MATERIAŁY PRZEWODZĄCE

Struktury uporządkowane (krystaliczne), niezdefektowane (lub w małym stopniu zdefektowane) opisuje się chętnie pasmowym modelem enrgetycznym:

Szerokość pasma wzbronionego stanowi kryterium podziału materiałów na przewodzące, półprzewodniki i dielektryki.

Jeśli
to materiał ma cechy przewodnika, jeśli to materiał jest półprzewodnikiem. Gdy
wynosi kilka do kilkunastu elektronowoltów, to mamy do czynienia z dielektrykiem. W metalach zawsze są elektrony, które mogą być w stanie przewodzenia, są to elektrony walencyjne (przez analogię z gazami mówi się, że tworzą gaz elektronowy). Jeśli przewodnik znajdzie się pod napięciem, to rozpoczyna się ukierunkowany ruch elektronów. Na swojej drodze elektrony te ulegają rozpraszaniu tzn. napotykają na swojej drodze liczne centra rozpraszania.

Centra rozpraszania.

1. Drgający ruch cieplny sieci dodatnich jonów

2. Obce atomy w węzłach sieci

3. Obce atomy w przestrzeniach międzywęzłowych

4. Dyslokacja sieci

5. Błędy ułożenia

6. Skręcenia płaszczyzn krystalograficznych

7. Granice ziaren

Każde centrum rozpraszania charakteryzowane jest swoistym prawdopodobieństwem. Rezystywność materiału jest wprost proporcjonalna do prawdopodobieństwa rozpraszania. Wszystkie centra mogą działać niezależnie od siebie, a prawdopodobieństwa rozpraszania przez poszczególne centra są addytywne. W rezultacie rezystywność materiału zależy od sumy prawdopodobieństw.

Możemy wyeliminować wszystkie centra rozpraszania (2 do 7) tworząc idealny przewodnik (monokryształ). Drgający ruch cieplny pozostanie jednak zawsze, można go jedynie ograniczać obniżając temperaturę.

- rezystywność przewodnika

i - rezystywność przewodnika idealnego

r - rezystywność resztkowa (centra 2-7)

a - stała materiałowa

T - temperatura

Charakterystyka

W szerokim zakresie temperatur rezystywność jest proporcjonalna do temperatury.

Droga swobodna elektronów związana z rozpraszaniem na drganiach cieplnych jest rzędu 100 odległości międzyelektronowych. Innego rodzaju defekty musiałyby być rozmieszczone w odległościach tego samego rzędu, aby ich wpływ był porównywalny z wpływem drgań cieplnych. Porównując skutki wszystkich centr rozpraszania obcy atom w przestrzeni międzywęzłowej daje największy efekt rozpraszania.

Rezystywność stopów.

Stopy mogą mieć postać:

roztworów stałych

faz międzymetalicznych (tzw. związki międzymetaliczne)

mieszaniny różnych faz.

Roztwór stały jest jednorodną fazą zbudowaną z sieci jednego ze składników zwanego rozpuszczalnikiem. Atomy dodatku stopowego mogą zajmować miejsca w węzłach sieci (przez podstawienie) lub w przestrzeniach międzywęzłowych. W związku z tym rozróżniamy:

roztwory stałe substytucyjne

roztwory interstycyjne

Rozpuszczalność dodatku stopowego może być nieograniczona (od 0 do 100%, gdy oba składniki są podobnych rozmiarów i występowały w podobnych sieciach), ograniczona (gdy sieci w jakich występowały poszczególne składniki są podobne, ale wielkości różne) lub zerowa (gdy składniki pochodzą z zupełnie różnych sieci).

Faza międzymetaliczna jest to szczególny przypadek roztworu stałego substytucyjnego, ale położenie atomów, i ich stosunek ilościowy jest ściśle określony.

Taka struktura jest rozumiana jako przenikanie się dwóch uporządkowanych sieci.

Mieszaniny różnych faz.

W stopie mogą występować równocześnie mieszany:

czystych składników A+B

mieszaniny roztworów stałych BwA+AwB

mieszaniny faz międzymetalicznych A3B+AB

mieszaniny wszystkich możliwych wersji

Rezystywność roztworu stałego o nieograniczonej rozpuszczalności Ag-Au (sieć regularna ścienniecentrowana aAu = 0,40704 nm, aAg = 0,40779

Jest to wynik rozpraszania elektronów przez obcy atom w węźle, więc można powiedzieć, że rezystywność zależy od wymiarów atomowych dodatku stopowego.

Nb -Hf Nb - 0,294 nm, Hf - 0,317 nm

Nb - Ti Ti - 0,293 nm

W przypadku roztworów stałych substystucyjnych wprowadzenie większego dodatku stopowego powoduje rozpraszanie. W roztworach substytucyjnych, w których istnieje możliwość utworzenia związku międzymetalicznego rezystywność zależy od zawartości dodatku stopowego w bardzo charakterystyczny sposób.

Jeśli próbki są szybko chłodzone, to stop zachowuje się typowo jak substytucyjny, jeśli zaś są wolno chłodzone i atomy zdążą się ustawić w uporządkowany sposób, to przy 25% tworzy się związek Cu3Au i przy 50% Au tworzy się związek CuAu. Związek jest bardzo uporządkowany i dlatego występuje małe rozpraszanie elektronów.

PODSTAWOWE METALE PRZEWODZĄCE

MIEDŹ

Parametry podstawowe: wartościowość 1,2,3, struktura krystaliczna, sieć ścienniecentrowana o parametrze sieciowym a = 3.6153 , gęstość 8,96
, temperatura topnienia 1083 oC, przewodność = 59.11 m/mm2, wytrzymałość mechaniczna Rr = 22 - 27
(wartość mniejsza dla cienkich drutów, większa dla grubszych). Po utwardzeniu mechanicznym wytrzymałość ta wzrasta do 38
.

Miedź występuje w postaci rodzimej oraz w postaci rud. Istnieje duża różnorodność rud. Granica opłacalności eksploatacji to 1% zawartości czystej miedzi.

Proces technologiczny:

Prażenie przy dostępie tlenu. Część siarczków przechodzi w postać tlenków i dochodzi do reakcji chemicznych w wysokiej temperaturze między siarczkami i tlenkami, powstaje metaliczna miedź. Pozostałe składniki albo się utleniają, albo zamieniają się w żużel. W ten sposób otrzymana miedź (hutnicza) jest niestety zanieczyszczona. Stopień zanieczyszczenia zależy od typu rudy. Podstawowe zanieczyszczenia to: Aluminium, Arsen, Żelazo, Krzem, Fosfor, Tlen.

Miedź hutnicza jest uszlachetniana w procesach rafinacji (wyróżniamy rafinację ogniową i elektrolityczną). Następnie miedź jest poddawana odtlenianiu częściowemu lub całkowitemu.

Ważna jest nie tylko ilość, ale i jakość zanieczyszczenia. Niektóre pierwiastki wyjątkowo mocno obniżają właściwości elektryczne i mechaniczne miedzi.

Wpływ zanieczyszczeń na konduktywność miedzi:

Na przewodność miedzi ma również wpływ utwardzanie i wyżarzanie.

Najważniejsze stopy miedzi

Cu-Sn Brązy

Brązy są produkowane do przeróbki plastycznej lub do odlewania. Zawartość Sn zwykle (2-20)% Brązy odporne są na amoniak, kwas solny i siarkowy, ich przewodność elektryczna maleje wraz z zawartością cyny. 10% Sn = 10 m/mm2, 20% Sn = 5 m/mm2.

Cu-Zn Mosiądze

Głównie obrabiane plastycznie, także odlewane. Stosowane na różne części konstrukcyjne (sprężyny, śruby), elementy o dużej wytrzymałości mechanicznej, też na przewody.

ALUMINIUM

Podstawowe właściwości: wartościowość 3, struktura krystaliczna, sieć regularna ścienniecentrowana, a = 4,0940 , gęstość 2,7 g/cm3, temperatura topnienia 661,1 oC, przewodność 37,67 m/mm2, Rr = 9-12
, występuje w postaci glinokrzemianów oraz innych związków, z których najważniejszy to boksyt. Aluminium otrzymuje się przez elektrolizę Al2O3 rozpuszczonego w stopionym kryolicie (Na3ALF6). Miarą jakości procesu technologicznego jest ilość energii elektrycznej zużytej do wyprodukowania 1 kg Aluminium. Zwykle huty aluminium lokowane są w pobliżu elektrowni. Aluminium jest bardzo plastyczne, można je przerabiać różnymi metodami obróbki plastycznej, słabe są natomiast jej właściwości odlewnicze i podatność do obróbki skrawaniem. Aluminium powleka się bardzo cienką (0,2 m) warstwą tlenku (Al2O3) o dużej adhezji, co zabezpiecza je przed dalszym utlenianiem i wpływami środowiska. Wykorzystuje się na przewody napowietrzne, żyły kabli, szyny stacyjne, powłoki kabli (chroniące przed wilgocią), folię do kondensatorów, przewody nawojowe.

Właściwości bardzo zależą od ilości i jakości zanieczyszczeń. Przewodność znacznie maleje wraz z pojawieniem się zanieczyszczeń w kolejności: Nikiel, Krzem, Cynk, Żelazo, Miedź, Srebro, Magnez, Tytan, Wanad, Mangan (podobnie jak w przypadku miedzi).

Wytrzymałość mechaniczna zależy od temperatury.

Aluminium cechuje tzw. płynięcie - przyrost odkształcenia bez przyrostu obciążenia. Ogranicza się to stosując utwardzanie mechaniczne.

Czyste aluminium stosuje się tam, gdzie zależy na bardzo dobrej przewodności, a wytrzymałość mechaniczna jest nieistotna (żyły kabli, uzwojenia maszyn elektrycznych, folie do kondensatorów, przewody wnętrzowe), z kolei jeśli zależy nam na dobrej wytrzymałości mechanicznej (kosztem przewodności) to stosujemy stopy:

Algrej i Dural, stosowany jako materiał konstrukcyjny (lotnictwo).

---