклепе чистых металлов, составляет единицы процентов. Термическая закалка приводит к повышению ρ, что связано с перестройкой кристаллической решётки и появлением внутренних напряжений. При рекристаллизации металлического изделия путём термической обработки (отжига) удельное электрическое сопротивление материала может быть снижено до первоначального значения за счет снятия внутренних напряжений.
2.4 Металлы высокой электропроводности
широкого применения
У металлов высокой электропроводности удельное электрическое сопротивление в нормальных условиях не превышает 100 нОм·м. Наиболее распространёнными среди них являются медь, алюминий и железо. Высокой электропроводностью обладают также многие тугоплавкие металлы, большинство драгоценных и ряд других металлов, а также некоторые сплавы, в частности сплавы меди – бронзы и латуни. Температура плавления t, °С, плотность Мг/м3 и удельное электрическое сопротивление ρ, нОм·м) основных металлов электротехники приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1 – Температура плавления, плотность и удельное электри-
ческое сопротивление основных металлов электротехники
Металл | t, °С | Плотность, Мг/м3 | ρ, нОм·м | Металл | t, °С | Плотность, Мг/м3 | ρ, нОм·м |
Алюминий | 657 | 2,70 | 28 | Никель | 1455 | 8,90 | 73 |
Вольфрам | 3380 | 19,30 | 55 | Олово | 232 | 7,29 | 120 |
Железо | 1539 | 7,87 | 98 | Палладий | 1554 | 12,02 | 110 |
Золото | 1063 | 19,30 | 24 | Платина | 1769 | 21,43 | 105 |
Индий | 157 | 7,31 | 90 | Ртуть | – 38,9 | 13,55 | 958 |
Иридий | 2447 | 22,65 | 54 | Свинец | 327 | 11,40 | 210 |
Кадмий | 321 | 8,65 | 76 | Серебро | 962 | 10,49 | 16 |
Медь | 1083 | 8,94 | 17 | Хром | 1890 | 7,19 | 210 |
Молибден | 2623 | 10,20 | 57 | Цинк | 420 | 7,13 | 59 |
Медь
Медь является первым и основным проводниковым материалом. Удельное электрическое сопротивление стандартной меди при комнатной температуре 17,241 нОм·м, что соответствует удельной электропроводности 58 МСм/м. Электропроводность других металлов и сплавов часто оценивают в процентах от электропроводности стандартной меди. Только серебро имеет электропроводность выше, чем медь, однако, оно тяжелее, а главное гораздо дороже. Плотность меди 8,94 · 103 кг/м3, она достаточно прочна; предел прочности мягкой (отожжённой) меди от 260 до 280, а твёрдой – от 360 до 390 МПа.
Медь плавится при температуре 1083 °С, а кипит при 2567 °С.
Химическая стойкость меди достаточно высока. Даже в условиях высокой влажности медь окисляется на воздухе значительно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах.
Медь удобно обрабатывать, она легко прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до нескольких микрон (мкм). Медь удобно паять, слабая оксидная плёнка на поверхности меди легко разрушается флюсами, для пайки можно использовать как мягкие, так и твёрдые припои.
Получение меди. Медь получают путём переработки сульфидных руд. После ряда плавок руды и обжигов с интенсивным дутьём медь, предназначенная для электротехнических целей, обязательно проходит электролитическую очистку. Побочный продукт электролиза – шлам – представляет собой ценное сырье, т. к. содержит драгоценные и редкие металлы. Полученные в процессе электролиза катодные пластины переплавляют в болванки, из которых прокатывают листы или протягивают проволоку.
При холодной протяжке получают твёрдую (твердотянутую) медь, которая маркируется МТ. Благодаря влиянию наклепа твёрдая медь имеет высокий предел прочности при растяжении и малое относительное удлинение при разрыве, а также твёрдость и упругость при изгибе; проволока из твёрдой меди несколько пружинит. Если же медь подвергнуть отжигу, т. е. нагреву до нескольких сот градусов с последующим охлаждением, то получится мягкая (отожжённая) медь, которая маркируется ММ. Мягкая медь сравнительно пластична, обладает малой твёрдостью и небольшой прочностью, но большим относительным удлинением при разрыве и малым удельным сопротивлением. Отжиг меди производят в специальных печах без доступа воздуха, чтобы избежать окисления.
Марки меди. В качестве проводникового материала используют медь М1 и М0. Маркировка произведена по содержанию примесей в основном металле (соответственно не более 0,1 % и не более 0,05 %).
Специальные электровакуумные сорта меди не содержат кислорода. Их получают из электролитической меди, переплавленной в вакууме или в защитной атмосфере восстановительного газа СО. Значительное ухудшение механических свойств меди вызывает водород. При взаимодействии водорода с кислородом, присутствующим в технической меди в виде закиси Cu2O, образуется вода, разрушительно действующая на медь. После водородного отжига прочность меди может уменьшиться в несколько раз.
Недостатком меди является её подверженность атмосферной коррозии с образованием оксидных и сульфидных плёнок, которые являются полупроводниками и в контакте с медью образуют выпрямительные элементы. Вследствие односторонней проводимости окисленная медь непригодна для слаботочных контактов. Скорость окисления быстро возрастает при нагревании, однако прочность сцепления оксидной плёнки с металлом невелика. При высокой температуре в электрической дуге оксид меди разлагается, обнажая металлическую поверхность. Металлическое отслаивание и термическое разложение оксидной плёнки вызывает повышенный износ медных контактов при сильных токах.
Применение меди. Медь применяют в силовой электротехнике для изготовления проводов, кабелей, шин распределительных устройств, обмоток трансформаторов, электрических машин, токоведущих деталей приборов и аппаратов, анодов гальванических ванн; медные проволоки и ленты используют в качестве экранов кабелей. Твёрдую медь употребляют в тех случаях, когда нужна особенно высокая механическая прочность, твёрдость и сопротивляемость истиранию, например, для изготовления контактных проводов, коллекторных пластин. Если же требуется хорошая гибкость и пластичность, а прочность не имеет особого значения, то предпочтительнее мягкая медь (например, для гибких шнуров и монтажных проводов).
Из специальных электровакуумных сортов меди изготавливают детали магнетронов и других приборов СВЧ, аноды мощных генераторных ламп, некоторые типы волноводов и резонаторов. Кроме того, медь используют для покрытия тонкой плёнкой (фольгирования) гетинакса и текстолита, а также применяют в микроэлектронике в виде осаждённых на подложки плёнок, играющих роль проводящих соединений между функциональными элементами схемы.
Сплавы меди. Кроме чистой меди в качестве проводниковых материалов применяют сплавы меди с цинком (латуни), а также бронзы – сплавы меди с другими металлами – оловом, фосфором, бериллием, кадмием и т. д., здесь может присутствовать и цинк. Электропроводность медных сплавов несколько ниже, а механическая прочность и химическая стойкость значительно выше, чем у чистой меди.
В наименовании бронзы присутствует название этого металла, добавка которого в основном определяет её свойства. Фосфористую бронзу применяют как припой для пайки меди; бериллиевую бронзу особой прочности (до 1350 МПа) применяют для изготовления пружин и пружинящих контактов. Из кадмиевой бронзы, электропроводность некоторых марок которой достигает до 95 % от электропроводности меди, изготавливают коллекторные пластины электродвигателей и генераторов, контактные провода электротранспорта и детали других скользящих контактов.
Латуни содержат до 43 % цинка по массе и маркируются по количеству содержащейся в них меди; Л68 и т. п. Латуни прочнее, чем медь, и устойчивее к коррозии, поэтому широко применяют для изготовления штырей и гнёзд разъёмных контактов, а также в качестве твёрдого припоя для пайки меди – ПМЦ (припой медно-цинковый).
Алюминий
Алюминий является вторым по значению проводниковым материалом электротехники, важнейшим из лёгких металлов (его плотность 2,7·103 кг/м3). Удельное сопротивление электротехнического алюминия 28 нОм·м, что в 1,63 раза больше, чем у меди. Однако, если сделать из 1 кг алюминия и из 1 кг меди провода одинаковой длины, площадь сечения алюминиевого провода будет в 3,3 раза больше, а сопротивление в 2 раза меньше, чем у медного. Это позволяет считать, что электропроводность у килограмма алюминия в 2 раза выше, чем у меди. Стоит алюминий гораздо дешевле меди, это делает его самым выгодным проводниковым материалом и стимулирует замену меди алюминием, несмотря на его недостатки – малую прочность (предел прочности мягкого алюминия достигает 80, а твёрдого – до 160 МПа), а также ломкость и химическую активность.
Алюминий – металл серебристо-белого цвета, его поверхность покрыта прочной плёнкой оксида Al2О3, которая является полупроводником n-типа, а по удельному сопротивлению близка к диэлектрикам. Эта плёнка предохраняет алюминий от коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов, а также делает невозможной пайку алюминия обычными методами. Для разрушения оксидной плёнки при пайке алюминия применяют специальные припои и флюсы, а также вибрацию жала паяльника с частотой ультразвука под слоем расплавленного припоя.
Оксидная изоляция прочна механически и нагревостойка. Температура плавления алюминия равна 657 °С, а оксидной плёнки – около 2050 °С. Слой оксида толщиной 0,03 мм имеет пробивное напряжение около 100 В. Плотные оксидные слои на поверхности алюминиевой фольги или провода получают с помощью электрохимической обработки (анодирования). Такая изоляция широко применяется в оксидных (электролитических) конденсаторах. Из анодированных алюминиевых проводов и шин, без применения дополнительной межвитковой изоляции, изготавливают различные обмотки, отличающиеся высокой нагревостойкостью.
Важнейшее значение имеет контакт алюминия и меди. Если область контакта подвергается воздействию влаги, то возникает местная гальваническая пара с довольно высоким значением ЭДС, вследствие чего алюминиевый проводник разрушается, превращаясь в белый порошок оксида. Поэтому места соединения медных проводников с алюминиевыми должны быть тщательно защищены от увлажнения (их покрывают изолентой и пропитывают лаком, и т. п.).
Алюминий широко распространён в природе. Его получают электролизом глинозёма Al2О3 в расплаве криолита Na3AlF6 при 950 °С. Прокатку, протяжку и отжиг алюминия производят по технологиям, аналогичным соответствующим операциям для меди. Из алюминия высокой чистоты можно прокатать очень тонкую (6–7 мкм) фольгу.
Марки алюминия. Для электротехнических целей используют алюминий технической чистоты АЕ, содержащий не более 0,5 % примесей. Проволока из алюминия АЕ, отожжённая при температуре 350 ± 20 °С, обладает при 20 °С удельным сопротивлением не более 0,029 мкОм·м при прочности 90 МПа. Алюминий высокой чистоты А97 (не более 0,03 % примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, используемой в качестве обкладок и для изготовления корпусов электролитических конденсаторов. У алюминия особой чистоты А999 примеси не превышают 0,001 %, его используют для плакирования (покрытия тонким слоем) проводов из алюминия марки АЕ с целью придать им особую стойкость к коррозии.
С целью упрочнения в алюминий добавляют до 0,5 % магния, до 0,7 % кремния и до 0,3 % железа, при этом получают сплав под названием альдрей. За счёт образования мелкодисперсного соединения Mg2Si прочность альдрея достигает 350 МПа при ρ = 31,7 нОм·м.
Железо и проводниковый биметалл
Удельное сопротивление технически чистого железа 98 нОм·м, а у сталей и чугунов (сплавов железа с углеродом) ещё выше. Приблизительно считают, что электропроводность стальных проводов в 7 раз меньше, чем медных и в 4 раза меньше, чем алюминиевых при той же площади сечения. Однако механическая прочность железа высока (более 700 МПа) и оно дёшево. Железо используют в виде стальных проводов воздушных линий электропередачи малой мощности, элементов заземления и заземляющих проводников, а также железнодорожных и трамвайных рельсов. В ряде случаев удобно применять проводниковый биметалл, который представляет собой стальную сердцевину, покрытую слоем меди или алюминия. Его применяют для проводов линий связи, шин распределительных устройств, ножей рубильников и в других местах, где требуется сочетание высокой электропроводности и прочности. В биметалле медь или алюминий защищают железо от окисления; в других случаях, с целью защиты от коррозии, железо покрывают цинком или другими металлами. Цинк не только не допускает кислород к железу, но и осуществляет электрохимическую защиту. Даже если на цинковом покрытии есть царапины, железо не будет окисляться до тех пор, пока не окислится весь цинк.
refdb.ru
Электропроводность металлов и полупроводников | Квантовая физика
Содержание работы
Электропроводность есть способность тела пропускать электрический ток под действием электрического поля. Для характеристики этого явления служит величина удельной электропроводности σ. Как показывает теория [1-3], величину σ можно выразить через концентрацию n свободных носителей заряда, их заряд е, массу m, время свободного пробега τe, длину свободного пробега λe и среднюю дрейфовую скорость носителей заряда. Для металлов в роли свободных носителей заряда выступают свободные электроны, так что:σ = ne2 · τе / m = (n · e2 / m) · (λe / < v >) = e · n · u
(10.1)
где u — подвижность носителей, т.е. физическая величина, численно равная дрейфовой скорости, приобретенной носителями в поле единичной напряженности , а именно
u = < v > / E = (e · τе) / m
В зависимости от σ все вещества подразделяются; на проводники — с σ > 106 (Ом · м)-1, диэлектрики — с σ > 10-8 (Ом · м)-1 и полупроводники — с промежуточным значением σ.
С точки зрения зонной теории деление веществ на проводники, полупроводники и диэлектрики определяется тем, как заполнена электронами при 0 К валентная зона кристалла: частично или полностью.
Энергия, которая сообщается электронам даже слабым электрическим полем, сравнима с расстоянием между уровнями в энергетической зоне. Если в зоне есть свободные уровни, то электроны, возбужденные внешним электрическим полем, будут заполнять их. Квантовое состояние системы электронов будет изменяться, и в кристалле появится преимущественное (направленное) движение электронов против поля, т.е. электрический ток. Такие тела (рис.10.1,а) являются проводниками.
Если валентная зона заполнена целиком, то изменение состояния системы электронов может произойти только при переходе их через запрещенную зону. Энергия внешнего электрического поля такой переход осуществить не может. Перестановка электронов внутри полностью заполненной зоны не вызывает изменения квантового состояния системы, т.к. сами по себе электроны неразличимы.В таких кристаллах (рис. 10.1,б) внешнее электрическое поле не вызовет появление электрического тока, и они будут непроводниками (диэлектриками). Из этой группы веществ выделены те у которых ширина запрещенной зоны ΔE ≤ 1 эВ (1эВ = 1,6 · 10-19 Дж).
Переход электронов через запрещенную зону у таких тел можно осуществить, например, посредством теплового возбуждения. При этом освобождается часть уровней — валентной зоны и частично заполняются уровни следующей за ней свободной зоны (зоны проводимости). Эти вещества являются полупроводниками.
Согласно выражению (10.1) изменение электропроводности (электрического сопротивления) тел с температурой может быть вызвано изменением концентрации n носителей заряда или изменением их подвижности u .
Металлы
Квантово-механические расчеты показывают, что для металлов концентрация n свободных носителей заряда (электронов) равна:n = (1 / 3π2) · (2mEF / ђ2)3/2
(10.2)
где ђ = h / 2π = 1,05 · 10-34 Дж · с — нормированная постоянная Планка, EF — энергия Ферми.
Так как EF практически от температуры T не зависит, то и концентрация носителей заряда от температуры не зависит. Следовательно, температурная зависимость электропроводности металлов будет полностью определяться подвижностью u электронов, как и следует из формулы (10.1). Тогда в области высоких температур
u ~ λe / <v> ~ T-1
(10.3)
а в области низких температур
u ~ λe / <v> ~ const (T).
(10.4)
Степень подвижности носителей заряда будет определяться процессами рассеяния, т.е. взаимодействием электронов с периодическим полем решетки. Так как поле идеальной решетки строго периодическое, а состояние электронов — стационарное, то рассеяние (возникновение электрического сопротивления металла) может быть вызвано только дефектами (примесными атомами, искажениями структуры и т.д.) и тепловыми колебаниями решетки (фононами).
Вблизи 0 К , где интенсивность тепловых колебаний решетки и концентрация фононов близка к нулю, преобладает рассеяние на примесях (электрон-примесное рассеяние). Проводимость при этом практически не меняется, как следует из формулы (10.4), а удельное сопротивление
имеет постоянное значение, которое называется удельным остаточным сопротивлением ρост или удельным примесным сопротивлением ρприм, т.е.
ρост (или ρприм) = const (T)
(10.5)
В области высоких температур у металлов становится преобладающим электрон-фононный механизм рассеяния. При таком механизме рассеяния электропроводность обратно пропорциональна температуре, как видно из формулы (10.3), а удельное сопротивление прямо пропорционально температуре:
График зависимости удельного сопротивления ρ от температуры приведен на рис. 10.2
При температурах отличных от 0 К и достаточно большом количестве примесей могут иметь место как электрон-фононное, так и электрон-примесное рассеяние; суммарное удельное сопротивление имеет вид
ρ = ρприм + ρф
(10.6)
Выражение (10.6) представляет собой правило Матиссена об аддитивности сопротивления. Следует отметить, что как электрон-фононное, так и электрон-примесное рассеяние носит хаотический характер.
Полупроводники
Квантово-механические расчеты подвижности носителей в полупроводниках показали, что, во-первых, с повышением температуры подвижность носителей u убывает, и решающим в определении подвижности является тот механизм рассеяния, который обуславливает наиболее низкую подвижность. Во-вторых, зависимость подвижности носителей заряда от уровня легирования (концентрации примесей) показывает, что при малом уровне легирования подвижность будет определяться рассеянием на колебаниях решетки и, следовательно, не должна зависеть от концентрации примесей.
При высоких уровнях легирования она должна определяться рассеиванием на ионизированной легирующей примеси и уменьшаться с увеличением концентрации примеси. Таким образом, изменение подвижности носителей заряда не должно вносить заметного вклада в изменение электрического сопротивления полупроводника.
В соответствии с выражением (10.1) основной вклад в изменение электропроводности полупроводников должно вносить изменение концентрации п носителей заряда [1-3].
Главным признаком полупроводников является активационная природа проводимости, т.е. резко выраженная зависимость концентрации носителей от внешних воздействий, как-то температуры, облучения и т.д. Это объясняется узостью запрещенной зоны (ΔЕ < 1 эВ) у собственных полупроводников и наличием дополнительных уровней в запрещенной зоне у примесных полупроводников.
Электропроводность химически чистых полупроводников называется собственной проводимостью. Собственная проводимость полупроводников возникает в результате перехода электронов (n) с верхних уровней валентной зоны в зону проводимости и образованием дырок (p) в валентной зоне:
σ = σn + σρ = e · nn · un + e · nρ · uρ
(10.7)
где nn и· nρ — концентрация электронов и дырок,
un и uρ — соответственно их подвижности,
e — заряд носителя.
С повышением температуры концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне экспоненциально возрастает:
nn = unо · exp(-ΔE / 2kT) = nρ = nρо· exp(-ΔE / 2kT)
(10.8)
где nnо и npо — концентрации электронов и дырок при Т → ∞,
k = 1,38 · 10–23 Дж/ К — постоянная Больцмана.
На рисунке 10.3,а приведен график зависимости логарифма электропровод-ности ln σ собственного полупроводника от обратной температуры 1 / Т : ln σ = = ƒ(1 / Т). График представляет собой прямую, по наклону которой можно опреде-лить ширину запрещенной зоны ∆Е.
Электропроводность легированных полупроводников обусловлена наличием в них примесных центров. Температурная зависимость таких полупроводников определяется не только концентрацией основных носителей, но и концентрацией носителей, поставляемых примесными центрами. На рис. 10.3,б приведены графики зависимости ln σ = ƒ (1 / Т) для полупроводников с различной степенью легирования (n1
Для слаболегированных полупроводников в области низких температур преобладают переходы с участием примесных уровней. С повышением температуры растет концентрация примесных носителей, значит растет и примесная проводимость. При достижении т. А (см. рис. 10.3,б; кривая 1) – температуры истощения примеси ТS1 – все примесные носители будут переведены в зону проводимости.
Выше температуры ТS1 и до температуры перехода к собственной проводимости Тi1 (см. т. В, кривая 1, рис. 10.3,б) электропроводность падает, а сопротивление полупроводника растет. Выше температуры Тi1 преобладает собственная электропроводность, т.е. в зону проводимости вследствие теплового возбуждения переходят собственные носители заряда. В области собственной проводимости σ растет, а ρ падает.
Для сильнолегированных полупроводников, у которых концентрация примеси n ~ 1026 м–3, т.е. соизмерима с концентрацией носителей заряда в металлах (см. кривая 3, рис. 10.3,б), зависимость σ от температуры наблюдается только в области собственной проводимости. С ростом концентрации примесей величина интервала АВ (АВ > A’B’ > A»B») уменьшается (см. рис. 10.3,б).
Как в области примесной проводимости, так и в области собственной проводимости преобладает электрон-фононный механизм рассеяния. В области истощения примеси (интервалы AB, A’B’, A»B») вблизи температуры ТS преобладает электрон-примесное рассеяние. По мере увеличения температуры (перехода к Тi) начинает преобладать электрон-фононное рассеяние. Таким образом, интервал АВ (A’B’ или A»B»), называемый областью истощения примеси, является также областью перехода от механизма примесной проводимости к механизму собственной проводимости.
fevt.ru
Удельная электропроводность металлов и сплавов
Металлы относятся к веществам с очень хорошей электронной проводимостью (проводники первого рода). Их удельная электропроводность о от 10 до 10 ом -см , НЛП в системе СИ от 10 до 10 сим-мг (1 сим = 1 oл( ). Несколько меньшей проводимостью, чем чистые металлы, обладают их сплавы, некоторые интерметаллические соединения и различные карбиды, гидриды, нитриды металлов, являющиеся фазами переменного состава. Удельная проводимость металлов выражается уравнением [c.231]В электротехнике применяют две группы проводников. К первой относятся проводники с высокой электропроводностью, больщей частью чистые металлы (медь, алюминий), служащие для канализации электричества (провода) вторую группу составляют сплавы, некоторые чистые металлы и другие материалы, обладающие большим удельным сопротивлением, благодаря которому они дают возможность на небольшом участке цепи и в небольшом объеме сосредоточить большое падение потенциала. По применению эту группу проводников в свою очередь можно подразделить на две подгруппы а) сплавы для измерительных приборов и эталонов и б) проводники для нагревателей и реостатов. [c.122]
При застывании металлических сплавов очень часто образуются твердые растворы. Свойства твердых растворов с изменением их состава изменяются непрерывно, но характер зависимости свойств от состава может быть различным. Так, например, в сплавах золота и серебра коэффициент теплового расширения р между 17° и 144° и удельный объем при 15° 15 изменяются линейно. Прямая соединяет значения соответствующих констант каждого из компонентов, отложенных по соответствующим осям диаграммы рис. 64. Зависимости остальных свойств сплава от его состава, приведенные на этом рисунке, описываются плавными кривыми линиями, проходящими через максимум или минимум, например, модуль упругости Е, модуль твердости Н, удельная электропроводность X, термоэлектродвижущая сила в паре со свинцом е, температурный коэффициент электрического сопротивления от 0° до 100° С Оо-юо- Вид этих кривых характерен для твердых растворов металлов. [c.236]
Присутствие ионов аммония в конденсатах пара влияет на значения удельной электропроводности конденсата поэтому в случае присутствия ионов аммония необходимо вносить в измеряемые значения электропроводности соответствующие поправки. Ионы аммония, присутствующие в воде, вызывают коррозию меди и сплавов меди, так как медь может растворяться с образованием медноаммиачных комплексов. Аммиак в паре вызывает коррозию медных деталей подшипников. При наличии в машинах нежелезных деталей не следует допускать присутствия аммиака в водяном паре. Однако, как недавно показал Черна [117], присутствие аммиака в паре, наоборот, желательно, если вся система сделана целиком из стали, так как аммиак обеспечивает высокое значение pH воды, питающей паровую установку, и конденсата без повышения концентрации щелочи в воде. В отсутствие кислорода аммиак в концентрациях до 10 ч.н.м., повидимому, не вызывает коррозии нежелезных металлов, применяемых в паропроводах. [c.153]
Проводники обладают малым удельным сопротивлением, порядка 10 —10 ом-см, и высокой электропроводностью. К проводникам относятся многие металлы и сплавы (серебро, медь, золото, бронза и др.). [c.66]
Направление научных исследований разделение редкоземельных элементов получение чистых солей и редкоземельных элементов высокой степени чистоты контроль чистоты солей и металлов спектроскопическим методом и с помощью радиоизотопов получение сплавов редкоземельных элементов изучение физических свойств (магнетизм, коэффициент дилатации, электропроводность, удельная теплоемкость, твердость, механические свойства) чистых металлов, сплавов и различных соединений (главным образом ферритов). [c.339]
Концентрация компонентов этого электролита может быть пропорционально снижена вдвое за счет соответственного снижения плотности тока. Удельная электропроводность электролита равна 0,175 Из него осаждаются светлые мелкокристаллические покрытия, обладающие высокой прочностью сцепления с основным металлом, в частности, с медью и ее сплавами без какой-либо специальной обработки. Поэтому осаждение серебра можно производить без амальгамирования или предварительного серебрения. Применение реверсирования тока с соотношением периодов 10 1 еще более улучшает качество покрытий [6]. [c.27]
Еще 35 лет тому назад все материалы, использовавшиеся в электротехнике, в зависимости от величины их удельной проводимости а делились только на проводники (а = 10 — 0 ом -см ) и диэлектрики (а = 10 10 ом -см ). К наиболее характерным проводникам, как подчеркивалось в физике — проводникам первого рода, относились металлы и сплавы, обладающие электронной электропроводностью. Кроме того, были известны и сравнительно хорошо изучены свойства жидких тел (растворов, расплавов) с ионной электропроводностью. Их относили к проводникам второго рода или электролитам удельная проводимость последних существенно меньше, чем у проводников первого рода. Подавляющее же большинство окружающих нас веществ имеет электронную электропроводность, при значениях удельной проводимости, лежащих в интервале 10″ —10 ом —см и, таким образом, не может быть отнесено ни к проводникам, ни к диэлектрикам. [c.9]
Покрытия из благородных металлов используются не только для отделки, по и для улучшения эксплуатационных характеристик изделий. Эти покрытия, как правило, имеют высокую стойкость против коррозии в агрессивных средах, сопротивление механическому и электроэрозионному износу, высокую отражательную способность и низкое удельное сопротивление [07]. В радиоэлектронике серебрение и золочение токонесущих деталей применяется для улучшения поверхностной электропроводности и максимального снижения переходного сопротивления в местах контактов. В производстве транзисторов, имеющих хрупкую и тонкую обкладку из кремния, для нринаивания контактов используется сплав золота с добавкой 0,5% сурьмы. Германиевая пластинка без всякого флюса припаивается к коваровому диску, покрытому сплавом Аи—Sb или Аи—In (0,5—1,0% In). В области низкочастотных коммутирующих устройств нашли применение золото-никелевые сплавы, содержащие 0,5—2% никеля. В производстве печатных схем также находят применение золото-серебряные сплавы, содержащие 1—3% серебра. В электронной технике особое значение имеет получение покрытий из золота с добавкой кобальта, которые отличаются большим сроком службы в условиях высокотемпературных режимов. Электролитически осажденные пленки таких редких металлов, как германий, таллий, галлий, индий, необходимы в полупроводниковой технике 167]. [c.378]
В частности, удельное сопротивление стекла электрическому току значительно зависит от температуры, и в этом оно ведет себя, как полупроводник. Если металлы и их сплавы, а также большинство изоляционных материалов имеют температурный коэффициент сопротивления (ТКС) не более 1 % на градус, то у стекла ТКС доходит до 15% на градус. С ростом температуры сопротивление стекла падает, и стекло становится проводником электрического тока с удельным сопротивлением, близким к удельному сопротивлению электролитов. Это свойство используется в стекловаренных электропечах, когда расплавленная стекломасса сама является электронагревателем, это явление используется и для электросварки стеклоизделий. Свариваемые стеклоизделия сначала подогреваются пламенем или внешним электронагревателем до температуры, при которой стекло становится достаточно электропроводным, затем через него пропускается электрический ток. Происходит непосредственный нагрев стекла до степени размягчения, необходимой для сварки, свариваемые поверхности деталей вводятся в соприкосновение и прижимаются друг к другу. В месте соединения образуется однородный шов со свойствами, мало отличающимися от свойств основного материала свариваемых деталей. [c.187]
Свойства сплавов. Сплавы сохраняют хорошую электропроводность, теплопроводность и другие присущие металлам свойства. Однако их свойства не складываются как среднее арифметическое из свойств сплавляемых компонентов. Наоборот, температуры плавления сплавов ниже, чем у исходных металлов. Например, сплав Вуда плавится при 75° С, а температура плавления самого легкоплавкого его компонента — олова 232° С. Сплав Деварда (50% меди, 45% алюминия и 5% цинка) легко растирается в порошок и вытесняет водород из воды, хотя ни один из исходных металлов этим свойством не обладает. Очевидно, у сплавов появляются новые свойства, возникают новые качества. Как правило, сплавы более тверды, чем исходные металлы. Например, твердость латуни составляет 150 условных единиц, а исходных компонентов — меди и цинка — соответственно 40 и 50. Удельное электрическое сопротивление сплавов обычно также выше, чем у исходных чистых металлов. Например, у нихрома (20% хрома 80% никеля) сопротивление 110-10 , у хрома 15-10″ , а у никеля только 7-10- Ом-см, [c.246]
Алю м ИНН й — легкий серебристо-белый металл. Он обладает высокой пластичностью и коррозионной стойкостью. Электропроводность алюминия составляет 60% электропроводности меди. Чистый алюминий применяют для изготовления электрических проводов, а также для антикоррозионного покрытия черных металлов. Чистый алюминий непрочен. Сплавы алюминия с медью, кремнием, марганцем и другими металлами характеризуются небольшим удельным весом, высокой пластичностью и прочностью, благодаря чему широко применяются в авиационной технике, приборостроении и других отраслях народного хозяйства. [c.43]
Алюминий и его сплавы, благодаря своему малому удельному весу, хорошим механическим свойствам и высокой электропроводности, широко применяются в различных отраслях народного хозяйства. Чистый алюминий в сухом воздухе при обычной температуре обладает достаточно хорошей коррозионной стойкостью. Это объясняется свойствами естественной окисной пленки, образую—щейся на металле под воздействием кислорода воздуха. Будучи равномерной и менее пористой, чем пленки окислов на стали, меди и других металлах, окисная пленка на алюминии хорошо защищает основной металл от дальнейшего разрушения. Однако при эксплуатации алюминия во влажной атмосфере или в условиях воздействия морской воды естественная окисная пленка не может служить достаточной защитой от коррозии. В таких условиях изделия из алюминия тускнеют, покрываются пятнами и белым налетом. [c.100]
Во многих случаях механизм коррозионного разрушения сплавов а также пути повышения их устойчивости удается рассмотреть на основе анализа работы двухэлектродной системы. Рассмотрим коррозиомиое поведение элемента железо — цинк в нейтральном электролите (0,030 г/л хлористого натрия 0,070 г/л сернокислого натрия). Удельная электропроводность х этого электролита равна 8,5 10″ ом см -. Площадь каждого электрода выберем равной 1 см . Расстояние между электродами 1 см. Измерения электродных потенциалов металлов в разомкнутом состоянии, которое можно осуществить при помощи полуэлементов N1 и N2 при разомкнутом ключе (рис. 50), дают следующие значения [c.87]
Ранние данные по исследованию электрофизических свойств моносилицндов [11 —14] касались главным образом измерения удельной электропроводности (а) и коэффициента термоэдс (а) при комнатных температурах. Лишь в последние -—3 года появился ряд работ отечественных и зарубежных авторов по исследованию температурных зависимостей а, а и коэффициента Холла ( х) сплавов на основе Со51 в интервале 100—1000 °К [15, 16], а также низкотемпературные измерения а поликристаллических образцов моносилицндов Ы-переходных металлов [17]. [c.274]
Расилавленные сульфиды тяжелых металлов являются полупроводниками, приближающимися по своим свойствам к жидким металлическим сплавам. В пользу этого говорят, в частности, их высокая удельная электропроводность, относительно малое изменение ее при затвердевании, практически полная невозможность электролиза в чистых сульфидах, металлический блеск и другие свойства. [c.526]
Алюминий в основном расходуется на приготовление различного рода сплавов на его основе. Путем сплавления алюминия с другими металлами и соответствующей термической обработкой удается получить сплавы во много раз более прочные, чем сам алюминий.Удельная прочность некоторых сплавов на алюминиевой основе выше прочности малоуглеродистой стали и практически равна прочности высококачественной стали. В облегчении веса конструкции заинтересованы многие отрасли промышленности поэтому алюминиевые сплавы и находят широкое применение. Кроме того, алюлшний обладает высокой электропроводностью, которая только примерно на 40% ниже, чем у меди. Поскольку алюминий в три с лишним раза легче меди, то он широко применяется в электротехнической промышленности. Общая коррозионная стойкость алюминиевых сплавов также значительно выше, чем у простых сталей, вследствие чего алюминиевые сплавы находят применение и в тех отраслях промышленности, в которых к изделиям предъявляются более жесткие требования в отношении их устойчивости против коррозии. [c.5]
Металлополимеры — металлонаполненные поли.меры или пористые металлы, пропитанные поли.мерны.ми ко.мпозиция.ми. HaпoлнитeJ я-.ми служат порощки, волокна и ленты, пoJ yчaeмь e практически из любых металлов или сплавов (чаще всего Ре, Си, №, Ag,Sп, А1, Со, РЬ, 2п, Zт, Сг, Т1, Та). Свойства. металлополимера опреде тяются природой полимера и наполнителя, степенью наполнения и характером распределения наполнителя. С целью увеличения магнитной восприимчивости в полимеры вводят Ре и его сплавы, для придания тепло- и электропроводности — А1, А , Си, Аи. Наполнение чешуйчатым А1 снижает газо- и влагопроницае. юсть полимеров. Присутствие РЬ, РЗЭ, В1, Сс1 придает металлополимерам способность экранировать ионизирующие излучения. Металлополимеры, содержащие РЬ, 2п, 2г, Мо и их хи.мические соединения или сплавы, обладают низким коэффициенто.м трения. Дисперсные частицы наполнителя уменьшают, а волокна увеличивают прочность при изгибе и удельную ударную вязкость металлополимера. [c.54]
В. С. Ковальчук. АЛЮМИНИЯ СПЛАВЫ — сплавы на основе алюминия. В пром. масштабах используются со второй половины 19 в. Отличаются малой плотностью, высокими коррозионной стойкостью, теплопроводностью, электропроводностью и удельной прочностью. Различают А. с. деформируемые и литейные. Деформируемые сплавы обладают высокой пластичностью, свариваемостью, легко поддаются различной мех. обработке, не охрупчи-ваются при низких т-рах. Их подразделяют на неупрочняемые и упрочняемые термической обработкой (см. Упрочнение). Мех. св-ва неупрочпяемых сплавов улучшают легированием и нагартовкой, упрочняемых сплавов — закалкой и старением (естественным или искусственным, см. Старение металлов), [c.69]
Очень часто о составе исследуемого вещества можно судить, не прибегая к его разложению. Так, например, по спектру паров металлов устанавливают состав сплава процентное содержание h3SO4 в технической серной кислоте устанавливают по ее удельному весу по электропроводности известковой воды определяют содержание в ней Са(ОН)2 по интенсивности окраски раствора роданида железа, сравниваемой с окраской эталонного раствора, определяют содержание ионов трехвалентного железа в исследуемом растворе и т. д. [c.14]
Медь, обработаиная добавкой 0,025% сплава лития с кальцием, содержащего 50% лития, имеет удельный вес 8,92 и электропроводность, повышенную на 1,5% по сравнению с электропроводностью чистой меди, ке обработанной литием. При обработке меди и ее сплавов литием, вследствие значительного сродства этого металла к сере, азоту и водороду, одновременно с раскислением происходит также и удаление этих элементов. [c.38]
Из перечисленных выше новых конструкционных металлов и сплавов наибольшее распространение в химическом машиностроении нашел титан. Титан обладает исключительно высокими прочностными показателями, лудельным весом, высокой сопротивляемостью к эрозии и к усталостным напряжениям, отсутствием склонности к межкристаллитной коррозии, благоприятными технологическими свойствами и по своей коррозионной стойкости превосходит в ряде случаев высоколегированные кислотостойкие стали. Ниже приводятся основные физикомеханические свойства технически чистого титана марки ВТ1 (0,3% Ре 0,15% 51 0,05% С 0,15% Ог 0,015% На 0,04% N2 остальное Т1). Уд. вес 4,5 з/сж температура плавления 1725° С коэффициент линейного расширения (в интервале О—100° С) 8,2 10- теплопроводность 0,039кал/см-сек-град, электропроводность по сравнению с электропроводностью меди, принятой за 100, 3,1 предел прочности 45—60 кг/мм предел текучести 25—50 кг/мм относительное удлинение — не менее 25%, относительное сужение не менее 50% твердость по Бринелю 160—200 модуль упругости 10 500—11 ООО кг/мм . [c.247]
chem21.info
Электропроводность металлов — Мегаобучалка
Деление твёрдых тел на проводники, полупроводники и диэлектрики связано со строением их энергетических зон. Теория энергетических зон рассмотрена во введении к данному циклу работ.
В металле зона проводимости заполнена электронами не целиком, а лишь частично, приблизительно до уровня Ферми. По этой причине электроны в металле свободны и могут переходить с занятых уровней на свободные под влиянием слабых электрических полей. Концентрация свободных электронов в металле велика (порядка ~ 1028 м-3), поэтому от температуры и других внешних факторов она зависит слабо. По этой причине согласно (6), температурная зависимость удельной проводимости, а значит и сопротивления, определяется изменением подвижности электронов. При этом существенным является то, что электронный газ в металле вырожден, т.е. его энергия является не температурой, а концентрацией электронов. Действительно, электроны в металле занимают энергетические уровни до уровня Ферми, который отстоит от «дна» валентной зоны на несколько электрон-вольт. Тепловая же энергия электронов (~ ) при обычных температурах намного меньше, порядка ~ 10-2 эВ. Следовательно, поглощать тепловую энергию могут лишь немногие электроны с верхних уровней. Средняя энергия электронов, таким образом, почти не меняется с увеличением температуры.
У электронного газа, находящегося в состоянии вырождения , скорости хаотического движения электронов также определяются не температурой тела, а концентрацией носителей заряда. Эти скорости могут в десятки раз превышать среднюю скорость теплового движения, вычисленную из классической теории ( »105 м/с), т.е. »106 м/с.
Движущиеся электроны обладают как корпускулярными, так и волновыми свойствами. Длина волны электрона определяется формулой де Бройля:
, (8)
где — постоянная Планка,
— скорость электрона,
— эффективная масса электрона (понятие вводится для того, чтобы описать его движение носителя в твёрдом теле).
Подставив значение скорости =106 м/с в (8), найдём длину волны де Бройля для электрона в металле, она составляет величину 0,4 – 0,9 нм.
Итак, в металлических проводниках, где длина волны электрона порядка 0,5 нм, микродефекты создают значительное рассеяние электронных волн. Скорость направленного движения электронов при этом уменьшается, что согласно (4) приводит к уменьшению подвижности. Подвижность электронов в металле сравнительно невелика. В таблице 1 приведены подвижности электронов для некоторых металлов и полупроводников.
Таблица 1. Подвижность электронов в различных материалах при =300 К
| Металл | , м2/(В×с) | Полупроводник | , м2/(В×с) |
| Ag | 0,0018 | Ge | 0,39 |
| Al | 0,0053 | Si | 0,14 |
| Cu | 0,0080 | InSb | 7,80 |
С увеличением температуры увеличиваются колебания узлов решётки и появляется всё больше и больше препятствий на пути направленного движения электронов и электропроводность уменьшается, а сопротивление металла растёт.
Опыт показывает, что для чистых металлов зависимость от температуры линейна:
, (9)
где — термический коэффициент сопротивления,
— температура по шкале Цельсия,
— сопротивление при =0°С.
Для определения и необходимо построить график зависимости .
Рис.1. Зависимость сопротивления металла от температуры
Точка пересечения прямой с осью даст значение . Значение находится по формуле:
(10)
megaobuchalka.ru