Проводниковые материалы. Электропроводность

Описание презентации по отдельным слайдам:

• 

  1 слайд

  Омский государственный технический университет
  каф. Электроника
  Дисциплина
  Радиоматериалы и радиокомпоненты
  
  Лекция 3.1. Проводниковые материалы.
  Электропроводность
  Доцент, к.т.н. Пономарёв Д.Б.
  

• 

  2 слайд

  Проводниковые материалы - это материалы, хорошо проводящие электрический ток при приложении внешнего электрического поля Е.
  В качестве проводниковых материалов в технике используется, в основном, два класса проводников.
  
  Твердые проводники с электронной проводимостью (проводники первого рода). К ним относятся металлы, сплавы, углеродистые материалы.
  
  Жидкие проводники (проводники второго рода). К этому виду проводниковых материалов относятся расплавленные и жидкие металлы (галлий, ртуть), различные электролиты.
  
  Особое состояние – плазма.
  

• 

  3 слайд

  Классификация проводниковых материалов
  

• 

  4 слайд

  Структурная схема
  

• 

  5 слайд

  3.1. Электропроводность проводниковых материалов
  Электропроводность
  
  

• 

  6 слайд

  Электропроводность
  γ = e∙N∙μ
  
  где
  N - концентрация свободных носителей заряда, м-3;
  ~ 1028 в одном кубическом метре (Ag, Cu, Au и Al)
  μ - подвижность носителей заряда, м2/В∙с;
  e - величина заряда носителя, Кл;
  γ – электропроводность, См.
  Электропроводность
  
  γ = 1/ρ
  

• 

  7 слайд

  Подвижность
  где
  V – скорость электрона в электрическом поле, м/с;
  е – заряд электрона, Кл;
  λСР – средняя длина свободного пробега электрона, м;
  m – масса электрона.
  μ - подвижность носителей заряда, м2/В∙с.
  Электропроводность
  
  

• 

  8 слайд

  Электропроводность
  
  

• 

  9 слайд

  Удельное сопротивление
  ρ = 1 Омм или Оммм2/м.
  основной параметр проводниковых материалов
  ρ = 1/γ
  Электропроводность
  
  

• 

  10 слайд

  Удельное сопротивление
  где p1 – удельное сопротивление в начале диапазона;
  величина αρ – характеризует средний температурный коэффициент
  Электропроводность
  
  

• 

  11 слайд

  Т↑ => λСР ↓ => μ↓ => ρ ↑ , γ↓
  Зависимость электропроводности проводника
  от температуры может определяться только длиной свободного пробега электрона в решетке. Из физики твердого тела известно, что λСР уменьшается при повышении температуры.
  Электропроводность
  
  

• 

  12 слайд

  Зависимости удельного сопротивления от температуры в широком интервале температур для меди (а) и при низких температурах для меди и алюминия (б)
  Удельное сопротивление меди
  Электропроводность
  
  

• 

  13 слайд

  Температурный коэффициент сопротивления ТКR (ТКρ) проводников (чистых металлов) положителен и составляет величину
  (3∙10-3...4∙10-3) 1/град. Несколько большим αρ характеризуются ферромагнитные металлы.
  
  На практике при изменении αρ часто бывает полезной следующая формула
  
  αρ = αr + αl
  
  αr – ТК сопротивления данного резистора,
  αl - ТК линейного расширения материала.
  У чистых металлов αρ >> αl, поэтому у них αρ ≈ αr. Однако для термостабильных металлических сплавов такое приближение оказывается несправедливым.
  Электропроводность
  
  

• 

  14 слайд

  14
  Введение в медный проводник 0,01 ат. доли примеси серебра вызывает увеличение удельного сопротивления меди на 0,002 мкОм·м.
  Влияние примесей
  Электропроводность
  
  

• 

  15 слайд

  15
  Влияние примесей на проводимость Ме
  

• 

  16 слайд

  16
  Вносят свой вклад в электросопротивление и дефекты, вводимые в металл при его холодной пластической деформации (ХПД), так, после сильной ХПД у Al, Cu, Ag, Au, ρ увеличивается на 5-6%, а у Mo и W до 10-20%.
  Влияние обработки
  Электропроводность
  
  !
  

• 

  17 слайд

  17
  В сплавах с ростом концентра- ции примесей удельное электро- сопротивление сплава r возра- стает за счет увеличения состав ляющей rост. Соответственно, ТКС сплава с ростом концентрации дефектов уменьшается.
  Электропроводность
  
  

• 

  18 слайд

  18
  Правило Матиссена для сплавов
  Удельное электросопротивление металла со статическими дефектами определяется правилом Матиссена
  r = rт + rост, (2.12)
  где rт - составляющая удельного электросопротивления, обусловленная рассеянием электронов на тепловых колебаниях решетки, rост - остаточное электросопротивление, обусловленное рассеянием электронов на точечных и линейных дефектах.
  При этом величина rост практически не зависит от температуры Т.
  Поэтому температурная зависимость удельного электросопротивления сплава r=f(Т) характеризуется более слабым изменением, чем чистого металла. ТКС сплава определяется только относительным изменением составляющей электросопротивления Drт/r, обусловленной рассеянием электронов на тепловых колебаниях решетки, происходящим при изменении температуры DТ, и выражается соотношением
  
  ,1/K
  
  Электропроводность
  
  

• 

  19 слайд

  19
  Примеры для сплавов благородных металлов
  Электропроводность
  
  

• 

  20 слайд

  20
  Сu - 0,0175 Ом∙мм2/м. Ni, - 0,073 Ом∙мм2/м
  
  константан (60% Сu и 40% Ni) 0,5 Ом∙мм2/м.
  ТКρ этого сплава отрицателен или очень мал: - (5...20)∙10-6 1/град;
  Зависимость ТКρ и ρ для сплава Ni – Cu
  0 20 40 60 80 100 % Cu
  100 80 60 40 20 0 % Ni
  
  ТКρ
  ρ
  Электропроводность
  
  

• 

  21 слайд

  Зависимость αρ и ρ от температуры для манганина
  Электропроводность
  
  

• 

  22 слайд

• 

  23 слайд

  23
  Электросопротивление тонких плёнок
  Характеристикой электросопротивления тонких пленок с толщиной d более 0,1 мкм является сопротивление квадрата поверхности (rкв)
  
  , Ом, (2.14)
  
  где d - толщина пленки; r - удельное электросопротивление пленки данной толщины, Ом×м.
  
  Электропроводность
  
  

• 

  24 слайд

  24
  Формулы для расчёта электросопротивления
  Общее электросопротивление пленочного проводникового элемента рассчитывается по формуле
  , Ом,
  где l - длина пленки, мм; b - ширина пленки, мм.
  Для тонкослойных резисторов величина rкв находится в пределах 500...1000 Ом.
  Сопротивление проволочного резистивного элемента определяется соотношением
  , Ом,
  
  где r - удельное сопротивление проводника, Ом·м, l - длина проводника, м; S – плошадь поперечного сечения, м2.
  Электропроводность
  
  

• 

  25 слайд

  25
  Электросопротивление на высоких частотах
  Электропроводность
  
  На высоких частотах наблюдается неравномерное распределение электрического тока по сечению проводников: плотность тока максимальна
  на поверхности и убывает по мере проникновения в глубь проводника. Это явление получило название поверхностного эффекта (скин - эффекта).
  

• 

  26 слайд

  26
  Электросопротивление на высоких частотах
  Электропроводность
  
  Глубина проникновения поля численно равна расстоянию, на котором амплитуда напряженности поля, а следовательно, и плотности тока, уменьшается в е раз по отношению к своему значению на поверхности проводника.
  

• 

  27 слайд

  27
  Электросопротивление на высоких частотах
  Электропроводность
  
  Связь глубины проникновения поля с физическими
  характеристиками вещества определяется выражением:
  Коэффициент увеличения сопротивления kR
  цилиндрического провода круглого сечения S0 рассчитывают по формуле (Δ << d) :
  

• 

  28 слайд

  28
  Классификация проводниковых материалов по r
  1. Проводниковые материалы с малым электрическим сопротивлением (r=(0.015...0.2)×10-6 Ом×м). К ним относятся:
  материалы для моточных изделий, проводного монтажа, печатных и пленочных проводников;
  металлы и сплавы для электрических контактов;
  припои;
  Неметаллические проводниковые материалы.
  2. Проводниковые материалы с удельным электросопротивлением более 0,2×10-6 Ом×м:
  высокоомные сплавы и материалы для проволочных резисторов;
  материалы для пленочных резисторов;
  сплавы для выводов электровакуумных и полупроводниковых приборов.
  3. Сверхпроводящие материалы:
  чистые металлы;
  интерметаллические и химические соединения металлов;
  керамические материалы.
  

• 

  29 слайд

  29
  Сверхпроводимость
  
  3.2. Сверхпроводимость
  - это явление резкого уменьшения удельного сопротивления металлов и сплавов при температурах, близких к абсолютному нулю.
  Впервые сверхпроводимость была обнаружена у ртути (Тсв=4,2 К) в 1911 году голландским физиком Х. Каммерлинг-Оннесом.
  

• 

  30 слайд

  Одним из главных отличий сверхпроводников от идеальных проводников является эффект Мейснера, открытый в 1933 году, т.е. полное вытеснение  магнитного поля из материала (диамагнетизм) при переходе в сверхпроводящее состояние.
  Сверхпроводимость
  
  

• 

  31 слайд

  Куперовская пара электронов сверхпроводящие электроны
  собственные колебания решетки согласованы с электронной волной
  
  Для двух электронов, находящихся на расстоянии порядка атомного
  (d ~ 10-8 см),
  Энергия магнитной связи W ≈ 10-4 эВ.
  Это соответствует температуре частиц порядка 1 К.
  Сверхпроводимость
  
  

• 

  32 слайд

  Критическое магнитное поле
  
  В магнитном поле с напряженностью Н энергия переворота частицы со спином ½ равна 2μН. Сравнивая эту энергию с энергией, необходимой для переворота электрона и разрыва куперовской пары в сверхпроводящем металле, получим правильную оценку так называемого критического магнитного поля, разрушающего сверхпроводимость: Н ~ 10 кГс, магнитная индукция ~ 1 Тл.
  Сверхпроводимость
  
  

• 

  33 слайд

  Значение r составляет ~ 10-25 Ом*м, что в 1017 раз меньше удельного сопротивления меди при 200С.
  Параметры сверхпроводников
  Сверхпроводимость
  
  

• 

  34 слайд

  R
  0
  T, K
  Tкр
  (Iр. св)
  Tкр
  (IIр. св)
  Tпл
  (IIр. св)
  Tпл
  (Iр. св)
  Iр. св
  IIр. св
  Зависимость сопротивления сверхпроводников Iр и IIр от температуры
  Мягкие и твердые сверпроводники
  Сверхпроводимость
  
  

• 

  35 слайд

  Твердые сверхпроводники обладают рядом особенностей:
  При охлаждении переход в сверхпроводящее состояние происходит не резко (как у мягких и СВП), а на протяжении некоторого температурного диапазона.
  При изменениях магнитной индукции могут также наблюдаться промежуточные состояния между СВП и нормальным.
  Эффект Майснера-Оксенфельда-Аркадьева у них выражен не полностью.
  Замечается тенденция к рассеянию энергии при пропускании через них переменного тока.
  СВП свойства в большой степени зависят от технологического режима изготовления и т. д.
  Сверхпроводимость
  
  

• 

  36 слайд

  Применение сверхпроводников в мощных магнитах, трансформаторах, генераторах, линиях передач сводит к нулю потери в проводниках и позволяет значительно повышать плотность тока и напряженность магнитного поля.
  Маломощная элекроника (Джозефсоновский переход).
  Сверхпроводимость
  
  

• 

  37 слайд

  Сверхпроводимость
  
  

• 

  38 слайд

  Академики В.Л. Гинзбург, А.А. Абрикосов нобелевские лауреаты за работы по сверхпроводимости
  
  
  http://polit.ru/article/2012/12/04/superconductor/
  Сверхпроводимость
  
  

• 

  39 слайд

  Криопроводимость (прежнее название – гиперпроводимость),
  явление достижения некоторыми металлами при криогенных температурах (но при температуре выше Ткр, если данный металл принадлежит к СВП) весьма малого значения ρ, в сотни и тысячи раз меньшего, чем ρ при нормальной температуре.
  
  Cu и Al (охлаждение - жидкий водород)
  
  Вi (охлаждение жидкий азот)
  Сверхпроводимость
  
  

• 

  40 слайд

  http://perst.isssph.kiae.ru/supercond/bulletein.php?menu=bull_subj&id=462
  В основе линии – самый длинный (600 м), самый мощный (574 МВт) и самый высоковольтный (138 кВ) трехфазный ВТСП кабель в мире
  Сверхпроводимость
  
  

• 

  41 слайд

  Для изготовления кабеля потребовалось 155 км ВТСП проводника – ленточных проводов ВТСП 1-го поколения Bi-2223
  Сверхпроводимость
  
  

• 

  42 слайд

  42
  Классификация сверхпроводников
  1. Наиболее известными сверхпроводниками являются олово (Тсп= =3,72 К), свинец (Тсп=7,2 К), ниобий (Тсп=9,2 К). У остальных металлов сверхпроводимость наблюдается или при охлаждении под очень высоким давлением - до 108...109 Па, или в тонких пленках этих материалов.
  2.Широкий класс сверхпроводников представляют сплавы, интерметаллические соединения и химические соединения металлов. Таких сверхпроводников известно более 1000. Наиболее известными из них являются соединение V3Ga (Тсп=14,8 К), станнид ниобия Nb3Sn (Тсп=18,0 К), германид ниобия Nb3Ge (Тсп=23,3 К).
  3. Разработаны сверхпроводящие керамические материалы сложных химических составов на основе редкоземельных металлов, обладающих сверхпроводимостью при сравнительно высоких температурах, приближающихся к температуре жидкого азота. К ним относятся материалы La1,8Sr0,2CuO4 (Тсп=36 К), La1-xBaxCuyO3-y (Тсп=56 К), YBa2Cu3O6,5 (Тсп=82 К).
  В настоящее время налажен выпуск сверхпроводящих материалов в виде проволоки и лент, а также полуфабрикатов для изготовления на их основе тонких пленок методом пленочной микроэлектроники.
  

• 

  43 слайд

  43
  Спасибо за внимание!