Проводниковые материалы (prov_mat)

Посмотреть архив целиком

ВВЕДЕНИЕ


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 при нормальной температуре не более 0,05 мкОмм, и сплавы высокого сопротивления, имеющие при нормальной температуре не менее 0,3 мкОмм. 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.

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; поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода. Проводниками второго рода, или электро­литами, являются растворы (в частности, водные) кислот, щелочей и солей. Прохождение тока через эти вещества связано с переносом вместе с электрическими зарядами ионов в соответствии с законами Фарадея, вследствие чего состав электролита постепенно изменя­ется, а на электродах выделяются продукты электролиза. Ионные кристаллы в расплавленном состоянии также являются провод­никами второго рода.

Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях 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. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электро­нов числу положительных ионов в единице объема представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы.


1. Электропроводность металлов.


Классическая электронная теория металлов представляет твер­дый проводник в виде системы, состоящей из узлов кристаллической ионной решетки, внутри которой находится электронный газ из коллективизированных (свободных) электронов. В свободное состоя­ние от каждого атома металла переходит от одного до двух электро­нов. К электронному газу применялись представления и законы статистики обычных газов. При изучении хаотического (теплового) и направленного под действием силы электрического поля движения электронов был выведен закон Ома. При столкновениях электронов с узлами кристаллической решетки энергия, накопленная при уско­рении электронов в электрическом поле, передается металлической основе проводчика, вследствие чего он нагревается. Рассмотрение этого вопроса привело к выводу закона ДжоуляЛенца. Таким образом, электронная теория металлов дала возможность аналитически описать и объяснить найденные ранее экспериментальным путем основные законы электропроводности и потерь электрической энергии в металлах. Оказалось возможным также объяснить и связь между электропроводностью и теплопроводностью металлов. Кроме того, некоторые опыты подтвердили гипотезу об электронном газе в металлах, а именно:

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

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

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

4. Исследуя поведение металлических проводников в магнитном поле, установили, что вследствие искривления траектории электро­нов в металлической пластинке, помещенной в поперечное магнитное поле, появляется поперечная ЭДС и изменяется электрическое сопротивление проводника.

Однако выявились и противоречия некоторых выводов теории с опытными данными. Они со­стояли в расхождении температурной зависимо­сти удельного сопротивления, наблюдаемой на опыте и вытекающей из положений теории; в несоответствии теоретически полученных зна­чений теплоемкости металлов опытным данным. Наблюдаемая теплоемкость металлов меньше теоретической и такова, как будто электронный газ не погло­щает теплоту при нагреве металлического проводника. Эти про­тиворечия удалось преодолеть, рассматривая некоторые положе­ния с позиций квантовой механики. В отличие от классической электронной теории в квантовой механике принимается, что электронный газ в металлах при обычных температурах находится в состоянии вырождения. В этом состоянии энергия электронного газа почти не зависит от температуры, т. е. тепловое движение почти не изменяет энергию электронов. Поэтому на нагрев электронного газа теплота не затрачивается, что и обнаруживается при измерении теплоемкости металлов. В состоя­ние, аналогичное обычным газам, электронный газ приходит при температуре порядка тысяч Кельвинов. Представляя металл как систему, в которой положительные ионы скрепляются посредством свободно движущихся электронов, легко понять природу всех ос­новных свойств металлов: пластичности, ковкости, хорошей тепло­проводности и высокой электропроводности.



2. Свойства проводников.


К важнейшим параметрам, характери­зующим свойства проводниковых материалов, относятся:

  1. удельная проводимость или обратная ей величина удельное сопротивление ,

  2. температурный коэффициент удельного сопротивления ТК или ,

  3. коэффициент теплопроводности т,

  4. контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС),

  5. работа выхода электронов из металла,

  6. предел прочности при растяжении р и относительное удлинение перед разрывом l/l.

Удельная проводимость и удельное со­противление проводников. Связь плотности тока J (в амперах на квадратный метр) и напряженности электрического поля (в вольтах на метр) в проводнике дается известной формулой:


J=E

(2-1)


(дифференциальная форма закона Ома); здесь (в сименсах на метр) параметр проводникового материала, называемый его удельной про­водимостью: в соответствии с законом Ома у металлических провод­ников не зависит от напряженности электрического поля Е при из­менении последней в весьма широких пределах. Величина = 1/, обратная удельной проводимости и называемая удельным сопро­тивлением, для имеющего сопротивление R проводника длиной l с постоянным поперечным сечением S вычисляется по формуле


= RS/l

(2-2)


Удельное сопротивление измеряется в ом-метрах. Для измерения проводниковых материалов разрешается пользоваться внесистемной единицей Оммм2/м; очевидно, что проволока из материала длиной 1 м с поперечным сечением 1 мм2 имеет сопротивление в омах, чис­ленно равно материала в Оммм2/м.

Диапазон значений удельного сопротивления металлических проводников (при нормальной температуре) довольно узок: от 0,016 для серебра и до примерно 10 мкОмм для железохромоалюминиевых сплавов, т.е. он занимает всего три порядка. Удельная проводимость металлических проводников согласно клас­сической теории металлов может быть выражена следующим об­разом:


= (e2n0)/(2mvT)

(2-3)


где езаряд электрона; n0число свободных электронов в еди­нице объема металла; средняя длина свободного пробега элект­рона между двумя соударениями с узлами решетки; т масса электрона; vT средняя скорость теплового движения свободного электрона в металле.

Преобразование выражения (2-3) на основе положений квантовой механики приводит к формуле


= K02/3

(2-4)


где K численный коэффициент; остальные обозначенияпрежние.

Для различных металлов скорости хаотического теплового дви­жения электронов vT (при определенной температуре) примерно оди­наковы. Незначительно различаются также и концентрации свобод­ных электронов п0 (например, для меди и никеля это различие меньше 10 %). Поэтому значение удельной проводимости у (или удельного сопротивления ) в основном зависит от средней длины свободного пробега электронов в

Рис. 2-1. Зависимость удельного сопротивления меди от температуры


данном проводнике , которая, в свою очередь, определяется структурой проводникового материала. Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой харак­теризуются наименьшими значениями удельного сопротивления; примеси, искажая решетку, приводят к увеличению . К такому же выводу можно прийти, исходя из волновой природы электронов. Рассеяние электронных волн происходит на дефектах кристалличе­ской решетки, которые соизмеримы с расстоянием около четверти длины электронной волны. Нару­шения меньших размеров не вызы­вают заметного рассеяния волн. В металлическом проводнике, где длина волны электрона около 0,5 нм, микродефекты создают значительное рассеяние, уменьша­ющее подвижность электронов, и, следовательно, приводит к росту материала.

Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов. Число носителей заряда (концентрация свободных электронов) в металлическом проводнике при повышении температуры практически остается неизменным. Однако вследствие усиления колебаний узлов кристаллической ре­шетки с ростом температуры появляется все больше и больше препятствий на пути направленного движения свободных электронов под действием электрического поля, т. е. уменьшается средняя длина свободного пробега электрона . уменьшается подвижность электронов и, как следствие, уменьшается удельная проводимость металлов и возрастает удельное сопротивление (рис. 2-1). Иными словами, температурный коэффициент удельного сопротивления металлов, (кельвин в минус первой степени)


TK = = (1/) (d/dT)

(2-5)


положителен. Согласно выводам электронной теории металлов значе­ния ., чистых металлов в твердом состоянии должны быть близки к температурному коэффициенту расширения идеальных газов, т.е. 1/2730,0037 К-1. При изменении температуры в узких диапазонах на практике допустима кусочно-линейная аппрокси­мация зависимости (Т); в этом случае принимают, что


2 = 1 [1+ (T2 –T1)]

(2-6)


где 1 , и 2 удельные сопротивления проводникового материала при температурах Т1, и T2, соответственно (при этом T2 > Т1);

так называемый средний температурный коэффициент удель­ного сопротивления данного материала в диапазоне температур от Т1, до Т2.

Изменение удельного сопротивления металлов при плавлении. При переходе из твердого состояния в жидкое у большинства металлов наблюдается увеличение удельного сопротивления , как это видно, например для меди, из рис. 2-1; однако у некоторых металлов при плавлении уменьшается. Удельное сопротивление увеличивается при плавлении у тех метал­лов, у которых при плавлении увеличивается объем, т. е. уменьша­ется плотность; и, наоборот, у металлов, уменьшающих свой объем при плавлении,галлия, висмута, сурьмы уменьшается.

Удельное сопротивление сплавов. Как уже указывалось, примеси и нарушения правильной структуры ме­таллов увеличивают их удельное сопротивление. Значительное воз­растание наблюдается при сплавлении двух металлов в том случае, если они образуют друг с другом твердый раствор, т. е. при (утвер­ждении совместно кристаллизуются, и атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого.

Теплопроводность металлов. За передачу теп­лоты через металл в основном ответственны те же свободные элект­роны, которые определяют и электропроводность металлов и число которых в единице объема металла весьма велико. Поэтому, как правило, коэффициент теплопроводности T металлов намного больше, чем коэффициент теплопроводности диэлектриков. Очевидно, что при прочих равных условиях, чем больше удельная электрическая проводимость у металла, тем больше должен быть и его коэффициент теплопроводности. Легко также видеть, что при по­вышении температуры, когда подвижность электронов в металле и соответственно его удельная проводимость уменьшаются, отноше­ние коэффициента теплопроводности металла к его удельной про­водимости T/ должно возрастать. Математически это выражается законом ВчдеманаФранцаЛоренца:


T/ = LoT

(2-7)


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


Lo=(2k2)/(3e2)

(2-8)


Подставляя в формулу (2-8) значения постоянной Больцмана k = 1.38 10-23 Дж/К и заряда электрона е = 1,610-19 Кл, полу­чаем Lo = 2,4510-8 B2K2.

Термоэлектродвижущая сила. При соприкос­новении двух различных металлических проводников между ними возникает контактная разность потенциалов. Причина появления этой разности потенциалов за­ключается в различии значений работы выхода электронов из раз­личных металлов, а также в том, что концентрация электронов, а следовательно, и давление электронного газа у разных металлов и сплавов могут быть неодинаковыми. Из электронной тео­рии металлов следует, что контактная разность потенциалов между металлами А и В равна


UAB=UB - UA + (kT/e) ln (n0A/n0B)

(2-9)

где UA и UB потенциалы соприкасающихся металлов; n0A и n0B концентрации электронов в металлах А и В; k — постоянная Больцмана; e абсолютная величина заряда электрона.

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

Рис. 2-2. Схема термопары


В этом случае между спаями возникает термо-ЭДС, равная


U = (k/e) (T1 - T2 ) ln (n0A/n0B)

(2-10)


Что можно записать в виде


U = (T1 – T2)

(2-11)


где постоянный для данной пары проводников коэффициент термоЭДС, т. е. термо-ЭДС должна быть пропорциональна разности температур спаев.

Температурный коэффициент линейного расширения проводников. Этот коэффициент, интересен не только при рассмотрении работы различных сопряжен­ных материалов в той или иной конструкции (возможность растрескивания или нарушения вакуум-плотного соединения со стеклами, керамикой при изменении температуры и т. п.). Он необходим также и для расчета температурного коэффициента электрического сопротивления провода


TKR = R = - l

(2-12)


3. Материалы высокой проводимости.


Медь. 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.

Медь получают чаще всего путем переработки сульфидных руд. После нескольких плавок руды и об­жигов с интенсивным дутьем медь, предназначенная для электро­техники, обязательно проходит процесс электролитической очистки. Полученные после электролиза катодные пластины меди переплав­ляют в болванки массой 80—90 кг, которые прокатывают и протя­гивают в изделия требующегося поперечного сечения. При изготовле­нии проволоки болванки сперва подвергают горячей прокатке в так называемую катанку диаметром 6,5—7,2 мм; затем катанку про­травливают в слабом растворе серной кислоты, чтобы удалить с ее поверхности оксид меди СuО, образующийся при нагреве, а затем уже протягивают без подогрева в проволоку нужных диаметров — до 0,03—0,02 мм.

Стандартная медь, в процентах по отношению к удельной про­водимости которой иногда выражают удельные проводимости метал­лов и сплавов, в отожженном состоянии при 20 °С имеет удельную проводимость 58 МСм/м, т. е. = 0,017241 мкОмм. Твердую медь употребляют там, где надо обеспечить особо высокую механическую прочность, твердость и со­противляемость истиранию (для контактных проводов, для шин рас­пределительных устройств, для коллекторных пластин электрических машин и пр.). Мягкую медь в виде проволок круглого и прямоуголь­ного сечения применяют главным образом в качестве токопроводящих жил кабелей и обмоточных проводов, где важна гибкость и плас­тичность (не должна пружинить при изгибе), а не прочность. Медь является сравнительно дорогим и дефицитным материалом. Поэтому она должна расходоваться весьма экономно. Отходы меди на электротехнических предприятиях необходимо тщательно соби­рать; важно не смешивать их с другими металлами, а также с менее чистой (не электротехнической) медью, чтобы можно было эти от­ходы переплавить и вновь использовать в качестве электротехниче­ской меди. Медь как проводниковый материал все шире заменяется другими металлами, в особенности алюминием.

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: р 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. Кадмиевую бронзу применяют для контактных проводов и коллекторных пластин особо ответствен­ного назначения. Еще большей механической прочностью обладает бериллиевая бронза (р —до 1350 МПа). Сплав меди с цинком — латунь — обладает достаточно высоким относительным удлинением перед разрывом при повышенном по сравнению с чистой медью пре­деле прочности при растяжении. Это дает латуни технологические преимущества перед медью при обработке штамповкой, глубокой вытяжкой и т. п. В соответствии с этим латунь применяют в электро­технике для изготовления всевозможных токопроводящих деталей.

Алюминий является вторым по значению (после меди) проводни­ковым материалом. Это важнейший представитель так называемых легких металлов (т. е. металлов с плотностью менее 5 Мг/м3); плот­ность литого алюминия около 2,6, а прокатанного —2,7 Мг/м3. 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. При одинаковых сечении и длине электрическое сопротивление алюминиевого провода больше, чем медного, в 0,028 : 0,0172 = 1,63 раза. Следовательно, чтобы получить алюминиевый провод такого же электрического со­противления, как и медный, нужно взять его сечение в 1,63 раза боль­шим, т. е. диаметр должен быть в 1,3 раза больше диаметра медного провода. Отсюда понятно, что если ограничены габариты, то замена меди алюминием затруднена. Если же сравнить по массе два отрезка алюминиевого и медного проводов одной длины и одного и того же сопротивления, то окажется, что алюминиевый провод хотя и толще медного, но легче его приблизительно в два раза:


Случайные файлы

Файл
129665.rtf
2908.rtf
16740.rtf
122861.rtf
113509.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.