Проводники с большим сопротивлением

Раздел 11. Проводниковые материалы.

 

Лекция №32

Проводники

Проводники с большим сопротивлением

Сверхпроводники

Проводники

Проводниками называются вещества, внутри которых в случае электростатического равновесия электрическое поле равно нулю, т. е. некомпенсированные заряды проводников локализуются в бесконечно тонком поверхностном слое, а если электрическое поле отлично от нуля, то в проводнике возникает электрический ток.

Проводниковые свойства проявляют как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы.

В электротехнике из твердых проводников наиболее широко используются металлы и их сплавы, различные модификации проводящего углерода и композиции на их основе.

Металлические проводниковые материалы подразделяются на материалы высокой проводимости и сплавы высокого сопротивления. Металлы высокой проводимости используются в тех случаях, когда необходимо обеспечить минимальные потери передаваемой по ним электрической энергии, а сплавы высокого сопротивления, наоборот, в тех случаях, когда необходима трансформация электрической энергии в тепловую.

К жидким проводникам относятся расплавы и электролиты. Если при прохождении тока через жидкие проводники на электродах не происходит выделение продуктов электролиза, то они относятся к проводникам первого рода. Расплавы ионных кристаллов и электролиты относятся к проводникам второго рода, так как при прохождении через них тока происходит перенос вещества, а на электродах выделяются продукты электролиза.

Газы и парообразные вещества становятся проводниками лишь в определенных диапазонах значений давления, температуры и напряженности электрического поля. Близка к газам по своему агрегатному состоянию особая проводящая среда - плазма.

К особой группе проводящих материалов относятся сверхпроводники.

Современная теория проводников основывается на постулатах квантовой механики. В рамках этой теории предполагается, что при отсутствии внешних воздействий (электрические и магнитные поля, градиент температуры) система подвижных электрических зарядов в проводниках описывается равновесной функцией распределения. Реакция на любое внешнее воздействие, нарушающее равновесное состояние подвижных зарядов, может быть описана с помощью неравновесной функции распределения, конкретный вид которой зависит oт типа воздействия и определяется на основе решения кинетического уравнения Больцмана.

Количественная связь между внешним воздействием и реакцией на него подвижных носителей заряда описывается с помощью кинетических коэффициентов, из которых наиболее важную практическую роль играют коэффициент электрической проводимости (выражает связь между напряженностью электрического поля в проводнике и плотностью тока) и коэффициент тепловой проводимости (выражает связь между разностью температур на единичной длине проводника и тепловым потоком). Математически эти явления описываются законами Ома и Фурье (и), где Е

- напряженность электрического поля, В/м; I - плотность тока, А/м; v - плотность теплового потока, Вт/м; DТ - разница температур на единичном участке длины проводника, К/м; g - коэффициент электрической проводимости (удельная электрическая проводимость), Ом/м, c - коэффициент теплопроводности, Вт/(мК).

J = у Е

v = c DT

При наличии градиентов температуры и потенциала в одном или нескольких соединенных проводниках возникает ряд термоэлектрических эффектов. Если градиент температуры вдоль проводника не равен нулю, то на его концах появляется разность потенциалов, называемая термоэлектрической разностью потенциалов, или термоэлектродвижущей силой. При разности температур в 1 К эта разность потенциалов называется удельной (дифференциальной) термоэлектродвижущей силой.

В разомкнутой цепи из нескольких разнородных проводников, находящихся при одинаковой температуре, появляется контактная разность потенциалов, равная алгебраической сумме разностей работ выхода электронов из проводников. При замыкании такой цепи ток не возникает, так как контактные разности потенциалов компенсируют друг друга. Если же поддерживать контакты при разных температурах, возникает отличная от нуля термоэлектродвижущая сила, называемая (при разности температур в 1 К) относительной удельной термоэлектродвижущей силой. По имени физика, изучавшего это явление, оно получило название эффекта Зеебека. Этот эффект, положенный в основу работы промышленных термопар, наиболее изучен. Эффект Пельтье состоит в выделении обратимого тепла на контакте двух различных проводников, когда через контакт проходит ток. Эффект Томсона состоит в выделении обратимой теплоты, когда в проводнике протекает ток при наличии градиента температуры.

При одновременном воздействии на проводник электрического и магнитного полей возникают гальваномагнитные эффекты.

Наиболее полно к настоящему времени развита теория металлических проводников. Еще на рубеже XIX - XX вв. теоретически и экспериментально было показано, что если металл находится в твердом или жидком состоянии, то часть электронов делокализуется, а возникающие в результате этого положительно заряженные ионы образуют (если металл находится в твердом состоянии) кристаллическую решетку. Взаимодействие положительно заряженного остова кристаллической решетки с делокализованными электронами обеспечивает стабильность и устойчивость структуры металлов, а наличие электронов, принадлежащих не отдельным атомам, а всей их совокупности, обеспечивает высокую электрическую проводимость металлов. Однако наиболее точные расчеты кинетических коэффициентов получены на основе современной теории металлов, в которой совокупность делокализованных электронов рассматривается как «Ферми-жидкость», подчиняющаяся статистике Ферми. Наибольшую практическую ценность представляют результаты теоретического исследования электрической проводимости металлов.

В современной теории электропроводности показано, что в идеальной кристаллической решетке электрический или тепловой поток, однажды возникнув, поддерживался бы бесконечно долго, т. е. делокализованные электроны создавали бы бесконечную проводимость, а время релаксации (среднее время свободного пробега электронов) оказалось бы бесконечным. Тот факт, что удельная электрическая проводимость конечна, обусловлен нерегулярностями решетки. Эти нерегулярности делятся на две основные категории. Одни связаны с тепловыми колебаниями, другие являются статистическими. Тепловые колебания решетки нарушают идеальную периодичность кристаллов. Искажения решетки рассеивают электроны, ограничивая длину свободного пробега конечным значением. С уменьшением температуры интенсивность рассеивания уменьшается, и так как ограничения, налагаемые статистикой Ферми, препятствуют рассеянию на нулевых колебаниях, то в области температур, близких к абсолютному нулю, проводимость ограничивается статическими дефектами. Обычно существует целый ряд статических дефектов. Вакансии, междуузельные атомы и примеси замещения составляют группу точечных дефектов. Дислокации являются линейными дефектами. Существуют и двумерные нерегулярности, такие как дефекты упаковки и границы двойников и кристаллитов.

В итоге теория предсказывает, а эксперимент подтверждает, что в области низких температур (меньших температуры Дебая q) удельная электропроводность g пропорциональна T^-5,a при Т > q g ~ Т^-1, где Т - температура перехода.

В практике проведения электротехнических расчетов часто используется не удельная проводимость, а величина, ей обратная, r (Ом·м). Учитывая это, r ~ Тпри Т > q. Для большинства металлов температура Дебая лежит в области от 100 до 400 К.

В технических расчетах влияние температуры на сопротивление характеризуют температурным коэффициентом удельного сопротивления a

Наиболее широко в электротехнике используются медь и алюминий. Являясь материалами высокой проводимости, эти металлы допускают все виды механической обработки, что позволяет изготовлять токопроводящие элементы практически любой формы и протяженности. Их несомненным достоинством является достаточно высокая прочность и стойкость по отношению к нагрузкам. Преимущества этих металлов настолько велики, что выбор материалов для токопроводящих элементов обычно ограничивается или ими самими, или их модификациями. Конкретный же выбор между медью и алюминием осуществляется на основе технической необходимости и экономической эффективности.

При выборе проводящих материалов для токопроводящих цепей, работающих в переменных электромагнитных полях, необходимо учитывать поверхностный эффект.

Для изготовления различных токопроводящих деталей электрооборудования, стержней короткозамкнутых роторов асинхронных электродвигателей, прижимных контактов электрических аппаратов широко используются простая латунь или многокомпонентные сплавы на основе меди, в которых основной легирующей добавкой является цинк- Медно-цинковые сплавы по сравнению с медью обладают более высокой механической прочностью и повышенным значением удельного электрического сопротивления. Латунь подразделяется на обрабатываемую давлением и литьем.

В электротехнике более широкое применение находит латунь, обрабатываемая давлением.

Для изготовления троллейных проводов, коллекторных пластин, контактных ножей, скользящих контактов, токоведущих пружин, упругих контактов и т. п. широко используется бронза.

Бронза представляет собой медный сплав и по сравнению с медью отличается высокой механической прочностью, твердостью, упругостью и стойкостью к истиранию.

Бронза подразделяется на группы: оловянная, обрабатываемая давлением; литейная; безоловянная литейная.

Для изготовления токопроводящих шин, фольги, роторов асинхронных электродвигателей и других подобных изделий широко используются сплавы на основе алюминия, причем их электрические, механические и технологические свойства легко регулируются легирующими добавками. По способу изготовления изделий алюминиевые сплавы делятся на деформированные и литейные.

Токопроводящие шины и электротехническая проволока изготовляются из алюминиевых сплавов с примесями магния и кремния АД0 и АД31.

Короткозамкнутые роторы асинхронных электродвигателей общего назначения обычно изготовляются из алюминия марок А5 или А7. Высокими литейными свойствами обладают сплавы марок АК-10, АКМ10-2, АКМ12-4 и АКЦ11-12. Ограниченными литейными свойствами обладают чистый алюминий и сплавы марок АК3, АКМ2-1 и АКМ4. Сплавы АМ7 и АКМ1-9 имеют невысокие литейные свойства и применяются лишь в специальных случаях.

По условиям работы контакты подразделяются на два типа: коммутирующие, скользящие.

Коммутирующие контакты служат для управляемого замыкания и размыкания электрической цепи. К скользящим относятся контакты, поверхности которых скользят одна относительно другой, щетка-коллектор, щетка-контактное кольцо и щетка-резистивный элемент.

Материалы для коммутирующих и скользящих контактов должны быть стойкими к коррозии, электрической эрозии и износу, не свариваться, иметь высокую механическую прочность и износостойкость, особенно на истирание, и, естественно, обладать высокой проводимостью и теплопроводностью.

Слаботочные контакты изготовляются преимущественно из серебра, платины, палладия, золота, вольфрама и сплавов на их основе.

Лучшими из этих материалов являются металлы и сплавы платиновой группы. Контакты из платины не покрываются диэлектрическими пленками, что обеспечивает стабильное переходное сопротивление. Чаще всего платина используется в качестве основы для контактных сплавов. Причем, если Ni, Ag, Ir, Os, Ru и W сильно повышают твердость и удельное электрическое сопротивление сплавов, то в меньшей степени это относится к радию и палладию. Из сплавов платина-никель наиболее известен сплав ПлН-4,5. Иридий и радий образуют с платиной непрерывный ряд растворов. В нашей стране наиболее распространены Pt-Ir контактные сплавы ПлИ-10 и ПлИ-25. По своим свойствам палладий уступает платине, но имеет меньшую стоимость и его сплавы широко применяются.

Золото и серебро отличаются невысокой прочностью и твердостью. Основным достоинством этих материалов являются их высокая электрическая проводимость и теплопроводность, что обеспечивает минимальный разогрев контактной зоны. Оксиды серебра электропроводны, однако в атмосфере сероводорода и влаги на контактах образуются непроводящие пленки сульфида серебра.. Золото применяется для изготовления прецизионных контактов, работающих при малом сдавливающем усилии и низком напряжении. Распространены контактные сплавы золота с серебром, никелем и платиной. Достоинствами вольфрамовых и молибденовых контактов являются стойкость к появлению дуговых разрядов, электрической эрозии и свариванию. Для работы в вакууме и среде инертных газов применяются контакты из сплава W-Mo.

Сильноточные коммутирующие контакты изготовляются чаще всего из металлокерамических композиций, получаемых методом порошковой металлургии. Композиционный материал представляет собой смесь ингредиентов, один из которых обладает значительно большей тугоплавкостью, чем другие. Поэтому при переходе одного из ингредиентов в жидкое состояние он удерживается силами поверхностного натяжения в порах тугоплавкой матрицы. В условиях высоких токовых и механических нагрузок, когда материал контактов из чистых металлов расплавляется, композиционные материалы незаменимы. Контакты из композиций на основе серебра Ag-CdO наиболее широко используются в низковольтных аппаратах. Они надежны в работе при повышенных токовых нагрузках, обладают повышенной износостойкостью.

Композиция Ag-Ni также используются при изготовлении контактов для низковольтных аппаратов. Контакты из композиций серебро-графит стойки к свариванию и механическому износу. Композиции серебро-никель-графит применяются в контактах низковольтных аппаратов со значительными токовыми нагрузками и перегрузками. Надежность контактов повышается, если матрицу композиции выполнять с мелкодисперсной структурой. Для контактов, отключающих токи 30 - 100 кА, используются композиции медь-графит, медь-вольфрам. Чистая медь из-за склонности к атмосферной коррозии с образованием оксидных и сульфидных пленок непригодна для слаботочных контактов, однако применяется в сильноточных аппаратах.

В электродвигателях и генераторах коллектор и токосъемные кольца изготовляют из меди и ее сплавов, хромоникелевую нержавеющую сталь (Х18Н9Т) или серый чугун (СЧ18-36).

Типичным сплавом для изготовления эталонных резисторов является манганин, состоящий из Сu (85 %), Мn (12 %) и Ni (3 %). Этот сплав выпускается двух марок: МНМцЗ-12 и МНМцАЖЗЗ-12-0,3-0,3. Свое название манганин получил от латинского слова manganum (марганец). Вследствие присутствия в сплаве марганца зависимость электрического сопротивления манганина от температуры имеет максимум вблизи комнатных температур и его удельное сопротивление в диапазоне температур от -100 до 100 °С меняется очень мало.

При изготовлении реостатов и электронагревательных элементов, работающих при температурах, не превышающих 450 °С, используется сплав, содержащий около 60 % меди и 40 % никеля. В рабочем диапазоне температур он отличается чрезвычайно высокой стабильностью удельного сопротивления, с чем и связано его название - константан. Характерной особенностью этого сплава является высокая термоэлектродвижущая сила в контакте с медью.

Для изготовления контактных пружин находит применение нейзильбер. Это медно-никелевый сплав, отличающийся большим содержанием свинца, придающего нейзильберу (после холодной деформации) достаточно высокую упругость.

 

Проводники с большим сопротивлением

Для резисторов с большой мощностью рассеяния и электронагревательных элементов применяются нагревостойкие сплавы высокого сопротивления с рабочими температурами, превышающими 1000 °С Из предназначения сплавов следует, что их ингредиенты подобраны таким образом, чтобы обеспечить высокое значение объемного коэффициента оксидации, означающего, что при нагреве на воздухе поверхность сплавов покрывается сплошной оксидной пленкой. Такими ингредиентами являются хром, никель и алюминий, однако в целях снижения стоимости сплавов в их состав часто вводят железо. С малым содержанием железа сплавы Fe-Ni-Cr называют нихромами, а с повышенным - ферронихромами. Сплавы Fе-Cr-Al называют соответственно фехралями и хромалями.

Карбиды и силициды широко используются для изготовления электронагревательных элементов высокотемпературных нагревателей. Из этих материалов наибольшее распространение получили силит и глобар. Эти материалы изготовляются на основе карбида кремния, и их максимальная рабочая температура 1450 °С. При эксплуатации силитовых и глобаровых электронагревательных элементов необходимо учитывать критичность срока службы по отношению к температуре перегрева: даже при небольшом превышении температуры над максимально допустимой срок службы элементов резко уменьшается. До температуры 900 °С ТКС нагревателей отрицателен, и при достижении этой температуры сопротивление элементов уменьшается приблизительно в 5 раз. Однако при температуре 1400 °С их сопротивление уже на 20 % превышает максимальное.

Более высокие рабочие температуры имеют нагревательные элементы на основе дисилицида молибдена, стержни из которого допускают нагрев до 1700

 

Сверхпроводники

Некоторые металлы обладают замечательными свойствами: при охлаждении их электросопротивление понижается обычным образом, но при достижении некоторой температуры это сопротивление исчезает полностью. Тогда говорят, что произошел переход в сверхпроводящее состояние. Температура, при которой сверхпроводник теряет сопротивление, называется его критической температурой.

Применение сверхпроводников открывает пути улучшения технических и экономических параметров современных приборов и устройств или дает принципиально новые решения проблем, которые не могут быть реализованы с помощью обычной техники.

Одна из первых и наиболее освоенных областей применении сверхпроводников - создание высоких магнитных полей, вплоть до 20 кА/м. Такие поля используются в физике плазмы, физике высоких энергий, ядерной физике (ускорители), в накопителях энергии, при создании скоростного транспорта на магнитной подушке.

Использование сверхпроводников в энергетике и электротехнике позволит резко сократить потери электроэнергии. Явление сверхпроводимости было открыто Камерлинг Опессом. Первый сверхпроводник - ртуть терял свое сопротивление при охлаждении его до 4 К (-269 °С). Сверхпроводящими свойствами могут обладать металлы, сплавы и металлические соединения, а также неметаллические химические вещества в металлическом состоянии, органические соединения и ионные кристаллы.

Чистые элементы, обладающие сверхпроводимостью, можно классифицировать по следующим группам;

1) непереходные металлы Si, Ge, As, Sb, Bi, Se, Те, которые обладают сверхпроводимостью при высоком давлении;

2) переходные металлы групп 3d, 4dи 5d, у которых с увеличением порядкового номера происходит заполнение внутренних уровней;

3) тонкопленочные структуры на основе Li, Cs, Gr, Pr, Nd, Eu. Критическая температура чистых элементов не превышает 10 К.

При сплавлении чистых элементов возможно образование твердых растворов и упорядоченных сплавов типа интерметаллических соединений. Наиболее высокая температура сверхпроводящего перехода для этой группы материалов была обнаружена в интерметаллическом соединении Nb₃Ge (23,3 К).

Сверхпроводящее состояние может разрушаться не только при повышении температуры материала до Т_с,но и при определенных (критических) значениях плотности электрического тока I_с и напряженности магнитного поля H_с. Выпускаемый промышленностью ниобий в виде проволоки, прутков и полос с примесью Та(0,2 %), С(0,01 %), N₂(0,01 %), W и Мо(0,02 %) обладает критической плотностью тока J_c - 8 10⁸ А/м² при воздействии магнитного поля индукцией 0,5 Тл.

Молибден-рениевые сплавы, изготовленные в виде тонкой проволоки диаметром 0,01 мм позволили получить плотность тока J_c = 10⁸ А/м² в магнитном поле индукции 1,5 Тл. Ниобий-титановые сплавы по сравнению с Mo-Re обладают более высокими значениями плотности тока в аналогичных условиях- Сплавы Nb₃Sn в виде сверхпроподников применяются путем осаждения олова слоем толщиной 20 - 50 мкм на провод из ниобия или ленты из нержавеющей стали толщиной 20 - 50 мкм и шунтирующего слоя 25 - 50 мкм из меди. В 1986 г. Беднорцем и Мюллером была открыта высокотемпературная сверхпроводимость в системе Ва - La - Сu - О при температуре 30 - 35 К.

В системе YBa₂Cu₃O_7-d была достигнута критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние Т_с = 92 К. Таким образом был преодолен азотный барьер, что позволило использовать для охлаждения керамического образца жидкий азот (Т_кип = 77 К) вместо дорогостоящего гелия.

В одном случае при достижении критического значения напряженности внешнего магнитного поля Н_с сверхпроводящее состояние разрушается. В другом случае при достижении напряженности магнитного поля Н_с1 магнитный поток проникает в сверхпроводник, но нормальное состояние его полностью не восстанавливается до тех пор, пока напряженность не достигнет Н_с2.

Область между Н_с1и Н_с2 называется смешанным состоянием. Сверхпроводники, на кривых намагничивания которых имеется область смешанного состояния, называют сверхпроводниками II рода (рис. 16.2).

 

 

Зависимость намагничивания образца

от напряженности внешнего магнитного поля

 

Для сверхпроводников II рода, которые неоднородны уже потому, что содержат включения другой фазы, кривые намагничивание насыщения необратимы.

Многие из новых высокотемпературных сверхпроводников относятся к классу керамических материалов, называемых перовскитами. Их структура легко поддается изменениям, что позволяет получить материалы, обладающие широким разнообразием электрических свойств.

Идеальная структура перовскитов, которые описываются общей формулой АВХ - кубическая. Каждый куб состоит из трех различных химиче­ских элементов (А, В и X) в отношении 1:1:3. А и В - это металлические катионы (ионы с положительным зарядом), X - неметаллические анионы (ионы с отрицательным зарядом); Можно предположить, что такой перовскит (разновидность титана кальция СаТiO₃, образующаяся при высоких температурах) имеет идеальную структуру. Такой кристалл часто имеет форму куба или октаэдра, отражающую симметрию атомной структуры.

 

 

Кристаллическая структура перовскита

 

Множество химических элементов может соединяться и образовывать сотни идеальных и модифицированных перовскитов, хорошо известных в настоящее время. Барий, калий и редкоземельные элементы - наиболее типичные из 24 элементов, которые могут занимать положение А Среди десятков соединений, соответствующих идеальной структуре перовскита, сущеуют такие, как фторид серебра и цинка AgZnF₃, бромид цезия и кадмия CsCdBr₃, фторид лития и бария LiBaF₃.

На сегодняшний день известно множество перовскитов с развернутыми октаэдрами.

 

Вопросы для самостоятельной работы. Проводники. Криопроводники. Материалы для подвижных контактов. Литература: Колесов С. Н., Колесов И. С. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учебник для вузов – М.: Высшая шк., 2004.