Ηλεκτρική Αγωγιμότητα των μεταλλικών Υλικών

Transcript

1 Τα αγώγιμα υλικά

2 Ηλεκτρική Αγωγιμότητα των μεταλλικών Υλικών Mακροσκοπικά η ηλεκτρική συμπεριφορά των υλικών είναι: Τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινηθούν ελεύθερα στο κρυσταλλικό πλέγμα I=V/R {R=ρL/S, σ=1/ρ (Ωm) -1 } J=I/S πυκνότητα ρεύματος και αν Ε=V/Lτότε J = σ Ε Αναγκαία η μικροσκοπική συμπεριφορά των υλικών Χωρίς εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου έχουμε άτακτη κίνηση των e - στο πλέγμα Με εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου έχουμε: Την εμφάνιση μίας δύναμης τριβής F τρ λόγω συγκρούσεων των ηλεκτρονίων με τα άτομα F e =-ee = -ee(-i)= eei

3

4 Από τη σχέση J=neu=σΕ προκύπτει ότι σ=neu/e=neμ Όπου μ= η ευκινησία= eτ/m η οποία αυξάνει όπως άλλωστε και η αγωγιμότητα με το χρόνο ηρέμησης ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ: Η αγωγιμότητα του μεταλλικού αγωγού εξαρτάται από τις σταθερές e και m επίσης από τον αριθμό των ελεύθερων ηλεκτρονίων ανά μονάδα όγκου του υλικού η και το χρόνο ηρεμίας τ των ηλεκτρονίων

5 Εξάρτηση της ειδικής αντίστασης των μετάλλων από τη θερμοκρασία (1) (1)

6 Εξάρτηση της αγωγιμότητας από τη θερμοκρασία Η ειδική αντίσταση ενός μετάλλου θεωρείται ότι αποτελείται από δύο συνιστώσες ρ= ρ α + ρ θ (κανόνας Mathiessen) ρ α λόγω ατελειών της δομής (ανεξάρτητη της θερμοκρασίας) ρ θ λόγω της θερμοκρασίας

7 Ειδική αντίσταση κραμάτων και στερεών διαλυμάτων Τα άτομα πρόσμιξης ή τα πρόσθετα άτομα στο πλέγμα του μετάλλου αυξάνουν την τιμή της ειδικής αντίστασης και μειώνεται η ευκινησία μ. Δρ=ρ d = b(1-x)x όπου Δρ=ρ κράματος -ρ στοιχείου, b= συντελεστής ειδικής αντίστασης ατέλειας δομής και x= γραμμοατομικό κλάσμα πρόσμιξης Εάν x<<1 τότε Δρ=bx (Nordheim) Τα παραπάνω ισχύουν για ομοιόμορφη κατανομή ατελειών εάν δεν υπάρχει την επιτυγχάνουμε με ανόπτηση

8 Για πολυφασικά κράματα: ρ=ρ α V a + ρ b V b +ρ c V c όπου ρ α,ρ b,ρ c οι ειδικές αντιστάσεις των κρυσταλλικών φάσεων και V a V b V c τα κλάσματα όγκου των κρυσταλλικών φάσεων

9 Επίδραση της μηχανικής παραμόρφωσης στην ειδική αντίσταση των μετάλλων. Λόγω εφελκυσμού ή συμπίεσης ρ= ρ l (1 λf) ρ l = ειδική αντίσταση χωρίς παραμόρφωση, +F μηχανική τάση εφελκυσμού και -F μηχανική τάση συμπίεσης Σχέση μεταξύ ηλεκτρικής και θερμικής αγωγιμότητας Ο αριθμός των ελεύθερων ηλεκτρονίων ανά μονάδα όγκου του μετάλλου είναι σχετικά μεγάλος και η ευκινησία των ηλεκτρονίων πολύ μεγάλη σε σχέση με τα ιόντα του πλέγματος. Συνεπώς η θερμική αγωγιμότητα γίνεται μέσω των ελευθέρων ηλεκτρονίων γιαυτό και τα μέταλλα έχουν μεγάλη θερμική αγωγιμότητα σε σχέση με τα κεραμικά σ θ /σ =LT (νόμος Wiederman-Franz-Lorenz) όπου σ θ είναι ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας και σ η ηλεκτρική αγωγιμότητα. L = συντελεστής Lorenz = 2, (VΚ -1 ) 2 W=I 2 R t (Νόμος Joule) Απώλειες ενέργειας

10 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΑΓΩΓΙΜΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΓΙΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ 1) Η τιμή της ηλεκτρικής ειδικής αντίστασης 2) Η μηχανική αντοχή 3) Η ευκολία μορφοποίησης όπως η κοπή, η ολκιμότητα, η ελατότητα, η συγκόλληση 4) Η αντοχή στη διάβρωση 5) Η μεταβολή της ηλεκτρικής ειδικής αντίστασης λόγω μεταβολής της θερμοκρασίας και έκθεσης σε ακτινοβολία 6) Το κόστος και η διαθεσιμότητα του υλικού

11 ΑΓΩΓΙΜΑ ΥΛΙΚΑ ΧΑΜΗΛΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΙΔΙΚΗΣ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ 1) Χαλκός (Cu) έχει τη χαμηλότερη ειδική αντίσταση εκτός από τα ευγενή μέταλλα (για τον χαλκό καθαρότητας 99.85% έχουμε συμβατική αγωγιμότητα 100%). Παρουσιάζει αντοχή στη διάβρωση (εκτός επιφανειακού στρώματος CuO) Χρησιμοποιείται για την κατασκευή συρμάτων, αγώγιμων ράβδων, αγώγιμων εξαρτημάτων)

12 2) Κράματα του χαλκού (μειώνεται η αγωγιμότητα αλλά αυξάνει η μηχανική του αντοχή). ΕΤΣΙ έχουμε: (α) Μπρούντζο (Bronze) Cu-Sn (6-10%), Cu-Be (2%), Cu-Al (6-8%), ιδανικοί για αγώγιμα ελατήρια σύρματα μεγάλης αντοχής, εξαρτημάτων ηλεκτρικών μηχανών. (β) Ορείχαλκος (Brasse) Cu-Zn(35%) με λιγότερες ηλεκτρολογικές εφαρμογές

13 3) Αλουμίνιο (Al) έχει το 61% της αγωγιμότητας του χαλκού αλλά 3-φορές πιο ελαφρύ αλλά τελικά 210% μεγαλύτερη κατά βάρος αγωγιμότητα από το χαλκό Χρησιμοποιείται σε γραμμές μεταφοράς, κομμάτια Αλουμινίου συγκολλούνται μεταξύ τους με ψυχρή και θερμή συγκόλληση (η ψυχρή γίνεται με μεγάλη πίεση 10 4 N/m 2 ) Πρόβλημα με την οξείδωση Al 2 O 3 γιατί τότε έχει μεγάλη αντίσταση 4) Ευγενή μέταλλα (Au, Ag, Pt, Pa) Ag (στη μορφή κραμάτων με Cu, Ni, Cd) σε ηλεκτρικές επαφές, ηλεκτρονικά όργανα, επάργυρων πυκνωτών, υλικό συγκολλήσεων Au, Pt επαφές υψηλών απαιτήσεων, ηλεκτρονικά μικροκυκλώματα 5) Βολφράμιο (W) έχει το μεγαλύτερο σημείο τήξης από όλα τα μέταλλα (3380 ο C) Οξειδώνεται στους 400 ο C. Σε κενό ή αδρανή ατμόσφαιρα αερίων (Ν 2 -Αr-Νe) μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε θερμοκρασίες της τάξης των 2000 ο C.

14 Υλικά Υψηλής Ηλεκτρικής ειδικής αντίστασης 1) Θερμαντικά Στοιχεία (εκμεταλλευόμαστε τη μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε θερμική φαινόμενο Joule ΠΡΕΠΕΙ να έχουν: (α) Αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία (β) Αντοχή στη διάβρωση (γ) χαμηλό κόστος (δ) να μορφοποιούνται εύκολα Είναι κράματα με βάση τα στοιχεία Al, Ni, Cr (ρ>>, μικρό θερμικό συντελεστή ειδικής αντίστασης) Η αντοχή τους στη διάβρωση οφείλεται στην περιεκτικότητα Al, Ni, Cr τα οποία σχηματίζουν μη πτητικά προστατευτικά οξείδια. Πρέπει να έχουν παρόμοιο συντελεστή θερμικής διαστολής ώστε να μην παρατηρούνται ρωγμές στο υλικό. Π.χ τα κράματα Ni-Cr δεν παρουσιάζουν ρωγμές. Σε βιομηχανικές εφαρμογές το θερμαντικό στοιχείο εισάγεται σε προστατευτικό κέλυφος που παρασκευάζεται από χάλυβα ή κεραμικό υλικό. Ο κενός χώρος γεμίζει με MgO διηλεκτρικό με μεγάλη θερμική αγωγιμότητα, (βραστήρες, θερμιστατικά λουτρά κ.λ.π)

15 2) Υλικά με μεγάλη Θερμική σταθερότητα κράματα SiC με μέταλλα υψηλού σημείου τήξης (Cr, Ti, Mo) Στη βιομηχανία με θερμοκρασία χρησιμοποίησης ο C 3) Αντιστάσεις Χρησιμοποιούνται για τη ρύθμιση του ρεύματος που διαρρέει ένα ηλεκτρικό κύκλωμα. Εάν ακολουθούν το νόμο του Ohm είναι: 3.1) γραμμικές Πρέπει η ειδική αντίσταση να είναι σταθερή με το χρόνο και να έχει μεγάλη τιμή. Μικρό θερμικό συντελεστή ειδικής αντίστασης και μικρό θερμοηλεκτρικό συντελεστή ως προς το Cu να μην οξειδώνονται και να έχουν ψηλό όριο θερμοκρασίας χρησιμοποίησης. α) Cu-Mn-Ni (85%Cu 12%Mn 3%Ni) Manganin ρ= μωm μετατρέπεται εύκολα σε σύρματα αντέχει μέχρι 200 ο C. Συχνα οι αντιστάσεις αυτές καλύπτονται από κεραμικό στρώμα (επισμάλτωση) για τη προστασία από τη διάβρωση. Η Manganin χρησιμοποιείται σε ποτενσιόμετρα ακριβείας, σε όργανα μετρήσεων και σε άλλες ανάλογες εφαρμογές.

16 β) Cu-Ni (60%Cu 40%Ni) Constantan έχει μηδενικό θερμικό συντελεστή και σταθερή ρ= μωm αντέχει μέχρι 450 ο C 3.2) Μη γραμμικές αντιστάσεις είναι αυτές που δεν ακολουθούν το νόμο του Ohm. Είναι Thermistor R=f(T), Varistor R=f(V), Φωτοαντιστάσεις R=f(hv) και είναι κυρίως από ημιαγώγιμα στοιχεία ή ενώσεις. Τhermistor Varistor Φωτοδίοδοι

17 Ηλεκτρικές επαφές Είναι κάθε σημείο κυκλώματος που γίνεται σύνδεση ή αποσύνδεση αγωγών. Επισέρχεται μία πρόσθετη αντίσταση στο κύκλωμα η οποία εξαρτάται από το υλικό της επαφής. Τα υλικά για τις επαφές πρέπει να έχουν: 1) Υψηλή αγωγιμότητα 2) Καλή μηχανική αντοχή 3) Αντίσταση στη διάβρωση 4) Χαμηλό κόστος 5) Ευκολία μορφοποίησης Για φθηνές επαφές χαμηλών απαιτήσεων χρησιμοποιούνται Cu, Al, ορείχαλκος, μπρούντζος, βηρύλιο

18 Υλικά συγκολλήσεων Είναι ειδικά κράματα τα οποία χρησιμοποιούνται για μόνιμες επαφές με χαμηλή αντίσταση και μεγάλη μηχανική αντοχή: 1) Σκληρές συγκολλήσεις: σημείο τήξης >500 ο C 2) Μαλακές συγκολλήσεις: σημείο τήξης <400 ο C με μικρότερη αντοχή στον εφελκυσμό από τις σκληρές. Είναι κράματα των Sn-Pb και Ag-Al (1) (2) Αγώγιμες πάστες (πάστες Αργύρου) που χρησιμοποιούνται για την συγκόλληση των ηλεκτροδίων σε κεραμικούς πυκνωτές και για την τοποθέτηση αγωγών και αντιστάσεων σε πίνακες μικροκυκλωμάτων.

19 Ηλεκτρικές ιδιότητες των πολυμερών Τα πολυμερή είναι υλικά φθηνά, ανθεκτικά, ελαφριά, και παίρνουν εύκολα το επιθυμητό σχήμα. Η μέχρι τώρα χρήση τους ήταν ως μονωτικά ή διηλεκτρικά υλικά. Η σύγχρονη εφαρμογή τους είναι ως αγώγιμα υλικά με αγωγιμότητα παρόμοια με αυτή του Cu!! Η αγωγιμότητά τους οφείλεται στους διπλούς και απλούς χημικούς δεσμούς οι οποίοι εναλλάσσονται μέσα στο πολυμερές (συζυγία δεσμών, conjugated polymers). Οι κυριότεροι παράγοντες που επηρεάζουν την αγωγιμότητα των πολυμερών είναι: α) Η συγκέντρωση της πρόσμιξης, β) Ο προσανατολισμός των μακρομορίων στο πολυμερικό υλικό, γ) Η καθαρότητα του υλικού ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ 1) Σε επαναφορτιζόμενες μπαταρίες, οι οποίες έχουν τριπλάσιες χωρητικότητες από τις αντίστοιχες μπαταρίες Li χωρίς το πολυμερικό υλικό και διπλάσια τάση από τις αντίστοιχες μπαταρίες Ni-Cd. 2) Μερικά αγώγιμα πολυμερή με την εφαρμογή μίας τάσης αλλάζουν χρώμα (Liquid Crystals) 3) Επίσης καθώς τα πολυμερικά αγώγιμα υλικά απορροφούν την ηλιακή ακτινοβολία μπορούν να χρησιμοποιηθούν και ως υλικά για φωτοβολταϊκά στοιχεία και επίσης σαν επιστρώσεις σε παράθυρα όπου με την εφαρμογή μίας τάσης μπορούν να αλλάζουν το χρώμα τους. 4) Απορροφούν και τις χαμηλές συχνότητες των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων άρα μπορούν να χρησιμοποιηθούν και ως ηλεκτρομαγνητικά φίλτρα για την απορρόφηση της ακτινοβολίας από τα τερματικά των Η/Υ

20 Conjugated polymer structure: (a) trans- (b) cis-polyacetylene, and (c) polythiophene

21 OPV