Электропроводность это способность металлов и сплавов

Электропроводность это способность металлов и сплавов

Идеальная решётка металла имеет строго периодический потенциал (рис. 2.2, а).

Если часть атомов меди беспорядочно замещена атомами другого элемента, то поле вблизи примесных атомов не такое, как вблизи собственных. Потенциал решётки становится непериодическим (рис. 2.2, б). Он нарушается беспорядочно распределёнными примесями, что приводит к рассеянию носителей и дополнительному электрическому сопротивлению.

а – строго периодический потенциал идеальной решётки металла;

б – нарушение периодичности потенциала решётки неравномерно распределёнными атомами примеси; в – периодичное распределение потенциала при равномерном распределении примеси

В сплавах примеси вызывают более сильное нарушение периодичности потенциала решётки, чем тепловые колебания. Поэтому сопротивление сплава ρспл значительно больше сопротивления ρ чистых металлов и определяется в основном рассеянием носителей на примесях.

Как показал Нордгейм, подвижность для бинарных сплавов, обусловленная рассеянием их на нарушениях периодичности потенциала решётки, определяется следующим приближённым соотношением

где p и 1  p – относительные доли металлов, образующих сплав.

Подставим в выражение соотношение для подвижности сплава, учитывая, что получим выражение удельного сопротивления для бинарного (двойного) сплава:

где – коэффициент пропорциональности.

Функция имеет максимум при р=0,5,т.е. при равном содержании в сплаве обоих компонентов. Если сплавляемые металлы при определённом соотношении компонентов образуют соединение с упорядоченной внутренней структурой, то периодичность решётки восстанавливается (рис. 2.2, в) и сопротивление, обусловленное рассеянием на примесях, практически полностью исчезает.

Этот факт является подтверждением квантовой теории электропроводности, согласно которой причиной электрического сопротивления твёрдых материалов является не столкновение свободных электронов с атомами решётки, а рассеяние их на дефектах решётки, вызывающих нарушение периодичности потенциала.

Идеально правильная, бездефектная решётка, имеющая строго периодический потенциал, не способна рассеивать свободные носители заряда и поэтому должна обладать нулевым сопротивлением. Это не явление сверхпроводимости, а естественное поведение всех абсолютно чистых металлов при предельно низких температурах, вытекающее из квантовой природы их электрического сопротивления.

Сопротивление, определяемое рассеянием на примеси, не зависит от температуры и сохраняется при абсолютном нуле.

Поэтому его называют остаточным сопротивлением ост.

При температуре, отличной от абсолютного нуля, к остаточному сопротивлению ост прибавляется сопротивление т, обусловленное рассеянием на тепловых колебаниях решётки, и общее сопротивление проводника

Так как для сплавов ост обычно много больше т, то вплоть до высоких температур их удельное сопротивление меняется с температурой значительно слабее, чем у чистых металлов, и температурный коэффициент сопротивления сплавов, как правило, значительно ниже температурного коэффициента сопротивления чистых металлов.

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Все свойства металлов и сплавов принято подразделять на группы: физические, химические, технологические, механические и эксплуатационные.

Физические свойства определяют поведение металлических материалов в тепловых, электромагнитных, радиационных полях. К физическим свойствам относятся плотность, температура плавления, теплоемкость, теплопроводность, электропроводность, магнитные характеристики, термическое расширение.

Читайте также:  Мкэшвнг а frls 2х2х0 75

Химические свойства характеризуют способность материалов вступать в химическое взаимодействие с другими веществами и химическими элементами, а также способность металлов и сплавов сопротивляться воздействию агрессивных сред, в том числе окислению.

Технологические свойства характеризуют способность материалов подвергаться холодной и горячей обработке, в том числе при обработке резанием, ковке, сварке, литье. К технологическим свойствам относятся обрабатываемость резанием, свариваемость, ковкость, литейные свойства (жидкотекучесть – способность жидкого металла заполнять литейную форму; усадка – уменьшение объема металла при переходе из жидкого состояния в твердое; ликвация – химическая неоднородность в отливках; склонность к образованию трещин – вероятность образования литейных трещин и пор в процессе затвердевания в литейной форме).

К механическим свойствам относятся твердость, прочность, пластичность, упругость, вязкость.

Эксплуатационные свойства характеризуют поведение материала в заданных рабочих условиях. К эксплуатационным свойствам относятся жаропрочность, жаростойкость, хладноломкость, усталость, износостойкость.

Для выбора материала и оценки его длительной работоспособности и на-

дежности наиболее важными являются механические и эксплуатационные свойства. Поэтому именно эти группы свойств и методы их определения будут рассмотрены подробно.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Многообразие условий службы и обработки материалов определяет необходимость проведения большого числа механических испытаний с целью получения целого комплекса значений механических свойств.

В зависимости от способа нагружения образца различают статические, динамические и циклические испытания.

Рассмотрим основные механические свойства и их количественные характеристики.

Твердость — свойство материала сопротивляться воздействию внешних нагрузок при непосредственном соприкосновении.

Все методы измерения твердости имеют одинаковый принцип:

вдавливание в поверхность образца инородного тела (индентора) различной формы, размера с различной нагрузкой.

Различают следующие методы определения твердости:

Метод Бринелля (индентор – стальной шарик);

Метод Роквелла (индентор — алмазный конус или стальной шарик);

Метод Виккерса (индентор — алмазная пирамидка).

Схемы этих методов приведены на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Схема определения твердости:

а) — по Бринеллю; 6) — по Роквеллу; в) — по Виккерсу

Испытание по методу Бринелля (рис. 4.1, а) состоит из вдавливания в

испытуемое тело стального шарика диаметром D под действием постоянной нагрузки Р ( Р=1000 кг — для цветных металлов; Р—3000 кг — для черных металлов) и измерении диаметра отпечатка d на поверхности образца. Число твердости по Бринеллю НВ определяется величиной нагрузки Р, деленной на сферическую поверхность отпечатка. Чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость металла. На практике твердость определяют не по формулам, а по специальным таблицам, исходя из диаметра отпечатка d.

Твердость по Бринеллю обозначается НВ, где Н – твердость, В – метод Бринелля. Твердость по Бринеллю измеряется в МПа.

Измерение твердости по этому методу проходит быстрее и удобнее, чем по методу Бринелля, так как значение твердости выводится на шкалу прибора.

При испытании по методу Роквелла (рис. 4.1, б) индентором служит алмазный конус или для более мягких материалов — стальной шарик. Конус и шарик вдавливаются в металл с различной нагрузкой. На приборе имеются три шкалы. При испытании алмазным конусом и нагрузке Р= 150 кг шкала обозначается С, а твердость обозначается HRC, при испытании алмазным конусом, но с нагрузкой Р = 60кг шкала обозначается A, а твердость — HRA, при испытании стальным шариком с нагрузкой 100кг шкала обозначается В, а твердость — HRB (таблица 4.1).

Читайте также:  Консервация дома на зиму без отопления

В металлических сплавах концентрация носителей также не зависит от температуры. Поэтому температурная зависимость электропроводности сплавов целиком определяется е i зависимостью подвижности носителей от температуры. Рассмотрим этот вопрос более подробно.

Предположим, что в идеальной решетке металла, например меди имеющей строго периодический потенциал U (рис. 2.2.1, а), часть узлов беспорядочно замещена атомами другого элемента, например золота. Так как потенциал поля примесных атомов отличен от потенциала основных атомов, то потенциал решетки не сохранится строго периодическим (рис. 2.2.1, б). Он нарушается беспорядочно распределенными примесными атомами. Такое нарушение приводит, естественно к рассеянию носителей и дополнительному электрическому сопротивлению.

Рис 2.2.1 Потенциальная диаграмма для: а- идеальной решетки; б-решетки с примесями

Как показал Л. Нордгейм, в простейшем случае бинарных сплавов типа твердых растворов подвижность носителей, обусловленная рассеянием их на нарушениях решетки, определяется следующим приближенным соотношением:

где ω и (1 — ω) — относительные доли металлов, образующих сплав.

Подставив mспл из (6.302.2.1) в (6.122.1.1) и помня, что ρ = 1/ g , получим

следующее выражение для удельного сопротивления бинарного сплава:

ρспл=β[ ω(1 — ω) ], (2.2.26.З1)

где β — коэффициент пропорциональности.

Функция ω (1 — ω)имеет максимум при ω = 1/2, т. е. при равном содержании в сплаве обеих компонент. В качестве примера на рис. 2.2.2, а показана зависимость удельного сопротивления сплавов меди с золотом от содержания золота. Кривая проходит через максимум, отвечающий 50% меди и золота в сплаве.

Рис 2.2.2, а — зависимость удельного сопротивления сплава от примеси; б-потенциальная диаграмма решетки сплава

Из рис. 2.2.2, а видно далее, что абсолютное значение ρ спл значительно выше ρ чистых компонент. Так, при комнатной температуре ρCu = 1,7×10 -8 Ом×м, ρAu = l,56×10 -8 Ом×м, а ρ50%Cu. + 50%Au =15×10 -8 Ом×м. Это вполне естественно, так как примеси вызывают значительно более сильное нарушение периодичности потенциала решетки, чем тепловые колебания. Если, однако, сплавляемые металлы при определенном соотношении компонент образуют металлическое соединение с упорядоченной внутренней структурой, то периодичность потенциала решетки восстанавливается (рис. 2.2.2, б) и сопротивление, обусловленное рассеянием на примесях, практически почти полностью исчезает. Для сплавов меди с золотом это имеет место при соотношении компонент, отвечающем стехиометрическому составу Cu 3 Au и CuAu (рис. 2.2.2, а, сплошные кривые). Это является убедительным подтверждением квантовой теории электропроводности, согласно которой основной причиной электрического сопротивления твердых тел является не столкновение свободных электронов с атомами решетки, а рассеяние их на дефектах решетки, вызывающих нарушение периодичности ее потенциала.

Читайте также:  Как нарисовать дом из кирпича

Идеально правильная, бездефектная решетка, имеющая строго периодический потенциал, не способна рассеивать свободные носители заряда и поэтому должна обладать нулевым сопротивлением. Это подтверждается многочисленными опытами с предельно чистыми металлами в области низких температур, в частности данными табл. 2.1.2: по мере повышения степени чистоты металлов их сопротивление вблизи абсолютного нуля непрерывно падает, стремясь к нулю. Подчеркнем, что это не явление сверхпроводимости, о котором будет речь впереди, а естественное поведение всех абсолютно чистых металлов при предельно низких температурах, вытекающее из квантовой природы электрического сопротивления.

При небольшом содержании примеси в (6.312.2.2) можно положить (1 — ω) » 1 . Тогда ρ спл

ω. Это удельное сопротивление не зависит от температуры и сохраняется при абсолютном нуле. Его называют остаточным сопротивлением ρ ост= ρП (см. рис.2.1.3).

При температуре, отличной от абсолютного нуля, к остаточному сопротивлению присоединяется сопротивление ρТ, обусловленное рассеянием на тепловых колебаниях решетки, и общее удельное сопротивление равно

Это соотношение выражает известное правило Матиссена об аддитивности удельного сопротивления.

Рассмотрим теперь температурный коэффициент сопротивления a. Как известно, он выражает относительное изменение удельного сопротивления проводника ρ при нагревании его на 1 °К. Так как для чистых металлов ρ = ρТ, то

(6.332.2.4)

Как показывает опыт, грубо

[см. табл. (2.2.1)]. Для сплавов ρ = ρП + ρТ, поэтому

так как ρП от температуры не зависит. Это выражение можно преобразовать следующим образом:

, (6.342.2.5)

где a— температурный коэффициент сопротивления чистых металлов.

Из (6.342.2.5) видно, что α спл должен быть меньше α чистого металла, причем тем меньше, чем больше ρП по сравнению с ρТ . Обычно ρП на порядок и более выше ρТ , поэтому α спл может быть на порядок и более ниже a чистого металла, что в основном подтверждается опытом (табл. 2.2.1; данные приведены для комнатной температуры).

Чистые металлы и сплавы Медь Олово Никель Бронза (88%Сu, 18% Sn, 1% Pb) Нихром (80% Ni, 20% Cr) Константан (54% Cu, 46% Ni)
a 10 3 ,°К 4,1 4,2 6,2 0,5 0,13 -0,004

Однако во многих случаях температурная зависимость сопротивления сплавов является значительно более сложной, чем та, которая вытекает из простой аддитивной закономерности (6.322.2.3), и температурный коэффициент сопротивления сплавов может быть много меньше, чем можно было бы ожидать согласно (6.342.2.5). Более того, он не остается постоянным в широком интервале температур, а в ряде случаев является даже отрицательным, как это имеет место, например, у константы (табл. 2.2.1) и у некоторых других сплавов.

Высокое удельное сопротивление и низкий температурный коэффициент сопротивления сплавов открыли для них широкие возможности практического применения для изготовления разнообразных проволочных и пленочных резисторов и переменных сопротивлений (реостатов), используемых в различных областях техники.

Дата добавления: 2019-07-15 ; просмотров: 142 ;

Ссылка на основную публикацию
Электроды японские lb 52u цена
Информацию по наличию и остаткам уточняйте по телефону +7 (495) 363-38-10 D, мм: d 3,2 мм Фасовка: упаковка 5 кг...
Щётки абразивные для браширования
Набивные цилиндрические и плоскостные щетки 100, 140 мм для браширования Щетки выпускаются в двух вариантах: цилиндрические и плоскостные. В качестве...
Щетки латунные с ручкой
Щетка STAYER "MASTER" латунная с пластмассово. Щетка по металлу ручная в пластиковом корпусе с прорези. Щетка 4-рядная проволочная стальная (желт.пластик.ручка....
Электрокамины каталог с ценами
Цены на электрокамины Название электрокамина Цена Royal Flame Vision 60 FX от 34 150 р. Royal Flame Fobos FX от...
Adblock detector