Ювелирное обозрение

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.

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: 986 | Нарушение авторских прав

По агрегатному состоянию проводниковые материалы разделяют на газообразные, жидкие и твердые.

К газообразным проводниковым материалам относят все газы и пары, в том числе и пары металлов. При достаточно малых значениях напряженности электрического поля Е они являются диэлектриками. При высоких Е газ может стать проводником. Если в единице объема сильно ионизированного газа наступает равенство между числом электронов и положи­тельных ионов, то такой газ представляет собой особую проводящую среду, называемую плазмой.

К жидким проводникам относят расплавы металлов и растворы (в частности, водные) и расплавы солей, кислот и других веществ с ионным строением молекул.

Механизм прохождения электрического тока через твердые и жидкие металлы обусловлен направленным движением свободных электронов. Поэтому твердые и жидкие металлы называют проводниками с электронной (металлической) электропроводностью или проводниками первого рода.

Растворы и расплавы солей, кислот и щелочей, проводящие электрический ток, называют электролитами или проводниками второго рода. При прохождении электрического тока через электролит, в который погружены электроды, электрические заряды переносятся вместе с частицами молекул (ионами) электролита. На электродах происходит выделение веществ из раствора.

По характеру применения металлические материалы разделяют на материалы высокой проводимости (удельное электрическое сопротивление ρ≤0,1 мкОм×м) и материалы с высоким сопротивлением (удельное электрическое сопротивление ρ≥0,3 мкОм×м).

Материалы с высокой проводимостью (железо, медь, алюминий, золото, серебро и др.)

Материалы с высоким сопротивлением используют в качестве резистивных материалов и материалов для термопар. Наиболее известные сплавы с высоким сопротивлением: медно-марганцевые (манганины), медно-никелевые (константаны), сплавы железа, никеля и хрома (нихромы).

Материалы, обладающие ничтожно малым удельным электрическим сопротивлением ρ при очень низких температурах называются сверхпроводниками. Свойством сверхпроводимости обладают ртуть, алюминий, свинец, ниобий, соединения ниобия с оловом, титаном и др.

3.2. Основные свойства и характеристики проводниковых материалов

Твердые металлические проводники характеризуются высокой электро- и теплопроводностью, механическими, физико-химическими и технологически­ми свойствами.

К механическим свойствам относят твердость, упругость, вязкость, пластжчмость. линейное расширение, хрупкость, прочность, усталость.

Твердость – это способность материала сопротивляться проникновению в него другого,более твердого тела.

Существуют различные методы определения твердости: вдавливание, царапание, упругая отдача. Наибольшее распространение получил метод вдавливания в материал стального шарика (твердость по Бриннелю), вдавливания конуса (по Роквеллу), вдавлива­ния пирамиды (по Виккерсу).

Упругость – это свойство материала восстанавливать свою форму и объем после прекращения действия внешних сил, которые вызывают их изменение.

Вязкость – это способность материала оказывать сопротивление динамическим (быстровозрастающим) нагрузкам.

Ударная вязкость – это способность материала оказывать сопротивление ударным нагрузкам.

На ударную вязкость не испытывают такие хрупкие материалы, как чугун, силумин, закаленная инструментальная сталь.

Пластичность – это свойство материала деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия этих сил. Для количественной оценки пластичности используют относительное удлинение образца при разрыве Δl/l и относительное сужение площади поперечного сечения образца Δs/s.

Важной механической характеристикой материала является температурный коэффициент линейного расширения ТКl,который позволяет определять изменения любых геометрических размеров изделий (длины, ширины, толщины) при нагревании.

; (5)

Значение ТКl твердых металлов возрастает при повышении температуры и приближении ее к температуре плавления.

Хрупкость – это способность материалов разрушаться при приложении резкого динамического усилия. У таких хрупких материалов явление пластической деформации не наблюдается, т.е. разрушение образца происходит при равенстве предела текучести σ_t и предела прочности при растяжении σ_р. Значения относительного удлинения и относительного сужения для хрупких материалов близки к нулю.

К хрупким материалам относят стекло, керамику, фарфор, хром, марганец, кобальт, вольфрам.

Прочность – это способность материала сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь.

Усталость – это разрушение материала под действием неболь ших повторных или знакопеременных нагрузок (вибраций). Металл разрушается при напряжениях, значительно меньших чем предел прочности

К физико-химическим свойствам относят цвет, плотность, температуру плавления, теплопроводность, тепловое расширение, электропроводность, магнитные свойства, поглощение газов, коррозионную стойкость и др.

Физико-химические свойства оценивают удельным электричес­ким сопротивлением ρ, удельной электрической проводимостью γ, температурным коэффициентом удельного электрического сопротивления ТКρ и коэффициентом теплопроводности.

Удельное электрическое сопротивление для образцов постоянного сечения S

; (6)

где R – сопротивление образца, Ом: S – площадь поперечного сечения образ­ца, м 2 ; l – длина образца, м.

Величину ρ измеряют в омах на метр (Ом×м), но чаще в микроомах на метр. Диапазон значений ρ металлических проводников (при нормальной температуре) от 0,016 для серебра до 10 мкОм×м для некоторых сплавов.

Сопротивление проводников R_s на высоких частотах существенно больше их сопротивления на постоянном токе вследствие того, что высокочастотное поле проникает в проводник на небольшую глубину. Чем выше частота поля, тем на меньшую глубину оно проникает в проводник. Это явление получило название поверхностного эффекта.

Удельное электрическое сопротивление металлов зависит от температуры. Эта зависимость определяется температурным коэффициентом удельного электрического сопротивления (1/град), который при данной температуре вычисляют по формуле

, (7)

где Δρ – приращение удельного сопротивления проводника, соответствующее приращению температуры ΔТ.

Средний температурный коэффициент удельного электрического сопротивления металлов (1/град) в диапазоне температур

; (8)

где ρ_о, ρ_т – значения ρ, соответствующие температурам Т_о и Т.

Если через пластину площадью S и толщиной Δl за время Δt проходит тепловой поток энергией θ, то между поверхностями противоположных граней создается разность температур ΔТ, связанная с θ соотношением

; (9)

где – градиент температуры

Параметр λ называют коэффициентом теплопроводности. Коэффициент теплопроводности проводников прямо пропорционален их удельной проводимости.

К технологическим свойствам относятся ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием, жидкотекучесть, усадка и др. Технологические свойства определяются комплексом физико-химических свойств материала. Для определения свойств мате­риала проводят соответствующие лабораторные испытания.

Дата добавления: 2015-06-17 ; просмотров: 2933 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ