Дать характеристику проводниковых материалов

В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы. Важнейшими практически при­меняемыми в электротехнике твердыми проводниковыми материа­лами являются металлы и их сплавы.

Из металлических проводниковых материалов могут быть выде­лены металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротив­ление р при нормальной температуре не более 0,05 мкОмм, и сплавы высокого сопротивления, имеющие р при нормальной температуре не менее 0,3 мкОм-м. Металлы высокой проводимости используются для проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электриче­ских машин и трансформаторов и т. п. Металлы и сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления резисторов, электро­нагревательных приборов, нитей ламп накаливания и т. п.

Особый интерес представляют собой обладающие чрезвычайно малым удельным сопротивлением при весьма низких (криогенных) температурах материалы —сверхпроводники и криопроводники; они будут рассмотрены ниже.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и раз­личные электролиты. Для большинства металлов температура плавления высока только ртуть, имею­щая температуру плавления около минус 39 °С, может быть исполь­зована в качестве жидкого металлического проводника при нормаль­ной температуре. Другие металлы являются жидкими проводниками при повышенных температурах.

Механизм прохождения тока в металлах — как в твердом, так и в жидком состоянии — обусловлен движением (дрейфом) свободных электронов под воздействием электрического поля

Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких на-пряженностях электрического поля не являются проводниками. Од­нако, если напряженность поля превзойдет некоторое критическое значение, обеспечивающее начало ударной и фотоионизации, то газ может стать проводником с электронной и ионной электропроводностью.

Свойства проводников. К важнейшим параметрам, характери­зующим свойства проводниковых материалов, относятся: 1) удельная проводимость или обратная ей величина — удельное сопротивление р, 2) температурный коэффициент удельного сопротивления ТКр или альфа_р, 3) коэффициент теплопроводности у_т; 4) контактная раз­ность потенциалов и термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС), 5) работа выхода электронов из металла, 6) предел прочности при растяжении сигма_р и относительное удлинение перед разрывом l/l.

45. Проводниковые материалы с высокой удельной проводимостью.

К наиболее широко распространенным материалам высокой про­водимости следует отнести медь и алюминий.

Преимущества меди: обеспечивающие ей ши­рокое применение в качестве проводникового материала, следующие:1)малое удельное сопротивление (из всех материалов только серебро имеет несколько меньшее удельное сопротивление, чем медь);2)достаточно высокая механическая прочность; 3) удовлетворитель­ная в большинстве случаев стойкость по отношению к коррозии (медь окисляется на воздухе даже в условиях высокой влажности значи­тельно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисле­ние меди происходит только при повышенных температурах; 4) хорошая обрабатываемость (медь прокатывается в ли­сты, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра); 5) относительная лег­кость пайки и сварки.

Сплавы меди. В отдельных случаях помимо чистой меди в качестве проводникового материала применяются ее сплавы с оло­вом, кремнием, фосфором, бериллием, хромом, магнием, кадмием. Такие сплавы, носящие название бронз, при правильно подобранном составе имеют значительно более высокие механические свойства, чем чистая медь: 3 ); плот­ность литого алюминия около 2,6, а прокатанного—2,7Мг/м 3 . Таким образом, алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди. Температурный коэффициент расширения удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем меди. Вследствие высоких значений удельной теплоемкости и теплоты пла­вления для нагрева алюминия до температуры плавления и пере­вода в расплавленное состояние требуется большая затрата теплоты,
чем для нагрева и расплавления такого же количества меди, хотя температура плавления алюминия ниже, чем меди. Алюминий обладает пониженными по сравнению с медью свойст­вами — как механическими, так и электрическими. Алюминиевые сплавы обладают повышенной механической прочностью.

46 провод. мат-лы с ↑ уд. сопротивлением.Наибольшее применение имеют метал-ие сплавы. Сплавами ↑сопр. наз. проводн. мат-лы, у кот. знач-е ρ в норм. усл-х сост.не

Дата добавления: 2016-11-02 ; просмотров: 987 | Нарушение авторских прав

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 мм 2 , 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

Электрическое сопротивление

Электри́ческое сопротивле́ние — физическая величина, характеризующая свойства проводника препятствовать прохождению электрического тока и равная отношению напряжения на концах проводника к силе тока, протекающего по нему [1] .

Сопротивление для цепей переменного тока и для переменных электромагнитных полей описывается понятиямиимпеданса и волнового сопротивления. Сопротивлением (резистором) также называют радиодеталь, предназначенную для введения в электрические цепи активного сопротивления.

Сопротивление (часто обозначается буквой R или r) считается, в определённых пределах, постоянной величиной для данного проводника; её можно рассчитать как

R — сопротивление, Ом;

U — разность электрических потенциалов (напряжение) на концах проводника, В;

I — сила тока, протекающего между концами проводника под действием разности потенциалов, А.

Единицы и размерности

Размерность электрического сопротивления в Международной системе величин: dim R = L 2 MT −3 I −2 . В Международной системе единиц (СИ), основанной на Международной системе величин, единицей сопротивления является ом (русское обозначение: Ом; международное: Ω). В системе СГС как таковой единица сопротивления не имеет специального названия, однако в её расширениях (СГСЭ, СГСМ и гауссова система единиц) используются [2] :

· статом (в СГСЭ и гауссовой системе, 1 statΩ = (10 9 c −2 ) с/см = 898 755 178 736,818 Ом (точно) ≈ 8,98755·10 11 Ом, равен сопротивлению проводника, через который под напряжением 1 статвольт течёт ток 1 статампер);

· абом (в СГСМ, 1 abΩ = 1·10 −9 Ом = 1 наноом, равен сопротивлению проводника, через который под напряжением1 абвольт течёт ток 1 абампер).

Размерность сопротивления в СГСЭ и гауссовой системе равна TL −1 (то есть совпадает с размерностью обратнойскорости, с/см), в СГСМ — LT −1 (то есть совпадает с размерностью скорости, см/с) [3] .

Обратной величиной по отношению к сопротивлению является электропроводность, единицей измерения которой в системе СИ служит сименс (1 См = 1 Ом −1 ), в системе СГСЭ (и гауссовой) статсименс и в СГСМ — абсименс [4] .

Физика явления

Высокая электропроводность металлов связана с тем, что в них имеется большое количество носителей тока — электронов проводимости, образующихся из валентных электронов атомов металла, которые не принадлежат определённому атому. Электрический ток в металле возникает под действием внешнего электрического поля, которое вызывает упорядоченное движение электронов. Движущиеся под действием поля электроны рассеиваются на неоднородностях ионной решётки (на примесях, дефектах решётки, а также нарушениях периодической структуры, связанной с тепловыми колебаниями ионов). При этом электроны теряют импульс, а энергия их движения преобразуются во внутреннюю энергию кристаллической решётки, что и приводит к нагреванию проводника при прохождении по нему электрического тока.

В других средах (полупроводниках, диэлектриках, электролитах, неполярных жидкостях, газах и т. д.) в зависимости от природы носителей заряда физическая причина сопротивления может быть иной. Линейная зависимость, выраженная законом Ома, соблюдается не во всех случаях.

Сопротивление проводника при прочих равных условиях зависит от его геометрии и от удельного электрического сопротивления материала, из которого он состоит.

Сопротивление однородного проводника постоянного сечения зависит от свойств вещества проводника, его длины, сечения и вычисляется по формуле:

где ρ — удельное сопротивление вещества проводника, Ом·м, l — длина проводника, м, а S — площадь сечения, м².
Сопротивление однородного проводника также зависит от температуры.

Удельное сопротивление — скалярная физическая величина, численно равная сопротивлению однородного цилиндрического проводника единичной длины и единичной площади сечения.

Сопротивление металлов снижается при понижении температуры; при температурах порядка нескольких кельвинов сопротивление большинства металлов и сплавов стремится или становится равным нулю (эффект сверхпроводимости). Напротив, сопротивление полупроводников и изоляторов при снижении температуры (в некотором диапазоне) растёт. Сопротивление также меняется по мере увеличения тока/напряжения, протекающего через проводник/полупроводник.

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;

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;

– 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)

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Сдача сессии и защита диплома – страшная бессонница, которая потом кажется страшным сном. 8815 – | 7170 – или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно