Какие свойства проводниковых материалов являются главными
Классификация и области использования проводниковых материалов
Проводник — тело, в котором имеются свободные носители заряда, то есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри этого тела.
К проводниковым материалам относятся:
– металлы и их сплавы;
– расплавленные металлы;
– электролиты;
– сверхпроводники;
– криопроводники.
Среди наиболее распространённых твёрдых проводников известны металлы, полуметаллы, углерод (в виде угля и графита). Пример проводящих жидкостей при нормальных условиях — ртуть, электролиты, при высоких температурах — расплавы металлов. Пример проводящих газов — ионизированный газ (плазма). Некоторые вещества, при нормальных условиях являющиеся изоляторами, при внешних воздействиях могут переходить в проводящее состояние, а именно проводимость полупроводников может сильно варьироваться при изменении температуры, освещённости, легировании.
Классификация проводниковых материалов
Проводники бывают первого и второго рода. К проводникам первого рода относят те проводники, в которых имеется электронная проводимость (посредством движения электронов). К проводникам второго рода относят проводники с ионной проводимостью (электролиты).
Области использования проводниковых материалов как ЭТМ
Проводниковые материалы находят применение в качестве проводов и жил кабелей, термоэлементов, припоев, предохранителей, нагревателей, для изготовления резисторов.
С точки зрения использования проводниковых материалов в электротехнике и радиоэлектронике их главными свойствами являются:
– удельная проводимость, или обратная ей величина – удельное сопротивление;
– зависимость удельной проводимости или сопротивления от температуры;
– коэффициент теплопроводности;
– механическая прочность при растяжении, сжатии, изгибе, сдвиге, кручении и др. нагрузках.
Механические свойства проводниковых материалов (твердость, прочность, пластичность и ударная вязкость).
Механические свойства – это комплекс свойств, отражающих способность материала противодействовать деформации под действием приложенных сил.
Деформация – это изменение формы и размера изделия. Она бывает растягивающей, сжимающей и сдвиговой.
Механические свойства в основном отражают способность материала сопротивляться пластической деформации и характеризуют его поведение в ходе её развития.
К механическим свойствам относят: твердость, прочность, пластичность и ударную вязкость.
Свойство материала противостоять деформации при локальном контакте называется твердостью.
Замер твердости производится при помощи специальных приборов твердомеров.
Существует множество шкал твердости. Например шкала Мооса. Она применяется в основном для минералов. По ней выбраны десять материалов, каждый из ряда царапает все нижележащие и царапается вышележащими. Наибольшую твердость имеет алмаз, затем идет корунд и т.д. Нефрит имеет пятую позицию, сталь, в зависимости от закалки и типа – пятую или шестую. Известняк – третью.
Другие шкалы: Бринелля, Роквелла, Виккерса и т.д. основаны на вдавливании в материал шарика или алмазной призмы и измерении размеров полученной ямки. Далее по специальным таблицам определяют соответствующую твердость.
Бринелль (шарик), Роквелл (алмазный конус, может быть и шарик), Виккерс (четырехгранная пирамидка)
Прочность характеризует сопротивление материала пластической деформации под действием приложенной силы.
Характеристиками прочности являются условные числа – пределы, находимые при механических испытаниях.
Предел прочности или временное сопротивление sв -напряжение, соответствующее максимальной нагрузке.
Предел упругости (s0.05) – напряжение, при котором остаточная деформация не превышает 0.05%.
Предел текучести (s0.2) – напряжение, при котором происходит удлинение до 0.2% без увеличения нагрузки.
Пластичностью называется способность материала к пластической деформации. Ее характеристиками являются относительное удлинение δ (%) и относительное сужение Ψ (%), которые вычисляются по формулам:
Ударная вязкость материала показывает его способность сопротивляться разрушению при ударном приложении нагрузки. Она оценивается по результатам ударного разрушения на маятниковом копре специального брусчатого образца с надрезом. При этом ударная вязкость KCU вычисляется как результат деления затраченной на разрушение образца работы А на его рабочее сечение F: KCU = A/F
Тепловые свойства металлических проводниковых материалов (тепловое расширение, теплопроводность, теплоемкость, теплота и температура плавления, термоэлектродвижущая сила, температурный коэффициент линейного расширения)
Источник
К важнейшим параметрам, характеризующим свойства проводниковых материалов, относятся:
1) удельная проводимость у или обратная ей величина — удельное сопротивление р;
2) температурный коэффициент удельного сопротивления ТКр или ар;
3) коэффициент теплопроводности ут;
4) контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила (термоЭДС);
5) работа выхода электронов из металла;
6) предел прочности при растяжении GВ и относительное удлинение б.
Значение удельной проводимости (или удельного сопротивления) в основном зависит от средней длины свободного пробега электронов в данном проводнике л, которая, в свою очередь, определяется структурой провод-никового материала. Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой характеризуются наименьшими значениями удельного сопротивления; примеси, искажая решетку, приводят к увеличению р. Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов характеризует влияние температуры нагрева на электрическое сопротивление. С ростом температуры увеличивается число препятствий на пути направленного движения свободных электронов под действием электри-ческого поля, т. е. уменьшается подвижность электронов и, как следствие, уменьшается удельная проводимость металлов и возрастает удельное сопротивление. При переходе из твердого состояния в жидкое у большинства металлов наблюдается увеличение удельного сопротивления (медь и др.), у некоторых металлов (галлий, висмут, сурьма) р — уменьшение. Удельное сопротивление увеличивается при плавлении у тех металлов, у которых при плавлении увеличивается объем, т. е. уменьшается плотность.
Коэффициент теплопроводности ут металлов намного больше, чем коэффициент теплопроводности диэлектриков. Очевидно, что, при прочих равных условиях, чем больше удельная электрическая проводимость у металла, тем больше должен быть его коэффициент теплопроводности. При повышении температуры, когда подвижность электронов в металле и соответственно его удельная проводимость у уменьшаются, отношение коэффициента теплопроводности металла к его удельной проводимости ут/у должно возрастать. Термоэлектродвижущая сила возникает за счет контактной разности потенциалов двух различных металлических проводников. Причина появления этой разности потенциалов заключается в различии значений работы выхода электронов из различных металлов, а также в том, что концентрация электронов, а следовательно, давление электронного газа у разных металлов и сплавов могут быть неодинаковыми. В термопарах используются проводники, имеющие большой и стабильный коэффициент термоЭДС. Наоборот, для обмоток измерительных приборов и резисторов стремятся применять проводниковые металлы и сплавы с возможно меньшим коэффициентом термоЭДС относительно меди, чтобы избежать появления в измерительных схемах паразитных термоЭДС,. которые могли бы вызвать ошибки при точных измерениях.
Дата публикования: 2015-01-26; Прочитано: 6187 | Нарушение авторского права страницы
studopedia.org – Студопедия.Орг – 2014-2020 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования
(0.001 с)…
Источник
Основными характеристиками проводниковых материалов являются:
1. Удельное электрическое сопротивление.
2. Температурный коэффициент сопротивления.
3. Теплопроводность.
4. Контактная разность потенциалов и термоэлектродвижу-щая сила.
5. Временное сопротивление разрыву и относительное удлинение при растяжении.
1. Удельное электрическое сопротивление р — величина, характеризующая способность материала оказывать сопротивление электрическому току. Удельное сопротивление выражается формулой:
Для длинных проводников (проводов, шнуров, жил кабелей, шин) длину проводника l обычно выражают в метрах, площадь поперечного сечения S — в мм2, сопротивление проводника r — в ом, тогда размерность удельного сопротивления
Данные удельных сопротивлений различных металлических проводников приведены на стр. 97.
2. Температурный коэффициент сопротивления 
— величина, характеризующая изменение сопротивления проводника в зависимости от температуры.
Средняя величина температурного коэффициента сопротивления в интервале температур t2°—t1° может быть найдена по формуле:
Данные температурных коэффициентов сопротивления различных проводниковых материалов приведены на стр. 95.
3. Теплопроводность 
— величина, характеризующая количество тепла, проходящее в единицу времени через слой веще-
Из приведенных данных видно, что наибольшей теплопроводностью обладают металлы. У неметаллических материалов теплопроводность значительно ниже. Она достигает особенно низких значений у пористых материалов, которые применяют специально для тепловой изоляции. Согласно электронной теории высокая теплопроводность металлов обусловливается теми же электронами проводимости, что н электропроводность.
4. Контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила.
Как было указано выше, положительные ионы металла расположены в узлах кристаллической решетки, образующей как бы ее каркас. Свободные электроны заполняют решетку наподобие газа, который называют иногда «электронным газом». Давление электронного газа в металле пропорционально абсолютной температуре и числу свободных электронов в единице объема, которое зависит от свойств металла. При соприкосновении двух разнородных металлов в месте соприкосновения происходит выравнивание давления электронного газа. В результате диффузии электронов металл, у которого число электронов уменьшается, заряжается положительно, а металл, у которого число электронов увеличивается, заряжается отрицательно. В месте контакта возникает разность потенциалов. Эта разность пропорциональна разности температур металлов и зависит от их вида. В замкнутой цепи возникает термоэлектрический ток. Э. д. с, которая создает этот ток, называется термоэлектродвижущей силой (термо-э. д. с).
Явление контактной разности потенциалов применяется в технике для измерения температуры при помощи термопар (см. 56). При измерении малых токов и напряжений в цепи в местах соединения различных металлов может возникнуть большая разность потенциалов, которая будет искажать результаты измерений. В этом случае необходимо подобрать материалы так, чтобы точность измерения была высокой.
5. Временное сопротивление разрыву и относительное удлинение при растяжении.
При выборе проводов, помимо сечения, материала проводов, изоляции, необходимо учитывать их механическую прочность. Особенно это касается проводов воздушных линий электропередач. Провода испытывают растяжение. Под действием
Источник
Основным показателем, характеризующим проводниковые материалы, является электропроводность. Способность проводникового материала оказывать сопротивление прохождению тока оценивается удельным электрическим сопротивлением. Наибольшей проводимостью обладают чистые металлы, образующие группу материалов высокой проводимости. Другую группу проводниковых материалов составляют сплавы высокого сопротивления.
Проводники высокой проводимости обладают удельным электрическим сопротивлением не более 0,05 мкОмм. Их применяют для изготовления обмоток электрических машин и трансформаторов, монтажных и установочных электрических проводов и кабелей. К проводникам высокой проводимости относятся медь, алюминий, железо, серебро, молибден и др.
Медь — основной проводниковый материал. По электропроводности она уступает лишь серебру. В качестве проводникового материала используют медь марок Ml и МО.
Медь марки Ml содержит до 0,1 % примесей, МО — не более 0,05 %. Медную проволоку получают горячей прокаткой медных болванок в катанку с последующим протягиванием без подогрева. В результате холодной протяжки получается твердая медь (МТ), обладающая высокой прочностью, твердостью и упругостью. Твердую медь марки МТ применяют, когда необходимо обеспечить высокую прочность и сопротивление истиранию: контактные провода, коллекторные пластины электрических машин, токоведущие жилы кабелей и проводов.
После отжига с последующим охлаждением получают мягкую медь с проводимостью на 3—5 % выше, чем у твердой. Мягкая отожженная медь применяется в основном для изготовления изолированных обмоточных и монтажных проводов, в тех случаях, когда важна гибкость и пластичность, а прочность не имеет большого значения.
Для изделий повышенной прочности и износостойкости применяются сплавы меди — латуни и бронзы с кадмием и бериллием. Удельное электрическое сопротивление латуни больше, чем меди. Из нее изготовляют проводниковые детали резисторов, конденсаторов, катушек и др. Кадмиевые бронзы используются для изготовления контактов и коллекторных пластин, бериллиевые бронзы — для токоведущих пружин, щеткодержателей, скользящих контактов; электродов и зажимов.
Для электрифицированных железных дорог применяют медные, бронзовые и низколегированные контактные провода. Медные контактные провода производятся из твердотянутой меди с удельным электрическим сопротивлением 0,018 мкОмм. Бронзовые контактные провода по сравнению с медными и низколегированными более прочные и износостойкие. Однако они обладают меньшей проводимостью, что увеличивает потери электроэнергии в контактной сети. Для снижения потерь электроэнергии в состав бронзы вводят легирующие элементы (цирконий, кадмий, магний, никель, цинк и др.), повышающие износостойкость проводов и оказывающие незначительное влияние на их проводимость. В низколегированных контактных проводах в качестве легирующих компонентов применяют олово, магний, цирконий, кремний и др. Низколегированные контактные провода меньше разупрочняются под действием нагрева тяговыми токами и растягивающих нагрузок, чем медные. Они могут длительно работать при температуре нагрева ПО °С, оказывают более высокое сопротивление разрыву.
Медные и в небольшом количестве бронзовые проволоки применяются для изготовления неизолированных проводов несущих тросов цепных контактных подвесок, там, где требуется большая электропроводимость троса.
Алюминий — главный заменитель меди в качестве проводникового материала, но его электрическое сопротивление больше, чем меди. Поэтому сечение алюминиевого провода больше медного. Алюминий применяется в качестве проводов в воздушных линиях электропередач и кабельных изделиях; для изготовления конденсаторной фольги, пластин воздушных конденсаторов, а также для изготовления обмоток вращающихся электрических машин с малой тепловой нагрузкой на обмотки и др.
Алюминиевый провод легче медного в 3,3 раза, устойчивый против коррозии: благодаря пленке оксидов неизолированные алюминиевые провода могут длительно работать на открытом воздухе. При холодном деформировании алюминий становится довольно твердым, а после отжига — мягким. Выпускают алюминиевую проволоку следующих марок: АТП — твердая повышенной прочности; АТ — твердая; АПТ — полутвердая; AM — мягкая. По мере снижения твердости проволоки уменьшается предел ее прочности при растяжении. На воздухе алюминий окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет алюминий от коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта проводов и делает невозможной пайку алюминия обычными методами. Однако при небольших напряжениях оксидная пленка алюминия может служить естественной межвитковой изоляцией. Оксидная изоляция получила широкое применение в производстве электролитических конденсаторов и микросхем.
При необходимости обеспечения большей прочности используются сплавы алюминия с добавками магния и кремния.
Главным проводниковым сплавом на основе алюминия является альдрей, содержащий 0,5 % магния, 0,7 % кремния, 0,3 % железа. У альдрея механическая прочность примерно равна прочности меди, а по легкости он соответствует алюминию.
Проводниковое железо — это низкоуглеродистые (до 0,15 % углерода) качественные стали, а также стали обыкновенного качества, из них изготовляют токопроводящие шины и электроды для печей. Стальная проволока применяется в качестве сердечников биметаллических проводов для повышения их прочности (стальной провод, покрытый медью). Из сталемедных и сталеалюминиевых проводов производят несущие тросы контактных подвесок контактной сети. Такие провода используются в тех случаях, когда большая проводимость несущего троса не требуется.
Серебро имеет самое низкое удельное сопротивление, используется в качестве электрических контактов в электрических аппаратах и в составе припоев.
Вольфрам и молибден применяются при изготовлении электровакуумных приборов. Тугоплавкость и высокая твердость вольфрама позволяет использовать его для изготовления размыкающих контактов в электрических аппаратах.
Сплавы высокого сопротивления должны выдерживать высокую температуру, не окисляясь и не расплавляясь. Они обладают удельным электрическим сопротивлением не менее 0,3 мкОмм. Сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления реостатов, термопар, электронагревательных приборов, электрических печей сопротивления.
Сплавы высокого сопротивления можно разделить на сплавы для проволочных резисторов (манганин, константан) и для электронагревательных элементов (нихром, фехраль, хромаль).
Манганин — это сплав на основе меди, содержащий 12 % Мп и 3 % Ni. Манганин — пластичный материал, после прокатки и волочения получают проволоку диаметром до 0,02 мм. Его электрическое сопротивление очень мало зависит от температуры. При температуре плюс 60 °С манганиновая проволока окисляется, ее применяют в стеклянной изоляции, которая отличается высокими электроизоляционными свойствами, нагрево- и влагостойкостью, но пониженной гибкостью.
Константан — сплав меди с никелем (40 % никеля). Констан- тан имеет низкий коэффициент температурного сопротивления. При нагревании до температуры 900 °С константан окисляется с образованием оксидной изолирующей пленки. Это позволяет применять константан для изготовления реостатов и резисторов без межвитковой изоляции. Манганин и константан не могут длительно работать при высоких температурах, так как начинают интенсивно окисляться. Поэтому изделия, работающие при температурах 800—1200 °С, изготовляются из нихромов, фехралей, хрома- лей. Нагревостойкость проволоки и лент из этих сплавов обеспечивается благодаря введению в состав сплавов металлов, которые при нагреве на воздухе образуют сплошную поверхностную оксидную пленку. Эта пленка надежно защищает сплавы от воздействия кислорода воздуха.
Нихром состоит из никеля и хрома (например, Х20Н80). Иногда в состав нихрома вводят железо для улучшения обрабатываемости сплава и снижения его стоимости. Однако железо легко окисляется и снижает нагревостойкость сплава.
Хром придает высокую тугоплавкость оксидным поверхностным пленкам. При резких сменах температуры происходит растрескивание оксидных пленок, в результате чего кислород воздуха проникает в трещины и продолжает процесс окисления. Поэтому при многократном кратковременном включении электронагревательных элементов из нихрома он перегорает быстрее, чем в случае непрерывной работы при той же температуре. Для увеличения срока службы трубчатых нагревательных элементов нихромовую проволоку помещают в трубки из стойкого к окислению металла и заполняют их диэлектрическим порошком с высокой теплопроводностью. Такие нагревательные элементы применяют в электрических кипятильниках, комбинированных котлах систем отопления пассажирских вагонов, которые могут работать длительное время.
Фехраль (например, Х13Ю4) и хромаль (например, 0X23 Ю5) — хромоалюминиевые сплавы. Они дешевле нихрома, более твердые и хрупкие, обладают высокими жаростойкостью и электрическим сопротивлением. Чем выше содержание в сплавах хрома, алюминия, тем выше окалиностойкость и рабочая температура нагревательного элемента. Из них получают проволоку большого диаметра и ленты с большим поперечным сечением. Их используют в электронагревательных устройствах большой мощности и промышленных электрических печах.
Источник