Классификация проводниковых материалов

621.315

И 889

 

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

Методические указания

для студентов II курса ЭМФ

 

Новосибирск

Министерство образования и науки Российской федерации

Федеральное агенство по образованию

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

_______________________________________________________

 

621.315

И 889

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

Методические указания для студентов II курса ЭМФ

(направление 140600 – Электротехника,

электромеханика и электротехнологии)

дневного и заочного отделений

 

 

Новосибирск

УДК 621.315.55 + 537.31

И 889

 

 

Составители: А.В. Шишкин, канд. хим. наук, доц.

О.С. Дутова, ст. препод.

 

 

Рецензент А.И. Алиферов, д-р техн. наук, проф.

 

Работа подготовлена на кафедре «Автоматизированные

электротехнологические установки»

 

Ó Новосибирский государственный

технический университет, 2009

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Определение удельного электросопротивления и его зависимости от температуры для металлов и сплавов. Расчет температурного коэффициента электросопротивления.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Проводниковые материалы – одни из основных и широко применяемых материалов, что связано в первую очередь с повсеместным использованием электрической энергии. Они доставляют энергию электрического поля точно по назначению (материалы высокой проводимости, контактные, припои), нормируют ее (резистивные), преобразуют (материалы нагревательных элементов, сверхпроводники), являются функциональными элементами измерительных и управляющих устройств (термоэлектродные). Таким образом, спектр применения проводниковых материалов очень широк. Благодаря наличию металлической проводимости любой металл может быть использован как проводниковый в том или ином качестве.

Классификация проводниковых материалов

К проводниковым материалам относятся:

- материалы высокой проводимости;

- контактные материалы;

- припои и контактолы;

- резистивные материалы;

- материалы для нагревательных элементов;

- термоэлектродные материалы.

Материалы высокой проводимости

Главные требования, предъявляемые к материалам высокой проводимости, - это высокая электропроводность, доступность и технологичность. Основные материалы, которые по совокупности удовлетворяют этим требованиям, это медь, алюминий и их сплавы. Такой проводящий материал, как золото (проволока диаметром 5¸10 мкм), широко используется, например, в электронной промышленности при производстве интегральных микросхем и полупроводниковых приборов.

Медь и ее сплавы

Промышленностью в качестве материалов высокой проводимости используется как чистая медь, так и сплавы на ее основе: латуни и бронзы.

Важнейшим из металлов высокой проводимости является медь, что обусловлено совокупностью характерных для нее свойств:

- минимальное удельное электросопротивление r (только серебро имеет r примерно на 5 % меньше, чем чистая медь;

- высокая для большинства случаев практического применения механическая прочность;

- удовлетворительная стойкость к воздействию окружающей среды;

- хорошая технологичность (благодаря сочетанию прочности и высокой пластичности медь перерабатывается в фольгу, ленты, листы, шины, профили для коллекторов электрических машин, проволоку и другие изделия);

- относительная легкость пайки и сварки, что особенно важно при монтажных работах.

Основной недостаток меди – ее относительная дефицитность, обусловленная относительно малой распространенностью в природе.

Наименьшим удельным электросопротивлением обладает чистая медь, примеси снижают ее электропроводность

Латуни – сплавы на основе меди, где главным легирующим элементом является цинк. По сравнению с медью они обладают более высокой механической прочностью и повышенным удельным электро­сопро­тивлением. Латуни стойки к атмосферной коррозии, однако многие сплавы, содержащие более 20¸30 % Zn, склонны к растрескиванию из-за одновременного действия остаточных напряжений в изделии и коррозионного воздействия аммиака, а также сернистого газа во влажной атмосфере. Это явление называется сезонной коррозией латуни, так как наблюдается оно в месяцы с повышенной влажностью. Растрескивание предотвращают, проводя отжиг при 250¸350 °С для снятия остаточных напряжений.

Латуни широко применяются для изготовления различных токопроводящих деталей электрооборудования.

Бронзы – сплавы на основе меди, где главный легирующий элемент (за исключением цинка (латуни) и никеля (медно-никелевые сплавы)) определяет название бронзы. По сравнению с медью они обладают повышенными электросопротивлением, механической прочностью, твердостью, упругостью (как при нормальной, так и при повышенных температурах), стойкостью к истиранию. Для электротехники наибольший интерес представляют те бронзы, которые сочетают высокую удельную электропроводность g (бериллиевая бронза) с прочностью и твердостью (кадмиевая и хромовая бронзы). Из проводниковых бронз изготавливаются контактные провода для электрического транспорта, коллекторные пластины, контактные ножи, скользящие контакты, токоведущие пружины, упругие контактные элементы, щеткодержатели, электроды, зажимы и т.п.

Из литейных оловянных и безоловянных бронз изготовляются литые токоведущие детали сложной формы с удельной проводимостью, составляющей ~10 % от проводимости чистой меди.

Алюминий и его сплавы

Вторым после меди техническим проводником по значению удельной электрической проводимости при нормальных условиях является алюминий. При пониженной температуре < 70 К его удельная электропроводность становится даже больше, чем у меди. Дополнительное достоинство алюминия в том, что он самый распространенный в природе металл. С учетом дефицитности меди роль алюминия как проводникового материала высокой проводимости неуклонно возрастает.

Достоинства алюминия: легкость (в 3,3 раза легче меди); высокая удельная электропроводность; пластичность; хорошая технологичность; коррозионная стойкость. Однако алюминий существенно уступает меди в механической прочности.

Наличие примесей увеличивает удельное электросопротивление алюминия, поэтому в проводниковом алюминии содержание примесей не должно превышать 0,5 %. Для применения в электротехнических изделиях предусмотрены специальные марки А5Е (АЕ) и А7Е, удельное электросопротивление которых нормируется. Для изготовления прессованных токопроводящих жил используются специальные марки алюминия А75К, А8К, А8КУ. В последних пяти марках резко ограничено содержание примесей Ti, V, Mn, Cr, которые резко снижают проводимость алюминия.

Оксидная, защищающая от коррозии пленка на поверхности алюминия обладает электроизоляционными свойствами, создавая большое контактное сопротивление в месте соединения. Поэтому пайка алюминия обычными методами невозможна. Для пайки алюминия применяются специальные пасты-припои и ультразвуковые паяльники, разрушающие оксидную пленку. Для соединения алюминиевых проводов применяется и холодная сварка - пластическое обжатие контакта, при котором пленка окисла растрескивается и выдавливается из зоны контакта, а очищенные поверхности металла прочно соединяются.

Алюминий применяется для изготовления электрических проводов, кабельных, тонкопленочных и других токопроводящих изделий, конденсаторов, конденсаторной фольги, электродов в разрядниках, катодов в ионных рентгеновских трубках, в выпрямителях тлеющего разряда, электродов (диафрагм и отклоняющих пластин) в электронно-лучевых трубках и т.п.

Для алюминиевых сплавов характерно сочетание легкости с повышенной, по сравнению с алюминием, прочностью. Электрические, механические и технологические свойства алюминиевых сплавов регулируются различными добавками.

Углеграфитовые материалы

Из неметаллических материалов высокой электропроводностью обладает графит. Это объясняется заменой у четырехвалентного углерода ковалентных связей вдоль вертикальной оси в гексагональной структуре на ван-дер-ваальсовы силы, в результате чего появляются свободные носители электрического тока. Такое различие химической связи в структуре графита (в базисных плоскостях (0001) – прочные ковалентные связи, а между плоскостями – связи на основе сил Ван-дер-Ваальса) приводит к существенной анизотропии свойств.

Обладая высокой электропроводностью, графит обладает и высокой теплопроводностью, а также термостойкостью и химической стойкостью. Благодаря своим элект­рическим и механическим свойствам (ван-дер-ваальсовы связи легко разрушаются) углеродистые материалы применяются в электротехнике и радиодеталестроении в качестве электропроводящих материалов. Из них изготавливают резисторы, разрядники для телефонных сетей, электроды (для прожекторов, дуговых электропечей, электролитических ванн), аноды гальванических элементов, нагреватели, щетки для электродвигателей и другие электроугольные изделия. Угольные порошки используют в микрофонах для создания сопротивления, изменяющегося от звукового давления.

Контактные материалы

Электрический контакт определяется как место перехода тока из одной токоведущей детали в другую, способное обеспечить надежное соединение двух проводников с минимальным и стабильным электрическим сопротивлением. Таким образом, понятие электрического контакта включает два элемента: поверхность соприкосновения, обладающую высокой проводимостью, и конструктивное приспособление, обеспечивающее такое соединение.

Контакты по условиям работы подразделяются на три типа: неподвижные, коммутирующие (разрывные) и скользящие (скольжение без отрыва). При этом большинство электрических контактов содержит элементы разных типов, но в замкнутом состоянии они должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к неподвижному контакту.

По значению коммутируемого тока контакты подразделяют на слаботочные (сила тока I £ 1А) и сильноточные (сила тока I > 1А).

Материалы для коммутирующих контактов должны удовлетворять следующим основным требованиям:

- быть устойчивыми против коррозии;

- быть стойкими против электрической эрозии и износа;

- не свариваться; обладать высокой механической износо­стой­костью, особенно на истирание;

- легко обрабатываться металлорежущим инструментом и прирабатываться друг к другу;

- обладать высокой проводимостью и большим коэффициентом теплопроводности;

- иметь низкую стоимость.

Для изготовления слаботочных контактов используются благородные и тугоплавкие металлы (Ag, Pt, Pd, Au, W, Mo) и сплавы на их основе в виде твердых растворов, в том числе дисперсионно-твердеющих и диффузионно-окисленных.

Сильноточные (мощные) разрывные контакты изготовляются главным образом из металлокерамических композиций (псевдосплавов), получаемых методами порошковой металлургии. Композиции изготовляют из меди, серебра и их сплавов с небольшими примесями некоторых других элементов и веществ (W, Ni, C, CdO, CuO).

Скользящие контакты работают примерно в таких же условия, что и разрывные, однако специфическим требованием для них является повышенная стойкость к механическому износу и трению. Скользящие контакты применяются в устройствах токосъема электротранспорта, в электрических машинах (между щетками и коллектором или контактными кольцами), в реостатах, ползунковых переключателях и других конструкциях. Значительный износ скользящих контактов возникает при сухом трении, если оба контакта изготовлены из одного материала или при неудачном выборе пар. Высокими качествами обладают контактные пары, составленные из металлического и графитсодержащего материалов. Для изготовления скользящих контактов широко применяются бронзы и латуни, отличающиеся высокой механической прочностью, упругостью и износостойкостью, антифрикционными свойствами, стойкостью к атмосферной коррозии.

Из неметаллических материалов для скользящих контактов наибольшее распространение получили различные углеродные материалы. Так, для изготовления щеток, служащих для образования скользящего контакта между неподвижной и вращающейся частями электрической машины (для подвода или отвода тока к коллектору или контактным кольцам), используются угольно-графитовые, графитовые, электрографитированные (подвергнутые термической обработке - графитированию) и медно-графитные материалы.

Припои и контактолы

Припоями называют присадочные металлы или сплавы, применяемые при пайке для заполнения зазора между соединяемыми поверхностями с целью получения монолитного паяного шва. Припои обладают более низкой температурой плавления, чем соединяемые металлы.

Припои подразделяют на две группы: мягкие - с температурой плавления < 300 ^оС (сплавы на основе Sn, Pb с добавками Cd, Bi и др.); твердые - с температурой плавления > 300 ^оС, отличающиеся высокой прочностью (сплавы на основе Cu, Ag, Ni, Zn). Мягкие припои имеют s_в = 16¸100 МПа, а твердые - s_в = 100¸500 МПа.

Припой выбирают в соответствии с типом паяемого металла или металлов (если они разнородны), с требуемой удельной проводимостью, механической прочностью, коррозионной стойкостью и его стоимостью.

Для создания токопроводящего контакта при склеивании используются электропроводящие клеи и покрытия (так называемые контактолы). Они представляют собой маловязкие либо пастообразные композиции, в которых в качестве связующего используются различные синтетические смолы, а токопроводящим наполнителем служат мелкодисперсные порошки металлов или графита. Выбор связующего определяется технологическими и физико-механическими свойствами контактола. Электрические свойства контактола зависят в основном от свойств дисперсного наполнителя (проводимость, форма и размер частиц, концентрация).

Резистивные материалы

К материалам высокого сопротивления, применяемым для токоведущих частей электроизмерительных приборов, образцовых и добавочных резисторов, предъявляются особые требования:

- высокое удельное электросопротивление r (для уменьшения размеров и массы);

- малый температурный коэффициент удельного электросопротивления ТКr (для обеспечения температурной стабильности r);

- малая удельная термо-эдс в паре с медью a_1Cu (для уменьшения ошибок измерения вследствие возникновения паразитных термо-эдс);

- хорошая технологичность (для получения тонкой гибкой проволоки и других полуфабрикатов).

Для изготовления переменных резисторов, особенно низкоомных, необходимо, чтобы резистивный материал имел малое и стабильное во времени контактное сопротивление в паре с применяемым материалом скользящего контакта.

В зависимости от номинального сопротивления резистора, его назначений и условий эксплуатации в качестве резистивного материала используют металлы и сплавы с высоким удельным электросопротивлением, оксиды металлов, углерод, керметы (металлокерамические материалы), композиционные материалы. Резистивный материал в зависимости от типа резистора может применяться в виде объемного элемента, проволоки различного диаметра или пленки, осаждаемой на диэлектрическую поверхность.

Медно-никелевые сплавы

В наибольшей степени удовлетворяет перечисленным выше требованиям к резистивным материалам медно-никелевый сплав манганин двух марок: МНМц3-12 и МНМцАЖ3-12-0,3-0,3. Легирование марганцем приводит к малому температурному коэффициенту удельного электросопротивления ТКr в интервале температур –100¸100 °С, что также обеспечивается применением стабилизирующего отжига при температуре 400 °С. Повышение содержания никеля снижает удельную термо-эдс манганина в паре с медью a_1Cu. Добавки алюминия и железа оказывают стабилизирующее влияние на удельное электросопротивление, существенно снижая температурный коэффициент.

Хорошая технологичность позволяет изготавливать из манганина проволоку, полосы, фольгу. Проволока, в частности, выпускается либо твердой (МНМц3-12), либо мягкой (МНМц3-12 и МНМцАЖ3-12-0,3-0,3).

Хорошие электрические и механические характеристики имеет константан, который также широко применяется в электротехнике. Он сочетает высокую механическую прочность с пластичностью, что позволяет получать из него тончайшую проволоку, фольгу, ленты, полосу. По нагревостойкости константан превосходит манганин, поэтому его используют в реостатах и нагревательных элементах, работающих при температуре ниже 500 °С.

Однако у константана очень большая термо-эдс в паре с медью, что не позволяет применять его в высокоточных измерительных системах и приборах, зато обеспечивает широкое использование для изготовления медно-константановых термопар.

Нейзильбер марки МНЦ15-20 применяется для изготовления реостатов, контактных пружин, лент и др. Он дешевле константана, но существенно уступает ему в электрических свойствах.

Металлические сплавы

Для изготовления электронагревательных элементов, длительно работающих на воздухе при температурах 1000¸1300 ^оС, применяются жаростойкие сплавы высокого сопротивления (из них также делаются проволочные и ленточные резисторы). Жаростойкие сплавы должны иметь малый температурный коэффициент электросопротивления и высокое сопротивление химическому разрушению поверхности (коррозии) под воздействием воздуха или иных газообразных сред при высокой температуре. Они обладают удовлетворительной технологичностью (из них можно получать проволоку, ленты, прутки и другие полуфабрикаты); свариваемостью; достаточной жаропрочностью – способностью выдерживать механические нагрузки без существенных деформаций, не разрушаясь при высоких температурах.

Жаростойкость этих сплавов обеспечивается устойчивостью при высоких температурах образующихся на поверхности материала оксидов и других продуктов газовой коррозии, а также плотностью оксидной пленки, защищающей внутренние слои от дальнейшего окисления. Через оксидную пленку не должна происходить диффузия кислорода, а также диффузия металла в пленку, что равносильно безостановочному окислению глубинных слоев сплава. Металлами, оксиды которых отвечают вышеназванным свойствам, являются Ni, Cr и Al. На их основе производят: хромоникелевые сплавы – нихромы (Х20Н80); хромоникелевые, легированные алюминием (ХН70Ю); железохромоникелевые (Х25Н20); железохромоалюминиевые – хромали (Х23Ю5).

В ряде случаев, при работе печей с агрессивными средами или в окислительной атмосфере, для нагревателей используется платина в виде проволоки или фольги. Рабочие температуры платиновых нагревателей менее 1350¸1400 ^оС, так как при большем нагреве происходит сильное испарение платины.

В инертных атмосферах часто используются нагреватели на основе чистых тугоплавких металлов: W, Mo, Ta.

Неметаллические материалы

Для изготовления нагревательных элементов электропечей широко используются карбиды и силициды некоторых тугоплавких металлов, например: ZrO₂, ZrC, NbC, TaC, HfC и др. Нагревательные элементы из них производят методами порошковой металлургии.

Из неметаллических нагревателей чаще всего применяются силит и глобар, изготовляемые из SiC. Рабочая температура их 1400¸1450 °С со сроком службы при этих температурах 1000¸2000 ч.

В электротермии широко применяется дисилицид молибдена (MoSi₂), изделия из которого могут работать в окислительной среде до 1700 °С.

Для изготовления высокотемпературных (1200¸1800 °С) нагревателей электрических печей сопротивления, работающих в инертной атмосфере (например, при получении полупроводниковых материалов), часто используется графит марки ППГ.

Термоэлектродные материалы

Термопары применяются в качестве измерительных устройств для измерения температуры в широком интервале. Основные требования, предъявляемые к материалам пары термоэлектродных проводов, – это высокие и стабильные значения термо-эдс в диапазоне рабочих температур. Поэтому химический состав таких проводов должен выдерживаться очень точно (прецизионные сплавы).

Как уже было сказано выше, константан применяется в качестве термоэлектродного материала для создания медь-кон­стан­та­но­вых термопар (диапазон рабочих температур: –250¸300 °С) и компенсационных проводов, например, к отрицательным электродам платинородий-платиновых термопар. Из медно-никелевых спла­вов к термоэлектродным относится также копель (МНМц43-0,5); из сплавов на основе никеля - алюмель (НМцАК2-2-1), хромель Т (НХ9,5) и хромель К (НХ9). Хромель Т используется для изготовления хромель-алюмелевых термопар (диапазон рабочих температур –50¸1300 °С), а хромель К - для удлиняющих (компенсационных) проводов. Копель используется, например, для изготовления хромель-копелевых (–50¸800 °С), железо-копелевых (0¸760 °С) и медь-копелевых термопар.

Для измерения высоких температур в инертной среде до 3000 °С широко используются вольфрам-рениевые термопары (W–26 % Re/W и др.). Для работы в агрессивных средах применя­ются термопары из благородных металлов, например, платиноро­дий-платиновые Pt–10 % Rh/Pt, Pt–13 % Rh/Pt (100¸1600 °С); платинородий-платинородиевая Pt–30 % Rh/Pt–6 % Rh (300¸1800 °С) и другие термопары.

2.2. Основные физические определения и зависимости

Физической константой, характеризующей электрические свойства металла, является его удельное электросопротивлениеr. Величина r определяется природой объекта и не зависит от его формы и размеров. Основой изучения электрических свойств металлов и сплавов является закон Ома, связывающий прямой пропорциональностью разность потенциалов на концах проводника (U) и силу тока (I). Коэффициентом пропорциональности является электрическое сопротивление проводника ( R ):

U = RI, (1)

которое зависит от размеров проводника:

(2)

где l – длина проводника, а S – площадь его поперечного сечения. В международной системе единиц СИ[ R ] = Ом; [r] = Ом ^. м.

Величина обратная r:

(3)

называется удельной электропроводностью и измеряется в (Ом^.м)^–1.

Носителями электрического тока в металлах являются электроны, которые до некоторой степени могут быть признаны свободными. В соответствии с определением электрического тока как направленного движения электрически заряженных частиц плотность потока электронов (плотность электрического тока) определяется следующим выражением:

, (4)

где e – заряд электрона; n – концентрация электронов; v _d – дрейфовая скорость электрона. В свою очередь, дрейфовая скорость пропорциональна напряженности электрического поля, где коэффициент пропорциональности m называется подвижностью:

. (5)

А закон Ома может быть записан как

i = g E. (6)

Подставляя (5) в (4) и сравнивая с (6), получаем, что электропроводность определяется выражением:

g = en m. (7)

В металлах уровень Ферми расположен в разрешенной зоне, и электронный газ сильно вырожден. В этом случае концентрация электронов практически не зависит от темпе­ратуры и температурная зависимость электропроводности опре­деляется температурной зависимостью подвижности.

Электроны в твердом теле движутся не беспрепятственно, они рассеиваются. Рассеивание будет происходить в том случае, если расстояние между рассеивающими центрами по величине соизмеримо с длиной волны электронов. Электроны рассеиваются на тепловых колебаниях и дефектах кристаллической решетки.

Коллективные колебания атомов в кристалле представляют собой звуковые волны, а соответствующие им возбуждения – кванты звука, или фононы. Таким образом, фонон – квазичастица, являющаяся квантом колебаний кристаллической решетки. Температурная зависимость числа фононов определяется выражением:

, (8)

где – постоянная Планка; n – частота колебаний.

При стремлении температуры к абсолютному нулю в идеальном кристалле число фононов будет стремиться к нулю и удельное электросопротивление также будет стремиться к нулю. Однако реальные кристаллы обладают дефектами строения. Поэтому при низких температурах подвижность определяется рассеянием электронов на дефектах, в основном на точечных (в первую очередь на атомах примеси), так как длина волны электрона в металле ~10^–10 м. Таким образом, вблизи абсолютного нуля будет иметь место некоторое остаточное электросопротивление, определяемое рассеянием электронов на атомах примеси.

Учитывая, что электронный газ в металле сильно вырожден, выражение для подвижности можно записать так:

, (9)

где m _n – эффективная масса электрона; v _F и l_F – средняя скорость движения и длина свободного пробега электронов с энергией, близкой к энергии Ферми, соответственно. Средняя длина свободного пробега электрона обратно пропорциональна концентрации фононов. При высоких температурах доминирует рассеяние электронов на фононах, и как следует из (8), . Поэтому имеем:

. (10)

Скорость v _F от температуры практически не зависит. Подставляя (10) в (9), получаем

. (11)

Подставляя (11) в (7), а затем в (3), получаем, что удельное электросопротивление линейно зависит от температуры (рис. 1):

r _T = r ₀[1 + a _T (T – 273)] = r ₂₀[1 + a _T (T – 293)], (12)

где a _T – температурный коэффициент электросопротивления.

 

 

Рис. 1. Зависимость удельного электросопротивления от температуры

 

Таблица 1

Средние значения удельного электрического сопротивления и температурного коэффициента электросопротивления металлов при 20 °С

Металл	r×106, Ом×м	a T, 1/К
Алюминий Бронза фосфористая Вольфрам Железо Латунь Медь Молибден Никель Олово Свинец Серебро Тантал Хром Цинк	0,028 0,08 0,055 0,098 0,025 – 0,06 0,0175 0,057 0,100 0,115 0,221 0,016 0,155 0,150 0,059	0,0049 0,0040 0,0045 0,0062 0,002 – 0,007 0,0039 0,0033 0,0050 0,0042 0,0041 0,0036 0,0031 0,0030 0,0035

 

Для всех чистых металлов, за исключением переходных, a _T» 3,67^.10^–3 1/K. Аномально изменяется при повышении температуры электросопротивление ферромагнетиков, что обусловлено их спонтанной намагниченностью. Выше точки Кюри показатель r(T) этих материалов изменяется нормальным образом.

Средние значения r₂₀ и a _T для ряда металлов приведены в табл. 1.

2.3. Влияние твердого раствора на электросопротивление

Примесные атомы искажают кристаллическую решетку растворителя, а также вступают с ним в химическое взаимодействие. Изменение удельного электросопротивления в результате легирования с образованием твердого раствора можно приблизительно выразить соотношением:

(13)

или для разбавленных растворов:

, (14)

где x – молярная доля растворенного элемента; a _x – примесный коэффициент электросопротивления, который возрастает в случае большой разницы между размерами и валентностями атомов растворимого элемента и растворителя. Примеры концентрационной зависимости r приведены на рис. 2, а значения a _x для сплавов меди – в табл. 2.

Согласно правилу Матиссена–Флеминга электросопротивление слабоконцентрированного твердого раствора выразится следующим образом:

r = r₁+r _x (15)

где r₁ – электросопротивление растворителя (матрицы).

Температурная зависимость r в этом случае в соответствии с выражением (12) может быть записана так:

. (16)

 

а

б

Рис. 2. Влияние примесей на электропроводность меди

 

Таблица 2

Примесные коэффициенты электросопротивления для сплавов меди при 20 С

Легирующий элемент	a x, 10–6 Ом×м
Ag Al Fe Ni Pb Si Sn Zn	0,2 1,6 9,5 1,2 0,7 6,5 1,5 0,2

 

Значения a _Tx ×10⁴ в интервале 0¸100 °С для твердых растворов меди с различными элементами представлены в табл. 3.

 

Таблица 3

Средние значения концентрационно-термических коэффициентов
для твердых растворов меди

Элемент	Be	Mg	Al	Ga	In	Si	Ge	Sn	P	As
, 1/К	3,6	–2,3	1,6	1,6	2,3	1,4	1,2	1,55	0,8	0,85
Элемент	Sb	Ti	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Rd	Pd	Pt
, 1/К	0,95	1,8	–3,2	–2,7	–1,7	0,3	1,2	0,8	–0,3	0,8

 

Упорядочение твердого раствора (образование сверхструктур) приводит к уменьшению r (рис. 3).

В упорядоченной структуре резко возрастает длина свободного пробега электрона. Сплошная кривая (рис. 3) – сплав АuCu₃ после закалки (неупорядоченный); штриховая – сплав АuCu₃ после отжига (упорядоченный).

 

 

Рис. 3. Влияние упорядочения на удельное электросопротивление.

2.4. Влияние наклепа на электросопротивление

Наклеп – изменение структуры и свойств металлического материала в результате пластической деформации. В результате наклепа происходит искажение кристаллической решетки, и возникают дефекты, которые приводят к дополнительному рассеянию электронов. Если дополнительное (остаточное) сопротивление наклепа обозначить как r_h, то выражение (15) можно переписать так:

r = r₁ + r _x + r_h. (17)

Опыт показывает, что r_h не зависит от температуры, т.е. не зависит от степени деформации, и выражение (16) остается в силе. Когда исчезает наклеп, например, при высоких температурах, то исчезает и слагаемое r_h.

Отметим, что увеличение размера зерна приводит к уменьшению r, что связано с уменьшением площади межзеренных границ.

Из вышеизложенного очевидно влияние термообработки на электросопротивление. Закалка, фиксируя высокотемпературное (обычно более дефектное) состояние, приводит к возрастанию электросопротивления. Отжиг, снимающий наклеп (возврат, полигонизация, рекристаллизация), и отжиг, увеличивающий зерно, должны приводить к уменьшению сопротивления и т.п.

Заметим, что для ряда сплавов, характеризующихся внутрикристаллической неоднородностью твердого раствора, обнаруживается падение электросопротивления с ростом деформации (соответственно r возрастет при отжиге и отпуске). Это характерно, например, для медно-никелевых, железоникелевых и никель-хромовых сплавов.

2.5. Влияние химических соединений

Сопротивление химического соединения выше, чем составляющих его элементов. Это связано с тем, что в результате химического взаимодействия (образование ковалентных или ионных связей) уменьшается число свободных электронов – носителей тока в металле. В результате химического взаимодействия металлическая проводимость вообще может исчезнуть.

Влияние электронных соединений и фаз внедрения на электропроводность иногда схоже с влиянием химического соединения, т.е. приводит к уменьшению проводимости, но возможна и противоположная картина, когда проводимость возрастает.

2.6. Электросопротивление гетерогенных металлических сплавов

Большое влияние оказывает в данном случае размер зерна, а следовательно, дисперсность, а также различия в структурах фаз. Однако если влиянием данных факторов пренебречь, то для отожженного нетекстурированного крупнозернистого сплава с небольшой разницей в проводимости компонентов характерна линейная зависимость электропроводности от объемной концентрации (рис. 4).

 

 

Рис. 4. Изменение электропроводности

в сплавах с ограниченной растворимостью

в твердом состоянии

 

Влияние наклепа и последующего отжига на электросопротивление сплавов, имеющих гетерогенную структуру, определяется не только взаимодействием или устранением искажений пространственной решетки, но и изменением взаимного расположения структурных составляющих. В результате этого наклеп может приводить к уменьшению электросопротивления.

Влияние размера зерна особенно существенно при такой дисперсности зерен, когда размеры зерен одной из фаз (например, включений) соизмеримы с длиной волны электрона (~1 нм). При этом происходит значительное рассеяние электронов, а следовательно, и резкое повышение сопротивления (примерно на 10¸15 %).

Таким образом, электрические свойства, являясь структурочувствительными, применяются для анализа сплавов в металловедении, например, для определения границ растворимости, изучения превращений в результате термической обработки.

Описание команд

Пункт меню	Подменю	Действие
Измерение		Вызывает появление на экране окна характериографа, в котором отображаются график результатов текущих измерений
Печать		Передает в буфер отчета содержимое текущего окна с результатами измерений из базы данных и выводит на печать
Буфер обмена	График в карман	Помещает в буфер обмена график результатов измерений
Таблица в карман	Помещает в буфер обмена таблицу результатов измерений
Опции	Образец	Вызывает окно параметров образца
Температура	Вызывает окно параметров термостата
Тест аппаратуры	Вызывает окно проверки аппаратной части
Помощь	О программе	Вызывает окно с информацией о разработчике программы
Содержание	Открывает электронную справочную систему программы

 

Наиболее удобно начинать работу с пункта меню «Опции», чтобы проверить правильность установленных параметров. Параметры обра