Классификация проводниковых материалов

 

Проводники электрического тока могут быть твердыми телами, жидкостями, а при выполнении ряда условий и газами.

Твердые металлические проводники по величине удельного сопротивления делятся на следующие группы:

– металлы и сплавы с высокой удельной электропроводимостью γ;

– металлы и сплавы со средним значением удельного электрического сопротивления ρ;

– металлы и сплавы с высоким значением ρ

– сверхпроводники;

– криопроводники.

Жидкие проводники делятся в зависимости от характера электропроводимости на два рода:

- проводники первого рода (электронная электропроводимость);

- проводники второго рода (электронно-ионная электропроводимость).

Газообразными проводниками можно считать высокоионизированные газы, т.е. вещества, переведенные в состояние плазмы.

Все проводниковые материалы делятся на металлические и неметаллические (модификации углерода - уголь, графит, угольно-графитовые композиции и высокоионизированные газы, электролиты) материалы.

По плотности металлы разделяют на легкие и тяжелые. К легким относят те металлы, плотность которых меньше 5 Мг/м³. Одним из наиболее легких металлов считается натрий, плотность которого меньше плотности воды. К тяжелым относят подавляющее большинство металлов, используемых в технике (железо, медь, никель, олово и др.).

 

 

ТВЕРДЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПРОВОДНИКИ

 

Металлическая связь

Твердые металлические проводники характеризуются высокой электро- и теплопроводностью, что обусловлено особенностями металлической связи между атомами.

Металлические связи образуются в металлах и обусловлены особенностями поведения внешних (валентных) электронов. Атомы металлов обладают способностью отдавать внешние (валентные) электроны, превращаясь в положительный ион, или присоединять их вновь, превращаясь снова в нейтральный атом.

Внешние электроны, которые покидают атомы, становясь свободными, называются коллективизированными.

В результате металл представляет собой систему, состоящую из положительных ионов, которые находятся в среде коллективизированных электронов.

Рис.1. Строение металлического проводника

 

 

В этой системе одновременно имеют место притяжение между ионами и свободными электронами и ковалентная связь между нейтральными молекулами. Наличие этих связей определяет монолитность и прочность металлов.

Благодаря наличию свободных электронов металлы обладают высокой электро- и теплопроводностью. Металлическая связь в отличие от ковалентной не имеет направленного характера, что придает металлам высокую пластичность. Большинство металлов имеют высокие температуры плавления и кипения.

 

Типы решеток у металлов

В металле атомы расположены так, что образуют правильную кристаллическую решетку, что определяется минимальной энергией взаимодействия атомов. Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла в любом объеме, называется элементарной кристаллической ячейкой. Они бывают кубическая объемноцентрированная (ОЦК), кубическая гранецентрированная (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ).

В гексагональной решетке атомы находятся в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома в средней плоскости призмы.

Расстояние между центрами ближайших атомов в элементарной решетке называют периодом решетки a. Обычно a =0,1 – 0,7нм.

Плотность кристаллической решетки характеризуется координационным числом – числом атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от рассматриваемого атома. Так у ОЦК решетки координационное число 8, его обозначают К8, у ГЦК – К12.

Благодаря разной плотности атомов в различных плоскостях и направлениях решетки в металлах наблюдается анизотропия свойств. Технические металлы являются поликристаллами, т.е. состоят из большого числа анизотропных кристаллов, которые статически неупорядоченно ориентированы по отношению друг к другу. То есть поликристаллическое тело является псевдоизотропным. Такой изотропности не будет, если кристаллы имеют преимущественную ориентацию (текстуру) в каком – либо направлении; например, за счет значительной холодной деформации.

 

Дефекты решетки металлов

Различают по геометрическим признакам: точечные, линейные, поверхностные.

Точечные дефекты:

– вакансии;

– межузельные атомы.

Вакансии возникают при переходе атомов из узла решетки на поверхность или из-за испарения и реже в результате перехода в междоузлие. Тепловые вакансии характерны для поверхностного расположения атомов. С ростом температуры концентрация вакансий растет.

Такие дефекты влияют на проводимость, магнитные и другие свойства металлов.

Линейные дефекты

Чаще всего краевые и винтовые дислокации. Вокруг дислокации на протяжении нескольких межатомных расстояний возникают искажения решетки. Вектор Бюргера – критерий такого искажения – разность периметров контуров вокруг данного атома в плоскости удельной решетки и вокруг центра дислокации в реальной решетке.

Поверхностные дефекты

Эти дефекты малы только в одном измерении и представляют собой поверхности раздела между отдельными зернами.

 

Кристаллизация металлов

Превращения из жидкого состояния в твердое характеризует кристаллизацию. При этом система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с меньшей энергией Гиббса (свободная энергия) W _св.

При Т > Т _рав более устойчив жидкий металл. При Т < Т _рав устойчивее твердое состояние. Т _рав – равновесная температура кристаллизации, когда сосуществуют обе фазы одновременно.

Кристаллизация начинается с образования кристаллических зародышей – центров кристаллизации. Растущие кристаллы или зерна геометрически правильной формы переходят к неправильной. Минимальный размер зародыша, способного к росту при данной температуре, называется критическим. С повышением Δ Т размер такого зародыша уменьшается, как и работа, необходимая для его образования. Чем выше скорость образования зародышей и их роста, тем интенсивнее идет кристаллизация.

Размер зерна меняет механические свойства. Так вязкость и пластичность растет, если зерно малое. Размер зерна зависит от химического состава, наличия примесей.

Форма кристаллов различна в зависимости от скорости охлаждения, характера и количества примесей. Чаще они имеют разветвленную форму (дендриты). Их можно обнаружить при специальном травлении шлифов особенно у литого металла (сплава). Столбчатые кристаллы нежелательны для стали, так как при ковке и других операциях возможны трещины. Многие металлы в зависимости от температуры могут иметь разные кристаллические формы (полиморфные модификации).