Реферат: Проводниковые материалы

ВВЕДЕНИЕ

В качестве проводниковэлектрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, апри соответствующих условиях и газы. Важнейшими практически применяемыми вэлектротехнике твердыми проводниковыми материалами являются металлы и ихсплавы.

Изметаллических проводниковых материалов могут быть выделены металлы высокойпроводимости, имеющие удельное сопротивление r

при нормальной температурене более0,05 мкОм×м, и сплавывысокого сопротивления, имеющие rпри нормальной температуре не менее0,3 мкОм×м. Металлывысокой проводимости используются для проводов, токопроводящих жил кабелей,обмоток электрических машин и трансформаторов и т. п. Металлы и сплавывысокого сопротивления применяются для изготовления резисторов, электронагревательныхприборов, нитей ламп накаливания и т. п.

К жидкимпроводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Длябольшинства металлов температура плавления высока; только ртуть, имеющаятемпературу плавления около минус39°С,может быть использована в качестве жидкого металлического проводника принормальной температуре. Другие металлы являются жидкими проводниками приповышенных температурах.

Механизмпрохождения тока в металлах— как втвердом, так и в жидком состоянии—обусловлен движением (дрейфом) свободных электронов под воздействиемэлектрического поля; поэтому металлы называют проводниками с электроннойэлектропроводностью или проводниками первого рода. Проводниками второго рода,или электролитами, являются растворы (в частности, водные) кислот, щелочей исолей. Прохождение тока через эти вещества связано с переносом вместе сэлектрическими зарядами ионов в соответствии с законами Фарадея, вследствиечего состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяютсяпродукты электролиза. Ионные кристаллы в расплавленном состоянии также являютсяпроводниками второго рода.

Все газы и пары, в том числе и пары металлов, принизких напряженностях электрического поля не являютсяпроводниками. Однако, если напряженность поля превзойдет некоторое критическоезначение, обеспечивающее начало ударной и фотоионизации,то газ может стать проводником с электронной и ионной электропроводностью.Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов числу положительныхионов в единице объема представляет собой особую проводящую среду, носящуюназвание плазмы.

1. Электропроводность металлов.

Классическаяэлектронная теория металлов представляет твердый проводник в виде системы,состоящей из узлов кристаллической ионной решетки, внутри которой находитсяэлектронный газ из коллективизированных (свободных) электронов. В свободноесостояние от каждого атома металла переходит от одного до двух электронов. Кэлектронному газу применялись представления и законы статистики обычных газов.При изучении хаотического (теплового) и направленного под действием силыэлектрического поля движения электронов был выведен закон Ома. Пристолкновениях электронов с узлами кристаллической решетки энергия, накопленнаяпри ускорении электронов в электрическом поле, передается металлической основепроводчика, вследствие чего он нагревается. Рассмотрение этого вопроса привелок выводу закона Джоуля—Ленца. Такимобразом, электронная теория металлов дала возможность аналитически описать иобъяснить найденные ранее экспериментальным путем основные законыэлектропроводности и потерь электрической энергии в металлах. Оказалосьвозможным также объяснить и связь между электропроводностью и теплопроводностьюметаллов. Кроме того, некоторые опытыподтвердили гипотезу об электронном газе в металлах, а именно:

1.При длительном пропускании электрического тока через цепь,состоящую из одних металлических проводников, не наблюдается проникновенияатомов одного металла в другой.

2.При нагреве металлов до высоких температур скорость тепловогодвижения свободных электронов увеличивается, и наиболее быстрые из них могутвылетать из металла, преодолевая силы поверхностного потенциального барьера.

3.В момент неожиданной остановки быстро двигавшегося проводникапроисходит смещение электронного газа по закону инерции в направлении движения.Смещение электронов приводит к появлению разности потенциалов на концахзаторможенного проводника, и стрелка подключаемого к ним измерительного прибораотклоняется по шкале.

4.Исследуя поведение металлических проводников в магнитномполе, установили, что вследствие искривления траектории электронов вметаллической пластинке, помещенной в поперечное магнитное поле, появляетсяпоперечная ЭДС и изменяется электрическое сопротивление проводника.

Однаковыявились и противоречия некоторых выводов теории с опытными данными. Они состоялив расхождении температурной зависимости удельного сопротивления, наблюдаемойна опыте и вытекающей из положений теории; в несоответствии теоретически полученныхзначений теплоемкости металлов опытным данным. Наблюдаемая теплоемкостьметаллов меньшетеоретической и такова, как будтоэлектронный газ не поглощает теплоту при нагреве металлического проводника.Эти противоречия удалось преодолеть, рассматривая некоторые положения спозиций квантовой механики. В отличие от классической электронной теории вквантовой механике принимается, что электронный газ в металлах при обычныхтемпературах находится в состоянии вырождения. В этом состоянии энергия электронногогаза почти не зависит от температуры, т. е. тепловое движение почти не изменяетэнергию электронов. Поэтому на нагрев электронного газа теплота незатрачивается, что и обнаруживается при измерении теплоемкости металлов. Всостояние, аналогичное обычным газам, электронный газ приходит при температурепорядка тысяч Кельвинов. Представляя металл как систему, в которойположительные ионы скрепляются посредством свободно движущихсяэлектронов, легко понять природу всехосновных свойств металлов: пластичности, ковкости, хорошей теплопроводности ивысокой электропроводности.

2. Свойства проводников.

К важнейшимпараметрам, характеризующим свойства проводниковых материалов,относятся:

1)

удельная проводимость gили обратная ей величина— удельное сопротивление r,

2)

температурный коэффициент удельного сопротивления ТКrили ar,

3)

коэффициент теплопроводности gт,

4)

контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущаясила (термо-ЭДС),

5)

работа выхода электронов из металла,

6)

предел прочности при растяжении sри относительноеудлинение перед разрывом Dl/l.

Удельная проводимость и удельное сопротивление проводников. Связь плотности токаJ(в амперах на квадратный метр) и напряженностиэлектрического поля (в вольтах на метр) в проводнике дается известной формулой:

J=g

(2-1)

(дифференциальнаяформа закона Ома); здесь g

(в сименсах на метр) параметр проводникового материала,называемый его удельной проводимостью: в соответствии с законом Ома уметаллических проводников не зависит от напряженности электрического поля Епри изменении последней в весьма широких пределах. Величина r= 1/g, обратнаяудельной проводимости и называемая удельным сопротивлением, для имеющегосопротивлениеRпроводника длинойlс постоянным поперечным сечениемSвычисляется по формуле

r

=RS/l

(2-2)

Удельноесопротивление измеряется в ом-метрах. Для измерения r

проводниковых материаловразрешается пользоваться внесистемной единицей Ом×мм2/м;очевидно, что проволока из материала длиной 1м с поперечным сечением1 мм2имеет сопротивление в омах, численно равно rматериала в Ом×мм2/м.

Диапазонзначений удельного сопротивления r

металлических проводников (при нормальной температуре)довольно узок: от0,016 для серебра и допримерно10 мкОм×м для железохромоалюминиевых сплавов, т.е. он занимает всего трипорядка. Удельная проводимость металлических проводников согласно классическойтеории металлов может быть выражена следующим образом:

g

= (e2n0l)/(2mvT)

(2-3)

где е— зарядэлектрона; n0— число свободных электронов вединице объема металла; l

— средняя длина свободного пробега электрона между двумясоударениями с узлами решетки; т— масса электрона;vT—средняяскорость теплового движения свободного электрона в металле.

Преобразованиевыражения(2-3) на основе положенийквантовой механики приводит к формуле

g

= K02/3l

(2-4)

где K—численный коэффициент; остальныеобозначения— прежние.

Для различных металлов скорости хаотического теплового движенияэлектроновvT(приопределенной температуре) примерно одинаковы. Незначительно различаются такжеи концентрации свободных электронов п0(например, для меди и никеля эторазличие меньше 10 %). Поэтому значениеудельной проводимости у (или удельного сопротивления r

) в основном зависит отсредней длины свободного пробега электронов в <img src="/cache/referats/4757/image002.jpg" v:shapes="_x0000_i1025">

Рис.2-1. Зависимостьудельногосопротивления rмеди от температуры

данномпроводнике l

,которая, в свою очередь, определяется структуройпроводникового материала. Все чистые металлы с наиболее правильнойкристаллической решеткой характеризуются наименьшими значениями удельногосопротивления;примеси, искажая решетку, приводятк увеличению r. К такому же выводу можно прийти,исходя из волновой природы электронов. Рассеяние электронных волн происходит надефектах кристаллической решетки, которые соизмеримы с расстоянием околочетверти длины электронной волны. Нарушения меньших размеров не вызываютзаметного рассеяния волн. В металлическом проводнике, где длина волны электронаоколо 0,5 нм, микродефекты создаютзначительное рассеяние, уменьшающее подвижность электронов, и, следовательно,приводит к росту rматериала.

Температурныйкоэффициент удельного сопротивленияметаллов. Число носителей заряда (концентрация свободных электронов) вметаллическом проводнике при повышении температуры практически остаетсянеизменным. Однако вследствие усиления колебаний узлов кристаллической решеткис ростом температуры появляется все больше и больше препятствий на путинаправленного движения свободных электронов под действием электрического поля,т. е. уменьшается средняя длина свободного пробега электрона l

.уменьшается подвижность электронов и, как следствие,уменьшается удельная проводимость металлов и возрастает удельное сопротивление(рис.2-1). Иными словами, температурныйкоэффициент удельного сопротивления металлов, (кельвинв минус первой степени)

TKr

=ar= (1/r) (dr/dT)

(2-5)

положителен.Согласно выводам электронной теории металлов значения a

r., чистыхметаллов в твердом состоянии должны быть близки к температурному коэффициентурасширения идеальных газов, т.е. 1/273»0,0037К-1. При изменении температуры в узких диапазонахна практике допустима кусочно-линейная аппроксимация зависимости r(Т); вэтом случае принимают, что

r

2 = r1[1+ar(T2 –T1)]

(2-6)

где r

1, и r2— удельные сопротивления проводникового материала притемпературах Т1, иT2, соответственно (при этом T2>Т1);

a

r—так называемый средний температурный коэффициент удельногосопротивления данного материала в диапазоне температур от Т1, до Т2.

Изменение удельного сопротивленияметаллов при плавлении. При переходе из твердого состояния в жидкое убольшинства металлов наблюдается увеличение удельного сопротивления r

, как этовидно, например для меди, из рис.2-1;однако у некоторых металлов rпри плавлении уменьшается. Удельное сопротивлениеувеличивается при плавлении у тех металлов, у которых при плавленииувеличивается объем, т. е. уменьшается плотность; и, наоборот, у металлов,уменьшающих свой объем при плавлении,— галлия,висмута, сурьмы rуменьшается.

Удельноесопротивление сплавов.Как уже указывалось, примеси и нарушения правильнойструктуры металлов увеличивают их удельное сопротивление. Значительное возрастаниеr

наблюдается при сплавлении двухметаллов в том случае, если они образуют друг с другом твердый раствор, т. е.при (утверждении совместно кристаллизуются, и атомы одного металла входят вкристаллическую решетку другого.

Теплопроводность металлов.За передачу теплоты черезметалл в основном ответственны те же свободные электроны, которые определяют иэлектропроводность металлов и число которых в единице объема металла весьмавелико. Поэтому, как правило, коэффициент теплопроводности g

Tметаллов намного больше, чемкоэффициент теплопроводности диэлектриков. Очевидно,что при прочих равных условиях, чем больше удельная электрическая проводимостьу металла, тем больше должен быть и его коэффициент теплопроводности. Легкотакже видеть, что при повышении температуры, когда подвижность электронов вметалле и соответственно его удельная проводимость gуменьшаются, отношение коэффициента теплопроводности металла к его удельнойпроводимости gT/gдолжно возрастать. Математическиэто выражается законом Вчдемана—Франца—Лоренца:

g

T/g= LoT

(2-7)

где Т —термодинамическая температура, К;Lo —число Лоренца, равное

Lo=(p

2k2)/(3e2)

(2-8)

Подставляяв формулу(2-8) значения постояннойБольцмана k=1.38×

10-23Дж/К изаряда электрона е= 1,6×10-19Кл, получаемLo = 2,45×10-8 B2K2.

Термоэлектродвижущая сила.При соприкосновении двухразличных металлических проводников между ними возникает контактная разность потенциалов. Причина появленияэтой разности потенциалов заключается в различии значений работы выходаэлектронов из различных металлов, атакже в том, что концентрация электронов, а следовательно, и давлениеэлектронного газа у разных металлов и сплавов могут быть неодинаковыми. Изэлектронной теории металлов следует, что контактная разность потенциалов междуметаллами А и В равна

UAB=UB — UA + (kT/e) ln (n0A/n0B)

(2-9)

гдеUAиUB—потенциалы соприкасающихсяметаллов; n0A и n0B—концентрации электронов в металлах Аи В;k —постояннаяБольцмана; e —абсолютная величина заряда электрона.

Если температуры «спаев»одинаковы, то сумма разности потенциалов в замкнутой цепи равна нулю. Иначеобстоит дело, когда один из спаев имеет температуру T1, а другой—температуру Т2 (рис.2-2).

Рис.2-2. Схематермопары

В этом случае между спаямивозникает термо-ЭДС, равная

U = (k/e) (T1 — T2 ) ln (n0A/n0B)

(2-10)

Что можно записать в виде

U = y

(T1 – T2)

(2-11)

где

y — постоянный для данной пары проводников коэффициент термоЭДС,т. е. термо-ЭДС должна быть пропорциональна разноститемператур спаев.

Температурный коэффициент линейного расширения проводников.Этоткоэффициент, интересен не только при рассмотрении работы различных сопряженныхматериалов в той или иной конструкции (возможность растрескиванияили нарушения вакуум-плотного соединения со стеклами, керамикой при изменениитемпературы и т. п.). Он необходим также и для расчета температурногокоэффициента электрического сопротивления провода

TKR = a

R= ar — al

(2-12)

3. Материалы высокойпроводимости.

Медь. Преимущества меди,обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала,следующие:

1)

малое удельное сопротивление (из всехматериалов только серебро имеет несколько меньшее удельное сопротивление, чеммедь);

2)

достаточно высокая механическая прочность;

3)

удовлетворительная в большинстве случаевстойкость по отношению к коррозии (медь окисляется на воздухе даже в условияхвысокой влажности значительно медленнее, чем, например, железо; интенсивноеокисление меди происходит только при повышенных температурах);

4)

хорошая обрабатываемость (медь прокатывается влисты, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведенадо тысячных долей миллиметра);

5)

относительная легкость пайки и сварки.

Медь получают чаще всего путем переработкисульфидных руд. После нескольких плавок руды и обжигов с интенсивным дутьеммедь, предназначенная для электротехники, обязательно проходит процессэлектролитической очистки. Полученные после электролиза катодные пластины медипереплавляют в болванки массой 80—90 кг, которые прокатывают и протягивают визделия требующегося поперечного сечения. При изготовлении проволоки болванкисперва подвергают горячей прокатке в так называемую катанку диаметром 6,5—7,2мм; затем катанку протравливают в слабом растворе серной кислоты, чтобыудалить с ее поверхности оксид меди СuО, образующийсяпри нагреве, а затем уже протягивают без подогрева в проволоку нужных диаметров— до 0,03—0,02 мм.

Стандартная медь, в процентах по отношению кудельной проводимости которой иногда выражают удельные проводимости металлови сплавов, в отожженном состоянии при 20 °С имеет удельную проводимость 58 МСм/м, т. е. r

= 0,017241 мкОм×м.Твердую медь употребляют там, где надо обеспечитьособо высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию (для контактных проводов,для шин распределительныхустройств, для коллекторных пластин электрических машин и пр.). Мягкуюмедь в виде проволок круглого и прямоугольного сечения применяют главным образом в качестве токопроводящих жил кабелей и обмоточных проводов, где важнагибкость и пластичность (не должнапружинить при изгибе), а не прочность. Медьявляется сравнительно дорогим и дефицитным материалом. Поэтому она должна расходоваться весьма экономно.Отходы меди на электротехническихпредприятиях необходимо тщательно собирать;важно не смешивать их с другими металлами, а также с менее чистой (неэлектротехнической) медью, чтобы можно было эти отходы переплавить и вновь использовать в качествеэлектротехнической меди. Медь какпроводниковый материал все шире заменяется другими металлами, в особенности алюминием.

Сплавы

меди.В отдельных случаяхпомимо чистой меди в качестве проводникового материалаприменяются ее сплавы с оловом, кремнием, фосфором, бериллием,хромом, магнием, кадмием. Такие сплавы, носящие название бронз, при правильно подобранном составе имеютзначительно более высокие механические свойства, чем чистая медь: sр бронз может быть 800—1200 МПа и более. Бронзы широко применяют для изготовления токопроводящих пружин и т. п.Введение в медь кадмия при сравнительно малом снижении удельной проводимости значительно повышает механическую прочность и твердость. Кадмиевуюбронзу применяют для контактных проводов иколлекторных пластин особо ответственного назначения. Ещебольшей механической прочностью обладает бериллиеваябронза (sр —до 1350 МПа). Сплав меди с цинком — латунь — обладает достаточно высоким относительнымудлинением перед разрывом приповышенном по сравнению с чистой медью пределе прочности при растяжении. Это дает латуни технологические преимущества перед медью при обработкештамповкой, глубокой вытяжкой и т. п.В соответствии с этим латунь применяют в электротехнике для изготовления всевозможных токопроводящих деталей.

Алюминий являетсявторым по значению (после меди) проводниковымматериалом. Это важнейший представитель так называемых легких металлов (т. е. металлов с плотностью менее 5Мг/м3); плотность литого алюминия около 2,6, а прокатанного —2,7Мг/м3. Таким образом, алюминийприблизительно в 3,5 разалегче меди. Температурный коэффициент расширения, удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше,чем меди. Вследствие высокихзначений удельной теплоемкости и теплоты плавления для нагрева алюминия до температуры плавления и перевода в расплавленное состояние требуется большаязатрата теплоты, чем для нагрева и расплавлениятакого же количества меди, хотя температураплавления алюминия ниже, чем меди.

Алюминий обладаетпониженными по сравнению с медью свойствами— как механическими, так и электрическими. При одинаковых сечении и длине электрическое сопротивление алюминиевогопровода больше, чем медного, в0,028: 0,0172 = 1,63 раза. Следовательно, чтобыполучить алюминиевый провод такого же электрического сопротивления, как и медный, нужно взять его сечение в 1,63раза большим, т. е. диаметр долженбыть в »

1,3 раза больше диаметра медного провода. Отсюда понятно, что если ограничены габариты, тозамена меди алюминием затруднена. Если же сравнить по массе два отрезка алюминиевого и медного проводов одной длины иодного и того же сопротивления, тоокажется, что алюминиевый провод хотя и толще медного,но легче его приблизительно в два раза:

8,9/(2,7×

1,63) »2.

Поэтому для изготовленияпроводов одной и той же проводимости приданной длине алюминий выгоднее меди в том случае, если тонна алюминия дороже тонны меди не более чем в два раза.Весьма важно, что алюминий менеедефицитен, чем медь.

Для электротехническихцелей используют алюминий, содержащийне более 0,5 % примесей, марки А1.Еще более чистый алюминий марки АВОО (неболее 0,03 % примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов оксидных конденсаторов. Алюминий наивысшей чистоты АВОООО имеет содержаниепримесей, не превышающее 0,004 %.Разные примеси в различной степени снижаютудельную проводимость g

алюминия. Добавки Ni,Si, Zn или Fe при содержании их 0,5 % снижают y отожженного алюминия не более чем на 2—3%. Более заметное действие оказывают примесиСu, Ag и Mg, при том же массовомсодержании снижающие v алюминия на 5—10 %.Очень сильно снижают gалюминия добавки Tiи Мп.

Прокатка, протяжка и отжигалюминия аналогичны соответствующимоперациям над медью. Из алюминия может прокатываться тонкая (до 6—7 мкм) фольга, применяемая в качествеэлектродов бумажных и пленочных конденсаторов.

Алюминийвесьма активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большимэлектрическим сопротивлением. Эта пленка предохра

еще рефераты

Еще работы по материаловедению

Реферат по материаловедению

Холодная штамповка

29 Августа 2013

Реферат по материаловедению

Ферромагнетики

29 Августа 2013

Реферат по материаловедению

Резины, стойкие к старению

29 Августа 2013

Реферат по материаловедению

Проектирование и подбор состава гидротехнического бетона расчётно-экспериментальным методом

29 Августа 2013