Свойства проводниковых материалов

Основными параметрами, определяющими свойства проводни­ковых материалов, являются: 1) удельное электрическое сопротив­ление ρ или удельная проводимость γ; 2) температурный коэффи­циент удельного сопротивления ТКρ или αρ; 3) коэффициент термо-э.д.с. К; 4) коэффициент теплопроводности γт.

Удельное электрическое сопротивление ρпроводника с сопро­тивлением R постоянным поперечным сечением S и длиной l вычис­ляют по формуле

                                                  (4.6)

Величину, обратную ρ, называют удельной электрической про­водимостью γ и измеряют в См/м.

Значения ρ металлов в нормальных условиях отличаются друг от друга примерно в 100 раз. По величине ρ при нормальной тем­пературе проводниковые материалы делят на металлы высокой проводимости (ρ не более 0,1 мкОм·м) и сплавы высокого сопро­тивления (ρ не менее 0,3 мкОм·м).

Сопротивление проводников R_s на высоких частотах существен­но больше их сопротивления на постоянном токе вследствие того, что высокочастотное поле проникает в проводник на небольшую глубину. Чем выше частота поля, тем на меньшую глубину оно про­никает и проводник. Это явление получило название поверхностного эффекта.

Температурный коэффициент удельного сопротивления провод­ников, измеряемый в К^-1, при данной температуре вычисляют по формуле

                                                       (4.8)

где dρ – элементарное приращение сопротивления проводника, соответствующее элементарному приращению температуры dТ.

Средний температурный коэффициент удельного сопротивления металлов αρ в диапазоне температур вычисляют по формуле

                                        (4.9)

где ρ0, ρт - значения ρ, соответствующие температурам измерения Т0 и Т (см. рис. 4.2). Из этой формулы легко рассчитать значение рг для заданной температуры Т:

Значения ТКρ металлов положительны и для большинства, чи­стых металлов в нормальных условиях составляют в среднем 4·10^-3 К^-1. Исключение составляют ферромагнитные металлы, у которых ТКρ достигает (6—6,5)·10^-3 К^-1 (см. табл. 4.1). Для проводниковых и прецизионных материалов высокого сопротивле­ния ТКρ должен быть как можно меньше. Близкими к нулю значе­ниями ТКρ обладают некоторые сплавы высокого сопротивления, например константам.

Коэффициент термо-э.д.с. проводников для термопар подбира­ют большим но величине, постоянным в широком температурном диапазоне и стабильным во времени. Наоборот, в устройствах с малыми и сверхмалыми токами и напряжениями, в эталонных и измерительных устройствах наличие термо-э.д.с. нежелательно. Для ее уменьшения применяют проводниковые металлы и сплавы с минимальным коэффициентом термо-э.д.с. относительно медных проводников (например, серебро, золото, кадмий, цинк и др.).

Коэффициент теплопроводности проводников γт прямо пропор­ционален их удельной проводимости [см. выражение (4.5)]. Поэто­му наивысшими значениями γт обладают металлы с максимальной проводимостью: серебро, медь, алюминий. Таким образом, теплоотводящие устройства, например, мощных резисторов, полупровод­никовых приборов, а также шасси приборов изготавливают из ме­таллов с высокой электропроводностью (медь, алюминии и сплавы на основе этих металлов).

Механические свойства проводников характеризуют обычно пределом прочности при растяжении σ_р и относительным удлине­нием при разрыве ∆l/l.

Для проводников, используемых в электровакуумных приборах, важной механической характеристикой материала является темпе­ратурный коэффициент длины (линейного расширения), позволяю­щий определить изменение любых геометрических размеров изде­лий (длины, ширины, толщины) при нагревании.

По плотности металлы разделяют на легкие и тяжелые. Легки­ми считают те металлы, плотность которых меньше 5 Мг/м³. Из легких металлов широко применяется в промышленности, магний с плотностью 1,74 Мг/м³ и алюминий с плотностью 2,7 Мг/м³. К числу наиболее легких металлов относится натрий — металл, плотность которого меньше плотности воды. Благодаря своей исключительной легкости и небольшому ρ металлический натрий является перспективным проводниковым материалом.

К тяжелым относится подавляющее большинство металлов, используемых в технике (железо, медь, никель, олово и др.). Мак­симальной плотностью обладают металлы VII и VIII групп Перио­дической системы элементов Д. И. Менделеева, близкие по свойст­вам к платине: иридий - 22,4 Мг/м³, осмий - 22,5 Мг/м³.