Как влияют примеси на удельное электрическое сопротивление металлов

Влияние примесей и дефектов структуры на удельное сопротивление металлов

Примеси вносят наиболее существенный вклад в величину остаточного сопротивления. Атомы любого примесного элемента повышают ρ, даже если сама примесь обладает большей электропроводностью.

Рассеяние электронов проводимости на атомах примеси тем сильнее, чем больше разница в валентности примесного элемента и металла растворителя ∆Z: ρост

∆Z2. Так что металлоидные примеси на снижение проводимости оказывают более сильное влияние, чем металлические элементы.

Дефекты структуры вакансии, атомы в междоузлии, дислокации, границы зерен и субзерен, прочие несовершенства кристаллического строения вносят определенный вклад в ρост. Например, увеличение точечных дефектов в меди на 1 ат.% увеличивает ρост в среднем на 0,01 мкОм·м. Чем выше плотность дефектов, тем больше удельное сопротивление.

На удельное сопротивление металлических материалов влияет термообработка. Так, при закалке стали образуется неравновесная структура с большими искажениями кристаллической решетки и внутренними напряжениями. Плотность дефектов по всему объему кристалла резко возрастает, что приводит к значительному росту удельного сопротивления. При отжиге металлов и сплавов создается термодинамически устойчивая равновесная структура, внутренние напряжения исчезают, плотность дефектов уменьшается до минимума (в 2 раза и более), поэтому ρост резко снижается.

Пластическая деформация вызывает увеличение плотности

дефектов и снижение проводимости. Для чистых металлов это снижение составляет несколько процентов, для них пластическую деформацию можно использовать как способ упрочнения без существенных потерь в электропроводности. Для металлических сплавов снижение электропроводности в результате наклепа может составлять до 25%. Для восстановления электропроводности после пластической деформации проводят рекристаллизационный отжиг.

Материал взят из книги Электротехнические материалы (Л.Г. Петрова)

Источник

Влияние примесей и дефектов на удельное сопротивление

Причинами уменьшения проводимости металлов являются не только тепловые колебания, но и дефекты структуры кристаллов. Наибольшее рассеяние электронов происходит на примесях, которые всегда присутствуют в проводнике в виде загрязнения или легирующих элементов.

Кроме того, удельное сопротивление повышают собственные дефекты структуры – вакансии, атомы внедрения, дислокации. При деформации металл происходит искажение кристаллической решетки, что также приводит к увеличению сопротивления.

В качестве термостабильных проводниковых материалов используются сплавы, в которых удельное сопротивление определяется в основном неоднородностью структуры и в меньшей – тепловыми колебаниями.

Увеличение сопротивление также проявляется при получении металлических пленок, используемых в микроэлектроники в качестве межэлементных соединений, контактных площадок, обкладок конденсаторов и д.р. Причинами этого являются изменение структуры при осаждении пленок и размерный эффект (возрастание роли поверхностных процессов над объемными).

Контактные явления

А

При соприкосновении двух разных разнородных металлов между ними

возникает разность потенциалов. Это объясняется разными уровнями

энергии электронов, т.е. различной работой выхода. Поэтому при

контактировании металлов происходит переход электронов из области

с большим значением энергии в область, где эта энергия меньше. В результате металл А заряжается положительно, а металл Б – отрицательно. Возникающая контактная разность потенциалов составляет от десятых долей до нескольких вольт.

Обычно электрический потенциал контакта не влияет на прохождение электрического тока.

Контактные явления используются для создания термопар.

Классификация проводниковых материалов:

Твердые проводники – в основном металлы и металлические сплавы.

Читайте также:  Ленточное полотно по металлу bx tool m42

Жидкие проводники – электролиты и расплавленные металлы. При нормальной температуре в качестве жидкого проводника может быть применена ртуть (-39 ºС) и галлий (29,8 ºС).

Газы и пары при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками, однако если напряженность поля выше некоторой критической, газ становится проводниковым, обладающим электронной и ионной электропроводностью. Сильно ионизированный газ представляет собой особую проводящую среду, называемую плазмой.

  1. По величине проводимости
  • материалы высокой проводимости;
  • материалы высокого электрического сопротивления;
  • сверхпроводящие материалы.
  1. По химическому составу
  • чистые металлы;
  • сплавы (высокого сопротивления, для термопар, припои);
  • неметаллические материалы;
  • контактные материалы.

Дата добавления: 2015-11-20 ; просмотров: 3308 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Влияние примесей и дефектов структуры на удельное сопротивление металлов

Примеси вносят наиболее существенный вклад в величину остаточного сопротивления. Атомы любого примесного элемента повышают ρ , даже если сама примесь обладает большей электропроводностью.

Рассеяние электронов проводимости на атомах примеси тем сильнее, чем больше разница в валентности примесного элемента и металла — растворителя ∆Z:ρост

Z2. Так что металлоидные примеси на снижение проводимости оказывают более сильное влияние, чем металлические элементы.

Дефекты структуры — вакансии, атомы в междоузлии, дислокации, границы зерен и субзерен, прочие несовершенства кристаллического строения вносят определенный вклад вρост. Например, увеличение точечных дефектов в меди на 1 ат.% увеличиваетρост в среднем на 0,01 мкОм·м. Чем выше плотность дефектов, тем больше удельное сопротивление.

На удельное сопротивление металлических материалов влияеттермообработка. Так, призакалке стали образуется неравновесная структура с большими искажениями кристаллической решетки и внутренними напряжениями. Плотность дефектов по всему объему кристалла резко возрастает, что приводит к значительному росту удельного сопротивления. Приотжиге металлов и сплавов создается термодинамически устойчивая равновесная структура, внутренние напряжения исчезают, плотность дефектов уменьшается до минимума (в 2 раза и более), поэтомуρост резко снижается.

Пластическая деформация вызывает увеличение плотности дефектов и снижение проводимости. Для чистых металлов это снижение составляет несколько процентов, для них пластическую деформацию можно использовать как способ упрочнения без существенных потерь в электропроводности. Для металлических сплавов снижение электропроводности в результате наклепа может составлять до 25%. Для восстановления электропроводности после пластической деформации проводят рекристаллизационный отжиг

Источник

3. Влияние примеси на удельное сопротивление проводников

Поскольку удельное сопротивление металлов определяется в основном длиной свободного пробега электронов, то он будет зависеть от совершенства кристаллической решетки вещества. При введении примеси в металл электроны подвергаются дополнительному рассеянию на статических дефектах кристаллической решетки, которое не зависит от температуры. Поэтому по мере приближения температуры к абсолютному нулю сопротивление металлов стремится к некоторому постоянному значению, называемому остаточным сопротивлением. Отсюда вытекает правило Маттиссена об аддитивности удельного сопротивления:

т.е. полное сопротивление металла есть сумма сопротивлений, обусловленное рассеянием на тепловых колебаниях узлов кристаллической решетки, ρТ и остаточного сопротивления ρост, вызванного рассеянием электронов на статических дефектах структуры. Общая длина свободного пробега электрона в этом случае определяется так:

(3.13)

(3.14)

Здесь Nпр, — концентрация примесных атомов; Sпр — сечение эффективного рассеяния примесного атома.

С учетом (З.9), (3.10), (3.12), (3.14) запишем

(3.15)

Эти зависимости иллюстрирует рис. 3.3, из которого вытекает, что температурные зависимости удельного сопротивления чистого металла и его сплавов с низким содержанием примеси взаимно параллельные.

Втехнике часто применяются металлические сплавы, которые имеют структуру неупорядоченного твердого раствора, со значительным содержанием примеси. Для таких сплавов изменение остаточного удельного сопротивления описывается законом Нордгейма

Читайте также:  Сливная стружка образуется при обработке металлов

где С — постоянная; ХА, ХВ — атомные части компонентов в сплаве. Из этого закона вытекает, что в бинарных твердых растворах А — В остаточное сопротивление увеличивается как при добавлении атомов А к металлу В, так и атомов В к металлу А. Остаточное сопротивление достигает своего максимального значения при равном содержании каждого компонента (рис. 3.4).

Чем выше содержание примеси в сплаве, тем меньше его температурный коэффициент удельного сопротивления. Это вытекает из того, что в твердых растворах ρост, как правило, существенно выше ρТ и не зависит от температуры. Поэтому

обычно ρост > ρТ, поэтому . На этом основано получение термостабильних сплавов (см. рис. 3.4).

4. Классификация проводниковых материалов

Проводниковые материалы можно разделить на три основные группы:

1. Материалы высокой электрической проводимости.

2. Материалы высокого удельного сопротивления.

3. Неметаллические проводники.

К первой группе относятся проводники с удельным сопротивлением менее 0,1 мкОмּм. Основное их применение — монтажные и обмоточные провода, распределительные шины и т.д. Поэтому основные требования к параметрам материалов этой группы следующие:

Малое удельное сопротивление — для уменьшения потерь.

Стойкость к коррозии — для эксплуатации материалов при различных внешних воздействиях.

Низкий удельный вес — для облегчения веса устройств.

Дешевизна и технологичность.

Относительная легкость пайки или сварки — для уменьшения переходного сопротивления в местах контактов.

Наиболее этим требованиям удовлетворяют медь и алюминий, а также их сплавы (латунь, бронза, альдрей).

Ко второй группе относятся проводники с удельным сопротивлением больше 0,3 мкОмּм. Их применение связано с изготовлением образцовых резисторов и нагревательных устройств.

Требования к материалам для образцовых резисторов:

Высокое удельное сопротивление — для уменьшения габаритов изделия.

Малое значение температурного коэффициента удельного сопротивления — для повышения термостабильности резистора.

Малое значение термоЭДС относительно меди — для уменьшения паразитных сигналов в резисторе.

Наиболее указанным требованиям удовлетворяют константан (сплав 60% меди, 40%» никеля) и манганин (сплав 86% меди, 12% марганца, 2% никеля). У первого существенно ниже температурный коэффициент удельного сопротивления, а у второго — термоЭДС относительно меди.

Требования к материалам для нагревательных элементов:

Выcoкое удельное сопротивление — для достижения необходимой температуры в малом объеме.

Наличие крепкого и стойкого оксида. В противном случае материал будет быстро разрушаться (например, вольфрам при работе на воздухе).

Температурные коэффициенты линейного расширения оксида и сплава должны быть близкими по значению. Иначе при нагревании произойдет растрескивание оксида и постепенное разрушение материала.

Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют сплавы типа нихрома (никеля-хрома).

К третьей группе относятся в первую очередь проводящие модификации углерода: графит, пиролитический углерод. Электроугольные изделия широко применяются как скользящие токосъемники в электродвигателях и генераторах.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Источник

Влияние примесей и структурных дефектов на удельное сопротивление .

Примеси и структурные дефекты увеличивают удельное сопротивление металлов. В соответствии с правилом Маттиссена

ρ = ρт + ρocт , Ом·м, (2.16)

ρт – удельное электрическое сопротивление, обусловленное рассеянием электронов на тепловых колебаниях узлов кристаллической решетки Ом·м;

ρocт = ρпр + ρдеф – остаточное удельное сопротивление, Ом·м, обу-

Читайте также:  Сварка каленого металла аргоном

словленное рассеянием электронов на статических дефектах структуры примесных атомах (ρпр) и собственных дефектах структуры (ρдеф).

Наиболее существенный вклад в остаточное сопротивление вносит рассеяние на примесях. При малом содержании примесей удельное сопротивление возрастает пропорционально концентрации примесных атомов.

Кроме примесей некоторый вклад в остаточное сопротивление вносят собственные дефекты структуры – вакансии, атомы внедрения, дислокации. Остаточное сопротивление представляет собой характеристику химической чистоты и структурного совершенства металла.

Для оценки содержания примесей измеряют отношение удельного сопротивления металла при комнатной температуре и температуре жидкого гелия: β = ρ300/ρ4,2 .

Удельное сопротивление металлических сплавов, имеющих структуру неупорядоченного твердого раствора, ρост может существенно превышать ρт. Для многих двухкомпонентных сплавов металлов, не принадлежащих к числу переходных или редкоземельных элементов, зависимость ρост от состава описывается законом Нордгейма

ρocт = CX AXB = CX (1− XB) , Ом·м, (1.9)

где C – константа, зависящая от природы сплава; XA, XB – атомные доли компонентов в сплаве.

Термоэлектродвижущая сила (термоЭДС).

В однородном проводнике при наличии градиента температуры на концах его возникает разность потенциалов. Ее значение, отнесенное к единичной разности температур на концах проводника, называют Термоэлектродвижущая сила.

При соприкосновении двух различных металлов (или полупроводников) между ними возникает контактная разность потенциалов, обусловленная различием значений работы выхода электронов и различием значений концентрации свободных электронов соприкасающихся металлов.

Если температуры точек соприкосновения («спаев», как часто говорят, имея в виду применение рассматриваемого явления в термопарах) различны, то сумма разностей потенциалов в замкнутой цепи из двух (или большего числа) металлов равна нулю. Если же один из спаев (для случая цепи из двух металлов А и B) имеет температуру Т1, а другой Т2, причем Т1 ≠ Т2, и если цепь разорвать в произвольном месте, то на концах разомкнутой цепи появится разность потенциалов, называемая термоэлектродвижущей силой:

, (2.17)

— постоянная Больцмана;

е – заряд электрона;

nA и nB – концентрации свободных электронов в металлах A и B соответственно.

можно записать в виде

, (2.18)

K – постоянный для данной пары проводников коэффициент («коэффициент термо-э.д.с»), т.е. термо-э.д.с. должна быть пропорциональна разности температур спаев.

Провод, составленный из двух изолированных по длине друг от друга проволок из различных металлов или сплавов («термопара»), может быть использован для измерения температур. В термопарах используют проводники, имеющие большой по величине и стабильный коэффициент термо-э.д.с.

В термопарном контуре относительная удельная термоЭДС представляет собой разность абсолютных удельных термоЭДС составляющих проводников

(2.19)

В замкнутой цепи из двух различных типов металлических проводников, когда области контакта находятся при различных температурах, возникает ЭДС и протекает ток. ТермоЭДС выражается в виде функции U12(T1,T2) от температуры Т1 и Т2 для металлов 1 и 2. В случае, когда потенциал V(T) относится к одному металлу, функция U12(T1,T2) запишется в следующем виде:

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Источник

Поделиться с друзьями
Металл
Adblock
detector