Определение проводимости расплавов материалов
К числу важнейших физических свойств металлических расплавов относится их электропроводность. Это свойство, как и вязкость, относится к структурно-чувствительным характеристикам, поэтому его изучение позволяет получить дополнительные данные об электронном строении, степени микронеоднородности и характере связей в жидких металлах, а также в шлаковых расплавах. Определение электрической проводимости имеет большое прикладное значение для разработки новых технологий: - электролитического получения металлов; - эффективного рафинирования и модифицирования; - термического воздействия на расплав; - а также оценки микронеоднородности расплава, контроля и управления металлургическими процессами. По установившимся представлениям жидкий металл, как и твердый, имеет электронную проводимость. Хотя прямого экспериментального подтверждения этого не получено, можно считать такое предположение верным, поскольку абсолютные значения электропроводности, теплопроводности и теплоемкости твердого и жидкого металла по значениям близки. В связи с тем, что металлический расплав не является структурно-однородной жидкостью, а представляет собой динамическую систему кристаллоподобных микроагрегатов (кластеров) и подвижных частиц (квазигазовую составляющую), величина электросопротивления позволяет оценить взаимосвязь электронного и атомного строения расплава, степень микронеоднородности, а также взаимодействие частиц [1]. Основной константой, характеризующей электрические свойства вещества, является удельное электрическое сопротивление, зависящее от природы расплава и температуры. Согласно закону Ома, удельное электрическое сопротивление можно определить по формуле:
ρ= R· S /l, (3.12)
где ρ - электрическое сопротивление, Ом; S - площадь поперечного сечения, м; l - длина, м. Температурная зависимость электросопротивления металлов подчиняется следующему закону: ρt = ρ0 (1+α · t), (3.13)
где α - температурный коэффициент; t - температура; ρt - удельное электросопротивление при заданной температуре, им может быть, например ρ0 металла при абсолютном нуле или ρ металла при температуре плавления. Удельная электрическая проводимость является величиной, обратной удельному электросопротивлению:
σ= 1/ρ, (Ом-1 м-1). (3.14)
Электропроводность обусловлена движением электронов или ионов и зависит от количества носителей заряда и их подвижности. Подвижность электронов металла определяется в основном их длиной свободного пробега, которая зависит от интенсивности межчастичного взаимодействия и дефектов структуры. В квантовой теории проводимости металлов электрон рассматривается как частица, обладающая волновыми свойствами, а движение электронов через кристаллическую решетку металла - как процесс дифракции электромагнитных волн. Рассеяние электронных волн вызывается искажениями в решетке металла, причем эти дефекты должны по размерам быть соизмеримы с длиной электронной волны. Центрами рассеяния, в первую очередь, являются искажения решетки, возникающие вследствие тепловых колебаний ее узлов. Источником рассеяния электронных волн являются также примеси в металлах . Согласно правилу Линде, добавочное электросопротивление, вызываемое содержанием 1 % примеси, пропорционально квадрату разности валентностей чистого металла и примеси DZ:
Dρ = а + b (DZ )2, (3.15)
где a , b - константы, определяющие свойства металла растворителя. В случае образования разбавленных растворов их удельное электросопротивление, включает по правилу Маттиссена два слагаемых:
ρ= ρ0 + ρi, (3.16)
где ρ0 - независимое от температуры остаточное сопротивление, связанное с наличием примесей и дефектов кристаллической решетки, а ρi – внутренне сопротивление, зависящее от температуры. Остаточное сопротивление, измеряемое обычно при температуре 4К, является только небольшой частью ρ, которое определяется при комнатной температуре. Необходимо упомянуть, что еще один вклад в электросопротивление вносит рассеяние электронов вследствие беспорядочного расположения спинов в ферромагнетиках ниже температур магнитного превращения. Механизм электропроводности в жидком и твердом металле принципиально не различается. В большинстве металлов электропроводность резко увеличивается при плавлении и продолжает возрастать с увеличением температуры [3]. Повышение ρ при плавлении, по-видимому, является следствием уменьшения периодичности структуры расплава и увеличения амплитуды колебаний атомов. Микронеоднородность расплава и его электросопротивление также тесно связаны между собой.
©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.
|