Основные свойства проводниковых материалов кратко

Обновлено: 02.07.2024

Документ предоставляется как есть, мы не несем ответственности, за правильность представленной в нём информации. Используя информацию для подготовки своей работы необходимо помнить, что текст работы может быть устаревшим, работа может не пройти проверку на заимствования.

Можно ли скачать документ с работой

Да, скачать документ можно бесплатно, без регистрации перейдя по ссылке:

1. ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ.
1.1. Классификация проводников. Физические явления в проводниках. Природа проводимости. Температурные зависимости проводников
Проводниками могут быть твердые тела, жидкости и газы, но наиболее применимы металлы и сплавы.
По кинетической теории Друде, Лоренца металлы рассматриваются как кристаллический остов из положительных ионов, погруженный в среду из свободных общих электронов, называемую электронным газом или жидкостью.
При приложении напряжения свободные электроны, совершающие тепловые колебания, начинают организованное движение (дрейф), вызывающее протекание тока.

Проводниковые материалы (проводники) - вещества, имеющие низкое удельное сопротивление (

Автор: Евгений Живоглядов.
Дата публикации: 14 января 2015 .
Категория: Статьи.

Основными характеристиками проводниковых материалов являются:

Удельное электрическое сопротивление;
Температурный коэффициент сопротивления;
Теплопроводность;
Контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила;
Временное сопротивление разрыву и относительное удлинение при растяжении.

Удельное электрическое сопротивление

ρ – величина, характеризующая способность материала оказывать сопротивление электрическому току. Удельное сопротивление выражается формулой:

Для длинных проводников (проводов, шнуров, жил кабелей, шин) длину проводника l обычно выражают в метрах, площадь поперечного сечения S – в мм², сопротивление проводника r – в Ом, тогда размерность удельного сопротивления

Температурный коэффициент сопротивления

α – величина, характеризующая изменение сопротивления проводника в зависимости от температуры.
Средняя величина температурного коэффициента сопротивления в интервале температур t₂° - t₁° может быть найдена по формуле:

Данные температурных коэффициентов сопротивления различных проводниковых материалов приведены ниже в таблице.

Значение температурных коэффициентов сопротивления металлов

Наименование металла	Температурный коэффициент сопротивления, 1/°С
Алюминий Альдрей Бронза Вольфрам Золото Латунь Медь Молибден Никель Олово Платина Ртуть Сталь Серебро Свинец Цинк Чугун	0,00403 – 0,00429 0,0036 – 0,0038 0,004 0,004 – 0,005 0,0036 0,002 0,004 0,0047 – 0,005 0,006 0,0043 – 0,0044 0,0025 – 0,0039 0,009 0,0057 – 0,006 0,0034 – 0,0036 0,0038 – 0,004 0,0039 – 0,0041 0,0009 – 0,001

Теплопроводность

λ – величина, характеризующая количество тепла, проходящее в единицу времени через слой вещества. Размерность теплопроводности

Из приведенных данных видно, что наибольшей теплопроводностью обладают металлы. У неметаллических материалов теплопроводность значительно ниже. Она достигает особенно низких значений у пористых материалов, которые применяю специально для тепловой изоляции. Согласно электронной теории высокая теплопроводность металлов обусловлена теми же электронами проводимости, что и электропроводность.

Контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила

Как было указано в статье "Металлические проводники", положительные ионы металла расположены в узлах кристаллической решетки, образующей как бы ее каркас. Свободные электроны заполняют решетку наподобие газа, который называют иногда "электронным газом". Давление электронного газа в металле пропорционально абсолютной температуре и числу свободных электронов в единице объема, которое зависит от свойств металла. При соприкосновении двух разнородных металлов в месте соприкосновения происходит выравнивание давления электронного газа. В результате диффузии электронов металл, у которого число электронов уменьшается, заряжается положительно, а металл, у которого число электронов увеличивается, заряжается отрицательно. В месте контакта возникает разность потенциалов. Эта разность пропорциональна разности температур металлов и зависит от их вида. В замкнутой цепи возникает термоэлектрический ток. Электродвижущая сила (ЭДС), которая создает этот ток, называется термоэлектродвижущей силой (термо-ЭДС).

Явление контактной разности потенциалов применяется в технике для измерения температуры при помощи термопар. При измерении малых токов и напряжений в цепи в местах соединения различных металлов может возникнуть большая разность потенциалов, которая будет искажать результаты измерений. В этом случае необходимо подобрать материалы так, чтобы точность измерений была высокой.

Временное сопротивление разрыву и относительное удлинение при растяжении

При выборе проводов, помимо сечения, материала проводов, изоляции необходимо учитывать их механическую прочность. Особенно это касается проводов воздушных линий электропередач. Провода испытывают растяжение. Под действием силы, приложенной к материалу, последний удлиняется. Если обозначить первоначальную длину l₁, а конечную длину l₂, то разность l₁ – l₂ = Δl будет абсолютным удлинением.

называется относительным удлинением.

Сила, производящая разрыв материала, называется разрушающей нагрузкой, а отношение этой нагрузки к площади поперечного сечения материала в момент разрушения называется временным сопротивлением на разрыв и обозначается

Данные временных сопротивлений на разрыв для различных материалов приведены ниже.

Значение предела прочности на разрыв для различных металлов

Наименование металла	Предел прочности на разрыв, кг/мм²
Алюминий Альдрей Бронза Вольфрам Золото Латунь Медь Молибден Никель Олово Платина Ртуть Сталь Серебро Свинец Цинк Чугун	8 – 25 30 – 38 31 – 135 100 – 300 – 30 – 70 27 – 44,9 80 – 250 40 – 70 2 – 5 15 – 35 – 70 – 75 15 – 30 0,95 – 2,0 14 – 29 12 – 32

Источник: Кузнецов М. И., "Основы электротехники" - 9-е издание, исправленное - Москва: Высшая школа, 1964 - 560с.

Давайте для понимания рассмотрим вот такую картинку. Предположим, что пастух – это ядро, а овцы вокруг него – это электроны.

Те овцы, которые находятся рядом с пастухом, не могут от него просто так взять и убежать, так как он присматривает за ними. Иначе останется без мяса и шерсти к осени. Но вот те овцы, которые находятся поодаль от пастуха, имеют все шансы от него убежать.

То же самое можно сказать и про атомы и электроны. Электроны, которые находятся на самой дальней орбите от ядра менее зависимы, чем те, которые расположены ближе к ядру.

В результате, такие электроны могут “оторваться” от ядра и начать самостоятельное путешествие по веществу. Такие электроны называются свободными электронами.

Чем больше свободных электронов, тем лучше проводимость вещества.

Диэлектрики

Если среда содержит очень мало свободных зарядов (или не содержит их вообще), такая среда не может проводить электрический ток и является непроводником (диэлектриком, изолятором).

В отличие от кристаллов проводников, кристаллы диэлектрика имеют такую пространственную структуру, что внешние электроны не могут далеко удалиться от ионов. В результате даже при приложении достаточно большого внешнего электрического поля ток в диэлектрике не возникает. Типичными примерами непроводников является стекло или пластмассы.

Жидкости-диэлектрики – это жидкости, в которых нет растворенных примесей, а молекулы этих жидкостей сами по себе ионами не являются, например, дистиллированная вода.

Газы в нормальных условиях, как уже было сказано выше, содержат очень мало заряженных частиц, и являются хорошими изоляторами. Примером может являться обычный воздух.

Граница между проводниками и непроводниками достаточно условна. Кроме того, существуют вещества, занимающие промежуточное положение, они называются полупроводниками. В таких веществах количество свободных зарядов не так велико, как в металлах, однако, значительно больше, чем в диэлектриках. К типичным полупроводникам относится кремний.

Сопротивление проводника

Удельное сопротивление

И вот мы плавно переходим к другому вопросу, что такое сопротивление проводника? Как я уже говорил выше, чем больше свободных электронов в веществе, тем лучше такое вещество проводит электрический ток. Следовательно, сопротивление проводника зависит от того, сколько свободных электронов содержит такой проводник. Поэтому, в физике есть такое понятие, как удельное сопротивление вещества.

Еще раз. Если в каком-либо веществе полно свободных электронов, то такое вещество будет хорошо проводить электрический ток. Если электронов еще меньше, то такое вещество будет плохо проводить электрический ток. А если свободных электронов почти нет, то такое вещество совсем не будет проводить ток. Поэтому, удельное сопротивление вещества показывает способность этого вещества препятствовать электрическому току, проходящему через него.

Удельное сопротивление выражается в единицах Ом × м.

Формула удельного сопротивления проводника

ρ – это удельное сопротивление, Ом × м

R – сопротивление проводника, Ом

S – площадь поперечного сечения, м2

l – длина проводника, м

Площадь поперечного сечения проводника – это что-то типа этого:

площадь поперечного сечения проводника

Формула сопротивления проводника

Итак, мы теперь знаем такую физическую величину, как удельное сопротивление. Теперь мы с легкостью можем найти сопротивление проводника.

ρ – это удельное сопротивление, Ом × м

R – сопротивление проводника, Ом

S – площадь поперечного сечения, м2

l – длина проводника, м

Проводник

— вещество, имеющее свободные носители заряда (заряженные частицы), способные, в отличие от диэлектриков свободно перемещаться внутри этого вещества; их движением обусловлена возможность проводить электрический ток.

Разновидности проводников

. В зависимости от природы и механизма электропроводности их подразделяют на проводники первого и второго рода.

К первым можно отнести вещества с электронной проводимостью, обусловленной движением электронов в цепи от отрицательного полюса положительному. Ко вторым — вещества с ионной проводимостью.

В качестве примера проводников первого рода можно привести все металлы (их сплавы) а также, каменный уголь, графит, сажа и пр. Проводники второго рода — это электролиты (р-ры кислот, щелочи и соли, находящиеся растворенном, расплавленном или кристаллическом состоянии) и т. д.

Основные параметры проводниковых материалов:

Удельная проводимость проводника (σ)

— величина, обратная удельному сопротивлению (
р
). Является наиболее важным параметром, характеризующим свойства проводникового материала. Наиболее широко в электротехнике используются чистые металлы и сплавы металлов с низким удельным сопротивлением (
р
=0,015-0,108 ом*мм2/м).

Температурный коэффициент удельного сопротивления (αρ)

— показатель зависимости сопротивления проводника от его температуры. Так, при увеличении температуры увеличивается и удельное сопротивление большинства проводников.

Теплопроводность

— его способность передавать теплоту. Для количественной оценки данной характеристики существует коэффициент теплопроводности (
γт
).

Ввиду того, что передача тепла в веществах осуществляется посредством электронов, коэффициент теплопроводности металлов, имеющих их наибольшее количество будет значительно превышать γт

диэлектриков. Так, с увеличением температуры вещества связано снижение его удельной проводимости и отношение
γт
к его удельной проводимости будет увеличиваться.

Контактная разность потенциалов

— разность потенциалов между двумя находящимися в контакте проводниками с одинаковой температурой. Их соединение сопровождается обменом электронами — заряд проводника с большей работой выхода отрицательно, с меньшей — положительно.

Их зарядка будет происходить до уравновешивания потоков движущихся электронов в обоих направлениях и не произойдет уравнивание электрохимического потенциала в системе.

Работа выхода электронов из металла

— энергия, расходуемая на удаление электрона из поверхностного электронного слоя проводника.

Предел прочности при растяжении σρ и относительное удлинение перед разрывом Δl/l

— показатели, характеризующие механические свойства материала.

Проводники на печатных платах

Как вы знаете, все схемы состоят из проводов или печатных дорожек, которые соединяют различные радиоэлементы в единое целое. Например, в статье “самый простой усилитель звука“, я с помощью проводов соединял различные радиоэлементы, и у меня получилась схема, которая усиливала звуковые частоты.

Для того, чтобы все было красиво, эстетично и занимало мало пространства, прямо на платах создают “проводки”, которые уже называются “печатными дорожками”.

В домашних условиях все это делается с помощью технологии ЛУТ (Лазерно-Утюжная-Технология).

На другой стороне печатной платы уже располагаются радиоэлементы

Так как радиолюбители стараются делать свои устройства как можно меньше по габаритам, то и плотность монтажа возрастает. Поэтому, в некоторых случаях радиоэлементы и печатные дорожки располагают по обе стороны платы.

Промышленные печатные платы уже делают многослойными. Они состоят из слоев, как торт из коржей:

Бум SMD технологий вызвал в свою очередь нужду в многослойных печатных платах.

Удельная проводимость

Мера способности вещества проводить электроток называется удельной электропроводностью. Самым высоким подобным показателем обладает самый электропроводный металл. Эта характеристика может быть определена для любого вещества или среды инструментально и имеет числовое выражение. Удельная электропроводность цилиндрического проводника единичной длины и единичной площади сечения связана с удельным сопротивлением данного проводника.

Системной единицей удельной проводимости является сименс на метр – См/м. Чтобы выяснить, какой из металлов самый электропроводный металл в мире, достаточно сравнить их удельную проводимость, определенную экспериментально. Можно определить удельное сопротивление при помощи специального прибора – микроомметра. Эти характеристики являются обратнозависимыми.

Сверхпроводимость

Также в природе существует и такой эффект, как сверхпроводимость. Сверхпроводимость – это когда некоторые материалы и их сплавы вообще не обладают сопротивлением. То есть их сопротивление очень и очень близко к нулю. Но, спешу вас разочаровать, в простых условиях это получить невозможно, так как это достигается только при критических температурах.

Если желаете больше узнать про материалы, которые используются в электронике и электротехнике, скачайте эту книгу.

Что такое полупроводник

Полупроводник по обозначению – вещество, электрическая проводимость которого меньше, чем у металла, и больше, чем у диэлектрика.

Полупроводники

Отличие полупроводника в том, что его электропроводность зависит от температурного режима и объема примесей в составе. Материал обладает характеристиками, как проводящими, так и диэлектрическими.

При увеличении температуры электропроводность вещества растёт, а уровень сопротивления падает. При уменьшении температуры сопротивление стремится к бесконечности.

Благодаря своим уникальным свойствам, полупроводники применяются во многих отраслях промышленности: это и маломощные SMD на печатных платах, и устройства высокой мощности, например, тиристоры в силовой преобразовательной технике.

Температурный коэффициент сопротивления

α – величина, характеризующая изменение сопротивления проводника в зависимости от температуры. Средняя величина температурного коэффициента сопротивления в интервале температур t2° — t1° может быть найдена по формуле:

Значение температурных коэффициентов сопротивления металлов

Наименование металла	Температурный коэффициент сопротивления, 1/°С
Алюминий Альдрей Бронза Вольфрам Золото Латунь Медь Молибден Никель Олово Платина Ртуть Сталь Серебро Свинец Цинк Чугун	0,00403 – 0,00429 0,0036 – 0,0038 0,004 0,004 – 0,005 0,0036 0,002 0,004 0,0047 – 0,005 0,006 0,0043 – 0,0044 0,0025 – 0,0039 0,009 0,0057 – 0,006 0,0034 – 0,0036 0,0038 – 0,004 0,0039 – 0,0041 0,0009 – 0,001

Зонная теория

Зонная теория твердых тел – это теория перемещения валентных электронов в потенциальном поле кристаллической решетки. Квантовая механика полагает, что свободные электроны могут обладать любой энергией, спектр которой непрерывен.

Электроны изолированных атомов имеют некоторую дискретную величину энергии. При объединении отдельных атомов в молекулы и образовании вещества происходит смещение электронных уровней атома. Таким образом, из энергетических уровней отдельных атомов в твёрдом теле образуются полосы зон энергетических уровней.

Верхняя заполненная зона, валентная, соответствует энергетическому уровню валентных электронов внешней оболочки. Ближайшая к ней, незаполненная, – зона проводимости. Взаимным расположением обеих зон определяются процессы, происходящие в твердом теле, и классифицируются материалы по группам: проводники, полупроводники, диэлектрики.

Зонная классификация

В проводниках зона проводимости и валентная зона совмещены. Образовавшаяся зона перекрытия позволяет электрону свободно перемещаться при получении даже небольшой энергии.

В полупроводниках зоны не перекрываются. Расстояние между ними, называемое запрещенной зоной, – менее 2.0 эВ. При нулевой температуре в зоне проводимости отсутствуют электроны, а валентная зона ими заполнена. При возрастании температуры часть электронов забрасывается в зону проводимости за счет теплового движения. Полупроводник становится электропроводящим.

В диэлектриках зоны так же, как и у полупроводников, не перекрываются. Величина запрещенной зоны здесь – более 2.0 эВ. Для того чтобы перевести электроны из зоны валентности в зону проводимости, необходимо значительно повысить температуру. При невысоких градусах электрический ток не проводится.

Советуем изучить — Codesys v2

Характеристики

Исследовав электрический ток и его ключевые характеристики, возможно понять принцип его функционирования. Главными величинами электрической энергии являются напряжение, сила и сопротивление.

Сила и плотность тока

Плотность тока является векторной величиной. Вектор направляется в сторону движения положительно заряженных зарядов. Его модуль равняется соотношению силы электротока на определенном перпендикулярном по направлению перемещения зарядов сечении проводника к его площади. Измерение происходит в амперах на метр.

Плотность тока

Мощность

Частота

Ток характеризует частота. Такой параметр покажет, как за врем. ед. меняется число колебаний. Частота измеряется в герцах. Обычная промышленная частота составит 50 Гц.

Частота

Ток смещения

Такой термин был введен для комфорта, хотя в привычном понимании его не назовешь током, поскольку нет переноса заряда. Интенсивность электромагнитного поля находится в зависимости от токопроводимости и смещения.

Токи смещения возможно увидеть в конденсаторе. Невзирая на то, что во время зарядки и разрядки меж обкладок конденсатора не перемещается заряд, ток смещения будет протекать сквозь конденсатор и замыкать электроцепь.

Советуем изучить — Преимущества системы дистанционного радиоуправления кранами telecrane

Ток смещения

К основным показателям свойств проводниковых материалов независимо от их применения относятся: 1 — удельное электрическое сопротивление; 2 — температурный коэффициент удельного сопротивления; 3 — удельная теплопроводность; 4— контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС); 5—работа выхода; 6 — предел прочности на растяжение σ_р и относительное удлинение при разрыве и т.д.

а) Удельное электрическое сопротивление проводниковых материалов

Под удельным электрическим сопротивлением понимают сопротивление куба с ребром в 1 м, вырезанного из исследуемого материала, если ток проходит через две противоположные грани этого куба. Единица измерения удельного сопротивления в системе СИ — Ом*м. Кроме единицы системы СИ — Ом*м на практике часто используют внесистемную единицу Ок*мм 2 /м или равную ей по размеру—мкОм*м. Связь между ними выражается в виде

1 Ом*м = 10 6 мкОм*м = 10 6 Ом*мм 2 /м.

Диапазон значений удельных сопротивлений металлических проводников при нормальной температуре довольно узок: от 0,016 мкОм*м для серебра и примерно до 10 мкОм*м для некоторых сплавов, т. е. занимает всего три порядка.

По величине удельного сопротивления проводниковые материалы делятся на материалы высокой проводимости с удельным электрическим сопротивлением ρ, при нормальной температуре не более 0,1 мкОм*м и материалы высокого сопротивления с ρ при нормальной температуре не менее 0,3 мкОм*м.

Особую группу представляют сверхпроводниковые к крио-проводниковые материалы. К ним относятся материалы, обладающие при низких (криогенных) температурах исчезающе малым значением (близким к нулю для сверхпроводников) удельного электрического сопротивления.

Материалы высокой проводимости, а это прежде всего металлы, используют при производстве радиомонтажных проводов, токопроводящих жил кабелей, припоев, тонкопленочных контактных покрытий в микросхемах и т. п. К проводниковым материалам высокой проводимости, имеющим наибольшее практическое применение в радиоэлектронике, относятся медь и алюминий. Удельное электрическое сопротивление меди равно 0,0172 мкОм*м. Медь является дорогим и дефицитным материалом, и ее часто заменяют алюминием (р=0,028 мкОм*м).

Сплавы высокого сопротивления применяют при изготовлении проволочных и тонкопленочных резисторов, электронагревательных элементов, реостатов и т. п. Основными представителями этой группы проводниковых материалов являются манганин и константан.

б) Зависимость удельного электрического сопротивления проводниковых материалов от температуры

Удельное электрическое сопротивление проводников растет с ростом температуры. Это вызвано тем, что с ростом температуры усиливаются колебания узлов кристаллической решетки и увеличивается вероятность рассеяния электронных волн на них, что приводит к уменьшению величин длины свободного пробега и подвижности электронов.

Вблизи абсолютного нуля рассеяние электронных волн на тепловых колебаниях решетки стремится к нулю, но рассеяние на дефектах решетки имеет конечное значение и обусловливает тем самым наличие остаточного сопротивления.

Согласно эмпирически установленному правилу Маттиссена, удельное сопротивление металлического проводника можно выразить формулой

где р_о - составляющая удельного сопротивления, зависящая только от температуры; ρ_ост – остаточная составляющая удельного сопротивления, которая не зависит от температуры и является количественной мерой степени структурного совершенства кристаллической решетки. Типичная кривая изменения удельного сопротивления металлического проводника в зависимости от температуры представлена на рис. 12.1. При низких (криогенных) температурах (в области 1) величина р практически не зависит от температуры и определяется, в основном, величиной остаточного сопротивления, которая тем меньше, чем чище и совершеннее металл. В проводниковых металлах высокой проводимости, имеющих при нормальной температуре удельное сопротивление не более

Рис.12.1 Изменения удельного сопротивления металлического проводника в зависимости от температуры

0,1 мкОм*м, содержание примесей ограничивается десятыми,
сотыми и даже тысячными долями процента. Для изготовления реостатов, резисторов, электронагревательных элементов применяются не металлы, а сплавы высокого сопротивления, обладающие повышенной величиной р_ост. Наибольшее значение р_ост имеют, как правило, сплавы, являющиеся твердыми растворами. У твердых металлов и сплавов, подверженных холодной протяжке и волочению, удельное сопротивление в результате искажения кристаллической решетки повышается. Мягкие отожженные металлы и сплавы восстанавливают искаженную при рекристаллизации структуру и их удельное сопротивление
уменьшается.

Рост удельного сопротивления с температурой в областях II и III связан с электрон-фононным взаимодействием, причем тепловые колебания кристаллической решетки при температурах меньше температуры Дебая Θ_D качественно отличны от колебаний при Т> Θ_D, чем и объясняются приведенные на рис. 12.1 зависимости. В области II при Т n , где п изменяется от 5 до 1. В области III при T> Θ_D изменение удельного электрического сопротивления происходит практически линейно и объясняется линейным возрастанием с температурой амплитуд колебаний узлов кристаллической решетки.

Для большинства металлов температура Дебая Θ_D лежит в пределах от 100 до 500 К; для алюминия, например, она составляет 418 К.

В области IV наблюдается отступление зависимости удельного электрического сопротивления от линейной. Как правило, этот участок невелик и находится вблизи температуры плавления металла. При фазовом переходе из одного агрегатного состояния в другое удельное сопротивление металлов изменяется скачкообразно. При плавлении металлов (область V) ρ обычно возрастает. Однако у металлов, плотность которых при плавлении уменьшается (висмут, сурьма, галлий), значение удельного электрического сопротивления ρ при плавлении уменьшается.

В диапазоне температур, где зависимость ρ =f(Т) близка к линейной, допустима линейно-кусочная аппроксимация этой зависимости, и величина удельного электрического сопротивления может быть рассчитана по формуле

где ρ_о, ρ_t — удельное сопротивление материала при температурах -t₀и t соответственно. Величину α_ср в выражении (12.2) (чаще используют обозначение ТК_р) называют средним температурным коэффициентом удельного сопротивления в данном диапазоне температур:

В общем случае температурный коэффициент сопротивления материала представляет собой логарифмическую производную этого параметра по температуре:

Таким образом, температурный коэффициент сопротивления характеризует относительное сопротивление проводника при изменении температуры на один градус и имеет размерность, обратную температуре. Такой же физический смысл имеют и остальные температурные коэффициенты. Металлы имеют большой температурный коэффициент удельного сопротивления (например, для алюминия ТК_р в диапазоне температур от 0 до 150 °С равен 4*10 -3 К -1 ), у сплавов значение ТК_р значительно меньше (10 -4 – 10 -6 К -1 ). Сплавы с ТК_р =10 -5 – 10 -6 К -1 считают материалами с постоянным сопротивлением в широком диапазоне температур. К их числу относится, например, константан.

в) Электропроводность тонких металлических пленок

В микроэлектронике большое распространение получили также пленки проводников, использующихся для коммутации элементов схем. Для сравнительной оценки проводящих свойств металлических пленок, толщина которых d соизмерима с длиной свободного пробега электрона λ, используют параметр удельного поверхностного электрического сопротивления или сопротивление квадрата ρ_□, Ом/□. Удельное поверхностное сопротивление численно равно сопротивлению участка пленки, длина которого равна его ширине при протекании тока через две его противоположные грани параллельно поверхности подложки:

где р - удельное (объемное) сопротивление пленки, а d — ее толщина. Удельное поверхностное сопротивление тонких пленок, как правило, больше удельного сопротивления этого же металла в толстых слоях и зависит от толщины пленки и способа ее получения.

Для тонких пленок (d/ λ

где ω- частота электромагнитного поля; λ, μ_а - электропроводность проводника для постоянного тока « его абсолютная магнитная проницаемость.

В идеальном проводнике, у которого γ→ ∞глубина проникновения ∆→0, т. е. наблюдается полное отражение электромагнитных волн. Способность технического проводникового материала, работающего в области высоких частот, проводить электрический ток в радиотехнике характеризуют сопротивлением квадрата поверхности проводника R_s, Ом.

Для плоского проводника бесконечной толщины величина R_s определяется из выражения, аналогичного (12.6). Разница состоит в том, что вместо толщины пленки учитывают глубину проникновения тока R_s:

где γ — удельная проводимость металла. Выражение показывает, что активное сопротивление плоского проводника бесконечной толщины при скин-эффекте R_s , равно сопротивлению плоского проводника толщиной ∆ для постоянного тока или, что то же самое, активное сопротивление проводника с экспоненциально убывающим распределением плотности тока равно сопротивлению проводника толщиной ∆ с равномерным распределением тока.

д) Явления сверхпроводимости

Сверхпроводимостью называют явление падения значения удельного электрического сопротивления (практически до нуля; ρ-10 -16 Ом*м) некоторых материалов при определенной температуре, называемой температурой перехода или критической температурой Т_кр.

Вещества, обладающие такими свойствами, называют сверхпроводниками. В настоящее время известно свыше тысячи сверхпроводников, среди них более 20 чистых металлов (например, алюминий, свинец, ртуть), многие сплавы и ряд соединений, содержащих неметаллы (например, сульфид меди, карбид молибдена и др.). Сверхпроводники, представляющие собой чистые металлы, называют мягкими сверхпроводниками в отличие от сплавов и химических соединений, которые называют твердыми сверхпроводниками.

На рис. 12.2 приведены температурные зависимости удельного электрического сопротивления некоторых сверхпроводниковых металлов и указаны значения, характерные для их критической температуры перехода.

Рис.12.2 температурные зависимости удельного электрического сопротивления некоторых сверхпроводниковых металлов

В действительности же переход материалов из обычного состояния в сверхпроводящее происходит в некоторой области температур, ширина которой зависит от наличия в материале примесей, дефектов, внутренних напряжений. Для мягких сверхпроводников эта область невелика и составляет величину примерно 10 -3 градусов.

Температуры перехода сверхпроводников в сверхпроводящее состояние низки. Так, например, для некоторых чистых металлов значения их лежат в пределах от 0,35 К (гафний) до 9,2 К (ниобий); для сплавов —от 0,155К. (ВiРt) до 18К (Nb₃Sn).

Достижение столь низких (криогенных) температур осуществляется в специальных охлаждающих установках с помощью хладоагентов и представляет собой сложную и дорогостоящую задачу. В качестве хладоагентов используют различные сжиженные газы.

Явление сверхпроводимости было обнаружено в 1911 году голландским ученым Г. Каммерлинг-Оннесом при исследовании электропроводимости кольца из замороженной до 4,2 К ртути. Однако удовлетворительное объяснение явления сверхпроводимости было предложено лишь в 1957 году Бардиным, Купером и Шиффером. Большой вклад в теорию сверхпроводимости внесли советские ученые Н. Н. Боголюбов и А. А. Абрикосов.

Механизм возникновения сверхпроводимости заключается в следующем. В некоторых материалах при низких температурах взаимодействие электронов с кристаллической решеткой столь велико, что возникают силы, связывающие электроны попарно в так называемые пары Купера, а именно, два электрона, находящиеся с разных сторон от ближайшего положительно заряженного иона решетки, притягиваются к нему силами кулоновского притяжения, а при наличии электрического поля дрейфуют внутри кристалла парами без рассеивания энергии. Такие пары существуют только при температурах ниже некоторой критической (вполне определенной для каждого сверхпроводника), т. е. тогда, когда тепловой энергии системы недостаточно для разрыва связей между электронами. Отсутствие рассеяния электронов на тепловых колебаниях узлов кристаллической решетки при данном механизме электропроводности приводит ктому, что ток, однажды наведенный в сверхпроводящем контуре, может длительно (примерно 10 5 лет) циркулировать в нем практически без затухания.

Сверхпроводящее состояние может быть разрушено не только при повышении температуры, но и при других внешних воздействиях. Таким воздействием может быть, например, высокочастотное электрическое или магнитное поле; при этом безразлично, создается ли последнее током, идущим по самому сверхпроводнику, или внешним источником магнитного поля.

Рис. 12.3 Фазовые диаграммы сверхпроводники первого и второго родов.

Для сверхпроводников первого рода характерно скачкообразное изменение состояния вещества (его внутренней энергии).

Сверхпроводники второго рода имеют промежуточное состояние, при котором одновременно существуют сверхпроводящая и нормальная фазы. Значения В_кр1 и В_кр2 могут отличаться в сотни раз. К сверхпроводникам второго рода относятся твердые сверхпроводники, т. е. все сплавы, интерметаллические соединения, а также пленки даже из сверхпроводников первого рода, если толщина их меньше глубины проникновения магнитного поля.

Как видно из рисунков, наибольшее возможное значение температуры перехода данного сверхпроводникового материала достигается лишь при ничтожно малой магнитной индукции и наоборот. Проблема повышения значений этих величин В_кр и Т_кр является одной из важнейших проблем физики и технологии сверхпроводниковых материалов. Существуют теоретические предпосылки, что некоторые органические полупроводниковые материалы будут сверхпроводящими при комнатной температуре. Однако до настоящего времени такие материалы получить не удалось.

Наряду с этим широкое применение нашли сверхпроводники при производстве электромагнитов. Сверхпроводниковый электромагнит представляет собой сверхпроводниковый соленоид, обтекаемый током. Сверхпроводниковые электромагниты намного дешевле по сравнению с обычными электромагнитами, меньше по габаритам и массе, расходуют меньше энергии.

Помимо электромагнитов сверхпроводники используются для изготовления обмоток электрических машин, трансформаторов и других устройств малой массы и габаритов и с высоким КПД, кабельных линий для передачи больших мощностей, волноводов с малым затуханием, накопителей энергии и пр. Ряд устройств памяти « управления основывается на переходе материала из сверхпроводимого состояния в нормальное при изменении магнитной индукции или температуры.

г) Криопроводники

В п. б было показано, что удельная электрическая проводимость металлов увеличивается с повышением его чистоты и понижением температуры. Материалы, которые с этой точки зрения имеют наиболее выгодные свойства, т. е. наибольшее изменение проводимости при понижении температур до криогенных, называются криопроводниками. Значение удельного электрического сопротивления криопроводников в области низких температур (но при температурах выше Т_кр, если данный материал принадлежит к сверхпроводникам) на три-четыре порядка меньше, чем при нормальной температуре. Для обычных металлов это изменение составляет один порядок. Необходимо отметить, что физические процессы, лежащие в основе явлений сверхпроводимости и криопроводимости различны. В отличие от сверхпроводников, к которым принадлежат многие сплавы и химические соединения, в качестве криопроводников применяются только чистые металлы с минимально возможной концентрацией дефектов кристаллической решетки.

Лучшим криопроводником в области температур, близких к температуре жидкого водорода (около 20 К), является чистый алюминий, а для области температур, близких к температуре жидкого азота - бериллий.

Возможность использования более дешевых хладоагентов: жидких водорода и азота по сравнению с жидким гелием — является одним из главных преимуществ применения криопроводников по сравнению со сверхпроводниками. Это упрощает конструкцию и эксплуатацию установок, упрощает тепловую изоляцию и уменьшает расход энергии на охлаждение. Допустимые плотности тока в криопроводниках на один — два порядка больше, чем для обычных проводниковых материалов. Это уменьшает потери в электрических машинах, аппаратах, кабелях, где криопроводники находят основное применение.

Читайте также: