Лабораторная работа № 3 исследование криопроводимости металлов

Цели работы:

1. Построить зависимости изменения сопротивления меди и алюминия от температуры в диапазоне от 10 до 293 КR = f(Т) и lgR = f(lgT).

2. Определить по ним зависимости изменения удельных сопротивлений и температурных коэффициентов сопротивления от температуры.  = f(Т), lg() = = f(lgT) и TK_R = f(Т).

3. Определить по зависимостям  = f(Т) относительные сопротивления R_т для меди и алюминия и сравнить их.

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 T_д >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 R_т, 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 R_т может доходить при температурах жидкого водорода до R_т 190–200, а у особо чистой (99,999 %) меди – до R_т 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 R_т 1000–1500. Для алюминия марки А999 относительное сопротивление достигает R_т 2400.