Вольфрам удельное сопротивление: Вольфрам удельное — Справочник химика 21

Удельное электрическое сопротивл

вернуться к оглавлению справочника                                                                                     на главную Удельное электрическое сопротивление  проводников. Вещество ρ, мкОм·м Вещество ρ, мкОм·м Алюминий 0,028 Никель 0,073 Вольфрам 0,055 Олово 0,12 Графит 13 Платина 0,10 Дуралюмин 0,033 Ртуть 0,96 Железо 0,10 Свинец 0,21 Золото 0. 024 Серебро 0,016 Латунь 0,07-0,08 Сталь 0.10-0.14 Магний 0,045 Цинк 0,061 Медь 0,017 Чугун 0,5-0,8   Удельное электрическое сопротивление сплавов высокого сопротивления. Вещество ρ, мкОм·м Константан 0,50 Копель 0,47 Манганин 0,43 Никелин 0,4 Нихром 1.1 Фехраль 1,3

Электрическое сопротивление вольфрама.

Электрическое сопротивление проводника

Электрический ток I в любом веществе создается движением заряженных частиц в определенном направлении за счет приложения внешней энергии (разности потенциалов U). Каждое вещество обладает индивидуальными свойствами, по-разному влияющими на прохождение тока в нем. Эти свойства оцениваются электрическим сопротивлением R.

Георг Ом эмпирическим путем определил факторы, влияющие на величину электрического сопротивления вещества, вывел от напряжения и тока, которая названа его именем. Единица измерения сопротивления в международной системе СИ названа его именем. 1 Ом — это величина сопротивления, замеренного при температуре 0 О С у однородного ртутного столба длиной 106,3 см с площадью поперечного сечения в 1 мм 2 .

Определение

Чтобы оценить и применять на практике материалы для изготовления электротехнических устройств, введен термин «удельное сопротивление проводника» . Добавленное прилагательное «удельное» указывает на фактор использования эталонной величины объема, принятой для рассматриваемого вещества.

Это позволяет оценивать электрические параметры разных материалов.

При этом учитывают, что сопротивление проводника возрастает при увеличении его длины и уменьшении поперечного сечения. В системе СИ используется объем однородного проводника с длиной 1 метр и поперечным сечением 1м 2 . В технических расчетах применяется устаревшая, но удобная внесистемная единица объема, состоящая из длины 1 метр и площади 1мм 2 . Формула удельного сопротивления ρ представлена на рисунке.

Для определения электрических свойств веществ, введена еще одна характеристика — удельная проводимость б. Она обратно пропорциональна значению удельного сопротивления, определяет способность материала проводить электрический ток: б =1/ρ.

Как удельное сопротивление зависит от температуры

На величину проводимости материала влияет его температура. Разные группы веществ ведут себя не одинаково при нагреве или охлаждении. Это свойство учитывают в электрических проводах, работающих на открытом воздухе в жару и холод.

Материал и удельное сопротивление провода подбираются с учетом условий его эксплуатации.

Возрастание сопротивления проводников прохождению тока при нагреве объясняется тем, что с повышением температуры металла в нем увеличивается интенсивность передвижения атомов и носителей электрических зарядов во всех направлениях, что создает лишние препятствия для движения заряженных частиц в одну сторону, снижает величину их потока.

Если уменьшать температуру металла, то условия для прохождения тока улучшаются. При охлаждении до критической температуры во многих металлах проявляется явление сверхпроводимости, когда их электрическое сопротивление практически равно нулю. Это свойство широко используется в мощных электромагнитах.

Влияние температуры на проводимость металла используется электротехнической промышленностью при изготовлении обыкновенных ламп накаливания. Их при прохождении тока нагревается до такого состояния, что излучает световой поток. В обычных условиях удельное сопротивление нихрома составляет около 1,05÷1,4 (ом ∙мм 2)/м.

При включении лампочки под напряжение через нить проходит большой ток, который очень быстро разогревает металл. Одновременно возрастает сопротивление электрической цепи, ограничивающее первоначальный ток до номинального значения, необходимого для получения освещения. Таким способом осуществляется простое регулирование силы тока через нихромовую спираль, отпадает необходимость применения сложной пускорегулирующей аппаратуры, используемой в светодиодных и люминесцентных источниках.

Как используется удельное сопротивление материалов в технике

Цветные благородные металлы обладают лучшими свойствами электрической проводимости. Поэтому ответственные контакты в электротехнических устройствах выполняют из серебра. Но это увеличивает конечную стоимость всего изделия. Наиболее приемлемый вариант — использование более дешевых металлов. Например, удельное сопротивление меди, равное 0,0175 (ом ∙мм 2)/м, вполне подходит для таких целей.

Благородные металлы — золото, серебро, платина, палладий, иридий, родий, рутений и осмий, получившие название главным образом благодаря высокой химической стойкости и красивому внешнему виду в ювелирных изделиях. Кроме того, золото, серебро и платина обладают высокой пластичностью, а металлы платиновой группы — тугоплавкостью и, как и золото, химической инертностью. Эти достоинства благородных металлов сочетаются.

Медные сплавы, обладающие хорошей проводимостью, используются для изготовления шунтов, ограничивающих протекание больших токов через измерительную головку мощных амперметров.

Удельное сопротивление алюминия 0,026÷0,029 (ом ∙мм 2)/м чуть выше, чем у меди, но производство и стоимость этого металла ниже. К тому он же легче. Это объясняет его широкое применение в энергетике для изготовления проводов, работающих на открытом воздухе, и жил кабелей.

Удельное сопротивление железа 0,13 (ом ∙мм 2)/м также допускает его применение для передачи электрического тока, но при этом возникают бо́льшие потери мощности. Стальные сплавы обладают повышенной прочностью. Поэтому в алюминиевые воздушные провода высоковольтных линий электропередач вплетают стальные нити, которые предназначены для противостояния нагрузкам, действующим на разрыв.

Особенно актуально это при образовании наледи на проводах или сильных порывах ветра.

Часть сплавов, например, константин и никелин обладают термостабильными резистивными характеристиками в определенном диапазоне. У никелина удельное электрическое сопротивление практически не меняется от 0 до 100 градусов по Цельсию. Поэтому спирали для реостатов изготавливают из никелина.

В измерительных приборах широко применяется свойство строгого изменения значений удельного сопротивления платины от ее температуры. Если через платиновый проводник пропускать электрический ток от стабилизированного источника напряжения и вычислять значение сопротивления, то оно будет указывать температуру платины. Это позволяет градуировать шкалу в градусах, соответствующих значениям Омам. Этот способ позволяет измерять температуру с точностью до долей градусов.

Иногда для решения практических задач требуется узнать полное или удельное сопротивление кабеля . Для этого в справочниках на кабельную продукцию приводятся значения индуктивного и активного сопротивления одной жилы для каждого значения поперечного сечения. С их помощью рассчитываются допустимые нагрузки, выделяемая теплота, определяются допустимые условия эксплуатации и подбираются эффективные защиты.

На удельную проводимость металлов оказывает влияние способ их обработки. Использование давления для пластической деформации нарушает структуру кристаллической решетки, увеличивает число дефектов и повышает сопротивление. Для его уменьшения применяют рекристаллизационный отжиг.

Растяжения или сжатия металлов вызывают в них упругую деформацию, от которой уменьшаются амплитуды тепловых колебаний электронов, а сопротивление несколько снижается.

При проектировании систем заземления необходимо учитывать . Оно имеет отличия в определении от вышеперечисленного метода и измеряется в единицах системы СИ — Ом∙метр. С его помощью оценивают качество растекания электрического тока внутри земли.

На удельную проводимость грунта влияют многие факторы, включая влажность почвы, плотность, размеры ее частиц, температуру, концентрацию солей, кислот и щелочей.

Для каждого проводника существует понятие удельного сопротивления. Эта величина состоит из Омов, умножаемых на квадратный миллиметр, далее, делимое на один метр. Иными словами, это сопротивление проводника, длина которого составляет 1 метр, а сечение — 1 мм 2 . То же самое представляет собой и удельное сопротивление меди — уникального металла, получившего широкое распространение в электротехнике и энергетике.

Свойства меди

Благодаря своим свойствам этот металл одним из первых начал применяться в области электричества. Прежде всего, медь является ковким и пластичным материалом с отличными свойствами электропроводимости. До сих пор в энергетике нет равноценной замены этому проводнику.

Особенно ценятся свойства специальной электролитической меди, обладающей высокой чистотой. Этот материал позволил выпускать провода с минимальной толщиной в 10 микрон.

Кроме высокой электропроводности, медь очень хорошо поддается лужению и другим видам обработки.

Медь и ее удельное сопротивление

Любой проводник оказывает сопротивление, если через него пропустить электрический ток. Значение зависит от длины проводника и его сечения, а также от действия определенных температур. Поэтому, удельное сопротивление проводников зависит не только от самого материала, но и от его определенной длины и площади поперечного сечения. Чем легче материал пропускает через себя заряд, тем ниже его сопротивление. Для меди, показатель удельного сопротивления составляет 0,0171 Ом х 1 мм 2 /1 м и лишь немного уступает серебру. Однако, использование серебра в промышленных масштабах экономически невыгодно, поэтому, медь является лучшим проводником, используемым в энергетике.

Удельное сопротивление меди связано и с ее высокой проводимостью. Эти величины прямо противоположны между собой. Свойства меди, как проводника, зависят и от температурного коэффициента сопротивления. Особенно, это касается сопротивление, на которое оказывает влияние температура проводника.

Таким образом, благодаря своим свойствам, медь получила широкое распространение не только в качестве проводника . Этот металл используется в большинстве приборов, устройств и агрегатов, функционирование которых связано с электрическим током.

Одним из самых востребованных металлов в отраслях промышленности является медь. Наиболее широкое распространение она получила в электрике и электронике. Чаще всего ее применяют при изготовлении обмоток для электродвигателей и трансформаторов. Основная причина использования именно этого материала заключается в том, что медь обладает самым низким из существующих в настоящий момент материалов удельным электрическим сопротивлением. Пока не появится новый материал с более низкой величиной этого показателя, можно с уверенностью говорить о том, что замены у меди не будет.

Общая характеристика меди

Говоря про медь, необходимо сказать, что еще на заре электрической эры она стала использоваться в производстве электротехники. Применять ее стали во многом по причине уникальных свойств, которыми обладает этот сплав. Сам по себе он представляет материал, отличающийся высокими свойствами в плане пластичности и обладающий хорошей ковкостью.

Наряду с теплопроводностью меди, одним из самых главных ее достоинств является высокая электропроводность. Именно благодаря этому свойству медь и получила широкое распространение в энергетических установках , в которых она выступает в качестве универсального проводника. Наиболее ценным материалом является электролитическая медь, обладающая высокой степенью чистоты -99,95%. Благодаря этому материалу появляется возможность для производства кабелей.

Плюсы использования электролитической меди

Применение электролитической меди позволяет добиться следующего:

• Обеспечить высокую электропроводность;
• Добиться отличной способности к уложению;
• Обеспечить высокую степень пластичности.

Сферы применения

Кабельная продукция, изготавливаемая из электролитической меди, получила широкое распространение в различных отраслях. Чаще всего она применяется в следующих сферах:

• электроиндустрия;
• электроприборы;
• автомобилестроение;
• производство компьютерной техники.

Чему равно удельное сопротивление?

Чтобы понимать, что собой представляет медь и его характеристики, необходимо разобраться с основным параметром этого металла — удельным сопротивлением. Его следует знать и использовать при выполнении расчетов.

Под удельным сопротивлением принято понимать физическую величину, которая характеризуется как способность металла проводить электрический ток.

Знать эту величину необходимо еще и для того, чтобы правильно произвести расчет электрического сопротивления проводника. При расчетах также ориентируются на его геометрические размеры. При проведении расчетов используют следующую формулу:

Это формула многим хорошо знакома. Пользуясь ею, можно легко рассчитать сопротивление медного кабеля, ориентируясь только на характеристики электрической сети. Она позволяет вычислить мощность, которая неэффективно расходуется на нагрев сердечника кабеля. Кроме этого, подобная формула позволяет выполнить расчеты сопротивления любого кабеля. При этом не имеет значения, какой материал использовался для изготовления кабеля — медь, алюминий или какой-то другой сплав.

Такой параметр, как удельное электрическое сопротивление измеряется в Ом*мм2/м. Этот показатель для медной проводки, проложенной в квартире, составляет 0,0175 Ом*мм2/м. Если попробовать поискать альтернативу меди — материал, который можно было бы использовать вместо нее, то единственным подходящим можно считать только серебро , у которого удельное сопротивление составляет 0,016 Ом*мм2/м. Однако необходимо обращать внимание при выборе материала не только на удельное сопротивление, но еще и на обратную проводимость. Эта величина измеряется в Сименсах (См).

Сименс = 1/ Ом.

У меди любого веса этот параметр состав равен 58 100 000 См/м. Что касается серебра, то величина обратной проводимости у нее равна 62 500 000 См/м.

В нашем мире высоких технологий, когда в каждом доме имеется большое количество электротехнических устройств и установок, значение такого материала, как медь просто неоценимо. Этот материал используют для изготовления проводки , без которой не обходится ни одно помещение. Если бы меди не существовало, тогда человеку пришлось использовать провода из других доступных материалов, например, из алюминия. Однако в этом случае пришлось бы столкнуться с одной проблемой. Все дело в том, что у этого материала удельная проводимость гораздо меньше, чем у медных проводников.

Удельное сопротивление

Использование материалов с низкой электро- и теплопроводностью любого веса ведет к большим потерям электроэнергии. А это влияет на потерю мощности у используемого оборудования. Большинство специалистов в качестве основного материала для изготовления проводов с изоляцией называют медь. Она является главным материалом, из которого изготавливаются отдельные элементы оборудования, работающего от электрического тока.

• Платы, устанавливаемые в компьютерах, оснащаются протравленными медными дорожками.
• Медь также используется для изготовления самых разных элементов, применяемых в электронных устройствах.
• В трансформаторах и электродвигателях она представлена обмоткой, которая изготавливается из этого материала.

Можно не сомневаться, что расширение сфер применения этого материала будет происходить с дальнейшим развитием технического прогресса. Хотя, кроме меди, существуют и другие материалы, но все же конструктора при создании оборудования и различных установок используют медь. Главная причина востребованности этого материала заключается в хорошей электрической и теплопроводности этого металла, которую он обеспечивает в условиях комнатной температуры.

Температурный коэффициент сопротивления

Свойством уменьшения проводимости с повышением температуры обладают все металлы с любой теплопроводностью. При понижении температуры проводимость возрастает. Особенно интересным специалисты называют свойство уменьшения сопротивления с понижением температуры. Ведь в этом случае, когда в комнате температура снижается до определенной величины, у проводника может исчезнуть электрическое сопротивление и он перейдет в класс сверхпроводников.

Для того чтобы определить показатель сопротивления конкретного проводника определенного веса в условиях комнатной температуры, существует коэффициент критического сопротивления. Он представляет собой величину, которая показывает изменение сопротивления участка цепи при изменении температуры на один Кельвин. Для выполнения расчета электрического сопротивления медного проводника в определенном временном промежутке используют следующую формулу:

ΔR = α*R*ΔT, где α — температурный коэффициент электрического сопротивления.

Заключение

Медь — материал, который широко применяют в электронике. Его используют не только в обмотке и схемах, но и в качестве металла для изготовления кабельной продукции. Чтобы техника и оборудование работали эффективно, необходимо правильно рассчитать удельное сопротивление проводки , прокладываемой в квартире. Для этого существует определенная формула. Зная её, можно произвести расчет, который позволяет узнать оптимальную величину сечения кабеля. В этом случае можно избежать потери мощности оборудования и обеспечить эффективность его использования.

Содержание:

Удельным сопротивлением металлов считается их способность к противодействию электрическому току, проходящему через них. Единицей измерения данной величины служит Ом*м (Ом-метр). В качестве символа используется греческая буква ρ (ро). Высокие показатели удельного сопротивления означают плохую проводимость электрического заряда тем или иным материалом.

Технические характеристики стали

Прежде чем подробно рассматривать удельное сопротивление стали, следует ознакомиться с ее основными физико-механическими свойствами. Благодаря своим качествам, этот материал получил широкое распространение в производственной сфере и других областях жизни и деятельности людей.

Сталь представляет собой сплав железа и углерода, содержащегося в количестве, не превышающем 1,7%. Кроме углерода, сталь содержит определенное количество примесей — кремния, марганца, серы и фосфора. По своим качествам она значительно лучше чугуна, легко поддается закаливанию, ковке, прокату и другим видам обработки. Все виды сталей отличаются высокой прочностью и пластичностью.

По своему назначению сталь подразделяется на конструкционную, инструментальную, а также с особыми физическими свойствами. В каждой из них содержится различное количество углерода, благодаря которому материал приобретает те или иные специфические качества, например, жаропрочность, жаростойкость, устойчивость к действию ржавчины и коррозии.

Особое место занимают электротехнические стали, выпускаемые в листовом формате и применяющиеся в производстве электротехнических изделий. Для получения этого материала производится легирование кремнием, способным улучшить его магнитные и электрические свойства.

Для того чтобы электротехническая сталь приобрела необходимые характеристики, необходимо соблюдение определенных требований и условий. Материал должен легко намагничиваться и перемагничиваться, то есть, обладать высокой магнитной проницаемостью. Такие стали имеют хорошую , а их перемагничивание осуществляется с минимальными потерями.

От соблюдения этих требований зависят габариты и масса магнитных сердечников и обмоток, а также коэффициент полезного действия трансформаторов и величина их рабочей температуры. На выполнение условий оказывают влияние многие факторы, в том числе и удельное сопротивление стали.

Удельное сопротивление и другие показатели

Величина удельного электрического сопротивления представляет собой отношение напряженности электрического поля в металле и плотности тока, протекающего в нем. Для практических расчетов используется формула: в которой ρ является удельным сопротивлением металла (Ом*м), Е — напряженностью электрического поля (В/м), а J — плотностью электротока в металле (А/м 2). При очень большой напряженности электрического поля и низкой плотности тока, удельное сопротивление металла будет высоким.

Существует еще одна величина, называемая удельной электропроводностью, обратная удельному сопротивлению, указывающая на степень проводимости электрического тока тем или иным материалом. Она определяется по формуле и выражается в единицах См/м — сименс на метр.

Удельное сопротивление тесно связано с электрическим сопротивлением. Однако они имеют различия между собой. В первом случае — это свойство материала, в том числе и стали, а во втором случае определяется свойство всего объекта. На качество резистора влияет сочетание нескольких факторов, прежде всего, формы и удельного сопротивления материала, из которого он изготовлен. Например, если для изготовления проволочного резистора использовалась тонкая и длинная проволока, то его сопротивление будет больше, чем у резистора, изготовленного из толстой и короткой проволоки одинакового металла.

В качестве другого примера можно привести резисторы из проволоки с одинаковым диаметром и длиной. Однако, если в одном из них материал имеет высокое удельное сопротивление, а в другом низкое, то соответственно в первом резисторе электрическое сопротивление будет выше, чем во втором.

Зная основные свойства материала, можно использовать удельное сопротивление стали для определения величины сопротивления стального проводника. Для вычислений, кроме удельного электрического сопротивления потребуется диаметр и длина самого провода. Расчеты выполняются по следующей формуле: , в которой R является (Ом), ρ — удельным сопротивлением стали (Ом*м), L — соответствует длине провода, А — площади его поперечного сечения.

Существует зависимость удельного сопротивления стали и других металлов от температуры. В большинстве расчетов используется комнатная температура — 20 0 С. Все изменения под влиянием этого фактора учитываются с помощью температурного коэффициента.

Конвертер длины и расстояния Конвертер массы Конвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питания Конвертер площади Конвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептах Конвертер температуры Конвертер давления, механического напряжения, модуля Юнга Конвертер энергии и работы Конвертер мощности Конвертер силы Конвертер времени Конвертер линейной скорости Плоский угол Конвертер тепловой эффективности и топливной экономичности Конвертер чисел в различных системах счисления Конвертер единиц измерения количества информации Курсы валют Размеры женской одежды и обуви Размеры мужской одежды и обуви Конвертер угловой скорости и частоты вращения Конвертер ускорения Конвертер углового ускорения Конвертер плотности Конвертер удельного объема Конвертер момента инерции Конвертер момента силы Конвертер вращающего момента Конвертер удельной теплоты сгорания (по массе) Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему) Конвертер разности температур Конвертер коэффициента теплового расширения Конвертер термического сопротивления Конвертер удельной теплопроводности Конвертер удельной теплоёмкости Конвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излучения Конвертер плотности теплового потока Конвертер коэффициента теплоотдачи Конвертер объёмного расхода Конвертер массового расхода Конвертер молярного расхода Конвертер плотности потока массы Конвертер молярной концентрации Конвертер массовой концентрации в растворе Конвертер динамической (абсолютной) вязкости Конвертер кинематической вязкости Конвертер поверхностного натяжения Конвертер паропроницаемости Конвертер паропроницаемости и скорости переноса пара Конвертер уровня звука Конвертер чувствительности микрофонов Конвертер уровня звукового давления (SPL) Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давления Конвертер яркости Конвертер силы света Конвертер освещённости Конвертер разрешения в компьютерной графике Конвертер частоты и длины волны Оптическая сила в диоптриях и фокусное расстояние Оптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×) Конвертер электрического заряда Конвертер линейной плотности заряда Конвертер поверхностной плотности заряда Конвертер объемной плотности заряда Конвертер электрического тока Конвертер линейной плотности тока Конвертер поверхностной плотности тока Конвертер напряжённости электрического поля Конвертер электростатического потенциала и напряжения Конвертер электрического сопротивления Конвертер удельного электрического сопротивления Конвертер электрической проводимости Конвертер удельной электрической проводимости Электрическая емкость Конвертер индуктивности Конвертер Американского калибра проводов Уровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицах Конвертер магнитодвижущей силы Конвертер напряженности магнитного поля Конвертер магнитного потока Конвертер магнитной индукции Радиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излучения Радиоактивность. Конвертер радиоактивного распада Радиация. Конвертер экспозиционной дозы Радиация. Конвертер поглощённой дозы Конвертер десятичных приставок Передача данных Конвертер единиц типографики и обработки изображений Конвертер единиц измерения объема лесоматериалов Вычисление молярной массы Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

1 ом сантиметр [Ом·см] = 0,01 ом метр [Ом·м]

Исходная величина

Преобразованная величина

ом метр ом сантиметр ом дюйм микроом сантиметр микроом дюйм абом сантиметр статом на сантиметр круговой мил ом на фут ом кв. миллиметр на метр

Общие сведения

Как только электричество покинуло лаборатории учёных и стало широко внедряться в практику повседневной жизни, встал вопрос о поиске материалов, обладающих определёнными, порой совершенно противоположными, характеристиками по отношению к протеканию через них электрического тока.

Например, при передаче электрической энергии на дальнее расстояние, к материалу проводов предъявлялись требования минимизации потерь из-за джоулева нагрева в сочетании с малыми весовыми характеристиками. Примером тому являются всем знакомые высоковольтные линии электропередач, выполненные из алюминиевых проводов со стальным сердечником.

Или, наоборот, для создания компактных трубчатых электронагревателей требовались материалы с относительно высоким электрическим сопротивлением и высокой термостойкостью. Простейшим примером прибора, в котором применяются материалы с подобными свойствами, может служить конфорка обыкновенной кухонной электроплиты.

От проводников, используемых в биологии и медицине в качестве электродов, зондов и щупов, требуется высокая химическая устойчивость и совместимость с биоматериалами в сочетании с малым контактным сопротивлением.

К разработке такого ныне привычного всем прибора, как лампа накаливания, свои усилия приложила целая плеяда изобретателей из разных стран: Англии, России, Германии, Венгрии и США. Томас Эдисон, проведя более тысячи опытов проверки свойств материалов, подходящих на роль нитей накала, создал лампу с платиновой спиралью. Лампы Эдисона, хотя и имели высокий срок эксплуатации, но не были практичными из-за высокой стоимости исходного материала.

Последующие работы русского изобретателя Лодыгина, предложившего использовать в качестве материалов нити относительно дешёвые тугоплавкие вольфрам и молибден с более высоким удельным сопротивлением, нашли практическое применение. К тому же Лодыгин предложил откачивать из баллонов ламп накаливания воздух, заменяя его инертными или благородными газами, что привело к созданию современных ламп накаливания. Пионером массового производства доступных и долговечных электрических ламп стала компания General Electric, которой Лодыгин переуступил права на свои патенты и далее успешно работал в лабораториях компании долгое время.

Этот перечень можно продолжать, поскольку пытливый человеческий ум настолько изобретателен, что порой для решения определённой технической задачи ему нужны материалы с невиданными доселе свойствами или с невероятными сочетаниями этих свойств. Природа уже не успевает за нашими аппетитами и учёные всех стран мира включились в гонку создания материалов, не имеющих природных аналогов.

Одной из важнейших характеристик как природных, так и синтезированных материалов является удельное электрическое сопротивление. Примером электрического прибора, в котором в чистом виде применяется это свойство, может служить плавкий предохранитель, защищающий нашу электро- и электронную аппаратуру от воздействия тока, превышающего допустимые значения.

При этом надо заметить, что именно самодельные заменители стандартных предохранителей, выполненные без знаний удельного сопротивления материала, порой служат причиной не только выгорания различных элементов электрических схем, но и возникновения пожаров в домах и возгорания проводки в автомобилях.

То же самое относится и к замене предохранителей в силовых сетях, когда вместо предохранителя меньшего номинала устанавливается предохранитель с большим номиналом тока срабатывания. Это приводит к перегреву электропроводки и даже, как следствие, к возникновению пожаров с печальными последствиями. Особенно это присуще каркасным домам.

Историческая справка

Понятие удельного электрического сопротивление появилось благодаря трудам известного немецкого физика Георга Ома, который теоретически обосновал и в ходе многочисленных экспериментов доказал связь между силой тока, электродвижущей силой батареи и сопротивлением всех частей цепи, открыв таким образом закон элементарной электрической цепи, названным затем его именем. Ом исследовал зависимость величины протекающего тока от величины приложенного напряжения, от длины и формы материала проводника, а также от рода материала, используемого в качестве проводящей среды.

При этом надо отдать должное работам сэра Гемфри Дэви, английского химика, физика и геолога, который первым установил зависимости электрического сопротивления проводника от его длины и площади поперечного сечения, а также отметил зависимость электропроводности от температуры.

Исследуя зависимости протекания электрического тока от рода материалов, Ом обнаружил, что каждый доступный ему проводящий материал обладал некоторой присущей только ему характеристикой сопротивления протеканию тока.

Надо заметить, что во времена Ома один из самых обыкновенных ныне проводников — алюминий — имел статус особо драгоценного металла, поэтому Ом ограничился опытами с медью, серебром, золотом, платиной, цинком, оловом, свинцом и железом.

В конечном итоге Ом ввёл понятие удельного электрического сопротивления материала как фундаментальной характеристики, совершенно ничего не зная ни о природе протекания тока в металлах, ни о зависимости их сопротивления от температуры.

Удельное электрическое сопротивление. Определение

Удельное электрическое сопротивление или просто удельное сопротивление — фундаментальная физическая характеристика проводящего материала, которая характеризует способность вещества препятствовать похождению электрического тока. Обозначается греческой буквой ρ (произносится как ро) и рассчитывается исходя из эмпирической формулы для расчёта сопротивления, полученной Георгом Омом.

или, отсюда

где R — сопротивление в Омах, S — площадь в м²/, L — длина в м

Размерность удельного электрического сопротивления в Международной системе единиц СИ выражается в Ом м.

Это сопротивление проводника длиной в 1 м и площадью поперечного сечения в 1 м²/ величиной в 1 Ом.

В электротехнике, для удобства расчётов, принято пользоваться производной величины удельного электрического сопротивления, выражаемой в Ом мм²/м. Значения удельного сопротивления для наиболее распространённых металлов и их сплавов можно найти в соответствующих справочниках.

В таблицах 1 и 2 приведены значения удельных сопротивлений различных наиболее распространённых материалов.

Таблица 1. Удельное сопротивление некоторых металлов

Таблица 2. Удельное сопротивление распространенных сплавов

Удельные электрические сопротивления различных сред. Физика явлений

Удельные электрические сопротивления металлов и их сплавов, полупроводников и диэлектриков

Сегодня, вооружённые знаниями, мы в состоянии заранее просчитать удельное электрическое сопротивление любого, как природного, так и синтезированного материала исходя из его химического состава и предполагаемого физического состояния.

Эти знания помогают нам лучшим образом использовать возможности материалов, порой весьма экзотические и уникальные.

В силу сложившихся представлений, с точки зрения физики твёрдые тела подразделяются на кристаллические, поликристаллические и аморфные вещества.

Проще всего, в смысле технического расчёта удельного сопротивления или его измерения, дело обстоит с аморфными веществами. Они не имеют выраженной кристаллической структуры (хотя и могут иметь микроскопические включения таковых веществ), относительно однородны по химическому составу и проявляют характерные для данного материала свойства.

У поликристаллических веществ, образованных совокупностью относительно мелких кристаллов одного химического состава, поведение свойств не очень отличается от поведения аморфных веществ, поскольку удельное электрическое сопротивление, как правило, определяется как интегральное совокупное свойство данного образца материала.

Сложнее дело обстоит с кристаллическими веществами, особенно с монокристаллами, которые имеют различное удельное электрическое сопротивление и другие электрические характеристики относительно осей симметрии их кристаллов. Это свойство называется анизотропией кристалла и широко используется в технике, в частности, в радиотехнических схемах кварцевых генераторов, где стабильность частоты определяется именно генерацией частот, присущих данному кристаллу кварца.

Каждый из нас, являясь обладателем компьютера, планшета, мобильного телефона или смартфона, включая владельцев наручных электронных часов вплоть до iWatch, одновременно является обладателем кристаллика кварца. По этому можно судить о масштабах использования в электронике кварцевых резонаторов, исчисляемых десятками миллиардов.

Помимо прочего, удельное сопротивление многих материалов, особенно полупроводников, зависит от температуры, поэтому справочные данные обычно приводятся с указанием температуры измерения, обычно равной 20 °С.

Уникальные свойства платины, имеющей постоянную и хорошо изученную зависимость удельного электрического сопротивления от температуры, а также возможность получения металла высокой чистоты послужили предпосылкой создания на её основе датчиков в широком диапазоне температур.

Для металлов разброс справочных значений удельного сопротивления обусловлен способами изготовления образцов и химической чистотой металла данного образца.

Для сплавов более сильный разброс справочных значений удельного сопротивления обусловлен способами изготовления образцов и непостоянством состава сплава.

Удельное электрическое сопротивление жидкостей (электролитов)

В основе понимания удельного сопротивления жидкостей лежат теории термической диссоциации и подвижности катионов и анионов. Например, в самой распространённой жидкости на Земле – обыкновенной воде, некоторая часть её молекул под воздействием температуры распадается на ионы: катионы Н+ и анионы ОН– . При подаче внешнего напряжения на электроды, погружённые в воду при обычных условиях, возникает ток, обусловленный перемещением вышеупомянутых ионов. Как выяснилось, в воде образуются целые ассоциации молекул — кластеры, порой соединяющимися с катионами Н+ или анионами ОН–. Поэтому передача ионов кластерами под воздействием электрического напряжения происходит так: принимая ион в направлении приложенного электрического поля с одной стороны, кластер «сбрасывает» аналогичный ион с другой стороны. Наличие в воде кластеров прекрасно объясняет тот научный факт, что при температуре около 4 °C вода имеет наибольшую плотность. Большая часть молекул воды при этом находится в кластерах из-за действия водородных и ковалентных связей, практически в квазикристаллическом состоянии; термодиссоциация при этом минимальна, а образование кристаллов льда, который имеет более низкую плотность (лёд плавает в воде), ещё не началось.

В целом проявляется более сильная зависимость удельного сопротивления жидкостей от температуры, поэтому эта характеристика всегда измеряется при температуре в 293 K, что соответствует температуре 20 °C.

Помимо воды имеется большое число других растворителей, способных создавать катионы и анионы растворяемых веществ. Знание и измерение удельного сопротивления таких растворов также имеет большое практическое значение.

Для водных растворов солей, кислот и щелочей существенную роль в определении удельного сопротивления раствора играет концентрация растворённого вещества. Примером может служить следующая таблица, в которой приведены значения удельных сопротивлений различных растворённых в воде веществ при температуре 18 °С:

Таблица 3. Значения удельных сопротивлений различных растворённых в воде веществ при температуре 18 °С

Данные таблиц взяты из Краткого физико-технического справочника, Том 1, — М.: 1960

Удельное сопротивление изоляторов

Огромное значение в отраслях электротехники, электроники, радиотехники и робототехники играет целый класс различных веществ, имеющий относительно высокое удельное сопротивление. Вне зависимости от их агрегатного состояния, будь оно твёрдое, жидкое или газообразное, такие вещества называются изоляторами. Такие материалы используются для изолирования отдельных частей электрических схем друг от друга.

Примером твёрдых изоляторов может служить всем знакомая гибкая изолента, благодаря которой мы восстанавливаем изоляцию при соединении различных проводов. Многим знакомы фарфоровые изоляторы подвески воздушных линий электропередач, текстолитовые платы с электронными компонентами, входящими в состав большинства изделий электронной техники, керамика, стекло и многие другие материалы. Современные твёрдые изоляционные материалы на базе пластмасс и эластомеров делают безопасным использование электрического тока различных напряжений в самых разнообразных устройствах и приборах.

Помимо твёрдых изоляторов широкое применение в электротехнике находят жидкие изоляторы с высоким удельным сопротивлением. В силовых трансформаторах электросетей жидкое трансформаторное масло предотвращает межвитковые пробои из-за ЭДС самоиндукции, надёжно изолируя витки обмоток. В масляных выключателях масло используется для гашения электрической дуги, которая возникает при переключении источников тока. Конденсаторное масло используется для создания компактных конденсаторов с высокими электрическими характеристиками; помимо этих масел в качестве жидких изоляторов используются природное касторовое масло и синтетические масла.

При нормальном атмосферном давлении все газы и их смеси являются с точки зрения электротехники отличными изоляторами, но благородные газы (ксенон, аргон, неон, криптон) в силу их инертности обладают более высоким удельным сопротивлением, что широко используется в некоторых областях техники.

Но самым распространённым изолятором служит воздух, в основном состоящий из молекулярного азота (75% по массе), молекулярного кислорода (23,15% по массе), аргона (1,3% по массе), углекислого газа, водорода, воды и некоторой примеси различных благородных газов. Он изолирует протекание тока в обычных бытовых выключателях света, переключателях тока на основе реле, магнитных пускателях и механических рубильниках. Необходимо отметить, что снижение давления газов или их смесей ниже атмосферного приводит к росту их удельного электрического сопротивления. Идеальным изолятором в этом смысле является вакуум.

Удельное электрическое сопротивление различных грунтов

Одним из важнейших способов защиты человека от поражающего действия электрического тока при авариях электроустановок является устройство защитного заземления.

Оно представляет собой преднамеренное соединение кожуха или корпуса электроустройств с защитным заземляющим устройством. Обычно заземление выполняется в виде зарытых в землю на глубину более 2,5 метра стальных или медных полос, труб, стержней или уголков, которые в случае аварии обеспечивают протекание тока по контуру устройство — корпус или кожух — земля — нулевой провод источника переменного тока. Сопротивление этого контура должно быть не более 4 Ом. В этом случае напряжение на корпусе аварийного устройства снижается до безопасного для человека величин, а автоматические устройства защиты электрической цепи тем или иным способом производят отключение аварийного устройства.

При расчёте элементов защитного заземления существенную роль играет знание удельного сопротивления грунтов, которое может варьироваться в широких пределах.

Сообразуясь с данными справочных таблиц, выбирается площадь заземляющего устройства, по ней вычисляется количество заземляющих элементов и собственно конструкция всего устройства. Соединение элементов конструкции устройства защитного заземления производится сваркой.

Электротомография

Электроразведка изучает приповерхностную геологическую среду, применяется для поиска рудных и нерудных полезных ископаемых и других объектов на основе исследования различных искусственных электрических и электромагнитных полей. Частным случаем электроразведки является электротомография (Electrical Resistivity Tomography) — метод определения свойств горных пород по их удельному сопротивлению.

Суть метода заключается в том, что при определённом положении источника электрического поля проводятся замеры напряжения на различных зондах, затем источник поля перемещают в другое место или переключают на другой источник и повторяют измерения. Источники поля и зонды-приёмники поля размещают на поверхности и в скважинах.

Затем полученные данные обрабатываются и интерпретируются с помощью современных компьютерных методов обработки, позволяющих визуализировать информацию в виде двухмерных и трёхмерных изображений.

Являясь очень точным методом поиска, электротомография оказывает неоценимую помощь геологам, археологам и палеозоологам.

Определение формы залегания месторождений полезных ископаемых и границ их распространения (оконтуривание) позволяет выявить залегание жильных залежей полезных ископаемых, что существенно снижает затраты на их последующую разработку.

Археологам этот метод поиска даёт ценную информацию о расположении древних захоронений и наличия в них артефактов, тем самым сокращая затраты на раскопки.

Палеозоологи с помощью электротомографии ищут окаменевшие останки древних животных; результаты их работ можно увидеть в музеях естественных наук в виде поражающих воображение реконструкций скелетов доисторической мегафауны.

Кроме того, электротомография применяется при возведении и при последующей эксплуатации инженерных сооружений: высотных зданий, плотин, дамб, насыпей и других.

Определения удельного сопротивления на практике

Порой для решения практических задач перед нами может встать задача определения состава вещества, например, проволоки для резака пенополистирола. Имеем два мотка проволоки подходящего диаметра из различных неизвестных нам материалов. Для решения задачи необходимо найти их удельное электрическое сопротивление и далее по разнице найденных значений или по справочной таблице определить материал проволоки.

Отмерим рулеткой и отрежем по 2 метра проволоки от каждого образца. Определим диаметры проволок d₁ и d₂ микрометром. Включив мультиметр на нижний предел измерения сопротивлений, измеряем сопротивление образца R₁. Повторяем процедуру для другого образца и также измеряем его сопротивление R₂.

Учтём, что площадь поперечного сечения проволок рассчитывается по формуле

S = π · d 2 /4

Теперь формула для расчёта удельного электрического сопротивления будет выглядеть следующим образом

ρ = R · π · d 2 /4 · L

Подставляя полученные значения L, d₁ и R₁ в формулу для расчёта удельного сопротивления, приведенную в статье выше, вычисляем значение ρ₁ для первого образца.

ρ 1 = 0,12 ом мм 2 /м

Подставляя полученные значения L, d₂ и R₂ в формулу, вычисляем значение ρ₂ для второго образца.

ρ 2 = 1,2 ом мм 2 /м

Из сравнения значений ρ₁ и ρ₂ со справочными данными вышеприведенной Таблицы 2, делаем вывод, что материалом первого образца является сталь, а второго — нихром, из которого и изготовим струну резака.

Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.

Какое сопротивление у меди. Удельная проводимость и удельное сопротивление проводников. Механические свойства проводников

1. Электрическое сопротивление металлов. Квантовая теория электропроводности металлов сводится к следующему:

а. В идеальной кристаллической решетке электроны проводимости при своем движении не должны испытывать сопротивления. Сопротивление возникает тогда, когда в решетке появляются дефекты структуры , то есть нарушается периодичность решетки.

б. В реальных кристаллах есть два механизма нарушения структуры: примесный и тепловой. Соответственно различают примесное удельное сопротивление r n и тепловое (колебательное ) r Т . Согласно правилу аддитивности сопротивлений полное сопротивление металла r равно их сумме, r = r n + r Т . (13.1)

в. Примесное сопротивление r n обусловлено наличием инородных атомов в решетке (атомов примеси). Если металл достаточно чистый и концентрация атомов примеси невелика, то примесное сопротивление практически не зависит от температуры и становиться заметным лишь вблизи абсолютного нуля. Благодаря примеси удельное сопротивление металла не должно обращаться в нуль даже при Т = 0 К.

г. Тепловое сопротивление r Т возникает благодаря рассеянию электронов проводимости на флуктуациях плотности узлов кристаллической решетки, возникающих при тепловом колебательном движении узлов. В квантовой теории тепловое колебательное движение атомов решетки трактуется как система стоячих звуковых волн в кристалле — фононов . Поэтому говорят о рассеянии электронов проводимости на фононах .

В отличие от классической теории электропроводности металлов Друде — Лоренца , прогнозирующей зависимость сопротивления от температуры вида r ~ , квантовая теория дает правильный прогноз линейной зависимости r ~Т . При температурах металла Т ³ 50 К r = r 0 aТ , что соответствует эмпирической формуле r = r 0 (1 + a t ). В квантовой теории получается, что при Т ® 0 полное удельное сопротивление металла r должно стремиться к примесному r n . На рис.90 показана опытная зависимость удельного сопротивления чистого натрия от температуры.

При Т ® 0 К r ® r n = 4·10 -11 Ом·м, что составляет примерно 0,4% от сопротивления при Т = 273 К. Уже при температурах Т ³ 20 К зависимость r (Т ) становится практически линейной.

д. Электрический ток толкуется в квантовой теории как дрейф электронов в периодическом поле кристалла. Этот дрейф происходит под действием постоянной электрической силы еЕ , где Е — напряженность электрического поля, создающего ток. Оказалось, что скорость дрейфа электронов зависит от глубины их положения в зоне проводимости. Эта зависимость выражается через эффективную массу m эф электрона. В отличие от массы покоя m е свободного электрона эффективная масса электрона в зоне проводимости металла – величина переменная, зависящая от ширины зоны.

Вблизи дна зоны эффективная масса электронов положительна. Направление дрейфа соответствует вектору плотности тока. По мере подъема к верхней границе зоны эффективная масса принимает бесконечно большое значение m эф = ¥, а затем становится отрицательной. Соответственно и скорость дрейфа электронов, имея “правильное” направление у дна зоны, постепенно проходит через нуль и принимает отрицательные (“неправильные”) значения у верхней границы зоны.

Соотношения, полученные в приближении свободных электронов в теории Друде – Лоренца , оказываются справедливыми для электронов, движущихся в периодическом поле решетки, если в них заменить массу покоя электрона m е на эффективную m эф .

2. Сверхпроводимость. В 1911 году Камерлинг – Оннес , измеряя сопротивление ртути в области низких температур, обнаружил, что при Т = 4,2 К сопротивление ртути практически падало до нуля. Это явление стали называть сверхпроводимостью . На рис.91 показаны опытные кривые зависимости удельного сопротивления некоторых чистых металлов от температуры вблизи абсолютного нуля. Очевидно, что явление не сводится к нормальному падению удельного сопротивления бездефектного кристалла, когда r n = 0, и r Т . Переход в сверхпроводящее состояние происходит не плавно, а скачкообразно при некоторой температуре Т кр , которую называют критической температурой перехода. Сейчас известно около 30 сверхпроводящих химических элементов и свыше 500 сверхпроводящих материалов.

3. Эффекты сверхпроводимости.

а. Электрический ток , возбужденный в сверхпроводящем кольце, может циркулировать в нем годами.

б. Эффект Мейснера . В 1933 году Вальтер Мейсснер и Р. Оксенфельд обнаружили, что вещество, помещенное в магнитное поле (рис.92 слева), при переходе в сверхпроводящее состояние не замораживает находящееся в нем магнитное поле, как это должно было быть при простом переходе вещества в состояние с нулевым сопротивлением, а выталкивает его из своего объема (рис. 92 справа). Это присуще идеальным диамагнетикам с нулевой магнитной проницаемостью m = 0.

Из того, что магнитное поле не проникает в сверхпроводник, следует, что электрический ток может течь лишь по поверхности сверхпроводника. Ведь если бы ток мог протекать в толще сверхпроводника, то вокруг него в толще сверхпроводника было бы магнитное поле. И действительно, опыт показывает, что электрический ток течет в сверхпроводнике в поверхностном слое толщиной l = 10 ¸ 100 нм. На эту глубину в сверхпроводник проникает и магнитное поле, убывая с расстоянием x от поверхности по экспоненциальному закону

В = В 0 exp(-xçl ). (13.2)

Вещество в сверхпроводящем состоянии приобретает два не связанных друг с другом фундаментальных свойства: идеальную проводимость и идеальный диамагнетизм .

Эффект Мейснера позволяет устойчиво подвешивать сверхпроводящие тела в магнитном поле (рис.93). При пререходе шара в сверхпроводящее состояние 1-го рода магнитное поле из него вытесняется. В результате в поверхностном слое шара индуцируется ток такого направления, при котором шар выталкивается из поля.

в. Эффект критического магнитного поля . Он состоит в том, что при достижении магнитным полем, в котором находится сверхпроводник, некоторого предельного значенияиндукции В кр »10 -2 ¸ 10 1 Тл, сверхпроводимость исчезает.

На рис.94 показана зависимость В кр от температуры для свинца (верхняя кривая) и для олова (нижняя кривая). При критической температуре Т = Т кр критическое поле равно нулю, В кр = 0, а с понижением температуры В кр увеличивается.

Если усиливать ток, идущий по сверхпроводнику, то при некотором его критическом значении I кр сверхпроводящее состояние разрушается. Поскольку магнитное поле В пропорционально току I , то зависимость I кр от температуры аналогична зависимости В кр (Т ). Эффект критического магнитного поля усложняет технику получения сверхсильных магнитных полей с помощью сверхпроводящих контуров. Расчет критического тока должен учитывать, что ток течет в приповерхностном слое. Например, у проводника диаметром 1 мм при l = 35 нм сечение приповерхностного слоя, по которому течет ток, около 10 -4 мм 2 . Это составляет около 0,01% всего сечения проводника.

г. Эффект Джозефсона . В 1962 году Брайан Джозефсон теоретически предсказал два эффекта, суть которых в следующем.

Подсоединим к сверхпроводнику (на рис.95-а он изображен в виде бруска) амперметр А с источником постоянного тока, ЭДС которого E , и вольтметр V . В цепи идёт постоянный ток, регистрируемый амперметром. Так как сопротивление сверхпроводника равно нулю, то вольтметр показывает нуль.

Разрежем сверхпроводник на две части и раздвинем их, чтобы между ними возник зазор толщиной d » 1 нм. Как предсказал Джозефсон , при включении такого сверхпроводника в цепь может наблюдаться один из следующих двух эффектов.

Стационарный эффект Джозефсона. Через сверхпроводник по-прежнему идёт постоянный ток. Оказывается, ток может течь без сопротивления не только через сверхпроводник, но и через щель в нем, если она достаточно узка (рис.95-б).

Нестационарный эффект Джозефсона . На концах сверхпроводника со щелью может возникнуть постоянная разность потенциалов . В этом случае из щели излучается высокочастотная электромагнитная волна (рис.95-в). Через сверхпроводник течет не только постоянный, но и высокочастотный переменный ток.

В настоящее время эффекты Джозефсона не только подтверждены экспериментально, но и используются в микроэлектронике.

4. Теорию сверхпроводимости построили в 1957г Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер . По первым буквам их фамилий ее назвали БКШ – теорией . В основе БКШ- теории лежит представление, что между электронами проводимости металла могут действовать силы притяжения , возникающие вследствие поляризации ими кристаллической решетки.

Электрон, движущийся в решетке, притягивает к себе положительно заряженные ионы, несколько сближая их, и тем самым создает вдоль пути своего следования избыточный положительный заряд поляризованной решетки, к которому могут быть притянуты другие электроны. Это эквивалентно возникновению силы притяжения между электронами, только действующей не непосредственно, а через поляризованную решетку.

Можно предположить, что сверхпроводимость следует ожидать прежде всего у тех металлов, у которых имеет место сильное взаимодействие электронного газа с решеткой, приводящее в обычных условиях к высокому удельному сопротивлению. И действительно, из чистых металлов лучшими сверхпроводниками оказались наиболее высокоомные — свинец Рb, ниобий Nb, олово Sn, ртуть Hg. В то же время у таких низкоомных металлов, как медь Cuи сереброAg, у которых электронный газ имеет высокую подвижность, сверхпроводимость не наблюдается.

Как показал Леон Купер, при Т Т кр , самые верхние электроны,расположенные на уровне Ферми, могут спариваться . При этом их суммарная энергия оказывается меньше суммы энергий отдельных электронов . Выделяющаяся энергия должна отводиться от кристалла охлаждением. Понижение энергии куперовских пар приводит к понижению верхнего занятого электронами уровня. В результате между уровнями куперовских пар и ближайшими свободными уровнями возникает запрещенная зона шириной 2D (рис.96 слева). Эта возникшая энергетическая щель не позволяет куперовским парам электронов принимать малую энергию. Они могут принять лишь энергию не менее 2D, которая позволит электронам перепрыгнуть через эту щель. Поэтому при Т Т кр куперовские пары оказываются весьма устойчивыми.

При Т Т кр спариваются не все электроны. При каждой температуре устанавливается некоторое равновесное соотношение между концентрациями нормальных и спаренных электронов. Оказывается, что ширина 2D энергетической щели в сверхпроводнике зависит от количества неспаренных электронов. Их концентрация понижается с уменьшением температуры и соответственно растет ширина щели (рис.96 справа).

Электроны, образующие куперовские пары, имеют противоположные спины. Поэтому спин пары равен нулю, и она представляет собой бозон . Бозоны могут накапливаться в основном энергетическом состоянии, из которого их трудно перевести в возбужденное состояние. Поэтому куперовские пары в состоянии согласованного движения могут оставаться неопределенно долго. Такое согласованное движение пар и есть ток сверхпроводимости.

Расстояние между электронами пары велико. Оно составляет примерно 1000 нм, что около 5000 поперечников атомов. Примерно 1000 пар перекрываются, занимая общий объем.

5. Объяснение БКШ – теорией эффекта критического тока. У известных сверхпроводников величина энергетической щели составляет в среднем 2D = 3 мэВ » 5·10 -22 Дж. Для разрушения куперовской пары один из электронов пары должен уменьшить энергию своего движения, по крайней мере, на величину 2D.

Предположим, что электрон отдает эту энергию при лобовом столкновении с узлом решетки так, что после столкновения он отскакивает с той же скоростью дрейфа v д в обратном направлении. Энергия электрона до соударения Е к1 = m e (v ф + v д ) 2 ç 2, энергия после соударения Е к2 = m e (v ф — v д ) 2 ç 2. Здесь v ф – тепловая скорость электронов на уровне Ферми (»10 6 мç с), v д – скорость дрейфа электронов в электрическом поле, она не превышает 1 мç с.

Убыль кинетической энергии электрона должна быть по крайней мере равной 2D. Так что DЕ к = = 2m e v ф v д = 2D. (13.3)

Отсюда, минимальная скорость дрейфа v д , необходимая для разрушения куперовской пары, есть v д = Dçm e v ф . (13.4)

Плотность электронного тока проводимости естьj = env д , (13.5)

где n – концентрация электронов проводимости в металле. Подставив критическую скорость дрейфа из (13.4), получаем критическую плотность тока j кр .

j кр = env д = en Dçm e v ф . (13.6)

У типичных сверхпроводников n = 3·10 28 м -3 , v ф = 10 6 мç с, 2D = 3 мэВ. Подставляем.

j кр = =10 12 . Это соответствует току 10 6 А через проводник сечением 1 мм 2 . Но в реальном сверхпроводнике ток течет лишь в тонком приповерхностном слое толщиной около 35 нм, что соответствует сечению S = 10 -4 мм 2 . Поэтому критический ток в сверхпроводнике толщиной около 1 мм составляет всего лишь i кр = j кр S = 10 6 Аç мм 2 ·10 — 4 мм 2 = 100 А. Это вполне соответствует эксперименту.

6. Объяснение БКШ-теорией критического магнитного поля. При помещении сверхпроводника в магнитное поле В в поверхностном слое сверхпроводника наводится незатухающий ток. Этот незатухающий ток имеет такие величину и направление, что его магнитное поле внутри сверхпроводника полностью компенсирует внешнее поле В . При увеличении поля В плотность компенсирующего тока в сверхпроводнике растет. Если внешнее поле В будет настолько большим, что плотность наведенного им индукционного тока достигнет критического значения, сверхпроводимость разрушается.

Все выше сказанное относится к сверхпроводникам 1-го рода , в которых электрический ток существует только в приповерхностном слое. Несколько позже были открыты и изучены сверхпроводники 2-го рода . В них возникающие во внешнем магнитном поле В сверхпроводящие токи текут не только по поверхности, но и проникают в толщу проводника. У сверхпроводников 1-го рода критическое магнитное поле В кр не превышает 0,1 Тл, а у сверхпроводников 2-го рода достигает величины В кр » 20 Тл.

7. Эффекты Джозефсона объясняются БКШ — теорией как результат туннелирования куперовских пар через узкую щель между сверхпроводниками. Согласно теории, частота n переменного сверхпроводящего тока определяется выражением: n = . (13.7)

При напряжении на щели U = 1 мВ частота n = 485 ГГц, что соответствует длине волны ЭМ излучения l = сçn = 0,6 мм.

8. Реактивное сопротивление сверхпроводника . При любой температуре Т Т кр сверхпроводник практически всегда содержит как сверхпроводящие электроны концентрацией n c , так и нормальные (n н ) электроны. Если поместить сверхпроводник в высокочастотное поле, то в этом переменном электрическом поле ускоряются не только куперовские пары, но и нормальные электроны. Поэтому ток имеет как сверхпроводящую, так и нормальную составляющую.

Те и другие электроны обладают массой, вследствие их инерции ток отстает по фазе от напряженности ВЧ – поля. Куперовские пары движутся в проводнике как бы без трения. Согласно классической механике, скорость частиц в этом случае отстает по фазе от действующей на них периодической силы на pç 2. Поэтому сверхпроводящая составляющая высокочастотного тока отстает от напряженности поля на pç 2. Это значит, что куперовские пары создают чисто реактивное сопротивление.

Нормальные электроны движутся как бы с трением. Поэтому они создают как реактивное, так и активное сопротивление.

2.1. Общие сведения о проводниках

В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях (в состоянии ионизации) и газы.

Из металлических проводниковых материалов могут быть выделены металлы высокой проводимости , имеющие удельное сопротивление при нормальной температуре не более 0.05 мкОм·м, и сплавы высокого сопротивления с удельным сопротивлением не менее 0.3 мкОм·м.

Особый интерес представляют обладающие чрезвычайно малым удельным сопротивлением при весьма низких температурах материалы сверхпроводники и криопроводники .

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и электролиты. Для большинства металлов температура плавления высока, только ртуть, имеющая температуру плавления минус 39°С, может быть использована в качестве жидкого металлического проводника при нормальной температуре. Другие металлы являются жидкими проводниками только при повышенных температурах.

Механизм прохождения тока в металлах – как в твердом, так и в жидком состоянии – обусловлен движением свободных электронов под воздействием электрического поля; поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода . Проводниками второго рода, или электролитами, являются растворы, в частности, водные, кислот, щелочей и солей. Прохождение тока через эти вещества связано с переносом вместе с электрическими зарядами ионов в соответствии с законами Фарадея, вследствие чего состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукты электролиза. Ионные кристаллы в расплавленном состоянии также являются проводниками второго рода. Пример – соляные закалочные ванны с электронагревом.

Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряженность поля превзойдет некоторое критическое значение, обеспечивающее начало ударной и фотоионизации, то газ может стать проводником с электронной и ионной проводимостью. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов числу положительно заряженных ионов в единице объема представляет собой особую проводящую среду, называемую плазмой .

2.2. Электропроводность металлов

Классическая электронная теория металлов представляет проводник в виде системы, состоящей из узлов ионной кристаллической решетки, внутри которой находится электронный газ из свободных электронов. В свободное состояние от каждого атома переходит от одного до двух электронов. К электронному газу применялись представления и законы статистики обычных газов. Рассматривая тепловое и направленное под действием электрического поля движение электронов, получили выражение закона Ома. При столкновениях электронов с узлами кристаллической решетки энергия, накопленная при ускорении электронов в электрическом поле, передается металлической основе проводника, вследствие чего он нагревается. Рассмотрение этого роцесса привело к выводу закона Джоуля-Ленца. Т.о., электронная теория металлов дала возможность теоретически описать и объяснить найденные ранее экспериментальным путем основные законы электропроводности и потерь электрической энергии в металлах. Оказалось возможным также объяснить связь между электро- и теплопроводностью металлов.

Однако появились и противоречия некоторых выводов теории с опытными данными. Они состояли в расхождении кривых температурной зависимости удельного сопротивления, в несоответствии теоретически полученных значений теплоемкости металлов опытным данным.

Эти трудности удалось преодолеть, встав на позиции квантовой механики. В отличие от классической электронной теории квантовая механика полагает, что электронный газ в металлах при обычных температурах находится в состоянии вырождения. В этом состоянии энергия электронного газа почти не зависит от температуры, т.е. тепловое движение почти не изменяет энергию электронов. Поэтому теплота не затрачивается на нагрев электронного газа, что и обнаруживается при измерениях теплоемкости металлов. В состояние, аналогичное обычным газам, электронный газ приходит при температурах порядка тысяч Кельвинов. Представляя металл как систему, в которой положительные ионы скрепляются посредством свободно движущихся электронов, легко понять природу всех основных свойств металлов: пластичности, ковкости, хорошей теплопроводности и высокой электропроводности.

2.3. Свойства проводников

К важнейшим параметрам, характеризующим свойства проводниковых материалов, относятся:

• удельная проводимость g или обратная ей величина – удельное сопротивление r,
• температурный коэффициент удельного сопротивления ТКr или a r ,
• теплопроводность g т,
• контактная разность потенциалов и термо-э.д.с.,
• работа выхода электронов из металла,
• предел прочности при растяжении s r и относительное удлинение при разрыве Dl/l.

2.3.1. Удельная проводимость и удельное сопротивление проводников

Связь плотности тока J, А/м 2 , и напряженности электрического поля Е, В/м, в проводнике дается известной формулой:

Здесь g, См/м – параметр проводникового материала, называемый его удельной проводимостью ; в соответствии с законом Ома g не зависит от напряженности электрического поля при изменении последней в весьма широких пределах. Величина r=1/g, oбратная удельной проводимости и называемая удельным сопротивлением , для имеющего сопротивление R проводника длиной l с постоянным поперечным сечением S вычисляется по формуле

ρ = R·S/l. (2.2)

Единица СИ для удельного сопротивления — Ом·м. Диапазон значений удельного сопротивления ρ металлических проводников при нормальной температуре довольно узок: от 0.016 для серебра и до примерно 10 мкОм·м для железохромоалюминиевых сплавов, т.е. он занимает всего три порядка. Значение удельной проводимости γ в основном зависит от средней длины свободного пробега электронов в данном проводнике, которая, в свою очередь, определяется структурой проводникового материала. Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой характеризуются наименьшими значениями удельного сопротивления; примеси, искажая решетку, приводят к увеличению ρ. И с точки зрения волновой теории, рассеяние электронных волн происходит на дефектах кристаллической решетки, которые соизмеримы с расстоянием порядка четверти длины электронной волны. Нарушения меньших размеров не вызывают заметного рассеяния волн.

2.3.2. Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов

Число носителей заряда в металлическом проводнике при повышении температуры остается практически неизменным. Однако вследствие колебаний узлов кристаллической решетки с ростом температуры появляется все больше и больше препятствий на пути направленного под действием электрического поля движения свободных электронов, т.е. уменьшается средняя длина свободного пробега электрона, уменьшается подвижность электронов и, как следствие, уменьшается удельная проводимость металлов, и увеличивается удельное сопротивление. Иными словами, температурный коэффициент удельного сопротивления металлов положителен.

2.3.3. Изменение удельного сопротивления металлов при плавлении

При переходе из твердого состояния в жидкое у большинства металлов наблюдается увеличение удельного сопротивления, как это видно из рис.2.1; однако некоторые металлы при плавлении повышают ρ.

Скачок соответствует температуре плавления меди 1083°С

Удельное сопротивление увеличивается при плавлении у тех металлов, которые при плавлении увеличивают объем, т.е. уменьшают плотность; у металлов с противоположным характером изменения объема при плавлении (аналогичным фазовому переходу лед-вода) ρ уменьшается.

2.3.4. Изменение удельного сопротивления металлов при деформациях

Изменение удельного сопротивления при растяжении или сжатии приближенно может оцениваться формулой

ρ = ρ 0 (1± σ ·s) , (2.3)

где ρ — удельное сопротивление металла при механическом напряжении σ, ρ 0 – удельное сопротивление металла, не подверженного механическому воздействию, s – коэффициент механического напряжения, характеризующий данный металл; знак плюс в формуле соответствует растяжению, минус – сжатию.

Изменение ρ при упругих деформациях объясняется изменением амплитуды колебаний узлов кристаллической решетки металла. При растяжении эти амплитуды увеличиваются, при сжатии – уменьшаются. Увеличение амплитуды колебаний узлов кристаллической решетки приводит к уменьшению подвижности носителей зарядов и, как следствие, к возрастанию ρ. Пластическая деформация, как правило, повышает удельное сопротивление металлов вследствие искажения кристаллической решетки. При рекристаллизации путем отжига удельное сопротивление может быть вновь снижено до первоначального значения.

2.3.5. Удельное сопротивление сплавов

Значительное возрастание ρ наблюдается при сплавлении двух металлов в том случае, если они образуют друг с другом твердый раствор , т.е. создают при отвердевании совместную кристаллизацию, и атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого. ρ имеет максимум, соответствующий некоторому определенному соотношению между содержанием компонентов в сплаве. Так, Н.С.Курнаков открыл, что в тех случаях, когда при определенном соотношении между компонентами они образуют друг с другом явно выраженные химические соединения (интерметаллиды ), на кривых ρ в функции состава наблюдаются изломы (рис.2.2).

Рис. 2.2. Зависимость удельного сопротивления сплавов цинк – магний от состава.
Точка 1 соответствует чистому Mg, 2 – соединению
MgZn, 3 — Mg 2 Zn 3 , ., 4 – MgZn 4 5 – MgZn 6 , 6 – чистому Zn.

Исследования А.Ф.Иоффе показали, что многие интерметаллиды являются не веществами с металлическим характером электропроводности, а электронными полупроводниками.

Если же сплав двух металлов создает раздельную кристаллизацию, и структура застывшего сплава представляет собой смесь кристаллов каждого из компонентов (т.е. искажение кристаллической решетки каждого компонента не имеет места), то удельная проводимость γ сплава меняется с изменением состава приблизительно линейно, т.е. определяется арифметическим правилом смешения (рис.2.3).

Рис.2.3. Зависимость удельной проводимости сплавов медь – вольфрам от состава (в процентах по массе)

2.3.6. Теплопроводность металлов

За передачу тепла через металл в основном ответственны те же свободные электроны, которые определяют и электропроводность металлов, и количество которых в единице объема весьма велико. Поэтому, как правило, теплопроводность γ т металлов намного больше, чем теплопроводность диэлектриков. Очевидно, что при прочих равных условиях, чем больше удельная электрическая проводимость γ металла, тем больше должна быть и его теплопроводность. Легко также видеть, что при повышении температуры, когда подвижность электронов в металле и соответственно его удельная проводимость уменьшаются, отношение γ т /γ δ должно возрастать.

Чистота и характер механической обработки металла могут заметно сказываться на его теплопроводности, в особенности при низких температурах.

2.3.7. Термоэлектродвижущая сила

При соприкосновении двух металлических проводников между ними возникает контактная разность потенциалов . Причина ее появления заключается в различии значений работы выхода электронов из различных металлов, а также в том, что концентрация электронов, а следовательно, и давление электронного газа у разных металлов и сплавов могут быть неодинаковыми. Из электронной теории металлов следует, что контактная разность потенциалов между металлами А и В равна:

(2.4)

где U А и U В – потенциалы соприкасающихся металлов; n А и n В – концентрации электронов в металлах А и В.

Если температуры «спаев» одинаковы, то сумма разностей потенциалов равны нулю. Иначе обстоит дело, когда один металл имеет температуру Т 1 , а другой – Т 2 .

В этом случае между «спаями» возникает термо-э.д.с., равная

что можно записать в виде

Где с – постоянный для данной пары проводников коэффициент термо-э.д.с., т.е. термо-э.д.с. должна быть пропорциональна разности температур металлов.

Провод, составленный из двух изолированных друг от друга проволок из различных металлов или сплавов (термопара ), может быть использован для измерения температур.

2.3.8. Механические свойства проводников

Они характеризуются пределом прочности при растяжении σ р и относительным удлинением при разрыве Δl/l, а так же хрупкостью, твердостью и тому подобными свойствами. Механические свойства металлических проводников в большой степени зависят от механической и термической обработки, от наличия легирующих примесей и т.п. Влияние отжига приводит к существенному уменьшению σ р и увеличению Δl/l. Такие параметры проводниковых материалов, как температуры кипения и плавления, удельная теплоемкость и др., не требуют особых пояснений.

2.4. Материалы высокой проводимости

К наиболее широкораспрстраненным материалам высокой проводимости следует отнести медь и алюминий.

2.4.1. Медь

Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие:

1. малое удельное сопротивление;
2. достаточно высокая механическая прочность;
3. удовлетворительная в большинстве случаев применения стойкость по отношению к коррозии;
4. хорошая обрабатываемость: медь прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра;
5. относительная легкость пайки и сварки.

Медь получают чаще всего путем переработки сульфидных руд. После ряда плавок руды и обжигов с интенсивным дутьем медь, предназначенная для электротехнических целей, обязательно проходит процесс электролитической очистки.

В качестве проводникового материала чаще всего используется медь марок М1 и М0. Медь марки М1 содержит 99.9% Cu, а в общем количестве примесей (0.1%) кислорода должно быть не более 0,08%. Присутствие в меди кислорода ухудшает ее механические свойства. Лучшими механическими свойствами обладает медь марки М0, в которой содержится не более 0.05% примесей, в том числе не свыше 0.02% кислорода.

Медь является сравнительно дорогим и дефицитным материалом, поэтому она все шире заменяется другими металлами, особенно алюминием.

В отдельных случаях применяются сплавы меди с оловом, кремнием, фосфором, бериллием, хромом, магнием, кадмием. Такие сплавы, носящие название бронз, при правильно подобранном составе имеют значительно более высокие механические свойства, чем чистая медь.

2.4.2. Алюминий

Алюминий является вторым по значению после меди проводниковым материалом. Это важнейший представитель так называемых легких металлов: плотность литого алюминия около 2.6, а прокатанного – 2.7 Мг/м 3 . Т.о., алюминий примерно в 3.5 раза легче меди. Температурный коэффициент расширения, удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем меди. Вследствие высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления для нагрева алюминия до температуры плавления и перевода в расплавленное состояние требуется большая затрата тепла, чем для нагрева и расплавления такого же количества меди, хотя температура плавления алюминия ниже, чем меди.

Алюминий обладает пониженными по сравнению с медью свойствами – как механическими, так и электрическими. При одинаковом сечении и длине электрическое сопротивление алюминиевого провода в 1.63 раза больше, чем медного. Весьма важно, что алюминий менее дефицитен, чем медь.

Для электротехнических целей используют алюминий, содержащий не более 0.5% примесей, марки А1. Еще более чистый алюминий марки АВ00 (не более 0.03% примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов электролитических конденсаторов. Алюминий наивысшей чистоты АВ0000 имеет содержание примесей не более 0ю004%. Добавки Ni, Si, Zn или Fe при содержании их 0.5% снижают γ отожженного алюминия не более, чем на 2-3%. Более заметное действие оказывают примеси Cu, Ag и Mg, при том же массовом содержании снижающие γ алюминия на 5-10%. Очень сильно снижают электропроводность алюминия Ti и Mn.

Алюминий весьма активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет металл от дальнейшей коррозии.

Алюминиевые сплавы обладают повышенной механической прочностью. Примером такого сплава является альдрей , содержащий 0.3-0.5% Mg, 0.4-0.7% Si и 0.2-0.3% Fe. В альдрее образуется соединение Mg 2 Si, которое сообщает высокие механические свойства сплаву.

2.4.3. Железо

Железо (сталь) как наиболее дешевый и доступный металл, обладающий к тому же высокой механической прочностью, представляет большой интерес для использования в качестве проводникового материала. Однако даже чистое железо имеет значительно более высокое сравнительно с медью и алюминием удельное сопротивление; ρ стали, т.е. железа с примесью углерода и других элементов, еще выше. Обычная сталь обладает малой стойкостью коррозии: даже при нормальной температуре, особенно в условиях повышенной влажности, она быстро ржавеет; при повышении температуры скорость коррозии резко возрастает. Поэтому поверхность стальных проводов должна быть защищена слоем более стойкого материала. Обычно для этой цели применяют покрытие цинком.

В ряде случаев для уменьшения расхода цветных металлов применяют так называемый биметалл . Это сталь, покрытая снаружи слоем меди, причем оба металла соединены друг с другом прочно и непрерывно.

2.4.4. Натрий

Весьма перспективным проводниковым материалом является металлический натрий. Натрий может быть получен электролизом расплавленного хлористого натрия NaCl в практически неограниченных количествах. Из сравнения свойств натрия со свойствами других проводниковых металлов видно, что удельное сопротивление натрия примерно в 2.8 раза больше ρ меди и в 1.7 раз больше ρ алюминия, но благодаря чрезвычайно малой плотности натрия (плотность его почти в 9 раз меньше плотности меди), провод из натрия при данной проводимости на единицу длины должен быть значительно легче, чем провод из любого другого металла. Однако натрий чрезвычайно активен химически (он интенсивно окисляется на воздухе, бурно реагирует с водой), почему натриевый провод должен быть защищен герметизирующей оболочкой. Оболочка должна придавать проводу необходимую механическую прочность, так как натрий весьма мягок и имеет малый предел прочности при деформациях.

2.5. Сверхпроводники и криопроводники

Как уже отмечалось, при понижении температуры удельное сопротивление металлов падает. Представляет особый интерес вопрос об электропроводности металлов при весьма низких температурах, приближающихся к абсолютному нулю. Исчезновение электрического сопротивления, т.е. появление практически бесконечной электрической проводимости материала, называется сверхпроводимостью , а температура, при охлаждении до которой совершается переход вещества в сверхпроводящее состояние – температурой сверхпроводникового перехода Т с. Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым: при повышении температуры до Т с сверхпроводимость разрушается и материал переходит в нормальное состояние, приобретая конечное значение удельной проводимости γ. В настоящее время известно 27 простых (чистых металлов) и более тысячи сложных (сплавов и химических соединений).

В то же время некоторые вещества, в том числе такие наилучшие проводниковые материалы, как серебро и медь, при наиболее низких, достигнутых в настоящее время температурах (порядка тысячных долей Кельвина; согласно третьему закону термодинамики, абсолютный нуль температуры принципиально недостижим) перевести в сверхпроводящее состояние не удалось. Интересно отметить, что сверхпроводниками могут быть не только соединения и сплавы металлов, обладающих сверхпроводимостью, но и соединения таких элементов с несверхпроводящими и даже соединения, в состав молекул которых входят исключительно атомы элементов, не являющихся сверхпроводящими.

Помимо сверхпроводящих электромагнитов можно отметить возможности использования сверхпроводников для создания электрических машин, трансформаторов и тому подобных устройств малой массы и габаритов, но с высокими к.п.д.; линий электропередачи весьма больших мощностей на дальние расстояния; волноводов с особо малым затуханием; накопителей энергии и пр.

Помимо явления сверхпроводимости в современной электротехнике все шире используется явление криопроводимости , т.е. достижение некоторыми металлами весьма малой удельной проводимости при криогенных температурах (но более высоких, чем температура сверхпроводникового перехода, если данный металл вообще принадлежит к сверхпроводникам. Материалы, обладающие особо благоприятными свойствами для применения в качестве проводников в условиях криогеннных температур, называются криопроводниками или гиперпроводниками .

Весьма малое, но все же конечное значение удельного сопротивления криопроводника при его рабочей температуре ограничивает допустимую плотность тока в нем, хотя эта плотность может быть намного выше, чем в обычных проводниках. Криопроводники, у которых при изменении температуры в широких пределах удельное сопротивление изменяется плавно, без скачков, не могут использоваться в ряде устройств, действие которых основано на триггерном эффекте появления и разрушения сверхпроводимости. Однако применение криопроводников в электрических машинах, аппаратах, кабелях и т.п. имеет и свои преимущества, притом весьма существенные. Так, если в сверхпроводниковых устройствах в качестве охлаждающего агента применяется жидкий гелий, рабочая температура криопроводников достигается применением более высококипящих и дешевых хладоагентов: жидкого водорода или даже жидкого азота. Это значительно упрощает и удешевляет выполнение и эксплуатацию устройства. Кроме того, в сверхпроводниковом устройстве, например электромагните, по обмотке которого проходит сильный ток, накапливается большая энергия магнитного поля. Если из-за случайного повышения температуры или магнитной индукции хотя бы на малом участке сверхпроводящего контура сверхпроводимость будет разрушена, внезапно освободится большое количество энергии, что может вызвать серьезную аварию. В случае же криопроводниковой цепи повышение температуры вызовет лишь постепенное возрастание сопротивления этой цепи без эффекта взрыва.

Во всех случаях для получения криопроводниковых материалов требуется высокая чистота металла и отсутствие наклепа. Вредное влияние примесей и наклепа на ρ металлов при криогенных температурах сказывается намного сильнее, чем при нормальных. Криопроводники могут с успехом использоваться для обмоток электрических машин и трансформаторов, для токопроводящих жил кабелей и т.п.

2.6. Сплавы высокого сопротивления

Помимо высокого сопротивления от таких материалов требуются высокая стабильность ρ во времени, малый ТКρ и малый коэффициент термо-э.д.с. в паре данного сплава с медью. Желательно, чтобы такие сплавы были дешевыми и по возможности не содержали дефицитных компонентов.

2.6.1. Манганин

Это наиболее типичный и широко применяемый для образцовых резисторов сплав. Примерный его состав: Cu- 85%, Mn- 12% и Ni- 3%; название происходит от наличия в нем марганца; желтоватый цвет объясняется большим содержанием меди. ρ манганина 0.42-0.48 мкОм∙м, коэффициент термо-э.д.с. в паре с медью всего 1-2 мкВ/К, α ρ весьма мал. Предельная длительно допустимая рабочая температура не более 200°С.

2.6.2. Константан

Сплав, содержащий около 60% меди и 40% никеля; этот состав отвечает минимуму α ρ в системе Cu-Ni при довольно высоком значении ρ. Название константан объясняется значительным постоянством ρ при изменении температуры. Нагревостойкость константана выше, чем манганина, а механические свойства близки. Существенным отличием последнего является высокая термо-э.д.с. в паре с медью и с железом. Широкому применению константана препятствует большое содержание дорогого и дефицитного никеля.

2.6.3. Сплавы на основе железа

Сплавы системы Fe – Ni – Cr называются нихромами или (при повышенном содержании железа) ферронихромами ; сплавы системы Fe – Cr – Al называются фехралями и хромалями . Нихромы весьма технологичны: их можно легко протягивать в тонкую проволоку или ленту, они имеют высокую рабочую температуру. Однако, как и в костантане, в них велико содержание никеля. Нихромы применяются в качестве электронагревательных элементов.

Хромо-алюминиевые сплавы намного дешевле нихромов, однако эти сплавы менее технологичны, более тверды и хрупки. Они в основном используются для электронагревательных устройств большой мощности.

2.7. Тугоплавкие металлы

К тугоплавким относятся металлы с температурой плавления, превышающей 1700°С. Как правило, они химически устойчивы при низких температурах, но становятся активными при повышенных. Эксплуатация их при высоких температурах может быть обеспечена в атмосфере инертных газов или в вакууме. В плотном виде чаще всего эти металлы получают методами порошковой металлургии – прессовкой и спеканием. В электронной технике начинают распространяться плавка электронным или лазерным лучом, зонная очистка, плазменная обработка и т.д. Механическая обработка этих материалов трудна и часто требует подогрева.

2.7.1. Вольфрам

Чрезвычайно тяжелый, твердый металл серого цвета. Из всех металлов вольфрам обладает наиболее высокой температурой плавления (3380°С). Его извлекают из руд различного состава, наиболее известными среди которых являются вольфрамит (FeWO 4 + MnWO 4) и шеелит (CaWO 4) путем сложной химической обработки. Для вольфрама характерна слабая механическая связанность кристаллов, поэтому при зернистом строении сравнительно толстые вольфрамовые изделия весьма хрупки и легко ломаются. В результате механической обработки ковкой и волочением вольфрам приобретает волокнистую структуру и излом его весьма затруднен. Этим объясняется гибкость тонких вольфрамовых нитей.

Из вольфрама изготавливают нити ламп накаливания, а также электроды, подогреватели, пружины и крючки в электронных лампах, рентгеновских трубках и т.п. Вследствие тугоплавкости и большой механической прочности, вольфрам может работать при высоких температурах (более 2000°С), но лишь в глубоком вакууме или в атмосфере инертного газа, т.к. при нагревании до температуры в несколько сот градусов в присутствии кислорода он сильно окисляется.

2.7.2. Молибден

Этот металл по внешнему виду, а также по технологии обработки близкий к вольфраму. Важнейшей промышленной рудой молибдена является молибденит MoS 2 . Молибден применяют в электровакуумной технике при менее высоких температурах, чем вольфрам; накаливаемые детали из молибдена должны работать в вакууме или восстановительной атмосфере.

2.7.3. Тантал

Его получают из мало распространенной руды – танталита Fe(TaO 3) 2 методами порошковой металлургии, подобно вольфраму и молибдену. Основное отличие его заключается лишь в том, что процесс спекания его осуществляют в вакуумных печах, т.к. тантал склонен к поглощению газов, в результате чего он становится хрупким. Тантал характеризуется высокой пластичностью даже при комнатной температуре. Тантал относят к сверхпроводникам, применяют при изготовлении анодов и сеток генераторных ламп и др.

2.7.4. Титан

Относительно легкий металл, применяющийся в электровакуумной технике благодаря своим хорошим механическим свойствам. Основными минералами, содержащими титан, являются рутил и ильмений. Получают титан методами порошковой металлургии. Его используют не только в качестве конструкционного материала, но и для порошкообразных покрытий молибденовых и вольфрамовых анодов и сеток генераторных ламп. Из него также получают резисторы интегральных микросхем.

2.7.5. Рений

Один из редких очень тяжелых металлов, с температурой плавления, близкой к вольфраму. Рений отличается редким сочетанием свойств, удовлетворяющих большинству требований электровакуумной техники. В атмосфере водорода и во влажной среде он испаряется в меньшей степени, чем вольфрам. Ценной особенностью рения является его меньшая, по сравнению с вольфрамом, степень взаимодействия при высоких температурах с окисью алюминия, из которой изготовляют изоляционные трубки подогревных катодов прямого накала и сеток некоторых типов ламп.

2.8. Благородные металлы

К благородным металлам относят золото, серебро, платину и металлы платиновой группы (рутений Ru, родий Rh, палладий Pd, осмий Os и иридий Ir). Эти металлы названы благородными за их красивый внешний вид и высокую химическую стойкость. Они применяются в качестве проводников и контактов для коррозионно-устойчивых покрытий, электродов фотоэлементов. Серебро применяют также для непосредственного нанесения на диэлектрики в качестве обкладок в производстве керамических и слюдяных конденсаторов.

2.9. Неметаллические проводники

Из числа твердых неметаллических проводниковых материалов наибольшее значение имеют материалы на основе углерода. Из угля изготавливают щетки электрических машин, электроды для прожекторов, электроды для дуговых электрических печей и электролитических ванн, аноды гальванических элементов. Угольные порошки используют в микрофонах, из угля делают высокоомные резисторы, разрядники для телефонных сетей.

В качестве сырья для производства электроугольных изделий можно использовать сажу, графит и антрацит. Природный графит – одна из модификаций чистого углерода слоистой структуры с большой анизотропией как электрических, так и механических свойств. Сажи представляют собой мелкодисперсный углерод с примесями слоистых веществ. Лаки, в состав которых в качестве пигмента добавлена сажа, обладают малым удельным сопротивлением и могут быть использованы для выравнивания электрического поля в электрических машинах высокого напряжения.

Наиболее существенный вклад в остаточное сопротивление вносит рассеяние на примесях, которые всегда присутствуют в реальном проводнике или в виде загрязнения, или в виде легирующего (т. Е Намеренно вводится) элемента. Любая примесная добавка приводит к повышению г., даже если она обладает повышенной проводимостью по сравнению с основным металлом. Так, введение в медный проводник 0, 01 ат. доли примеси серебра вызывает увеличение удельного сопротивления меди на 0,002 мкОм м. Экспериментально установлено, что при малом содержании примесей удельное сопротивление возрастает пропорционально концентрации примесных атомов. Различные примеси по-разному влияют на остаточное сопротивление проводников. Кроме примесей некоторый вклад в остаточное сопротивление, вносят собственные дефекты структуры — вакансии, атомы внедрения, дислокации, границы зерен.

Причинами рассеяния электронных волн в металле является не только тепловые колебания узлов решетки, но и статические дефекты структуры, которые также нарушают правильность кристаллической решетки. Рассеяния на статических дефектах структуры не зависит от температуры. Поэтому по мере приближения температуры к абсолютному нулю сопротивление реальных металлов стремится к некоторому постоянному значению, называемом остаточным сопротивлением.

Удельное сопротивление вещества зависит от температуры. Как правило, сопротивление металлов растет с температурой. Этому не следует удивляться: с повышением температуры атомы движутся быстрее, их расположение становится менее упорядоченным, и можно ожидать, что они будут сильнее мешать движению потока электронов. В узких диапазонах изменения температуры удельное сопротивление металла увеличивается с температурой практически линейно:

При очень низких температурах удельное сопротивление некоторых металлов, а также сплавов и соединений падает в пределах точности современных измерений к нулю. Это свойство называют сверхпроводимостью; впервые его наблюдал нидерландский физик Гейко Камер- Линг — Оннес (1853-1926) в 1911 г. при охлаждении ртути ниже 4,2 К. При этой температуре электрическое сопротивление ртути внезапно падало до нуля.

Стоит отметить, что среди хороших проводников, которыми являются металлы, наиболее предпочтительны драгоценные металлы, при этом серебро считается лучшим проводником, т. К У него наименьшую малый удельное сопротивление. Этим объясняется использование драгоценных металлов при пайке особо важных элементов в электротехнике. Из значений удельных сопротивлений веществ можно судить об их практическом применении — вещества с большим удельным сопротивлением подойдут для изготовления изоляционных материалов, а с небольшим — для проводников.

Для получения зависимости силы тока в цепи от сопротивления Ому пришлось провести огромное количество экспериментов, в которых необходимо было менять сопротивление проводника. В связи с этим он столкнулся с проблемой изучения сопротивления проводника в зависимости от его отдельно взятых параметров. В первую очередь, Георг Ом обратил внимание на зависимость сопротивления проводника от его длины, о которой уже бегло говорилось на предыдущих уроках. Он сделал вывод, что при увеличении длины проводника прямо пропорционально увеличивается и его сопротивление. Кроме того, было установлено, что на сопротивление влияет еще и сечение проводника, т. Е Площадь фигуры, которая получается при поперечном разрезе. При этом, чем площадь сечения больше, тем сопротивление меньше. Из этого можно сделать вывод, что чем провод толще, тем его сопротивление меньше. Все эти факты были получены опытным путем.

Если обратить внимание на эту формулу, то можно сделать вывод, что с ней выражается удельное сопротивление проводника, т. Е., Определив силу тока и напряжение на проводнике и измерив его длину с площадью поперечного сечения, можно с помощью закона Ома и указанной формулы вычислить удельное сопротивление. Затем, его значение можно сверить с данными таблицы и определить, из какого вещества изготовлен проводник.

Число носителей заряда в металлическом проводнике при повышении температуры практически остается неизменным. Однако вследствие усиления колебаний узлов кристаллической решетки с ростом температуры появляется все больше препятствий на пути направленного движения свободных электронов под действием электрического поля, т. Е. Уменьшается средняя длина свободного пробега электрона? , Уменьшается подвижность электронов и, как следствие, уменьшается удельная проводимость металлов и возрастает удельное сопротивление (рисунок 2.1)

Как уже указывалось, примеси и нарушения правильной структуры металлов увеличивают их удельное сопротивление. Значительный рост? наблюдается при сплава двух металлов в том случае, если они образуют друг с другом твердый раствор, т. Е. При утверждении совместно кристаллизуются, и атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого.

Этот коэффициент, интересен не только при рассмотрении работы различных сопряженных материалов в той или иной конструкции (возможность растрескивания или нарушения вакуум плотного соединения со стеклами, керамикой при изменении температуры). Он необходим также и для расчета температурного коэффициента сопротивления провода

При столкновении двух разных металлических проводниковмежду них возникает контактная разность потенциалов. Причина появления этой разности потенциалов заключается в различии значений работы выхода электронов из разных металлов, а также в том, что концентрация электронов, а, следовательно, и давление электронного газа в различных металлов и сплавов могут быть неодинаковыми. С электронной теории металлов следует, что контактная разность потенциалов между металлами А и В равна

Етитрудности удалось преодолеть, встав на позиции квантовой механики. В отличиеот классической электронной теории квантовая механика считает, что електроннийгаз в металлах при обычных температурах находится в состоянии вирождения.В этом состоянии энергия электронного газа почти не зависит от температуры, т.е. тепловое движение почти не изменяет энергию электронов. Поэтому теплотане затрачивается на нагрев электронного газа, и оказывается приизмерениях теплоемкости металлов. В состояние, аналогичное обычным газам, электронный газ приходит при температурах порядка тысяч кельвинов. Представляяметалл как систему, в которой положительные ионы скрепляются посредствомсвободно подвижных электронов, легко понять природу всех основных свойствметаллов: пластичности, ковкости, хорошей теплопроводности и высокой электропроводности.

Достаточно перспективным проводниковому материалом является металлический натрий. Натрий может быть получен электролизом расплавленного хлористого натрия NaCl в практически неограниченных количествах. Из сравнения свойств натрия со свойствами других проводниковых металлов видно, что удельное сопротивление натрия примерно в 2.8 раза больше? меди и в 1.7 раз больше? алюминия, но благодаря чрезвычайно малой плотности натрия (плотность его почти в 9 раз меньше плотности меди), провод с натрия при данной проводимости на единицу длины должен быть значительно легче, чем провод из другого металла. Однако натрий чрезвычайно активный химически (он интенсивно окисляется на воздухе, бурно реагирует с водой), чем натриевый провод должен быть защищен герметизирующей оболочкой. Оболочка должна предоставлять провода необходимую механическую прочность, так как натрий весьма мягкий и имеет малый предел прочности при деформациях.

Железо (сталь) как наиболее дешевый и доступный металл, обладающий к тому же высокой механической прочностью, представляет большой интерес для использования в качестве проводникового материала. Однако даже чистое железо имеет значительно более высокую по сравнению с медью и алюминием удельное сопротивление; ? стали, то есть железа с примесью углерода и других элементов, еще выше. Обычная сталь обладает малой стойкостью коррозии: даже при нормальной температуре, особенно в условиях повышенной влажности, она быстро ржавеет; при повышении температуры скорость коррозии резко возрастает. Поэтому поверхность стальных проводов должна быть защищена слоем более стойкого материала. Обычно для этой цели применяют покрытия цинком.

Это электрическое сопротивление единицы длины проводника единичной площади сечения [ Ohm · m ], оказываемое движения носителей заряда в проводнике, а также полупроводников проводят ионы растворах, под действием потенциального электрического поля.Удельное электрическое сопротивление постоянному току с одной строны является производным понятием от электрического сопротивления проводника, а с другой -Базовый понятием электротехнического материаловедения, поскольку определяет свойства материала проводника независимо от его длины и формы вообще.

Способность металлов менять свое сопротивление с изменением температуры используется для устройства термометров сопротивления. Такой термометр представляет собой платиновую проволоку, намотанную на слюдяной каркас. Поместив термометр, например, в печь и измеряя сопротивление платиновой проволоки до и после нагрева, можно определить температуру в печи.

В металлах уровень Ферми лежит в зоне проводимости, заполненной лишь частично. Электроны, находящиеся в зоне проводимости, получив сколь угодно малуюенергетическую добавку (например, за счет теплового движения или електрическогополя), могут перейти на более высокий (свободный) энергетический уровень той же зоне, тоесть стать свободными электронами и участвовать в проводимости. Сростом температуры сопротивление будет расти, поскольку увеличивается рассеяниеелектронов проводимости на тепловых колебаниях решетки, и средняя длинасвободного пробега электрона уменьшается.

(везде ниже под сопротивлением понимается активное (резистивное) сопротивление, в котором происходит диссипация (рассеяние) електрическойенергии и необратимый переход ее в другие виды энергии, например, тепловую)

При абсолютном нуле в идеально совершенном кристалле атомы расположены строго периодически и электромагнитные волны беспрепятственно проходят сквозь кристаллическую решетку, не испытывая при этом сопротивления. В реальных условиях металлы — проводники имеют искаженную решетку и используются при температурах, отличных от абсолютного нуля.

При увеличении температуры атомы металла совершают колебания около узлов решетки, вызывает рассеяние электронных волн, приводит к увеличению электрического сопротивления. Это увеличение может быть выражено зависимостью

При очень малых деформациях иногда наблюдается уменьшение сопротивления, что должно быть приписано побочных явлений: уплотнению металла, разрушение изолирующих межкристаллитных пленок и т. П.

Возникновение упорядочения в твердых растворах — это результат усиления химического взаимодействия компонентов, в результате чего электроны связываются сильнее, чем в неурегулированных твердом растворе. Усиление химического взаимодействия компонентов уменьшает число электронов проводимости и увеличивает остаточное электрическое сопротивление. Однако при составлении электрическое поле ионного остова решетки становится более симметричным, а это, естественно, приводит к снижению остаточного сопротивления. Последнее обстоятельство оказывается превалирующим, и при составлении электрическое сопротивление снижается.

нихром Х20Н80 — нихромовая проволока, лента; вольфрам

Электрическое сопротивление — это одна из самых важных характеристик нихрома. Оно определяется многими факторами, в частности электрическое сопротивление нихрома зависит от размеров проволоки или ленты, марки сплава. Общая формула для активного сопротивления имеет вид: R = ρ · l / S R — активное электрическое сопротивление (Ом), ρ — удельное электрическое сопротивление (Ом·мм), l — длина проводника (м), S — площадь сечения (мм2) Значения электрического сопротивления для 1 м нихромовой проволоки Х20Н80 № Диаметр, мм Электрическое сопротивление нихрома (теория), Ом 1 Ø 0,1 137,00 2 Ø 0,2 34,60 3 Ø 0,3 15,71 4 Ø 0,4 8,75 5 Ø 0,5 5,60 6 Ø 0,6 3,93 7 Ø 0,7 2,89 8 Ø 0,8 2,2 9 Ø 0,9 1,70 10 Ø 1,0 1,40 11 Ø 1,2 0,97 12 Ø 1,5 0,62 13 Ø 2,0 0,35 14 Ø 2,2 0,31 15 Ø 2,5 0,22 16 Ø 3,0 0,16 17 Ø 3,5 0,11 18 Ø 4,0 0,087 19 Ø 4,5 0,069 20 Ø 5,0 0,056 21 Ø 5,5 0,046 22 Ø 6,0 0,039 23 Ø 6,5 0,0333 24 Ø 7,0 0,029 25 Ø 7,5 0,025 26 Ø 8,0 0,022 27 Ø 8,5 0,019 28 Ø 9,0 0,017 29 Ø 10,0 0,014 Значения электрического сопротивления для 1 м нихромовой ленты Х20Н80 № Размер, мм Площадь, мм2 Электрическое сопротивление нихрома, Ом 1 0,1×20 2 0,55 2 0,2×60 12 0,092 3 0,3×2 0,6 1,833 4 0,3×250 75 0,015 5 0,3×400 120 0,009 6 0,5×6 3 0,367 7 0,5×8 4 0,275 8 1,0×6 6 0,183 9 1,0×10 10 0,11 10 1,5×10 15 0,073 11 1,0×15 15 0,073 12 1,5×15 22,5 0,049 13 1,0×20 20 0,055 14 1,2×20 24 0,046 15 2,0×20 40 0,028 16 2,0×25 50 0,022 17 2,0×40 80 0,014 18 2,5×20 50 0,022 19 3,0×20 60 0,018 20 3,0×30 90 0,012 21 3,0×40 120 0,009 22 3,2×40 128 0,009 При намотке спирали из нихрома для нагревательных приборов эту операцию зачастую выполняют «на глазок», а затем, включая спираль в сеть, по нагреву нихромового провода подбирают требующееся количество витков. Обычно такая процедура занимает много времени, да и нихром расходуется попусту. Чтобы рационализировать эту работу при использовании нихромовой спирали на напряжение 220 В, предлагаю воспользоваться данными приведенными в таблице, из расчета, что удельное сопротивление нихрома =(Ом · мм2 / м)C. С ее помощью можно быстро определить длину намотки виток к витку в зависимости от толщины нихромового провода и диаметра стержня, на который наматывается нихромовая спираль. Пересчитать длину спирали из нихрома на другое напряжение нетрудно, использовав простую математическую пропорцию. Длина нихромовой спирали в зависимости от диаметра нихрома и диаметра стержня Ø нихрома 0,2 мм Ø нихрома 0,3 мм Ø нихрома 0,4 мм Ø нихрома 0,5 мм Ø нихрома 0,6 мм Ø нихрома 0,7 мм Ø нихрома 0,8 мм Ø нихрома 0,9 мм Ø стержня, мм длина спирали, см Ø стержня, мм длина спирали, см Ø стержня, мм длина спирали, см Ø стержня, мм длина спирали, см Ø стержня, мм длина спирали, см Ø стержня, мм длина спирали, см Ø стержня, мм длина спирали, см Ø стержня, мм длина спирали, см 1,5 49 1,5 59 1,5 77 2 64 2 76 2 84 3 68 3 78 2 30 2 43 2 68 3 46 3 53 3 64 4 54 4 72 3 21 3 30 3 40 4 36 4 40 4 49 5 46 6 68 4 16 4 22 4 28 5 30 5 33 5 40 6 40 8 52 5 13 5 18 5 24 6 26 6 30 6 34 8 31 6 20 8 22 8 26 10 24 Например, требуется определить длину нихромовой спирали на напряжение 380 В из провода толщиной 0,3 мм, стержень для намотки Ø 4 мм. Из таблицы видно, что длина такой спирали на напряжение 220 В будет равна 22 см. Составим простое соотношение: 220 В — 22 см 380 В — Х см тогда: X = 380 · 22 / 220 = 38 см Намотав нихромовую спираль, подключите ее, не обрезая, к источнику напряжения и убедитесь в правильности намотки. У закрытых спиралей длину намотки увеличивают на 1/3 значения, приведенного в таблице. В данной таблице приведена теоретическая масса 1 метра нихромовой проволоки и ленты. Она изменяется в зависимости от размеров продукции. Диаметр, типоразмер, мм Плотность (удельный вес), г/см3 Площадь сечения, мм2 Масса 1 м, кг Ø 0,4 8,4 0,126 0,001 Ø 0,5 8,4 0,196 0,002 Ø 0,6 8,4 0,283 0,002 Ø 0,7 8,4 0,385 0,003 Ø 0,8 8,4 0,503 0,004 Ø 0,9 8,4 0,636 0,005 Ø 1,0 8,4 0,785 0,007 Ø 1,2 8,4 1,13 0,009 Ø 1,4 8,4 1,54 0,013 Ø 1,5 8,4 1,77 0,015 Ø 1,6 8,4 2,01 0,017 Ø 1,8 8,4 2,54 0,021 Ø 2,0 8,4 3,14 0,026 Ø 2,2 8,4 3,8 0,032 Ø 2,5 8,4 4,91 0,041 Ø 2,6 8,4 5,31 0,045 Ø 3,0 8,4 7,07 0,059 Ø 3,2 8,4 8,04 0,068 Ø 3,5 8,4 9,62 0,081 Ø 3,6 8,4 10,2 0,086 Ø 4,0 8,4 12,6 0,106 Ø 4,5 8,4 15,9 0,134 Ø 5,0 8,4 19,6 0,165 Ø 5,5 8,4 23,74 0,199 Ø 5,6 8,4 24,6 0,207 Ø 6,0 8,4 28,26 0,237 Ø 6,3 8,4 31,2 0,262 Ø 7,0 8,4 38,5 0,323 Ø 8,0 8,4 50,24 0,422 Ø 9,0 8,4 63,59 0,534 Ø 10,0 8,4 78,5 0,659 1 x 6 8,4 6 0,050 1 x 10 8,4 10 0,084 0,5 x 10 8,4 5 0,042 1 x 15 8,4 15 0,126 1,2 x 20 8,4 24 0,202 1,5 x 15 8,4 22,5 0,189 1,5 x 25 8,4 37,5 0,315 2 x 15 8,4 30 0,252 2 x 20 8,4 40 0,336 2 x 25 8,4 50 0,420 2 x 32 8,4 64 0,538 2 x 35 8,4 70 0,588 2 x 40 8,4 80 0,672 2,1 x 36 8,4 75,6 0,635 2,2 x 25 8,4 55 0,462 2,2 x 30 8,4 66 0,554 2,5 x 40 8,4 100 0,840 3 x 25 8,4 75 0,630 3 x 30 8,4 90 0,756 1,8 x 25 8,4 45 0,376 3,2 x 32 8,4 102,4 0,860 Титановый сплав Максимальные рабочие температуры, °С ОТ4, ОТ4-1 350 ВТ3-1 400-450 ВТ5 400 ВТ5-1 450 ВТ6 400-450 ВТ8 450-500 ВТ9 500-550 ВТ18 550-600 ВТ20 500 ВТ22 350-400 Ø мк Ø мм мг в 200 мм г в 1 м г в 1000 м м в 1 г 8 0,008 0,19 0,0010 0,97 1031,32 9 0,009 0,25 0,0012 1,23 814,87 10 0,01 0,30 0,0015 1,52 660,04 11 0,011 0,37 0,0018 1,83 545,49 12 0,012 0,44 0,0022 2,18 458,36 13 0,013 0,51 0,0026 2,56 390,56 14 0,014 0,59 0,0030 2,97 336,76 15 0,015 0,68 0,0034 3,41 293,35 16 0,016 0,78 0,0039 3,88 257,83 17 0,017 0,88 0,0044 4,38 228,39 18 0,018 0,98 0,0049 4,91 203,72 19 0,019 1,09 0,0055 5,47 182,84 20 0,02 1,21 0,0061 6,06 165,01 30 0,03 2,73 0,0136 13,64 73,34 40 0,04 4,85 0,0242 24,24 41,25 50 0,05 7,58 0,0379 37,88 26,40 60 0,06 10,91 0,0545 54,54 18,33

Вольфрам Электросопротивление — Энциклопедия по машиностроению XXL

Вольфрам образует с никелем твердые растворы в широком интервале концентраций (фиг. И). Вольфрам сильно повышает электросопротивление и  [c.260]

Сплавы вольфрама с молибденом. Вольфрам и молибден образуют непрерывный ряд твердых растворов (фиг. 2). Твердость и электросопротивление  [c.453]

Вольфрам благодаря своей тугоплавкости хорошо сопротивляется электроэрозионному изнашиванию. Несмотря на окисление, вольфрам имеет невысокое и устойчивое переходное электросопротивление, так как он достаточно электропроводен, а оксидная пленка вольфрама при работе  [c.581]

Такое же назначение имеют сплавы вольфрама с молибденом (рис. 18.8). Содержащие 40 — 50 % Мо, эти сплавы обладают высоким сопротивлением электро-эрозионному изнашиванию, но вследствие образования непрерывного ряда твердых растворов их переходное и общее электросопротивление велики. Сплавы обладают пониженным сопротивлением газовой коррозии, так как молибден и вольфрам образуют легко испаряющиеся оксидные пленки. Такие сплавы можно использовать для мощных контактов, но в среде инертных газов или в вакууме. Сплавы вольфрама с 45 % Мо используют также для нитей накаливания электрических ламп и катодов.  [c.582]

В зависимости от требований, предъявляемых современной техникой, изготовляют металлические сплавы с самыми разнообразными свойствами они бывают либо очень твердыми, но хрупкими (например, сверхтвердые сплавы на основе карбида вольфрама), либо мягкими и пластичными (например, некоторые сплавы на основе меди). Металлы и сплавы бывают с очень низким электросопротивлением (чистая медь и серебро) и с высоким (нихром и другие подобные сплавы) легко и сильно намагничивающимися (чистое железо) и практически немагнитными (сталь с 25% N1 и 2% Сг сталь с 18% Мп) кислотоупорными (сталь с 25% Сг и 20% N1) жаропрочными (сплавы на никелевой основе сталь с 18% Сг, 25% N1, 2,5% 51) с очень высокой температурой плавления (вольфрам — более 3000°) или очень легкоплавкими (например, сплав, состоящий из 4 частей висмута, 2 частей свинца, 1 части кадмия и 1 части олова).  [c.75]

Заслуживают внимания также двойные сплавы системы —Мо, —Со и Ш—N1. Вольфрам и молибден образуют непрерывный ряд твердых растворов. Сплавы вольфрама с 20—25% Мо обладают очень высоким электросопротивлением (примерно 0,085 ОМ М) и жаропрочностью. Например, термопары из него могут работать при 1200—2200° С.  [c.150]

Вольфрам — чрезвычайно тяжелый, твердый металл серого цвета. Из всех металлов вольфрам обладает наиболее высокой температурой плавления (см. табл. 57). Зависимость удельного электросопротивления вольфрама от температуры приведена на рис. 151.  [c.266]

Молибден — металл, по внешнему виду, а также по технологии обработки близкий к вольфраму. Для того чтобы отличить молибден от вольфрама, применяют следующий простой способ испытуемую проволоку нагревают в пламени бензиновой горелки, и если из нее выделяется активный белый дымок, то это — молибден. Молибден широко применяют в электровакуумной технике при менее высоких рабочих температурах, чем вольфрам накаливаемые детали из молибдена должны работать в вакууме или в восстановительной атмосфере. На рис. 151 показана зависимость удельного электросопротивления молибдена от температуры.  [c.268]

Вольфрам — металл белого цвета, атомная масса 183,9, валентность 2, 4, 5, 6. Плотность вольфрама 19,3, температура плавления 3400 °С. Вольфрам — ковкий металл с твердостью 10—13 ГПа. Удельное электросопротивление 0,053-10 мкОм-м.  [c.314]

По температуре плавления вольфрам превосходит все элементы, кроме углерода. Металл отличается высокой точкой кипения, малой скоростью испарения при высоких температурах и малым термическим коэффициентом расширения. Удельное электросопротивление вольфрама примерно втрое выше электросопротивления меди.  [c.26]

Производство электроламп и электровакуумных приборов. В этой области уже применяют в ряде ответственных случаев вместо вольфрам З рений или сплавы рения с вольфрамом и молибденом. Преимущества рения перед вольфрамом состоят в лучших прочностных характеристиках и сохранении пластичности в рекристаллизованном состоянии, меньшей склонности к испарению в присутствии следов влаги (сопротивление водородно-водяному циклу), более высоком электросопротивлении отсутствии устойчивых карбидов.  [c.465]

Металлы — молибден, вольфрам и тантал в отличие от сплавов увеличивают электросопротивление в 5 раз при нагреве до 1000° и в 7—12 раз при нагреве до 2000°.  [c.99]

Плотность его 19,35 г/см , температура плавления 3500°С (практически 3380°—3600°С), температура кипения 5900° С, удельное электросопротивление при 0° С 5,035-10- Ом/см, твердость по Бринеллю НВ 544—391 , механическая прочность Ов = 84,4- 110 кГ/мм . Применение вольфрамового электрода при газоэлектрической сварке возможно только при наличии неокислительной среды (инертные газы, вакуум), восстановительной среды (водород), а также в среде азота, с которым вольфрам не реагирует даже при очень высоких температурах. При  [c.37]

Переход сверхпроводников из нормального состояния (характеризующегося определенным значением удельного сопротивления) в сверхпроводящее состояние происходит при охлаждении этого сверхпроводника ниже определенной температуры, которая носит название критической температуры данного сверхпроводника (обозначим ее Гк). Для разных сверхпроводников критическая температура имеет различные значения. Критические температуры известных сверхпроводников лежат в интервале от 0,012 К (вольфрам) до 23,3 К (интерметаллическое соединение NbgGe). При температуре Тк электросопротивление сверхпроводника скачком умень-щается от некоторого конечного значения до нуля (см. рис. 5-U на котором изображена зависимость величины RIRq ртути от температуры здесь R VL Rq — сопротивление ртути соответственно при данной температуре и при температуре 0°С).  [c.115]

Вольфрам. Этот металл, самый тугоплавкий и один из самых тяжелых в периодической системе, тоже проявляет чрезвычайную хрупкость при низких температурах, если только не подвергнут тщательнейшей обработке. Она заключается в очень интенсивном высокотемпературном «наклепе» в присутствии мелкодисперсных частиц KjO или ThOj. Сплав вольфрама с 30% рения пластичен, однако масштабы его применения ограничены дороговизной рения. Сплав W—3 % Re (марка 3D) в связи с его высоким электросопротивлением используется в лампах-вспышках (импульсных лампах).  [c.309]

Вакансии 20 Валентные электроны 9 Ванадий в стали 314, 350, 377 Вандервальсовская связь 15, 17 Видманштеттова структура 140 Возврат (отдых) 67 Волокна в макроструктуре 75 Волосовины 135 Вольфрам в стали 315 Вторичные превращения 103 Высокого электросопротивления стали и сплавы 410 Высокотемпературная термомеханическая обработка 398 Вязкое течение металлов 61  [c.495]

Ниобий и его сплавы имеют важное значение в электронной и химической промышленности, а сплавы ниобия с оловом являются ценным сверхпроводящим материалом. Большую роль играет рений, его температура плавления 3180 °С, плотность в 3 раза болыпе, чем у железа, он немного легче осмия, платины и иридия. Рений обладает высоким электросопротивлением. Жаропрочность рения с вольфргамом и танталом сохраняется до температуры 3000 °С, сохраняются и механические свойства. Вольфрам и молибден при низких температурах очень хрупки, а в сплаве с рением сохраняют при этих температурах пластичность. Рений используют для производства сверхточных навигационных приборов, которыми пользуются в космосе, для получения торсионов — тончайших нитей, диаметр которых составляет несколько десятков микрометров, обладающих очень высокой прочностью. Проволока сечением в 1 мм выдерживает нагрузку в несколько килоньютонов.  [c.225]

В качестве исходных материалов при изготовлении разрывных контактов используются вольфрам, молибден, тантал, рений, серебро, медь, золото, платина и другие металлы. Однако однокомпонентные (компактные) контакты имеют ряд недостатков и не могут обеспечить многообразие противоречивых требований. Так вольфрам, характеризующийся высокой твердостью и прочностью при высоких температурах, малой склонностью к искрению, отличается высоким электросопротивлением и низкой стойкостью против окисления. Золото, платина и серебро имеют низкое элетросо-противление, но не обеспечивают требуемых механических свойств при высоких температурах.  [c.805]

Воль ф рам мар ки ВА-3 в виде тонкой проволоки диа метром 10—40 мк (табл. 6-5) применяется в качестве керна при изготовлении прямонакальных оксидных катодов прием н0-усилительных ламп малой мощности. В этой области 0 Н почти совершенно вытеснил применявшийся ранее никель, обладающий малой прочностью и часто не выдерживающий растягивающего действия пружин, нео бходимых для крепления катодов. В последнее время для этой цели предложена проволо ка из сплавов иикеля с вольфрамом НИВО-6 и НИВО-25, которая наряду с высокой механической прочностью обладает электросопротивлением, более высоким, чем вольфрам, что имеет большое значение для экояо мично сти ламп этой группы.  [c.243]

В качестве кернов подогревателей используется преимущественно проволочный вольфрам марок ВА-3 и ВА-5 — материал, обладающий в области их рабочих температур и температур обработки (до 1 700° С) высоким удельным электросопротивлением, незначительной скоростью испарения, формюустойчивостью и достаточной теплопроводностью, необходимой для передачи тепла изолирующему слою ( сортамент, табл. 6-5). В некоторых приборах применяют сплав МВ-50 и в редких случаях— молибден, которые лучше механически обрабатываются, но имеют ряд недостатков, понижающих качество подогревателей (более высокая иапаряемость и интенсивное химическое взаимодействие с изолирующими материалами, пониженная формоустойчивость и др.)-  [c.306]

Нагрев образцов осуществляли в высокотемпературной установке с вольфрамовым нагревателем и керамической теплоизоляцией. Температуру измеряли микрооптическим пирометром ОМП-021 и вольфрам-ре-ниевыми термопарами (ВР 5/20). Результаты измерения электросопротивления крупки из графита в зависимости от гранулометрического состава показали, что с увеличением размера зерен электросопротивление одного и того же материала уменьшается.  [c.81]

Многие из свойств алюминия снова встречаются в элементах группы 1Уа, Уа и У1а, большинство из которых имеет плохо растворимую окисную пленку с высоким электросопротивлением. Эта пленка сообщает массивному металлу заметную устойчивость в атмосфере, однако, в порошкообразном состоянии эти металлы в некоторых случаях весьма реакционно-способны, на что указывает значительное сродство их к кислороду. Металлы этих трех групп похожи на алюминий также и в том отношении, что обладают электролитическим вентильным действием что указывает на то, что оксидная пленка обладает ббльшим электросопротивлением при прохождении тока в анодном направлении, чем в катодном. Эти металлы вообще растворяются быстрее в щелочах, чем в кислотах, а сами окислы обладают во многих случаях кислотным характером. Металлы группы Уа действительно заметно устойчивы относительно большинства кислот, исключая плавиковой. В группе У1а. молибден и вольфрам также весьма стойки во многих кислотах. Однако вольфрам быстро растворяется в смеси плавиковой и азотной кислот, а молибден корродирует в разбавленной азотной и концентрированной серной кислоте. Хром и уран образуют окислы основного характера и соответственно легче разрушаются в кислотах. Поведение хрома изменяется в соответствии с тем, находится ли  [c.448]

Для уменьшения термических напряжений в процессе соединения полупроводника с металлом или сплавом необходимо максимально приблизить коэффициенты термического расширения и теплопроводности. Из металлов по ТКЛР близки к полупроводникам тугоплавкие металлы (рис. 6, а) вольфрам, молибден, хром, тантал (6,6-10 К ), ниобий (7,2-10 К» ) и др. Эти металлы имеют одинаковую кристаллическую решетку — объемно-центрированную, т. е. не очень упакованную. Температуры плавления у этих металлов различны и колеблются от 2148 К у хрома до 3683 К у вольфрама, т. е, в 1,1—2,7 раза больше, чем температура плавления рассматриваемых полупроводников. У этих металлов большие энергии активации (37н-42) 10 Дж/кг и коэффициенты самодиффузии (2н- 16) X X 10 м /с, что приводит к увеличению затрат энергии на диффузионное соединение полупроводников с металлами. Эти металлы имеют высокие значения механической прочности, удельного электросопротивления они антикоррозионны.  [c.233]

---

теплоемкость, теплопроводность и т. д.

В таблицах представлены плотность вольфрама W, его теплопроводность и удельная теплоемкость, а также другие теплофизические свойства вольфрама при различных температурах  (в интервале от 100 до 4000 К).

Металлический вольфрам W — твердый и сложный в механической обработке металл с температурой плавления более 3400°C. По температуре плавления он занимает второе место после углерода (в виде графита или алмаза).

Теплопроводность вольфрама достаточно высока и при комнатной температуре составляет 163 Вт/(м·К), что превышает теплопроводность даже некоторых сплавов алюминия. Вольфрам достаточно тяжелый металл — плотность вольфрама равна 19250 кг/м³ при комнатной температуре.

Удельная теплоемкость вольфрама имеет относительно небольшую величину, как и у других металлов с высокой плотностью. Теплоемкость вольфрама зависит от температуры и изменяется, по данным таблицы, в диапазоне от 87 до 270 Дж/(кг·К) для твердого состояния этого металла.

Вольфрам имеет очень низкий коэффициент теплового линейного расширения (КТЛР), равный 4,43 ·10^-6 1/град при комнатной температуре. Этот металл не окисляется при комнатной температуре, но при высоких температурах реагирует с кислородом, образуя триоксид вольфрама WO₃ красного цвета.

В таблице ниже представлены следующие теплофизические свойства вольфрама: плотность d, удельная массовая теплоемкость C_p, температуропроводность a, коэффициент теплопроводности λ, удельное электрическое сопротивление ρ, функция Лоренца L/L₀.

Свойства вольфрама даны в таблице в зависимости от температуры — в интервале от 100 до 3695 К для твердого состояния этого металла, а также при температуре до 4000 К для расплавленного (жидкого вольфрама).

Плотность вольфрама, его теплопроводность, теплоемкость и другие свойства

Теплопроводность и другие теплофизические свойства вольфрама W чистотой 99,9% представлены в таблице в интервале температуры от 100 до 2700 К. Даны следующие свойства чистого металлического вольфрама: плотность, удельная массовая теплоемкость, теплопроводность, коэффициент теплового расширения (КТР), удельное электрическое сопротивление.

По данным таблицы видно, что плотность вольфрама при нагревании уменьшается из-за его теплового расширения. Кроме того, при нагревании чистого вольфрама его теплопроводность уменьшается, а массовая теплоемкость увеличивается. Например, удельная теплоемкость вольфрама составляет 134,4 Дж/(кг·К) при комнатной температуре, а при его нагревании до 2100°C, его теплоемкость возрастает до величины 175 Дж/(кг·К).

Источники:

1. В. Е. Зиновьев. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах.
2. Чиркин В. С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. М.: Атомиздат, 1967. — 474 с.

Вольфрам предлагает нано-межсоединения путь наименьшего сопротивления

Поскольку микрочипы становятся все меньше и, следовательно, быстрее, уменьшающийся размер их медных межсоединений приводит к увеличению удельного электрического сопротивления в наномасштабе. Поиск решения этого надвигающегося технического узкого места является серьезной проблемой для полупроводниковой промышленности.

Одна из перспективных возможностей заключается в уменьшении эффекта размера удельного сопротивления путем изменения кристаллической ориентации материалов межсоединений. Пара исследователей из Политехнического института Ренсселаера провела измерения электронного транспорта в эпитаксиальных монокристаллических слоях вольфрама (W) в качестве одного из таких потенциальных межсоединений. Они выполняли симуляции первого принципа, находили определенный ориентированный на ориентацию эффект. Эффект анизотропного удельного сопротивления, который они обнаружили, был наиболее заметен между слоями с двумя конкретными ориентациями структуры решетки, а именно W (001) и W (110). Работа опубликована на этой неделе в Журнале прикладной физики.

Автор Pengyuan Zheng отметил, что как 2013, так и 2015 г. Международная технологическая дорожная карта для полупроводников (ITRS) призвала к новым материалам для замены меди в качестве материала межсоединений, чтобы ограничить увеличение сопротивления в уменьшенном масштабе и свести к минимуму как потребление энергии, так и задержку сигнала.

В своем исследовании Чжэн и соавтор Даниэль Галл выбрали вольфрам из-за своей асимметричной поверхности Ферми — его энергетической структуры электронов. Это сделало его хорошим кандидатом для демонстрации эффекта анизотропного сопротивления в небольших масштабах, представляющих интерес. «Объемный материал полностью изотропный, поэтому удельное сопротивление одинаково во всех направлениях», — сказал Галл. «Но если у нас тонкие пленки, то удельное сопротивление значительно меняется».

Для проверки наиболее перспективных направлений исследователи выращивали эпитаксиальные пленки W (001) и W (110) на подложках и проводили измерения удельного сопротивления как при погружении в жидкий азот при температуре 77 Кельвина (около -196 градусов Цельсия), так и при комнатной температуре или 295 Кельвина. «У нас было примерно различие в сопротивлении между ориентированным 001 вольфрамом и 110-ориентированным вольфрамом», — сказал Галл, но они обнаружили значительно меньшее удельное сопротивление в слоях W (011).

Хотя измеренный эффект анизотропного сопротивления хорошо согласуется с тем, что они ожидали от расчетов, эффективная длина свободного пробега — среднее расстояние электронов может двигаться до рассеяния на границе — в тонкопленочных экспериментах было намного больше теоретического значения для объемного вольфрама,

«Электрон проходит через провод по диагонали, он попадает на поверхность, разбрасывается, а затем продолжает движение, пока он не ударит что-то еще, может быть, с другой стороны провода или вибрации решетки», — сказал Галл. «Но эта модель выглядит неправильно для небольших проводов».

Экспериментаторы полагают, что это можно объяснить квантовыми механическими процессами электронов, возникающих в этих ограниченных масштабах. Электроны могут одновременно касаться обеих сторон проволоки или испытывать повышенную синхронизацию электрон-фононов (решетчатых колебаний) при уменьшении толщины слоя, явления, которые могут повлиять на поиск другого металла для замены медных межсоединений.

«Предполагаемые преимущества электропроводности родий, иридий и никель могут быть меньше, чем прогнозировалось», — сказал Чжэн. Выводы, подобные этим, будут приобретать все большее значение, поскольку квантовые механические весы становятся более обыденными для требований межсоединений.

Исследовательская группа продолжает исследовать анизотропный размерный эффект в других металлах с несферическими поверхностями Ферми, такими как молибден. Они обнаружили, что ориентация поверхности относительно ориентации слоя и направления транспортировки жизненно важна, так как она определяет фактическое увеличение удельного сопротивления при этих уменьшенных размерах.

«Результаты, представленные в этой статье, наглядно демонстрируют, что правильный выбор кристаллической ориентации может снизить сопротивление нанопроволок», — сказал Чжэн. Важность работы выходит за рамки современной наноэлектроники для новых и развивающихся технологий, в том числе прозрачных гибких проводников, термоэлектриков и мемристоров, которые потенциально могут хранить информацию. «Это проблема, которая определяет, что вы можете сделать в следующей технологии, — сказал Галл.

Превосходная радиационная стойкость высокоэнтропийных сплавов на основе вольфрама

Реферат

Был разработан тугоплавкий высокоэнтропийный сплав на основе кубической формы W с объемноцентрированной структурой, обладающий исключительной радиационной стойкостью. Сплав был выращен в виде тонких пленок, демонстрирующих бимодальное распределение зерен по размерам в нанокристаллическом и ультратонком режимах, а также уникальную пластинчатую структуру размером 4 нм, выявленную с помощью атомно-зондовой томографии (APT). Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) и дифракция рентгеновских лучей показывают определенные черные пятна, появляющиеся после термического отжига при повышенных температурах.Анализ ПЭМ и APT коррелировал черные пятна с частицами второй фазы, богатыми Cr и V. Никаких признаков дислокационных петель, созданных облучением, не наблюдалось даже после 8 сна. Кроме того, наномеханические испытания показывают большую твердость 14 ГПа в непосредственно осажденных образцах с почти незначительным упрочнением от облучения. Теоретическое моделирование, сочетающее ab initio и методы Монте-Карло, предсказывает образование частиц второй фазы, богатых Cr и V, и указывает на равную подвижность точечных дефектов как источник исключительной радиационной стойкости.

ВВЕДЕНИЕ

Ключевые компоненты в термоядерных реакторах, такие как дивертор или материалы, обращенные к плазме (PFM), должны иметь строгие свойства, включая низкую активацию, высокую температуру плавления, хорошие термомеханические свойства, низкую эрозию распылением и низкую Удержание / соосаждение трития. Они должны работать при высокой температуре (≥1000 K) в течение длительного времени (> 10 ⁷ с), без сбоев или обширной эрозии при воздействии большого тепла плазмы и интенсивной смеси ионизированных и высокоэнергетических нейтральных форм изотопов водорода (D и T), гелия (потоки,> 10 ²⁴ м ⁻² с ⁻¹ ) и нейтронов ( 1 ).Вольфрам (W) является ведущим кандидатом в СФМ из-за его высокой температуры плавления, низкой скорости эрозии и небольшого удерживания трития. Эти преимущества, к сожалению, сочетаются с очень низкой вязкостью разрушения, характеризующейся режимами хрупкого трансгранулярного и межкристаллитного разрушения, которые сильно ограничивают диапазон полезных рабочих температур, а также создают ряд трудностей при изготовлении. Кроме того, образование пузырей при умеренной температуре (<800 K) под действием D и He ( 2 , 3 ) и образование ямок, дырок и пузырьков под действием He при более высокой температуре (> 1600 K) ( 4 ) имеет все наблюдалось.Механизмы образования, лежащие в основе этих явлений, не совсем понятны, но в значительной степени объясняются накоплением диффундирующих D и He в протяженных дефектах. При несколько более низкой температуре в диапазоне от 1250 до 1600 K наблюдается образование пузырьков нанометрового размера ( 5 ) в W, подвергнутом воздействию плазмы He. При больших плотностях ионов He, близких к условиям работы Международного термоядерного экспериментального реактора (ITER) ( 6 ), обнаруживается, что открытые поверхности демонстрируют наноструктурированную морфологию поверхности ( 7 ), называемую пухом.Увеличенная площадь поверхности и хрупкость этих наноструктурированных поверхностей вызывают новые опасения по поводу использования W в качестве ЧФМ термоядерного реактора, особенно в качестве источника пыли с высоким Z, которая будет загрязнять плазму.

Такие стратегии, как добавление различных легирующих элементов (например, W-Re и W-Ti) или наноструктурного W, исследуются для улучшения обработки материала и рабочих свойств. Что касается второй стратегии, недавняя работа показывает, что современные образцы нанокристаллического W демонстрируют значительное образование пузырьков He на границах зерен, что приводит к декогезии и плохим механическим свойствам при рабочих температурах ( 8 — 10 ), что снижает его применимость в условиях термоядерного синтеза.Поэтому разработка новых материальных систем имеет первостепенное значение, чтобы сделать термоядерный синтез жизнеспособным источником энергии.

В последние годы разработан набор сплавов на основе нескольких основных элементов ( 11 — 14 ). Конфигурационная энтропия смешения в многокомпонентных сплавах имеет тенденцию к стабилизации твердого раствора на основе простых лежащих в основе гранецентрированных кубических (ГЦК) или объемноцентрированных кубических (ОЦК) кристаллических структур. Эквиатомные композиции максимизируют этот энтропийный член, способствуя случайным решениям по сравнению с интерметаллическими фазами или фазовым распадом.Некоторые из высокоэнтропийных сплавов (ВЭА) демонстрируют превосходный механический отклик по сравнению с традиционными материалами, что обычно связано с дислокационными свойствами. Эти материалы могут демонстрировать высокие значения твердости, высокий предел текучести, большую пластичность, отличное сопротивление усталости и хорошую вязкость разрушения. Тугоплавкие HEA на основе W были недавно разработаны в контексте высокотемпературных применений, демонстрируя высокую температуру плавления (выше 2873 K) и превосходные механические свойства при высоких температурах по сравнению с суперсплавами на основе Ni и нанокристаллическими образцами W ( 15 ) ( 16 , 17 ).

HEA также были изучены при облучении, в основном для кристаллических структур FCC. Чжан и др. . ( 18 ) показали, как химическая сложность может приводить к изменению термодинамических и кинетических свойств дефектов, которые могут изменять эволюцию микроструктуры под облучением. Они связали количество дефектов, созданных облучением, и дефектные свойства с длинами свободного пробега электронов и фононов и механизмами диссипации, которые можно настраивать в этих сплавах, варьируя их состав.Гранберг и др. . ( 13 ) объединили эксперименты и моделирование для определения низкой подвижности дислокационных петель в качестве основного механизма, ведущего к радиационной стойкости в FCC HEA на основе Ni. Кумар и др. . ( 19 ) показали, как FCC HEA на основе Ni приводят к меньшей радиационно-индуцированной сегрегации и меньшему количеству пустот, хотя после облучения наблюдалось увеличение твердости. Другие исследования показывают результаты в том же направлении: HEA улучшают радиационную стойкость как в FCC, так и в BCC структурах ( 20 — 22 ).Совсем недавно пятикомпонентные HEA на основе W с различным составом были синтезированы в качестве потенциальных материалов для термоядерных применений. Авторы наблюдали образование карбидов Ti и фаз лавеса при больших концентрациях W. Авторы изучили механический отклик, показав, что эти материалы могут привести к двукратному повышению твердости и прочности за счет упрочнения твердого раствора и дисперсионного упрочнения ( 23 ). Однако тугоплавкие HEA никогда не тестировались под облучением на предмет потенциального использования в качестве PFM или конструкционных материалов в условиях ядерного синтеза.В этой работе мы разработали четвертичный нанокристаллический сплав W-Ta-V-Cr, который мы охарактеризовали в термических условиях и после облучения. Обратите внимание, что возможная комбинация элементов для синтеза HEA чрезвычайно велика. Чтобы сузить количество возможных систем-кандидатов, мы должны иметь в виду, что материалы с высоким Z, как правило, желательны для минимизации распыления. Кроме того, необходимо учитывать элементы с низкой активацией для снижения радиотоксичности, что исключает использование Ni, Cu, Al, Mo, Co или Nb.Кроме того, Fe и Mn обычно образуют интерметаллиды, которые могут вызывать более сложное поведение. Таким образом, W, Ta, V и Cr были выбраны в качестве тестовых ингредиентов для целевой системы. Мы покажем, как этот сплав может быть синтезирован с использованием системы осаждения магнетронным распылением. Как анализ энергодисперсионной спектроскопии (EDS), который измеряет химический состав, так и атомно-зондовая томография (APT), показывают обогащение W и Ta в осажденных пленках. Картирование EDS как на поверхности, так и на площадях поперечного сечения, а также результаты дифракции рентгеновских лучей (XRD) показывают однофазную ОЦК после осаждения.Образцы были облучены 1 МэВ Kr ⁺² in situ в электронном микроскопе промежуточного напряжения (IVEM) -Tandem Facility в Аргоннской национальной лаборатории до 8 смещений на атом (dpa) без каких-либо признаков дефектов, созданных облучением. Кроме того, были проведены испытания на наноиндентирование, показавшие твердость пленки порядка ~ 15 ГПа.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Морфология и термическая стабильность HEA

Подробная характеристика морфологии и фазовых деталей осажденных пленок HEA приводит к бимодальному распределению зерен по размерам с ~ 70% зерен с размером в нанокристаллическом режиме (≤ 100 нм) и некоторые области сверхмелкозернистых размеров (от 100 до 500 нм) с однофазным ОЦК, с постоянной решетки ~ 3.2 Å (см. Дополнительные материалы). Перед облучением мы провели ЭДС (рис. 1) и APT (рис. 2) для исследования состава этого сплава. Линейное сканирование EDS (рис. 1A) было выполнено для определения состава сплава (рис. 1B), в то время как отображение EDS (рис. 1C) показывает однородный элементный состав. APT подтвердил результаты EDS, показав состав пленки 38% (± 0,09) W, 36% (± 0,09) Ta, 15% (± 0,05) Cr и 11% (± 0,05) V. Трехмерный (3D) Распределение элементов, определенное методом APT, в пленке до облучения показано на рис.2 (от A до D), в то время как двухмерные композиционные карты с использованием среза данных APT размером 25 нм на 1 нм на 20 нм показаны на рис. 2 (от E до J), где полосы цветовой шкалы под каждым рисунком выделяются высокие и низкие значения концентрации для каждого элемента. Морфология состоит из очень отчетливых композиционных полос (наслоений) внутри зерен толщиной ~ 4 нм, которые не наблюдались в EDS. Мы также нашли доказательства сегрегации элементов по границам зерен, как показано на трех отдельных границах зерен, захваченных APT (рис.2, от I до L).

Рис. 1 Состав сплава.

( A ) Изображение поперечного сечения пленки HEA, полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии (TEM), показывающее область, где выполняется линейное сканирование EDS. ( B ) Профили концентрации элементов в пленке HEA с линейным сканированием EDS. ( C ) Микрофотография поперечного сечения с помощью сканирующей электронной микроскопии с картами EDS элементного состава на пленке HEA.

Рис. 2 APT-анализ полученного HEA.От

( A, ​​) до ( D ) 3D-распределение Cr, V, Ta и W. ( E ) до ( H ) 2D составные карты с цветными полосами обозначают диапазон концентраций для каждого элемента. ( I ) — ( L ) вид сверху вниз трех разных ГБ.

Мы исследовали термическую стабильность этих пленок in situ с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) при температурах до 1073 К (см. Рис. S2). Изменений размеров зерен не наблюдалось. Выше 1023 К на некоторых зернах наблюдались черные пятна (небольшая сегрегация определенных элементов).Мы также проверили наноразмерное распределение элементов с помощью APT-анализа для отожженного образца при 1050 К (см. Рис. S3). Четкие композиционные слои видны как на ионных картах, так и на двухмерных композиционных картах. Также было обнаружено, что сегрегация элементов по границам зерен аналогична пленкам после осаждения. В результатах APT не наблюдалось никаких доказательств исчезновения композиционных полос или кластеризации элементов, что указывает на то, что композиционная кластеризация не была однородно распределена в образце после нагревания.Не все зерна демонстрировали группировку по составу, что указывает на вариации зерна в отношении сегрегации элементов.

Облучение

Затем мы облучали пленки HEA in situ на установке IVEM – Tandem с 1 МэВ Kr ⁺² и 1073 K, со скоростью сна 0,0006 сна ⁻¹ до 1,6 сна (рис. S4). Во время облучения дислокационных петель не наблюдалось. Однако было обнаружено дальнейшее усиление осадков (образование черных пятен). Затем было проведено облучение с более высоким значением dpa на другой пленке при той же температуре (1073 K) с уровнем dpa, равным 0.0016 сна ⁻¹ до 8 сна. Морфология во время облучения показана на рис. 3 (см. Также фильмы S1 и S2 для низких и высоких доз соответственно). Было показано, что осадки происходят во время облучения, интенсивность которого возрастает с увеличением дозы. Примечательно, что дислокационные петли не наблюдались даже при 8 снах.

Рис. 3. Светлопольные ПЭМ-микрофотографии в зависимости от dpa in situ 1-МэВ Kr ⁺² -облученного HEA при 1073 K с использованием скорости dpa 0,0016 dpa s ⁻¹ .

( A ) Предварительное облучение, ( B ) 0,2 сна, ( C ) 0,6 сна, ( D ) 1,0 сна, ( E ) 1,6 сна, ( F ) 3,2 сна, ( G ) 4,8 dpa, ( H ) 6,4 dpa и ( I ) 8 dpa. На изображениях видно усиленное осаждение (образование черных пятен) в некоторых зернах. У всех изображений одинаковая масштабная линейка.

Мы также проводили облучение при комнатной температуре и мощности дозы от 0,0006 сна ⁻¹ до 1,6 сна (см. Рис.S4 и фильм S3 для низкой дозы). Не наблюдалось образования темных пятен и дислокационных петель.

Кроме того, мы исследовали механические свойства этого материала на более толстых пленках (~ 3 мкм) до облучения, после отжига и после облучения ex situ Cu ⁺ с энергией 3 МэВ до пиковой дозы ~ 17 сна (с мощность дозы 0,02 сна ^-1 ) с помощью наномасштабного динамического механического анализа (nanoDMA). Типичные кривые зависимости нагрузки от смещения показывают сдвиг влево на кривых нагружения, что указывает на увеличение твердости, что подтверждается кривыми зависимости твердости от смещения.Процесс отжига приводит к увеличению твердости, которая немного увеличивается при облучении (см. Рис. S6).

ОБСУЖДЕНИЕ

Осаждение против образования петель

Как уже упоминалось выше, зарождение и рост черных пятен наблюдалось в образце во время отжига при повышенных температурах (1023 K). Их интенсивность немного увеличивалась при облучении, и явного образования петель не наблюдалось. Осадки можно отличить от дислокационных петель с помощью процедуры ПЭМ, которая была подробно описана Дженкинсом ( 24 ).Процедура состоит из анализа изменения вектора l (вектор, который проходит от центра черного пятна к белой области) и изменения условий дифракции (вектор g ). Для выделений с симметричным полем деформации вектор l будет следовать за вектором g при наклоне образца на разные пучки (векторы) g . Однако векторы дислокационной петли l связаны с вектором Бюргерса и не будут вращаться от одного вектора g к другому.Однако эта процедура нарушается, когда выделения имеют асимметричные поля деформации или когда дислокационные петли не имеют краевого характера ( 24 ). Более того, в нанокристаллических образцах с мелкими зернами выполнение этой процедуры является чрезвычайно сложной задачей. Мы использовали два разных метода, ПЭМ и APT-анализ, чтобы подтвердить, что черные пятна, наблюдаемые в наших облученных образцах, являются осадками.

Исследование черных пятен с помощью ПЭМ

Пленки, облученные HEA, относятся к типу BCC.Хотя преципитация имела место, электронная дифракция (рис. 3I) показала только кольца, связанные с ОЦК. Для ОЦК-материала вектор Бюргерса дислокационных петель, созданных облучением, может иметь тип <111> или <100> ( 25 , 26 ). Следовательно, существует семь возможных вариантов вектора Бюргерса (четыре для типа <111> и три для типа <100>). В материалах, связанных с W, вектор Бюргерса типа <111> наблюдался при 1073 K ( 25 , 27 , 28 ).При любых условиях дифракции, используя критерий невидимости g.b , на ПЭМ-изображении должно наблюдаться не менее 50% петель <111>. Однако в наших образцах несколько зерен не показали черных пятен (например, как показано на рис.3).

Это наблюдение может быть подтверждено с помощью двухлучевой визуализации с помощью ПЭМ. На рис. 4А показано изображение в зоне 200 нм зерна с черными пятнами. Затем образец наклоняли для получения двухлучевого изображения с вектором <211> g . При использовании вектора <211> g на изображении должны быть видны петли дислокации <111> и <100>.Однако петель не наблюдалось (рис. 4В).

Рис. 4. Светлопольные ПЭМ-микрофотографии после облучения HEA с энергией 8 сна и энергией 1 МэВ Kr ⁺² , облученного при 1073 К, с использованием скорости сна 0,0016 сна ⁻¹ после облучения.

Светлопольные ПЭМ-микрофотографии после облучения 8 сна / с 1 МэВ Kr ⁺² -облученного HEA при 1073 К с использованием скорости сна 0,0016 сна ^-1 . ( A ) Использование зональной визуализации <111> показывает небольшие черные пятна (осадки). ( B ) Двухлучевое изображение с вектором <211> g без черных пятен.Вставки: увеличенные изображения. Оба изображения имеют одинаковую шкалу масштаба.

APT-анализ

APT-анализ проводился на образце, облученном при температуре от 1050 К до ~ 8 сна с использованием 3-МэВ Cu ⁺ . После облучения мы не наблюдали композиционного расслоения какого-либо элемента (рис. 5, A – H). Хотя сегрегация элементов на границах зерен все еще наблюдается, происходит выделение фаз, богатых Cr, в матрице зерен, как показано на виде сверху реконструкции APT с поверхностью изокомпозиции Cr 25 атомных% (ат.%) (Рис.5, М и N). Мы также проанализировали композиционное разделение между осадком и матрицей зерна (рис. 50), показав обогащение Cr и V и обеднение W и Ta внутри черных пятен. Эти выделения имеют размер от ~ 3 до 5 нм и показывают плотность ~ 0,03 нм ^-2 , оба из которых согласуются с образцом 8-dpa, облученным in situ (аналогичный размер и плотность). Таким образом, можно сделать вывод, что черные пятна, наблюдаемые в облученных образцах HEA при высокой температуре, являются выделениями с высоким содержанием Cr и V, а не дислокационными петлями, созданными облучением.

Рис. 5 APT-анализ HEA, облученного до 8 dpa 3-МэВ Cu ⁺ при 1050 K. 3D-распределение Cr, V, Ta и W. от

( A ) до ( D ) от

( A ) до ( D ). E ) — ( H ) 2D композиционные карты Cr, V, Ta и W с использованием среза 25 нм на 1 нм на 20 нм. ( I ) — ( L ) Вид сверху вниз, показывающий расположение трех разных ГБ и соответствующее разделение элементов. Реконструкция: вид сбоку ( M ) и вид сверху ( N ) с поверхностью изосостава 25 ат.% Cr, на которой видны обогащенные Cr-V выделения внутри зерен.( O ) Композиционное разделение между осадком и матрицей. ppts, осадки.

Происхождение выделений, богатых Cr и V, в HEA

Чтобы понять происхождение выделений, богатых Cr и V, наблюдаемых в отожженных и облученных образцах HEA, мы систематически проводили расчеты фазовой стабильности и стабильности из первых принципов. химический ближний порядок (SRO) многокомпонентного сплава 38 ат.% W / 36 ат.% Ta / 15 ат.% Cr / 11 ат.% V как функция температуры.Методология расширения кластера (CE) [см. Методы и ссылки. ( 29 — 32 )] был использован для построения основанного на ab initio гамильтониана с многочастичными эффективными кластерными взаимодействиями (ECI), из которого конфигурационная энтропия и, следовательно, свободная энергия многокомпонентной системы могут быть получены из методы термодинамической интеграции ( 29 ) в сочетании с каноническим моделированием Монте-Карло (CMC).

Энтальпии смешения были рассчитаны с использованием теории функционала плотности (DFT) и методов CE для почти 270 структур внутри ОЦК, лежащей в основе кристаллической решетки.Значения для всех бинарных структур в базе данных были проанализированы, чтобы определить природу атомных взаимодействий во всех возможных бинарных конфигурациях (рис. S7). Положительные и отрицательные значения энтальпии смешения указывают на тенденцию к сегрегации или упорядочению соответственно.

В соответствии с предыдущими исследованиями DFT / CE для систем W-Ta и WV ( 33 ) было обнаружено, что энтальпии смешения для этих двух двойных систем отрицательны для всего диапазона составов, за этой тенденцией следует также Cr -V двоичный.Такое поведение характерно для сплавов между ОЦК переходными металлами групп V и VI периодической таблицы элементов из расчетов электронной структуры на основе первых принципов ( 34 ). Для системы Cr-Ta, помимо небольших отрицательных энтальпий смешения, опять же из-за смешения между элементами двух групп, существуют также положительные значения. Это объясняется тем, что, помимо химической связи, разница в размерах атомов между 3d (Cr: R _a = 0.130 нм) и 5d (Ta: R _a = 0,143 нм) переходные металлы также играют важную роль в энтальпии смешения. Напротив, установлено, что энтальпии смешения переходных металлов одних и тех же групп V (бинарная группа Ta-V) и VI (бинарная группа Cr-W) положительны во всем диапазоне концентраций. Анализ химического упорядочения с параметрами SRO Уоррена-Каули ( 35 ) приводит к сильной тенденции сегрегации Cr и V, как можно увидеть на фиг. 6A (см. Также дополнительные материалы).

Рис. 6 Теоретические предсказания атомных конфигураций.

( A ) Средние параметры SRO в сплаве W ₃₈ Ta ₃₆ Cr ₁₅ V ₁₁ в зависимости от температуры. ( B ) Атомная конфигурация в сплаве W ₃₈ Ta ₃₆ Cr ₁₅ V ₁₁ при T = 1000 K после моделирования CMC. ( C ) Профиль средней концентрации каждого элемента в направлении [001] поперек кластера Cr-V.

Мы наблюдаем выделение частиц, богатых Cr-V, как при комнатной температуре, так и при 1000 K (см. Рис. 6B). Чтобы определить локальную концентрацию каждого элемента в богатой Cr-V фазе, мы разделили систему на двумерные ячейки размером 12 Å на 12 Å и рассчитали среднюю концентрацию в каждой ячейке. Результирующий профиль концентрации показан на фиг. 6C. Состав внутри фазы, богатой Cr-V, составляет 62 ат.% Cr, 30 ат.% V, 5 ат.% W и 3 ат.% Ta. По сравнению с экспериментально обнаруженным композиционным разделением между выделениями и матрицей (см. Рис.5O), мы заметили, что очень похожая тенденция сильной сегрегации Cr наряду с V хорошо воспроизводится из наших атомистических моделей. Небольшая разница в составе может быть кинетическим эффектом, то есть результатом того факта, что облучение изменяет стационарную микроструктуру системы.

Результаты этого модельного анализа, показывающие фазовое разделение выделений, богатых Cr-V, полностью согласуются с особенностями расслоения состава, наблюдаемыми в результатах APT для образцов после осаждения (рис.2, от E до H) и для исследований термической устойчивости (рис. S3, от E до H). Тот факт, что осадки также наблюдаются при облучении, также согласуется с результатами моделирования, которые подчеркивают сильную термодинамическую силу для фазового разделения системы.

Устойчивость к облучению HEA

Чтобы сопоставить экспериментальные наблюдения со свойствами дефектов, созданных облучением, мы полагаемся на модель скорости реакции, в которой вероятность реакции в единицу времени двух дефектов, движущихся в 3D, определяется выражением ( 36 ), где r _c — заданный радиус захвата, D _i и D _j — коэффициенты диффузии двух дефектов (разных или одинаковых), а Ω _a — атомный объем.Для двух дефектов одного типа это дает вероятность образования кластера в единицу времени, а если дефекты разные, это вероятность рекомбинации. Отношение между вероятностью рекомбинации и вероятностью кластеризации является максимальным, когда подвижности различных дефектов равны. Тот факт, что кластеризация экспериментально не наблюдается, указывает на то, что в HEA, описанном в этой работе, это правдоподобный случай, т. Е. Подвижности вакансий и межузельных атомов подобны, в отличие от того, что происходит в чистом W, с большим несоответствием. в дефектных подвижностях ( 37 — 39 ).Максимальное увеличение рекомбинации приведет к снижению концентрации дефектов и, следовательно, к снижению кинетики преципитации и роста частиц второй фазы. Равная подвижность должна быть следствием грубого энергетического ландшафта, вызванного локальным искажением решетки и несоответствием в химии.

Наличие высокой плотности границ зерен также приведет к снижению концентрации дефектов, поскольку границы зерен обычно являются предпочтительными местами рекомбинации / аннигиляции дефектов.Однако даже нанокристаллический W с размерами зерен порядка изученных здесь показывает образование больших дислокационных петель, созданных облучением, которые диффундируют к границам зерен. Отсутствие кластеров дефектов в ВЭЗ снова приводит к тому, что концентрация дефектов внутри зерен минимизируется за счет того, что их подвижности близки. Также стоит отметить, что влияние преципитатов на вероятность рекомбинации не кажется большим, поскольку при низкой температуре, хотя и нет заметной плотности преципитатов, дислокационные петли все же не наблюдаются.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе показано развитие нового класса огнеупорного АЭМ на основе четырех элементов: 38% W, 36% Ta, 15% Cr и 11% V в атомных процентах, измеренных как EDS и APT. Образцы были выращены с использованием системы магнетронного напыления из чистых металлических мишеней и охарактеризованы до и после облучения. Микроструктуры представляют собой однофазную кристаллическую структуру ОЦК. Пленки демонстрируют бимодальное распределение зерен по размеру с ~ 70% зерен с размерами в нанокристаллическом режиме (≤100 нм) и некоторыми областями сверхмелких размеров зерен (от 100 до 500 нм).Сопутствующие анализы ТЕМ и APT демонстрируют существование второй фазы, богатой Cr и V, которая сначала формирует ламеллоподобные области, которые после облучения трансформируются в квазисферические выделения. Облучение проводилось как in situ, так и ex situ при комнатной температуре и 1073 К до 8 сна. Тщательный анализ микроструктуры не показывает никаких признаков дислокационных петель, вызванных излучением, подтверждая, что наблюдаемые черные пятна действительно являются частицами второй фазы. Результаты APT показывают сегрегацию Cr и V по границам зерен и тройным стыкам.Механические свойства системы также были исследованы с помощью наноиндентирования. Для осажденного образца была получена твердость около 14 ГПа, которая несколько увеличивалась после термического отжига и после облучения, с небольшими сообщениями об упрочнении после облучения. Также было выполнено сопутствующее моделирование. Энергетическая модель четырехкомпонентной системы была разработана на основе формализма СЕ. Впоследствии было выполнено моделирование методом Монте-Карло с использованием лежащей в основе энергетики, чтобы выяснить равновесные свойства системы.Наше моделирование CMC на основе DFT показывает фазовый распад, который заметно согласуется с экспериментальными результатами. Модель теории скорости связывает выдающиеся свойства сопротивления облучению с подвижностью дефектов и вероятностью их рекомбинации, которые являются оптимальными в этих системах. Тот факт, что эти сплавы подходят для массового производства в сочетании с исключительной радиационной стойкостью, делает их идеальными конструкционными материалами для применений, требующих экстремальных условий облучения.

МЕТОДЫ

Методика эксперимента

Приготовление сплава W-Ta-Cr-V .Пленки были приготовлены с помощью системы осаждения магнетронным распылением из чистых металлических мишеней чистотой 99,99% с использованием мощности осаждения 192, 312, 277 и 300 Вт для Cr, V, Ta и W соответственно и мощности смещения радиочастоты 20 W. Осаждение проводили при комнатной температуре и давлении 3 мторр без напряжения смещения. Пленки (примерно 100 нм) были приготовлены на соли NaCl с указанными выше параметрами при 60-секундном осаждении. Для работы с ПЭМ образцы пленок 100 нм, нанесенных на NaCl, были приготовлены путем плавления пленки на стандартной молибденовой сетке ПЭМ с использованием раствора этанол / вода 1: 1.Для XRD и наноиндентирования более толстые пленки были нанесены на кремний с теми же параметрами и временем осаждения 3000 с. Мы не обнаружили какой-либо существенной пористости в материале с помощью анализа ПЭМ.

ПЭМ на месте / облучение . Облучение ионами Kr ⁺² in situ с энергией 1 МэВ было выполнено с использованием IVEM, присоединенного к тандемному ускорителю в Аргоннской национальной лаборатории. Эксперименты проводились при комнатной температуре и 1073 К. Энергия электронного пучка составляла 300 кэВ.Средняя мощность дозы составила 0,0006 и 0,0016 сна ^-1 для образцов, облученных до конечной дозы 1,6 и 8 сна, соответственно. Камера устройства с зарядовой связью с разрешением 4000 на 4000 использовалась для захвата видео и неподвижных изображений с разными дозами. Значения dpa были рассчитаны (см. Рис. S10) с использованием модели Кинчина-Пиза в компьютерном коде Монте-Карло для остановки и пробега ионов в веществе (версия 2013 г.) ( 40 ), и было взято 40 эВ ( 41 ). как пороговая энергия смещения для всех элементов.Атомное процентное содержание элементов составляло 38% W, 36% Ta, 15% Cr и 11% V. Перед экспериментом in situ образцы были отожжены in situ внутри ПЭМ с помощью нагревательного держателя Gatan при 1123 К.

Облучение Ex situ . Облучение ex situ пленок HEA толщиной ~ 3 мкм проводилось в Лаборатории ионно-лучевых материалов в Лос-Аламосской национальной лаборатории (LANL) с использованием тандемного ускорителя с ионами Cu ⁺ с энергией 3 МэВ при номинальном падении. Облучения проводились при 773 и 1050 К с мощностью дозы 0.0167 сна ⁻¹ . Dpa первых 100 нм (чтобы иметь аналогичную dpa с образцами TEM 100 нм при работе in situ TEM / облучение) составляла ~ 7,5 сна, что соответствует пиковой дозе ~ 17 сна при 650 нм (см.рис. S10).

Характеристика . Определение характеристик пленок перед облучением проводилось с использованием XRD и TEM для исследования существующих фаз в пленках и общей микроструктуры. В дополнение к изображениям in situ, полученным на установке IVEM – Tandem, пост-характеристика была также выполнена с использованием ТЕМ FEI Tecnai F30, работающего на 300 кэВ, и FEI Titan 80-300, работающего на 300 кэВ.APT проводился на трех пленках HEA: (i) первичных, (ii) отожженных до 1050 K и (iii) облученных Cu ⁺ с энергией 3 МэВ до ~ 8 сна. Образцы игл для анализа APT были приготовлены с использованием системы фокусированного ионного пучка FEI Quanta 3D DualBeam посредством процесса извлечения и кольцевого фрезерования ( 42 ). APT-анализ проводился с использованием системы CAMECA LEAP 4000XHR в лазерном режиме с использованием энергии лазерного импульса 40 пДж и ультрафиолетового лазера с длиной волны 355 нм при частоте импульсов 125 кГц при поддержании температуры образца на уровне 40 К и скорости обнаружения 0 .005 атомов в импульсе. Данные APT были восстановлены с использованием программного обеспечения для анализа данных интегрированного программного обеспечения визуализации и анализа (IVAS) 3.8.

Наноиндентирование . Наноиндентирование было выполнено на Hysitron Tribo950 с использованием датчика малой силы, nanoDMA и алмазного наконечника Берковича (трехсторонняя пирамида). Технология nanoDMA позволяет непрерывно измерять модуль и твердость по глубине путем колебания наконечника с заданной частотой и смещением или амплитудой нагрузки, что эквивалентно множеству небольших разгрузок.Использовались частота nanoDMA 100 Гц и амплитуда смещения 2 нм. Испытания проводились при конечной нагрузке 10 мН и в течение общего времени испытания 35 с с использованием функции нагрузки с постоянной скоростью деформации. На образцах (толстых пленках), облученных Cu ⁺ с энергией 3 МэВ были сделаны отпечатки. Образцы закреплялись на магнитных дисках суперклеем и магнитным способом удерживались на столике наноиндентора. Твердость определялась методом Оливера-Фарра ( 43 ) с функцией площади, откалиброванной на плавленом кварце.Средняя твердость была взята в диапазоне перемещений от 100 до 150 нм. По нашим оценкам, это соответствует взаимодействию с материалом размером до 450 нм (в три раза больше смещения) на основе работы Харди и др. . ( 44 )

Методология моделирования

В формализме CE энтальпия смешения системы компонентов сплава K определяется в форме гамильтониана типа Изинга, где атомная конфигурация задается вектором конфигурационного переменные.Суммирование производилось по всем различным кластерам ω при групповых операциях симметрии основной решетки. Параметры m _ω являются кратностями, указывающими количество кластеров, эквивалентных ω по симметрии, J _ω являются независимыми от концентрации параметрами ECI и обозначают функции кластеров, определенные как произведения точечных функций переменных занятости на конкретный кластер ω, усредненный по всем кластерам ω ′, которые по симметрии эквивалентны кластеру ω.В компонентной системе K кластерная функция определяется как произведение ортогональных точечных функций, где последовательность ( s ) = ( j ₁ j ₂ ⋯ j _{| ω |} ) — украшение ( 29 ) кластера точечными функциями. Число возможных украшений кластеров ненулевыми точечными функциями представляет собой перестановку с повторениями, ( K — 1) ^{| ω |} . Переменные заполнения и точечные функции определены таким образом, что можно использовать те же формулы для компонентных систем K , где σ _i = 0, 1, 2,, ( K — 1), j — это индекс точечных функций [ j = 0, 1, 2, ⋯, ( K — 1)], а где обозначает операцию, в которой мы берем целое плюс одно значение нецелого числа.Для вычисления ECI из первых принципов использовался метод инверсии структуры (SIM). В SIM энергии вычислялись с использованием DFT для ряда структур, для этих структур были рассчитаны кластерные функции, и был построен набор линейных уравнений, из которых неизвестные ECI могут быть получены с помощью аппроксимации методом наименьших квадратов. Также важно отметить, что, хотя ECI относятся к идеальным узлам решетки, они соответствуют энергиям полностью релаксированных структур. Таким образом, смещения идеальных участков, вызванные вариациями размера и химического состава, неявно учитываются посредством релаксационных расчетов полной энергии.Точность моделей CE обычно оценивалась по значению перекрестной проверки (CV), которое указывает на предсказательную силу CE. Он определяется как среднеквадратическое значение разностей между рассчитанными из первых принципов и энергиями, предсказанными CE для структур, которые не использовались в подгонке, где E _i — энергия структуры i , рассчитанная с использованием DFT, и — энергия этой структуры, предсказанная с помощью CE.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Дополнительные материалы к этой статье доступны по адресу http: // advance.sciencemag.org/cgi/content/full/5/3/eaav2002/DC1

Раздел S1. Морфология и термическая стабильность HEA

Раздел S2. Термическая стабильность

Раздел S3. Облучение

Раздел S4. Механические свойства

Раздел S5. Энтальпии смешения

Раздел S6. Заказ химикатов

Раздел S7. Значения дозы

Рис. S1. Структура сплава.

Рис. S2. Светлопольные ПЭМ-микрофотографии сплава W-Ta-Cr-V HEA в зависимости от времени во время эксперимента по термической стабильности, проведенного на месте с помощью ПЭМ, не показывающие изменения размеров зерен нанокристаллических или ультрамелких зерен, но небольшие черные пятна в некоторых зерна (осадки).

Рис. S3. APT-анализ ВЭА после отжига при 1050 К.

Рис. S4. Светлопольные ПЭМ-микрофотографии в зависимости от dpa in situ 1-МэВ Kr ⁺² -облученного HEA при 1073 K с использованием скорости dpa 0,0006 dpa s ⁻¹ .

Рис. S5. Микрофотографии ПЭМ в светлом поле в зависимости от dpa in situ 1-МэВ Kr ⁺² -облученного HEA при комнатной температуре с использованием скорости dpa 0,0006 dpa s ⁻¹ .

Рис. S6. Механический отклик HEA.

Рис. S7. Энтальпии смешения всех бинарных сплавов в четверной системе W-Ta-Cr-V, полученные из расчетов DFT и CE.

Рис. S8. Средние параметры SRO сплава W ₃₈ Ta ₃₆ Cr ₁₅ V ₁₁ в зависимости от температуры.

Рис. S9. Атомные конфигурации для сплава W ₃₈ Ta ₃₆ Cr ₁₅ V ₁₁ , полученные из моделирования MC.

Рис. S10. Распределение повреждений ионов и смещения 1 МэВ Kr ⁺² и 3 МэВ Cu ⁺ в HEA.

Фильм S1. Облучение пленок ВЭА малой дозой и 1073 К.

Фильм S2. Облучение пленок ВЭА высокой дозой и 1073 К.

Фильм S3. Облучение пленок ВЭА при комнатной температуре.

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями некоммерческой лицензии Creative Commons Attribution, которая разрешает использование, распространение и воспроизведение на любом носителе, при условии, что конечное использование составляет , а не для коммерческих целей и при условии, что оригинальная работа правильно цитируется.

Благодарности: Мы хотели бы поблагодарить П. М. Бальдо и Э. А. Райан за помощь в проведении эксперимента. Финансирование: Эта работа была поддержана Министерством энергетики США (DOE) через LANL. Н.Л. и J.K.S.B. выражает признательность за поддержку со стороны Центра интегрированных нанотехнологий, Центра научных исследований, обслуживаемого Управлением науки Министерства энергетики США (DOE). D.S. и J.S.W благодарят Междисциплинарный центр математического и вычислительного моделирования (ICM) Варшавского университета за поддержку в рамках гранта № GA69-30.LANL управляется Triad National Security LLC для Национального управления ядерной безопасности Министерства энергетики США (контракт № 89233218CNA000001). Исследования, представленные в этой статье, были поддержаны программой лабораторных исследований и разработок LANL (проект № 20160674PRD3) и Институтом Г. Т. Сиборга. E.M. благодарит Министерство энергетики США, Управление науки, Управление науки о термоядерной энергии и Управление перспективных научных компьютерных исследований в рамках проекта «Научные открытия через передовые вычисления» (SciDAC) по взаимодействию плазмы с поверхностью (награда No.DE-SC0008875). Эта работа также была поддержана Министерством энергетики США, Управлением ядерной энергии при Управлении операций Министерства энергетики штата Айдахо (контракт № DE-AC07-051D14517) в рамках эксперимента с пользовательскими объектами ядерной науки. D.S. и J.S.W. выражаем признательность за финансовую поддержку Фонда польского научного гранта HOMING (№ Homing / 2016-1 / 12). Программа HOMING софинансируется Европейским Союзом в рамках Европейского фонда регионального развития. Работа в CCFE проводилась в рамках Консорциума EUROfusion и финансировалась Программой исследований и обучения Евратома на 2014–2018 гг. (Грантовое соглашение №633053) и финансирование из энергетической программы RCUK (грант № EP / P012450 / 1). Д.Н.-М. хотел бы поблагодарить MARCONI Fusion, высокопроизводительный компьютер в штаб-квартире CINECA в Болонье (Италия), за предоставление суперкомпьютерных ресурсов и Институт материаловедения за поддержку его визита в LANL. Подготовка проб и анализ APT проводились с использованием помещений Лаборатории молекулярных наук об окружающей среде, национального научного учреждения-пользователя, спонсируемого Управлением биологических и экологических исследований Министерства энергетики США и расположенного в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL).Работа APT финансировалась программой LDRD в Управлении физических и вычислительных наук PNNL. A.D. также хотел бы поблагодарить PCSD seed за финансирование LDRD за поддержку этой работы. Вклад авторов: O.E., E.M., N.L. и S.A.M. разработал HEA и общий объем этой работы. J.K.S.B. выполнил процесс осаждения и оптимизировал параметры. О. и М. провели эксперименты по облучению. О.Е., Н.Л., А.Д. и М.М.С. выполнили различные части процессов характеризации.E.M., D.S., J.S.W. и D.N.-M. выполнил модельную часть данной работы. Все авторы участвовали в анализе данных и написании этой статьи. Конкурирующие интересы: Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов. Доступность данных и материалов: Все данные, необходимые для оценки выводов в статье, представлены в документе и / или дополнительных материалах. Дополнительные данные, относящиеся к этой статье, могут быть запрошены у авторов.

• Copyright © 2019 Авторы, некоторые права защищены; эксклюзивный лицензиат Американской ассоциации содействия развитию науки.Нет претензий к оригинальным работам правительства США. Распространяется по некоммерческой лицензии Creative Commons Attribution 4.0 (CC BY-NC).

Платина 8% вольфрамовая проволока

Платина 8% вольфрамовая проволока Перейти к содержанию ELECTRICAL

Удельное сопротивление (Ω – CM / F)

400.000

Удельное сопротивление (μ Ω – cm2

905

66,5

Коммерческий допуск сопротивления (для размеров ниже 0,020)

3.00%

Температурный коэффициент сопротивления (Ом / Ом / градус C {от 0 до 100 ° C})

0,00024

Тепловая ЭДС и медь

-.014

Плотность (гм / см3)

Плотность (фунты / дюйм3)

0,76500

Модуль Юнга (* 106 PSI)

20

Удельная теплоемкость 905 (кал / г)

0.000

Теплопроводность (Вт / см / градус Цельсия)

0,000000

Коэффициент линейного расширения (X 10-6 дюймов / дюйм градусов Цельсия) Град. C

0,0

Точка плавления ° C

1870.00

Точка плавления ° F

3398.00

ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЗМОЖНОСТИ Ленты 905 905 905 905 905 905 905

ДА

Квадрат

НЕТ

Изолированный

ДА

Гальванический

ДА

905 МИН

0.0000

НОМИНАЛ

92.0000

МАКС

0.0000

ЭЛЕМЕНТ

W:

905 905 905 905 905 МИН.

8,0000

MAX

0,0000

ПРОЧНОСТЬ НА РАСТЯЖЕНИЕ

UTS Жесткий:

200000

UTS

без напряжений 150000

YTS Растяжение — твердое:

0

YTS Растяжение — снятие напряжений:

0

YTs

905 905 отожженный : Все значения могут отличаться в зависимости от конкретной конструкции и использование РАЗНОЕ

Магнитный

Нет

Рабочая температура ° C

0.00

Рабочая температура ° F

0,00

(PDF) Фаза, зеренная структура, напряжение и удельное сопротивление напыленных вольфрамовых пленок

вносят наибольший вклад в увеличение удельного сопротивления,

с более слабая роль наблюдается для поверхностного рассеяния.

3,4

IV. РЕЗЮМЕ И ВЫВОДЫ

Для исследованных пленок рентгеновская и электронная дифракция

показала, что за счет снижения базового давления перед осаждением пленки

с 5  10

97

до 2  10

9

Торр и за счет исключения

инкапсулирующего SiO

2

слоев, однофазных, поликристаллических, aW

может быть достигнуто в непосредственно нанесенных пленках толщиной всего 5 нм.

Из исследования зеренной структуры пленок в

в состоянии после осаждения и измерения размера зерна для подмножества

пленок 850



C, отожженных в течение 2 часов, был сделан вывод

что как только преобразование b завершено, низкая подвижность границ зерен

приводит к тому, что размер зерна остается практически неизменным по мере того, как пленка утолщается во время осаждения

или отжигается после осаждения.Для пленок aW в осажденном состоянии as-

напряжение оказалось неоднородным,

с первичным aW (нанесенным непосредственно в структуру A2)

при сжимающем напряжении в плоскости и вторичным aW

(сформированным преобразованием A15 bW, непосредственно прилегающего к подложке

, в A2 aW) при растягивающем напряжении

в плоскости. Отжиг привел как к релаксации напряжения, так и к

снижению удельного сопротивления для всех пленок, кроме самой тонкой неинкапсулированной пленки

C5, которая агломерировалась во время отжига.

Удельное сопротивление толстой пленки 8,6 лк см для пленки C180

, полученной после отжига, меньше, чем ранее сообщаемые значения

для напыленных пленок W, и сравнимо с удельным сопротивлением

для пленок CVD W. Дальнейшие исследования будут сосредоточены на процессе модификации

(например, использование мишеней более высокой чистоты) для достижения

удельного сопротивления толстой пленки, равного заявленному объемному сопротивлению

, равному 5,3 лк см для поликристаллических пленок.Было обнаружено, что удельное сопротивление

отожженных пленок увеличивается с уменьшением толщины

ниже 120 нм. Следовательно, в будущих исследованиях

будет также рассмотрено количественное разделение вкладов

различных источников рассеяния в удельное сопротивление. Короче говоря, необходимо

дополнительных исследований удельного сопротивления пленок W

, прежде чем W можно будет рассматривать в качестве жизнеспособной альтернативы Cu как

металла межсоединения.

БЛАГОДАРНОСТИ

Финансовая поддержка со стороны Алессандро и Пьермария

Reggiori Fellowship, Graduate Fellowship Bertucci, Департамента материаловедения и инженерии

, Intel Cor-

poration, Semiconductor

Research Corporation Task

.008 и Task 2121.001, а также частичная поддержка со стороны программы

MRSEC NSF в рамках DMR-0520425,

выражает благодарность. Части этого исследования были проведены в SSRL, национальном пользовательском центре, управляемом

Стэнфордского университета от имени Департамента энергетики США

, Управления фундаментальных энергетических наук.

1

Ф. Чен и Д. Гарднер, IEEE Electron Device Lett. 19, 508 (1998).

2

Т.Сан, Б. Яо, А. П. Уоррен, В. Кумар, С. Робертс, К. Бармак, и

К. Р. Коффи, J. Vac. Sci. Технол. А 26, 605 (2008).

3

Т. Сан, Б. Яо, А. П. Уоррен, К. Бармак, М. Ф. Тони, Р. Э. Пил и

К. Р. Коффи, Phys. Ред.B 79, 041402 (2009).

4

Т. Сан, Б. Яо, А. П. Уоррен, К. Бармак, М. Ф. Тони, Р. Э. Пил и

К. Р. Коффи, Phys. Ред.B 81, 155454 (2010).

5

http: == www.itrs.ne t = link s = 200 7it rs = 2007_Chapters = 2007_Interconnect.

pdf.

6

C.-K. Ху, Р. Розенберг, К. Ю. Ли, Appl. Phys. Lett. 74, 2945 (1999).

7

Д. Н. Бхате, А. Кумар, А. Ф. Бауэр, J. Appl. Phys. 87, 1712 (2000).

8

Дж. Р. Ллойд, М. В. Лейн, Э. Г. Линигер, К.-К. Ху, Т. М. Шоу и Р.

Розенберг, IEEE Transs. Device Mater. Надежный. 5, 113 (2005).

9

Ю. Вул, Дж. Сян, К. Ян, В. Лу и К. М. Либер, Nature (Лондон)

430, 61 (2004).

10

А. Ньювуд и Я. Масуд, IEEE Transs.Electron Devices 53, 2460

(2006).

11

П. Авурис, З. Чен и В. Перебейнос, Nat. Nanotechnol. 2, 605 (2007).

12

К. К. Кадиен, М. Р. Решотко, Б. А. Блок, А. М. Боуэн, Д. Л. Кенке,

и П. Дэвидс, Proc. SPIE 5730, 133 (2005).

13

http: == www.itrs.net = Links = 2009ITRS = 2009Chapters_2009Tables = 2009_

Interconnect.pdf.

14

С. М. Росснагель, И. К. Ноян и К. Кабрал, мл., J. Vac. Sci. Технол Б

20, 2047 (2002).

15

Для W значение 2 нм рассчитывается как произведение времени рассеяния

(из объемного удельного сопротивления) и скорости Ферми 4  10

5

м = с, как определено

Яносси. и Коллар из измерения электронных спиновых волн в W [A.

A. Janossy, J. Kollar, J. Phys.F: Met. Phys. 8, 2429 (1978)] и согласуется с отдельным расчетом Коллара 5  10

5

m = s.

16

http: == www.hbcpnetbase.com =.

17

Это значение получено при допущении EMPF, равном 2 нм, и суммирования по правилу Маттиссена

поверхностного и межзеренного рассеяния с соответствующими параметрами, взятыми из работы [

]. 4 для Cu и W. Значения

TaN = Ta толщины адгезионно-диффузионного барьера, использованные при расчете удельного сопротивления линий

Cu, взяты из ITRS 2007.

18

C.S. Hau-Riege, Microelectron. Надежный. 44, 195 (2004).

19

D. Edelstein et al., Proceedings of the IEEE Interconnect Technology

Conference, Burlingame, CA, USA, 6 июня 2001 г. (IEEE, New York,

2001).

20

Ожидается, что толщина барьерного металла для проводки Cu metal 1 составит 2,9 нм

на 2011 год согласно ITRS 2007.

21

P.J. Ирландия, Thin Solid Films 304, 1 (1997).

22

I.П. Иванов, И. Сен, П. Кесвик, J. Vac. Sci. Технол. Б. 24, 523

(2006).

23

J. Ligot, S. Benayoun, J. J. Hantzpergue, J. Vac. Sci. Технол. А 19,

798 (2001).

24

Г. С. Чен, Х. С. Тиан, К. К. Линь, Г.-С. Чен, Х. Ю. Ли, J. Vac. Sci.

Технол. А 22, 281 (2004).

25

M. J.O ’Keefe и J. T. Grant, J. Appl. Phys. 79, 9134 (1996).

26

A. S. Kao, C. Hwang, V.J. Novotny, V.R. Deline и G.L. Gorman,

J. Vac. Sci. Технол. А 7, 2966 (1989).

27

К. Ким, И. Ро, С. Ким, И. Хан, Х. Канг, С. Рю и Х. Ким, J. Electro-

chem. Soc. 156, H685 (2009).

28

W. Steinhogl, G. Steinlesberger, M. Perrin, G. Scheinbacher, G. Schindler,

M. Traving и M. Engelhardt, Microelectronic Eng. 82, 266 (2006).

29

С. Ким и др., Electrochem.Solid-State Lett. 8, C155 (2005).

30

И. К. Ноян, Т. М. Шоу, J. Appl. Phys. 82, 4300 (1997).

31

AD Darbal, K. Barmak, NT Nuhfer, KR Coffey, B. Yao, X. Liu,

D. Choi, T. Sun, «Количественное определение размера зерен нанокристаллических материалов. ПЭМ с использованием конической визуализации в темном поле », Микрон (представлен).

32

Д. Дж. Дингли, Microchim. Acta 155, 19 (2006).

33

Д. Т. Карпентер, Дж. М. Рикман, К. Бармак, Дж.Прил. Phys. 84, 5843

(1998).

34

L. J. Van der Pauw, Philips Res. Реп.13, 1 (1958).

35

К. В. Томпсон, Анну. Rev. Mater. Sci. 30, 159 (2000).

36

J. A. Thornton, Annu. Rev. Mater. Sci. 7, 239 (1977).

37

F. M. d’Heurle и J. M. E. Harper, Thin Solid Films 171, 81 (1989).

38

Дж. А. Торнтон и Д. В. Хоффман, Тонкие твердые пленки 171, 5 (1989).

39

E.Chason, B. W. Sheldon, L. B. Freund, Phys. Rev. Lett. 88, 156103 (2002).

40

И. А. Вирасекера, С. И. Шах, Д. В. Бакстер, К. М. Унру, Appl. Phys.

Lett. 64, 3231 (1994).

41

A. M. Haghiri-Gosnet, F. R. Ladan, C. Mayeus, H. Launois, J. Vac.

Sci. Технол. А 7, 2663 (1989).

42

Т. Карабакак, А. Малликарджунан, Дж. П. Сингх, Д. Йе, Г. Ван и Т. Лу,

Appl. Phys. Lett. 83, 3096 (2003).

43

T. J. Vink, W. Walrave, J. C. L. Daams, A. G. Dirks, M. A. J. Somers и

K. J. A. Van der Aker, J. Appl. Phys. 74, 988 (1993).

44

K. Fuchs, Proc. Cambridge Philos. Soc. 34, 100 (1938).

45

E. H. Sondheimer, Adv. Phys. 1, 1 (1952).

46

А. Ф. Маядас, М. Шацкес, Phys. Ред.B 1, 1382 (1970).

051512-8 Choi et al .: Фаза, зеренная структура, напряжение и удельное сопротивление 051512-8

J.Vac. Sci. Technol. А, т. 29, No. 5, Sep / Oct 2011

Почему вольфрам используется в электрических лампочках — Scientific Lights

Как только мы это поймем, мы сможем понять, как вольфрамовая нить начинает светиться в лампочке.

Фактическая нить, которая представляет собой филамент, чрезвычайно тонкая, что действует как очень узкий путь, по которому должны проходить электроны.

Это создает большое сопротивление внутри нити, которое затем вызывает накопление тепла и, в конечном итоге, свечение, излучающее свет.

Как упоминалось ранее, для того, чтобы это свечение произошло, нам нужно достичь очень высоких температур. Вот почему вольфрам отлично подходит для этой цели из-за его способности не плавиться при температурах, необходимых для свечения.

При создании чего-то, что работает при таких высоких температурах, вы начинаете сталкиваться с проблемами, связанными с испарением вещей. Хотя вольфрам очень устойчив к высоким температурам, он может вызвать повреждение нити на атомарном уровне.

Может показаться не очень важным, если изменение происходит в таком маленьком масштабе, но оно начинает складываться, когда это случается часто, учитывая, что нить накала не очень большая с самого начала.

Повреждение вызвано тем, что вольфрам начинает вибрировать из-за проходящих через него электронов. Эти колебания могут привести к тому, что отдельные атомы отделяются от остальной нити накала и попадают на стекло колбы.

Это не только ослабляет нить из-за ее потери массы, но также начинает влиять на светоотдачу лампы, поскольку в этом случае по всей внутренней части стеклянной колбы образуется небольшой слой вольфрама. .

Они решили эту проблему, начав подавать инертный газ в колбу.Раньше они создавали внутри колбы вакуум, чтобы предотвратить любое возгорание между огромным жаром и кислородом.

Они сделали это, потому что в колбе не может произойти горение, если нет кислорода, поэтому они решили, что для предотвращения этого будет работать вакуум.

Однако можно также подавать газы в колбу, но важно быть осторожным с тем, какой газ вы выберете для этого. Большинство газов также сгорают, как и кислород, поэтому вместо них следует использовать инертный газ.

Вольфрам-рениевая проволока | Недвижимость и использование

Около 3% рения / 97% вольфрама Проволока

Разработка проволоки с содержанием 3% рения и 97% вольфрама является результатом непрерывных исследований, проводимых с начала 1900-х годов. Одним из первых достижений этого исследования была вольфрамовая проволока без провисания, в которой использовались добавки, контролирующие рост зерен, для модификации рекристаллизованной структуры. Вольфрам-рениевая проволока была создана в попытке разработать проволоку, которая была бы более пластичной после рекристаллизации.Добавление 3% рения к вольфраму, не допускающему провисания, позволило получить проволоку, которая стала более пластичной, без ущерба для характеристик отсутствия провисания.

Свойства вольфрам-рениевой проволоки

Здесь, в Union City Filament, мы используем вольфрам без прогиба, легированный 3% рением, для изготовления различных продуктов. Добавление рения позволяет достичь определенных показателей производительности, в том числе:

· Превосходная вибростойкость

Вторичная рекристаллизация происходит в вольфрамовой проволоке без провисания при температуре от 2200 градусов Цельсия.Но когда вы добавляете рений в вольфрамовую проволоку без провисания, он предотвращает вторичную рекристаллизацию и стабилизирует мелкозернистую микроструктуру при температурах до 2800 градусов Цельсия. Эта стабилизированная мелкозернистая микроструктура обеспечивает сток для поглощения энергии колебаний. Демпфирующий эффект рассеивает удары и продлевает срок службы при сильной вибрации.

· Повышенная пластичность

Высокая пластичность вольфрам-рениевой проволоки обеспечивает более пластическую деформацию для снятия напряжений, вызванных ударной или вибрационной нагрузкой.

· Повышенное сопротивление

Удельное сопротивление вольфрам-рениевой проволоки выше, чем у вольфрамовой проволоки без провисания, и быстро увеличивается с температурой. Высокое удельное сопротивление позволяет нашим разработчикам использовать провода большего диаметра, что важно в приложениях, где прочность является одним из главных факторов.

Применение вольфрам-рениевой проволоки

Благодаря своим уникальным свойствам вольфрам-рениевые проволоки внесли важный вклад во многие отрасли промышленности.Некоторые распространенные применения этого провода включают:

· Лампы накаливания

При рабочих температурах от 1000 до 1300 градусов Цельсия вольфрам-рениевая проволока обеспечивает до 70% более высокую прочность в горячем состоянии. Кроме того, более высокое электрическое сопротивление позволяет увеличить диаметр проволоки на 10%, что улучшает прочность и пластичность нити после отжига. Используя этот материал , разработчики ламп увеличили срок службы и надежность до пяти раз для пылесосов, холодильников, витрин, самолетов и ламп для торговых автоматов.

· Горячий Катод с в вакууме Электронные устройства

Для эмиттерных нитей и катодных нагревателей, используемых в рентгеновских трубках и других вакуумных электронных устройствах, вольфрам-рениевая проволока увеличивает срок службы нитей и катодных нагревателей, снижает нарастание тока в течение срока службы, снижает хрупкость, а также повышает ударопрочность.

· Лобовые стекла самолетов и автомобилей

Вольфрам-рениевую проволоку часто выбирают для проволоки для дефростера в лобовых стеклах самолетов и автомобилей, поскольку она обладает достаточной прочностью, чтобы выдерживать высокотемпературное производство. Он также выбран потому, что он имеет более высокое удельное сопротивление, чем другие материалы конкурентов.

Конструкция вольфрам-рениевой нити

Независимо от вашего конечного применения, специалисты Union City Filament могут помочь вам, спроектировав лучшую нить или нагреватель в соответствии с вашими потребностями.Для получения дополнительной информации о том, как мы можем помочь вашему бизнесу, пожалуйста, свяжитесь с нами сегодня .

Список материалов с высоким сопротивлением

Различные материалы с высоким удельным сопротивлением (включая сплавы) описаны ниже:

1. Вольфрам:

(i) Твердый металл.

(ii) Удельное сопротивление в два раза больше, чем у алюминия.

(iii) Может быть вытянут в очень тонкую проволоку (для изготовления нитей).Чем тоньше вольфрамовая проволока, тем выше ее предел прочности.

(iv) В атмосфере или инертном газе (азот, аргон и т. Д.) Или в вакууме вольфрам можно легко обрабатывать при таких температурах, как 2000 ° C и даже выше.

(v) Очень быстро окисляется в присутствии кислорода даже при температуре в несколько сотен градусов по Цельсию.

Использует:

I. Этот материал используется в электронной и вакуумной технике. Используется в качестве нити накала в лампах, электродах, нагревателях, пружинах и т. Д.Он также используется в электронных, рентгеновских и других трубках.

II. Вольфрамовая нить изготавливается в форме прямой, спиральной или спиральной. Прямая нить накала имеет тенденцию провисать, если лампа эксплуатируется в горизонтальном положении. Спиральная нить накала концентрирует свет. Спиральная нить накала используется, когда требуется чрезвычайно концентрированный источник света, например, в проекторах.

III. Высокая твердость и высокая температура кипения и плавления вольфрама в сочетании с его устойчивостью к истиранию делают этот металл превосходным материалом для электрических контактов в определенных областях применения.Он чрезвычайно устойчив к разрушающим действующим силам.

Свойства вольфрамового проводника:

(i) Удельный вес… 20 г / см ³

(ii) Температура плавления… 3410 ° C

(iii) Температура кипения… 5900 ° C

(iv) Коэффициент теплового расширения… 4,4 x 10 ^-9 на градус

(v) Удельное сопротивление… ρ = 0,055 Ом мм ² / м

(vi) Температурный коэффициент сопротивления… α = 0.005

Вольфрам получают очень сложным способом из редких руд или из вольфрамовой кислоты.

2. Углерод:

(i) ρ = от 1000 до 7000 мкм см, α = от — 0,0002 до — 0,0008

(ii) Температура плавления = 3500 ° C

(iii) Плотность от 1,7 до 3,5.

Использует:

1. Углерод используется в автоматических регуляторах напряжения для изготовления свайных резисторов, чувствительных к давлению.

2. Применяется при производстве сварочных электродов, постоянных и переменных резисторов слабого тока и контактов определенных классов D.C. Переключатель передач.

Угольные щетки значительно снижают интенсивность искрообразования и степень коммутационного износа электрических машин.

3. Нихром или Brightray B:

Состав:

Ni = 60%, Cr = 15%, Fe = 25%.

Недвижимость:

(i) Удельное сопротивление… ρ = 1,10 мкОм см

(ii) Температурный коэффициент сопротивления… α = 0,0002 на градус

(iii) Удельный вес… 8.24

(iv) Температура плавления… 1350 ° C

Использует:

Применяется при изготовлении трубчатых нагревателей и электрических утюгов.

4. Нихром V или Brightray C:

Состав:

Ni = 80%, Cr = 20%

Недвижимость:

(i) Удельное сопротивление… ρ = 40 м Ом см

(ii) Температурный коэффициент сопротивления… α = 0,0001 на градус

(iii) Удельный вес… 8.4

(iv) Температура плавления… 1400 ° C

(v) Обладают высокой стойкостью к окислению и температурным воздействиям.

Использует:

Применяется при изготовлении нагревательных элементов и печей.

5. Манганин:

Состав:

Cu = 84%; Mn = 12%; Ni = 4%.

Недвижимость:

(i) Удельное сопротивление… ρ = 44 мкОм см

(ii) Температурный коэффициент сопротивления… α = ± 0.0015 на градус

(iii) Удельный вес… 8,19

(iv) Температура плавления… 1020 ° C.

Использует:

Используется в приборных шунтах и ​​стандартных катушках сопротивления.

6. Константан или Эврика:

Состав:

Ni = 40%; Cu = 60%.

Недвижимость:

(i) Удельное сопротивление… ρ = 44 мкОм см

(ii) Температурный коэффициент сопротивления… α = 0.00002 на градус

(iii) Удельный вес… 8,9

(iv) Температура плавления… 1300 ° C

(v) Жаростойкость — плохая.

Использует:

Применяется для создания пускателей, сопротивлений регуляторов возбуждения; провода для ящиков сопротивления и термопар.

7. German Silver или Nickel Silver или Electrum:

Состав:

Cu = 50%; Zn = 20%; Ni = 30%.

Недвижимость:

(i) Удельное сопротивление… ρ = 30 мкОм см

(ii) Температурный коэффициент сопротивления… α = 0.0004 на градус

Использует:

Применяется в электроизмерительных приборах.

8. Нироста:

Состав:

Cr = 20%; Ni = 10%; Si = 0,05%; С = 0,15%; Mn = 0,25%.

Недвижимость:

(i) Удельное сопротивление… ρ = 73 мкОм см

(ii) Удельный вес… 7,86

(iii) Температура плавления… 1400 ° C.

Использует:

Особенно подходит там, где особенно важны исключительная коррозионная стойкость и термостойкость.

9. Фехраль:

Состав:

Mn = 0,7%; Ni = 0,6%; Cr = 12%; Al = 3,5%; Fe = 83,2%.

Недвижимость:

(i) Удельный вес… 7,1

(ii) Температурный коэффициент сопротивления… α = от 10 до 12 x 10 ^-5 на градус

(iii) Максимальная температура… 850 ° C

(iv) Предел прочности… 700 Н / м ²

(v) Максимальное удлинение… 10-15%

10.Хромал:

Состав:

Mn = 0,7%; Ni = 0,6%; Cr = 23%; Al = 4,5% и Fe = 71,2%

Недвижимость:

(i) Удельный вес… 6,9

(ii) Температурный коэффициент сопротивления… 6,5 x 10 ^-5 на градус

(iii) Максимальная температура… 1200 ° C

(iv) Предел прочности… 800 Н / мм ²

(v) Максимальное удлинение… 10-15%

Материалы с высоким сопротивлением также могут быть классифицированы в соответствии с их назначением следующим образом:

1.Материалы, используемые для точных работ:

Важным требованием, предъявляемым к материалам с высоким удельным сопротивлением, предназначенным для использования в прецизионных электрических приборах и для создания стандартных сопротивлений, является стабильность сопротивления во времени (отсутствие тенденции к старению) и при колебаниях температуры. Последнее подразумевает, что материал должен иметь низкий температурный коэффициент сопротивления.

Термоэлектрическая движущая сила, возникающая в результате контакта материала с медью
, должна быть минимальной, чтобы не вносить ошибок в измерения.Стоимость для этих материалов не имеет большого значения. Самый важный материал, используемый для этого урока, — «Манганин». Присутствующий в нем никель служит для снижения термо-ЭДС. контакта с медью до очень низкого значения около 1,0 микровольт на градус.

2. Материалы, используемые для нагревательных устройств:

Основными требованиями к жаропрочным сплавам, предназначенным для использования в электрических печах и нагревательных устройствах, является высокая рабочая температура. Этому требованию удовлетворяет материал, который имеет достаточно высокую температуру плавления и либо не вызывает коррозии, либо образует поверхностный слой плотного высокоплавкого оксида, защищающего его от дальнейшей коррозии.

«Платина» — негорючий материал с высокой температурой плавления (1710 ° C). Из-за высокой стоимости платина используется в лабораторных электропечах с рабочей температурой 1300 ° C.

Наиболее широко используемые материалы, устойчивые к высоким рабочим температурам, — это сплавы никеля, хрома и железа, называемые нихромом, и сплавы алюминия, железа и хрома. Качество этих сплавов, особенно рабочая температура, сильно зависит от содержания хрома. Наличие хрома обеспечивает высокую температуру плавления оксидного покрытия.

Удельное сопротивление нихрома варьируется от 1,1 до 1,27 Ом на м и ² мм. Нихром выпускается в виде круглой проволоки и ленты, холоднотянутой с окисленной поверхностью, а также горячекатаной с поверхностью, покрытой окалиной. Оптимальная рабочая температура для нихромовой проволоки составляет от 900 ° до 1000 ° C.

3. Материалы, используемые для реостатов:

Материалы сопротивления, используемые при изготовлении реостатов, могут иметь большую термо-ЭДС. и большой температурный коэффициент сопротивления.Но этот материал должен отвечать особым требованиям, таким как высокая допустимая рабочая температура и низкая стоимость, последнее продиктовано тем фактом, что эти материалы требуются в больших количествах в широко используемых устройствах и оборудовании, где допускаются большие изменения сопротивлений. Основным сплавом этой группы является «константан». При проектировании реостатов из проволоки константана следует использовать напряжение (максимум) в один вольт на виток.

Повышенная износостойкость с медно-вольфрамовыми электродами

Выбор лучшего электродного материала для электроэрозионной обработки карбидов

Электроэрозионная обработка (EDM) карбидов может быть в буквальном смысле тяжелым делом.

Определение правильного набора параметров для успешной работы может потребовать времени, внимания и тщательной тонкой настройки. И если у вас нет прекрасных рабочих отношений со службой поддержки поставщика оборудования, вам может не повезти, особенно если вы работаете с опозданием.

В серии блогов мы обсуждаем различные способы, с помощью которых выбор медно-вольфрамового материала в качестве электродного материала дает преимущества для электроэрозионной обработки. Здесь мы рассмотрим влияние износостойкости вольфрама на эффективность электродов и выясним, почему медь и вольфрам составляют такую ​​хорошую комбинацию.

Что такое износостойкость?

Как следует из этого термина, износостойкость — это способность инструмента (такого как точечная сварка или электрод для электроэрозионной обработки штампа) сопротивляться износу в типичных условиях эксплуатации. На износостойкость влияет ряд факторов, таких как скорость процесса обработки и количество выделяемого тепла.

Достаточно общеизвестно, что электроэрозионная обработка карбидов происходит медленно, что, в свою очередь, значительно увеличивает скорость износа.Поэтому при выборе электрода очень важно знать износостойкость материала электрода.

Износостойкость материала электродов EDM определяется в первую очередь измерением торцевого износа и углового износа:

• Конечный износ — это количество материала, выгоренное от нижней части материала до глубины электрода до полости.
• Угловой износ — это мера потери длины 90-градусного внешнего угла электрода до соответствующего внутреннего угла.

Вместе эти измерения определяют, насколько успешно материал будет работать на протяжении всего срока использования. Итак, какова устойчивость медно-вольфрамового сплава к износу?

Какие свойства вольфрама повышают износостойкость?

Поскольку EDM — это термический процесс, чем выше температура плавления материала электрода, тем лучше он может выдерживать высокие температуры, изначально присущие процессу EDM.

Один из многих интересных фактов о вольфраме заключается в том, что при температуре 6 191 ° F у него самая высокая температура плавления среди всех металлов.Таким образом, вольфрам обладает поистине непревзойденным тепловым сопротивлением. В конечном итоге это приводит к лучшему износу углов.

Кроме того, для применений, где необходимы острые углы и детализированные полости, состав медно-вольфрамового электрода можно отрегулировать, чтобы в него было включено больше вольфрама для улучшения характеристик.

Однако важно помнить о том, что меньшее количество меди в медно-вольфрамовом электроде будет означать более низкую скорость резки.

Каковы преимущества меди и вольфрама вместе?

Структурная целостность меди делает ее очень устойчивой к возникновению дуги постоянного тока в плохих условиях промывки, что позволяет ей по-прежнему обеспечивать очень тонкую поверхность.Таким образом, для более плавного горения и улучшения качества поверхности состав электродного материала может включать больше меди.

Сочетание термического сопротивления вольфрама с сопротивлением меди к возникновению дуги постоянного тока позволяет создать электрод, который может удерживать острые углы и помогает предотвратить точечную коррозию карбидов EDMing.