Какие магнитные свойства у меди

Высокая электро- и теплопроводность меди – основные свойства, обусловливающее ее широкое применение в технике. Электросопротивление меди в твердом состоянии зависит от многих факторов и в первую очередь от чистоты металла, т.е. от спектра и концентрации имеющихся примесей. Примеси и легирующие элементы уменьшают электропроводность меди (рис. 1.2 и 1.3), повышают ее удельное электросопротивление (рис. 1.4).

Широкое использование нелегированной меди в электротехнике определило начальное направление исследований – изучение влияния примесей на электросопротивление и другие ее свойства. Параллельно с изучением влияния примесей на различные свойства происходило постепенное, но неуклонное ужесточение требований к снижению содержания почти всех присутствующих в технической меди примесей. Особенно существенное повышение чистоты нелегированной меди потребовалось в связи с интенсивным развитием электронной техники.

В результате работ, направленных на повышение чистоты металла, в настоящее время имеются марки меди с электропроводностью выше международного стандарта IACS, согласно которому эталоном качества металла электротехнического назначения была признана отожженная медь с электросопротивлением, равным 0,017241 мкОм?м и электропроводностью, равной 58 МСм/м, которая была принята за 100 %. В настоящее время получен металл, у которого электропроводность заметно превышает это значение (102… 103 % от значения по IACS). Наименьшее удельное электрическое сопротивление имеет медь, очищенная зонной плавкой, с минимальным количеством примесей (99,999 % Си) – 0,0166 мкОм м, что соответствует электропроводности 60,2 МСм/м. Максимальная электропроводность меди промышленной чистоты (М006) составляет 59 МСм/м (табл. 1.1), американский стандарт ASTM F-68 также для специальной марки меди С10100, применяемой в электронной технике, регламентирует электропроводность не менее 59 МСм/м (101 % от значения по IACS).

Содержание компонента.%

Рис. 1.2. Влияние примесей на электропроводность бескислородной меди

Содержание компонентов, %

Рис. 1.3. Влияние легирующих элементов на электропроводность меди

Степень снижения электропроводности определяется характером взаимодействия примесей с медью. Если элементы не образуют с медью твердых растворов, то их влияние определяется характером распределения частиц примесей, концентрацией и электропроводностью примеси. Если примеси растворены в твердой меди, то электропроводность определяется только концентрацией примеси в твердом растворе меди (см. рис. 1.2 и 1.4).

Влияние примесей на электропроводность кислородсодержащей меди отличается от той же закономерности бескислородной меди, так как многие элементы-примеси образуют с кислородом оксиды. Оксиды оказывают меньшее влияние на электропроводность, чем соответствующие элементы, находящиеся в твердом растворе. Если в кислородсодержащей меди находится избыточное количество примеси, которая полностью не окисляется, то ее влияние следует рассматривать как влияние двух составляющих: оксида и чистого элемента.

Элементы Ag, As, Bi, S, и Те при содержании менее 0,05 % не образуют стабильных оксидов в меди, поэтому при наличии этих элементов в указанных количествах влияние кислорода на их поведение невелико. Фосфор, который вводят в медь как раскислитель, заметно снижает ее электропроводность (табл. 1.1).

Все примеси повышают электросопротивление меди. Для оценки влияния примесей при их относительно невысоких концентрациях пользуются линейной зависимостью прироста удельного электросопротивления от концентрации примеси (Спр):

р = р0+?p Спр (1)

где р0 – удельное электросопротивление основного компонента (растворителя), зависящее от температуры (для меди высокой чистоты р0 = 0,0168 мкОм?м); ?p – остаточное электросопротивление, не зависящее от температуры, обусловленное наличием примесных атомов и пропорциональное концентрации примеси.

Уравнение (1) называют правилом Маиссена-Флеминга.

Содержание примесей особенно сильное влияние оказывает на удельное электросопротивление меди при отрицательных температурах. Уравнение (1) дает объяснение резкому возрастанию отношения р273/р4,2 с повышением чистоты меди (табл. 1.2).

При нагревании твердых растворов их сопротивление, как правило, растет, однако не так значительно, как у чистых металлов. Температурный коэффициент электросопротивления ?’ твердого раствора всегда ниже, чем для чистых металлов, и меняется в зависимости от состава аналогично электропроводности.

Табл. 2.1. Электрические свойства меди различных марок при температуре 20 °С

Табл. 2.2. Удельное электрическое сопротивление меди различной чистоты при отрицательных температурах

Понижение температурного коэффициента электросопротивления разбавленных твердых растворов объясняется следующим образом. Из правила Матиссена-Флеминга (1) следует, что электросопротивление складывается из двух составляющих:

1)сопротивления растворителя, которое зависит от температуры и повышается вместе с ней;

2)из добавочной составляющей, обусловленной присутствием в решетке растворителя посторонних атомов, которые искажают решетку и, главным образом, нарушают периодичность электрического потенциала решетки, благодаря чему электрическое сопротивление повышается. Этот фактор – второе слагаемое в формуле (1) – не зависит от температуры, его влияние при нагреве не усиливается.

Отсюда следует, что первая производная ФIdt для данного ряда твердых растворов (при одном и том же растворителе — меди) является величиной постоянной, не зависящей от концентрации примеси, и температурный коэффициент электросопротивления ?’=(dp/dt)(1/p) тем меньше, чем электросопротивление при текущей температуре больше ? или чем меньше проводимость при постоянной температуре t в данном ряду твердых растворов.

Добавочное электросопротивление р’ = ?p Спр в формуле Матиссена-Флеминга обусловлено рассеянием электронов проводимости ионами атомов, растворенных в меди. Их нарушающее действие такое же, как и действие отклонений атомов растворителя от своих центральных положений при тепловых колебаниях. При абсолютном нуле р0 = 0, остается лишь р’ т.е, остаточное электросопротивление.

Это обстоятельство нашло широкое практическое применение для оценки чистоты меди по величине ее остаточного электросопротивления вблизи абсолютного нуля. В отожженной меди электросопротивление при стремлении температуры к абсолютному нулю определяется главным образом присутствием примесей, а сопротивление металла-растворителя р0 стремиться к нулю. На этом обстоятельстве основан метод контроля чистоты меди. Он особенно эффективен при малых содержаниях примесей. В качестве показателя чистоты используется отношение р273/р4,2 удельного электросопротивления образца при 273 и 4,2 К (при температуре жидкого гелия (-268,8 °С)). Очевидно, что с повышением чистоты меди величина этого отношения увеличивается. Так, для меди высокой степени очистки от примесей (99,9994 %) это отношение равно 4647 (см. табл. 1.2).

В двойных системах меди с некоторыми переходными металлами (Cr, Mn, Fe) обнаружено отклонение от правила Матиссена-Флеминга, заключающееся в зависимости остаточного электросопротивления от температуры. Присутствие в меди небольших количеств примесей переходных металлов, ноны которых обладают собственным магнитным моментом, приводит при низких температурах (близких к температуре жидкого гелия) к появлению минимума на кривых температурной зависимости электросопротивления. Это явление известно как эффект Кондо, а минимум на кривых называется температурой Кондо. Упругие напряжения практически не оказывают влияния на удельное электрическое сопротивление, тогда как пластическая деформация при температуре 20 °С приводит к его повышению. Но это повышение незначительно — 4…5 % в зависимости от чистоты металла и степени деформации.

При понижении температуры влияние наклепа на электросопротивление меди усиливается. Отжиг деформированного металла приводит к восстановлению электросопротивления до исходного значения уже на стадии отдыха, когда снижаются напряжения второго рода, т.е. еще до начала рекристаллизации меди. С повышением температуры удельное электросоротивление меди увеличивается, а с понижением ниже нормальной оно достаточно резко снижается. Так, например, снижение до температуры жидкого гелия удельное электросопротивление меди марки М0 уменьшается на два порядка.

Удельное электросопротивление меди M1 при температуре плавления составляет в твердом состоянии 0,113 мкОм?м; в жидком состоянии – 0,203 мкОм?м.