Глава 17. МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

Материалы по электрическим свойствам подразделяют на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Различают эти материалы по величине удельного электрического сопротивления, по характеру зависимости его от температуры и по типу проводимости.

Проводники - удельное электрическое сопротивление в пределах с ростом температуры увеличивается. Используют для проводников постоянного и переменного тока, резисторов, нагревательных элементов, контактов и т. п.

Полупроводники - удельное электрическое сопротивление в пределах с ростом температуры уменьшается. Применяют для выпрямления, усиления электрических сигналов, превращения различных видов энергии в электрическую и т. д.

Диэлектрики - удельное электрическое сопротивление в пределах используют как изоляторы.

17.1. Материалы высокой электрической проводимости

Электрические свойства проводниковых материалов.

Электрическая проводимость твердых тел, в первую очередь, определяется электронным строением атомов.

В твердых телах в результате взаимодействия электромагнитных полей атомов энергетические электронные подуровни расщепляются, образуя энергетические зоны (рис. 17.1).

При переходе к более высоким энергиям ширина зоны разрешенных подуровней растет и зоны перекрываются, а зоны запрещенных энергий при сближении атомов на расстояние а вообще исчезают.

Плотность заполнения электронами энергетических зон и их перекрытие определяют электрическую проводимость твердых тел (рис. 17.2).

В кристаллах непереходных металлов (Си, валентная зона заполнена не полностью, поэтому даже небольшое внешнее электрическое поле вызывает перемещение электронов в зоне на более высокие энергетические подуровни. Энергия, необходимая для такого перемещения, ничтожно мала, так как незанятые подуровни непосредственно примыкают к заполненным. Для натрия эта энергия составляет Дж.

Несколько меньшей электрической проводимостью обладают переходные металлы: Они имеют незаполненные подуровни зоны, которая перекрывается с заполненной валентной зоной При наложении электрического ноля становится возможным перемещение электрона не только в пределах зоны но и переход из зоны в нижерасположенную зону Это уменьшает число электронов, создающих электрический ток и, тем самым, - электрическую проводимость.

В отличие от металлов в кристаллах неметаллов (ковалентных и молекулярных) валентные зоны полностью укомплектованы и отделены от зоны проводимости, в которой есть свободные подуровни, широкой зоной

Рис. 17.1. Образование энергетических зон при сближении атомов натрия

Рис. 17.2. Функция распределения электронов по энергиям а — в проводнике; б - в полупроводнике и диэлектрике; 1 — заполненные подуровни; 2 — свободные подуровни

запрещенных энергий (рис. 17.2, б). При нагреве происходит термическое возбуждение электронов. В некоторых кристаллах часть валентных электронов, преодолев зону запрещенных энергий, попадает в свободную зону, и появляется проводимость; их называют полупроводниками.

Ширина запрещенной зоны определяет электрическую проводимость полупроводников. Для химически чистого германия ширина запрещенной зоны равна Дж. В алмазе она столь велика, что по электрической проводимости он близок к диэлектрикам. Серое олово по электрической проводимости близко к металлам, так как запрещенная зона мала. Дефекты и примеси уменьшают ширину запрещенной зоны и изменяют число электронов проводимости.

Электроны в проводниках при наложении электрического поля испытывают тормозящее влияние кристаллической решетки. В идеальном кристалле при температуре абсолютного нуля электроны, обеспечивающие проводимость, должны двигаться беспрепятственно. Такая решетка не должна оказывать сопротивление продвижению электронов проводимости, так как энергетические зоны электронов точно повторяются от атома к атому (рис. 17.3, а).

Сопротивление возникает при нарушении регулярного повторения зон вследствие рассеяния электронов. Такие нарушения создают атомы примесей (или легирующие элементы) (рис. 17.3, б), а также тепловые колебания атомов, при которых неизбежны отклонения их амплитуды от среднего значения (флуктуации энергии). В ферромагнитных металлах Fe, Ni, Со электроны проводимости испытывают также рассеяние, вызванное магнитным взаимодействием с ионным остовом решетки.

Таким образом, общее электрическое сопротивление металла складывается из сопротивлений, обусловленных тепловым и примесным рассеянием (рис. 17.4). Электрическое сопротивление, определяемое тепловым рассеянием, исключая низкие температуры, растет с повышением температуры линейно. Влияние легирующих элементов оценивается электрическим сопротивлением

Деформация и остаточные напряжения, возникающие при технологической обработке, создают искажения в кристаллической структуре (вакансии, дислокации, блоки, границы), которые также повышают сопротивление вследствие дополнительного рассеяния. Однако доля этого сопротивления (которое показано для сплава ) невелика по сравнению с

Рис. 17.3. Движение электрона в решетке кристалла: а — идеальной; б — реальной с примесью чужого атома

Рис. 17.4. Изменение электрического сопротивления меди и сплавов при нагреве

Температура нагрева оказывает влияние лишь на электрическое сопротивление, которое определяется тепловым рассеянием рт. Электрическое сопротивление, обусловленное примесным рассеянием при всех температурах остается постоянным. Таким образом, для металлов, в которых есть примесь, а также для сплавов общее сопротивление складывается из которое не изменяется при нагреве, и которое линейно растет при повышении температуры.

Для технических металлов и их сплавов влияние температуры нагрева на электрическое сопротивление с некоторым приближением можно выразить следующей формулой:

где -удельное электрическое сопротивление при температуре Т (включает тепловое и примесное рассеяния); -удельное электрическое сопротивление при (включает только примесное рассеяние).

Из этой формулы можно определить значение температурного коэффициента электрического сопротивления

Для чистых металлов удельное электрическое сопротивление невелико, и для всех металлов, за исключением ферромагнитных, имеет практически одинаковое значение, равное . У ферромагнетиков, например у железа, этот коэффициент несколько больше

Для сплавов величина определяет рост сопротивления вследствие теплового рассеяния, создаваемого атомами растворителя и зависящего только от вида растворителя. Для любого сплава данной системы эта величина одна и та же, поэтому на рис. 17.4 все температурные зависимости сплавов на основе меди параллельны. Влияние легирующих элементов на электрическое сопротивление находит свое отражение только в значении

Малые значения температурного коэффициента электрического сопротивления будут иметь не химически чистые металлы, у которых мало, а сплавы, образующие твердые растворы. Для тех сплавов, у которых удельное электрическое сопротивление имеет максимальное значение, температурный коэффициент электрического сопротивления будет минимальным.

Влияние легирующих элементов на проводимость сплавов различно и определяется видом образующихся фаз.

При образовании твердых растворов удельное электрическое сопротивление сплавов при 20 °С, как это показано на рис. 17.5 в функции состава, согласно правилу Н. С. Курнакова изменяется по нелинейной зависимости. Сплав приобретает максимальное значение электрического сопротивления в большинстве случаев при концентрации элементов, равной 50 ат. %. Видимо, в таком сплаве примесное рассеяние вследствие

Рис. 17.5. Диаграмма состояния и свойства сплавов Си-Ni

Рис. 17.6. Диаграмма состояния и свойства сплавов Ag - Cu

искажений кристаллической решетки и нарушения периодичности энергетических зон достигает максимального значения. В тех сплавах, в которых хотя бы один из элементов является переходным металлом, температурный коэффициент электрического сопротивления может принимать отрицательные значения, т. е. электрическое сопротивление при нагреве несколько уменьшается. В тех случаях, когда необходим материал с повышенным электрическим сопротивлением, следует использовать сплавы со структурой твердых растворов.

При образовании в сплаве промежуточных фаз электрическое сопротивление резко изменяется. В промежуточных фазах с ионным или ковалентным типом связи проводимость возникает из-за дефектности структуры вследствие недостатка или избытка атомов одного сорта. Те и другие фазы являются полупроводниками, при этом проводимость в ковалентных кристаллах создают электроны, а в ионных кристаллах также и ионы.

Промежуточные фазы с металлическим типом связи (электронные фазы, фазы Лавеса, -фазы, фазы внедрения) достаточно электропроводны, а при упорядочении в расположении атомов при определенном стехиометрическом составе возможно возникновение сверхпроводимости.

При образовании смесей из перечисленных фаз электрическое сопротивление сплава по правилу Н. С. Курнакова растет по закону сложения. На рис. 17.6 это показано на примере сплавов, образующих твердые растворы ограниченной растворимости и эвтектические смеси. Подобные сплавы сохраняют высокую электрическую проводимость чистых металлов, но по сравнению с химически чистыми металлами имеют некоторые дополнительные преимущества: более низкую температуру плавления, лучшую жидкотекучесть (для сплавов эвтектического состава), более высокую твердость и износостойкость, если один из сплавляемых металлов обладает таковыми, и т. д.

Таким образом, влияние легирующих элементов на электрическую проводимость разнообразно, и это позволяет получать материалы, удовлетворяющие самым различным требованиям электротехнической промышленности.

Влияние деформации и остаточных напряжений на электрическую проводимость чистых металлов незначительно. В связи с этим, не ухудшая электрических свойств, можно использовать пластическую деформацию и возникающий при этом наклеп для повышения прочности проводниковых материалов.

В сплавах влияние деформаций и остаточных напряжений на электрическую проводимость значительно сильнее. Наклеп, вызывая значительное упрочнение, очень сильно (до 25%) снижает электрическую проводимость сплава. Таким образом, упрочнение проводниковых сплавов наклепом можно достичь только ценой потери электрической проводимости.