1. Классические.
Преимущественно это чистые металлы и сплавы. Основные металлы: Cu, Ag. В перспективе Na вытеснит Cu. На величину удельного сопротивления в основном влияют: температура, чистота, дефекты кристаллической решётки. Все эти факторы уменьшают длину свободного пробега
.
Для чистых металлов: (концентрация) ≈ const (несколько уменьшается за счет линейных расширений при росте температуры), поэтому
.
2. Для сплавов , т. к. у некоторых сплавов может частично увеличиться концентрация носителей
, и подвижность
увеличивается при росте температуры.
Таблица 1. Некоторые свойства чистых металлов.
Проводник | Удельное сопротивение | Температурный коэффициент сопротивления | Работа выхода | Температура плавления | Плотность |
ρ | ∝ρ | А вых. | Т плавл. | γ | |
мкОм∗м | 1/°К | эВ | ℃ | кг/м∗∗3 | |
Ag | 0.0155…0.016 | 0.004 | 4.5 | ||
Cu | 0.0168…0.0175 | 0.0043 | 4.5 | ||
Al | 0.028 | 0.0025 | 4.1 | 660…670 | |
Au | 0.024 | 0.0038 | 5.1 | ||
Na | 0.047 | 2.36 | 97.7 | ||
Mo | 0.05 | 0.0043 | 4.4 | ||
W | 0.055 | 0.005 | 4.54 | ||
Co | 0.062 | 0.006 | |||
Ni | 0.07 | 0.0067 | 4.5 | ||
Fe | 0.098 | 0.00625 | 4.31 | ||
Pt | 0.105 | 0.0039 | 5.32 | ||
Cr | 0.13 | 0.0024 | 4.5 | ||
Nb | 0.152 | 0.004 | 3.99 |
Материалы с малым (высокой проводимости)
:
0.016 мкОм*м
0.0168...0.0175 мкОм*м
0.024 мкОм*м
0.028 мкОм*м
Все они получаются обычными методами химической очистки.
Серебро Ag – основные свойства в Табл.1, высокая химическая стойкость, теплопроводность, простота обработки и пайки.
Недостатки: материал дорогой, способен выращивать «усы» т.е. очень тонкие нити, если между двумя серебряными проводниками существует значительная разность потенциалов (в результате из-за нитей велика вероятность короткого замыкания).
Медь Cu- (Табл.1),высокая проводимость, механическая прочность, пластичность, легкая обработка, химическая стойкость, легкость пайки. Достаточно распространена: 4,7 % в массе Земли. 2
% в поверхностном слое. Кроме указанных в Табл.1 важные хар-ки: коэффициент термо ЭДС в паре с платиной
;
200
,
500
.
Температурный коэффициент линейного расширения:
16,4
;
Для высокой проводимости допускается содержание примесей не более 1,1% (кроме Ag, который не увеличивает сопротивление). Вреднейшие примеси: висмут (0,001%), свинец (0,01%) - вызывает растрескивание при 850-1150 , сера (0,003%) – приводит к хладноломкости, кислород (до 0,08%) – вызывает красноломкость - разрушение при термической обработке, затруднены пайка, лужение.
Марки электропроводной меди: М1; М0 (соответственно 0,1% примесей и 0,05%).
Алюминий Al –содержание в Земной коре 7,5 %,
(350÷
; примесей до 0,5%.
У Al очень высока способность к окислению, толщина защитной пленки 30 мкм хорошо защищает в агрессивных средах, она− диэлектрик, но затрудняет пайку. Соединение возможно при термокомпрессионной сварке. При сварке с Au при несоблюдении температурного режима вместо соединения образуется («пурпурная чума») диэлектрик.
Золото Au− высокая проводимость, теплопроводность, химическая стойкость в агрессивных средах.
*Высокой проводимостью обладают также Fe, W, Mo, Ni, Co.
Вольфрам
3400
. Относиться к группе тугоплавких материалов, где
Применяется для выводов из баллонов электровакуумных приборов (температурный коэффициент линейного расширения равен
вольфрамового и молибденового стекла)
; W используется как проводник для БИС и СБИС с высокой плотностью тока (до
)
Молибден 2620
.
Ниобий 0.15 мкОм*м;
0,004
3,99
; (подогреваемые катоды),
2500
Для создания магнитных материалов применяются Fe, Ni, Co, которые как проводники не используются:
Cr,Ni и Co используются как защитные проводящие покрытия.
2.Высокопроводящие сплавы.
Латуни – двойные или многокомпонентные сплавы на основе Cu, в которых главной легирующей добавкой является Zn. Двойные (Cu+ Zn)− простые латуни. Многокомпонентное− специальные латуни. Латунь дешевле меди, прочнее и тверже её, хорошо обрабатывается в холодном и горячем состоянии. Практическое применение имеют сплавы с содержанием Zn до 45%.
Простые латуни содержанием Zn до 12% - томпаки: Л96, Л90.
Свыше 10% до 20%- полутомпаки: Л85, Л80 (Цифры в марке латуни указывают содержание Cu в процентах, остальное Zn.).
Удельное сопротивление латуни 0.03...0,06 мкОм*м. Для улучшения механических свойств добавляют металлы, такие как: Al, Be, Fe, Si, Mg, Ni, Sn, Pb, Cd, Ti и другие. Простые латуни легко перерабатываются в листы, ленты, проволоку и т.д., выдерживают резкие изгибы, хорошо свариваются, паяются.
Наиболее широко используются для изготовления токопроводящих деталей, электрооборудования, стержней в электродвигателях асинхронных с короткозамкнутым ротором, пружинящих контактов и других элементов, где требуются твердость, стойкость к воздействию электрических разрядов.
Бронзы − сплав меди с различными химическими элементами (Sn, Be, Cd, Si, P и др) кроме Zn и Ni (исключение существует, о нем - в конце) отличается от латуней высокой механической прочностью, твёрдостью, упругостью как при нормальной температуре, так и при повышенной, а также стойкостью к истиранию.
Наибольший интерес − бронзы высокой проводимости и прочности: кадмиевая, хромовая, бериллиевая.
Проводящие бронзы используют для изготовления контактных проводов для электротранспорта, коллекторных пластин электромашин, контактных ножей, токоведущих пружин, упругих контактных элементов.
Бр Кд1=0,0205 мкОм*м
Исключение: бронзы оловянно-цинковые с повышенным электрическим сопротивлением (Zn до 5%): =0,0905 мкОм*м
Алюминиевые сплавы.
Алюминиевые сплавы сочетают легкость с повышенной по сравнению с алюминием прочностью. Добавляют: Si, Mg. Они мало влияют на проводимость, но за счет образования упрочняют сплав.
Al- Mg- Si – сплав альдрей (Mg 0,35÷0,5%; Si 0,45÷0,65%; Fe 0,25÷0,35%) из него изготавливают провода и сопутствующие элементы. По мех. прочности он приближается к меди, сохраняя легкость алюминия.
= 0,03÷0,034 мкОм·м
Алюминиевый деформируемый сплав: АДЗ1: 0,4÷ 0,9% Mg; 0,3÷0,7% Si – используют для изготовления токоведущих шин.
Конструкционный сплав – дюралюминий (Cu – 2,2%, Mg - 0,2÷2,7%; Mn - 0,2÷1,06%) используется в авиации и космонавтике.
Силумин – Al+Si (4÷23%) – легкие литейные сплавы с повышенной коррозионной стойкостью.
Криопроводники.
Криотемпературы создаются при помощи хладагентов:
жидкий гелий -
– 4,2
жидкий водород - – 20,3
жидкий азот - – 77,4
Для оценки изменения сопротивления применяется характеристика -
относительное сопротивление: =
≈ нескольким тысячам
Криопроводимость – достижение металлами весьма малого электрического сопротивления при криогенных температурах.
Это частный случай нормальной электропроводимости при очень низких (криогенных) температурах.
Во всех случаях для получения высококачественных криопроводников требуется исключительно высокая чистота и отсутствие наклепа. *8
Сравнительные характеристики качества криопроводников.
Для ,
, у особо чистой-1430 (< 0,01%),
: - приведенные потери минимальны при (60÷80)
,
т.е. суммарные затраты на сам металл, на хладагент и т.д.
Т.о. бериллий - самый экономичный материал из криопроводников!
r в 100 раз меньше, чем у Cu, Al (чистейших) см. рис.
;
; на 30% легче Al, но прочнее.
Недостатки: хрупок, дорог, токсичен, увеличение r в магнитном поле.
Сверхпроводники.
Если некоторые вещества охладить до , близких к абсолютному нулю, они скачком изменяют свое сопротивление до 0. Это явление называется сверхпроводимостью. Температура, при которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние, называется температурой сверхпроводящего состояния, а вещества – сверхпроводниками.
Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым.
Явление открыто в 1911г. голландским физиком Камерлинг- Оннесом. В 1913 г. награжден Нобелевской премией.
Количество известных сверхпроводников постоянно растет. 1911 г.- Ртуть-1; в 1935 г. - их 80; в 1950 г. -уже100; в настоящее время- более 1000, причем 35 металлов, остальные сплавы и химические соединения.
Существуют высокотемпературные, сверхпроводящие материалы. В настоящее время рекордным значением критической температуры
135°K обладает вещество
, открытое в 1993 году в МГУ (Путилин С.Н. и Антипов Е.В.)
Диаграмма сверхпроводимости.
Существует сильная зависимость от индукции магнитного поля как внешнего, так и внутреннего (при протекания тока)
В 1933 году открыт эффект Мейснера-Оксенфельда, экспериментально проверенный Аркадьевым в 1935 году. При переходе в сверхпроводящее состояние сверхпроводники становятся идеальными диамагнетиками ( скачком падает от ≈ 1 до 0
При охлаждении сверхпроводника, находящегося во внешнем постоянном магнитном поле, в момент перехода в сверхпроводящее состояние магнитное поле полностью вытесняется из его объёма. Этим сверхпроводник отличается от идеального проводника, у которого при падении сопротивления до нуля индукция магнитного поля в объёме должна сохраняться без изменения. Отталкиваясь от неподвижного сверхпроводника, магнит «всплывает» сам и продолжает «парить» до тех пор, пока внешние условия не выведут сверхпроводник из сверхпроводящей фазы. В результате этого эффекта магнит, приближающийся к сверхпроводнику, «видит» магнит одинаковой полярности и точно такого же размера,— что и вызывает левитацию.
У сверхпроводников r измерить невозможно. Установлено значение Сверхпроводимость может появляться при высоких давлениях (десятки ГПа).