- •М. В. Шкаруба
- •Классификация материалов по электрическим свойствам
- •Классификация материалов по магнитным свойствам
- •Наибольшее распространение из конструкционных материалов нашли металлы и сплавы. Поэтому в разделе «Конструкционные материалы» основное внимание уделено металлам и сплавам.
- •Часть 2 лабораторные работы на эвм Общие сведения о программах
- •Лабораторная работа № 2 исследование влияния температуры на удельное сопротивление чистых металлических проводников
- •Теоретические положения
- •Описание установки и обработки результатов измерения
- •Порядок выполнения работы
- •Лабораторная работа № 3 исследование криопроводимости металлов
- •Теоретические положения
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Лабораторная работа № 4 исследование влияния температуры на удельное сопротивление сплавов высокого сопротивления
- •Теоретические положения
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Лабораторная работа № 5 исследование влияния температуры на удельную электропроводность полупроводника
- •Теоретические положения
- •Зависимость электропроводности полупроводников от температуры
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Лабораторная работа № 8 испытание материалов на растяжение
- •Подготовка к работе
- •Порядок выполнения работы
- •Библиографический список
- •Содержание
- •Часть 2. Лабораторные работы на эвм 4
- •Лабораторная работа № 2
- •Исследование влияния температуры на удельное сопротивление сплавов высокого сопротивления 16
Теоретические положения
Криопроводимость – это достижение металлами весьма малого значения удельного сопротивления при криогенных температурах (но без перехода в сверхпроводящее состояние). Криогенные температуры – это температуры Т < 120 К. Эти температуры используются для изготовления токопроводящих жил проводов и кабелей, работающих при температурах жидких водорода (20,4 К), неона (27,3 К), азота (77,4 К).
Полное удельное сопротивление металлов можно представить как сумму двух составляющих [4]:
= тепл + ост,
где тепл – удельное сопротивление, обусловленное тепловыми колебаниями решетки; ост – остаточное сопротивление, обусловленное рассеянием электронов на дефектах кристаллической решетки (примесные атомы, вакансии, дислокации и др.)
При температурах, превышающих температуру Дебая (для металлов Tд >100 K), удельное сопротивление обусловлено главным образом тепловыми колебаниями решетки (тепл) и возрастает практически линейно (рис. 3.1). При низких (криогенных) температурах удельное сопротивление практически перестает зависеть от температуры и определяется остаточным сопротивлением ост, являющимся количественной мерой концентрации дефектов кристаллической решетки.
В качестве криопроводников целесообразно использовать металлы исключительно высокой чистоты и хорошо отожженные. Дело в том, что из-за искажения кристаллической решетки после холодной обработки металлов их удельное сопротивление увеличивается на 1–3 %. Если металл подвергнуть отжигу, т. е. нагреву до нескольких сот градусов, то в результате рекристаллизации восстанавливается искаженная кристаллическая решетка, а удельное сопротивление вновь уменьшается. Мерой качества криопроводникового материала служит относительное сопротивление Rт, определяемое как отношение удельного сопротивления металла при 20 °С (293 К) к удельному сопротивлению при криогенной температуре [4].
Рис. 3.1. Типичная зависимость удельного сопротивления металла от температуры
В качестве криогенного материала могут использоваться бериллий, медь, алюминий. При температурах жидкого азота (77,4 К) наиболее перспективен бериллий, так как он имеет удельное сопротивление примерно в 10 раз ниже по сравнению со сверхчистыми медью и алюминием. У отожженной проводниковой меди с содержанием примесей 0,03 % относительное удельное сопротивление Rт может доходить при температурах жидкого водорода до Rт 190–200, а у особо чистой (99,999 %) меди – до Rт 1430.
Наилучшим криопроводником для работы при температуре жидкого водорода является алюминий [4], удельное сопротивление которого при температуре 20 К является минимальным по сравнению с другими металлами. Кроме того, сумма потерь на охлаждение в криопроводнике проходит через четкий минимум при температуре 20 К. В качестве криопроводникового материала нашел применение алюминий особой и высокой чистоты марок А999 и А995. Алюминий марки А995, содержащий 0,005 % примесей, позволяет получать при криогенных температурах токоведущие жилы с относительным сопротивлением Rт 1000–1500. Для алюминия марки А999 относительное сопротивление достигает Rт 2400.