УДК 543.42 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

УДК 543.42
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
ГРАФИТА ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АТОМНОАБСОРБЦИОННОГО КОМПЛЕКСА
А.Н. Кулик*; А.Н. Бугай*, мл. научн. сотр.;
Ю.В. Рогульский*, канд. физ.-мат. наук, ст. научн. сотр.;
О.Б. Лысенко**, канд. физ.-мат. наук, доц.
*Институт прикладной физики НАН Украины,
** Сумский государственный университет
ВВЕДЕНИЕ
Изучение физических (в том числе электрических) свойств веществ и материалов при высоких (10003000 К) температурах сопряжено с рядом технических трудностей, таких, как правильное определение
температуры и надежная работоспособность измерительных датчиков. По этой причине справочные данные
весьма скудны, а порой и противоречивы. Например, в работе [1], на которую ссылается солидное издание
[2], представлена зависимость удельного электрического сопротивления угля и электродного графита при
температуре до 2000 С. По этим данным с повышением температуры в диапазоне 1000-2000 С удельное
сопротивление графита растет, а угля снижается. Но уголь, как и графит, – разновидность углерода. Он
является основным сырьем для получения графита, потому свойства их должны быть подобными.
Поскольку углерод в периодической таблице элементов находится в той же группе, что германий и кремний,
логично ожидать, что электрическое сопротивление угля и графита должно снижаться с повышением
температуры, как это наблюдается для других полупроводников IV группы периодической таблицы.
Однако величина удельного электрического сопротивления графита существенно зависит от пористости,
величины зерна, размера кристаллита, которые, в свою очередь, зависят от способа его получения
(нагреванием кокса с пеком, пиролизом газообразных углеводородов и т.д.). Электропроводность
монокристалла графита обладает высокой анизотропией, в плоскости слоев носит металлический характер, в
перпендикулярном направлении – графит-полупроводник [3, 4]. Ее величина для поликристаллического
материала зависит от направления измерения (в плоскости, перпендикулярной оси прессования, она в
десятки раз выше), положение максимума находится в интервале до 1000 К и смещается в область низких
температур тем больше, чем совершеннее кристаллическая структура. Для разных марок она может
отличаться в десятки и даже сотни раз [3-7]. То есть электропроводность (и удельное электрическое
сопротивление) конкретной марки графита и изделий из него может существенно отличаться от имеющихся
справочных данных (если они есть) и требуются корректная проверка ее значения в необходимом диапазоне
температур и соответствующее оборудование.
Цель настоящей работы – демонстрация метода определения удельного электрического
сопротивления графита в диапазоне высоких температур от 1000 до 3300 K (ниже
температуры сублимации) с использованием электротермического атомизатора атомноабсорбционного комплекса.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Измерения проводились на двухлучевом атомно-абсорбционном спектрометре С115-М1
(комплекс КАС-120 производства “СЕЛМИ”, Украина), оснащенном электротермическим
атомизатором А-5 с программным устройством ГРАФИТ-2. В качестве исследуемого
материала в работе использовалась графитовая трубчатая печь – аналог печи HGA-500
фирмы “Perkin Elmer” (длина 28 мм, внутренний и внешний диаметры соответственно 6 и
7,6 мм), изготовленная из графита МПГ-6-ОС4-7-3. Сигнал сканировался с шагом 0.016 с
и обрабатывался компьютером. Погрешность значения температуры, установленной
программным устройством, не превышала 5%.
Измерение электрических параметров проводились согласно следующей схеме (рис. 1).
Напряжение на печи 1 (рис.1) измерялось на графитовых контактах – 2 цифровым
вольтметром В7-35. Ток в цепи определялся по падению напряжения на шунте 75 ШСММ
3-300-05 (при токе 300 А падение напряжения 75 мВ).
Рисунок 1 – Принципиальная схема электротермического атомизатора с графитовой трубчатой печью: 1 – графитовая трубчатая
печь; 2 – держатели печи; 3 – блок питания атомизатора
При атомно-абсорбционном анализе с электротермической атомизацией проба помещается внутрь
трубчатой графитовой печи. Электрический ток, проходя вдоль печи, разогревает ее до температуры
атомизации (обычно 2000-3000 К). Проба превращается в атомный пар, который поглощает
электромагнитное излучение с резонансной длиной волны, характерной для каждого химического элемента.
Температурный режим атомизатора, то есть потребляемая мощность, задается программным устройством.
Регулирование температуры графитовой печи атомизатора (от 290 до 3300 К) основано на функциональной
зависимости устанавливаемой температуры и потребляемой электрической мощности.
Как видно, конструкция электротермического атомизатора А-5 с трубчатой графитовой печью и его
технические характеристики как нельзя лучше подходят для выполнения цели, поставленной в настоящей
работе.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 2-5 представлены результаты электрических измерений на экспериментальной установке. Здесь
показаны данные для трех разных печей: первая – новая с пирографитовым покрытием, вторая – новая без
пирографитового покрытия, третья – старая (после 300 циклов измерения пиропокрытие разрушено).
Рисунок 2 – Зависимость силы тока в цепи печи от заданной температуры
Рисунок 3 – Зависимость напряжения в цепи печи от заданной температуры
Рисунок 4 – Зависимость мощности, рассеиваемой на печи, от заданной температуры
Рисунок 5 – Зависимость электрического сопротивления печи от заданной температуры
Сравнивая рис. 4-5, видно, что для графитовых печей, имеющих различное электрическое
сопротивление, одной и той же установленной температуре соответствует одинаковая
потребляемая мощность, которая регулируется изменением электрического тока и
напряжения, что соответствует технической характеристике атомно-абсорбционного
комплекса КАС-120.
Зная геометрические размеры печи (смотри выше) и ее электрическое сопротивление,
легко найти зависимость удельного электрического сопротивления графита от
температуры (рис. 6).
Рисунок 6 – Экспериментальная зависимость удельного электрического сопротивления печи от заданной температуры
Температурная зависимость удельного электрического сопротивления исследуемого
образца графита –  может быть представлена следующим аппроксимирующим
выражением:
  105  1.37  1.10  ex p 1273  T  / 564 ,
где T – температура, К.
Как видно, в температурном интервале от 1000 до 3000 С с повышением температуры
удельное электрическое сопротивление графита МПГ-6-ОС4-7-3 экспоненциально
снижается. Аналогичная зависимость получена в работе [4] для графита MG-SP.
Полученная в настоящей работе зависимость не соответствует представленной для
электродного графита в работе [1]. Это несоответствие может быть объяснено тем, что
исследуемый нами образец содержал более мелкие кристаллиты и большее количество
аморфного графита (рис. 7), в то время как образец [1] по своим свойствам подходит
ближе к монокристаллу.
Рисунок 7 – Электронно-микроскопическое изображение поверхности графитовой трубчатой печи
На рис. 7 показано изображение поверхности графитовой печи, полученное на растровом
электронном микроскопе РЭММА-102. Видна аморфная структура графита МПГ-6-ОС47-3, каждое зерно состоит из еще более мелких зерен аморфного материала.
ВЫВОДЫ
1 Электротермический атомизатор атомно-абсорбционных спектрометров может с успехом использоваться
для определения электрофизических характеристик токопроводящих твердых материалов при температурах
до 3000 С.
2 В диапазоне высоких температур от 1000 до 3000 С удельное электрическое сопротивление графита
МПГ-6-ОС4-7-3 экспоненциально снижается при повышении температуры.
SUMMARY
Electrophysical characteristics of graphite were investigated at temperature from 1273 to 3273K. Dependence of specific electric resistance of
graphite on temperature in the specified range was found. The possibility to use an electrothermal atomizer of atomic absorption complex for
studying the physical properties of solids is shown.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРИ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Техника высоких температур / Пер. с англ. – М.: Изд-во иностр. лит., 1959. – 356 с.
Физические величины: Справочник / А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина,
А.М. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 1232 с.
Физика твердого тела: Энциклопедический словарь / Гл. ред. В.Г. Барьяхтар. – Киев: Наукова думка. Т.1. 1996. – 656 с.
Www.carbon.kipt.kharkov.ua/techno.html.
Перри Дж. Справочник инженера - химика. – Ленинград: Химия, 1969. - Т.1, – 640 с.
Frech W. Recent developments in atomizers for electrotermal atomic absorption spectrometry // Fresenius J. Anal. Chem. – 1996. – P. 355,
475-486.
Физика. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. А.М. Прохоров. – 4-е изд. – М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. –
944 с.
Поступила в редакцию 1декабря 2004г.