1. Resistenza elettrica dei metalli. La teoria quantistica della conducibilità elettrica dei metalli si riduce a quanto segue:

un . In un reticolo cristallino ideale gli elettroni di conduzione non dovrebbero subire resistenza durante il loro movimento. La resistenza sorge quando difetti strutturali, cioè viene violata la periodicità del reticolo.

B . in veri cristalli Esistono due meccanismi di violazione della struttura: impurità e termica. Di conseguenza, si distinguono impurità resistività r n e termico(oscillatorio) r T. Secondo regola dell'additività della resistenza impedenza metallica R pari alla loro somma r = r n + r T. (13.1)

v . resistenza alle impurità rn per la presenza di atomi estranei nel reticolo (atomi di impurità). Se il metallo è sufficientemente puro e la concentrazione di atomi di impurità è bassa, la resistenza alle impurità è praticamente indipendente dalla temperatura e diventa evidente solo vicino allo zero assoluto. A causa dell'impurità, la resistività del metallo non dovrebbe andare a zero anche quando T= 0 K.

G . Resistenza termica r T sorge a causa della dispersione degli elettroni di conduzione sulle fluttuazioni della densità dei nodi reticolo cristallino derivanti dal moto oscillatorio termico dei nodi. Nella teoria dei quanti, termica moto oscillante gli atomi del reticolo sono trattati come un sistema di stazionamento onde sonore in cristallo - fononi. Perciò parlano diffusione degli elettroni di conduzione sui fononi.

a differenza di teoria classica conducibilità elettrica dei metalli Drudo - Lorenza, che prevede la dipendenza della resistenza dalla temperatura della forma R~ , la teoria quantistica fornisce la previsione corretta dipendenza lineare R~T. A temperature dei metalli T³ 50 K R= R 0 in, che corrisponde alla formula empirica R= R 0 (1 + un T). Nella teoria dei quanti, si scopre che quando T® 0 resistività totale del metallo R dovrebbe lottare per l'impurità rn. La Figura 90 mostra la dipendenza sperimentale della resistività del sodio puro dalla temperatura.

A T® 0 K R® rn\u003d 4 10 -11 Ohm m, che è circa lo 0,4% della resistenza a T= 273 K. Già a temperature T³ 20 K dipendenza R(T) diventa quasi lineare.

D . Elettricità interpretato nella teoria quantistica come deriva elettronica nel campo periodico del cristallo. Questa deriva avviene sotto l'azione di una costante forza elettrica sua, dove e- tensione campo elettrico che crea una corrente. Si è scoperto che la velocità di deriva degli elettroni dipende dalla profondità della loro posizione nella banda di conduzione. Questa dipendenza si esprime attraverso massa efficace m eff elettrone. A differenza della massa a riposo me La massa effettiva dell'elettrone libero di un elettrone nella banda di conduzione di un metallo è un valore variabile che dipende dalla larghezza della banda.

Vicino al fondo della banda, la massa effettiva dell'elettrone è positiva. La direzione della deriva corrisponde al vettore di densità di corrente. Man mano che sale al limite superiore della zona, la massa effettiva assume infinitamente Grande importanza me ef= ¥ e poi diventa negativo. Di conseguenza, la velocità di deriva dell'elettrone, avendo una direzione "corretta" nella parte inferiore della zona, passa gradualmente attraverso lo zero e assume valori negativi ("errati") al limite superiore della zona.

Relazioni ottenute nell'approssimazione degli elettroni liberi nella teoria Drude - Lorenz, risultano essere validi per gli elettroni che si muovono nel campo periodico del reticolo, se sostituiamo in essi la massa a riposo dell'elettrone me ad efficace me ef.

2. Superconduttività. Nel 1911 Camerling - Onnes, misurando la resistenza del mercurio alle basse temperature, ha riscontrato che a T= 4,2 K, la resistenza del mercurio è praticamente scesa a zero. Questo fenomeno è stato chiamato superconduttività. La Figura 91 mostra le curve sperimentali della dipendenza della resistività di alcuni metalli puri dalla temperatura prossima allo zero assoluto. È ovvio che il fenomeno non può essere ridotto a un normale calo della resistività di un cristallo privo di difetti quando rn= 0, e r T. Il passaggio allo stato superconduttore non avviene senza intoppi, ma bruscamente a una certa temperatura T cre, che è chiamato temperatura critica di transizione. Attualmente sono noti circa 30 superconduttori. elementi chimici e oltre 500 materiali superconduttori.

3. Effetti della superconduttività.

un . Elettricità , eccitato in un anello superconduttore, può circolare in esso per anni.

B . l'effetto Meissner. Nel 1933 Walter Meissner e R. Oksenfeld ha scoperto che una sostanza posta in un campo magnetico (Fig. 92 a sinistra), al passaggio a uno stato superconduttore, non congela il campo magnetico che si trova in essa, come avrebbe dovuto essere quando una sostanza passa semplicemente a uno stato con zero resistenza, ma lo spinge fuori dal suo volume (fig. 92 a destra). È inerente diamagneti ideali con permeabilità magnetica nulla m= 0.

Poiché il campo magnetico non penetra nel superconduttore, ne consegue che la corrente elettrica può fluire solo sulla superficie del superconduttore. Dopotutto, se la corrente potesse fluire nello spessore del superconduttore, allora ci sarebbe un campo magnetico attorno ad esso nello spessore del superconduttore. In effetti, l'esperienza mostra che una corrente elettrica scorre in un superconduttore in uno strato superficiale di spessore l= 10 ¸ 100 nm. Il campo magnetico penetra anche questa profondità nel superconduttore, diminuendo con la distanza X dalla superficie secondo la legge esponenziale

B = B 0 exp(- xcl). (13.2)

Una sostanza allo stato superconduttore acquisisce due proprietà fondamentali che non sono correlate tra loro: perfetta conducibilità e perfetto diamagnetismo.

l'effetto Meissner permette di sospendere stabilmente i corpi superconduttori in un campo magnetico (Fig. 93). Quando la palla passa nello stato superconduttore del 1° tipo, il campo magnetico ne viene espulso. Di conseguenza, viene indotta una corrente nello strato superficiale della palla in una direzione tale che la palla viene spinta fuori dal campo.

v . Effetto critico campo magnetico . Consiste nel fatto che quando il campo magnetico in cui si trova il superconduttore raggiunge un certo valore limite dell'induzione In kr»10 -2 ¸ 10 1 T, la superconduttività scompare.

La Figura 94 mostra la dipendenza In kr sulla temperatura per piombo (curva superiore) e per stagno (curva inferiore). A temperatura critica T = T cre il campo critico è zero, In kr= 0, e con temperatura decrescente In kr aumenta.

Se amplifichiamo la corrente che scorre attraverso il superconduttore, allora ad un certo punto del suo valore critico io cre lo stato superconduttore viene distrutto. Perché il campo magnetico V proporzionale alla corrente io, quindi la dipendenza io cre sulla temperatura è simile alla dipendenza In kr(T). L'effetto di un campo magnetico critico complica la tecnica per ottenere campi magnetici superforti utilizzando circuiti superconduttori. Il calcolo della corrente critica deve tenere conto del fatto che la corrente scorre nello strato vicino alla superficie. Ad esempio, per un conduttore con un diametro di 1 mm a l = Sezione trasversale di 35 nm dello strato superficiale, attraverso il quale scorre la corrente, circa 10 -4 mm 2 . Questo è circa lo 0,01% della sezione trasversale totale del conduttore.

d. Effetto giuseppe . Nel 1962 Brian Josephson teoricamente previsto due effetti, la cui essenza è la seguente.

Colleghiamo un amperometro al superconduttore (in Fig. 95-a è mostrato sotto forma di una barra) UN con una sorgente di corrente continua, di cui EMF e e un voltmetro V. La corrente che scorre attraverso il circuito è misurata da un amperometro. Poiché la resistenza del superconduttore è zero, il voltmetro mostra zero.

Tagliamo il superconduttore in due parti e le spostiamo in modo da creare uno spazio vuoto D» 1 mn. Come previsto giuseppe, quando un tale superconduttore è incluso nel circuito, si può osservare uno dei due seguenti effetti.

Effetto Josephson stazionario. Una corrente continua scorre ancora attraverso il superconduttore. Si scopre che la corrente può fluire senza resistenza non solo attraverso un superconduttore, ma anche attraverso uno spazio vuoto in esso, se è abbastanza stretto (Fig. 95-b).

Effetto Josephson non stazionario. Alle estremità di un superconduttore con uno spazio vuoto, differenza di potenziale costante. In questo caso, onda elettromagnetica ad alta frequenza(Fig. 95-c). Non solo la corrente continua, ma anche quella alternata ad alta frequenza scorre attraverso il superconduttore.

Gli effetti attuali giuseppe non solo confermato sperimentalmente, ma anche utilizzato in microelettronica.

4. Teoria della superconduttività costruito nel 1957 John Bardeen, Leon Cooper e John Schrieffer. Con le prime lettere dei loro cognomi, si chiamava BKSH - teoria. La teoria BCS si basa sull'idea che tra gli elettroni di conduzione di un metallo possono agire forze attrattive derivanti dalla loro polarizzazione del reticolo cristallino.

Un elettrone che si muove in un reticolo attira a sé ioni carichi positivamente, avvicinandoli un po' e creando così un'energia in eccesso lungo il suo percorso. Carica positiva reticolo polarizzato a cui possono essere attratti altri elettroni. Ciò equivale all'emergere di una forza attrattiva tra gli elettroni, che agisce solo non direttamente, ma attraverso un reticolo polarizzato.

Si può presumere che la superconduttività dovrebbe essere prevista principalmente in quei metalli in cui vi è una forte interazione del gas di elettroni con il reticolo, risultando in condizioni normali ad alta resistività. Infatti, tra i metalli puri, i migliori superconduttori erano quelli ad alta resistenza: piombo Pb, niobio Nb, stagno Sn, mercurio Hg. Allo stesso tempo, metalli a bassa resistenza come rame Cu e argento Ag, in cui il gas di elettroni ha un'elevata mobilità, non mostrano superconduttività.

Come mostrato Leon Cooper, in T< T cre, il più alto gli elettroni situati a livello di Fermi possono accoppiarsi. in cui la loro energia totale è inferiore all'importo energie dei singoli elettroni. L'energia rilasciata deve essere rimossa dal cristallo mediante raffreddamento. Diminuzione di energia coppie di bottaio porta ad una diminuzione del livello superiore occupato dagli elettroni. Di conseguenza, appare un intervallo di banda 2D ampio tra i livelli delle coppie di Cooper ei livelli liberi più vicini (Fig. 96 a sinistra). Questo divario energetico emergente non consente alle coppie di elettroni di Cooper di ricevere bassa energia. Possono accettare solo un'energia di almeno 2D, che consentirà agli elettroni di saltare oltre questo divario. Pertanto, quando T< T cre Le coppie di Cooper risultano essere molto stabili.

A T< T cre non tutti gli elettroni si accoppiano. Ad ogni temperatura, si stabilisce una relazione di equilibrio tra le concentrazioni di elettroni normali e accoppiati. Si scopre che la larghezza è 2 D Il gap di energia in un superconduttore dipende dal numero di elettroni spaiati. La loro concentrazione diminuisce al diminuire della temperatura e, di conseguenza, l'ampiezza del gap aumenta (Fig. 96 a destra).

Gli elettroni che formano coppie di Cooper hanno spin opposti. Pertanto, lo spin della coppia è zero e lo è bosone. I bosoni possono accumularsi nello stato energetico fondamentale, dal quale è difficile trasferirli in uno stato eccitato. Pertanto, le coppie di Cooper in uno stato di movimento coordinato possono rimanere indefinitamente. Un tale movimento coordinato di coppie è la corrente di superconduttività.

La distanza tra gli elettroni di una coppia è grande. È di circa 1000 nm, che corrisponde a circa 5000 diametri atomici. Circa 1000 paia si sovrappongono, occupando il volume totale.

5. Spiegazione di BCS - la teoria dell'effetto della corrente critica. Per noti superconduttori, il gap energetico è in media 2D = 3 meV » 5 10 -22 J. Per distruggere una coppia di Cooper, uno degli elettroni della coppia deve ridurre l'energia del suo movimento, secondo almeno, da 2D.

Assumiamo che un elettrone ceda questa energia in una collisione frontale con un sito reticolare in modo tale che dopo la collisione rimbalzi con la stessa velocità di deriva vd v direzione inversa. Energia elettronica prima della collisione e k1 = io(vf + vd) 2 ç 2, energia dopo l'impatto e k2 = io(vf - vd) 2 ç 2. Qui vfè la velocità termica degli elettroni a livello di Fermi (»10 6 m ç Con), vdè la velocità di deriva dell'elettrone in campo elettrico, non supera 1 m ç Con.

declino energia cinetica l'elettrone deve essere almeno uguale a 2D. Zolla erbosa e k = = 2 me v f v d= 2D. (13.3)

Quindi, la velocità minima di deriva vd, necessario per la distruzione della coppia Cooper, è vd= d çm e v f. (13.4)

La densità della corrente di conduzione degli elettroni è j = ambiente d, (13.5)

dove nè la concentrazione di elettroni di conduzione nel metallo. Sostituendo la velocità di deriva critica da (13.4), otteniamo la densità di corrente critica J kr .

J cr = env d= it D çm e v f. (13.6)

Per superconduttori tipici n\u003d 3 10 28 m -3, vf= 10 6 m ç s, 2D = 3 meV. Sostituire.

J cr = =10 12 . Ciò corrisponde a una corrente di 10 6 A attraverso un conduttore con una sezione trasversale di 1 mm 2. Ma in un vero superconduttore, la corrente scorre solo in un sottile strato superficiale di circa 35 nm, che corrisponde alla sezione trasversale S\u003d 10 -4 mm 2. Pertanto, la corrente critica in un superconduttore di circa 1 mm di spessore è solo io kr = j kr S= 10 6 A ç mm 2 10 - 4 mm 2 \u003d 100 A. Questo è coerente con l'esperimento.

6. Spiegazione della teoria BCS del campo magnetico critico. Quando un superconduttore è posto in un campo magnetico V Una corrente continua viene indotta nello strato superficiale di un superconduttore. Questa corrente non smorzata ha un'intensità e una direzione tali che il suo campo magnetico all'interno del superconduttore è completamente compensato campo esterno V . Con un aumento del campo V la densità di corrente di compensazione nel superconduttore aumenta. Se il campo esterno V sarà così grande che la densità del corrente di induzione raggiunge un valore critico, la superconduttività viene distrutta.

Tutto quanto sopra si applica a superconduttori 1-città, in cui la corrente elettrica esiste solo nello strato vicino alla superficie. Qualche tempo dopo, furono scoperti e studiati superconduttori 2-città. In loro, che sorgono in un campo magnetico esterno V le correnti superconduttrici scorrono non solo sulla superficie, ma penetrano anche nello spessore del conduttore. I superconduttori di tipo 1 hanno un campo magnetico critico V cr non supera 0,1 T e per i superconduttori di tipo 2 raggiunge il valore V cr » 20 Tl.

7. Effetti giuseppe sono spiegati da BCS - teoria come risultato del tunneling delle coppie di Cooper attraverso uno stretto spazio tra i superconduttori. Secondo la teoria, la frequenza n la corrente superconduttiva alternata è data da: n= . (13.7)

Con lo stress sul divario u= 1 mV di frequenza n= 485 GHz, che corrisponde alla lunghezza d'onda della radiazione EM l = cn= 0,6 mm.

8. Reattanza di un superconduttore. A qualsiasi temperatura T< T cr superconduttore contiene quasi sempre entrambi gli elettroni superconduttori con una concentrazione n c, e normale ( n n) elettroni. Se un superconduttore viene posto in un campo ad alta frequenza, non solo le coppie di Cooper, ma anche gli elettroni normali vengono accelerati in questo campo elettrico alternato. Pertanto, la corrente ha sia una componente superconduttrice che una normale.

Questi e altri elettroni hanno massa, a causa della loro inerzia, la corrente è in ritardo rispetto alla fase dell'intensità del campo HF. Le coppie di Cooper si muovono nel conduttore come senza attrito. Secondo la meccanica classica, la velocità delle particelle in questo caso è in ritardo rispetto alla forza periodica che agisce su di esse in fase di pc 2. Pertanto, il componente superconduttore della corrente ad alta frequenza è in ritardo rispetto all'intensità del campo pc 2. Questo significa che Le coppie di Cooper creano puramente reattanza.

Gli elettroni normali si muovono come per attrito. Pertanto, creano resistenza sia reattiva che attiva.

Il contributo più significativo alla resistenza residua è dato dalla dispersione delle impurità, che sono sempre presenti in un conduttore reale, o sotto forma di contaminazione o sotto forma di elemento di lega (cioè introdotto intenzionalmente). Qualsiasi additivo di impurità porta ad un aumento di r, anche se ha una conduttività maggiore rispetto al metallo di base. Quindi, l'introduzione di un conduttore di rame 0,01 a. la proporzione di impurità d'argento provoca un aumento della resistività del rame di 0,002 μOhm m È stato sperimentalmente stabilito che con un basso contenuto di impurità, la resistività aumenta in proporzione alla concentrazione di atomi di impurità. Impurità diverse hanno effetti diversi sulla resistenza residua dei conduttori. Oltre alle impurità, un certo contributo alla resistenza residua è dato dai suoi stessi difetti strutturali: vacanze, atomi interstiziali, dislocazioni, bordi di grano.

Le ragioni della dispersione delle onde elettroniche in un metallo non sono solo le vibrazioni termiche dei siti del reticolo, ma anche i difetti strutturali statici, che violano anche la regolarità del reticolo cristallino. La dispersione di difetti strutturali statici non dipende dalla temperatura. Pertanto, quando la temperatura si avvicina allo zero assoluto, la resistenza dei metalli reali tende ad una certa quantità valore costante chiamata resistenza residua.

Resistività le sostanze dipendono dalla temperatura. Di norma, la resistenza dei metalli aumenta con la temperatura. Questo non dovrebbe sorprendere: all'aumentare della temperatura, gli atomi si muovono più velocemente, la loro disposizione diventa meno ordinata e ci si può aspettare che interferiscano maggiormente con il flusso di elettroni. In intervalli di temperatura ristretti, la resistività del metallo aumenta quasi linearmente con la temperatura:

A molto basse temperature la resistenza specifica di alcuni metalli, così come leghe e composti, scende a zero entro l'accuratezza delle moderne misurazioni. Questa proprietà è chiamata superconduttività; fu osservato per la prima volta dal fisico olandese Geiko Kamer-Ling-Onnes (1853-1926) nel 1911 quando il mercurio fu raffreddato al di sotto di 4,2 K. A questa temperatura resistenza elettrica il mercurio è sceso improvvisamente a zero.

Vale la pena notare che tra i buoni conduttori, che sono i metalli, i metalli preziosi sono i più preferiti, mentre l'argento è considerato il miglior conduttore, perché ha la bassa resistività più bassa. Questo spiega in particolare l'uso dei metalli preziosi nella saldatura elementi importanti in ingegneria elettrica. Dai valori della resistività delle sostanze, si può giudicare il loro applicazione pratica- sono adatte alla fabbricazione sostanze ad alta resistività materiali isolanti, e con un po' - per i direttori d'orchestra.

Per ottenere la dipendenza dell'intensità della corrente nel circuito dalla resistenza di Ohm, è stato necessario eseguire grande quantità esperimenti in cui era necessario cambiare la resistenza del conduttore. A questo proposito, ha affrontato il problema dello studio della resistenza di un conduttore in funzione dei suoi parametri individuali. In primo luogo, Georg Ohm ha richiamato l'attenzione sulla dipendenza della resistenza del conduttore dalla sua lunghezza, già brevemente discussa nelle lezioni precedenti. Ha concluso che con l'aumento della lunghezza del conduttore, anche la sua resistenza aumenta in proporzione diretta. Inoltre, si è riscontrato che anche la sezione trasversale del conduttore, ovvero l'area della figura, che si ottiene con una sezione trasversale, influisce sulla resistenza. In questo caso, maggiore è l'area della sezione trasversale, minore è la resistenza. Da ciò possiamo concludere che più spesso è il filo, minore è la sua resistenza. Tutti questi fatti sono stati ottenuti empiricamente.

Se presti attenzione a questa formula, allora possiamo concludere che con esso si esprime la resistività del conduttore, cioè determinando la forza e la tensione della corrente sul conduttore e misurandone la lunghezza con l'area della sezione trasversale, puoi usare Ohm legge e la formula indicata per calcolare la resistività. Quindi, il suo valore può essere confrontato con i dati nella tabella e determinare di quale sostanza è fatto il conduttore.

Il numero di portatori di carica in un conduttore metallico rimane praticamente invariato all'aumentare della temperatura. Tuttavia, a causa dell'intensificazione delle vibrazioni dei nodi del reticolo cristallino con l'aumentare della temperatura, appaiono sempre più ostacoli nel percorso del movimento diretto degli elettroni liberi sotto l'influenza di un campo elettrico, ad es. Il percorso libero medio di una diminuzione di elettroni? , La mobilità degli elettroni diminuisce e, di conseguenza, la conduttività specifica dei metalli diminuisce e la resistività aumenta (Figura 2.1)

Come già accennato, le impurità e le violazioni della corretta struttura dei metalli ne aumentano la resistività. Crescita significativa? osservato nella lega di due metalli nel caso in cui formino una soluzione solida tra loro, cioè, dopo l'approvazione, cristallizzano insieme e gli atomi di un metallo entrano nel reticolo cristallino di un altro.

Questo coefficiente è interessante non solo quando si considera il funzionamento di vari materiali di accoppiamento in un particolare progetto (la possibilità di incrinare o rompere il vuoto connessione stretta con vetri, ceramica al variare della temperatura). È inoltre necessario calcolare il coefficiente di resistenza termica del filo

Quando due diversi conduttori metallici tra di loro c'è una differenza di potenziale di contatto. La ragione della comparsa di questa differenza di potenziale è la differenza nei valori della funzione di lavoro degli elettroni da metalli diversi, e anche nel fatto che la concentrazione di elettroni e, di conseguenza, la pressione del gas di elettroni all'interno vari metalli e le leghe possono essere diverse. CON teoria elettronica metalli ne consegue che la differenza di potenziale di contatto tra i metalli A e B è uguale a

Queste difficoltà sono state superate assumendo la posizione della meccanica quantistica. In contrasto con la teoria elettronica classica meccanica quantistica ritiene che il gas di elettroni nei metalli a temperatura ordinaria sia in uno stato di degenerazione, in questo stato l'energia del gas di elettroni è quasi indipendente dalla temperatura, cioè moto termico quasi non cambia l'energia degli elettroni. Pertanto, non viene speso calore per riscaldare il gas di elettroni e risulta quando si misura la capacità termica dei metalli. Un gas di elettroni entra in uno stato simile ai gas ordinari a temperature dell'ordine di migliaia di kelvin. Rappresentando un metallo come un sistema in cui gli ioni positivi sono tenuti insieme da elettroni che si muovono liberamente, è facile comprendere la natura di tutte le proprietà fondamentali dei metalli: plasticità, duttilità, buona conducibilità termica ed elevata conducibilità elettrica.

Il materiale conduttore sufficientemente promettente è il sodio metallico. Il sodio può essere ottenuto mediante elettrolisi del cloruro fuso sodio NaCl in quantità praticamente illimitate. Da un confronto delle proprietà del sodio con le proprietà di altri metalli conduttivi, si può vedere che la resistività del sodio è circa 2,8 volte maggiore? rame e 1,7 volte di più? alluminio, ma a causa della densità estremamente bassa del sodio (la sua densità è quasi 9 volte inferiore alla densità del rame), un filo con sodio a una data conduttività per unità di lunghezza dovrebbe essere molto più leggero di un filo di un altro metallo. Tuttavia, il sodio è chimicamente estremamente attivo (si ossida intensamente nell'aria, reagisce violentemente con l'acqua), motivo per cui il filo di sodio deve essere protetto da una guaina sigillante. La guaina deve fornire ai fili la necessaria resistenza meccanica, poiché il sodio è molto morbido e ha una bassa resistenza alla trazione durante la deformazione.

Il ferro (acciaio), in quanto metallo più economico e accessibile, che ha anche un'elevata resistenza meccanica, è di grande interesse per l'uso come materiale conduttore. Tuttavia, anche il ferro puro ha una resistività molto più elevata rispetto al rame e all'alluminio; ? l'acciaio, cioè il ferro con una miscela di carbonio e altri elementi, è ancora più alto. L'acciaio ordinario ha una bassa resistenza alla corrosione: anche con temperatura normale, soprattutto in condizioni alta umidità, si arrugginisce rapidamente; All'aumentare della temperatura, il tasso di corrosione aumenta notevolmente. Pertanto, la superficie dei fili di acciaio deve essere protetta con uno strato di materiale più resistente. I rivestimenti di zinco sono solitamente utilizzati per questo scopo.

Questa è la resistenza elettrica per unità di lunghezza di un conduttore di sezione trasversale unitaria [Ohm m], esercitata dal movimento dei portatori di carica nel conduttore, così come i semiconduttori conducono ioni in soluzioni, sotto l'azione di un potenziale campo elettrico Resistività elettrica corrente continua da un lato, è un concetto derivato dalla resistenza elettrica di un conduttore e, dall'altro, è un concetto base della scienza dei materiali dell'ingegneria elettrica, poiché determina le proprietà del materiale del conduttore, indipendentemente dalla sua lunghezza e forma in generale.

La capacità dei metalli di modificare la loro resistenza al variare della temperatura viene utilizzata per costruire termometri a resistenza. Un tale termometro è un filo di platino avvolto su un telaio di mica. Posizionando un termometro, ad esempio, in un forno e misurando la resistenza del filo di platino prima e dopo il riscaldamento, è possibile determinare la temperatura nel forno.

Nei metalli, il livello di Fermi si trova nella banda di conduzione, che è solo parzialmente riempita. Gli elettroni situati nella banda di conduzione, dopo aver ricevuto un additivo di energia arbitrariamente piccolo (ad esempio, a causa del movimento termico o di un campo elettrico), possono andare a un livello di energia (libero) più alto nella stessa zona, cioè diventare elettroni liberi e partecipare alla conduzione. All'aumentare della temperatura, la resistenza aumenterà, poiché la dispersione degli elettroni di conduzione sulle vibrazioni termiche del reticolo aumenta e il percorso libero medio dell'elettrone diminuisce.

(ovunque al di sotto, la resistenza è intesa come resistenza attiva (resistiva), in cui si verifica la dissipazione (dissipazione) dell'energia elettrica e il suo passaggio irreversibile ad altri tipi di energia, ad esempio termica)

Allo zero assoluto, in un cristallo perfettamente perfetto, gli atomi sono disposti rigorosamente periodicamente e onde elettromagnetiche passare liberamente attraverso il reticolo cristallino, senza sperimentare resistenza. In condizioni reali, i metalli - conduttori hanno un reticolo distorto e vengono utilizzati a temperature diverse dallo zero assoluto.

All'aumentare della temperatura, gli atomi di metallo oscillano attorno ai siti del reticolo, causando la dispersione delle onde elettroniche e portando ad un aumento della resistenza elettrica. Questo aumento può essere espresso come relazione

A deformazioni molto piccole, a volte si osserva una diminuzione della resistenza, che dovrebbe essere attribuita a effetti collaterali: compattazione del metallo, distruzione di film intergranulari isolanti, ecc.

L'aspetto dell'ordine in soluzioni solide è il risultato di un aumento dell'interazione chimica dei componenti, a seguito della quale gli elettroni si legano più fortemente che in una soluzione solida non stabilizzata. Il rafforzamento dell'interazione chimica dei componenti riduce il numero di elettroni di conduzione e aumenta la resistenza elettrica residua. Tuttavia, durante la composizione, il campo elettrico del nucleo ionico del reticolo diventa più simmetrico, e questo porta naturalmente ad una diminuzione della resistenza residua. Quest'ultima circostanza risulta essere prevalente e, durante la compilazione, la resistenza elettrica diminuisce.

2. Materiali di conduzione

2.1. Informazioni generali sui conduttori

come conduttori corrente elettrica possono essere utilizzati sia solidi che liquidi e, in condizioni adeguate (nello stato di ionizzazione), possono essere utilizzati anche gas.

Da materiali metallici conduttivi può essere isolato metalli alta conducibilità , avente una resistività a temperatura normale non superiore a 0,05 μOhm m, e leghe ad alta resistenza con una resistività di almeno 0,3 μOhm m.

Di particolare interesse sono i materiali con resistività estremamente bassa a temperature molto basse. superconduttori e crioconduttori .

I conduttori liquidi includono metalli fusi ed elettroliti. Per la maggior parte dei metalli, il punto di fusione è elevato, solo il mercurio, che ha un punto di fusione di meno 39°C, può essere utilizzato come conduttore di metallo liquido a temperatura normale. Altri metalli sono conduttori liquidi solo a temperature elevate.

Il meccanismo per il passaggio della corrente nei metalli - sia allo stato solido che liquido - è dovuto al movimento di elettroni liberi sotto l'influenza di un campo elettrico; Ecco perché si chiamano metalli conduttori con conducibilità elettronica o conduttori di prima specie . conduttori del secondo tipo, o elettroliti, sono soluzioni, in particolare acquose, acidi, alcali e sali. Il passaggio di corrente attraverso queste sostanze è associato al trasporto insieme a cariche elettriche ioni secondo le leggi di Faraday, a seguito delle quali la composizione dell'elettrolita cambia gradualmente e i prodotti dell'elettrolisi vengono rilasciati sugli elettrodi. Anche i cristalli ionici allo stato fuso sono conduttori del secondo tipo. Un esempio sono i bagni di indurimento al sale riscaldati elettricamente.

Tutti i gas ei vapori, compresi i vapori metallici, non sono conduttori a basse intensità di campo elettrico. Tuttavia, se l'intensità del campo supera un certo valore critico, che garantisce l'inizio dell'impatto e della fotoionizzazione, il gas può diventare un conduttore con conducibilità elettronica e ionica. Fortemente gas ionizzato quando il numero di elettroni è uguale al numero di ioni caricati positivamente per unità di volume, è un mezzo conduttore speciale chiamato plasma .

2.2. Conducibilità elettrica dei metalli

La teoria elettronica classica dei metalli rappresenta un conduttore come un sistema costituito da nodi di un reticolo cristallino ionico, all'interno del quale si trova un gas di elettroni di elettroni liberi. Da uno a due elettroni passa da ciascun atomo allo stato libero. Le rappresentazioni e le leggi della statistica sono state applicate al gas di elettroni gas ordinari. Considerando il moto degli elettroni diretto dal campo termico ed elettrico, abbiamo ottenuto l'espressione della legge di Ohm. Quando gli elettroni si scontrano con i nodi del reticolo cristallino, l'energia accumulata durante l'accelerazione degli elettroni in un campo elettrico viene trasferita alla base metallica del conduttore, a causa della quale si riscalda. L'esame di questo processo ha portato alla derivazione della legge di Joule-Lenz. Pertanto, la teoria elettronica dei metalli ha permesso di descrivere e spiegare teoricamente le leggi di base della conducibilità elettrica e delle perdite trovate in precedenza sperimentalmente energia elettrica nei metalli. Si è anche rivelato possibile spiegare la connessione tra la conducibilità elettrica e termica dei metalli.

Tuttavia, c'erano anche contraddizioni tra alcune conclusioni della teoria e dati sperimentali. Consistevano nella divergenza delle curve della dipendenza dalla temperatura della resistenza specifica, nella discrepanza tra i valori teoricamente ottenuti della capacità termica dei metalli e i dati sperimentali.

Queste difficoltà sono state superate assumendo la posizione della meccanica quantistica. In contrasto con la teoria elettronica classica, la meccanica quantistica presuppone che il gas di elettroni nei metalli a temperature ordinarie sia in uno stato di degenerazione. In questo stato, l'energia del gas di elettroni è quasi indipendente dalla temperatura, cioè il movimento termico quasi non cambia l'energia degli elettroni. Pertanto, il calore non viene speso per riscaldare il gas di elettroni, che viene rivelato quando si misura la capacità termica dei metalli. Un gas di elettroni entra in uno stato simile ai gas ordinari a temperature dell'ordine di migliaia di Kelvin. Rappresentando un metallo come un sistema in cui gli ioni positivi sono tenuti insieme da elettroni che si muovono liberamente, è facile comprendere la natura di tutte le proprietà fondamentali dei metalli: plasticità, duttilità, buona conducibilità termica ed elevata conducibilità elettrica.

2.3. Proprietà del conduttore

A i parametri più importanti che caratterizzano le proprietà dei materiali conduttivi includono:

• conduttività specifica g o la sua reciproca - resistività r,
• coefficiente di resistività termica TKr o a r ,
• conducibilità termica g t,
• differenza di potenziale di contatto e termo-emf,
• funzione di lavoro degli elettroni dal metallo,
• carico di rottura s r e allungamento a rottura Dl/l.

2.3.1. Conducibilità e resistività dei conduttori

La connessione tra la densità di corrente J, A / m 2 e l'intensità del campo elettrico E, V / m, nel conduttore è data dalla nota formula:

Qui g, S/m è il parametro del materiale conduttore, chiamato suo conducibilità ; secondo la legge di Ohm, g non dipende dall'intensità del campo elettrico quando quest'ultimo varia in un intervallo molto ampio. Valore r=1/g, inverso conducibilità e chiamato resistività , per un conduttore con resistenza R di lunghezza l con sezione trasversale costante S si calcola con la formula

ρ = R S/l. (2.2)

L'unità SI per la resistività è Ohm m. L'intervallo dei valori di resistività ρ dei conduttori metallici a temperatura normale è piuttosto ristretto: da 0,016 per l'argento a circa 10 μΩ m per le leghe ferro-cromo-alluminio, cioè ci vogliono solo tre ordini. Il valore della conduttività specifica γ dipende principalmente dal percorso libero medio degli elettroni in un dato conduttore, che, a sua volta, è determinato dalla struttura del materiale conduttore. Tutti i metalli puri con il reticolo cristallino più regolare sono caratterizzati da i valori più piccoli resistività; le impurità, distorcendo il reticolo, portano ad un aumento di ρ. E dal punto di vista della teoria ondulatoria, la dispersione delle onde elettroniche avviene sui difetti del reticolo cristallino, che sono commisurati ad una distanza dell'ordine di un quarto della lunghezza dell'onda elettronica. Violazioni taglie più piccole non causano una notevole dispersione delle onde.

2.3.2. Coefficiente di resistività termica dei metalli

Il numero di portatori di carica in un conduttore metallico rimane praticamente invariato all'aumentare della temperatura. Tuttavia, a causa delle oscillazioni dei nodi del reticolo cristallino, all'aumentare della temperatura, appaiono sempre più ostacoli sul percorso del movimento degli elettroni liberi diretti sotto l'azione di un campo elettrico, ad es. il percorso libero medio di un elettrone diminuisce, la mobilità degli elettroni diminuisce e, di conseguenza, la conduttività specifica dei metalli diminuisce e la resistività aumenta. In altre parole, il coefficiente di resistività termica dei metalli è positivo.

2.3.3. Modifica della resistività dei metalli durante la fusione

Durante il passaggio da uno stato solido a uno liquido, la maggior parte dei metalli sperimenta un aumento della resistività, come si può vedere dalla Fig. 2.1; tuttavia, alcuni metalli aumentano ρ quando fusi.

Il salto corrisponde al punto di fusione del rame 1083°С

La resistività aumenta durante la fusione per quei metalli che aumentano di volume durante la fusione, ad es. ridurre la densità per metalli con natura opposta alla variazione di volume durante la fusione (simile a transizione di fase ghiaccio-acqua) ρ diminuisce.

2.3.4. Modifica della resistività dei metalli durante le deformazioni

La variazione della resistività durante la trazione o la compressione può essere approssimativamente stimata dalla formula

ρ = ρ 0 (1± σ s) , (2.3)

dove ρ è la resistività del metallo sottoposto a sollecitazione meccanica σ, ρ 0 è la resistività del metallo non sottoposto a impatto meccanico, s è il coefficiente di sollecitazione meccanica che caratterizza il metallo dato; il segno più nella formula corrisponde alla tensione, il segno meno alla compressione.

La variazione di ρ durante le deformazioni elastiche è spiegata dalla variazione dell'ampiezza delle oscillazioni dei nodi del reticolo cristallino del metallo. Quando vengono allungate, queste ampiezze aumentano, quando vengono compresse, diminuiscono. Un aumento dell'ampiezza delle oscillazioni dei siti reticolari porta ad una diminuzione della mobilità dei portatori di carica e, di conseguenza, ad un aumento di ρ. La deformazione plastica, di regola, aumenta la resistività dei metalli a causa della distorsione del reticolo cristallino. Quando ricristallizzata mediante ricottura, la resistività può essere ridotta al valore originale.

2.3.5. Resistività delle leghe

Un aumento significativo di ρ si osserva quando due metalli si fondono se si formano l'uno con l'altro soluzione solida , cioè. durante la solidificazione, creano cristallizzazione congiunta e gli atomi di un metallo entrano nel reticolo cristallino di un altro. ρ ha un massimo corrispondente a un rapporto specifico tra il contenuto di componenti nella lega. Quindi, N.S. Kurnakov ha scoperto che in quei casi in cui, a un certo rapporto tra i componenti, formano composti chimici pronunciati l'uno con l'altro ( intermetallici ), ci sono interruzioni sulle curve ρ in funzione della composizione (Fig. 2.2).

Riso. 2.2. Dipendenza della resistività delle leghe zinco-magnesio dalla composizione.
Il punto 1 corrisponde al Mg puro, il punto 2 corrisponde al composto
MgZn, 3 - Mg 2 Zn 3, ., 4 - MgZn 4 5 - MgZn 6, 6 - Zn puro.

La ricerca di AF Ioffe ha mostrato che molti composti intermetallici non sono sostanze con un carattere metallico di conducibilità elettrica, ma semiconduttori elettronici.

Se la lega di due metalli crea una cristallizzazione separata e la struttura della lega solidificata è una miscela di cristalli di ciascuno dei componenti (cioè, non vi è alcuna distorsione del reticolo cristallino di ciascun componente), allora la conduttività specifica γ del la lega cambia approssimativamente linearmente con il cambiamento di composizione, cioè . determinato regola aritmetica miscelazione (Fig. 2.3).

Fig.2.3. La dipendenza della conduttività specifica delle leghe rame-tungsteno dalla composizione (in percentuale in peso)

2.3.6. Conducibilità termica dei metalli

Gli stessi elettroni liberi, che determinano la conduttività elettrica dei metalli, sono i principali responsabili del trasferimento di calore attraverso il metallo e il cui numero per unità di volume è molto elevato. Pertanto, di norma, la conduttività termica γ t dei metalli è molto maggiore della conduttività termica dei dielettrici. Ovviamente, a parità di altre condizioni, maggiore è la conducibilità elettrica specifica γ del metallo, maggiore dovrebbe essere la sua conducibilità termica. È anche facile vedere che all'aumentare della temperatura, quando la mobilità degli elettroni nel metallo e, di conseguenza, la sua conduttività specifica diminuisce, il rapporto γ t /γ δ dovrebbe aumentare.

La purezza e la natura della lavorazione meccanica di un metallo possono influire notevolmente sulla sua conducibilità termica, soprattutto alle basse temperature.

2.3.7. forza termoelettromotrice

Quando due conduttori metallici entrano in contatto, a differenza di potenziale di contatto . La ragione del suo aspetto risiede nella differenza nei valori della funzione di lavoro degli elettroni di metalli diversi, e anche nel fatto che la concentrazione di elettroni e, di conseguenza, la pressione del gas di elettroni in diversi metalli e leghe può essere diverso. Dalla teoria elettronica dei metalli segue che la differenza di potenziale di contatto tra i metalli A e B è uguale a:

(2.4)

dove U A e U B sono i potenziali dei metalli a contatto; n A e n B sono le concentrazioni di elettroni nei metalli A e B.

Se le temperature delle "giunti" sono le stesse, allora la somma delle differenze di potenziale è uguale a zero. La situazione è diversa quando un metallo ha una temperatura T 1 e l'altro - T 2.

In questo caso, tra le "giunti" c'è una fem termica pari a

che può essere scritto come

Dove c è la costante termo-emf per una data coppia di conduttori, cioè fem termica deve essere proporzionale alla differenza di temperatura tra i metalli.

Un filo costituito da due fili di metalli o leghe diversi isolati tra loro ( termocoppia ) può essere utilizzato per misurare le temperature.

2.3.8. Proprietà meccaniche dei conduttori

Sono caratterizzati da resistenza alla trazione σ p e allungamento relativo a rottura Δl/l, nonché fragilità, durezza e proprietà simili. Le proprietà meccaniche dei conduttori metallici dipendono in gran parte dalla meccanica e trattamento termico, dalla presenza di droganti, ecc. L'effetto della ricottura porta ad una significativa diminuzione di σ p e ad un aumento di Δl/l. Tali parametri dei materiali conduttori come punti di ebollizione e di fusione, capacità termica specifica, ecc., Non richiedono spiegazioni speciali.

2.4. Materiali ad alta conducibilità

I materiali ad alta conducibilità più utilizzati sono il rame e l'alluminio.

2.4.1. Rame

I vantaggi del rame, che ne garantiscono un uso diffuso come materiale conduttore, sono i seguenti:

1. bassa resistività;
2. resistenza meccanica sufficientemente elevata;
3. soddisfacente resistenza alla corrosione nella maggior parte delle applicazioni;
4. buona lavorabilità: il rame viene laminato in lastre, nastri e trafilato in filo, il cui spessore può essere ridotto a millesimi di millimetro;
5. relativa facilità di saldatura e saldatura.

Il rame è più spesso ottenuto dalla lavorazione di minerali di solfuro. Dopo una serie di fusione del minerale e tostatura con soffiatura intensa, il rame destinato a scopi elettrici subisce necessariamente un processo di purificazione elettrolitica.

Come materiale conduttore, vengono spesso utilizzati i gradi di rame M1 e M0. Il rame di grado M1 contiene il 99,9% di Cu e in totale impurità (0,1%) ossigeno non deve essere superiore allo 0,08%. La presenza di ossigeno nel rame ne deteriora le proprietà meccaniche. Le migliori proprietà meccaniche sono possedute dal rame di grado M0, che contiene non più dello 0,05% di impurità, incluso non più dello 0,02% di ossigeno.

Il rame è un materiale relativamente costoso e scarso, quindi viene sempre più sostituito da altri metalli, in particolare dall'alluminio.

In alcuni casi vengono utilizzate leghe di rame con stagno, silicio, fosforo, berillio, cromo, magnesio e cadmio. Tali leghe, dette bronzi, con una composizione opportunamente selezionata, hanno proprietà meccaniche significativamente superiori rispetto al rame puro.

2.4.2. Alluminio

L'alluminio è il secondo materiale conduttore più importante dopo il rame. Questo è il rappresentante più importante dei cosiddetti metalli leggeri: la densità dell'alluminio fuso è di circa 2,6 e quella dell'alluminio laminato è di 2,7 Mg/m 3 . Pertanto, l'alluminio è circa 3,5 volte più leggero del rame. Il coefficiente di temperatura di espansione, la capacità termica specifica e il calore di fusione dell'alluminio è maggiore di quello del rame. A causa dei valori elevati calore specifico e il calore di fusione per riscaldare l'alluminio fino al punto di fusione e trasferirlo allo stato fuso richiede più calore che per riscaldare e fondere la stessa quantità di rame, sebbene il punto di fusione dell'alluminio sia inferiore al rame.

L'alluminio ha proprietà meccaniche ed elettriche inferiori rispetto al rame. A parità di sezione e lunghezza, la resistenza elettrica di un filo di alluminio è 1,63 volte maggiore di quella di un filo di rame. È molto importante che l'alluminio sia meno scarso del rame.

Per scopi elettrici viene utilizzato alluminio, contenente non più dello 0,5% di impurità, grado A1. Per la produzione viene utilizzato alluminio di grado AB00 ancora più puro (non più dello 0,03% delle impurità) foglio di alluminio, elettrodi e casse di condensatori elettrolitici. L'alluminio della massima purezza AB0000 ha un contenuto di impurità non superiore allo 0,004%. Le aggiunte di Ni, Si, Zn o Fe al loro contenuto dello 0,5% riducono la γ di alluminio ricotto di non più del 2–3%. Un effetto più evidente è esercitato dalle impurità di Cu, Ag e Mg, a parità di contenuto di massa che riducono l'alluminio γ del 5-10%. Ridurre di molto la conducibilità elettrica dell'alluminio Ti e Mn.

L'alluminio è molto attivamente ossidato e ricoperto da un sottile film di ossido con un'elevata resistenza elettrica. Questo film protegge il metallo da ulteriore corrosione.

Le leghe di alluminio hanno una maggiore resistenza meccanica. Un esempio di una tale lega è aldrey , contenente 0,3-0,5% Mg, 0,4-0,7% Si e 0,2-0,3% Fe. In Aldrey si forma un composto Mg 2 Si, che conferisce elevate proprietà meccaniche alla lega.

2.4.3. Ferro

Il ferro (acciaio), in quanto metallo più economico e accessibile, che ha anche un'elevata resistenza meccanica, è di grande interesse per l'uso come materiale conduttore. Tuttavia, anche il ferro puro ha una resistività molto più elevata rispetto al rame e all'alluminio; ρ acciaio, cioè il ferro con una miscela di carbonio e altri elementi è ancora più alto. L'acciaio ordinario ha una bassa resistenza alla corrosione: anche a temperature normali, specie in condizioni di elevata umidità, si arrugginisce rapidamente; All'aumentare della temperatura, il tasso di corrosione aumenta notevolmente. Pertanto, la superficie dei fili di acciaio deve essere protetta con uno strato di materiale più resistente. Di solito per questo scopo viene utilizzato il rivestimento di zinco.

In alcuni casi, per ridurre il consumo di metalli non ferrosi, i cosiddetti bimetallico . Questo è acciaio rivestito all'esterno con uno strato di rame ed entrambi i metalli sono collegati tra loro saldamente e continuamente.

2.4.4. Sodio

Il sodio metallico è un materiale conduttore molto promettente. Il sodio può essere ottenuto per elettrolisi del cloruro di sodio fuso NaCl in quantità praticamente illimitate. Da un confronto delle proprietà del sodio con le proprietà di altri metalli conduttori, si può vedere che la resistività del sodio è circa 2,8 volte maggiore di ρ rame e 1,7 volte maggiore di ρ alluminio, ma a causa della densità estremamente bassa del sodio (la sua densità è quasi 9 volte inferiore alla densità del rame), un filo di sodio a una data conduttività per unità di lunghezza dovrebbe essere considerevolmente più leggero di un filo di qualsiasi altro metallo. Tuttavia, il sodio è chimicamente estremamente attivo (si ossida intensamente nell'aria, reagisce violentemente con l'acqua), motivo per cui il filo di sodio deve essere protetto da una guaina sigillante. La guaina deve conferire al filo la necessaria resistenza meccanica, poiché il sodio è molto morbido e ha una bassa resistenza alla trazione durante la deformazione.

2.5. Superconduttori e crioconduttori

Come già notato, al diminuire della temperatura, diminuisce la resistività dei metalli. Di particolare interesse è la questione della conducibilità elettrica dei metalli a temperature molto basse prossime allo zero assoluto. Scomparsa della resistenza elettrica, ad es. viene chiamata l'apparenza di una conduttività elettrica quasi infinita di un materiale superconduttività , e la temperatura, al raffreddamento a cui si verifica la transizione della sostanza allo stato superconduttore - temperatura di transizione superconduttiva Ts. Il passaggio allo stato superconduttore è reversibile: quando la temperatura sale a Tc, la superconduttività viene distrutta e il materiale passa allo stato normale, acquisendo un valore finito di conducibilità specifica γ. Attualmente sono noti 27 semplici (metalli puri) e più di mille complessi (leghe e composti chimici).

Allo stesso tempo, alcune sostanze, compresi i migliori materiali conduttori come argento e rame, alle temperature più basse attualmente raggiunte (dell'ordine dei millesimi di Kelvin; secondo il terzo principio della termodinamica la temperatura zero assoluta è fondamentalmente irraggiungibile) in uno stato superconduttore fallito. È interessante notare che non solo composti e leghe metalliche, dotati di superconduttività, ma anche composti di tali elementi con elementi non superconduttori, e persino composti le cui molecole contengono esclusivamente atomi di elementi che non sono superconduttori.

Oltre agli elettromagneti superconduttori, si può notare la possibilità di utilizzare i superconduttori per creare macchine elettriche, trasformatori e dispositivi simili di piccola massa e dimensioni, ma ad alto rendimento; linee di trasmissione di grandissima capacità su lunghe distanze; guide d'onda con attenuazione particolarmente bassa; dispositivi di accumulo di energia, ecc.

Oltre al fenomeno della superconduttività, la moderna ingegneria elettrica utilizza sempre più il fenomeno crioconduttività , cioè. raggiungimento da parte di alcuni metalli di conducibilità molto bassa a temperature criogeniche (ma superiore alla temperatura di transizione superconduttore, se questo metallo appartiene affatto ai superconduttori. Vengono chiamati materiali che hanno proprietà particolarmente favorevoli per l'uso come conduttori a temperature criogeniche crioconduttori o iperconduttori .

Un valore molto piccolo, ma ancora finito, della resistenza specifica di un crioconduttore alla sua temperatura di esercizio limita la densità di corrente consentita in esso, sebbene questa densità possa essere molto più alta rispetto ai normali conduttori. I crioconduttori, la cui resistività cambia senza intoppi, senza salti, quando la temperatura cambia in un ampio intervallo, non possono essere utilizzati in numerosi dispositivi il cui funzionamento si basa sull'effetto di innesco della comparsa e distruzione della superconduttività. Tuttavia, l'uso di crioconduttori in macchine elettriche, dispositivi, cavi, ecc. Ha anche i suoi vantaggi, e sono molto significativi. Quindi, se l'elio liquido viene utilizzato come agente di raffreddamento nei dispositivi superconduttori, la temperatura di esercizio dei crioconduttori viene raggiunta utilizzando refrigeranti più economici e ad alto punto di ebollizione: idrogeno liquido o persino azoto liquido. Ciò semplifica e riduce notevolmente i costi di implementazione e funzionamento del dispositivo. Inoltre, in un dispositivo superconduttore, come un elettromagnete, attraverso il cui avvolgimento passa una forte corrente, si accumula una grande energia di campo magnetico. Se, a causa di un aumento accidentale della temperatura o dell'induzione magnetica, almeno in una piccola sezione del circuito superconduttore, la superconduttività viene distrutta, il un gran numero di energia, che potrebbe causare un grave incidente. Nel caso di un circuito crioconduttivo, un aumento della temperatura provocherà solo un graduale aumento della resistenza di questo circuito senza l'effetto di un'esplosione.

In tutti i casi, l'ottenimento di materiali crioconduttivi richiede un'elevata purezza del metallo e l'assenza di incrudimenti. Cattiva influenza impurità e incrudimento sui metalli ρ a temperature criogeniche è molto più forte che a temperature normali. I crioconduttori possono essere utilizzati con successo per avvolgimenti di macchine elettriche e trasformatori, per conduttori di cavi, ecc.

2.6. Leghe ad alta resistenza

Oltre all'elevata resistenza, tali materiali richiedono un'elevata stabilità ρ nel tempo, un basso TKρ e un basso coefficiente di fem termica. in una coppia di questa lega con rame. È auspicabile che tali leghe siano economiche e, se possibile, non contengano componenti scarsi.

2.6.1. Manganina

Questa è la lega più tipica e ampiamente utilizzata per resistori esemplari. La sua composizione approssimativa: Cu- 85%, Mn- 12% e Ni- 3%; il nome deriva dalla presenza di manganese al suo interno; il colore giallastro è dovuto all'alto contenuto di rame. ρ manganina 0,42-0,48 μOhm∙m, coefficiente termo-emf. accoppiato con il rame è solo 1-2 μV / K, α ρ è molto piccolo. La temperatura di esercizio massima consentita a lungo termine non è superiore a 200°C.

2.6.2. Costantano

Una lega contenente circa il 60% di rame e il 40% di nichel; questa composizione corrisponde al minimo α ρ nel sistema Cu-Ni ad un valore piuttosto alto di ρ. Il nome costantana è spiegato dalla significativa costanza di ρ con le variazioni di temperatura. La resistenza al calore della costantana è superiore a quella della manganina e le proprietà meccaniche sono simili. La differenza essenziale di quest'ultimo è l'elevata fem termica. accoppiato con rame e ferro. L'uso diffuso della costantana è ostacolato dall'alto contenuto di nichel costoso e scarso.

2.6.3. Leghe a base di ferro

Si chiamano leghe del sistema Fe - Ni - Cr nichelcromo o (per alto contenuto di ferro) ferronicromi ; si chiamano leghe del sistema Fe - Cr - Al fekhralami e zoppo . I nicromi sono tecnologicamente molto avanzati: possono essere facilmente infilati in un filo sottile o in un nastro, hanno uno sballo temperatura di esercizio. Tuttavia, come il costatan, hanno un alto contenuto di nichel. I nicromi sono usati come elementi riscaldanti elettrici.

Le leghe cromo-alluminio sono molto più economiche dei nicromi, ma queste leghe sono meno tecnologicamente avanzate, più dure e più fragili. Sono utilizzati principalmente per dispositivi di riscaldamento elettrico ad alta potenza.

2.7. Metalli refrattari

I metalli refrattari sono metalli con un punto di fusione superiore a 1700°C. Di norma, sono chimicamente stabili alle basse temperature, ma diventano attivi a temperature elevate. La loro operazione a alte temperature può essere fornito in atmosfera di gas inerti o sotto vuoto. In una forma densa, questi metalli sono spesso ottenuti con metodi di metallurgia delle polveri: pressatura e sinterizzazione. Nella tecnologia elettronica, fusione con un raggio di elettroni o laser, pulizia di zona, trattamento al plasma eccetera. La lavorazione di questi materiali è difficile e spesso richiede il riscaldamento.

2.7.1. Tungsteno

Estremamente pesante metallo solido colore grigio. Di tutti i metalli, il tungsteno ha il punto di fusione più alto (3380°C). Viene estratto dai minerali composizione diversa, le più famose delle quali sono wolframite (FeWO 4 + MnWO 4) e scheelite (CaWO 4) da un complesso lavorazione chimica. Il tungsteno è caratterizzato da un debole legame meccanico dei cristalli, quindi, con una struttura granulare, i prodotti di tungsteno relativamente spessi sono molto fragili e si rompono facilmente. Come risultato della lavorazione meccanica mediante forgiatura e trafilatura, il tungsteno acquisisce una struttura fibrosa e la sua frattura è molto difficile. Questo spiega la flessibilità dei sottili filamenti di tungsteno.

Il tungsteno viene utilizzato per realizzare filamenti di lampade a incandescenza, nonché elettrodi, riscaldatori, molle e ganci in lampade elettroniche, tubi a raggi X, ecc. Grazie alla sua refrattarietà e all'elevata resistenza meccanica, il tungsteno può funzionare ad alte temperature (oltre 2000 °C), ma solo in alto vuoto o in atmosfera di gas inerte, perché. quando riscaldato a una temperatura di diverse centinaia di gradi in presenza di ossigeno, è fortemente ossidato.

2.7.2. Molibdeno

Questo metallo è simile nell'aspetto e nella tecnologia di lavorazione al tungsteno. La molibdenite MoS 2 è il minerale industriale più importante di molibdeno. Il molibdeno è utilizzato nella tecnologia dell'elettrovuoto a temperature inferiori rispetto al tungsteno; le parti incandescenti in molibdeno devono essere azionate sotto vuoto o in atmosfera riducente.

2.7.3. tantalio

È ottenuto da un minerale raro - tantalite Fe (TaO 3) 2 mediante metodi di metallurgia delle polveri, come tungsteno e molibdeno. La sua principale differenza sta solo nel fatto che il processo di sinterizzazione viene eseguito in forni sottovuoto, perché. il tantalio tende ad assorbire i gas, facendolo diventare fragile. Il tantalio è caratterizzato da un'elevata duttilità anche a temperatura ambiente. Il tantalio è classificato come superconduttore, utilizzato nella produzione di anodi e griglie di lampade per generatori, ecc.

2.7.4. Titanio

Un metallo relativamente leggero utilizzato nella tecnologia dell'elettrovuoto per la sua buona qualità proprietà meccaniche. I principali minerali contenenti titanio sono rutilo e ilmenio. Il titanio è prodotto dalla metallurgia delle polveri. Viene utilizzato non solo come materiale strutturale, ma anche per rivestimenti in polvere di anodi di molibdeno e tungsteno e griglie di lampade generatori. Da esso si ottengono anche resistori di circuiti integrati.

2.7.5. renio

Uno dei rari metalli molto pesanti, con un punto di fusione vicino al tungsteno. Il renio si distingue per una rara combinazione di proprietà che soddisfano la maggior parte dei requisiti della tecnologia dell'elettrovuoto. In un'atmosfera di idrogeno e in un ambiente umido, evapora in misura minore rispetto al tungsteno. Una caratteristica preziosa del renio è il suo grado di interazione alle alte temperature con l'allumina, rispetto al tungsteno, da cui sono realizzati tubi isolanti per catodi riscaldati direttamente e griglie di alcuni tipi di lampade.

2.8. metalli nobili

I metalli nobili includono oro, argento, platino e metalli del gruppo del platino (rutenio Ru, rodio Rh, palladio Pd, osmio Os e iridio Ir). Questi metalli sono chiamati nobili per la loro bellezza aspetto esteriore ed elevata resistenza chimica. Sono utilizzati come conduttori e contatti per rivestimenti resistenti alla corrosione, elettrodi per fotocellule. L'argento è anche utilizzato per l'applicazione diretta ai dielettrici come piastre nella produzione di condensatori in ceramica e mica.

2.9. Conduttori non metallici

Tra i solidi materiali conduttivi non metallici valore più alto hanno materiali a base di carbonio. Il carbone viene utilizzato per realizzare spazzole per macchine elettriche, elettrodi per faretti, elettrodi per arco forni elettrici e bagni elettrolitici, anodi cellule galvaniche. Le polveri di carbone sono utilizzate nei microfoni, i resistori ad alta resistenza, gli scaricatori per le reti telefoniche sono realizzati con il carbone.

Fuliggine, grafite e antracite possono essere utilizzate come materie prime per la produzione di prodotti elettrici in carbonio. La grafite naturale è una delle modificazioni del carbonio puro di una struttura a strati con una grande anisotropia di proprietà sia elettriche che meccaniche. La fuliggine è un carbonio finemente disperso con impurità di sostanze stratificate. Le vernici, in cui viene aggiunta fuliggine come pigmento, hanno una bassa resistività e possono essere utilizzate per equalizzare il campo elettrico in macchine elettriche alta tensione.