КЛАССИФИКАЦИЯ, СВОЙСТВА И КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОВОДНИКОВ

Проводник — вещество, основным электрическим свой­ством которого является электропроводность.

Проводники являются наиболее широко применяемы­ми в технике материалами. Из них изготавливают обмо­точные и монтажные провода, силовые кабели и линии электропередач, кабели радио, телефонно-телеграфной свя­зи, проводящие дорожки печатных плат и интегральных схем, конструкционные детали приборов и устройств и т.п. Столь широкие области применения проводниковых мате­риалов предполагают различные варианты их классифи­кации.

Существует также классификация по смешанным при­знакам:

• чистые металлы;

• сплавы (высокого сопротивления, для термопар, при­пои);

• тугоплавкие металлы с температурой плавления выше 1700°С;

• благородные металлы.

Для электротехнического применения проводниковые материалы целесообразно подразделять на следующие груп­пы:

• материалы с высокой проводимостью;

• материалы с высоким удельным сопротивлением;

• металлы и сплавы различного назначения;

• материалы на основе углерода и его модификаций;

• сверхпроводниковые материалы.

По агрегатному состоянию проводники могут быть твер­дыми, жидкими и газообразными. Твердыми проводника­ми являются металлы и некоторые модификации углеро­да. К жидким относятся ртуть, расплавленные металлы и электролиты — водные растворы кислот, щелочей и со­лей, которые обладают электропроводностью.

Пары и газы при низких напряжениях не являются про­водниками, однако при больших внешних полях они становятся проводниками за счет ударной ионизации. Газо­вая среда при равенстве в единице объема электронов и ионов называется плазмой.

Электрофизические, а также механические свойства про­водников весьма разнообразны и характеризуются широ­ким набором параметров:

• удельная проводимость или удельное сопротивление;

• температурный коэффициент удельного сопротивле­ния;

• температурный коэффициент линейного расширения;

• работа выхода;

• теплоемкость;

• удельная теплопроводность;

• температура плавления;

• плотность;

• пределы прочности при сжатии, растяжении, изгибе;

• относительное удлинение при разрыве.

При использовании проводников для решения различ­ных задач в области радиотехники и электроники любой из перечисленных параметров может оказаться наиболее значимым. Однако основными параметрами проводнико­вых материалов являются первые четыре.

Удельная проводимость σ является количественной характеристикой способности проводить электрический ток, т.е. электропроводности вещества. Величина ρ= 1/σ, обратная удельной проводимости, называется удельным сопротивлением и определяется выражением

где R — сопротивление, [Ом]; S — поперечное сечение, [м²]; l— длина проводника, [м].

В системе СИ р измеряют в [Ом • м]. Часто используют внесистемную единицу [Ом • мм²/м]. Связь между ними оп­ределяется соотношением

1 [Ом • м] = 10 [мкОм • м] = 10⁶ [Ом • мм²/м].

Диапазон значений р для металлов достаточно узок и составляет всего около трех порядков: от 1,6 • 10^-8 Ом м для серебра до 6 • 10^-5 Ом • м для материалов на основе углерода.

Температурный коэффициент удельного сопротивле­ния ТК α характеризует изменение сопротивления матери­ала при изменении температуры. У металлов с ростом температуры сопротивление увеличивается вследствие умень­шения подвижности электронов за счет рассеяния на теп­ловых колебаниях решетки. Количественной мерой изме­нения удельного сопротивления при изменении темпера­туры является ТК — относительное изменение удельного сопротивления р при изменении температуры на один градус.

Математически ТК определяется выражением

которое может быть как положительным для чистых ме­таллов, так и отрицательным для некоторых сплавов. Для металлов ТК находится в пределах (2—6) • 10 ^-3 К ^-1.

Температурный коэффициент линейного расширения а, характеризует изменение линейных размеров образца материала при изменении температуры. Этот коэффици­ент необходимо особенно учитывать в случаях совместной или сопряженной работы различных материалов, напри­мер металл—стекло, металл—керамика и т.д. Количествен­ные значения a_t контактирующих материалов должны быть близки, чтобы не возникали недопустимые напряжения на стыках, в спаях и т.п., приводящие к разрушению одного из материалов. Величина α, определяется выражением

которое показывает относительное изменение линейного размера (длина) образца материала при изменении тем­пературы на один градус.

Численные значения α_г металлов колеблются в широ­ких пределах, от 4 • 10 ^-6 К ^-1 (для вольфрама) до 182 • 10 ^-6 К ^-1 для ртути.

2.1.1. Сверхпроводимость

Одним из фундаментальных свойств проводников, спла­вов на их основе и некоторых полупроводников является сверхпроводимость.

Явление сверхпроводимости, открытое голландским уче­ным Х.Камерлинг-Оннесом в 1911 г., заключается в рез­ком падении до нуля сопротивления некоторых веществ при температурах ниже так называемой критической тем­пературы Т (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Изменение удельного со­противления вещества вблизи тем­пературы перехода в сверхпроводя­щее состояние:

1— обычный, несверхпроводящий металл; 2 — сверхпроводник; р, р₀ — удельное сопротивление

Свойством сверхпроводимости обладают почти полови­на чистых металлов и несколько сотен сплавов. Темпера­туры перехода в сверхпроводящее состояние лежат в пре­делах от 0,01 К у вольфрама (W) до 9,2 К у ниобия (Nb) и 11,2 у технеция (Тс). Наиболее высокие критические тем­пературы Т имеют сплавы в виде твердых растворов со­единений Nb₃Al—Nb₃Ge (T_K = 20,5 К) и пленок Nb₃Ge (Т= 22,3 К). В состав сплавов могут входить не только металлы, но и полупроводники, например GeTe. Согласно публикациям, некоторые современные материалы имеют Т порядка 100 К, что значительно расширяет возможнос­ти использования сверхпроводников в технике.

При переходе в сверхпроводящее состояние удельное сопротивление может скачком уменьшаться более чем на пятнадцать порядков и достигать значения меньше 10 ^-25 Ом • м.

Это означает, что в сверхпроводнике сопротивление про­теканию тока практически отсутствует. Согласно этой теории, при низких температурах элект­роны, движущиеся в кристалле, взаимодействуют с иона­ми кристаллической решетки, поле которых ослабляет силы кулоновского отталкивания электронов друг от друга. Это означает, что между электронами возникают силы притя­жения, приводящие к объединению электронов в так на­зываемые куперовские пары. Силы притяжения между электронами очень малы, поэтому связанные пары элект­ронов существуют ограниченное время, распадаются и вновь создаются. Электроны, объединяющиеся в пары, на­ходятся друг от друга на расстоянии порядка 10 ^-4 см, т.е. на огромном расстоянии в 10⁴ периодов решетки. Но имен­но такие электроны наиболее сильно притягиваются друг к другу. Расстояние между парами порядка 10 ^-6 см. На таком расстоянии куперовские пары электронов не изоли­рованы друг от друга, а связаны, упорядочены и образуют единый коллектив электронов.

Следовательно, протекание тока в сверхпроводниках обеспечивается в основном связанными в пары электро­нами.

Наличие в сверхпроводнике связанных и несвязанных электронов приводит к тому, что в энергетическом спектре электронов сверхпроводника образуется энергетическая щель 2Δ, разделяющая по энергиям связанные в пары элек­троны от несвязанных, нормальных электронов (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Распределение электронов по энергиям в сверхпроводнике: 1 — область энергий электронов, свя­занных в пары; 2 — область энергий нормальных несвязанных электро­нов; E_F — уровень Ферми

Энергетическая щель 2Δ представляет собой область зап­рещенных значений для электронов в сверхпроводнике, аналогичную запрещенной зоне в полупроводниках и ди­электриках. Ширина энергетической щели 2Δ при Т = О К, согласно теории БКШ, связана с критической температу­рой Т соотношением

где k — постоянная Больцмана.

Для большинства сверхпроводников ширина щели со­ставляет (10 ^-4...10 ^-3) эВ.

При температурах, меньших Т_к, энергия тепловых коле­баний ионов решетки значительно меньше ширины щели 2Δ. Поэтому связанные в пары электроны не могут изме­нить свое энергетическое состояние, т.е. разорваться и пе­рейти на энергетические уровни нормальных электронов. Следовательно, при движении спаренных электронов не происходит их рассеяния на узлах решетки. Это означает, что возникший в сверхпроводнике по каким-либо причи­нам ток спаренных электронов может протекать беспре­пятственно достаточно долго без затухания. Расчетное вре­мя затухания тока для некоторых сверхпроводников со­ставляет величину порядка 10⁵ лет.

С повышением температуры в области 0<Т<Т_к увели­чиваются тепловые колебания ионов решетки. Энергии ко­лебаний становится достаточно для разрыва связи спа­ренных электронов, в результате чего уменьшается шири­на энергетической щели. При Т = Т_к происходит полный разрыв всех спаренных электронов. В результате энерге­тическая щель в спектре электронов исчезает и прекраща­ется сверхпроводящее состояние вещества. Сверхпроводя­щее состояние характеризуется не только отсутствием электрического сопротивления. В сверхпроводниках наблю­даются резкие отличия от обычного состояния магнитных, тепловых и ряда других свойств. Поэтому правильнее го­ворить не только о сверхпроводимости, но и об особом состоянии вещества при низких температурах.

Перевод вещества из сверхпроводящего в нормальное состояние и наоборот может осуществляться не только тем­пературой, но и внешним магнитным полем. Это означа­ет, что сверхпроводимость — явление управляемое. Если сверхпроводник поместить во внешнее магнитное поле и постепенно увеличивать его напряженность, то при неко­тором критическом значении напряженности Н сверх­проводящее состояние разрушается и образец переходит в нормальное состояние. Величина Н_к зависит от темпера­туры (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Зависимость критиче­ской напряженности внешнего поля от температуры:

1 — сверхпроводящее состояние;

2 — нормальное состояние

При Т = 0 значение Н_к максимально. Чем ближе тем­пература к Т_к, тем меньше значение Н_к и тем легче сверх­проводник переводится в нормальное состояние. При 0<Т<Т'_к существует определенное значение Н_к, изменяя которое в небольших пределах, можно переводить образец из нор­мального в сверхпроводящее состояние и наоборот, т.е. управлять состоянием образца.

Ток, протекающий в сверхпроводнике, является незату­хающим. Это позволяет использовать его в качестве иде­ального запоминающего устройства, сохраняющего боль­шой объем легко считываемой информации. Эксперимен­ты показали, что в образце, помещенном во внешнее маг­нитное поле, при переходе в сверхпроводящее состояние магнитное поле вытесняется из объема сверхпроводника (эффект Майснера). Это означает, что в сверхпроводящем состоянии образец становится идеальным диамагнетиком. Силовые линии внешнего магнитного поля огибают сверх­проводник. При этом, как и все диамагнетики, сверхпро­водник выталкивается из внешнего магнитного поля. Эф­фект механического выталкивания образца внешним маг­нитным полем может использоваться при создании поез­дов на магнитной подушке, в электрических машинах, где отсутствует трение и КПД оказывается равным 100 %, а также в ряде других устройств.

Перспективных направлений использования явления сверхпроводимости в технике достаточно много. К таким направлениям можно отнести создание сверхмощных маг­нитов с напряженностью однородного поля порядка 10⁷А/м, применяемых при проведении научных исследований; ли-ний передачи без потерь электрической энергии на боль­шие расстояния; сверхпроводящих трансформаторов на мощности, достигающие 10⁶ кВт; высокочувствительных измерительных приборов типа магнитометров, болометров и т.д. Однако основной, но не единственной проблемой создания различных технических устройств и приборов является необходимость получения материалов с высоким значением критической температуры Т_к. Это лишний раз подтверждает значение материаловедения для развития современной науки и техники.