Materiale pentru conductori

Proprietăți și funcții ale materialelor conductoare (PM). Conductivitatea electrică a PM. Conductori de 1,2 și 3 tipuri. Diagrama structurala a conductorilor. Factorii care determină conductivitatea electrică a PM. Supraconductivitatea PM. Forța termoelectromotoare. Contacte. Materialele de înaltă conductivitate sunt foarte rezistive. PM microelectronică. Aliaje de lipit.







Conductorii sunt materiale care servesc ca conductori ai curentului electric. Rezistența lor electrică specifică este mică și este de la 10 -8 la 10 -4 Ohm-m. Conductorii pot fi substanțe solide: metalele cristaline și aliajele, carbonul sunt conductori de tipul 1; electroliții lichizi sunt conductori de tipul II; gaz - gaz de descărcare - conductoare de tipul 3.

Conductorii de tipul 1 (figura 3.1) practic nu au o bandă interzisă, deoarece benzile de valență și conducție se suprapun.

Metalele au un tip metalic de legătură chimică, în care electronii de valență ai atomilor sunt socializați și formează așa-numitul gaz electronic "liber". Atomii situate la siturile (interstiții) rețeaua cristalină, sunt încărcate pozitiv ioni au dat electronii „în uz general.“ În acest sistem, există un număr mare de purtători de sarcină liberi - electroni.

Materiale pentru conductori

Fig. 3.1. Diagrama structurala a conductorilor.

În conductorii metalici există un număr mare de purtători de sarcină liberi - electroni, astfel încât conductivitatea lor electrică este ridicată. Conductivitate Formula de Conformitate

unde N este concentrația purtătorilor de sarcină liberă, m-3;

u - mobilitatea purtătorilor de sarcină, m 2 / V ∙ s;

q este sarcina purtătorului, Cl.

Cea mai mare conductivitate posedă Ag, Cu, Au și Al, în care un număr mare de electroni (10 28) într-un metru cub, iar numărul lor este practic independent de impurități sau de temperatură, dar mobilitatea impurităților are o mare influență, făcând prezența lor în continuare cu obstacole îndreptate mișcarea electronilor într-un câmp electric. O creștere a temperaturii reduce conductivitatea electrică, deoarece mobilitatea electronilor scade ca urmare a vibrațiilor termice ale rețelei cristaline și creșterea în mișcare aleatorie a electronilor.

Coeficientul de temperatură TKR (TKp) al conductorilor (metale pure) este pozitiv și se ridică la (3 ∙ 10 -3, 4 ∙ 10 -3) 1 / deg.

Cu temperaturi în creștere, rezistivitatea crește de obicei. La calculele de inginerie utilizați formula:

unde ρt este rezistivitatea la temperatura t;

ρ0 este rezistivitatea la temperatura camerei (de obicei t = 20 ° C);

ar este coeficientul mediu de temperatură al rezistivității.

Tratamentul mecanic al metalelor cauzează distorsiunea laturii cristaline și duce la o creștere a rezistivității.

Metale pure sunt mai sensibile la temperatură, prin urmare, utilizat ca termistoare și soluțiile lor solide de Cu-Ni, Cu-Ni-Mn, Ni-Cr, și altele - ca rezistentele exemplare ultrastable.

Toate metalele PM sunt împărțite în metale de înaltă conductivitate ρ <0,05 мкОм∙м, сплавы высокого сопротивления ρ> 0,5 μΩ ∙ m și materiale superconductoare cu o valoare extrem de mică ρ care sunt sub o anumită temperatură (pentru fiecare material, temperatura lor proprie) devin supraconductoare; rezistența lor la un curent direct devine practic egală cu zero. Dacă metalul intră brusc în această stare - acesta este un superconductor de primul tip, dacă este ușor - un superconductor de al doilea tip (de obicei, un aliaj).

Temperatura trecerii la starea superconductoare se numește critică (Tcr), deasupra acestei temperaturi supraconductorul trece în starea obișnuită de conducere.

Foarte scurt, superconductivitatea poate fi explicată prin faptul că într-un metal, în anumite condiții, se formează perechi de electroni (perechi Cooper) cu impulsuri și spinări opuse. O astfel de pereche interacționează cu o latură de cristal - un electron, dându-i impulsul, transformându-l într-o stare excitată; cel de-al doilea electron al acestei perechi ia impulsul transferat la rețea și astfel îl transferă în starea normală (inițială). Drept rezultat, starea rețelei nu se schimbă și apare o forță de atracție reciprocă între electronii schimbați de fotoni. Există o mulțime de astfel de perechi electronice în metal, dar toate se mișcă concertat, undele lor electronice au aceleași lungimi și faze.







Lipsa de rezistență în supraconductor datorită faptului că deplasarea perechilor de electroni din metal poate fi descrisă ca răspândirea unui (total) a unui val de electroni, care nu este împrăștiată rețea cristalină deoarece zăbrele în sine implicate în formarea acestui val, adică, vibrațiile naturale ale rețelei sunt compatibile cu valul de electroni, au aceleași lungimi de undă și faze.

Curentul excitat de o sursă externă (care este oprit apoi) în circuitul supraconductor poate persista o perioadă foarte lungă de timp dacă este menținută în anumite condiții.

În plus față de rezistența zero, supraconductorii au proprietățile diamagneților ideali, liniile magnetice de forță nu le penetrează, sunt împinse.

Distrugerea perechilor de electroni și trecerea la o stare normală (non-superconductoare) necesită o cheltuială a unei anumite energii, de exemplu: o temperatură care depășește Tcp-ul critic; un câmp magnetic care depășește Hcr (pentru fiecare metal, Hcr este propriu); curent electric, a cărui magnitudine provoacă un câmp magnetic critic - Hcr pe suprafața supraconductorului.

Dacă energia acestor influențe este mai mare decât forțele de legare dintre perechile de electroni, ele sunt distruse, iar metalul își pierde starea superconductoare, devenind un conductor obișnuit.

Trebuie notat faptul că nu toate metalele pure și aliajele devin superconductoare. De exemplu, astfel de conductoare bune, în condiții normale cum ar fi cuprul și argintul, nu devin superconductoare chiar și la temperaturi apropiate de zero.

Tabelul 3.1 enumeră câteva materiale conductori capabili să devină superconductori la temperaturi scăzute, câmpurile lor critice termice și critice magnetice.

Utilizarea supraconductoarelor în magneți de mare putere, transformatoare, generatoare și linii de transmisie reduce pierderile conductorului la zero și face posibilă creșterea semnificativă a densității curentului și a intensității câmpului magnetic.

Acum se desfășoară activități pentru a crea superconductori de temperatură ridicată. Se presupune că vor fi materiale ceramice.

Materiale pentru conductori

unde UA și UB sunt potențialele metalelor care intră în contact;

K este constanta Boltzmann, K = 1,38 ∙ 10 -23 W / deg;

q este sarcina de electron, 1.6 ∙ 10 -19 ∙ s;

T este temperatura absolută, K.

Dacă temperatura joncțiunii (Tr) este mai mare decât temperatura (Tx) a capetelor conductorilor, dintre care să includă dispozitivul de măsurare, atunci o forță termoelectromotoare apare în circuitul închis, care poate fi determinată de

Un exemplu de perechi de conductori pentru fabricarea termocupluri sunt: ​​cupru-constantan, Chromel-Copel, care sunt utilizate pentru măsurarea temperaturii de la 500 la 300 ° C, Chromel-alumel - 1000-900 ° C și altele.

Un procent mare din producția de echipamente electrice este deteriorat de procesele care apar la contacte. Prin urmare, atunci când alegeți materiale pentru perechi de contacte, trebuie să luați în considerare: condițiile de funcționare a acestora, mediul; interacțiunea materialelor între ele (termo-emf, difuzie reciprocă), duritate, oxidabilitate etc.

Cele mai importante contacte utilizate în electronica radio sunt discontinue și glisante. În același timp, materialele trebuie să asigure fiabilitatea ridicată a acestora: evitarea posibilității de ardere a suprafețelor de contact, sudarea unul față de celălalt, oxidarea puternică etc.

Ca materiale de contact la contactele rupte, se folosesc metale refractare pure, diferite aliaje și compoziții metaloceramice, de exemplu:

Cu-W; Ag-CdO; Ag-Co, Ni, Cr, W, Mo, To; Cu-C; Cu-W, Mo; Au-W, Mo, etc.

Aluminiu este al doilea material conductor după cupru. Conform GOST 11069-74, aluminiu este deosebit de pură A999, puritate ridicată A995-A95 și puritate tehnică A85-AO. Microelectronica utilizează A999.

Straturile de argint Ср999,9 și Ср999 sunt utilizate în contacte ușor încărcate, în aliaje de lipit și echipamente cu microunde. Clasele de aur Zl999.9 și Zl999 ca micro sârmă și folie sunt utilizate în microcircuite integrate.

Materialele cu rezistență ridicată sunt utilizate în ES pentru fabricarea de rezistențe, reostaturi, elemente de încălzire în termocupluri (constantan). Cel mai frecvent utilizat mangan (Cu-Mn-Ni), constantan (Cu-Ni) și aliaje de crom-nichel. Nichromul (X20H80) este folosit pe scară largă în microelectronică.

Conductorii includ aliaje de lipit care sunt destinate conectării electrice și mecanice a conductorilor. Mașinile de lipire sunt împărțite în două grupe: moi, cu un punct de topire de până la 300 ° C și solid, cu un punct de topire mai mare de 300 ° C. Rezistența la tracțiune la moale 16 - 100 MPa și la duritatea de 100 - 500 MPa. Lipire include diverse componente: staniu - O - C plumb Silver - Cp, paladiu - Pd, cupru - M, germaniu - T, bismut - V, Ti - T, antimoniu - Su, aluminiu - A nichel - H indiu - In, aur - Zl, siliciu - Kr, cadmiu - K.

Pentru subțire IP rezistori film (grosimea filmului rezistiv de 0,01 - 0,1 microni) sunt utilizate de metale refractare, aliaje, compozite (materiale metalo-ceramice siliciurilor) și dioxid de staniu SnO2. Acestea sunt crom, tantal, reniu, nicrom, filme rezistente la siliciu (Si-Cr-Ni-Fe) de calitate PC; aliaje de metal-silicat de MLT (Si-SiO2-Fe-Cr-Ni-Al-W).

Pentru rezistențele de film gros (cu grosimea de 10-20 microni) se utilizează paste de argint și paste de ruteniu. Acestea sunt paste scumpe, astfel că s-au dezvoltat paste rezistive mai ieftine pe bază de oxizi de semiconductori (SnO2 + SbO2, Te2O2).

Întrebări pentru auto-examinare:

1. Definiția PM. Clasificare.

2. Factori care afectează conductivitatea electrică a PM.

3. Care parametru (în formula de conductivitate) este afectat de creșterea temperaturii, introducerea impurităților în metal și distorsiunea mecanică a rețelei de cristal?

4. Definirea SSS.

5. Determinarea supraconductivității. Materiale superconductoare de bază și caracteristicile lor.

7. Fenomene pe contacte.

8. Principalele caracteristici ale Cu și Al ca PM.

9. Constantan. Nicrom. Manganin. Proprietăți și caracteristici.

10. Clasificarea și caracteristicile aliajelor de lipit.

11. Caracteristicile materialelor pentru rezistoarele IS.







Articole similare

Trimiteți-le prietenilor: