Содержание

Почему сопротивление сплавов больше чем чистых металлов?

Удельное сопротивление сплавов

Есть много металлов и намного больше сплавов из нескольких металлов.

Самые первые искусственные сплавы в результате металлургических экспериментов, проведенных человеком, были созданы (на основе найденных археологических останков) примерно от 3000 до 2500 лет до нашей эры.

Это была прежде всего бронза, потому что металлы, из которых она состоит (медь и олово), присутствуют (в изобилии) в самородном состоянии и не требуют извлечения из руды.

Золото и серебро — металлы находящиеся в изобилии в природе, и по этой причине они известны с 5-го тысячелетия до нашей эры, поэтому их тоже очень часто смешивали, в частности, чтобы изменить цвет или твердость золота.

Теоретически существует бесконечное множество сплавов. Базовый процесс прост: достаточно нагреть два или более металлов до тех пор, пока они не достигнут соответствующей точки плавления, затем смешать их в соответствии с точными дозировками и запустить их охлаждение.

Таким образом, достаточно даже незначительно варьировать дозировку ингредиентов, чтобы создать новый сплав, который будет обладать уникальными свойствами. Кроме того, условия производства нового сплава также имеют решающее значение: достаточно, например, варьировать температуру плавления, условия обжига или даже продолжительность охлаждения.

Зависимость удельного сопротивление сплавов от их состава имеет весьма различный характер. В некоторых случаях сплав является совокупностью очень мелких кристаллов обоих металлов, входящих в сплав. Каждый металл кристаллизуется независимо от другого, то их кристаллы равномерно и вполне беспорядочно перемешаны в сплаве.

Таковы свинец, олово, цинк и кадмий, смешивающиеся в любых отношениях. Удельное сопротивление таких сплавов при различных концентрациях лежит между крайними значениями сопротивления чистых металлов, т. е. всегда меньше большего из них и больше меньшего.

На рисунке ниже изображена графически зависимость удельного сопротивления сплава цинка и олова от объемных концентраций обоих металлов.

По оси абсцисс отложены в процентах к единице объема сплава объемы олова, т. е. абсцисса 60 означает, что в единице объема сплава содержится 0,6 объема олова и 0,4 объема цинка. По оси ординат отложены величины удельного сопротивления сплава, умноженное на 10 6 .

Так как у чистых металлов температурные коэффициенты сопротивления суть величины одного порядка, близкие к коэффициенту расширения газов, то, очевидно, что и сплавы рассматриваемой группы имеют коэффициенты того же порядка.

Во многих других случаях сплавы двух металлов являются однородной массой, состоящей из небольших кристаллов, построенных из атомов обоих металлов.

Иногда такие смешанные кристаллы могут быть образованы атомами обоих металлов в любом отношении, иногда такие образования возможны лишь в определенных, областях концентрации.

Вне этих областей сплавы подобны сплавам только что рассмотренной первой группы с тем различием, что они представляют смесь кристаллов чистого металла и кристаллов смешанного типа, построенных из атомов обоего рода.

Сопротивление сплавов рассматриваемого типа обычно больше сопротивлений обоих металлов.

На рисунке ниже представлена графически зависимость от концентрации удельного сопротивления сплава золота и серебра, образующих смешанные кристаллы в любых концентрациях. Способ построения кривой такой же, как и кривой на предыдущем рисунке.

Удельное сопротивление чистого серебра на графике равно 1,5*10 -6 , чистого золота 2,0*10 -8 . Сплавляя равные объемы обоих металлов (50%), получаем сплав с удельным сопротивлением 10,4*10 -6 .

Температурные коэффициенты сопротивления у сплавов этой группы обыкновенно меньше, чем у каждого из металлов, входящих в состав сплава.

На рисунке ниже представлена графически зависимость величины температурного коэффициента сплава золота и серебра от концентрации золота.

В области концентраций от 15% до 75% температурный коэффициент сопротивления не превышает четверти того же коэффициента чистых металлов.

Важное техническое значение имеют некоторые сплавы из трех металлов.

Первый из этих сплавов манганин при надлежащей обработке имеет температурный коэффициент равный нулю, вследствие чего манганиновая проволока употребляется для изготовления точных магазинов сопротивления.

Сплав никеля, хрома, с добавками марганца, кремния, железа, алюминия (нихром) является самым распротраненным материалом для изготовления различных нагревательных элементов.

Остальные сплавы (константан, никелин, нейзильбер) применяются для изготовления регулирующих реостатов, так как они обладают значительным удельным сопротивлением и сравнительно мало окисляются в воздухе при тех довольно высоких температурах, которые часто имеют проволоки реостатов.

Подробно про трехкопонентные сплавы, наиболее часто используемые в электротехнической промышленности смотрите здесь: Материалы с высоким сопротивлением, сплавы с большим удельным сопротивлением

Конкретные значения удельных сопротивлений различных сплавов лучше всего искать в специальных справочниках или же определять экспериментально, т.к. они могут изменяться в широких пределах.

Для примера приведем значения удельного электрического сопротивления и теплопроводности сплавов Mg-Al и Mg-Zn:

В этой работе были исследованы удельное электрическое сопротивление и теплопроводность бинарных сплавов Mg – Al и Mg – Zn в диапазоне температур от 298 К до 448 К, а также проанализирована корреляция между соответствующей электропроводностью и теплопроводностью сплавов.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Электрические свойства металлов и сплавов

Токовыми проводниками являются твердые вещества, жидкости и даже газы. Твердые проводники — это металлы, металлические сплавы и некоторые модификации углерода.

Жидкие проводники включают расплавленный металл и электролиты. Как правило, температура плавления металлов высокая, за исключением ртути, -39 ° С. Точка плавления (29,8 ° С), близкая к комнатной температуре, содержит галлий.

Другие металлы являются проводниками жидкости при высоких температурах или только при высоких температурах. Механизм прохождения тока через твердые и жидкие металлы обусловлен движением свободных электронов, и в результате их называют проводниками с электронной проводимостью.

Основные характеристики проводника включают удельное электрическое сопротивление и температурный коэффициент сопротивления.

Удельное электрическое сопротивление проводника — это сопротивление провода длиной 1 м с площадью поперечного сечения 1 мм2 и температурой 20 ° С.
Коэффициент температуры сопротивления-A коэффициент, равный относительному изменению сопротивления, когда температура изменяется один раз.

Электрические свойства металлов характеризуются электрической проводимостью и наоборот — электрическим сопротивлением. Серебро, медь и алюминий имеют хорошую электропроводность и, следовательно, низкое электрическое сопротивление.

Из электрических характеристик основной является удельная проводимость или ее обратно-удельное сопротивление и температурный коэффициент удельного сопротивления.

Помимо чистого металла на практике часто используются металлические сплавы. При производстве сплавов могут учитываться некоторые примеси в металлах, где концентрация атомов примеси сбалансирована с концентрацией основных веществ.

В этом случае смысл теряется, когда вещество разделяется на примеси и основания. Из-за взаимозависимых нарушений периодичности кристаллической структуры удельное сопротивление сплава всегда должно быть больше удельного сопротивления отдельных компонентов.

В отличие от чистых металлов, остаточный компонент удельного сопротивления сплава во много раз выше независимого от температуры компонента.

Сплавы имеют значительно более высокое удельное сопротивление, чем чистые металлы. С другой стороны, сплавы более стабильны, чем чистые металлы, то есть значительно ниже. Оба эти свойства могут быть использованы при изготовлении резисторов из проволоки и пленки.

Связь с законом Нортхайма удовлетворительно соблюдается только для сплавов, которые являются физическими растворами компонентов A и B (фазовые смеси). В некоторых случаях раствор может образовывать так называемые интерметаллические соединения. Фактически, это новый химикат с собственной кристаллической структурой, в которой атомы двух компонентов строго выровнены.

Например, следующие соединения могут быть получены из сплавов с обычной внутренней кристаллической системой: Свойства. На диаграмме состава такого сплава на общем максимальном фоне наблюдается резкий провал, соответствующий фазе чистого металла, при определенной пропорции состава.

Черные и цветные металлы и различные сплавы широко используются при изготовлении и ремонте электрооборудования. Цветные металлы (чугун, сталь) используются в качестве конструкционного материала для стеллажей электрических машин, резервуаров, кожухов трансформаторов, оснований, носков, электрооборудования и других узлов и деталей.

Производство магнитных сердечников, трансформаторов и сердечников электрических машин и оборудования требует специальной электротехнической стали. Промышленность производит много марок стальных листов, которые имеют разные магнитные и электрические свойства.

Свойства стали могут быть изменены путем изменения содержания кремния, основного легирующего элемента, и с помощью специальных технических приемов.

Обычно низкокремнистая сталь обладает низкой магнитной проницаемостью и высокими удельными потерями. Однако его отличает большое значение магнитного насыщения.

Низкокремнистая сталь преимущественно используется для переменного тока высокой индукции и низкой частоты.
Высококремнистая сталь используется, когда важно уменьшить гистерезис и потери на вихревые токи или получить высокую проницаемость в слабых и средних магнитных полях.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Удельное сопротивление — сплав

Удельное сопротивление сплавов определяется в основном наличием примесей и нарушением структуры входящих в них металлов. При этом атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого. На рис. 4.2 представлена зависимость удельного сопротивления сплава двух металлов, образующих друг с другом твердый раствор. Эта зависимость наглядно иллюстрирует отмеченные выше явления. [1]

Зависимость удельного сопротивления сплава двух металлов, образующих друг с другом твердый раствор, от изменения содержания каждого из них в пределах от нуля до 100 % представлена графически на фиг. Обычно при этом наблюдается определенная закономерность и для изменения ТКр: относительно высокими значениями температурного коэффициента удельного сопротивления обладают чистые металлы, а у сплавов ТКр меньше и даже может достигать небольших отрицательных значений ( фиг. [2]

Увеличение содержания марганца повышает удельное сопротивление сплава , но резко ухудшает его механические свойства. Использование выплавленного алюминия не рекомендуется: при повторном использовании резко снижается его пластичность. [3]

По сравнению с никелем удельное сопротивление сплава никеля с железом в три раза больше, что позволяет упростить конструкцию чувствительного элемента и повысить ее надежность. Характеристики этого сплава не одинаковы от партии к партии, в связи с чем необходимо применять индивидуальную градуировку. [5]

По оси ординат отложены величины, пропорциональные концентрации растворенного металла ( разница между удельным сопротивлением сплава и удельным сопротивлением чистого щелочного металла), по оси абсцисс — падение напряжения. По наклону прямой на логарифмическом графике определяют коэффициент электродиффузии К. [7]

Как уже указывалось, примеси н нарушения правильной структуры металлов увеличивают их удельное сопротивление. Зависимость удельного сопротивления сплава двух металлов, образующих друг с другом твердый раствор, от изменения содержания каждого из них в пределах от 0 до 100 % представлена на рнс. [9]

Зависимость удельного сопротивления от состава в твердых сплавах выражается двумя правилами. Правило Нордгейма гласит, что удельное сопротивление сплава должно быть приблизительно пропорционально произведению молярных долей двух компонентов; по правилу Линде скорость увеличения сопротивления с повышением концентрации в разбавленных сплавах должна быть пропорциональна квадрату разницы валентности компонентов. [10]

Сплавы хрома, алюминия и железа могут обладать высокой нагревостойкостью при повышенном содержании хрома ( до 65 %) и тщательном удалении из состава углерода. По мере увеличения содержания хрома растет удельное сопротивление сплава , однако волочение проволоки становится затруднительным. Так, из сплава, содержащего 20 % хрома, может прокатываться проволока диаметром не менее 0 3 мм, а из сплавов с содержанием 25 % Сг — проволока диаметром не менее 6 мм. Хромоалюминиевые сплавы выпускаются четырех типов. Однако механическая обработка большинства сплавов этого типа затруднена ввиду его хрупкости. Хромоалюминиевые сплавы применяются в основном для мощных нагревательных элементов. [11]

Третья особенность электропроводности металлов также связана с правилом Маттиссена. Эта особенность заключается в том, что удельное сопротивление сплава всегда выше, чем удельное сопротивление металлов, составляющих этот сплав. [13]

Для этого на массивный ротор из оптимального сплава СМ-19 был надет тонкий экран из магнитно-мягкой стали. Удельное электрическое сопротивление стали мало отличается от удельного сопротивления сплава , а цг стали примерно на порядок выше. Толщина экрана выбрана по глубине проникновения зубцовых гармоник первого порядка и равна йэ 0 8 мм. Для сравнения приведены добавочные потери, Вт, при базовом короткозамкнутом роторе и двухслойном роторе с массивным цилиндром из сплава СМ-19 и с медными торцевыми кольцами. [15]

Электропроводность чистых металлов и металлических сплавов

У чистых металлов носителями зарядов обычно являются электроны проводимости. Лишь в некоторых металлах (Ве, Zn) носителями зарядов служат дырки. Поскольку в металлах температура не влияет на концентрацию электронов, то зависимость удельной электропроводности а(Т) определяется температурной зависимостью подвижности носителей зарядов и(Т) для вырожденного электронного газа. Подставив в формулу (6.7) для а зависимость и(Т) для вырожденного газа электронов согласно соотношениям (6.15) и (6.18), будем иметь следующие температурные зависимости удельной электропроводности и удельного сопротивления для чистых металлов.

• в области высоких температур

• в области низких температур

На рис. 6.7 показана кривая, описывающая зависимость удельного сопротивления чистых металлов от температуры. В области абсолютного нуля, где основное значение имеет рассеяние электронов на примесных атомах, есть участок (р_п), параллельный оси температур.

В табл. 6.2 приведены значения удельной электропроводности ряда чистых металлов при комнатной температуре, представленные теорией (а_т), и определяемые экспериментально (а.,). Из данных этой таблицы видно, что соответствие теории опыту наблюдается у щелочных металлов № и К, для которых состояния электронов проводимости близки к состояниям свободных электронов. С увеличением атомного веса металлов растет потенциальная энергия взаимодействия электронов проводимости с ядрами атомов, находящихся в узлах решетки, поэтому приближение эффективной массы выполняется хуже.

Рис. 6.7. Зависимость удельного сопротивления р от температуры для чистых металлов

Экспериментальные ст_э и теоретические ст_т значения удельной электроплопроводности ряда чистых металлов при комнатной температуре

о_т КГ 8 , Ом 1 • м 1

а, • 10″®. Ом 1 • м 1

В металлических сплавах концентрация носителей зарядов также, как и у чистых металлов, не зависит от температуры, а температурная зависимость ст(7) целиком определяется соответствующей зависимостью подвижности носителей от температуры сплава.

Предположим, что в идеальной решетке металла А, обладающей строгой периодичностью, часть узлов беспорядочно замещена атомами металла В. Такое нарушение периодичности потенциала решетки металлического сплава приводит к дополнительному рассеянию носителей зарядов и, как следствие, к добавочному сопротивлению. Как показал Нордгейн [19], в простейшем случае двухкомпонентных сплавов подвижность носителей зарядов, обусловленная их рассеянием на атомах примеси, определяется следующим приближенным соотношением:

где со и (1- со) — относительные доли компонентов-металлов, образующих сплав. Следовательно, удельное сопротивление сплава находится как р = Рсо( 1 — со), где 3 = const. Функция /(со) = со( 1 — со) обладает максимумом при

Обычно удельное сопротивление сплавов больше удельного сопротивления компонентов. Но при определенном соотношении компонентов сплавы образуют металлические объединения с упорядоченной внутренней структурой, и сопротивление, обусловленное рассеянием на примесных атомах, практически полностью исчезает.

Для сплавов Си и Аи такая структура возникает при соотношении компонентов, отвечающем стехиометрическому составу Cu₃Au. Это подтверждает квантовую природу электропроводности, согласно которой причиной электрического сопротивления твердых тел являются не столкновения свободных электронов с атомами узлов решетки, а рассеяние их на дефектах решетки, вызываемых нарушениями периодичности ее потенциала.

Идеально правильная бездефектная решетка, обладающая строго периодическим потенциалом, не способна рассеивать свободные носители зарядов и поэтому должна обладать нулевым сопротивлением. Данное утверждение подтверждается экспериментами с предельно чистыми металлами в области низких температур: по мере повышения чистоты металлов их сопротивление вблизи абсолютного нуля непрерывно падает, стремясь к нулю [21-23].

При небольшом содержании примеси в формуле р = р®( 1 — со) можно положить (1 — со) я 1, в гаком случае р_ац

со. Подобное удельное сопротивление не зависит от температуры и сохраняется при абсолютном нуле. Это так называемое остаточное сопротивление р_п (см. рис. 6.7). При температуре, отличной от абсолютного нуля, к остаточному сопротивлению р_п присоединяется сопротивление р_т, обусловленное рассеянием электронов на тепловых колебаниях кристаллической решетки, и общее удельное сопротивление является суммой р = р_п + р_т. Это соотношение отражает правило Матиссена об аддитивности удельного сопротивления.

Рассмотрим теперь температурный коэффициент сопротивления а, выражающий относительное изхменение сопротивления проводника р при нагревании его на 1 К. Поскольку для чистых металлов то . Как показывает эксперимент, для

чистых металлов а *4 • 10 3 К

‘. Температурный коэффициент сопротивления некоторых металлов и сплавов представлен в табл. 6.3.

Для сплавов р = р_п + р_т, поэтому коэффициент сопротивления сплавов Поскольку то

для а_ац можно записать следующее выражение

где а — температурный коэффициент сопротивления чистых металлов.

Экспериментальные значения температурного коэффициента сопротивления а для некоторых металлов и сплавов

Удельное сопротивление металлов

Определение удельного сопротивления

Общая формула для вычисления удельного сопротивления ρ любого вещества выглядит следующим образом:

где: R — сопротивление, S — площадь поперечного сечения, L — длина проводника. На основании экспериментальных данных, пользуясь законом Ома и этой формулой, определены удельные сопротивления большого числа материалов, которые приведены в справочниках и на специализированных интернет-ресурсах.

Единицы измерения удельного сопротивления

Из формулы (1) следует, что поскольку в Международной системе СИ сопротивление измеряется в омах, длина и площадь в метрах и метрах квадратных соответственно, то единицей измерения удельного сопротивления будет Ом*м:

Для практических расчетов часто используется внесистемная единица Ом*мм 2 /м. Эта единица равна удельному сопротивлению вещества, из которого сделан проводник длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм 2 . Числовые значения для ρ становятся более комфортны для восприятия. Еще одна причина связана с тем, что величины сечений реальных проводов и кабелей составляют 1-10 мм 2 , и для вычисления их параметров внесистемная единица удобнее.

Рис. 1. Таблица удельных сопротивлений различных материалов.

Почему у металлов самые низкие удельные сопротивления

Из приведенной таблицы видно, что самыми низкими значениями удельных сопротивлений обладают металлы: серебро, медь, золото, алюминий и др. Такое свойство металлов связано с большой концентрацией свободных электронов, “не привязанных” к конкретному атому, а блуждающих в пространстве кристаллической решетки. Напряжение, приложенное к концам проводника, создает электрическое поле, которое действует на электроны, заставляя их двигаться согласованно, в одном направлении.

Рис. 2. Электрический ток в металлах, свободные электроны.

Самым низким значением ρ обладает серебро — 0,016 Ом*мм 2 /м. Но для повсеместного, массового, использования в сетях электроснабжения и оборудовании этот металл не используется в виду слишком большой цены. Серебро применяется для создания самых ответственных контактов в специальных электротехнических устройствах. В следующей таблице приведены величины удельных сопротивлений металлов и сплавов, часто используемых металлов в электротехнике:

Удельные сопротивления металлов, Ом*мм 2 /м

Наиболее популярными в электротехнике являются медь и алюминий. Медь и медные сплавы применяются для изготовления кабельной продукции и шунтов — деталей, ограничивающих большие токи через измерительные приборы.

Влияние температуры на удельное сопротивление

В справочниках значения ρ металлов приводятся при комнатной температуре 20 0 С. Но эксперименты показали, что зависимость ρ(Т) имеет линейный характер и описывается формулой:

$ ρ(Т) = ρ0 * (1 + α*T)$ (3),

где: ρ₀ — удельное сопротивление проводника при температуре 0 0 С, α — температурный коэффициент сопротивления, который тоже имеет тоже индивидуален для каждого вещества. Значения α, полученные опытным путем, можно узнать из справочников. Ниже приведены значения α для некоторых металлов:

Серебро — 0,0035;

Медь — 0,004;

Алюминий — 0,004;

Железо — 0,0066;

Платина — 0,0032;

Вольфрам — 0,0045.

Таким образом, при повышении температуры сопротивление металлов растет. Это объясняется тем, что с ростом температуры увеличивается число дефектов в кристаллической решетке из-за более интенсивных тепловых колебаний ионов, тормозящих электронный ток.

Рис. 3. Температурная зависимость удельного сопротивления металлов.

При приближении температуры металла к абсолютному нулю удельное сопротивление резко падает до нуля. Это явление называется сверхпроводимостью, а материалы, обнаруживающие такую способность, называются сверхпроводниками. Этот эффект открыл в 1911 г. голландский физик Камерлинг-Оннес. В его эксперименте удельное сопротивление ртути уменьшилось до нуля при 4,1 0 К.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что металлы обладают самыми низкими значениями удельного сопротивления среди проводников. Это свойство металлов используется для передачи электрической энергии с минимальными потерями. Алюминий, медь, сталь, серебро являются основными материалами для изготовления кабельной продукции. Удельное сопротивление металлов зависит от температуры. Таблица удельных сопротивлений металлов приведена для комнатной температуры — 20 0 С.

Факторы, влияющие на удельное сопротивление

1. Влияние плотности упаковки кристаллической структуры. Металлы с плотноупакованными ГЦК и ГПУ решетками обладают большей проводимостью, чем металлы с менее плотноупакованной ОЦК решеткой. У металлов с плотноупакованной решеткой больше плотность электронного газа, т. е. концентрация свободных электронов.

Непереходные металлы. В I группе периодической системы щелочные металлы имеют ОЦК решетку, металлы подгруппы меди (Cu, Ag, Au) – ГЦК решетку. Металлы II группы с достроенными внутренними электронными оболочками (Be, Mg, Zn и Cd) – ГПУ решетку. В зависимости от соотношения ее параметров с/а (а – сторона шестигранника, с – высота призмы) кристаллические решетки могут сжиматься (с/а 1,633) вдоль гексагональной оси.

Переходные металлы имеют меньшую электропроводность, что связано с их электронным строением. Внутренние d— или f-оболочки этих элементов электронами заполнены не полностью. В электрическом поле часть валентных электронов из внешней s-оболочки переходит на свободные уровни внутренних оболочек. Это приводит к уменьшению числа свободных электронов, участвующих в проводимости. Особенности электронного строения переходных металлов являются причиной специфических свойств: тепловых, магнитных, склонности к полиморфизму, переменной валентности и др.

2. Влияние химического состава. Наличие примесей приводит к увеличению удельного сопротивления проводника. Во-первых, вблизи примеси происходит отклонение траектории движения электронов, скорость их движения в первоначальном направлении уменьшается. Во-вторых, примеси деформируют кристаллическую решетку, длина свободного пробега электрона уменьшается. При малых концентрациях примеси сопротивление растет линейно, больших (> 1 %) – нелинейно.

3. Влияние температуры. Все свойства материалов зависят от температуры. Это учитывается введением температурного коэффициента.Размерность любого коэффициента – 1/К. Температурный коэффициент удельного сопротивления ТКr – величина, на которую изменится удельное сопротивление при изменении температуры на 1 К:

.

У многих металлов ТКр = 1/273 = 0,004 К -1 , исключение – Fe, Co, Ni, Na, K, Cr, у которых ТКr больше или меньше 0,004 в 1,5–2 раза.

При понижении температуры удельное сопротивление идеального проводника стремится к нулю (рис. 10.3, ветвь а). На участке I у технически чистого металлического проводника имеется «остаточное» удельное сопротивление r_ост, величина которого не зависит от температуры, но зависит от наличия примесей. Чем чище металл и уже участок I, тем меньше r_ост. Некоторые металлы переходят в состояние сверхпроводимости (ветвь б). На участке II сопротивление растет: r

Т n , где n с ростом температуры изменяется от 5 до 1. При нагревании возбуждаются новые частоты тепловых колебаний (фононов) кристаллической решетки, на которых рассеиваются электроны. При температуре Дебая Q (для большинства металлов 100–400 К), спектр колебаний возбуждается полностью. На участке III сопротивление растет пропорционально увеличению температуры; пропорционально увеличиваются амплитуды тепловых колебаний атомов. При температуре плавленияэлектрическое сопротивление большинства жидких металлов (за исключением Ga, Hg, Sb, Bi) в 1,5–2 раза больше, чем твердых. Это объясняется нарушением строгого порядка атомов при плавлении, а также некоторым изменением межатомной связи.Например, у сурьмы при плавлении сопротивление уменьшается. В твердом состоянии сурьма имеет решетку с ковалентной связью. При плавлении эта связь разрушается и заменяется металлической. На участке IV удельное сопротивление изменяется резко вверх или вниз в зависимости от того, увеличивается или уменьшается объем металла при плавлении. У большинства металлов в расплавленном состоянии ТКr положительный (ветви д, е), у немногих – отрицательный (ветвь ж).

4. Влияние типа сплава. Правила Н.С. Курнакова. В зависимости от типа взаимодействия компонентов образуются основные типы сплавов: гетерогенные структуры (механические смеси), твердые растворы с неограниченной или ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии, химические (интерметаллические) соединения. Если известны свойства чистых компонентов и вид диаграммы состояния, то можно предсказать электрические свойства сплава.

1) В твердых растворах с неограниченной растворимостью компонентов свойства сплавов изменяются по криволинейной зависимости. Механические, электрические свойства сплавов и чистых компонентов отличаются (рис. 10.4,а). Кристаллическая решетка твердого раствора деформирована. Это приводит к рассеянию электронов. Сопротивление сплава также тем больше, чем больше разница в валентностях и размерах атомов. Зависимость удельного сопротивления от состава сплава имеет параболический характер.

Если металлы, образующие твердые растворы, принадлежат к одной группе периодической системы элементов Д.И. Менделеева, то зависимость удельного сопротивления от состава сплавов имеет примерно симметричный максимум. Если металлы принадлежат к разным группам – максимум имеет несимметричную форму, и сдвинут от середины диаграммы в сторону металла, удельное сопротивление которого при комнатной температуре больше.

2) В твердых растворах с ограниченной растворимостью компонентов свойства сплавов изменяются сложным образом: в однофазных областях – по криволинейному закону, в двухфазных – по линейному (рис. 10.4,в). При дисперсионном твердении сплавов уменьшается концентрация легирующего элемента, кристаллическая решетка становится менее деформированной. Выделившийся компонент формирует вторичные кристаллы твердого раствора или химического соединения. В сплаве увеличивается число фаз, т. е. суммарная поверхность. Структурные изменения приводят к уменьшению удельного сопротивления, но оно остается выше, чем у чистого металла основного элемента.

3) Свойства сплавов – механических смесей изменяются по линейному закону (рис. 10.4,б). Удельное сопротивление сплавов в первом приближении линейно изменяется с изменением состава, т. е. возрастает пропорционально содержанию металла с большим значением удельного сопротивления. Заметные отклонения от линейности могут быть вызваны размерами зерен, их формой, распределением.

4) Химическому соединению на диаграмме состояния соответствует вертикальная линия, которая разделяет диаграмму на две независимые части с эвтектикой (рис. 10.4,г). Компоненты образуют с химическим соединением механические смеси. Кристаллическая решетка химического соединения отличается от решеток компонентов. Различают химические соединения металл-неметалл и интерметаллиды.

Сопротивление химического соединения металл-неметалл выше, чем отдельных компонентов, поскольку образование ковалентных или ионных связей уменьшает число свободных электронов. При отклонении химического состава от формулы соединения решетка искажается, образуются новые носители тока (как в полупроводниках), и сопротивление падает.

В интерметаллидах сохраняется металлическая связь, для которой характерна высокая концентрация электронов проводимости. Однако скорость их направленного движения в электрическом поле намного меньше, чем в металлах, за счет более сильного взаимодействия с атомами. Удельное сопротивление интерметаллидов больше.

5. Влияние деформации. При упругой деформации удельное сопротивление металлов может как увеличиваться, так и уменьшаться. При упругом растяжении и кручении увеличиваются амплитуды тепловых колебаний атомов. Длина свободного пробега электрона уменьшается, удельное сопротивление увеличивается. При деформации сжатием амплитуды тепловых колебаний атомов, наоборот, уменьшаются. В результате длина свободного пробега носителей заряда увеличивается, а удельное сопротивление уменьшается.

При пластической деформации зерна деформируются, увеличивается плотность дислокаций и концентрация собственных точечных дефектов. Это приводит к увеличению предела прочности, твердости и износостойкости. Удельное сопротивление при этом увеличивается. При рекристаллизационном отжиге металлов зерна укрупняются, концентрация дефектов уменьшается. Удельное сопротивление снижается до первоначального значения.

6. Влияние размеров проводника. Наиболее дефектной частью зерна является поверхность. Тонкие пленки, полученные, например, методами термического напыления в вакууме или химического осаждения, имеют большое удельное сопротивление. При кристаллизации в мелкозернистой пленке появляется много дефектов: вакансий, дислокаций, межблочных и межзеренных границ и др. Длина свободного пробега электрона уменьшается. Удельное сопротивление пленки тем больше, чем меньше ее толщина. Для оценки удельного сопротивления тонких пленок принято сопротивление квадрата R_□, через противоположные грани которого ток протекает параллельно поверхности:

где r_d – удельное сопротивление пленки толщиной d.

Сопротивление квадрата часто используют для определения сопротивления тонкопленочного резистора:

R = R_□ l / s,

где l – длина резистора; s – ширина пленки.

Особенностью электрических свойств тонких пленок является переход при определенной толщине знака TKr через нуль с изменением на противоположный. При увеличении толщины пленки TKr стремится к его значению в толстых слоях.

7. Влияние частоты тока. На высоких частотах наблюдается неравномерное распределение электрического тока по сечению проводника: плотность тока максимальна на поверхности и убывает по мере проникновения вглубь проводника. Это явление – скин-эффект. Неравномерное распределение тока объясняется действием магнитного поля того же проводника. В высокочастотных цепях проводники полые.

Скин-эффект характеризуется глубиной проникновения электромагнитного поля в проводник: чем выше его частота, тем на меньшую глубину оно проникает. Расстояние, на котором амплитуда напряженности поля (следовательно, и плотность тока) уменьшается в е раз от своего значения на поверхности – глубина проникновения поля D:

,

где w – частота; g – удельная электропроводность; μ – магнитная проницаемость; μ₀ – магнитная постоянная.

При высоких частотах плотность тока в остальных частях сечения проводника равна нулю, за исключением поверхностного слоя. Сопротивление проводника, вызванное скин-эффектом, можно оценить сопротивлением квадрата его поверхности R_s, аналогично R_□, заменив d на D:

.

Сопротивление R_s плоского проводника при скин-эффекте равно сопротивлению плоского проводника толщиной d при постоянном токе.