1. Metallide elektritakistus. Metallide elektrijuhtivuse kvantteooria taandatakse järgmisele:

a . Ideaalses kristallvõres juhtivuselektronid ei tohiks oma liikumise ajal kogeda takistust. Vastupanu tekib siis, kui struktuursed defektid, see tähendab, et võre perioodilisus on rikutud.

b . tõelistes kristallides Struktuuri rikkumisel on kaks mehhanismi: lisandid ja termilised. Vastavalt sellele eristavad nad lisandite eritakistus r n ja soojus(võnkuv) r T. Vastavalt resistentsuse liitmise reegel metalli impedants r võrdne nende summaga r = r n + r T. (13.1)

sisse . lisandikindlus rn võõraatomite esinemise tõttu võres (lisandiaatomid). Kui metall on piisavalt puhas ja lisandite aatomite kontsentratsioon madal, siis on lisanditakistus praktiliselt temperatuurist sõltumatu ja muutub märgatavaks alles absoluutse nulli lähedal. Ebapuhtuse tõttu ei tohiks metalli eritakistus minna nulli isegi siis, kui T= 0 K.

G . Soojustakistus r T tekib juhtivuselektronide hajumise tõttu sõlmede tiheduse kõikumisel kristallvõre mis tulenevad sõlmede termilisest võnkeliikumisest. Kvantteoorias käsitletakse võre aatomite termilist vibratsioonilist liikumist seisva süsteemina helilained kristallis - fonoonid. Seetõttu räägivad nad sellest juhtivuselektronide hajumine fonoonidele.

Erinevalt klassikalisest metallide elektrijuhtivuse teooriast Drude – Lorenza, mis ennustab takistuse sõltuvust vormi temperatuurist r~ , annab kvantteooria õige ennustuse lineaarne sõltuvus r~T. Metalli temperatuuridel T³ 50 K r= r 0 aT, mis vastab empiirilisele valemile r= r 0 (1 + a t). Kvantteoorias selgub, et millal T® 0 metalli kogutakistus r peaks püüdlema ebapuhtuse poole rn. Joonis 90 näitab puhta naatriumi eritakistuse eksperimentaalset sõltuvust temperatuurist.

Kell T® 0 K r® rn\u003d 4 10 -11 Ohm m, mis on ligikaudu 0,4% takistusest T= 273 K. Juba temperatuuridel T³ 20 K sõltuvus r(T) muutub peaaegu lineaarseks.

d . Elekter tõlgendatakse kvantteoorias kui elektronide triiv kristalli perioodilises väljas. See triiv toimub konstandi toimel elektriline jõud teda, kus E- pinge elektriväli mis tekitab voolu. Selgus, et elektronide triivi kiirus sõltub nende asukoha sügavusest juhtivusribas. See sõltuvus väljendub läbi efektiivne mass m eff elektron. Erinevalt ülejäänud massist m e vaba elektron efektiivne mass elektron metalli juhtivusribas on muutuv väärtus, mis sõltub riba laiusest.

Riba põhja lähedal on efektiivne elektronmass positiivne. Triivi suund vastab voolutiheduse vektorile. Kui tõuseme tsooni ülemise piirini, omandab efektiivne mass lõpmatult suure väärtuse m ef= ¥ ja muutub seejärel negatiivseks. Sellest lähtuvalt läbib elektronide triivi kiirus, millel on tsooni põhjas "õige" suund, järk-järgult läbi nulli ja võtab tsooni ülemisel piiril negatiivsed ("valed") väärtused.

Teoorias vabade elektronide lähendamisel saadud seosed Drude – Lorenz, osutuvad kehtivaks võre perioodilises väljas liikuvate elektronide puhul, kui asendame neis oleva elektroni ülejäänud massi m e tõhusaks m ef.

2. Ülijuhtivus. 1911. aastal Camerling – Onnes, mõõtes elavhõbeda takistust madalatel temperatuuridel, leidis, et kell T= 4,2 K, langes elavhõbeda takistus praktiliselt nullini. Seda nähtust on kutsutud ülijuhtivus. Joonisel 91 on näidatud mõnede puhaste metallide eritakistuse sõltuvuse katsekõverad absoluutse nulli lähedasest temperatuurist. On ilmne, et nähtust ei saa taandada defektideta kristalli eritakistuse normaalseks languseks, kui rn= 0 ja r T. Üleminek ülijuhtivasse olekusse ei toimu sujuvalt, vaid teatud temperatuuril järsult T kr, mida nimetatakse kriitiline üleminekutemperatuur. Praegu on teada umbes 30 ülijuhtivat keemilist elementi ja üle 500 ülijuhtiva materjali.

3. Ülijuhtivuse mõjud.

a . Elekter Ülijuhtivas rõngas erutatud, võib selles ringelda aastaid.

b . Mõju Meissner. 1933. aastal Walter Meissner ja R. Oksenfeld avastas, et magnetvälja asetatud aine (joonis 92 vasakul) ei külmuta ülijuhtivasse olekusse üleminekul selles paiknevat magnetvälja, nagu see oleks pidanud olema siis, kui aine läheb lihtsalt nulliga olekusse takistust, vaid surub selle oma mahust välja (joon. 92 paremal). See on omane ideaalsed diamagnetid nullmagnetilise läbilaskvusega m= 0.

Kuna magnetväli ülijuhti ei tungi, järeldub sellest, et elektrivool saab voolata ainult üle ülijuhi pinna. Lõppude lõpuks, kui vool saaks voolata ülijuhi paksuses, siis selle ümber oleks ülijuhi paksuses magnetväli. Tõepoolest, kogemus näitab, et ülijuhis voolab elektrivool paksuses pinnakihis l= 10 ¸ 100 nm. Magnetväli tungib sellele sügavusele ka ülijuhti, vähenedes kaugusega x pinnast vastavalt eksponentsiaalseadusele

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

Ülijuhtivas olekus oleval ainel on kaks põhiomadust, mis ei ole omavahel seotud: täiuslik juhtivus ja täiuslik diamagnetism.

Mõju Meissner võimaldab ülijuhtivaid kehasid stabiilselt magnetväljas riputada (joon. 93). Kui pall läheb 1. tüüpi ülijuhtivasse olekusse, surutakse magnetväli sellest välja. Selle tulemusena indutseeritakse palli pinnakihis vool sellises suunas, et pall lükatakse väljast välja.

sisse . Kriitiline mõju magnetväli . See seisneb selles, et kui magnetväli, milles ülijuht asub, saavutab teatud induktsiooni piirväärtuse Kr»10 -2 ¸ 10 1 T, ülijuhtivus kaob.

Joonisel 94 on näidatud sõltuvus Kr plii (ülemine kõver) ja tina (alumine kõver) temperatuuri kohta. Kell kriitiline temperatuur T = T kr kriitiline väli on null, Kr= 0 ja temperatuuri langusega Kr suureneb.

Kui võimendame ülijuhti läbivat voolu, siis mingil selle kriitilisel väärtusel I krülijuhtiv olek hävib. Kuna magnetväli AT võrdeline vooluga I, siis sõltuvus I kr temperatuurist on sarnane sõltuvusega Kr(T). Kriitilise magnetvälja mõju raskendab ülitugevate magnetväljade saamise tehnikat ülijuhtivate ahelate abil. Kriitilise voolu arvutamisel tuleb arvestada sellega, et vool liigub pinnalähedases kihis. Näiteks 1 mm läbimõõduga juhi jaoks at l = 35 nm ristlõige pinnalähedasest kihist, millest vool läbib, umbes 10 -4 mm 2 . See on umbes 0,01% juhi kogu ristlõikest.

d. Mõju josephson . 1962. aastal Brian Josephson teoreetiliselt ennustas kahte mõju, mille olemus on järgmine.

Ülijuhiga ühendame ampermeetri (joonis 95-a on näidatud varda kujul) AGA alalisvooluallikaga, mille EMF E ja voltmeeter V. Ahelat läbivat voolu mõõdetakse ampermeetriga. Kuna ülijuhi takistus on null, näitab voltmeeter nulli.

Lõikame ülijuhi kaheks osaks ja liigutame need üksteisest nii, et tekiks paksusvahe d» 1 nm. Nagu ennustatud josephson, kui vooluringis on selline ülijuht, võib täheldada ühte kahest järgmisest efektist.

Statsionaarne Josephsoni efekt.Ülijuhti läbib endiselt alalisvool. Selgub, et vool võib takistuseta voolata mitte ainult ülijuhi kaudu, vaid ka selle tühimiku kaudu, kui see on piisavalt kitsas (joonis 95-b).

Mittestatsionaarne Josephsoni efekt. Piluga ülijuhi otstes, pidev potentsiaalide erinevus. Sel juhul, kõrgsageduslik elektromagnetlaine(joonis 95-c). Ülijuhti ei liigu mitte ainult alalisvool, vaid ka kõrgsageduslik vahelduvvool.

Praegused mõjud josephson mitte ainult ei kinnitatud eksperimentaalselt, vaid kasutatakse ka mikroelektroonikas.

4. Ülijuhtivuse teooria ehitatud 1957. aastal John Bardeen, Leon Cooper ja John Schrieffer. Nende perekonnanimede esitähtede järgi kutsuti teda BKSH-ks - teooria. BCS-teooria põhineb ideel, et metalli juhtivuselektronide vahel võib toimida atraktiivsed jõud mis tekivad nende kristallvõre polarisatsiooni tulemusena.

Võres liikuv elektron tõmbab enda poole positiivselt laetud ioone, tuues need üksteisele lähemale ja tekitab seeläbi oma teekonnal polariseeritud võre üleliigse positiivse laengu, mille külge saab tõmmata teisi elektrone. See on samaväärne elektronide vahelise tõmbejõu tekkimisega, mis ei toimi mitte otse, vaid läbi polariseeritud võre.

Võib eeldada, et ülijuhtivust tuleks eeldada eelkõige nendel metallidel, mille puhul toimub tugev elektrongaasi interaktsioon võrega, mis normaalsetes tingimustes toob kaasa suure eritakistuse. Tõepoolest, puhaste metallide hulgas olid parimad ülijuhid kõige suurema takistusega - plii Pb, nioobium Nb, tina Sn, elavhõbe Hg. Samal ajal ei ole sellistel madala takistusega metallidel nagu vask Cu ja hõbe Ag, milles elektrongaasil on suur liikuvus, ülijuhtivus.

Nagu näidatud Leon Cooper, juures T< T kr, kõige ülemine Fermi tasemel asuvad elektronid saavad paarituda. Kus nende koguenergia on väiksem kui üksikute elektronide energiate summa. Vabanenud energia tuleb kristallist jahutamise teel eemaldada. Energia vähenemine cooper paarid viib elektronide poolt hõivatud ülemise taseme languseni. Selle tulemusena ilmub Cooperi paaride tasemete ja lähimate vabade tasemete vahele 2D laiune ribavahe (joonis 96 vasakul). See tekkiv energiavahe ei võimalda Cooperi elektronpaaridel madalat energiat vastu võtta. Nad suudavad vastu võtta ainult vähemalt 2D energiat, mis võimaldab elektronidel sellest tühimusest üle hüpata. Seetõttu, millal T< T kr Cooperi paarid osutuvad väga stabiilseteks.

Kell T< T kr kõik elektronid ei paaritu. Igal temperatuuril tekib mingi tasakaalusuhe normaalsete ja paariselektronide kontsentratsioonide vahel. Selgub, et laius on 2 DÜlijuhi energiavahe sõltub paaritute elektronide arvust. Nende kontsentratsioon väheneb temperatuuri langedes ja vastavalt suureneb ka pilu laius (joonis 96 paremal).

Cooperi paare moodustavatel elektronidel on vastupidised spinnid. Seetõttu on paari spinn null ja see on nii boson. Bosonid võivad akumuleeruda maapealses energiaseisundis, millest on raske neid ergastatud olekusse üle kanda. Seetõttu võivad Cooperi paarid koordineeritud liikumise olekus püsida määramata ajaks. Selline paaride koordineeritud liikumine on ülijuhtivusvool.

Paari elektronide vaheline kaugus on suur. See on umbes 1000 nm, mis on umbes 5000 aatomi läbimõõtu. Ligikaudu 1000 paari kattuvad, hõivates kogumahu.

5. BCS-i seletus – kriitilise voolu mõju teooria. Teadaolevate ülijuhtide puhul on energiavahe keskmiselt 2D = 3 meV » 5 10 -22 J. Cooperi paari hävitamiseks peab üks paaris olevatest elektronidest vähendama oma liikumise energiat vähemalt 2D võrra.

Oletame, et elektron loovutab selle energia laupkokkupõrkes võrekohaga nii, et pärast kokkupõrget põrkub ta sealt sama triivikiirusega v d vastupidises suunas. Elektronide energia enne kokkupõrget E k1 = mina(v f + v d) 2 ç 2, energia pärast lööki E k2 = mina(v f - v d) 2 ç 2. Siin v f on elektronide soojuskiirus Fermi tasemel (»10 6 m ç Koos), v d on elektronide triivi kiirus in elektriväli, see ei ületa 1 m ç Koos.

Elektroni kineetilise energia vähenemine peab olema vähemalt võrdne 2D-ga. Nii et D E k = = 2 m e v f v d= 2D. (13.3)

Seega minimaalne triivikiirus v d, mis on vajalik Cooperi paari hävitamiseks, on v d= D çm e v f. (13.4)

Elektronide juhtivuse voolu tihedus on j = env d, (13.5)

kus n on juhtivuselektronide kontsentratsioon metallis. Asendades kriitilise triivi kiiruse (13.4), saame kriitilise voolutiheduse j kr .

j cr = env d= et D çm e v f. (13.6)

Tüüpilistele ülijuhtidele n\u003d 3 10 28 m -3, v f= 10 6 m ç s, 2D = 3 meV. Asendaja.

j cr = =10 12 . See vastab voolule 10 6 A läbi 1 mm 2 ristlõikega juhi. Kuid tõelises ülijuhis voolab vool ainult õhukeses pinnalähedases kihis, paksusega umbes 35 nm, mis vastab ristlõikele. S\u003d 10–4 mm 2. Seetõttu on umbes 1 mm paksuse ülijuhi kriitiline vool ainult i kr = j kr S= 10 6 A ç mm 2 10 - 4 mm 2 \u003d 100 A. See on katsega kooskõlas.

6. Kriitilise magnetvälja selgitus BCS-teooria abil. Kui ülijuht asetatakse magnetvälja AT Ülijuhi pinnakihis indutseeritakse pidev vool. Sellel summutamata voolul on selline suurus ja suund, et selle ülijuhi sees olev magnetväli kompenseerib täielikult välisvälja. AT . Valdkonna suurenemisega AT kompenseeriva voolu tihedus ülijuhis suureneb. Kui väline väli AT on nii suur, et sellest indutseeritud induktiivvoolu tihedus saavutab kriitilise väärtuse, ülijuhtivus hävib.

Kõik ülaltoodu kehtib ülijuhid 1-linnad, milles elektrivool eksisteerib ainult pinnalähedases kihis. Veidi hiljem nad avastati ja uuriti ülijuhid 2-linnad. Nendes, mis tekivad välises magnetväljas AT ülijuhtivad voolud ei voola mitte ainult üle pinna, vaid tungivad ka juhi paksusesse. 1. tüüpi ülijuhtidel on kriitiline magnetväli AT cr ei ületa 0,1 T ja 2. tüüpi ülijuhtide puhul jõuab see väärtuseni AT kr » 20 Tl.

7. Efektid josephson seletatakse BCS – teooriaga Cooperi paaride tunnelitamise tulemusena ülijuhtide vahelise kitsa pilu kaudu. Teooria järgi sagedus n vahelduv ülijuhtiv vool saadakse järgmiselt: n= . (13.7)

Rõhuga lõhele U= 1 mV sagedus n= 485 GHz, mis vastab EM-kiirguse lainepikkusele l = cn= 0,6 mm.

8. Ülijuhi reaktsioonivõime. Igal temperatuuril T< T cr ülijuht sisaldab peaaegu alati mõlemat ülijuhtivat elektroni kontsentratsiooniga nc ja normaalne ( n n) elektronid. Kui ülijuht asetada kõrgsagedusvälja, siis selles vahelduvas elektriväljas ei kiirenda mitte ainult Cooperi paare, vaid ka normaalseid elektrone. Seetõttu on voolul nii ülijuhtiv kui ka tavaline komponent.

Nendel ja teistel elektronidel on mass, nende inertsi tõttu jääb vool HF väljatugevuse faasist maha. Cooperi paarid liiguvad juhis justkui hõõrdumiseta. Klassikalise mehaanika järgi jääb osakeste kiirus sel juhul neile faasis mõjuvast perioodilisest jõust maha. pc 2. Seetõttu jääb kõrgsagedusvoolu ülijuhtiv komponent väljatugevusest maha pc 2. See tähendab, et Cooperi paarid loovad puhtalt reaktsioonivõime.

Normaalsed elektronid liiguvad justkui hõõrdudes. Seetõttu loovad nad nii reaktiivse kui ka aktiivse vastupanu.

Suurima panuse jääktakistusse annab lisandite hajumine, mis on reaalses juhis alati olemas, kas saastumise või legeeriva (st tahtlikult sisestatud) elemendi kujul. Kõik lisandid põhjustavad r suurenemist, isegi kui sellel on mitteväärismetalliga võrreldes suurem juhtivus. Niisiis, vaskjuhi kasutuselevõtt 0,01 at. hõbeda lisandi osakaal põhjustab vase eritakistuse tõusu 0,002 μΩ m. Eksperimentaalselt on kindlaks tehtud, et vähese lisandite sisalduse korral suureneb eritakistus proportsionaalselt lisandi aatomite kontsentratsiooniga. Erinevad lisandid mõjutavad juhtide jääktakistust erinevalt. Lisaks lisanditele annavad jääktakistusse mõningase panuse selle enda struktuursed vead - vakantsed, interstitsiaalsed aatomid, dislokatsioonid, terapiirid.

Elektronlainete hajumise põhjuseks metallis pole mitte ainult võre kohtade termilised vibratsioonid, vaid ka staatilised struktuurivead, mis samuti rikuvad kristallvõre korrapärasust. Staatiliste konstruktsioonivigade tõttu hajumine ei sõltu temperatuurist. Seetõttu, kui temperatuur läheneb absoluutsele nullile, kaldub pärismetallide takistus mingi konstantse väärtuseni, mida nimetatakse jääktakistuseks.

Aine eritakistus sõltub temperatuurist. Reeglina suureneb metallide vastupidavus temperatuuri tõustes. See ei tohiks olla üllatav: temperatuuri tõustes liiguvad aatomid kiiremini, nende paigutus muutub vähem järjestatuks ja võib eeldada, et nad segavad rohkem elektronide voolu. Kitsas temperatuurivahemikus suureneb metalli eritakistus temperatuuriga peaaegu lineaarselt:

Väga juures madalad temperatuurid osade metallide, aga ka sulamite ja ühendite eritakistus langeb tänapäevaste mõõtmiste täpsuse piires nulli. Seda omadust nimetatakse ülijuhtivuseks; Seda täheldas esmakordselt Hollandi füüsik Geiko Kamer-Ling-Onnes (1853-1926) 1911. aastal, kui elavhõbe jahutati alla 4,2 K. Sellel temperatuuril langes elavhõbeda elektritakistus ootamatult nullini.

Väärib märkimist, et headest juhtidest, milleks on metallid, eelistatakse enim väärismetalle, parimaks juhiks aga peetakse hõbedat, kuna sellel on madalaim takistus. See selgitab kasutamist Väärismetallid eriti jootmisel olulised elemendid elektrotehnikas. Ainete takistuse väärtuste järgi saab otsustada nende üle praktilise rakendamise- valmistamiseks sobivad kõrge eritakistusega ained isoleermaterjalid, ja vähesega - dirigentidele.

Et saada voolutugevuse sõltuvust vooluahelas Ohmi takistusest, tuli läbi viia suur hulk katseid, mille käigus oli vaja muuta juhi takistust. Sellega seoses seisis ta silmitsi probleemiga uurida juhi takistust sõltuvalt selle individuaalsetest parameetritest. Kõigepealt juhtis Georg Ohm tähelepanu juhi takistuse sõltuvusele selle pikkusest, millest oli põgusalt juttu juba eelmistes tundides. Ta järeldas, et juhi pikkuse suurenemisega suureneb otseselt proportsionaalselt ka selle takistus. Lisaks leiti, et takistust mõjutab ka juhi ristlõige ehk ristlõikega saadud figuuri pindala. Sel juhul, mida suurem on ristlõikepindala, seda väiksem on takistus. Sellest võime järeldada, et mida paksem on traat, seda väiksem on selle takistus. Kõik need faktid saadi empiiriliselt.

Kui pöörate sellele valemile tähelepanu, siis võime järeldada, et juhi takistust väljendatakse sellega, st kui olete määranud juhi voolutugevuse ja pinge ning mõõtnud selle pikkust ristlõike pindalaga, saate kasutada Ohmi väärtust. seadus ja näidatud valem takistuse arvutamiseks. Seejärel saab selle väärtust võrrelda tabelis olevate andmetega ja määrata, millisest ainest juht on valmistatud.

Laengukandjate arv metalljuhis jääb temperatuuri tõustes praktiliselt muutumatuks. Kristallvõre sõlmede vibratsiooni tugevnemise tõttu temperatuuri tõusuga tekib aga vabade elektronide suunatud liikumise teele elektrivälja mõjul üha rohkem takistusi, s.t. Kas keskmine vaba tee elektronide vähenemine? , Elektronide liikuvus väheneb ja selle tulemusena väheneb metallide erijuhtivus ja suureneb eritakistus (joonis 2.1)

Nagu juba mainitud, suurendavad lisandid ja metallide õige struktuuri rikkumised nende vastupidavust. Märkimisväärne kasv? täheldatakse kahe metalli sulamis juhul, kui need moodustavad omavahel tahke lahuse, st heakskiitmisel kristalliseeruvad koos ja ühe metalli aatomid sisenevad teise metalli kristallvõresse.

See koefitsient on huvitav mitte ainult siis, kui arvestada erinevate paaritusmaterjalide toimimist konkreetses disainis (vaakumi pragunemise või purunemise võimalus tihe ühendus klaasidega, keraamikaga, kui temperatuur muutub). Samuti on vaja arvutada traadi temperatuuri takistustegur

Kui kaks erinevat metalljuhti põrkuvad, tekib nende vahel kontaktpotentsiaalide erinevus. Selle potentsiaalse erinevuse ilmnemise põhjuseks on elektronide tööfunktsiooni väärtuste erinevus erinevad metallid, ja ka selles, et elektronide kontsentratsioon ja sellest tulenevalt ka elektrongaasi rõhk erinevates metallides ja sulamites võivad olla erinevad. Metallide elektroonilisest teooriast järeldub, et metallide A ja B kontaktpotentsiaalide erinevus on võrdne

Need raskused saadi üle kvantmehaanika positsioonile asudes. Erinevalt klassikalisest elektroniteooriast usub kvantmehaanika, et metallides olev elektrongaas tavatemperatuuril on taandarengusseisundis.Selles olekus on elektrongaasi energia temperatuurist peaaegu sõltumatu, s.t. soojusliikumine peaaegu ei muuda elektronide energiat. Seetõttu ei kulutata elektrongaasi soojendamisele soojust ja see selgub metallide soojusmahtuvuse mõõtmisel. Elektrongaas siseneb tavagaasidega sarnasesse olekusse tuhandete kelvinite suurusjärgus temperatuuridel. Esitades metalli kui süsteemi, milles positiivseid ioone hoiavad koos vabalt liikuvad elektronid, on lihtne mõista metallide kõigi põhiomaduste olemust: plastilisus, plastilisus, hea soojusjuhtivus ja kõrge elektrijuhtivus.

Piisavalt paljutõotav juhtmaterjal on metalliline naatrium. Naatriumi saab sulatatud naatriumkloriidi NaCl elektrolüüsil praktiliselt piiramatus koguses. Naatriumi omaduste võrdlusest teiste juhtivate metallide omadustega on näha, et naatriumi eritakistus on ligikaudu 2,8 korda suurem? vask ja 1,7 korda rohkem? alumiiniumist, kuid naatriumi ülimadala tiheduse tõttu (selle tihedus on peaaegu 9 korda väiksem vase tihedusest) peaks antud juhtivuse korral pikkuse ühiku kohta naatriumiga traat olema palju kergem kui muust metallist valmistatud traat. Naatrium on aga keemiliselt üliaktiivne (õhus oksüdeerub intensiivselt, reageerib ägedalt veega), mistõttu tuleb naatriumtraati kaitsta tihenduskestaga. Kest peab tagama juhtmetele vajaliku mehaanilise tugevuse, kuna naatrium on väga pehme ja deformatsiooni ajal madala tõmbetugevusega.

Raud (teras) kui odavaim ja saadaval metall, millel on ka kõrge mehaaniline tugevus, pakub suurt huvi juhtmaterjalina kasutamiseks. Kuid isegi puhtal raual on palju suurem eritakistus kui vasel ja alumiiniumil; ? teras, st raud süsiniku ja muude elementide seguga, on veelgi kõrgem. Tavalisel terasel on madal korrosioonikindlus: isegi normaalsetel temperatuuridel, eriti tingimustes kõrge õhuniiskus, see kiiresti roostetab; Temperatuuri tõustes suureneb korrosioonikiirus järsult. Seetõttu tuleb terastraatide pinda kaitsta rohkema kihiga vastupidav materjal. Tavaliselt kasutatakse selleks tsinkkatteid.

See on ühikulise ristlõikepindalaga [oomi m] juhi elektritakistus pikkuseühiku kohta, mida avaldavad laengukandjate liikumine juhis, samuti pooljuhid, mis juhivad ioone lahustes potentsiaalse elektrivälja toimel. Elektriline takistus alalisvoolühelt poolt on see tuletatud mõiste juhi elektritakistusest ja teiselt poolt - Põhikontseptsioon elektrotehniline materjaliteadus, kuna see määrab juhi materjali omadused, sõltumata selle pikkusest ja kujust üldiselt.

Metallide võimet muuta oma takistust temperatuurimuutustega kasutatakse takistustermomeetrite konstrueerimiseks. Selline termomeeter on vilgukiviraamile keritud plaatinatraat. Asetades termomeetri näiteks ahju ja mõõtes plaatinatraadi takistust enne ja pärast kuumutamist, saab määrata ahju temperatuuri.

Metallides asub Fermi tase juhtivusribas, mis on ainult osaliselt täidetud. Juhtivusribas asuvad elektronid, olles saanud suvaliselt väikese energialisandi (näiteks soojusliikumise või elektrivälja tõttu), võivad minna samas tsoonis kõrgemale (vaba)energia tasemele, st muutuda vabadeks elektronideks ja läbiviimises osaleda. Temperatuuri tõustes takistus suureneb, kuna juhtivuselektronide hajumine võre termilistel vibratsioonidel suureneb ja elektroni keskmine vaba tee väheneb.

(kõikjal allpool mõistetakse takistuse all aktiivset (takistuslikku) takistust, mille puhul toimub elektrienergia hajumine (hajumine) ja selle pöördumatu üleminek muudeks energialiikideks, näiteks soojusenergiaks)

Absoluutses nullis, täiesti täiuslikus kristallis, asetsevad aatomid rangelt perioodiliselt ja elektromagnetlained vabalt läbida kristallvõre, ilma vastupanuta. Reaalsetes tingimustes on metallidel - juhtidel moonutatud võre ja neid kasutatakse muudel temperatuuridel kui absoluutne null.

Temperatuuri tõustes võnguvad metalliaatomid võrekohtade ümber, põhjustades elektronlainete hajumist ja põhjustades elektritakistuse suurenemist. Seda kasvu võib väljendada suhtena

Väga väikeste tüvede korral täheldatakse mõnikord resistentsuse vähenemist, mida tuleb seostada kõrvalmõjud: metalli tihendamine, isoleerivate teradevaheliste kilede hävitamine jne.

Järjestuse ilmnemine tahketes lahustes on komponentide keemilise interaktsiooni suurenemise tagajärg, mille tulemusena seovad elektronid tugevamini kui settimata tahkes lahuses. Komponentide keemilise vastasmõju tugevdamine vähendab juhtivuselektronide arvu ja suurendab elektrilist jääktakistust. Kompositsiooni käigus muutub aga võre ioonsüdamiku elektriväli sümmeetrilisemaks ja see toob loomulikult kaasa jääktakistuse vähenemise. Viimane asjaolu osutub valitsevaks ja koostamisel elektritakistus väheneb.

2. Juhtmaterjalid

2.1. Üldinfo juhtide kohta

dirigentidena elektrivool kasutada saab nii tahkeid kui vedelikke ning sobivatel tingimustel (ionisatsiooniseisundis) võib kasutada ka gaase.

Metallist saab eraldada juhtivaid materjale kõrge juhtivusega metallid , mille eritakistus normaaltemperatuuril ei ületa 0,05 μOhm m ja kõrge vastupidavusega sulamid mille eritakistus on vähemalt 0,3 μOhm m.

Eriti huvipakkuvad on materjalid, mille eritakistus on väga madal väga madalatel temperatuuridel. ülijuhid ja krüojuhid .

Vedelike juhtide hulka kuuluvad sulametallid ja elektrolüüdid. Enamiku metallide sulamistemperatuur on kõrge, tavatemperatuuril saab vedela metalli juhina kasutada ainult elavhõbedat, mille sulamistemperatuur on miinus 39°C. Teised metallid on vedelad juhid ainult kõrgetel temperatuuridel.

Voolu läbimise mehhanism metallides - nii tahkes kui vedelas olekus - on tingitud vabade elektronide liikumisest elektrivälja mõjul; Sellepärast nimetatakse metalle elektroonilise elektrijuhtivusega juhid või esimest tüüpi juhid . teist tüüpi dirigendid, või elektrolüüdid, Need on lahused, eriti vesilahused, happed, leelised ja soolad. Voolu läbimine nende ainete kaudu on seotud ioonide elektrilaengute ülekandega vastavalt Faraday seadustele, mille tulemusena muutub elektrolüüdi koostis järk-järgult ja elektrolüüsiproduktid vabanevad elektroodidele. Sulas olekus ioonkristallid on samuti teist tüüpi juhid. Näiteks võib tuua elektriküttega soolakarastusvannid.

Kõik gaasid ja aurud, sealhulgas metalliaurud, ei ole madala elektriväljatugevusega juhid. Kui aga väljatugevus ületab teatud kriitilist väärtust, mis tagab löögi ja fotoionisatsiooni alguse, siis võib gaas muutuda elektroonilise ja ioonjuhtivusega juhiks. Tugevalt ioniseeritud gaas, kui elektronide arv on võrdne positiivselt laetud ioonide arvuga ruumalaühiku kohta, on spetsiaalne juhtiv keskkond nn. plasma .

2.2. Metallide elektrijuhtivus

Klassikaline metallide elektroonikateooria kujutab juhti kui ioonkristallvõre sõlmedest koosnevat süsteemi, mille sees on vabade elektronide elektrongaas. Igast aatomist läheb vabasse olekusse üks kuni kaks elektroni. Elektrongaasile rakendati tavaliste gaaside statistika esitusi ja seadusi. Arvestades elektronide soojus- ja elektriväljale suunatud liikumist, saime Ohmi seaduse väljenduse. Elektronide põrkumisel kristallvõre sõlmedega kandub elektriväljas elektronide kiirenemisel kogunenud energia juhi metallalusele, mille tulemusena see soojeneb. Selle protsessi arvessevõtmine viis Joule-Lenzi seaduse tuletamiseni. Seega võimaldas metallide elektroonika teooria teoreetiliselt kirjeldada ja selgitada varem eksperimentaalselt leitud elektrijuhtivuse ja kadude põhiseadusi. elektrienergia metallides. Samuti osutus võimalikuks selgitada metallide elektri- ja soojusjuhtivuse seost.

Siiski esines ka vastuolusid mõnede teooria järelduste ja katseandmete vahel. Need seisnesid eritakistuse temperatuurisõltuvuse kõverate lahknemises, lahknevuses metallide soojusmahtuvuse teoreetiliselt saadud väärtuste ja katseandmete vahel.

Need raskused saadi üle kvantmehaanika positsioonile asudes. Erinevalt klassikalisest elektroniteooriast eeldab kvantmehaanika, et metallides olev elektrongaas on tavatemperatuuril degenereerunud. Selles olekus on elektrongaasi energia peaaegu temperatuurist sõltumatu, s.t. soojusliikumine peaaegu ei muuda elektronide energiat. Seetõttu ei kulutata soojust elektrongaasi soojendamiseks, mis selgub metallide soojusmahtuvuse mõõtmisel. Elektrongaas siseneb tavagaasidega sarnasesse olekusse tuhandete kelvinite suurusjärgus temperatuuridel. Esitades metalli kui süsteemi, milles positiivseid ioone hoiavad koos vabalt liikuvad elektronid, on lihtne mõista metallide kõigi põhiomaduste olemust: plastilisus, vormitavus, hea soojusjuhtivus ja kõrge elektrijuhtivus.

2.3. Juhtide omadused

To kõige olulisemad parameetrid Juhtivate materjalide omadusi iseloomustavad järgmised:

• erijuhtivus g või selle pöördtakistus r,
• temperatuuri koefitsient TKr või a r ,
• soojusjuhtivus g t,
• kontaktpotentsiaalide erinevus ja termo-emf,
• metallist pärit elektronide tööfunktsioon,
• maksimaalne tõmbetugevus s r ja katkevus Dl/l.

2.3.1. Juhtide juhtivus ja takistus

Seos voolutiheduse J, A / m 2 ja elektrivälja tugevuse E, V / m vahel juhis on antud tuntud valemiga:

Siin on g, S/m juhi materjali parameeter, mida nimetatakse selleks juhtivus ; Ohmi seaduse kohaselt ei sõltu g elektrivälja tugevusest, kui viimane muutub väga laias vahemikus. Väärtus r=1/g, erijuhtivuse ja nn takistus , juhi jaoks takistusega R pikkusega l ja konstantse ristlõikega S arvutatakse valemiga

ρ = R S/l. (2.2)

Takistuse SI ühik on Ohm m. Metalljuhtide eritakistuse ρ väärtuste vahemik normaaltemperatuuril on üsna kitsas: alates 0,016 hõbeda puhul kuni umbes 10 μΩ m raud-kroom-alumiiniumisulamite puhul, s.o. selleks kulub vaid kolm tellimust. Erijuhtivuse γ väärtus sõltub peamiselt elektronide keskmisest vabast teest antud juhis, mille omakorda määrab juhi materjali struktuur. Kõiki kõige korrapärasema kristallvõrega puhtaid metalle iseloomustavad madalaimad eritakistuse väärtused; võre moonutavad lisandid põhjustavad ρ suurenemist. Ja laineteooria seisukohalt toimub elektronlainete hajumine kristallvõre defektidel, mis on proportsionaalsed elektronlaine pikkusest neljandiku kaugusega. Väiksemad vead ei põhjusta märgatavat lainete hajumist.

2.3.2. Metallide temperatuuritakistustegur

Laengukandjate arv metalljuhis jääb temperatuuri tõustes praktiliselt muutumatuks. Kristallvõre sõlmede võnkumiste tõttu tekib aga temperatuuri tõustes üha enam takistusi vabade elektronide liikumise teele, mis on suunatud elektrivälja toimel, s.t. elektroni keskmine vaba teekond väheneb, elektronide liikuvus väheneb ja selle tulemusena väheneb metallide erijuhtivus ning eritakistus suureneb. Teisisõnu, metallide takistuse temperatuuritegur on positiivne.

2.3.3. Metallide eritakistuse muutumine sulamisel

Tahkest olekust vedelasse üleminekul kogeb enamiku metallide eritakistus, nagu on näha jooniselt 2.1; mõned metallid aga suurendavad sulamisel ρ.

Hüpe vastab vase sulamistemperatuurile 1083°С

Eritakistus suureneb sulamisel nendel metallidel, mis suurendavad sulamisel mahtu, s.t. vähendada tihedust metallide puhul, mille ruumala muutub sulamisel vastupidise iseloomuga (sarnaselt jää-vee faasi üleminekuga), ρ väheneb.

2.3.4. Metallide eritakistuse muutumine deformatsioonide ajal

Takistuse muutust pinge või kokkusurumise ajal saab ligikaudselt hinnata valemiga

ρ = ρ 0 (1± σ s) , (2.3)

kus ρ on metalli eritakistus mehaanilisel pingel σ, ρ 0 on mehaanilisele pingele mittealluva metalli eritakistus, s on seda metalli iseloomustav mehaaniline pingetegur; plussmärk valemis vastab pingele, miinusmärk kokkusurumisele.

ρ muutumine elastsete deformatsioonide ajal on seletatav metalli kristallvõre sõlmede võnkeamplituudi muutumisega. Venitades need amplituudid suurenevad, kokkusurumisel vähenevad. Võresaitide võnkumiste amplituudi suurenemine viib laengukandjate liikuvuse vähenemiseni ja sellest tulenevalt ρ suurenemiseni. Plastiline deformatsioon suurendab reeglina metallide eritakistust kristallvõre moonutamise tõttu. Lõõmutamise teel ümberkristallimisel saab eritakistuse vähendada algväärtuseni.

2.3.5. Sulamite vastupidavus

ρ olulist suurenemist täheldatakse kahe metalli sulatamisel, kui need omavahel moodustuvad tahke lahus , st. tahkumisel tekitavad nad liitkristallisatsiooni ja ühe metalli aatomid sisenevad teise metalli kristallvõresse. ρ-l on maksimum, mis vastab sulami komponentide sisalduse teatud kindlale suhtele. Niisiis avastas N.S. Kurnakov, et nendel juhtudel, kui teatud komponentide vahekorras moodustavad nad üksteisega väljendunud keemilisi ühendeid ( intermetallikud ), on kõveratel ρ kompositsiooni funktsioonina katkestusi (joonis 2.2).

Riis. 2.2. Tsingi-magneesiumisulamite eritakistuse sõltuvus koostisest.
Punkt 1 vastab puhtale Mg-le, punkt 2 vastab ühendile
MgZn, 3 - Mg 2 Zn 3, ., 4 - MgZn 4 5 - MgZn 6, 6 - puhas Zn.

A.F.Ioffe'i uuringud näitasid, et paljud metallidevahelised ühendid ei ole elektrijuhtivuse metallilise iseloomuga ained, vaid elektroonilised pooljuhid.

Kui kahe metalli sulam tekitab eraldi kristalliseerumise ja tahkunud sulami struktuur on kummagi komponendi kristallide segu (st iga komponendi kristallvõre ei moonuta), siis on metalli erijuhtivus γ. sulam muutub koostise muutumisega ligikaudu lineaarselt, st. määratakse aritmeetilise segamisreegliga (joonis 2.3).

Joon.2.3. Vase-volframi sulamite erijuhtivuse sõltuvus koostisest (massiprotsentides)

2.3.6. Metallide soojusjuhtivus

Soojuse ülekandmise eest läbi metalli vastutavad peamiselt samad vabad elektronid, mis määravad metallide elektrijuhtivuse ja mille arv mahuühiku kohta on väga suur. Seetõttu on metallide soojusjuhtivus γ t reeglina palju suurem kui dielektrikute soojusjuhtivus. Ilmselgelt, kui muud tegurid on võrdsed, siis mida suurem on metalli erijuhtivus γ, seda suurem peaks olema selle soojusjuhtivus. Samuti on lihtne näha, et temperatuuri tõustes, kui elektronide liikuvus metallis ja vastavalt väheneb ka selle erijuhtivus, peaks suhe γ t /γ δ suurenema.

Metalli mehaanilise töötlemise puhtus ja iseloom võivad märgatavalt mõjutada selle soojusjuhtivust, eriti madalatel temperatuuridel.

2.3.7. termoelektromootorjõud

Kui kaks metalljuhti puutuvad kokku, siis a kontaktpotentsiaali erinevus . Selle väljanägemise põhjus seisneb erinevate metallide elektronide tööfunktsiooni väärtuste erinevuses ja ka selles, et elektronide kontsentratsioon ja sellest tulenevalt ka elektrongaasi rõhk erinevates metallides ja sulamites võib olla erinev. Metallide elektroonilisest teooriast järeldub, et metallide A ja B kontaktpotentsiaalide erinevus on võrdne:

(2.4)

kus U A ja U B on kokkupuutuvate metallide potentsiaalid; n A ja n B on elektronide kontsentratsioonid metallides A ja B.

Kui "ristmike" temperatuurid on samad, on potentsiaalsete erinevuste summa võrdne nulliga. Olukord on erinev, kui ühe metalli temperatuur on T 1 ja teise - T 2.

Sel juhul on "ristmike" vahel termiline emf, mis on võrdne

mida saab kirjutada kui

Kus c on antud juhtmepaari termo-emf-konstant, st. termiline emf peab olema võrdeline metallide temperatuuride erinevusega.

Traat, mis koosneb kahest erineva metalli või sulami juhtmest, mis on üksteisest isoleeritud ( termopaar ) saab kasutada temperatuuri mõõtmiseks.

2.3.8. Juhtide mehaanilised omadused

Neid iseloomustavad tõmbetugevus σ p ja suhteline katkemispikenemine Δl/l, samuti rabedus, kõvadus jms omadused. Metalljuhtide mehaanilised omadused sõltuvad suurel määral mehaanilisest ja termilisest töötlemisest, lisandite olemasolust jne. Lõõmutamise mõju toob kaasa σ p olulise vähenemise ja Δl/l suurenemise. Sellised juhtmaterjalide parameetrid nagu keemis- ja sulamistemperatuur, erisoojusmahtuvus jne ei vaja eriselgitust.

2.4. Kõrge juhtivusega materjalid

Kõige laialdasemalt kasutatavad suure juhtivusega materjalid on vask ja alumiinium.

2.4.1. Vask

Vase eelised, mis tagavad selle laialdase kasutamise juhtmaterjalina, on järgmised:

1. madal takistus;
2. piisavalt kõrge mehaaniline tugevus;
3. rahuldav korrosioonikindlus enamikus rakendustes;
4. hea töödeldavus: vask rullitakse lehtedeks, ribadeks ja tõmmatakse traadiks, mille paksust saab vähendada tuhandiku millimeetrini;
5. jootmise ja keevitamise suhteline lihtsus.

Vaske saadakse kõige sagedamini sulfiidmaakide töötlemisel. Pärast mitmekordset maagi sulatamist ja intensiivse puhumisega röstimist läbib elektriliseks otstarbeks mõeldud vask tingimata elektrolüütilise puhastusprotsessi.

Juhtmaterjalina kasutatakse kõige sagedamini M1 ja M0 klassi vaske. Vask M1 sisaldab 99,9% Cu ja lisandite üldkogus (0,1%) ei tohiks hapnikku olla rohkem kui 0,08%. Hapniku olemasolu vases halvendab selle mehaanilisi omadusi. Parimad mehaanilised omadused on M0 klassi vasel, mis ei sisalda rohkem kui 0,05% lisandeid, sealhulgas mitte rohkem kui 0,02% hapnikku.

Vask on suhteliselt kallis ja napp materjal, mistõttu asendatakse seda üha enam teiste metallidega, eriti alumiiniumiga.

Mõnel juhul kasutatakse vase sulameid tina, räni, fosfori, berülliumi, kroomi, magneesiumi ja kaadmiumiga. Sellised sulamid, mida nimetatakse pronksideks ja millel on õigesti valitud koostis, on oluliselt kõrgemate mehaaniliste omadustega kui puhtal vasel.

2.4.2. Alumiiniumist

Alumiinium on vase järel tähtsuselt teine ​​juhtiv materjal. See on nn kergmetallide kõige olulisem esindaja: valualumiiniumi tihedus on umbes 2,6 ja valtsitud alumiiniumi tihedus 2,7 Mg/m 3 . Seega on alumiinium umbes 3,5 korda kergem kui vask. Alumiiniumi paisumiskoefitsient, erisoojusvõimsus ja sulamissoojus on suuremad kui vasel. Erisoojuse ja sulamissoojuse kõrgete väärtuste tõttu nõuab alumiiniumi kuumutamine sulamistemperatuurini ja selle üleviimine sulaolekusse suur kulu soojust kui sama koguse vase kuumutamisel ja sulatamisel, kuigi alumiiniumi sulamistemperatuur on madalam kui vasel.

Alumiiniumil on madalamad mehaanilised ja elektrilised omadused kui vasel. Sama ristlõike ja pikkusega elektritakistus alumiinium traat 1,63 korda rohkem kui vask. On väga oluline, et alumiiniumi oleks vähem kui vaske.

Elektrilistel eesmärkidel kasutatakse alumiiniumi, mis ei sisalda rohkem kui 0,5% lisandeid, klass A1. Alumiiniumfooliumi, elektroodide ja elektrolüütkondensaatorite korpuste valmistamiseks kasutatakse veelgi puhtamat AB00 klassi alumiiniumi (lisandite sisaldus mitte üle 0,03%). Kõrgeima puhtusastmega AB0000 alumiiniumi lisandite sisaldus ei ületa 0,004%. Ni, Si, Zn või Fe lisamine nende sisaldusega 0,5% vähendab lõõmutatud alumiiniumi γ-d mitte rohkem kui 2-3%. Märgatavamat mõju avaldavad Cu, Ag ja Mg lisandid, sama massisisaldusega vähendades γ alumiiniumi 5-10%. Vähendage oluliselt alumiiniumi Ti ja Mn elektrijuhtivust.

Alumiinium on väga aktiivselt oksüdeeritud ja kaetud õhukese kõrge elektritakistusega oksiidkilega. See kile kaitseb metalli edasise korrosiooni eest.

Alumiiniumsulamitel on suurenenud mehaaniline tugevus. Sellise sulami näide on aldrey , mis sisaldab 0,3-0,5% Mg, 0,4-0,7% Si ja 0,2-0,3% Fe. Aldreys moodustub Mg 2 Si ühend, mis annab sulamile kõrged mehaanilised omadused.

2.4.3. Raud

Raud (teras), kui odavaim ja kättesaadavaim metall, millel on ka kõrge mehaaniline tugevus, pakub suurt huvi juhtiva materjalina. Kuid isegi puhtal raual on vase ja alumiiniumiga võrreldes palju suurem eritakistus; ρ teras, s.o. raud süsiniku ja muude elementide seguga on veelgi kõrgem. Tavalisel terasel on madal korrosioonikindlus: isegi normaalsel temperatuuril, eriti kõrge õhuniiskuse tingimustes, roostetab see kiiresti; Temperatuuri tõustes suureneb korrosioonikiirus järsult. Seetõttu tuleb terastraatide pinda kaitsta vastupidavama materjali kihiga. Tavaliselt kasutatakse selleks tsinkkatet.

Mõnel juhul kasutatakse värviliste metallide tarbimise vähendamiseks nn bimetall . See on terasest, mis on väljast kaetud vasekihiga ning mõlemad metallid on omavahel kindlalt ja pidevalt ühendatud.

2.4.4. Naatrium

Naatriummetall on väga paljutõotav juhtiv materjal. Naatriumi saab sulatatud naatriumkloriidi NaCl elektrolüüsil praktiliselt piiramatus koguses. Naatriumi omaduste võrdlusest teiste juhtivate metallide omadustega on näha, et naatriumi eritakistus on ligikaudu 2,8 korda suurem kui ρ vasel ja 1,7 korda suurem kui ρ alumiiniumil, kuid naatriumi ülimadala tiheduse tõttu (selle tihedus on peaaegu 9 korda väiksem kui vase tihedus), peaks naatriumtraat antud juhtivusega pikkuseühiku kohta olema tunduvalt kergem kui mis tahes muu metalli traat. Naatrium on aga keemiliselt üliaktiivne (õhus oksüdeerub intensiivselt, reageerib ägedalt veega), mistõttu tuleb naatriumtraati kaitsta tihenduskestaga. Kest peab andma traadile vajaliku mehaanilise tugevuse, kuna naatrium on väga pehme ja sellel on deformatsiooni ajal madal tõmbetugevus.

2.5. Ülijuhid ja krüojuhid

Nagu juba märgitud, väheneb temperatuuri langedes metallide eritakistus. Eriti huvitav on küsimus metallide elektrijuhtivuse kohta väga madalatel temperatuuridel, mis lähenevad absoluutsele nullile. Elektritakistuse kadumine, s.o. materjali peaaegu lõpmatu elektrijuhtivuse ilmnemist nimetatakse ülijuhtivus ja temperatuur, milleni jahutamisel toimub aine üleminek ülijuhtivasse olekusse - ülijuhtiva ülemineku temperatuur T s. Üleminek ülijuhtivasse olekusse on pöörduv: kui temperatuur tõuseb Tc-ni, ülijuhtivus hävib ja materjal läheb normaalolekusse, omandades erijuhtivuse γ lõpliku väärtuse. Praegu on teada 27 lihtsat (puhtad metallid) ja üle tuhande kompleksse (sulamid ja keemilised ühendid).

Samal ajal on mõned ained, sealhulgas sellised parimad juhtivad materjalid nagu hõbe ja vask, madalaimatel praegu saavutatud temperatuuridel (suurusjärgus kelvini tuhandikuid; termodünaamika kolmanda seaduse kohaselt on absoluutne nulltemperatuur põhimõtteliselt kättesaamatu ) ülijuhtivasse olekusse ei õnnestunud. Huvitav on märkida, et ülijuhtideks võivad olla mitte ainult ülijuhtivusega metallide ühendid ja sulamid, vaid ka selliste elementide ühendid mitteülijuhtivatega ja isegi ühendid, mille molekulid sisaldavad ainult mitteülijuhtivate elementide aatomeid.

Lisaks ülijuhtivatele elektromagnetitele võib märkida võimalust kasutada ülijuhte väikese massi ja mõõtmetega, kuid suure tõhususega elektrimasinate, trafode jms seadmete loomiseks; väga suure võimsusega ülekandeliinid pikkadel vahemaadel; eriti madala sumbumisega lainejuhid; energiasalvestid jne.

Lisaks ülijuhtivuse fenomenile kasutab kaasaegne elektrotehnika seda nähtust üha enam krüojuhtivus , st. krüogeensetel temperatuuridel väga madala juhtivusega metallide saavutamine (kuid kõrgem kui ülijuhtiva ülemineku temperatuur, kui see metall üldse ülijuhtide hulka kuulub. Materjale, millel on krüogeensetel temperatuuridel juhina kasutamiseks eriti soodsad omadused, nimetatakse nn. krüojuhid või hüperjuhid .

Krüojuhi eritakistuse väga väike, kuid siiski lõplik väärtus selle töötemperatuuril piirab selles lubatud voolutihedust, kuigi see tihedus võib olla palju suurem kui tavalistel juhtidel. Krüojuhte, mille takistus muutub sujuvalt, ilma hüpeteta, kui temperatuur muutub laias vahemikus, ei saa kasutada paljudes seadmetes, mille töö põhineb ülijuhtivuse ilmnemise ja hävimise vallandaval mõjul. Küll aga krüojuhtide kasutamine elektrimasinates, seadmetes, kaablites jne. Sellel on ka oma eelised ja need on väga olulised. Niisiis, kui ülijuhtivates seadmetes kasutatakse vedelat heeliumi jahutusainena, saavutatakse krüojuhtide töötemperatuur kõrgema keemistemperatuuriga ja odavamate külmutusagensitega: vedela vesiniku või isegi vedela lämmastikuga. See lihtsustab oluliselt ja vähendab seadme juurutamise ja kasutamise kulusid. Lisaks koguneb ülijuhtivas seadmes, näiteks elektromagnetis, mille mähist läbib tugev vool, suur magnetvälja energia. Kui juhusliku temperatuuri tõusu või magnetinduktsiooni tõttu ülijuhtiva vooluringi ülijuhtivus hävib, suur hulk energiat, mis võib põhjustada tõsise õnnetuse. Krüojuhtiva ahela puhul põhjustab temperatuuri tõus selle vooluahela takistuse järkjärgulist suurenemist ilma plahvatuseta.

Kõigil juhtudel nõuab krüojuhtivate materjalide saamine metalli kõrget puhtust ja töökõvenemise puudumist. Lisandite ja töökõvenemise kahjulik mõju ρ-metallidele krüogeensetel temperatuuridel on palju tugevam kui tavatemperatuuridel. Krüojuhte saab edukalt kasutada elektrimasinate ja trafode mähisteks, kaablite juhtideks jne.

2.6. Suure vastupidavusega sulamid

Lisaks suurele vastupidavusele vajavad sellised materjalid kõrget stabiilsust ρ aja jooksul, madalat TKρ ja madalat termilise emf koefitsienti. selle sulami paaris vasega. On soovitav, et sellised sulamid oleksid odavad ja võimalusel ei sisaldaks nappe komponente.

2.6.1. Manganiin

See on eeskujulike takistite jaoks kõige tüüpilisem ja laialdasemalt kasutatav sulam. Selle ligikaudne koostis: Cu-85%, Mn-12% ja Ni-3%; nimi tuleneb mangaani olemasolust selles; kollakas värvus on tingitud suurest vasesisaldusest. ρ manganiin 0,42-0,48 μOhm∙m, termo-emf koefitsient. vasega paaris on ainult 1-2 μV / K, α ρ on väga väike. Maksimaalne pikaajaline lubatud töötemperatuur ei ületa 200°C.

2.6.2. Constantan

Sulam, mis sisaldab umbes 60% vaske ja 40% niklit; see koostis vastab minimaalsele α ρ Cu-Ni süsteemis üsna kõrge väärtusρ. Nimetus konstant on seletatav ρ olulise püsivusega temperatuurimuutustega. Konstantaani kuumakindlus on kõrgem kui manganiinil ja mehaanilised omadused on sarnased. Viimaste oluline erinevus on kõrge termiline emf. paaritatud vase ja rauaga. Konstantaani laialdane kasutamine on takistatud suurepärane sisu kallis ja napp niklit.

2.6.3. Rauapõhised sulamid

Nimetatakse süsteemi Fe - Ni - Cr sulameid nikroom või (kõrge rauasisalduse korral) ferronikroomid ; nimetatakse süsteemi Fe - Cr - Al sulameid fehralami ja labane . Nikroomid on tehnoloogiliselt väga arenenud: neid saab hõlpsasti õhukeseks traadiks või lindiks tõmmata, neil on kõrge Töötemperatuur. Kuid nagu kostataanil, on neil kõrge niklisisaldus. Nikroome kasutatakse elektriliste kütteelementidena.

Kroom-alumiiniumi sulamid on palju odavamad kui nikroomid, kuid need sulamid on tehnoloogiliselt vähem arenenud, kõvemad ja rabedamad. Neid kasutatakse peamiselt suure võimsusega elektrikütteseadmete jaoks.

2.7. Tulekindlad metallid

Tulekindlad metallid on metallid, mille sulamistemperatuur on üle 1700°C. Reeglina on need madalatel temperatuuridel keemiliselt stabiilsed, kuid muutuvad aktiivseks kõrgemal temperatuuril. Nende operatsioon kl kõrged temperatuurid võib pakkuda inertgaaside atmosfääris või vaakumis. Tihedas vormis saadakse neid metalle kõige sagedamini pulbermetallurgia meetoditega - pressimise ja paagutamisega. Elektroonikatehnoloogias hakkavad levima elektron- või laserkiirega sulatamine, tsoonide puhastamine, plasmatöötlus jne. Nende materjalide töötlemine on keeruline ja nõuab sageli kuumutamist.

2.7.1. Volfram

Äärmiselt raske, kõva metall halli värvi. Kõigist metallidest on volframil kõrgeim sulamistemperatuur (3380 °C). Seda ekstraheeritakse maakidest erinev koostis, millest kuulsaimad on kompleksina volframiit (FeWO 4 + MnWO 4) ja scheeliit (CaWO 4) keemiline töötlemine. Volframile on iseloomulik kristallide nõrk mehaaniline side, seetõttu on teralise struktuuriga suhteliselt paksud volframtooted väga haprad ja purunevad kergesti. Sepistamise ja tõmbamisega mehaanilise töötlemise tulemusena omandab volfram kiulise struktuuri ja selle purunemine on väga raske. See seletab õhukeste volframkiudude paindlikkust.

Volframist kasutatakse hõõglampide hõõgniite, samuti elektroodide, küttekehade, vedrude ja konksude valmistamiseks elektroonikalampides, röntgenitorudes jne. Tulekindluse tõttu ja suured mehaaniline tugevus, võib volfram töötada kõrgel temperatuuril (üle 2000°C), kuid ainult sügavas vaakumis või inertgaasi atmosfääris, sest kuumutamisel hapniku juuresolekul mitmesaja kraadini oksüdeerub see tugevalt.

2.7.2. Molübdeen

See metall on välimuselt ja töötlemistehnoloogialt sarnane volframiga. Molübdeniit MoS 2 on molübdeeni kõige olulisem tööstuslik maak. Molübdeeni kasutatakse elektrovaakumtehnoloogias madalamatel temperatuuridel kui volframit; molübdeenist hõõguvaid osi tuleb kasutada vaakumis või redutseerivas atmosfääris.

2.7.3. Tantaal

Seda saadakse haruldasest tantaliidist Fe (TaO 3) 2 pulbermetallurgia meetoditega, nagu volfram ja molübdeen. Selle peamine erinevus seisneb ainult selles, et paagutamisprotsess viiakse läbi vaakumahjudes, kuna. tantaal kipub gaase absorbeerima, muutes selle rabedaks. Tantaali iseloomustab kõrge elastsus isegi toatemperatuuril. Tantaal on klassifitseeritud ülijuhtideks, seda kasutatakse generaatorlampide anoodide ja võrkude jms valmistamisel.

2.7.4. Titaan

Suhteliselt kerge metall kasutatakse tänu headele mehaanilistele omadustele elektrovaakumtehnoloogias. Peamised titaani sisaldavad mineraalid on rutiil ja ilmenium. Titaani toodetakse pulbermetallurgia abil. Seda kasutatakse mitte ainult konstruktsioonimaterjalina, vaid ka molübdeeni- ja volframanoodide pulbervärvimiseks ning generaatorlampide võre jaoks. Sellest saadakse ka integraallülituste takistid.

2.7.5. Reenium

Üks haruldasi väga raskemetalle, mille sulamistemperatuur on lähedane volframile. Reeniumi eristab haruldane omaduste kombinatsioon, mis vastab enamikule elektrovaakumtehnoloogia nõuetele. Vesiniku atmosfääris ja niiskes keskkonnas aurustub see vähemal määral kui volfram. Reeniumi väärtuslikuks omaduseks on volframiga võrreldes madalam interaktsiooni aste kõrgel temperatuuril alumiiniumoksiidiga, millest valmistatakse isoleertorud otse kuumutatud kuumutatud katoodide ja teatud tüüpi lampide võre jaoks.

2.8. väärismetallid

Väärismetallide hulka kuuluvad kuld, hõbe, plaatina ja plaatinarühma metallid (ruteenium Ru, roodium Rh, pallaadium Pd, osmium Os ja iriidium Ir). Neid metalle nimetatakse üllasteks nende kauniduse pärast välimus ja kõrge keemiline vastupidavus. Neid kasutatakse korrosioonikindlate katete, fotoelementide elektroodide juhtide ja kontaktidena. Hõbedat kasutatakse ka keraamiliste ja vilgukivist kondensaatorite tootmisel plaatidena otse dielektrikutele kandmiseks.

2.9. Mittemetallist juhid

Tahkete mittemetalliliste juhtivate materjalide hulgast kõrgeim väärtus neil on süsinikupõhised materjalid. Söest valmistatakse elektrimasinate harju, prožektorite elektroode, kaare elektroode elektriahjud ja elektrolüütvannid, galvaaniliste elementide anoodid. Söepulbreid kasutatakse mikrofonides, suure takistusega takistites, söest valmistatakse telefonivõrkude piirikuid.

Tahma, grafiiti ja antratsiiti saab kasutada elektrisöetoodete tootmise toorainena. Looduslik grafiit on üks kihilise struktuuriga puhta süsiniku modifikatsioone, millel on suur nii elektriliste kui ka mehaaniliste omaduste anisotroopsus. Tahm on peeneks hajutatud süsinik, mis sisaldab kihiliste ainete lisandeid. Lakid, millesse on lisatud pigmendina tahma, on madala eritakistusega ja neid saab kasutada elektrivälja võrdsustamiseks. elektrimasinad kõrgepinge.