Металлы и материалы высокой проводимости

К этим материалам принято относить проводники с удельным сопротивлением в нормальных условиях не более 0.1 мкОм·м.

Среди металлов самый низкоомный проводник – серебро (0.016 мкОм·м). Оно слабо окисляется на воздухе, поэтому его исп. в кач. покрытий. Наиболее распространенными металлами высокой проводимости являются медь и алюминий.

Медь. Уд. сопротивление 0.017 мкОм·м, т.е. следует сразу за серебром. Имеет достаточно высокую механическую прочность, хорошо обрабатывается (т.е. вытягивается в проволоку, прокатывается в листы), к преимуществам меди еще можно отнести легкую пайку и сварку, а также в некоторых случаях удовлетворительную стойкость к коррозии. Обычно металлы могут окисляться на воздухе с образованием оксидной пленки на поверхности. Интенсивно Cu окисляется при повышенных температурах (несколько сотен ⁰С).

Свойства меди. имеет красноватый цвет, плавится при 1084⁰С. С ростом Т начинает сильно окисляться, покрывается слоем окиси меди с высоким уд. сопр. Электропроводность меди чувствительна к наличию примесей. ТКρ=0.0045 К^-1.

Предел прочности при растяжении σ_р 27(мягк. Cu)-39(тв.Cu)кГ/мм².(система МКГСС: 1кГ/м²=9.82Н/м²)

Получение. Получают медь из сульфидных руд. После ряда процедур (плавок руды и обжигов с интенсивным дутьем) медь подвергают электролитической очистке. После катодные пластины переплавляют в болванки, протягивают в требуемые изделия. В зависимости от обработки можно получить медь с выс. твердостью и упругостью (проволока из такой твердой меди слегка пружинит, применяют там, где надо обеспечить высокую механич. прочность, твердость и сопротивляемость истиранию: для контактных проводов, коллекторных пластин электрических машин и т.д.), а также после отжига при нескольких сотнях ⁰С мягкую медь с малой твердостью и небольшой прочностью, но зато весьма большим относительным удлинением при разрыве и более высокой проводимостью. Мягк. медь применяют таем, где прочность не важна, а важно гибкость и пластичность (не пружинит при изгибе): для обмоточных проводов, жил кабелей.

Выпускаемая промышленностью медь маркируется по содержанию примесей. Есть М1 и М0. Наиболее вредной примесью является кислород, из-за которого значительно могут ухудшаться мех. и технологические свойства меди, затр. пайка. Медь М1 содержит 99.90%Cu, в общей сумме примесей 0.10% кислорода должно быть не более 0.08%. лучшими мех. св-ми обладает медь М0 (99.95% Сu). Примесей – не более 0.05%, не выше 0.02 % кислорода. Такую медь получают спец. режимом плавки. Из нее можно изготовить наиболее тонкую проволоку.

В электровакуумной технике применяют спец. сорта меди: – без кислорода. Она обл. выс. вязкостью и пластичностью. Делают, напр., очень тонкую проволоку d=0.15 мм. (Получают плавкой в атмосфере СО, с которым реагирует выделяющийся при нагревании кислород и удаляется в виде углекислого газа – 99.97%Cu; вакуумная медь – вакуумная плавка в графитовых тиглях при p=10^-3Па – 99.99%Cu). С разными присадками – теллура, хрома, селена.

Если требуется повышенная прочность, стойкость к истиранию, то используют медные сплавы: латунь и бронзу. Естественно, ρ выше.

Латунь – сплав меди с цинком (обычно 10-30%Zn). Латунь обладает достаточно высоким относительным удлинением перед разрывом, предел прочности при растяжении выше, чем у чистой меди. Поэтому имеет преимущества в обработке штамповкой, вытяжкой и пр. Ее используют в электротехнике для изготовления всевозможных токопроводящих деталей.

Бронза – сплав меди с оловом, кадмием, бериллием (может еще Cr, Mg, Si, P). При правильно подобранном составе мех. прочностные свойства в несколько раз превышают св-ва меди (например, σ_р=800-1300 МПа). Кадмиевая бронза при всех преимуществах отличается небольшой потерей в уд. проводимости, только на 10%. Бронзы применяют контактных проводов, скользящих контактов, коллекторных пластин и пр. особо важного назначения.

Алюминий. Следующий за медью по важности металл. Он – представитель так наз. легких металлов: он в 3.5 раза легче меди его плотность составляет 2600-2700 кг/м³. Имеет серебристо-белый цвет. Температура плавления 660 ⁰С. Небольшая механическая прочность. Электрические св-ва тоже понижены ср. с медью. ρ=0.028 мкОм·м, ТКρ=0.0042 К^-1, проводимость, а также прочн. св-ва сильно падает при небольшом наличии примесей. На воздухе легко окисляется, но тонкая оксидная пленка (0.05 мкм) защищает более глубокие слом металла от дальнейшего окисления, но ввиду ее большого ρ трудно паять, только с помощью спец. паст – припоев или ультразв. паяльников.

Как и медь, бывает твердый и мягкий (отожженный).

В электротехнич. целях исп-ют алюминий марки А1 (не более 0.5% примесей). Еще более чистый АВ00 (0.03) исп-ют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов электролитических конденсаторов. Наивысш. АВ000 (0.004%).

В основном, выпускают алюминий высокой чистоты – А1 (Al-99.90%, примеси – не больше 0.1%), алюминий нормальной чистоты – АВ2: 99.85 и 0.15. бывают также и особо чистый…наивысш. – АВ000.

Изготовляют рамки и стрелки указательных приборов (легкий).

Алюминий дороже меди, но легче, ρ выше и более распространен. Выбор.

Алюминиевые сплавы обладают высокой механической прочностью. Пример – альдрей: 0.3-0.5% Mg, 0.4-0.7% Si, 0.2-0.3% Fe, остальное Al. Образуется соединение Mg₂Si, которое сообщает выс. мех. св-ва сплаву. Сплав сохраняет электрич. свойства алюминия, его легкость.

Сталеалюминиевый провод широко применяется в линиях электропередачи. Предст. собой сердечник из стальных жил и обвитый снаружи алюминиевой проволкой. В проводах такого типа мех. прочность определяется стальным сердечником, а проводимость – алюминием.

Железо (сталь). Наиб. дешевый и доступный металл. Высокая мех. прочность, Т пл. =1535⁰С повышена. Но также имеет и повышенное ρ=0.098 мкОм·м и ТКρ=0.006 К^-1. Сплавы железа с углеродом наз-ся сталями.

В качестве стали как проводникового материала исп-ют мягкую сталь (0.1-0.15% С). У нее уд. проводимость в 6-7 раз меньше меди. – Для проводов воздушных линий при передаче небольших мощностей, для эл. железных дорог.

В стали (ферромагнетике) значительно проявляется поверхностный эффект, поэтому сопротивление на выс. частотах выше, чем при пост. токе. Сильно подвержена коррозии, быстро ржавеет. Поэтому ее покрывают защитным покрытием из цинка.

Никель. Интересный и перспективный металл. У него ρ в 2.8 раза больше меди. Но благодаря малой плотности (легче воды, примерно в 9 р. легче меди) провод из натрия при заданной проводимости на единицу длины должен быть легче всех материалов. Но он интенсивно окисляется на воздухе, бурно реагирует с водой. Имеет малый предел прочности, поэтому никелевый провод должен быть защищен герметизирующей и придающей прочность оболочкой. Обычно в качестве таковых исп. некоторые пластмассы, которые служат еще и изоляцией.

В некоторых случаях для уменьшения расходов выгодно применять так. наз. проводниковый биметалл. Это сталь, покрытая снаружи слоем меди, причем они соединены между собой прочно и непрерывно по всей поверхности их соприкосновения. Мех. и электрические свойства – промежуточные между св-ми сплошного медного и стального проводника того же сечения. прочность биметалла больше, но проводимость меньше меди. Медь должна быть именно снаружи, т.к. с одной стороны, она защищает сталь от коррозии, а с другой – при переменном токе достигается более высокая проводимость всего провода в целом. Применяется в линиях связи, электропередач, разл. токопроводящие части электрических аппаратов.

Сверх- и криопроводники.

Явление сверхпроводимости заключается в том, что у многих металлов и сплавов при уменьшении температуры происходит резкое уменьшение уд. сопротивления. Температура Т_св, при которой происходит переход в сверхпроводящее состояние, называется критической температурой перехода. Впервые сверхпроводимость была обнаружена у ртути (4.2 К) голландским физиком Х.Каммерлинг-Оннесом. Такие вещества наз-ся сверхпроводники. Значение ρ составляет у них порядка 10^-25 Ом·м, что в 10¹⁷ раз меньше ρ меди при комнатной температуре. Сверхпроводящий переход обратим, т.е. при повышении температуры сверхпр. состояние нарушается, и в-во переходит в норм. состояние с конечным значением γ. Сейчас известно около 35 сверхпров. металлов и более тысячи сплавов и соединений. Но в то же время многие вещества, например, Ag, Cu, Au, Pt и др., при минимально достижимой на сегодняшний момент температуре (~1мК) не удалось перевести в сверхпр. состояние.

Если в кольце из сверхпроводника индуцировать электрический ток (например, с помощью магн. поля), то он не будет затухать в течение длительного времени (годами), причем без всякого подвода энергии извне, не считая, конечно, затрат на охлаждение материала. Т.е. фактически такой сверхпроводящий контур представляет собой электромагнит, не требующий питания от источника тока.

Но вначале попытки изготовить такой электромагнит с достаточно высокими значениями напряженности Н и магнитной индукцией В закончились неудачно. Сверхпроводимость нарушается также при превышении значения В поля на поверхности сверхпроводника индукцию перехода В_св. (В первом приближении безразлично, внешнее ли поле, или созданное самим контуром).

Диаграмма состояния сверхпроводника (1р):

сверхпр. материал	Тсв0, К	Всв0(1), Тл
Элементарные: Ir Al Ta Nb	0.14 1.20 4.50 9.4	0.002 0.01 0.083 0.195
Сложные: сплав Nb+Ta(50:50)	8.70	12.00
Соединения: галлид ванадия V3Ga станнид ниобия Nb3Sn	14.00   18.00	50.00   22.00

3- для чист. Ме

Каждому значению температуры Т интервала (0;Т_св) соответствует свое значение индукции перехода В_св. Наибольшая возможная температура перехода Т_св0 (критич.) данного сверхпров. материала достигается при ничтожно малой индукции В, т.е. для сверхпр. электромагнита при малой силе тока в обмотке. И соответственно, наиб. значение В_св0 (критич.) соответствует температуре, ничтожно отличающейся от 0 К. Наблюдается закономерность, что чем у материала выше Т_св0, тем выше и В_св0.

Первые известные сверхпроводники имели малые значения В_св0. Все попытки технически использовать сверхпроводимость были оставлены до тех пор, пока не открыли сверхпр-ки с высокими значениями В_св0.

В 1933 г. немецкие физики В.Майсснер и Р.Оксенфельд обнаружили, что сверхпр-ки при переходе в сверхпр. состояние становятся идеальными диамагнетиками, т.а. их отн. магн. проницаемость μ скачком падает от конечных значений (~1) почти до нуля. Поэтому внешнее магнитное поле не может проникать в сверхпроводящее тело. (см. рис.а). Если же материал переходит в сверхпр. состояние во внешнем поле, то поле "выталкивается" из проводника. Этот эффект был продемонстрирован в 1935г. В.К. Аркадьевым в знаменитом опыте с висящим магнитом: магнит опускают в чашку из материала в сверхпр. состоянии, и магнит отталкивается от чашки и висит в воздухе. точно также можно заставить висеть сверхпроводящее тело над поверхностью магнита.

Чистые металлы называются сверхпроводниками 1-го рода. В 50-х годах 20-го века были открыты сверхпроводящие сплавы и химич. соединения. Они обладают рядом особеннотей, их назвали сверхпроводниками 2-го рода. У них переход в сверхпроводящее состояние переходит не скачком, а постепенно. У них есть промежуточная состояние ("фаза Шальникова"-заштрих.) между верхним и нижним критич. значениями магн. индукции перехода. В пром. сост. ρ=0, но μ>0 и нек. др. Их св-ва сильно зависят от режима изготовления.

У сверхпр. 2 рода выше темп. св. перехода и магн. индукция перехода.

Любой сверхпр-к 1-го рода можно превратить во 2-й, если сделать достаточное количество дефектов решетки.

Применение: пока главное – создание сверхсильных магн. полей (особенно важно для многих научных исследований – удержание плазмы в реакторах термоядерного синтеза, и т.д.). электромагниты уже производятся и применяются, возможности могут быть – для электрич. устройств с большим КПД, линий электропередач, больших мощностей, и т.д. Некоторые устройства памяти и управления основываются на переходе в сверхпр. и норм. состояние при изменении магнитной индукции (силы тока) или температуры. Эффект Майсснера-Оксенфельда-Аркадьева можно использовать для создания подшипников без трения, вроде бы с "магнитной смазкой" (взаимным отталкиванием вала и подшипника), например, для магнитной подвески вагонов сверхскоростного ж/д транспорта (на магн. подушке) и т.п.

Из чистых металлов к сверхпроводникам 2-го рода относят только Nb, V (ванадий) и Tc (технеций). Сверхпр-ть установлена у некоторых материалов не только при ум. Т, но и при повышении р. Также у некоторых полупроводников (антимонид индия InSb – 5 К при 30ГПа), у серы (9.7 К) и ксенона (6.8 К).

Сегодня для изготовления обмоток сверхпр. электромагнитов в осн. применяются 2 группы материалов:

1) сравнительно легко деформируемые (дуктильные), из кот. вохзможно изготовление проволок и лент: сплавы Nb-Zr, Nb-Ti, чистый Nb;

2) трудно поддающиесчя деформациям из-за хрупкости (интерметаллиды Nb₃Sn и пр.). Обычно устройства на сверхпр-ках работают с пом. охлаждения жидким гелием, что сложно и дорого.

Теория сверхпр-ти очень сложна. Вклад в нее – ученых Л.Д. Ландау, Н.Н. Боголюбов, В.Л. Гинзбург и др. В основе явления сверхпр-ти лежит образование связанных пар электронов ("куперовских пар"). В таком состоянии электроны не могут рассеиваться на дефектах структуры и поэтому сопротивление →0. Чем выше Т, тем меньше куперовских пар, тем выше сопротивление.

Криопроводники.

Явление криопроводимости заключается в достижении металлами весьма малого значения уд. сопротивления при низких (криогенных) Т. Но без перехода в сверхпроводящее состояние. Физические сущности этих двух явлений разные, криопроводимость – частный случай нормальной электропроводности металлов в усл-ях низких Т.

Конечное значение ρ, хоть и малое, ограничивает плотность тока с проводниках, хотя она все же гораздо выше, чем в обычных пр-ках при норм. или повыш. Т. Криопроводники не могут исп-ся в триггерных устройствах (переключательных), также нет эффекта Майсснера-Оксенфельда.

Могут быть преимущество в исп-нии криопроводников. В сверхпр. контуре может накапливаться большая энергия магн. поля LI²/2 (L-индкуктивность). Если случайно повысится В или Т, то может произойти резкое высвобождение энергии, => авария. В случае крио- такого быть не может, только постепенное нарастание сопротивления цепи без "взрыва".

Широко используют медь, алюминий и бериллий. Наименьшее значение ρ (резко снижается) при Т жидкого Н₂ (~20+К) у меди и алюминия, а при Т жидкого N₂ (~80 K) у Be. Выбор оптимального материала (наинизкое ρ при других технико-экономич. показателях): 1)легкодост. и дешевый Al и получить нижайшее ρ, но использовать дорогое и сложное охлаждение водородом (взрывоопасность водородно-воздушной смеси). Или же 2) дорогой и дефиц. Be, но уменьшить затраты мощности на охлаждение и на использование более простой технологии и более дешевого жидкого азота.

Во всех случаях главное – чистота криопроводников, (и отжженное состояние) т.к. при низких Т примеси и дефекты влияют значительно сильнее.

Т (N₂)=-195.09 ⁰C=77.91 K

T (H₂)=-249.89 ⁰C=23.11 K

T (H_e)=-268.38 ⁰C=4.62 K

Дата добавления: 2014-01-05