Свойства проводниковых материалов: Основные характеристики и свойства проводниковых материалов — Студопедия

Содержание

Основные характеристики и свойства проводниковых материалов — Студопедия

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)

Свойства проводниковых материалов и зависимость их от состава и внешних факторов

К основным свойствам проводниковых материалов относятся:

  • Удельная проводимость или обратная ей величина – удельное сопротивление;
  • Температурный коэффициент удельного сопротивления;
  • Удельная теплопроводность;
  • Контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила;
  • Предел прочности при растяжении и относительное удлинение при разрыве.

Удельное сопротивление проводников. Величину, обратную удельной проводимости g называют удельным сопротивлением r и для проводника с постоянным поперечным сечением определяют по формуле:

(4.3)

Единицей удельного сопротивления в СИ является Ом×м, однако в практике чаще пользуются внесистемной единицей мкОм×м.

Следует отметить, что в отличие от диэлектриков диапазон удельных сопротивлений металлических проводников достаточно мал – от 0,016мкОм×м. для серебра и примерно до 10 мкОм×м. для железо-хромо-кобальто-алюминиевых сплавов, т.е. занимает всего три порядка.

Температурная зависимость удельного сопротивления металлических проводников. Как было показано ранее в идеально чистых металлах единственной причиной, которая ограничивает длину свободного пробега, являются тепловые колебания узлов кристаллической решетки (фононы). Удельное сопротивление металла, обусловленное этим фактором, обозначим как ρТ.. С ростом температуры возрастают амплитуды фононов и связанные с этим флюктуации периодического поля решетки. Это повышает рассеивание электронов, уменьшает длину свободного пробега и вызывает возрастание удельного сопротивления. Для упрощенной одномерной модели решетки длина свободного пробега электронов определяется как:



(4.4)

где λсв — длина свободного пробега;

Δa — амплитуда фононов;

N — концентрация атомов в металле.

Потенциальная энергия атома, отклоненного на Δa от узла решетки:

Wn = ½ · Kупр (Δa)2(4.5)

где Купр — коэффициент упругости связи.

Согласно классической статистике средняя энергия одномерного гармоничного осциллятора равняется КТ. Тогда:

½ · Kупр (Δa)2 = КТ (4.6)

где К — постоянная Больцмана.

Тогда из (4.5), (4.6) получим:

(4.7)

Если подставить (4.7) в (4.2) получим:

(4.8)

То есть с ростом температуры удельное сопротивление чистых металлов должно возрастать линейно. В действительности эта зависимость является более сложной (рисунок 4.2)

На участке 3 при комнатных температурах зависимость ρ = ¦(Т) линейна, как это видно из (4.8). То есть с ростом температуры возрастает амплитуда тепловых колебаний узлов кристаллической решетки, что уменьшает длину свободного пробега электронов.


На участке 4 вблизи температуры плавления имеет некоторая нелинейность, что объясняется другими механизмами рассеивания электронов.

При переходе металла из твердого состояния в жидкое (температура плавления Тпл) может иметь место как резкое возрастание удельного сопротивления (а), так и его уменьшение (б). Это связано с изменением структуры кристаллической решетки. Если при плавлении объем металла возрастает, что имеет место для большинства металлов, то расстояние между атомами тоже возрастает, металлическая связь уменьшается, а амплитуда фононов возрастает, что уменьшает длину свободного пробега электронов, следовательно, сопротивление металла возрастает. Для некоторых металлов (висмут, галлий) при плавлении объем металла уменьшается, что усиливает связи между атомами, амплитуда фононов уменьшается и удельное сопротивление тоже уменьшается.

На участке 5 металлы находятся в жидком состоянии и сохраняют кристаллическую решетку, поэтому зависимость удельного сопротивления от температуры поясняется аналогично участку 3.

На участке 2, ниже температуры Дебая (ТД) изменяется частота тепловых колебаний узлов кристаллической решетки, поэтому зависимость ρ = ¦(Т) нелинейна и подчиняется закону:

ρ = A·Tn (4.9)

где n — изменяется от 1 до 5.

На участке 1 некоторые металлы имеют конечное сопротивление (rост) даже при температуре Т=0 К. Это объясняется наличием в металле статических дефектов решетки, прежде всего примесей. Это позволяет оценивать чистоту металлов на основании отношения:

ρ300K / ρ4K

где ρ300K , ρ4K — соответственно удельное сопротивление металла при 300 К и 4,2 К (температура кипения жидкого гелия). Чем меньше это отношение, тем чище металл.

У некоторых металлов при температуре ниже Тсв наблюдается резкое уменьшение удельного сопротивления до нуля. Такое явление называют сверхпроводимостью.

Таким образом, согласно (4.9) металлические проводники в обычных условиях имеют линейную зависимость удельного сопротивления от температуры.

Влияние примесей на удельное сопротивление металлических проводников.Как уже говорилось, причинами рассеяния электронов в металлах являются не только тепловые колебания узлов кристаллической решетки, но и наличие статических дефектов, которые, прежде всего связанные с примесями. Рассеивание на статических дефектах не зависит от температуры. Поэтому при абсолютном нуле сопротивление реальных металлов остается конечным. Из этого следует правило Маттиссена об аддитивности удельного сопротивления:

ρпр = ρт + ρост (4.10)

где ρпр — полное сопротивление металла с примесью;

ρт — сопротивление, обусловленное рассеянием электронов на фононах;

ρост — остаточное сопротивление, обусловленное рассеиванием электронов на статических дефектах решетки.

Наибольший вклад в остаточное сопротивление вносит рассеяние на примесных атомах, которые практически всегда имеются в металлах. Поэтому длина свободного пробега электронов в металлах с примесью состоит из:

1/lсв = 1/λТ +1/λд (4.11)

где lТ, lД — длина свободного пробега электронов, ограниченная фононами и примесями, соответственно.

Длина пробега lД:

1/λд ≈ Nd Sd (4.12)

где Nd — концентрация атомов примеси;

Sd – эффективная плоскость рассеивания электронов атомами примеси.

Тогда удельное сопротивление проводника с примесью:

(4.13)

То есть наличие примесь увеличивает удельное сопротивление металла, но его зависимости от температуры остается линейной (рис. 4.3)

Различные примеси по-разному влияют на сопротивление металла. Это зависит от деформаций кристаллической решетки атомами примеси. Чем большая разность в размерах собственных и примесных атомов, тем больше остаточное сопротивление. То есть выполнится правило Линде:

ост = а +b(DZ)2 (4.14)

где ост — изменение остаточного сопротивления при изменении примеси;

DZ — разность валентностей собственного атома и атома примеси;

а, b — константы.

Таким образом, на сопротивление металлов меньшее влияние оказывают примесные атомы металла, а большее – атомы металлоидов.

В технике очень широко используют металлические сплавы, имеющие значительную концентрацию атомов примеси, со структурой неупорядоченного твердого раствора. Статическое распределение атомов разного вида в узлах кристаллической решетки вызывает значительные флюктуации периодического поля кристалла, рассеивающего электроны. Но в неупорядоченных твердых растворах, преимущественно с добавкой примеси, изменяется только период решетки. Поэтому действителен закон Нордгейма:

ocт = C.xA.xB = C. xB (1-xB) = C.xA(1-xA) (4.15)

де С — константа;

xА, xВ — атомные доли компонентов в сплаве.

То есть в бинарных твердых растворах А-В остаточное сопротивление возрастает, как при добавлении атомов металла В к металлу А, так и при добавленные атомов металла А к металлу В (рис. 4.4). Остаточное сопротивление достигает максимума при xА = xВ = 0,5.

Закон Нордгейма описывает изменение остаточного сопротивления для непрерывных неупорядоченных твердых растворов. Если сплав отжечь, то он может стать упорядоченным и, если при этом возникают интерметаллические соединения, которые имеют собственную кристаллическую решетку, то зависимость остаточного сопротивления разделяется на части, соответственно числу интерметаллических соединений. Таким образом, удельное сопротивление металлических сплавов всегда выше сопротивления чистых металлов. Это свойство используется для получения высокоомных проводниковых материалов.

Изменение удельного сопротивления при упругих деформациях объясняется изменением амплитуды колебания узлов кристаллической решетки металла. Увеличение амплитуды колебания узлов решетки металла приводит к уменьшению длины свободного пробега носителей заряда и удельное сопротивление возрастает. Пластическая деформация, как правило, повышает удельное сопротивление металлов вследствие искажения кристаллической решетки. При рекристаллизации путем термической обработки (отжига) удельное сопротивление может вновь снижено до первоначальных значений.

Температурный коэффициент удельного сопротивления.В диа­пазоне температуры, где зависимость r от t близка к линейной (рис. 4.2, участок 3) допустима линейно-кусочная аппроксимация этой зависимости, и величина удельного сопротивления в конце диапазона температу­ры t может быть подсчитана по формуле

rt = r0(1+art) (4.16)

где r0—удельное сопротивление в начале диапазона.

Величину arиз выражения (4.) называют средним темпера­турным коэффициентом удельного сопротивления в данном диа­пазоне температуры:

, К-1 (4.17)

Дифференциальное выражение для arимеет вид

, К-1 (4.18)

Значения arчистых металлов в твердом состоянии близки друг к другу, и поэтому приближенно можно считать ar » 0,004 , К-1.

Исключение составляют элементы, относящиеся к ферромагнетикам — железо, никель, кобальт, гадолиний, а также натрий, ка­лий, хром и др., однако и для них ar отличается от приведенной величины только в 1,5—2 раза.

Наличие примесей уменьшает значение αρ. У некоторых сплавов αρ. даже может приобретать небольшие отрицательные значения (рис.4.5). Это объясняют тем, что при более сложных составе и структурax по сравнению с чистыми металлами сплавы нельзя рассматривать как класси­ческие металлы, т. е. изменение проводи­мости их обусловливается не только из­менением подвижности носителей заряда но в некоторых случаях и частичным возрастанием концентрации носителей при повышении температуры. Сплав, у кото­рого уменьшение подвижности с увеличе­нием температуры компенсируется воз­растанием концентрации носителей заря­да, имеет нулевой температурный коэф­фициент удельного сопротивления.

Это явление используется для изготовления термостабильных сплавов, например, константана, манганина ). Константан — сплав с 60% Ni и 40% Сu имеет большое сопротивление (~0,5 мкОм×м) и очень малый температурный коэффициент (меньше 10-6 К-1), отсюда и его название.

Удельная теплопроводность металлов. Высокая теплопроводность металлов легко объясняется посредством передачи тепловой энергии атомов нагретого участка металла атомам холодного участка за счет переноса этой энергии коллективизированными электронами. Так как механизм электропроводности и теплопроводности в металлах обусловлен одними и теми же факторами: движением электронного газа и его плотностью, очевидно, что металлы с высокой электропроводностью являются также хорошими проводниками тепла, а диэлектрики обладают не только низкой электропроводностью, но и низкой теплопроводностью. Так, медь имеет удельную теплопроводность 406 Вт/К×м, серебро 453 Вт/К×м, алюминий 218 Вт/К×м, что значительно выше чем у диэлектриков. Удельная теплопроводность и электропроводность металлов связаны законом Видемана-Франца:

lТ / σ = L0Т (4.19)

где lТ — удельная теплопроводность.

σ — удельная электропроводность.

L0число Лоренца.

Поскольку на участке комнатных температур удельная электропроводность падает пропорционально температуре, то согласно (4.19), удельная теплопроводность металлов не должна зависеть от температуры. Это следствие из закона Видемана-Франца выполняется для большинства металлов. Это свойство применяют в технике, при использовании металлов как радиаторов для охлаждения мощных полупроводниковых приборов.

Для этой цели необходимо использовать металлы с большим значением удельной теплопроводности. Чаще всего, это сплавы на основе алюминия (силумин), которые имеют хорошие тепловые, механические и антикоррозийные свойства. Медь нельзя использовать вследствие её плохой коррозионной стойкости, а серебро — вследствие высокой стоимости.

Контактные явления и термоэлектродвижущая сила (термо-э.д.с.)

При соприкосновении двух разных металлов, между ними возникает контактная разность потенциалов. Согласно квантовой теории причиной этого является различная энергия Ферми соприкасающихся металлов. Пусть в изолированном состоянии электронный газ в металлах А и В имеет энергию Ферми WFA и WFB, отсчитываемую от дна зоны проводимости (рис.4.6).

Термодинамическая работа выхода электронов из металла равняется, соответственно, cА и cВ. Поскольку кинетическая энергия электронов, которые находятся на уровне Ферми в разных металлах различна, то при контакте материалов возникает значительный переход электронов из металла В с большим значением энергии Ферми в металл, где эта энергия меньше. Например, из металла В в металл А. Вследствие этого металл В заряжается положительно, а металл А — отрицательно. Между ними возникает разность потенциалов, которая блокирует дальнейший переход носителей заряда. Равновесие наступит, если:

eUK = WFB — WFA(4.20)

где UK — контактная разность потенциалов.

Наличие контактного поля обеспечивает равновесие потоков электронов из одного металла в другой. Равновесие вследствие большой скорости теплового движения устанавливается очень быстро (приблизительно за 10-16 с). Двойной слой d, который возникает при этом в области контакта, будет очень тонким (приблизительно равным периоду решетки), поэтому он не влияет на прохождение электрического тока через контакт. Поскольку энергия Ферми в металлах значительна, то контактная разность потенциалов достигает несколько вольт.

Термоэлемент, который построен из двух различных металлических проводников с замкнутой цепью, называют термопарой (рис.4.7).

Вольтметр в такой цепи будет показывать разность потенциалов, которую называют термоэлектродвижущей силой (термо-э.д.с.). Термо-э.д.с. равняется:

U @ aT 2 — Т1) (4.21)

где aT — относительная удельная термо-э.д.с.

Значение aT зависит от природы материалов и температуры и включает в себя три составляющих. Первая обусловлена температурной зависимостью контактной разности потенциалов, поскольку с ростом температуры уровень Ферми в металлах незначительно, но смещается.

Вторая составляющая обусловлена диффузией носителей заряда от горячих спаев к холодным. Поскольку существует градиент температуры от контакта к контакту, то возникает диффузия электронов от горячего контакта к холодному, что дает некоторый вклад в возникающую разность потенциалов.

Третья составляющая возникает вследствие захвата электронов квантами тепловой энергии. Их поток тоже передвигается к холодному контакту. Значение aT приблизительно равняется нескольким мкВ/К.

Термопары часто используют для измерения температуры. Если температуру холодного контакта поддерживать 0 ОС, то вольтметр будет показывать напряжение пропорциональное температуре горячего контакта. Достоинством термопар является высокая линейность, возможность измерения температуры в широком интервале температур, независимость значения термо-э.д.с. от длины проводников.

Вследствие того, что значение aT зависит от состава материала и незначительно от температуры, термопары градуируют, используя точки плавления металлов: свинца, олова, серебра и других.

Наиболее распространенными термопарами являются:

· Хромелькопель (типа ХК). Она позволяет измерять температуры до 600 ОС и имеет при этой температуре термо-э.д.с. приблизительно 50 мВ.

· Хромель-алюмель (типа ХА). Она используется к температурам 1000 ОС и имеет при этой температуре термо-э.д.с. приблизительно 40 мВ.

· Медь-константан. Ее используют при низких температурах до 350 ОС. При этой температуре термо-э.д.с. достигает 15 мВ.

· Платинородий-платина (типа ПП или ППР). Ее применяют до температуры 71600 ОС. Термо-э.д.с. у этой термопары невелика (приблизительно 14 мВ при 1600 ОС). Но она позволяет обеспечить наиболее точные и стабильные измерения температуры.

Однако явление термо-э.д.с. имеет и отрицательные стороны. В реальных условиях исключить градиенты температур практически невозможно. Поэтому, если контактируют различные металлы, то возможно возникновение паразитной термо-э.д.с. Для устранения этого в цепях (прежде всего электроизмерительных устройств), надо подбирать контактирующие металлы с малыми значениями термо-э.д.с. Такой парой, например, является медь-манганин.

Свойства проводниковых материалов

Свойства проводниковых материалов

Различные металлы и, конечно, сплавы из них, относятся к твердым проводниковым материалам. Немного рассмотрим свойства, которые имеют твердые проводниковые материалы. Известно, что свободные электроны являются носителями электрических зарядов в металлах. Они движутся беспорядочно при отсутствии внешнего электрического поля. В одном определенном направлении свободные электроны в проводнике начинают движение под действием электрического поля, образуя в последствии электрический ток.

Свойство металлов объясняется хорошей проводимостью электрического тока, а это значит металл обладает большой плотностью свободных электронов. Малое удельное сопротивление имеют химически чистые металлы. Как правило, сплавы по сравнению с чистыми металлами обладают большим удельным сопротивлением. Известно, что с повышением температуры сопротивление металлов увеличивается. Производя расчеты с целью выбора проводниковых материалов это необходимо учитывать, так как они нагреваются во время прохождения по ним электрического тока.

В среднем температурный коэффициент сопротивления чистых металлов составляет 4*10~3оС-1. Удельное сопротивление отдельных проводников при понижении температуры уменьшается, например: удельное сопротивление алюминия равно 0,05 нОм-м при температуре жидкого водорода 20° К, т.е. в 524 раза меньше, чем при температуре 20°С 293°К.

При охлаждении до определенной критической температуры, близкой к абсолютному нулю, у многих проводников, кроме золота, меди, серебра и некоторых других металлов, электрическое сопротивление скачкообразно падает до нуля. Это свойство называется у проводников сверхпроводимостью.

Широкое практическое применение в настоящее время находит явление сверхпроводимости, например, при сооружении трансформаторов, мощных электромагнитов, электрических машин, кабелей. Поддержание низких температур связано пока с большими материальными затратами, так как при работе электроустановок и электрооборудования обходится слишком дорого. Применяя проводниковые материалы в электроустановках, обращают внимание на плотность применяемых материалов, их удельное сопротивление и температурный коэффициент сопротивления, химические и механические свойства, температуру их плавления.

Различают проводниковые материалы по механическим свойствам: прочность при растяжении, изгибании, твердость, и т.п. При конструировании и проектировании электроустановок учитывают эти свойства. Химические свойства учитывают при выборе и применении проводниковых материалов. Например, если проводники требуется использовать в условиях повышенной влажности, то их помещают в герметические оболочки или даже в некоторых случаях защищают антикоррозионными покрытиями. Также выбирая проводники важно учитывать свойство соединения путем сварки и пайки.

Проводниковые материалы — Студопедия

Основным показателем, характеризующим проводниковые материалы, является электропроводность. В практических условиях удобнее оценивать проводниковые материалы по величине их электрического сопротивления.

На проводимость металла неблагоприятно влияют примеси: чем содержание их больше, тем меньше проводимость металла. Такие примеси, как марганец и алюминий, сильно снижают проводимость меди, а серебро, золото и цинк — в значительной степени. На удельную проводимость оказывает влияние пластическая деформация в холодном состоянии (наклеп). С увеличением степени деформации проводимость металла несколько снижается. При устранении наклепа рекристаллизационным отжигом проводимость восстанавливается.

В связи с этим отличают мягкие (отожженные) проводниковые металлы (в марках материалов обозначаются буквой М) и твердые (неотожженные), обозначаемые буквой Т. Наибольшей проводимостью обладают чистые металлы. Они составляют группу металлов высокой проводимости. Другую группу проводниковых материалов составляют сплавы высокого электрического сопротивления.

Проводниковые металлы с малым удельным сопротивлением. К металлам, имеющим малое удельное сопротивление относятся: медь, алюминий, железо, серебро, вольфрам, никель и некоторые другие.

Медь является основным проводниковым материалом. Она, кроме малого удельного сопротивления, имеет достаточно высокую механическую прочность, которая зависит от степени наклепа, высокую пластичность, по­зволяющую получать прокаткой тонкие листы и ленту, а протяжкой — тонкую проволоку диаметром до 0,01 мм, удовлетворительную стойкость против коррозии, относительную легкость пайки и сварки.



В качестве проводникового материала используют медь марок M1 и М0, содержащие соответственно примесей до 0,1% и до 0,05%.

Твердую (наклепанную) медь применяют для проводов контактной сети, для шин распределительных устройств, для пластин коллекторов электрических машин и пр.

Мягкую (отожженную) медь в виде проволоки круглого и прямоугольного сечения применяют в качестве токопроводящих жил кабелей и обмоточных проводов.

Сплавы меди (бронзы) имеют более высокие механические свойства, чем медь. Их используют для изготовления контактных проводов, коллекторных пластин и других токопроводящих деталей, например пружин. В качестве проводникового материала других сплавов применяют кадмиевую, кадмиево-оловянистую и бериллиевую бронзы.


Алюминий является основным заменителем меди в качестве проводникового материала, так как обладает достаточно высокой электропроводностью. Электрическое сопротивление алюминия невелико, однако оно в 1,6 раза больше, чем у меди. Поэтому при одинаковой длине и общем сопротивлении сечение алюминиевого провода должно быть в 1,6 раза больше сечения медного провода. Следовательно, если имеется ограничение изделия по габаритам (например, при изготовлении обмоток электрических машин), то применение алюминиевых проводников создаст затруднения.

Алюминий широко применяется по экономическим соображениям в качестве проводникового материала в воздушных линиях электропередач, что вызвано тем, что при одинаковом электрическом сопротивлении, он почти в 2 раза легче меди. Кроме того он устойчив против коррозии, но имеет небольшую прочность.

Железо, точнее сталь как проводниковый материал применяется редко, так как имеет высокое удельное электрическое сопротивление. Стальная проволока используется главным образом в качестве сердечников биметаллических проводов (рис.1). Стальная оцинкованная проволока высокой прочности используется в качестве сердечников сталеалюминиевых проводов для повышения их механической прочности.

Проводники постоянного тока изготовляют из армкожелеза, содержащего не более 0,03 % С.

Серебро среди всех металлов имеет самое низкое удельное электриче­ское сопротивление, поэтому оно применяется для изготовления электрических контактов в электрических аппаратах и как составная часть прочных припоев.

Рисунок 1 — Поперечное сечение биметаллического провода

Платина весьма устойчива против коррозии и не растворяется в ряде кислот. Введение в платину 3-6% иридия или 5-12% родия повышает сопротивление платины окислению при температуре 1000°С и выше. Термопары из платиновой и платинородиевой проволоки применяют для измерения температур до 1500°С, из платины и ее сплавов изготовляют контакты.

Вольфрам и молибден используют при изготовлении электровакуумных приборов. Они идут на изготовление спиралей накала, поддерживающих крючков, катодов. Тугоплавкость и высокая твердость позволяют применять вольфрам и сплавы вольфрама с молибденом для изготовления размыкающих контактов в электрических аппаратах. В электровакуумной технике применяют и другие тугоплавкие металлы: никель, тантал, ниобий и др.

Ртуть сохраняет свое жидкое состояние до -39°С. Она стойка к окислению. Медь, цинк, свинец, никель, олово, серебро и золото растворяются в ртути. Ртуть применяют в качестве жидких контактов в специальных реле, выключателях и ртутных выпрямителях.

Проводниковые материалы с большим удельным сопротивлением должны обладать стойкостью к окислению при высокой температуре, малым температурным коэффициентом сопротивления. К ним относятся медно-никелевые, никелевые и жаропрочные сплавы. Медно-никелевые электротехнические сплавы — это манганин и константан.

Манганин (МНМц 3-12) содержит около 3% никеля и 12% марганца, остальное — медь. Он обладает высоким электросопротивлением при малом температурном коэффициенте сопротивления. Манганиновую проволоку применяют для обмоток катушек сопротивления различных приборов, работающих до 100°С, а также используют в измерительных приборах.

Константан (МНМц 40-1,5) содержит около 40 % никеля и 1,5% мар­ганца, остальное — медь. Применяется в виде проволоки для термопар и рео­статов высокого сопротивления, работающих до 500°С.

Никелевые сплавы с марганцем (НМц 2,5 и НМц 5) применяют для изготовления автомобильных свечей и радиоламп. Жаростойкие сплавы используют в электронагревательных приборах и печах сопротивления с рабочей температурой до 1200 °С. К ним относятся: хромоникелевые сплавы (нихромы) — Х20Н80, сплавы на основе никеля, хрома и железа (ферронихромы) — Х15Н60, Х25Н20; тройные сплавы железа, хрома, алюминия (фехрали, хромали) — Х13Ю4, Х17Ю5. Перечисленные сплавы представляют собой твердые растворы. При нагревании на их поверхности образуется плотная защитная пленка (Сг2О3) и закиси никеля, которая надежно предохраняет сплав от окисления.

Электрические свойства проводниковых материалов





⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 8Следующая ⇒

В качестве проводниковых материалов используют чистые металлы, а также сплавы металлов. Наибольшей проводимостью обладают чистые металлы, исключением является ртуть. Из меди и алюминия изготовляют обмоточные, монтажные, установочные кабели и провода. Алюминий относится к группе легких металлов. Плотность его равна 2,7 г/см3. Доступность, большая проводимость, а также стойкость к атмосферной коррозии позволили широко применять алюминий в электротехнике. Недостатками алюминия являются невысокая механическая прочность при растяжении и повышенная мягкость даже у твердотянутого алюминия. Алюминий – металл серебристого цвета или серебристо-белого. Его температура плавления составляет 658–660 °C.

Голые провода алюминия могут достаточно длительное время работать благодаря тому, что алюминий в короткое время покрывается тонкой пленкой окисла. Это служит защитой от воздействия кислорода.

Оксидная пленка на алюминиевых проводах имеет значительное электрическое сопротивление, в связи с чем в местах соединения алюминиевых проводов образуются большие переходные сопротивления. Места соединения очищают при использовании вазелина с целью предотвращения влияния кислорода на алюминий.

При увлажнении мест соединения алюминиевых проводов с другими проводами из других металлов (медных, железных), полученных механическим способом (болтовые соединения), образуются гальванические пары с определенной электродвижущей силой. В данном случае алюминиевый провод под воздействием местного тока будет разрушаться.

С целью предотвращения образования гальванических паров во влажной атмосфере места соединения с другими проводами из других металлов должны быть тщательно защищены от влаги лакированием и другими способами.

Непосредственную коррозию алюминия вызывают оксиды азота (NO), хлор (Cl), сернистый газ (SCy, соляная и серные кислоты и другие агенты. Надежные соединения проводов друг с другом, а также с проводами из других металлов осуществляются с помощью холодной или горячей сварки. Чем выше химическая чистота алюминия, тем он лучше сопротивляется коррозии. Поэтому наиболее чистые сорта алюминия с содержанием чистого металла 99,5 % идут для изготовления электродов в электрических конденсаторах, для изготовления алюминиевой фольги и обмоточных проводов малых диаметров 0,05-0,08 мм. Применяют проводниковый алюминий, содержащий чистого металла не менее 99,7 %. Для изготовления проволоки применяют алюминий



с содержанием чистого металла не менее 99,5 %. Алюминиевую проволоку изготовляют путем волочения и прокатки. Проволока из алюминия бывает трех видов марок: АМ (мягкая отожженная), АПТ (полутвердая) и АТ (твердая неотожженная). Проволоку выпускают диаметром от 0,08 до 10 мм.

Полупроводники составляют обширную область материалов, отличающихся друг от друга большим многообразием электрических и физических свойств, а также большим многообразием химического состава, что и определяет различные назначения при их техническом использовании. По химической природе полупроводники можно разделить на следующие четыре главные группы.

1. Кристаллические полупроводниковые материалы, построенные из атомов и молекул одного элемента.

2. Окисные кристаллические полупроводниковые материалы, то есть материалы из окислов металлов.

3. Кристаллические полупроводниковые материалы на основе соединений атомов третей и пятой групп системы элементов таблицы Менделеева.

4. Кристаллические полупроводниковые материалы на основе соединений серы, селена, меди, свинца – они называются сульфидами, селенидами.

Карбид кремния относится к первой группе полупроводниковых материалов и является наиболее распространенным монокристаллическим материалом. Этот полупроводниковый материал представляет собой смесь множества малых кристалликов, беспорядочно спаянных друг с другом. Карбид кремния образуется при высокой температуре при соединении графита и кремния. Его используют в фотоэлементах, диодах.

Возможность повышения рабочей температуры изоляции для практики очень важна. В электрических машинах и аппаратах повышение нагрева, которое обычно ограничивается именно материалами электрической изоляции, дает возможность получить большую мощность при тех же габаритах или же при сохранении мощности уменьшить размеры и стоимость изделия.




ГОСТ предусматривает разделение электроизоляционных материалов для электрических машин, трансформаторов и аппаратов на классы нагревостойкости, для которых фиксируются наибольшие допустимые рабочие температуры при использовании этих материалов в электрооборудовании общего применения, длительно работающего в нормальных для данного вида электрооборудования эксплуатационных условиях.

При этих температурах обеспечиваются целесообразные сроки службы электрооборудования.

К классу Y относятся волокнистые материалы на основе целлюлозы и шелка (пряжа, ткани, ленты, бумаги, картоны, древесина и т. п.), если они не пропитаны и не погружены в жидкий электроизоляционный слой.

16. Методы определения электрических свойств

Металлы с высокой электропроводностью (медь, алюминий) используются в электромашиностроении, для устройства линий электропередачи, а сплавы с высоким электросопротивлением – для ламп накаливания электронагревательных приборов.

Тепловые свойства диэлектриков: нагревостойкость, холодостойкость, теплопроводность, тепловое расширение.

Нагревостойкость – способность электроизоляционных материалов и изделий без вреда для них некоторое время выдерживать воздействие высоких температур. Нагревостойкость неорганических диэлектриков определяется по началу существенного изменения электрических свойств. А нагревостойкость органических диэлектриков – по началу механических деформаций растяжения или изгиба, погружению иглы в материал под давлением при нагреве, по электрическим характеристикам.

Тепловое старение изоляции – ухудшение качества изоляции, определяемое при длительном воздействии повышенной температуры.

На скорость старения влияет температура, при которой работает изоляция электрических машин и других электроизоляционных конструкций.

Влияние на скорость старения также оказывают изменение давления воздуха или концентрация кислорода, присутствие озона, химических реагентов, замедляющих или ускоряющих старение. Тепловое старение ускоряется от освещения ультрафиолетовыми лучами, от воздействия электрического поля, механических нагрузок.

ГОСТ предусматривает разделение электроизоляционных материалов для электрических машин, трансформаторов и аппаратов на классы нагревостойкости. При допустимых температурах обеспечиваются целесообразные сроки службы электрооборудования.

Класс Y: волокнистые материалы на основе целлюлозы и шелка, не пропитанные и не погруженные в жидкий электроизоляционный слой.

Класс А: органические волокнистые материалы, работающие пропитанными лаками и погруженные в жидкий электроизоляционный материал, т. е. защищены от воздействия кислорода воздуха.

Класс Е: пластические массы с органическим наполнителем и термореактивным связующим типа фенолофор-мальдегидных и подобных им смол, изоляция эмалированных проводов на полиуретановых и эпоксидных лаках. К классам Y, А, Е относятся чисто органические электроизоляционные материалы.

Электрическая прочность определяется пробивным напряжением, отнесенным к току диэлектрика в месте пробоя.

Пробой жидких диэлектриков происходит в результате ионизационных тепловых процессов.

Главный фактор пробоя – наличие посторонних примесей.

Наличие примесей вызывает затруднения для создания теории пробоя этих веществ. Поэтому представления теории электрического пробоя применяют к жидкостям, максимально очищенным от примесей.

При высоких значениях напряженности электрического поля может происходить вырывание электронов из металла электродов и разрушение молекул самой жидкости за счет ударов заряженными частицами. При этом большая электрическая прочность жидких диэлектриков по сравнению с газообразными объясняется значительно меньшей длиной свободного пробега электронов.

Пробой жидкостей, содержащих газовые включения, объясняется местным перегревом жидкости (за счет энергии, выделяющейся в сравнительно легко ионизирующихся пузырьках газа), который приводит к образованию газового канала между электродами.

Наличие воды в жидком диэлектрике снижает его электрическую прочность. Вода при нормальной температуре содержится в диэлектрике в виде мельчайших капелек. Под влиянием электрического поля капельки поляризуются и создают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым происходит электрический пробой.

Наблюдается своеобразная зависимость электрической прочности жидкого диэлектрика, содержащего воду от температуры. При повышении температуры вода переходит в состояние молекулярного раствора, в котором она слабо влияет на величину электрической прочности. Электрическая прочность жидкого диэлектрика возрастает до некоторого максимума. Дальнейшее снижение электрической прочности объясняется явлениями кипения жидкости.

Увеличение электрической прочности трансформаторного масла при низких температурах связывают с увеличением вязкости масла и меньшими значениями диэлектрической проницаемости льда по сравнению с водой.

Твердые вкрапления (сажа, волокна) искажают электрическое поле внутри жидкости и также приводят к снижению электрической прочности диэлектрических жидкостей.

Очистка жидких диэлектриков от примесей заметно повышает электрическую прочность. Так, например, неочищенное трансформаторное масло имеет электрическую прочность примерно 4 МВ/м; после тщательной очистки она повышается до 20–25 МВ/м.

На пробой жидких диэлектриков, как и газов, оказывает влияние форма электродов: с увеличением степени неоднородности электрического поля пробивное напряжение при одинаковых расстояниях снижается. В неоднородных электрических полях, так же как и в газах, может быть неполный пробой – корона. Длительная корона в жидких диэлектриках недопустима, т. к. она вызывает разложение жидкости.

Частота тока влияет на электрическую прочность.











Физические свойства проводниковых материалов — Студопедия

Материал Температура плавления, °С Температура
кипения
 
Плотность, кг/м3 Удельная теплоемкость, Дж/(кг·К)
 
Коэффициент теплопроводности, Вт (м·К)
 
 
ТК линейного расширения, 108 , К-1
 
 
 
Удельное электрическое сопротивление, мкОм·м
 
 
ТК удельного сопротивления, 104, К-1
 
Ртуть
Цезий
Галий
Калий
Натрий
Индий
Литий
Олово
Кадмий
Свинец
Цинк
Магний
Алюминий
Барий
Серебро
Золото
Медь
Берилий
Никель
Кобальт
Железо
Палладий
Титан
Платина
Хром
Торий
Цирконий
Иридий
Ниобий
Молибден
Тантал
Рений
Вольфрам
-39,8
28,5
29,7
63,7
97,8
156,0
186,0
232,0
321,0
327,0
420,0
651,0
657,0
710,0
961,0
1063,0
1083,0
1284,0
1455,0
1492,0
1535,0
1554,0
1725,0
1773,0
1850,0
1850,0
1860,0
2350,2
2410,0
2602,0
2850,0
3180,0
3380,0































-























































-



-





-
-










-









-
-


-




61,0
95,0
18,0
80,0
70,0
25,0
-
23,0
30,0
29,0
31,0
26,0
24,0
17,0
19,0
14,0
16,0
13,0
13,0
12,0
11,0
12,0
8,1
6,5
11,2
9,0
5,4
-
7,2
5,1
6,5
4,7
7,4
0,958
0,210
0,560
0,069
0,046
0,090
-
0,210
0,076
0,210
0,059
0,045
0,028
0,500
0,016
0,024
0,017
0,040
0,073
0,062
0,098
0,110
0,480
0,105
0,210
0,186
0,410
-
0,140
0,057
0,135
0,210
0,055


-



-



-










-

-
-


-




В связи с этим зна­чение удельной проводимости зависит в основном от средней длины свободного пробега электронов в конкретном, проводнике. Тепло­вая скорость, в свою очередь, определяется структурой проводни­кового материала. Так, например, для чистых металлов с наибо­лее правильной кристаллической решеткой значения удельного со­противления являются минимальными. И наоборот, наличие при­месей и дефектов в решетке приводит к увеличению ρ. Указанные явления находят свое подтверждение и с точки зре­ния волновой природы электронов. Электронные волны, распро­страняясь в проводниковом материале, частично теряют свою энер­гию на дефектах кристаллической решетки проводника, размеры которых соизмеримы с четвертью длины электронной волны.



Так как длина волны в металлическом проводнике составляет 0,5 нм (0,5·10-9 м), то имеющиеся в нем даже микродефекты создают зна­чительное рассеяние энергии, что приводит к уменьшению подвиж­ности электронов и, следовательно, к снижению δ.

Вместе с тем удельная проводимость металлов практически не зависит от напряженности электрического поля, значение которого может изменяться в довольно широких пределах, что полностью соответствует закону Ома (дифференциальная форма записи)


j =δE,(6.2)

где j – плотность тока, А/м2; Е – напряженность электрическо­го поля, В/м.

Удельное сопротивление проводника с сопротивлением R, се­чением S и длиной l может быть рассчитано по формуле

ρ=RS/l (6.3)

При этом ρ выражается в Ом·мм2/м, такая внесистемная едини­ца часто используется на практике, так как длину проводника удоб­нее выражать в метрах, а площадь поперечного сечения – в квад­ратных миллиметрах. Для перевода внесистемной единицы ρ в СИ можно использовать соотношение 1 Ом·м =104 мкОм·м =106 Ом·мм2/м.

Рис. 6.2. Зависимость ρ сплавов Cu-Ni от состава.

Удельное сопротивление сплавов определяется в основном нали­чием примесей и нарушением структуры входящих в них металлов. Особенно резко оно возрастает, когда при сплавлении двух метал­лов образуется твердый раствор, т. е. они совместно кристаллизуют­ся. При этом атомы одного металла входят в кристаллическую ре­шетку другого. На рис. 6.2 представлена зависимость удельного сопротивления сплава двух металлов, образующих друг с другом твердый раствор. Эта зависимость наглядно иллюстрирует отмечен­ные выше явления.

Как видно из рис. 6.2, кривая имеет характерный максимум, соответствующий вполне определенному соотношению между со­держанием компонентов в данном сплаве, при котором наличие дефектов в кристаллических решетках меди и никеля будет максималь­ным.

Когда же при сплавлении двух металлов наблюдается раздель­ная кристаллизация и структура застывшего сплава представляет собой смесь кристаллов каждого из компонентов, удельное сопротивление ρ меняется с изменением состава практически линейно.

Следует отметить также, что при определенном соот­ношении между компонента­ми могут образовываться явно выраженные химичес­кие соединения — интерметаллиды, для которых зави­симость ρ от состава имеет ха­рактерные изломы (рис. 6.3).

Большую часть интерме­таллидов, как показали ра­боты А.Ф.Иоффе, можно отнести не к металлам, а к полупроводникам, с элект­ронным характером электро­проводности.

Рис. 6.3. Зависимость удельного сопротивления сплавов Zn-Mg от состава: 1 – чистый Mg; 2 – MgZn; 3 – Mg2Zn3; 4 – MgZn4; 5 – MgZn6; 6 – чистый Zn.

Факторы, влияющие на значение удельного сопро­тивления. Как уже отмеча­лось выше, удельное сопро­тивление металлов связано в основном с рассеянием энер­гии свободных электронов надефектах кристаллической решетки, к которым относят­ся примесные атомы, вакан­сии, дислокации, и тепловых колебаниях собственных ато­мов. Поэтому удельное сопротивление ρ можно представить как

ρ = ρтепл+ ρост , (6.4)

где ρтепл – удельное сопротивление, обусловленное в основном тепловыми колебаниями решетки; ρост – удельное сопротивление, вызванное наличием дефектов в кристаллической решетке.

Характерная для металлов зависимость удельного сопротивле­ния от температуры приведена на рис. 6.4. Наглядно видно, что при температурах, превышающих температуру Дебая θ, которая для металлов находится в пределах 400-800°С, удельное сопротивле­ние возрастет практически линейно и обусловлено в основном уси­лением тепловых колебаний решетки. При этом уменьшается сред­няя длина свободного пробега электронов, их подвижность, а сле­довательно, уменьшается и проводимость металла.

В области низких (криогенных) температур значение ρ почти не зависит от температуры и определяется только сопротивлением ρост.

Характер зависимости от температуры для большинства метал­лов резко изменяется при переходе из твердого состояния в жидкое.

Рис. 6.4. Зависимость удельного сопротивления металла от температуры.

При достижении температуры плавления для металлов увеличивающих объем и уменьшающих плотность, а следовательно и концентрацию носителей. Сопротивление их возрастет. Для металлов, уменьшающих свой объем при плавлении (галлий, висмут, сурьма), значение удельного сопротивления имеет тенденцию к уменьшению.

Изменение удельного сопротивления металлического проводни­ка с температурой принято характеризовать температурным коэф­фициентом удельного сопротивления ТК ρ или αρ-1).

Если температура металла изменяется в узких пределах, то для практических целей удобно использовать кусочно-линейную ап­проксимацию зависимости ρ =ƒ(Т), которая позволяет определить средний температурный коэффициент удельного сопротивления

(6.5)

где ρ0 – удельное сопротивление вря температуре Т0, принятой за начальную, а ρ1 – при температуре Т1. Температуру T0обычно принимают равной 20 С, и поэтому значение αρ часто приводится при 20С

Используя значение коэффициента , определенное для интер­вала температур Т1Т0, можно достаточно точно определить удель­ное сопротивление ρ2для любой температуры Т2внутри этого ин­тервала:

(6.6)

Для металлов значение αρ достаточно велико (4·10-3 К1-), а у большинства сплавов — значительно меньше (10-1 — 106 К 1).

К числу факторов, влияющих на удельное сопротивление метал­лических проводников, относится и магнитное поле, под действием которого происходит искривление траектории движения электро­нов, что приводит к изменению электро­проводности.

Как известно, металлические провод­ники и сплавы применяются в электротех­нике обычно в виде проволоки различной формы и сечений, которая изготовляется в процессе ее протяжки или волочения.

При деформации металла в холодном состоянии наблюдается искажение кристаллической решетки, что приводит также к увеличению удельного сопротивления.

Рис. 6.5. Схема термопары.

Устранить данное явление позволяет отжиг, в ходе которого металл и сплав сначала нагреваются до высокой температуры, а за­тем медленно охлаждаются. В результате процесса рекристаллиза­ции происходит восстановление искаженной структуры и удельное сопротивление уменьшается.

Термодвижущая сила. Между двумя различными проводниками (или полупроводниками) при их соприкосновении возникает кон­тактная разность потенциалов, которая обусловлена разностью зна­чений работы выхода электронов из различных металлов (рис. 6.5). В соответствии с электронной теорией металлов контактная раз­ность потенциалов между проводниками 1 и 2 может быть опреде­лена как

, (6.7)

где U1 и U2 – потенциалы соприкасающихся металлов; п01и n02 – концентрация электронов в проводниках 1 и 2; k=1.38·10-23 Дж/К – постоянная Больцмана; q – абсолютная величина заря­да электрона.

Если температуры «спаев» одинаковы, то в замкнутой цепи сум­ма разности потенциалов равна нулю. Когда же равенство темпера­тур не наблюдается, между проводниками возникает термоЭДС, ко­торую можно рассчитать по формуле:

E=U1-2+U2-1=C(Tг -Tx) (6.8)

где С= — коэффициент, характеризующий данную пару (мкВ/К).

Зависимость термоЭДС от разности температур спаев не всегда линейна и, следовательно, необходимо корректировать коэффициент С в соответствии со значениями температур Тги Тх.

Два изолированных проводника, соединенных между собой с помощью пайки или сварки, называются термопарой и приме­няются для измерения температуры. Для изготовления термопар используются проводники, обладающие большим и стабильным коэффициентом термоЭДС.

15. Электрические свойства проводниковых материалов. Материаловедение. Шпаргалка

15. Электрические свойства проводниковых материалов

В качестве проводниковых материалов используют чистые металлы, а также сплавы металлов. Наибольшей проводимостью обладают чистые металлы, исключением является ртуть. Из меди и алюминия изготовляют обмоточные, монтажные, установочные кабели и провода. Алюминий относится к группе легких металлов. Плотность его равна 2,7 г/см3. Доступность, большая проводимость, а также стойкость к атмосферной коррозии позволили широко применять алюминий в электротехнике. Недостатками алюминия являются невысокая механическая прочность при растяжении и повышенная мягкость даже у твердотянутого алюминия. Алюминий – металл серебристого цвета или серебристо-белого. Его температура плавления составляет 658–660 °C.

Голые провода алюминия могут достаточно длительное время работать благодаря тому, что алюминий в короткое время покрывается тонкой пленкой окисла. Это служит защитой от воздействия кислорода.

Оксидная пленка на алюминиевых проводах имеет значительное электрическое сопротивление, в связи с чем в местах соединения алюминиевых проводов образуются большие переходные сопротивления. Места соединения очищают при использовании вазелина с целью предотвращения влияния кислорода на алюминий.

При увлажнении мест соединения алюминиевых проводов с другими проводами из других металлов (медных, железных), полученных механическим способом (болтовые соединения), образуются гальванические пары с определенной электродвижущей силой. В данном случае алюминиевый провод под воздействием местного тока будет разрушаться.

С целью предотвращения образования гальванических паров во влажной атмосфере места соединения с другими проводами из других металлов должны быть тщательно защищены от влаги лакированием и другими способами.

Непосредственную коррозию алюминия вызывают оксиды азота (NO), хлор (Cl), сернистый газ (SCy, соляная и серные кислоты и другие агенты. Надежные соединения проводов друг с другом, а также с проводами из других металлов осуществляются с помощью холодной или горячей сварки. Чем выше химическая чистота алюминия, тем он лучше сопротивляется коррозии. Поэтому наиболее чистые сорта алюминия с содержанием чистого металла 99,5 % идут для изготовления электродов в электрических конденсаторах, для изготовления алюминиевой фольги и обмоточных проводов малых диаметров 0,05-0,08 мм. Применяют проводниковый алюминий, содержащий чистого металла не менее 99,7 %. Для изготовления проволоки применяют алюминий

с содержанием чистого металла не менее 99,5 %. Алюминиевую проволоку изготовляют путем волочения и прокатки. Проволока из алюминия бывает трех видов марок: АМ (мягкая отожженная), АПТ (полутвердая) и АТ (твердая неотожженная). Проволоку выпускают диаметром от 0,08 до 10 мм.

Полупроводники составляют обширную область материалов, отличающихся друг от друга большим многообразием электрических и физических свойств, а также большим многообразием химического состава, что и определяет различные назначения при их техническом использовании. По химической природе полупроводники можно разделить на следующие четыре главные группы.

1. Кристаллические полупроводниковые материалы, построенные из атомов и молекул одного элемента.

2. Окисные кристаллические полупроводниковые материалы, то есть материалы из окислов металлов.

3. Кристаллические полупроводниковые материалы на основе соединений атомов третей и пятой групп системы элементов таблицы Менделеева.

4. Кристаллические полупроводниковые материалы на основе соединений серы, селена, меди, свинца – они называются сульфидами, селенидами.

Карбид кремния относится к первой группе полупроводниковых материалов и является наиболее распространенным монокристаллическим материалом. Этот полупроводниковый материал представляет собой смесь множества малых кристалликов, беспорядочно спаянных друг с другом. Карбид кремния образуется при высокой температуре при соединении графита и кремния. Его используют в фотоэлементах, диодах.

Возможность повышения рабочей температуры изоляции для практики очень важна. В электрических машинах и аппаратах повышение нагрева, которое обычно ограничивается именно материалами электрической изоляции, дает возможность получить большую мощность при тех же габаритах или же при сохранении мощности уменьшить размеры и стоимость изделия.

ГОСТ предусматривает разделение электроизоляционных материалов для электрических машин, трансформаторов и аппаратов на классы нагревостойкости, для которых фиксируются наибольшие допустимые рабочие температуры при использовании этих материалов в электрооборудовании общего применения, длительно работающего в нормальных для данного вида электрооборудования эксплуатационных условиях.

При этих температурах обеспечиваются целесообразные сроки службы электрооборудования.

К классу Y относятся волокнистые материалы на основе целлюлозы и шелка (пряжа, ткани, ленты, бумаги, картоны, древесина и т. п.), если они не пропитаны и не погружены в жидкий электроизоляционный слой.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Читать книгу целиком

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

Типы проводящих материалов

Conductive thermoplastic compounds Проводящие термопластические соединения делятся на основные классификации в зависимости от их электрических свойств и скорости затухания статических зарядов.

Антистатические составы (10 10 — 10 12 )

Обеспечивает очень медленное затухание статического заряда, от сотых долей до нескольких секунд, предотвращая накопления, которые могут быть источником разряда или инициировать другие близлежащие электрические события.

В нашей линейке полностью полимерных смесей PermaStat ® эти свойства присущи материалу и не зависят от влажности для активации или ограничены хрупкостью, как покрытия.

Статические диссипативные соединения (10 6 -10 12 )

Позволяет рассеивать или разлагать электрические заряды с гораздо большей скоростью, чем антистатические материалы, обычно в пределах миллисекунд. Измеренное сопротивление равномерное и обычно сильное.

Материалы, обеспечивающие идеальную защиту от электростатического разряда (от 10 6 до 10 9 ), находятся на нижнем конце диапазона рассеивания статического электричества. Доступные соединения включают марки с наполнителем из углеродных частиц в нашей линейке продуктов ESD-A.

Проводящие соединения (10 1 до 10 6 )

Скорость затухания, измеренная в наносекундах, достаточно мгновенная, чтобы обеспечить заземление и отвести более сильные электрические заряды.

Этот уровень проводимости достигается за счет включения углеродного волокна, большого количества углеродного порошка или других проводящих добавок и доступен в нашей линейке продуктов ESD-C.

Защитные компаунды EMI / RFI (10 1 -10 4 )

Аттестованные не только по электрической проводимости, материалы этого типа используются из-за их способности поглощать или отражать электромагнитную энергию и, таким образом, обеспечивать защиту от источников помех.

В продуктах, обеспечивающих защитные свойства, используются волокна из нержавеющей стали или металлизированные волокна, которые входят в нашу линейку продуктов EMI.

Узнайте больше о нашей линейке проводящих продуктов!

Узнайте больше о технологиях для придания пластмассам проводящих свойств и о процессе разработки специального состава для требований вашего приложения.

Брошюра по проводимости

Дополнительная информация

Бюллетени по инновациям

Технические описания

.

Электропроводящий бетон: свойства и потенциал

Келли Болдуин

Опубликовано в Construction Canada , v. 98, no. 1, январь / февраль 1998 г., стр. 28-29

Abstract : Электропроводящий бетон — это композит на основе цемента, который содержит электронно-проводящие компоненты, обеспечивающие стабильную и относительно высокую проводимость. Потенциальные области применения включают электрическое отопление для защиты от обледенения гаражей, тротуаров, проездов, автомобильных мостов и взлетно-посадочных полос, а также для электрического заземления.

Резюме : Le béton conducteur — это составной элемент, содержащий определенное количество элементов, обеспечивающих стабильную электрическую проводимость и относительное соответствие. Возможны следующие приложения: электрические электрические автоматы для ремонта, гаражи, станции, тротуары, пути, мосты и лыжные трассы, и т.д.

Обзор

Хотя бетон существовал в различных формах на протяжении большей части зарегистрированной истории, это материал, который все еще имеет возможности для интересных разработок.В течение ряда лет было предпринято много безуспешных исследовательских усилий по разработке бетона, который мог бы сочетать хорошую электропроводность с превосходными инженерными свойствами обычных бетонных смесей. Институт исследований в строительстве (IRC) преуспел в достижении этой сложной цели с помощью запатентованного изобретения, представляющего собой электропроводящий бетон (сокращенно «проводящий бетон»), которое открывает перспективы для использования в различных строительных областях.

Текущие исследования IRC в настоящее время направлены на оптимизацию составов проводящего бетона для получения наилучшего сочетания прочности, электрических свойств и методов производства при минимально возможных затратах, что в конечном итоге приводит к коммерческой разработке и широкому использованию.

Объявления

Недвижимость

Проводящий бетон — это композит на основе цемента, который содержит определенное количество электронно-проводящих компонентов для достижения стабильной и относительно высокой проводимости. По сути, заполнители, обычно используемые в бетоне, можно в значительной степени заменить различными материалами на основе углерода для достижения электропроводности в проводящем бетоне. Это достигается при сохранении требуемых инженерных свойств, как указано в таблице 1.Электропроводность обычно на несколько порядков выше, чем у обычного бетона. Обычный бетон является эффективным изолятором в сухом состоянии и имеет нестабильные и значительно более высокие характеристики удельного сопротивления, чем проводящий бетон, даже во влажном состоянии.

Таблица 1. Электропроводящие свойства бетона

Удельное электрическое сопротивление (омега — см)

1–40

Прочность на сжатие (МПа)

30 минимум

Прочность на изгиб (МПа)

5–15

Плотность (кг / м3)

1450–1850

Электропроводящий бетон можно производить с использованием обычных методов перемешивания.Процесс смешивания можно контролировать, что позволяет разрабатывать рецептуры смеси, которые можно надежно воспроизводить, и достигать значений удельного электрического сопротивления в пределах общего целевого расчетного диапазона.

Характеристики

Хотя инженерные свойства и характеристики смешивания проводящего и обычного бетона сравнимы, проводящий бетон имеет другие отличительные характеристики, помимо его способности проводить электричество.

  • Значение проводимости стабильное.Влияние влажности, времени гидратации и температуры на проводимость незначительно.
  • Он легкий: обычно смешанный проводящий бетон имеет плотность около 70 процентов от плотности обычного бетона.
  • Токопроводящий бетон химически совместим с обычным бетоном и хорошо сцепляется с ним при использовании в качестве перекрытия.
  • Термическая стабильность сравнима со стабильностью обычного бетона.
  • Электропроводящий бетон имеет темно-серый цвет, что отражает содержание углерода.

Приложения

Электропроводящий бетон имеет потенциал для решения широкого круга задач, включая заземление, нагрев, катодную защиту арматурной стали в бетонных конструкциях, таких как мосты и гаражи, а также электромагнитное экранирование. Некоторые из этих многообещающих приложений описаны более подробно ниже.

Электрическое отопление. Электрический обогрев с использованием токопроводящего бетона имеет отличный потенциал для использования в жилых помещениях и на открытом воздухе, особенно для удаления льда с гаражей, тротуаров, проездов, автомобильных мостов и взлетно-посадочных полос аэропортов.Этот метод нагрева устранит или резко снизит потребность в использовании соли, обеспечивая тем самым эффективную и экологически безопасную альтернативу. Электропроводящий бетон сам по себе является нагревательным элементом и, таким образом, способен более равномерно генерировать тепло по всей нагреваемой конструкции.

Объявления

В рамках предкоммерческого процесса разработки была построена открытая отапливаемая территория размером 13 х 3 м, размером примерно с небольшую подъездную дорогу, с заделанным проводящим бетонным слоем (рис. 1).Поверхность постоянно поддерживалась сухой и свободной от снега в течение большей части зимы в Оттаве, успешно таяло более 3,5 м от общего скопления снега и обеспечивая масштабное доказательство концепции применения для удаления льда из токопроводящего бетона.

Также существует возможность использования токопроводящего бетона в качестве внутреннего источника лучистого тепла. Как для защиты от обледенения, так и для лучистого отопления потребуются соответствующие изменения в канадских электротехнических правилах, прежде чем станет возможным коммерческое использование в общественных местах.

Электрическое заземление. Заземление требуется практически для каждой электрической установки. Основное назначение электрического заземления — защитить оборудование и людей в случае отказа электрических систем или в особых ситуациях, таких как присутствие молнии или статического электричества. Защита достигается за счет правильного электрического соединения между системами, обычно путем встраивания электрода под землю.

Создание эффективной, экономичной и надежной системы электрического заземления всегда представляло проблемы для инженеров-электриков, но теперь многие из них можно решить с помощью электропроводящего бетона.Применение проводящего бетонного заземления включает создание эквипотенциальных полов в таких разрозненных областях, как молочные фермы, где небольшие перепады напряжения могут снизить производительность, вплоть до участков изготовления и обработки электроники, где существует возможность дорогостоящего повреждения ценных полупроводников и связанного с ними оборудования. статическими зарядами могут быть высокими.

Обладая превосходными конструктивно-инженерными свойствами, проводящий бетон также является хорошим кандидатом для заземления в различных областях применения.К ним относятся башни связи и электропередачи, а также места расположения электрических трансформаторов.

Коммерческая разработка

Продолжающиеся исследования IRC в области электропроводящего бетона и заинтересованность в лицензировании использования этой инновационной технологии предлагают прогрессивным организациям возможности получить конкурентное преимущество в разработке новых продуктов и улучшении существующих на различных рынках. IRC приветствует проявление интереса к разработке токопроводящего бетона.За дополнительной информацией о токопроводящем бетоне обращайтесь к г-ну Марку Арнотту по телефону 613-993-9811 (тел) / 613-954-5984 (факс) / или по электронной почте [email protected]


Объявления

Этот документ является вкладом Национального исследовательского совета Канады, Института исследований в области строительства.
Cet article a été fourni par l’Institut de recherche en Construction du Conseil National de recherches Canada

.

Факторы, приводящие к изменению теплопроводности различных материалов


В этой статье объясняется, почему теплопроводность различных материалов / фаз зависит от различных факторов, таких как структура материала, плотность, фаза и состав, а также температура. Прочтите следующую статью об изменении теплопроводности, которое лежит в основе любой физики.

Введение в теплопередачу

В реальном мире мы обычно ощущаем тепло благодаря его температуре.Если температура тела высока, мы можем сказать, что тело имеет высокое содержание тепловой энергии по сравнению с телом при низкой температуре. Теперь это тепло всегда течет из области высоких температур в область низких температур или в сторону положительного температурного градиента в соответствии со вторым законом термодинамики. Эта передача тепла может происходить в трех различных режимах, а именно. Теплопроводность, тепловая конвекция и тепловое излучение. Тепловая конвекция может возникать из-за объемного движения жидкости и контакта с твердой поверхностью.Тепловое излучение возникает из-за температуры любого тела выше нуля по Кельвину. Все тело, имеющее температуру выше нуля Кельвина, пропускает тепловое излучение. Но теплопроводность или диффузия тепла пропорциональны отрицательному градиенту температуры и константе пропорциональности, называемой «теплопроводностью». Теплопередача за счет теплопроводности = — (теплопроводность) * (Высокая температура — Низкая температура) / Ширина твердого тела.

Введение в теплопроводность

Проще говоря, теплопроводность — это способность любого материала нагреваться или охлаждаться, или способность передавать тепло.Теплопроводность различается от одного материала к другому, а также в разных условиях. Теплопроводность — это свойство материала, которое в основном зависит от его структуры с точки зрения химического состава, фазы материала и текстуры. Теплопроводность также зависит от содержания влаги в материале, а также от того, насколько плотно атомы упакованы в решетке, а также от рабочих условий, таких как давление и температура.

Факторы, влияющие на теплопроводность

Свободные электроны

В металлах больше свободных электронов по сравнению с жидкостью и газами, поэтому металл является хорошим проводником тепла из-за миграции свободных электронов.Металлы имеют плотноупакованную решетку по сравнению с жидкостями и газами.

Чистота материала

Теплопроводность чистого материала выше, чем у легированных материалов. Легирование металлов и наличие примесей вызывают снижение теплопроводности. Например. теплопроводность чистой меди составляет 385 Вт / мК, а у меди с содержанием мышьяка теплопроводность составляет 142 Вт / мК.

Эффект формовки

Обработка металлов, например термическая обработка и формовка металлов, например гибка, волочение и ковка, снижает теплопроводность материала по сравнению с материалом до обработки.

Высокотемпературный

Твердый : При повышенной температуре колебания решетки увеличиваются, а свободное движение электронов уменьшается, таким образом, теплопроводность металла уменьшается при повышении температуры.
Газы : Но для газов теплопроводность увеличивается. Причина, по которой при более высокой температуре увеличивается средняя скорость движения молекул газа и удельная теплоемкость, потому что теплопроводность газа равна = (средняя скорость движения) X (удельная теплоемкость) X (средняя плотность пробега).В то время как Liquid : теплопроводность жидкости также пропорциональна плотности, и при более высокой температуре плотность жидкости уменьшается, таким образом, уменьшается теплопроводность.

Давление

Теплопроводность слабо зависит от давления вещества. Значит изменение давления не сильно влияет на теплопроводность.

Плотность

Теплопроводность сильно зависит от плотности материала. Увеличение плотности увеличивает теплопроводность.

Кристаллическая структура

Материал, имеющий правильную кристаллическую структуру, имеет более высокое значение теплопроводности по сравнению с материалом аморфной (неправильной) формы.

Заключение

Таким образом, можно сделать вывод, что разные материалы имеют разную теплопроводность. Порядок убывания теплопроводности для различных форм материалов:

  1. Чистые металлы
  2. Сплавы (комбинация различных металлов)
  3. Неметаллические кристаллические структуры
  4. Жидкости
  5. Газы

Также важную роль играет теплопроводность. роль в выборе проводника или изолятора. Материал, имеющий более высокую теплопроводность, можно использовать в качестве проводника тепла, а материал, имеющий более низкую теплопроводность, можно использовать в качестве теплоизолятора.

FYI: алмаз имеет самую высокую теплопроводность

.

Проводящие и антистатические пластмассовые компаунды

  • Обеспечивают рассеивание статического электричества и защиту от электростатического разряда
  • Доступны марки с полностью полимерным наполнением и дисперсным наполнителем

Surface Resistivity Проводящие термопластические компаунды обеспечивают надежность и ценность для приложений, требующих рассеивания статических зарядов, защиты от электростатического разряда (ESD) или управления температурой.

Специальные составы

могут быть адаптированы для обеспечения электрических свойств в диапазоне удельного поверхностного сопротивления от 10 0 до 10 12 Ом / кв и разработаны для литья под давлением или экструзионной обработки.

Для придания проводящих свойств термопластичным смолам доступно множество технологий. Каждый из них предлагает разные подходы к обеспечению точной степени проводимости, необходимой для вашего приложения, будь то антистатическая, статическая, защита от электростатического разряда, проводящая защита или экранирование от электромагнитных / радиопомех.

Например, недавно мы выпустили новую серию компаундов, известных как проводящие суперконцентраты CCX, специально разработанные для защиты от электростатического разряда и доступные в четырех различных аддитивных технологиях.Каждая версия предоставляет разные преимущества в зависимости от потребностей и требований приложения. Листы технических данных для этих продуктов доступны на наших веб-страницах.

В полностью полимерных марках проводящие полимеры IDP легированы основной смолой, для других проводящие частицы или волокна объединены с основным полимером для образования проводящей матрицы.

Антистатические и проводящие пластмассовые компаунды имеют ряд преимуществ по сравнению с металлами или поверхностно-активными покрытиями. Готовые детали легче по весу, проще в обращении и дешевле в транспортировке.Их изготовление обычно проще и дешевле из-за устранения вторичных процессов, и они не подвергаются вмятин, сколам и царапинам.

Черный — не единственный выбор цвета при работе с проводящими компаундами, многие из них могут быть окрашены для идентификации или в эстетических целях, устраняя необходимость во вторичных цветовых процессах. Некоторые антистатические марки PermaStat ® и PermaStat PLUS ® даже обеспечивают прозрачность.

Узнайте больше о нашей линейке проводящих продуктов!

Узнайте больше о технологиях для придания пластмассам проводящих свойств и о процессе разработки специального состава для требований вашего приложения.

Брошюра по проводимости

Дополнительная информация

Бюллетени по инновациям

Технические описания

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *