1. Електричний опір металів.Квантова теорія електропровідності металів зводиться до такого:

а . В ідеальній кристалічній решітці електрони провідності при своєму русі не повинні зазнавати опору. Опір виникає тоді, коли у ґратах з'являються дефекти структури, тобто порушується періодичність ґрат.

б . У реальних кристалах є два механізми порушення структури: домішковий та тепловий.Відповідно розрізняють домішковий питомий опір r nі теплове(коливальне) r Т. Згідно правилу адитивності опорівповний опір металу rі їх сумі, r = r n + r Т. (13.1)

в . Домішний опір r nобумовлено наявністю сторонніх атомів у ґратах (атомів домішки). Якщо метал досить чистий і концентрація атомів домішки невелика, то домішковий опір практично не залежить від температури і ставати помітним поблизу абсолютного нуля. Завдяки домішку питомий опір металу не повинен звертатися в нуль навіть при Т= 0 До.

г . Тепловий опір r Твиникає завдяки розсіюванню електронів провідності на флуктуаціях щільності вузлів кристалічних ґрат, що виникають при тепловому коливальному русі вузлів У квантовій теорії тепловий коливальний рух атомів решітки трактується як система стоячих звукових хвильу кристалі - фононів. Тому говорять про розсіювання електронів провідності на фононах.

На відміну від класичної теорії електропровідності металів Друде - Лоренца, що прогнозує залежність опору від температури виду r~ , квантова теорія дає правильний прогноз лінійної залежності r~Т. При температурах металу Т³ 50 К r= r 0 aТщо відповідає емпіричній формулі r= r 0 (1 + a t). У квантовій теорії виходить, що за Т® 0 повний питомий опір металу rмає прагнути до домішкового r n. На рис.90 показано досвідчена залежність питомого опору чистого натрію від температури.

При Т® 0 К r® r n= 4·10 -11 Ом·м, що становить приблизно 0,4% від опору при Т= 273 К. Вже при температурах Т³ 20 К залежність r(Т) стає практично лінійною.

д . Електричний струм тлумачиться в квантовій теорії як дрейф електроніву періодичному полі кристала. Цей дрейф відбувається під дією постійної електричної сили еЕ, де Е- Напруженість електричного поля, Що створює струм. Виявилося, що швидкість дрейфу електронів залежить від глибини їхнього положення в зоні провідності. Ця залежність виражається через ефективну масу m ефелектрону. На відміну від маси спокою m евільного електрона ефективна масаелектрона у зоні провідності металу – величина змінна, що залежить від ширини зони.

Поблизу дна зони ефективна маса електронів є позитивною. Напрям дрейфу відповідає вектору щільності струму. У міру підйому до верхньої межі зони ефективна маса набуває нескінченно великого значення m еф= ¥, а потім стає негативною. Відповідно і швидкість дрейфу електронів, маючи "правильний" напрямок у дна зони, поступово проходить через нуль і набуває негативних ("неправильних") значень біля верхньої межі зони.

Співвідношення, отримані у наближенні вільних електронів у теорії Друде – Лоренца, виявляються справедливими для електронів, що рухаються в періодичному полі решітки, якщо в них замінити масу спокою електрона m ена ефективну m еф.

2. Надпровідність.У 1911 році Камерлінг - Оннес, Вимірюючи опір ртуті в області низьких температур, виявив, що при Т= 4,2 До опір ртуті майже падало до нуля. Це стали називати надпровідністю. На рис.91 показані дослідні криві залежності питомого опору деяких чистих металів від температури поблизу абсолютного нуля. Очевидно, що явище не зводиться до нормального падіння питомого опору бездефектного кристала, коли r n= 0, та r Т. Перехід у надпровідний стан відбувається не плавно, а стрибкоподібно за певної температури Т кр, яку називають критичною температурою переходу.Наразі відомо близько 30 надпровідних хімічних елементів та понад 500 надпровідних матеріалів.

3. Ефекти надпровідності.

а . Електричний струм , збуджений у надпровідному кільці, може циркулювати у ньому роками.

б . Ефект Мейснера. У 1933 році Вальтер Мейснері Р. Оксенфельдвиявили, що речовина, поміщена в магнітне поле (рис.92 зліва), при переході в надпровідний стан не заморожує магнітне поле, що знаходиться в ньому, як це мало бути при простому переході речовини в стан з нульовим опором, а виштовхує його зі свого об'єму (Мал. 92 праворуч). Це властиво ідеальним діамагнетикамз нульовою магнітною проникністю m= 0.

З того, що магнітне поле не проникає в надпровідник, випливає, що електричний струм може текти лише поверхнею надпровідника. Адже якби струм міг протікати в товщі надпровідника, навколо нього в товщі надпровідника було б магнітне поле. Досвід показує, що електричний струм тече в надпровіднику в поверхневому шарі завтовшки l= 10 100 нм. На цю глибину в надпровідник проникає і магнітне поле, спадаючи з відстанню xвід поверхні за експоненційним законом

В = В 0 exp(- xçl). (13.2)

Речовина в надпровідному стані набуває двох не пов'язаних один з одним фундаментальних властивостей: ідеальну провідність та ідеальний діамагнетизм.

Ефект Мейснерадозволяє стійко підвішувати надпровідні тіла магнітному полі (рис.93). При переході кулі в надпровідний стан 1-го роду магнітне поле з нього витісняється. В результаті поверхневому шарі кулі індукується струм такого напрямку, при якому куля виштовхується з поля.

в . Ефект критичного магнітного поля . Він у тому, що з досягненні магнітним полем, де знаходиться надпровідник, деякого граничного значення індукції У кр»10 -2 10 1 Тл, надпровідність зникає.

На рис.94 показано залежність У крвід температури для свинцю (верхня крива) та для олова (нижня крива). При критичної температури Т = Т кркритичне поле дорівнює нулю, У кр= 0, і з зниженням температури У крзбільшується.

Якщо посилювати струм, що йде надпровідником, то при деякому його критичному значенні I крнадпровідний стан руйнується. Оскільки магнітне поле Упропорційно струму I, то залежність I крвід температури аналогічна залежності У кр(Т). Ефект критичного магнітного поля ускладнює техніку отримання надсильних магнітних полів за допомогою надпровідних контурів. Розрахунок критичного струму повинен враховувати, що струм тече у приповерхневому шарі. Наприклад, у провідника діаметром 1 мм при l = 35 нм переріз приповерхневого шару, яким тече струм, близько 10 -4 мм 2 . Це становить близько 0,01% всього перерізу провідника.

м. Ефект Джозефсона . 1962 року Брайан Джозефсонтеоретично передбачив два ефекти, суть яких у наступному.

Приєднаємо до надпровідника (на рис.95-а він зображений у вигляді бруска) амперметр Аз джерелом постійного струму, ЕРС якого E, і вольтметр V. У ланцюзі йде постійний струм, що реєструється амперметром. Оскільки опір надпровідника дорівнює нулю, вольтметр показує нуль.

Розріжемо надпровідник на дві частини і розсунемо їх, щоб між ними виник зазор завтовшки d 1 нм. Як передбачив ДжозефсонПри включенні такого надпровідника в ланцюг може спостерігатися один з наступних двох ефектів.

Стаціонарний ефект Джозефсон.Через надпровідник, як і раніше, йде постійний струм. Виявляється, струм може текти без опору не тільки через надпровідник, а й через щілину в ньому, якщо вона досить вузька (рис.95-б).

Нестаціонарний ефект Джозефсона. На кінцях надпровідника зі щілиною може виникнути постійна різниця потенціалів. У цьому випадку із щілини випромінюється високочастотна електромагнітна хвиля(Рис.95-в). Через надпровідник тече як постійний, а й високочастотний змінний струм.

В даний час ефекти Джозефсонаяк підтверджені експериментально, а й використовують у микроэлектронике.

4. Теорію надпровідностіпобудували 1957г Джон Бардін, Леон Купері Джон Шріффер. За першими літерами їхніх прізвищ її назвали БКШ – теорією. В основі БКШ-теорії лежить уявлення, що між електронами провідності металу можуть діяти сили тяжіння, що виникають внаслідок поляризації ними кристалічних ґрат.

Електрон, що рухається у ґратах, притягує до себе позитивно заряджені іони, дещо зближуючи їх, і тим самим створює уздовж шляху свого прямування надлишковий позитивний заряд поляризованих грат, до якого можуть бути притягнуті інші електрони. Це еквівалентно виникненню сили тяжіння між електронами, що тільки діє не безпосередньо, а через поляризовані ґрати.

Можна припустити, що надпровідність слід очікувати насамперед у тих металів, у яких має місце сильна взаємодія електронного газу з ґратами, що приводить у звичайних умовах до високого питомого опору. І справді, з чистих металів найкращими надпровідниками виявилися найбільш високоомні – свинець Рb, ніобій Nb, олово Sn, ртуть Hg. У той же час у таких низькоомних металів, як мідь Cu і срібло Ag, у яких електронний газ має високу рухливість, надпровідність не спостерігається.

Як показав Леон Купер,при Т< Т кр, найвищі електрони, розташовані на рівні Фермі, можуть спаровуватися. При цьому їх сумарна енергія виявляється меншою від суми енергій окремих електронів. Енергія, що виділяється, повинна відводитися від кристала охолодженням. Зниження енергії куперівських парпризводить до зниження верхнього зайнятого електронами рівня. В результаті між рівнями куперівських пар та найближчими вільними рівнями виникає заборонена зона шириною 2D (рис.96 зліва). Ця енергетична щілина, що виникла, не дозволяє куперівським парам електронів приймати малу енергію. Вони можуть прийняти лише енергію не менше 2D, яка дозволить електронам перестрибнути через цю щілину. Тому при Т< Т кркуперівські пари виявляються досить стійкими.

При Т< Т крспаровуються в повному обсязі електрони. За кожної температури встановлюється деяке рівноважне співвідношення між концентраціями нормальних і спарених електронів. Виявляється, що ширина 2 Dенергетичної щілини у надпровіднику залежить від кількості неспарених електронів. Їх концентрація знижується із зменшенням температури та відповідно зростає ширина щілини (рис.96 праворуч).

Електрони, що утворюють куперівські пари, мають протилежні спини. Тому спин пари дорівнює нулю, і вона є бозон. Бозони можуть накопичуватися в основному енергетичному стані, з якого їх важко перевести у збуджений стан. Тому куперівські пари у стані узгодженого руху можуть залишатися невизначено довго. Такий узгоджений рух пар є струм надпровідності.

Відстань між електронами пари велика. Воно становить приблизно 1000 нм, що близько 5000 діаметрів атомів. Приблизно 1000 пар перекриваються, займаючи загальний обсяг.

5. Пояснення БКШ – теорією ефекту критичного струму.У відомих надпровідників величина енергетичної щілини становить середньому 2D = 3 меВ » 5·10 -22 Дж. Для руйнування куперовской пари одне із електронів пари має зменшити енергію свого руху, по крайнього заходу, на величину 2D.

Припустимо, що електрон віддає цю енергію при лобовому зіткненні з вузлом ґрат так, що після зіткнення він відскакує з тією ж швидкістю дрейфу v ду зворотньому напрямку. Енергія електрона до зіткнення Ек1 = m e(v ф + v д) 2 ç 2, енергія після зіткнення Ек2 = m e(v ф - v д) 2 ç 2. Тут v ф- Теплова швидкість електронів на рівні Фермі (»10 6 м ç с), v д– швидкість дрейфу електронів у електричному полі, вона не перевищує 1 м ç с.

Зменшення кінетичної енергії електрона має бути принаймні рівним 2D. Так що D Едо = = 2 m e v ф v д= 2D. (13.3)

Звідси мінімальна швидкість дрейфу v д, необхідна для руйнування куперівської пари, є v д= D çm e v ф. (13.4)

Щільність електронного струму провідності є j = env д, (13.5)

де n- Концентрація електронів провідності в металі. Підставивши критичну швидкість дрейфу (13.4), отримуємо критичну щільність струму jкр .

jкр = env д= en D çm e v ф. (13.6)

У типових надпровідників n= 3 · 10 28 м -3 , v ф= 10 6 м ç с, 2D = 3 меВ. Підставляємо.

jкр = =10 12 . Це відповідає струму 10 6 А через провідник перетином 1 мм2. Але в реальному надпровіднику струм тече лише в тонкому приповерхневому шарі завтовшки близько 35 нм, що відповідає перерізу S= 10 -4 мм2. Тому критичний струм у надпровіднику товщиною близько 1 мм становить лише iкр = jкр S= 10 6 А ç мм 2 · 10 - 4 мм 2 = 100 А. Це цілком відповідає експерименту.

6. Пояснення БКШ-теорією критичного магнітного поля.При розміщенні надпровідника в магнітне поле У у поверхневому шарі надпровідника наводиться незатухаючий струм. Цей незатухаючий струм має такі величину та напрямок, що його магнітне поле всередині надпровідника повністю компенсує зовнішнє поле У . При збільшенні поля У щільність компенсуючого струму у надпровіднику зростає. Якщо зовнішнє поле У буде настільки великим, що щільність наведеного ним індукційного струму досягне критичного значення, надпровідність руйнується.

Все вище сказане відноситься до надпровідникам 1-го роду, В яких електричний струм існує тільки в приповерхневому шарі. Дещо пізніше були відкриті та вивчені надпровідники 2-го роду. Вони виникають у зовнішньому магнітному полі У надпровідні струми течуть не лише по поверхні, але й проникають у товщу провідника. У надпровідників 1-го роду критичне магнітне поле Укр не перевищує 0,1 Тл, а у надпровідників 2-го роду досягає величини Укр» 20 Тл.

7. Ефекти Джозефсонапояснюються БКШ – теорієюяк результат тунелювання куперівських пар через вузьку щілину між надпровідниками. Відповідно до теорії, частота nзмінного надпровідного струму визначається виразом: n= . (13.7)

При напрузі на щілини U= 1 мВ частота n= 485 ГГц, що відповідає довжині хвилі ЕМ випромінювання l = сçn= 0,6 мм.

8. Реактивний опір надпровідника. За будь-якої температури Т< Ткр надпровідник практично завжди містить як надпровідні електрони концентрацією n c, і нормальні ( n н) Електрони. Якщо помістити надпровідник у високочастотне поле, то цьому змінному електричному полі прискорюються як куперівські пари, а й нормальні електрони. Тому струм має як надпровідну, і нормальну складову.

Ті та інші електрони мають масу, внаслідок їх інерції струм відстає по фазі від напруженості ВЧ – поля. Куперовские пари рухаються у провіднику як би без тертя. Згідно з класичною механікою, швидкість частинок у цьому випадку відстає по фазі від чинної на них періодичної сили на pç 2. Тому надпровідна складова високочастотного струму відстає від напруженості поля на pç 2. Це означає, що куперівські пари створюють суто реактивний опір.

Нормальні електрони рухаються з тертям. Тому вони створюють як реактивний, і активний опір.

Найбільш істотний внесок у залишковий опір робить розсіювання на домішках, які завжди присутні в реальному провіднику або у вигляді забруднення, або у вигляді легуючого (тобто навмисно вводиться) елемента. Будь-яка домішкова добавка призводить до підвищення р., навіть якщо вона має підвищену провідність порівняно з основним металом. Так, введення у мідний провідник 0, 01 ат. частки домішки срібла викликає збільшення питомого опору міді на 0,002 мкОм м. Експериментально встановлено, що при малому вмісті домішок питомий опір зростає пропорційно до концентрації домішкових атомів. Різні домішки по-різному впливають залишковий опір провідників. Крім домішок, певний внесок у залишковий опір, вносять власні дефекти структури - вакансії, атоми впровадження, дислокації, межі зерен.

Причинами розсіювання електронних хвиль у металі є не лише теплові коливання вузлів ґрат, а й статичні дефекти структури, які також порушують правильність кристалічних ґрат. Розсіювання на статичних дефектах структури залежить від температури. Тому в міру наближення температури до абсолютного нуля опір реальних металів прагне деякого постійного значення, що називається залишковим опором.

Питомий опір речовини залежить від температури. Як правило, опір металів зростає із температурою. Цьому не слід дивуватися: з підвищенням температури атоми рухаються швидше, їхнє розташування стає менш упорядкованим, і очікується, що вони сильніше заважатимуть руху потоку електронів. У вузьких діапазонах зміни температури питомий опір металу збільшується з температурою практично лінійно:

При дуже низьких температурахпитомий опір деяких металів, а також сплавів та сполук падає в межах точності сучасних вимірювань до нуля. Цю властивість називають надпровідністю; вперше його спостерігав нідерландський фізик Гейко Камер-Лінг - Оннес (1853-1926) в 1911 р. при охолодженні ртуті нижче 4,2 К. За цієї температури електричний опір ртуті раптово падало до нуля.

Варто відзначити, що серед хороших провідників, якими є метали, найкращі дорогоцінні метали, при цьому срібло вважається найкращим провідником, т.к. у нього найменший малий питомий опір. Цим пояснюється використання дорогоцінних металівпри паянні особливо важливих елементіву електротехніці. Зі значень питомих опорів речовин можна судити про їх практичному застосуванні- речовини з великим питомим опором підійдуть для виготовлення ізоляційних матеріалів, а з невеликим – для провідників.

Для отримання залежності сили струму в ланцюзі від опору Ому довелося провести величезну кількість експериментів, у яких потрібно було змінювати опір провідника. У зв'язку з цим він зіштовхнувся із проблемою вивчення опору провідника залежно від його окремо взятих параметрів. Насамперед, Георг Ом звернув увагу на залежність опору провідника від його довжини, про яку вже говорилося на попередніх уроках. Він зробив висновок, що зі збільшенням довжини провідника прямо пропорційно збільшується і його опір. Крім того, було встановлено, що на опір впливає ще й переріз провідника, тобто площа фігури, яка виходить при поперечному розрізі. При цьому чим площа перерізу більше, тим опір менше. З цього можна дійти невтішного висновку, що чим провід товщі, тим його опір менше. Усі ці факти було отримано досвідченим шляхом.

Якщо звернути увагу на цю формулу, то можна зробити висновок, що з нею виражається питомий опір провідника, тобто, визначивши силу струму та напругу на провіднику і вимірявши його довжину з площею поперечного перерізу, можна за допомогою закону Ома та зазначеної формули обчислити питомий опір. Потім його значення можна звірити з даними таблиці і визначити, з якої речовини виготовлений провідник.

Число носіїв заряду в металевому провіднику при підвищенні температури залишається незмінним. Проте внаслідок посилення коливань вузлів кристалічної решітки зі зростанням температури утворюється дедалі більше перешкод шляху спрямованого руху вільних електронів під впливом електричного поля, т. е. зменшується середня довжина вільного пробігу електрона? , зменшується рухливість електронів і, як наслідок, зменшується питома провідність металів та зростає питомий опір (рисунок 2.1)

Як зазначалося, домішки і порушення правильної структури металів збільшують їх питомий опір. Значне зростання? спостерігається при сплаву двох металів у тому випадку, якщо вони утворюють один з одним твердий розчин, тобто при затвердженні спільно кристалізуються, і атоми одного металу входять у кристалічну решітку іншого.

Цей коефіцієнт цікавий не тільки при розгляді роботи різних сполучених матеріалів в тій чи іншій конструкції (можливість розтріскування або порушення вакууму) щільного з'єднаннязі склом, керамікою при зміні температури). Він необхідний також і для розрахунку температурного коефіцієнта опору дроту

При зіткненні двох різних металевих провідників між ними виникає контактна різниця потенціалів. Причина появи цієї різниці потенціалів полягає у відмінності значень роботи виходу електронів з різних металів, а також у тому, що концентрація електронів, а, отже, і тиск електронного газу різних металів і сплавів можуть бути неоднаковими. З електронної теорії металів випливає, що контактна різниця потенціалів між металами А та В дорівнює

Ці труднощі вдалося подолати, ставши на позиції квантової механіки. На відміну від класичної електронної теорії квантова механіка вважає, що електронний газ у металах при нормальних температурах перебуває у стані виродження. У цьому стані енергія електронного газу майже залежить від температури, тобто. тепловий рух майже змінює енергію електронів. Тому теплотані витрачається на нагрівання електронного газу, і виявляється при вимірюваннях теплоємності металів. У стан, аналогічний звичайним газам, електронний газ приходить за температур близько тисяч кельвінів. Представляючи метал як систему, в якій позитивні іони скріплюються за допомогою вільно рухомих електронів, легко зрозуміти природу всіх основних властивостей металів: пластичності, ковкості, хорошої теплопровідності та високої електропровідності.

Достатньо перспективним провідниковим матеріалом є металевий натрій. Натрій може бути отриманий електролізом розплавленого натрію хлористого NaCl в практично необмежених кількостях. З порівняння властивостей натрію з властивостями інших провідникових металів видно, що питомий опір натрію приблизно в 2.8 разів більше? міді та в 1.7 разів більше? алюмінію, але завдяки надзвичайно малої щільності натрію (щільність його майже в 9 разів менша за щільність міді), провід з натрію при даній провідності на одиницю довжини повинен бути значно легшим, ніж провід з іншого металу. Однак натрій надзвичайно активний хімічно (він інтенсивно окислюється на повітрі, бурхливо реагує з водою), ніж натрієвий провід повинен бути захищений оболонкою, що герметизує. Оболонка повинна надавати дроти необхідної механічної міцності, так як натрій дуже м'який і має малу межу міцності при деформаціях.

Залізо (сталь) як найдешевший і доступний метал, Що володіє до того ж високою механічною міцністю, представляє великий інтерес для використання як провідниковий матеріал. Однак навіть чисте залізо має значно вищий у порівнянні з міддю та алюмінієм питомий опір; ? сталі, тобто заліза з домішкою вуглецю та інших елементів, ще вищі. Звичайна сталь має малу стійкість корозії: навіть при нормальній температурі, особливо в умовах підвищеної вологості, вона швидко іржавіє; у разі підвищення температури швидкість корозії різко зростає. Тому поверхня сталевих проводів повинна бути захищена шаром. стійкого матеріалу. Зазвичай цієї мети застосовують покриття цинком.

Це електричний опір одиниці довжини провідника одиничної площі перерізу [ Ohm · m ], що рухається носіїв заряду в провіднику, а також напівпровідників проводять іони розчинах, під дією потенційного електричного поля. постійному струмуз однієї строни є похідним поняттям від електричного опору провідника, з другого -Базовий поняттямелектротехнічного матеріалознавства, оскільки визначає властивості матеріалу провідника незалежно від його довжини та форми взагалі.

Здатність металів змінювати свій опір із зміною температури використовується для влаштування термометрів опору. Такий термометр є платиновим дротом, намотаним на слюдяний каркас. Помістивши термометр, наприклад, у піч і вимірюючи опір платинового дроту до і після нагрівання, можна визначити температуру печі.

У металах рівень Фермі лежить у зоні провідності, заповненої лише частково. Електрони, що знаходяться в зоні провідності, отримавши скільки завгодно малу енергетичну добавку (наприклад, за рахунок теплового руху або електричного поля), можуть перейти на більш високий (вільний) енергетичний рівень тієї ж зоні, тобто стати вільними електронами і брати участь у провідності. Зростанням температури опір зростатиме, оскільки збільшується розсіювання електронів провідності на теплових коливаннях решітки, і середня довжина вільного пробігу електрона зменшується.

(скрізь нижче під опором розуміється активний (резистивний) опір, у якому відбувається диссипація (розсіювання) електроенергії та незворотний перехід її в інші види енергії, наприклад, теплову)

При абсолютному нулі в ідеально досконалому кристалі атоми розташовані строго періодично і електромагнітні хвилібезперешкодно проходять крізь кристалічні ґрати, не відчуваючи при цьому опору. У реальних умовах метали - провідники мають спотворені грати і використовуються при температурах, відмінних від абсолютного нуля.

При збільшенні температури атоми металу здійснюють коливання біля вузлів решітки, що викликає розсіювання електронних хвиль, призводить до збільшення електричного опору. Це збільшення може бути виражене залежністю

За дуже малих деформацій іноді спостерігається зменшення опору, що має бути приписано побічних явищ: ущільнення металу, руйнування ізолюючих міжкристалітних плівок і т.п.

Виникнення впорядкування у твердих розчинах - це результат посилення хімічної взаємодії компонентів, у результаті електрони зв'язуються сильніше, ніж у неврегульованих твердому розчині. Посилення хімічної взаємодії компонентів зменшує кількість електронів провідності та збільшує залишковий електричний опір. Однак при складанні електричне поле іонного кістяка решітки стає більш симетричним, а це, природно, призводить до зниження залишкового опору. Остання обставина виявляється превалюючою, і при складанні електричний опір знижується.

2. Провідникові матеріали

2.1. Загальні відомості про провідників

Як провідники електричного струмуможуть бути використані як тверді тіла, так і рідини, а за відповідних умов (у стані іонізації) та гази.

З металевих провідникових матеріалів можуть бути виділені метали високої провідності , що мають питомий опір при нормальній температурі не більше 0.05 мкОм·м, сплави високого опору з питомим опором щонайменше 0.3 мкОм·м.

Особливий інтерес представляють матеріали, що володіють надзвичайно малим питомим опором при дуже низьких температурах. надпровідники і кріопровідники .

До рідких провідників відносяться розплавлені метали та електроліти. Для більшості металів температура плавлення висока, тільки ртуть, що має температуру плавлення мінус 39°С, може бути використана як рідкий металевий провідник при нормальній температурі. Інші метали є рідкими провідниками лише за підвищених температурах.

Механізм проходження струму у металах – як і твердому, і у рідкому стані – обумовлений рухом вільних електронів під впливом електричного поля; тому метали називають провідниками з електронною електропровідністю або провідниками першого роду . Провідниками другого роду, або електролітами, є розчини, зокрема, водні, кислот, лугів та солей. Проходження струму через ці речовини пов'язане з перенесенням разом із електричними зарядами іонів відповідно до законів Фарадея, внаслідок чого склад електроліту поступово змінюється, а на електродах виділяються продукти електролізу. Іонні кристали у розплавленому стані також є провідниками другого роду. Приклад - соляні гартовані ванни з електронагрівом.

Всі гази та пари, у тому числі пари металів, при низьких напруженнях електричного поля не є провідниками. Однак, якщо напруженість поля перевершить деяке критичне значення, що забезпечує початок ударної та фотоіонізації, то газ може стати провідником з електронною та іонною провідністю. Сильно іонізований газ при рівності числа електронів числу позитивно заряджених іонів в одиниці обсягу являє собою особливе провідне середовище, зване плазмою .

2.2. Електропровідність металів

Класична електронна теорія металів представляє провідник у вигляді системи, що складається з вузлів іонної кристалічної решітки, усередині якої знаходиться електронний газ із вільних електронів. У вільний стан кожного атома переходить від однієї до двох електронів. До електронного газу застосовувалися уявлення та закони статистики звичайних газів. Розглядаючи тепловий та спрямований під дією електричного поля рух електронів, отримали вираз закону Ома. При зіткненнях електронів з вузлами кристалічних ґрат енергія, накопичена при прискоренні електронів в електричному полі, передається металевій основі провідника, внаслідок чого він нагрівається. Розгляд цього роцесу спричинив висновок закону Джоуля-Ленца. Т.ч., електронна теорія металів дала можливість теоретично описати та пояснити знайдені раніше експериментальним шляхом основні закони електропровідності та втрат електричної енергіїу металах. Виявилося можливим також пояснити зв'язок між електро- та теплопровідністю металів.

Проте виникли й протиріччя деяких висновків теорії з досвідченими даними. Вони полягали у розбіжності кривих температурної залежності питомого опору, у невідповідності теоретично отриманих значень теплоємності металів досвідченим даним.

Ці труднощі вдалося подолати, ставши позиції квантової механіки. На відміну від класичної електронної теорії квантова механіка вважає, що електронний газ у металах за нормальних температур перебуває у стані виродження. У цьому вся стані енергія електронного газу майже залежить від температури, тобто. тепловий рух майже змінює енергію електронів. Тому теплота не витрачається на нагрівання електронного газу, що виявляється при вимірюваннях теплоємності металів. У стан, аналогічний звичайним газам, електронний газ приходить за температур близько тисяч Кельвінів. Представляючи метал як систему, в якій позитивні іони скріплюються за допомогою електронів, що вільно рухаються, легко зрозуміти природу всіх основних властивостей металів: пластичності, ковкості, хорошої теплопровідності і високої електропровідності.

2.3. Властивості провідників

До найважливішим параметрам, Що характеризує властивості провідникових матеріалів, відносяться:

• питома провідність g або обернена їй величина – питомий опір r,
• температурний коефіцієнт питомого опору ТКr або ar,
• теплопровідність g т,
• контактна різниця потенціалів та термо-е.д.с.,
• робота виходу електронів із металу,
• межа міцності при розтягуванні s r та відносне подовження при розриві Dl/l.

2.3.1. Питома провідність та питомий опір провідників

Зв'язок щільності струму J, А/м 2 і напруженості електричного поля Е, В/м, у провіднику дається відомою формулою:

Тут g, см / м - параметр провідникового матеріалу, званий його питомою провідністю ; відповідно до закону Ома g не залежить від напруженості електричного поля при зміні останньої у досить широких межах. Величина r=1/g, зворотна питомої провідності та звана питомим опором , що має опір R провідника довжиною l з постійним поперечним перерізом S обчислюється за формулою

ρ = R·S/l. (2.2)

Одиниця СІ для питомого опору – Ом·м. Діапазон значень питомого опору ρ металевих провідників за нормальної температури досить вузький: від 0.016 для срібла до приблизно 10 мкОм·м для залізохромоалюмінієвих сплавів, тобто. він займає лише три порядки. Значення питомої провідності в основному залежить від середньої довжини вільного пробігу електронів в даному провіднику, яка, у свою чергу, визначається структурою провідникового матеріалу. Всі чисті метали з найбільш правильними кристалічними гратами характеризуються найменшими значеннями питомого опору; домішки, спотворюючи ґрати, призводять до збільшення ρ. І з погляду хвильової теорії, розсіювання електронних хвиль відбувається на дефектах кристалічної решітки, які можна порівняти з відстанню близько чверті довжини електронної хвилі. Порушення менших розмірів не викликають помітного розсіювання хвиль.

2.3.2. Температурний коефіцієнт питомого опору металів

Число носіїв заряду у металевому провіднику при підвищенні температури залишається практично незмінним. Проте внаслідок коливань вузлів кристалічної решітки зі зростанням температури з'являється дедалі більше перешкод шляху спрямованого під впливом електричного поля руху вільних електронів, тобто. зменшується середня довжина вільного пробігу електрона, зменшується рухливість електронів і, як наслідок, зменшується питома провідність металів, і збільшується питомий опір. Інакше кажучи, температурний коефіцієнт питомого опору металів позитивний.

2.3.3. Зміна питомого опору металів під час плавлення

При переході з твердого стану в рідке у більшості металів спостерігається збільшення питомого опору, як видно з рис.2.1; однак деякі метали під час плавлення підвищують ρ.

Стрибок відповідає температурі плавлення міді 1083°С.

Питомий опір збільшується при плавленні у тих металів, які збільшують при плавленні обсяг, тобто. зменшують густину; у металів з протилежним характером зміни обсягу при плавленні (аналогічним фазовому переходу лід-вода) зменшується.

2.3.4. Зміна питомого опору металів під час деформацій

Зміна питомого опору при розтягуванні чи стисканні приблизно може оцінюватися формулою

ρ = ρ 0 (1± σ ·s) , (2.3)

де ρ - питомий опір металу при механічній напрузі σ, ρ 0 - питомий опір металу, не схильного до механічного впливу, s - коефіцієнт механічної напруги, що характеризує даний метал; знак плюс у формулі відповідає розтягуванню, мінус – стиску.

Зміна при пружних деформаціях пояснюється зміною амплітуди коливань вузлів кристалічної решітки металу. При розтягуванні ці амплітуди збільшуються, при стисканні зменшуються. Збільшення амплітуди коливань вузлів кристалічних ґрат призводить до зменшення рухливості носіїв зарядів і, як наслідок, до зростання ρ. Пластична деформація, як правило, підвищує питомий опір металів внаслідок спотворення кристалічних ґрат. При рекристалізації шляхом відпалу питомий опір може бути знижено до початкового значення.

2.3.5. Питомий опір сплавів

Значне зростання ρ спостерігається при сплавленні двох металів у тому випадку, якщо вони утворюють один з одним твердий розчин , тобто. створюють при затвердінні спільну кристалізацію, і атоми одного металу входять до кристалічних грат іншого. ρ має максимум, що відповідає деякому певному співвідношенню між вмістом компонентів у сплаві. Так, Н.С.Курнаков відкрив, що у тих випадках, коли при певному співвідношенні між компонентами вони утворюють один з одним явно виражені хімічні сполуки ( інтерметаліди ), на кривих в функції складу спостерігаються злами (рис.2.2).

Рис. 2.2. Залежність питомого опору металів цинк – магній від складу.
Точка 1 відповідає чистому Mg, 2 – з'єднанню
MgZn, 3 - Mg 2 Zn 3, ., 4 - MgZn 4 5 - MgZn 6, 6 - чистому Zn.

Дослідження А.Ф.Іоффе показали, що багато інтерметалідів є не речовинами з металевим характером електропровідності, а електронними напівпровідниками.

Якщо ж сплав двох металів створює роздільну кристалізацію, і структура застиглого сплаву є сумішшю кристалів кожного з компонентів (тобто. спотворення кристалічної решітки кожного компонента не має місця), то питома провідність γ сплаву змінюється зі зміною складу приблизно лінійно, тобто . визначається арифметичним правилом змішування (рис.2.3).

Рис.2.3. Залежність питомої провідності сплавів мідь – вольфрам від складу (у відсотках по масі)

2.3.6. Теплопровідність металів

За передачу тепла через метал в основному відповідальні ті ж вільні електрони, які визначають електропровідність металів, і кількість яких в одиниці об'єму дуже велика. Тому, як правило, теплопровідність т металів набагато більша, ніж теплопровідність діелектриків. Очевидно, що за інших рівних умов, чим більша питома електрична провідність γ металу, тим більше має бути і його теплопровідність. Легко також бачити, що при підвищенні температури, коли рухливість електронів у металі і відповідно його питома провідність зменшуються, відношення т/γ має зростати.

Чистота і характер механічної обробки металу можуть помітно позначатися його теплопровідності, особливо за низьких температурах.

2.3.7. Термоелектрорушійна сила

При дотику двох металевих провідників між ними виникає контактна різниця потенціалів . Причина її появи полягає у відмінності значень роботи виходу електронів з різних металів, а також у тому, що концентрація електронів, а отже, і тиск електронного газу у різних металів та сплавів можуть бути неоднаковими. З електронної теорії металів випливає, що контактна різниця потенціалів між металами А та В дорівнює:

(2.4)

де U А і U В - потенціали металів, що стикаються; n А і n – концентрації електронів у металах А і В.

Якщо температури "спаїв" однакові, то сума різниць потенціалів дорівнює нулю. Інша справа, коли один метал має температуру Т 1 , а інший - Т 2 .

У цьому випадку між "спаями" виникає термо-е.д.с., рівна

що можна записати у вигляді

Де - постійний для цієї пари провідників коефіцієнт термо-е.д.с., тобто. термо-е.д.с. повинна бути пропорційна різниці температур металів.

Провід, що складається з двох ізольованих один від одного дротів з різних металів або сплавів ( термопара ), може бути використаний для вимірювання температур.

2.3.8. Механічні властивості провідників

Вони характеризуються межею міцності при розтягуванні σ р і відносним подовженням при розриві Δl/l, а також крихкістю, твердістю тощо. Механічні властивості металевих провідників великою мірою залежать від механічної та термічної обробки, наявності легуючих домішок тощо. Вплив відпалу призводить до істотного зменшення р і збільшення Δl/l. Такі параметри провідникових матеріалів, як температури кипіння та плавлення, питома теплоємність та ін, не вимагають особливих пояснень.

2.4. Матеріали високої провідності

До найбільш широко поширених матеріалів високої провідності слід віднести мідь та алюміній.

2.4.1. Мідь

Переваги міді, що забезпечують їй широке застосування як провідниковий матеріал, такі:

1. малий питомий опір;
2. досить висока механічна міцність;
3. задовільна в більшості випадків застосування стійкість до корозії;
4. хороша оброблюваність: мідь прокочується в листи, стрічки і простягається в дріт, товщина якого може бути доведена до тисячних часток міліметра;
5. відносна легкість паяння та зварювання.

Мідь отримують найчастіше шляхом переробки сульфідних руд. Після ряду плавок руди та випалювання з інтенсивним дуванням мідь, призначена для електротехнічних цілей, обов'язково проходить процес електролітичного очищення.

Як провідниковий матеріал найчастіше використовується мідь марок М1 і М0. Мідь марки М1 містить 99.9% Cu, а загальної кількості домішок (0.1%) кисню має бути трохи більше 0,08%. Присутність у міді кисню погіршує її механічні властивості. Кращими механічними властивостями має мідь марки М0, у якій міститься трохи більше 0.05% домішок, зокрема не більше 0.02% кисню.

Мідь є порівняно дорогим і дефіцитним матеріалом, тому вона ширше замінюється іншими металами, особливо алюмінієм.

В окремих випадках застосовуються сплави міді з оловом, кремнієм, фосфором, бериллієм, хромом, магнієм, кадмієм. Такі сплави, що мають назву бронз, при правильно підібраному складі мають значно вищі механічні властивості, ніж чиста мідь.

2.4.2. Алюміній

Алюміній є другим за значенням після міді провідниковим матеріалом. Це найважливіший представник про легких металів: щільність литого алюмінію близько 2.6, а прокатаного – 2.7 Мг/м 3 . Т.ч., алюміній приблизно в 3.5 рази легший за мідь. Температурний коефіцієнт розширення, питома теплоємність та теплота плавлення алюмінію більша, ніж міді. Внаслідок високих значень питомої теплоємності та теплоти плавлення для нагрівання алюмінію до температури плавлення та переведення в розплавлений стан потрібно велика витрататепла, ніж для нагрівання та розплавлення такої ж кількості міді, хоча температура плавлення алюмінію нижча, ніж міді.

Алюміній має знижені в порівнянні з міддю властивості – як механічні, так і електричні. При однаковому перерізі та довжині електричний опір алюмінієвого дротуу 1.63 рази більше, ніж мідного. Дуже важливо, що алюміній менш дефіцитний, ніж мідь.

Для електротехнічних цілей використовують алюміній, що містить трохи більше 0.5% домішок, марки А1. Ще чистіший алюміній марки АВ00 (не більше 0.03% домішок) застосовують для виготовлення алюмінієвої фольги, електродів та корпусів електролітичних конденсаторів. Алюміній найвищої чистоти АВ0000 має вміст домішок трохи більше 0ю004%. Добавки Ni, Si, Zn або Fe при вмісті їх 0.5% знижують відпаленого алюмінію алюмінію не більше, ніж на 2-3%. Більш помітну дію мають домішки Cu, Ag і Mg, при тому ж масовому вмісті знижують γ алюмінію на 5-10%. Дуже сильно знижують електропровідність алюмінію Ti та Mn.

Алюміній дуже активно окислюється та покривається тонкою оксидною плівкою з великим електричним опором. Ця плівка оберігає метал від подальшої корозії.

Алюмінієві сплави мають підвищену механічну міцність. Приклад такого сплаву є альдрей , Що містить 0.3-0.5% Mg, 0.4-0.7% Si та 0.2-0.3% Fe. В альдреї утворюється з'єднання Mg 2 Si, яке повідомляє високі механічні властивості сплаву.

2.4.3. Залізо

Залізо (сталь) як найбільш дешевий і доступний метал, що має до того ж високу механічну міцність, представляє великий інтерес для використання в якості провідникового матеріалу. Однак навіть чисте залізо має значно вищий порівняно з міддю та алюмінієм питомий опір; ρ сталі, тобто. заліза з домішкою вуглецю та інших елементів, ще вище. Звичайна сталь має малу стійкість корозії: навіть при нормальній температурі, особливо в умовах підвищеної вологості, вона швидко іржавіє; у разі підвищення температури швидкість корозії різко зростає. Тому поверхня сталевих проводів має бути захищена шаром стійкішого матеріалу. Зазвичай цієї мети застосовують покриття цинком.

У ряді випадків для зменшення витрати кольорових металів застосовують так званий біметал . Це сталь, покрита зовні шаром міді, причому обидва метали з'єднані один з одним міцно і безперервно.

2.4.4. Натрій

Дуже перспективним провідниковим матеріалом є металевий натрій. Натрій може бути отриманий електролізом розплавленого натрію хлористого NaCl в практично необмежених кількостях. З порівняння властивостей натрію з властивостями інших провідникових металів видно, що питомий опір натрію приблизно в 2.8 рази більше міді і в 1.7 разів більше алюмінію, але завдяки надзвичайно малої щільності натрію (щільність його майже в 9 разів менше щільності міді), провід з натрію при даній провідності на одиницю довжини має бути значно легшим, ніж провід з будь-якого іншого металу. Однак натрій надзвичайно активний хімічно (він інтенсивно окислюється на повітрі, бурхливо реагує з водою), чому натрієвий провід повинен бути захищений оболонкою, що герметизує. Оболонка повинна надавати дроту необхідну механічну міцність, тому що натрій дуже м'який і має малу межу міцності при деформаціях.

2.5. Надпровідники та кріопровідники

Як зазначалося, при зниженні температури питомий опір металів падає. Особливо цікавить питання про електропровідність металів при дуже низьких температурах, що наближаються до абсолютного нуля. Зникнення електричного опору, тобто. поява практично нескінченної електричної провідності матеріалу, що називається надпровідністю , а температура, при охолодженні до якої відбувається перехід речовини у надпровідний стан – температурою надпровідникового переходу Т с. Перехід у надпровідний стан є оборотним: при підвищенні температури до Т з надпровідністю руйнується і матеріал переходить у нормальний стан, набуваючи кінцевого значення питомої провідності γ. В даний час відомо 27 простих (чистих металів) та понад тисячу складних (сплавів та хімічних сполук).

У той же час деякі речовини, у тому числі такі найкращі провідникові матеріали, як срібло і мідь, при найнижчих, досягнутих в даний час температурах (порядку тисячних часток Кельвіна; згідно з третім законом термодинаміки, абсолютний нуль температури принципово недосяжний) перевести в надпровідний стан не вдалося. Цікаво відзначити, що надпровідниками можуть бути не тільки з'єднання та сплави металів, що володіють надпровідністю, але і з'єднання таких елементів з непровідними і навіть сполуки, до складу молекул яких входять виключно атоми елементів, що не є надпровідними.

Крім надпровідних електромагнітів можна відзначити можливості використання надпровідників для створення електричних машин, трансформаторів тощо пристроїв малої маси і габаритів, але з високими к.п.д.; ліній електропередачі великих потужностей на далекі відстані; хвилеводів з особливо малим згасанням; накопичувачів енергії та ін.

Крім явища надпровідності в сучасній електротехніці, все ширше використовується явище. кріопровідності , тобто. досягнення деякими металами дуже малої питомої провідності при кріогенних температурах (але вищих, ніж температура надпровідникового переходу, якщо даний метал взагалі належить до надпровідників. Матеріали, що мають особливо сприятливі властивості для застосування як провідників в умовах кріогенних температур, називаються кріопровідниками або гіперпровідниками .

Дуже мале, але все ж таки кінцеве значення питомого опору кріопровідника при його робочій температурі обмежує допустиму щільність струму в ньому, хоча ця щільність може бути набагато вище, ніж у звичайних провідниках. Кріопровідники, у яких при зміні температури в широких межах питомий опір змінюється плавно, без стрибків, не можуть використовуватися в ряді пристроїв, дія яких ґрунтується на тригерному ефекті появи та руйнування надпровідності. Однак застосування кріопровідників в електричних машинах, апаратах, кабелях тощо. має й свої переваги, причому дуже суттєві. Так, якщо в надпровідникових пристроях в якості охолоджуючого агента застосовується рідкий гелій, робоча температура кріопровідників досягається застосуванням висококиплячих і дешевих охолоджувачів: рідкого водню або навіть рідкого азоту. Це значно спрощує та здешевлює виконання та експлуатацію пристрою. Крім того, у надпровідниковому пристрої, наприклад, електромагніті, по обмотці якого проходить сильний струм, накопичується велика енергія магнітного поля. Якщо через випадкове підвищення температури або магнітної індукції хоча б на малій ділянці надпровідного контуру надпровідність буде зруйнована, раптово звільниться велика кількістьенергії, що може спричинити серйозну аварію. У разі кріопровідникового ланцюга підвищення температури викликає лише поступове зростання опору цього ланцюга без ефекту вибуху.

У всіх випадках для отримання кріопровідникових матеріалів потрібна висока чистота металу та відсутність наклепу. Шкідливий вплив домішок і наклепу на ρ металів при кріогенних температурах позначається набагато сильніше, ніж за нормальних. Кріопровідники можуть успішно використовуватися для обмоток електричних машин і трансформаторів, для струмопровідних жил кабелів і т.п.

2.6. Сплави високого опору

Крім високого опору таких матеріалів потрібні висока стабільність ρ у часі, малий ТКρ і малий коефіцієнт термо-э.д.с. у парі даного металу з міддю. Бажано, щоб такі сплави були дешевими і наскільки можна не містили дефіцитних компонентів.

2.6.1. Манганін

Це найбільш типовий і широко застосовуваний для зразкових резисторів сплав. Приблизний його склад: Cu-85%, Mn-12% і Ni-3%; назва походить від наявності в ньому марганцю; жовтуватий колір пояснюється великим вмістом міді. ρ манганіну 0.42-0.48 мкОм∙м, коефіцієнт термо-е.д.с. у парі з міддю всього 1-2 мкВ/К, α дуже малий. Гранична тривало допустима робоча температура трохи більше 200°С.

2.6.2. Константан

Сплав, що містить близько 60% міді та 40% нікелю; цей склад відповідає мінімуму α в системі Cu-Ni при досить високому значенніρ. Назва константан пояснюється значною сталістю при зміні температури. Нагрівостійкість константану вища, ніж манганіну, а механічні властивості близькі. Істотною відмінністю останнього є висока термо-е.д.с. у парі з міддю та із залізом. Широкому застосуванню константану перешкоджає великий змістдорогого та дефіцитного нікелю.

2.6.3. Сплави на основі заліза

Сплави системи Fe – Ni – Cr називаються ніхромами або (при підвищеному вмісті заліза) фероніхромами ; сплави системи Fe – Cr – Al називаються фехралями і хромалями . Ніхроми дуже технологічні: їх можна легко простягати в тонкий дріт або стрічку, вони мають високу робочу температуру. Однак, як і в костантані, у них великий вміст нікелю. Ніхроми застосовуються як електронагрівальні елементи.

Хромо-алюмінієві сплави набагато дешевші за ніхроми, проте ці сплави менш технологічні, твердіші і крихкіші. Вони в основному використовуються для електронагрівальних пристроїв великої потужності.

2.7. Тугоплавкі метали

До тугоплавких відносяться метали з температурою плавлення, що перевищує 1700°С. Як правило, вони хімічно стійкі за низьких температур, але стають активними при підвищених. Експлуатація їх при високих температурахможе бути забезпечена в атмосфері інертних газів або вакуумі. У щільному вигляді найчастіше ці метали одержують методами порошкової металургії – пресуванням та спіканням. В електронній техніці починають поширюватися плавка електронним або лазерним променем, зонне очищення, плазмова обробка і т.д. Механічна обробка цих матеріалів важка і часто потребує підігріву.

2.7.1. Вольфрам

Надзвичайно важкий, твердий метал сірого кольору. З усіх металів вольфрам має найвищу температуру плавлення (3380°С). Його витягають із руд різного складу, найбільш відомими серед яких є вольфраміт (FeWO 4 + MnWO 4) та шеєліт (CaWO 4) шляхом складної хімічної обробки. Для вольфраму характерна слабка механічна зв'язаність кристалів, тому при зернистій будові порівняно товсті вольфрамові вироби дуже тендітні і легко ламаються. В результаті механічної обробки куванням і волочінням вольфрам набуває волокнистої структури і злам його дуже утруднений. Цим пояснюється гнучкість тонких вольфрамових ниток.

З вольфраму виготовляють нитки ламп розжарювання, електроди, підігрівачі, пружини і гачки в електронних лампах, рентгенівських трубках і т.п. Внаслідок тугоплавкості та великої механічної міцності, вольфрам може працювати за високих температур (понад 2000°С), але у глибокому вакуумі чи атмосфері інертного газу, т.к. при нагріванні до температури в кілька сотень градусів у присутності кисню він сильно окислюється.

2.7.2. Молібден

Цей метал на вигляд, а також за технологією обробки близький до вольфраму. Найважливішою промисловою рудою молібдену є молібденіт MoS 2 . Молібден застосовують в електровакуумній техніці за менш високих температур, ніж вольфрам; деталі, що розжарюються, з молібдену повинні працювати у вакуумі або відновлювальній атмосфері.

2.7.3. Тантал

Його отримують з мало поширеної руди – танталіту Fe(TaO 3) 2 методами порошкової металургії, подібно до вольфраму і молібдену. Основна відмінність його у тому, що його спікання здійснюють у вакуумних печах, т.к. тантал схильний до поглинання газів, внаслідок чого він стає крихким. Тантал характеризується високою пластичністю навіть за кімнатної температури. Тантал відносять до надпровідників, застосовують при виготовленні анодів та сіток генераторних ламп та ін.

2.7.4. Титан

Щодо легкий метал, що застосовується в електровакуумній техніці завдяки своїм добрим механічним властивостям. Основними мінералами, що містять титан, є рутил та ільменій. Одержують титан методами порошкової металургії. Його використовують не тільки як конструкційний матеріал, але і для порошкоподібних покриттів молібденових і вольфрамових анодів і сіток генераторних ламп. З нього також одержують резистори інтегральних мікросхем.

2.7.5. Реній

Один із рідкісних дуже важких металів, з температурою плавлення, близькою до вольфраму. Реній відрізняється рідкісним поєднанням властивостей, що задовольняють більшість вимог електровакуумної техніки. В атмосфері водню та у вологому середовищі він випаровується меншою мірою, ніж вольфрам. Цінною особливістю ренію є його менша, в порівнянні з вольфрамом, ступінь взаємодії при високих температурах з окисом алюмінію, з якої виготовляють ізоляційні трубки катодів підігрівних прямого розжарення і сіток деяких типів ламп.

2.8. Шляхетні метали

До благородних металів відносять золото, срібло, платину та метали платинової групи (рутеній Ru, родій Rh, паладій Pd, осмій Os та іридій Ir). Ці метали названі благородними за їх гарний зовнішній виглядта високу хімічну стійкість. Вони застосовуються як провідники та контакти для корозійно-стійких покриттів, електродів фотоелементів. Срібло застосовують також для безпосереднього нанесення на діелектрики як обкладки у виробництві керамічних і слюдяних конденсаторів.

2.9. Неметалічні провідники

Серед твердих неметалевих провідникових матеріалів найбільше значеннямають матеріали на основі вуглецю. З вугілля виготовляють щітки електричних машин, електроди для прожекторів, електроди для дугових. електричних печейта електролітичних ванн, аноди гальванічних елементів. Вугільні порошки використовують у мікрофонах, з вугілля роблять високоомні резистори, розрядники для телефонних мереж.

Як сировину для електровугільних виробів можна використовувати сажу, графіт і антрацит. Природний графіт - одна з модифікацій чистого вуглецю шаруватої структури з великою анізотропією як електричних, так і механічних властивостей. Сажі являють собою дрібнодисперсний вуглець з домішками шаруватих речовин. Лаки, до складу яких як пігмент додано сажа, мають малий питомий опір і можуть бути використані для вирівнювання електричного поля в електричних машинахвисокої напруги.