Какие свойства проводниковых материалов являются главными
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)
К важнейшим параметрам, характеризующим свойства проводниковых материалов, относятся:
1) удельная проводимость у или обратная ей величина — удельное сопротивление р;
2) температурный коэффициент удельного сопротивления ТКр или ар;
3) коэффициент теплопроводности ут;
4) контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила (термоЭДС);
5) работа выхода электронов из металла;
6) предел прочности при растяжении GВ и относительное удлинение б.
Значение удельной проводимости (или удельного сопротивления) в основном зависит от средней длины свободного пробега электронов в данном проводнике л, которая, в свою очередь, определяется структурой провод-никового материала. Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой характеризуются наименьшими значениями удельного сопротивления; примеси, искажая решетку, приводят к увеличению р. Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов характеризует влияние температуры нагрева на электрическое сопротивление. С ростом температуры увеличивается число препятствий на пути направленного движения свободных электронов под действием электри-ческого поля, т. е. уменьшается подвижность электронов и, как следствие, уменьшается удельная проводимость металлов и возрастает удельное сопротивление. При переходе из твердого состояния в жидкое у большинства металлов наблюдается увеличение удельного сопротивления (медь и др.), у некоторых металлов (галлий, висмут, сурьма) р — уменьшение. Удельное сопротивление увеличивается при плавлении у тех металлов, у которых при плавлении увеличивается объем, т. е. уменьшается плотность.
Коэффициент теплопроводности ут металлов намного больше, чем коэффициент теплопроводности диэлектриков. Очевидно, что, при прочих равных условиях, чем больше удельная электрическая проводимость у металла, тем больше должен быть его коэффициент теплопроводности. При повышении температуры, когда подвижность электронов в металле и соответственно его удельная проводимость у уменьшаются, отношение коэффициента теплопроводности металла к его удельной проводимости ут/у должно возрастать. Термоэлектродвижущая сила возникает за счет контактной разности потенциалов двух различных металлических проводников. Причина появления этой разности потенциалов заключается в различии значений работы выхода электронов из различных металлов, а также в том, что концентрация электронов, а следовательно, давление электронного газа у разных металлов и сплавов могут быть неодинаковыми. В термопарах используются проводники, имеющие большой и стабильный коэффициент термоЭДС. Наоборот, для обмоток измерительных приборов и резисторов стремятся применять проводниковые металлы и сплавы с возможно меньшим коэффициентом термоЭДС относительно меди, чтобы избежать появления в измерительных схемах паразитных термоЭДС,. которые могли бы вызвать ошибки при точных измерениях.
Дата публикования: 2015-01-26; Прочитано: 6004 | Нарушение авторского права страницы
studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2020 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования
(0.001 с)…
2.3.1. Удельная проводимость и удельное сопротивление проводников
2.3.2. Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов
2.3.3. Изменение удельного сопротивления металлов при плавлении
2.3.4. Изменение удельного сопротивления металлов при деформациях
2.3.5. Удельное сопротивление сплавов
2.3.6. Теплопроводность металлов
2.3.7. Термоэлектродвижущая сила
2.3.8. Механические свойства проводников
К важнейшим параметрам, характеризующим свойства проводниковых материалов, относятся:
- удельная проводимость g или обратная ей величина – удельное сопротивление r,
- температурный коэффициент удельного сопротивления ТКr или ar,
- теплопроводность g т,
- контактная разность потенциалов и термо-э.д.с.,
- работа выхода электронов из металла,
- предел прочности при растяжении sr и относительное удлинение при разрыве Dl/l.
2.3.1. Удельная проводимость и удельное сопротивление проводников
Связь плотности тока J, А/м2, и напряженности электрического поля Е, В/м, в проводнике дается известной формулой:
(2.1)
Здесь g, См/м – параметр проводникового материала, называемый его удельной проводимостью; в соответствии с законом Ома g не зависит от напряженности электрического поля при изменении последней в весьма широких пределах. Величина r=1/g, oбратная удельной проводимости и называемая удельным сопротивлением, для имеющего сопротивление R проводника длиной l с постоянным поперечным сечением S вычисляется по формуле
ρ = R·S/l. (2.2)
Единица СИ для удельного сопротивления — Ом·м. Диапазон значений удельного сопротивления ρ металлических проводников при нормальной температуре довольно узок: от 0.016 для серебра и до примерно 10 мкОм·м для железохромоалюминиевых сплавов, т.е. он занимает всего три порядка. Значение удельной проводимости γ в основном зависит от средней длины свободного пробега электронов в 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 ρ. И с точки зрения волновой теории, рассеяние электронных волн происходит на дефектах кристаллической решетки, которые соизмеримы с расстоянием порядка четверти длины электронной волны. Нарушения меньших размеров не вызывают заметного рассеяния волн.
2.3.2. Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов
Число носителей заряда в металлическом проводнике при повышении температуры остается практически неизменным. Однако вследствие колебаний узлов кристаллической решетки с ростом температуры появляется все больше и больше препятствий на пути направленного под действием электрического поля движения свободных электронов, т.е. уменьшается средняя длина свободного пробега электрона, уменьшается подвижность электронов и, как следствие, уменьшается удельная проводимость металлов, и увеличивается удельное сопротивление. Иными словами, температурный коэффициент удельного сопротивления металлов положителен.
2.3.3. Изменение удельного сопротивления металлов при плавлении
При переходе из твердого состояния в жидкое у большинства металлов наблюдается увеличение удельного сопротивления, как это видно из рис.2.1; однако некоторые металлы при плавлении повышают ρ.
Рис.2.1. Зависимость удельного сопротивления меди от температуры.
Скачок соответствует температуре плавления меди 1083°С
Удельное сопротивление увеличивается при плавлении у тех металлов, которые при плавлении увеличивают объем, т.е. уменьшают плотность; у металлов с противоположным характером изменения объема при плавлении (аналогичным фазовому переходу лед-вода) ρ уменьшается.
2.3.4. Изменение удельного сопротивления металлов при деформациях
Изменение удельного сопротивления при растяжении или сжатии приближенно может оцениваться формулой
ρ = ρ0 (1± σ ·s) , (2.3)
где ρ — удельное сопротивление металла при механическом напряжении σ, ρ0 – удельное сопротивление металла, не подверженного механическому воздействию, s – коэффициент механического напряжения, характеризующий данный металл; знак плюс в формуле соответствует растяжению, минус – сжатию.
Изменение ρ при упругих деформациях объясняется изменением амплитуды колебаний узлов кристаллической решетки металла. При растяжении эти амплитуды увеличиваются, при сжатии – уменьшаются. Увеличение амплитуды колебаний узлов кристаллической решетки приводит к уменьшению подвижности носителей зарядов и, как следствие, к возрастанию ρ. Пластическая деформация, как правило, повышает удельное сопротивление металлов вследствие искажения кристаллической решетки. При рекристаллизации путем отжига удельное сопротивление может быть вновь снижено до первоначального значения.
2.3.5. Удельное сопротивление сплавов
Значительное возрастание ρ наблюдается при сплавлении двух металлов в том случае, если они образуют друг с другом твердый раствор, т.е. создают при отвердевании совместную кристаллизацию, и атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого. ρ имеет максимум, соответствующий некоторому определенному соотношению между содержанием компонентов в сплаве. Так, Н.С.Курнаков открыл, что в тех случаях, когда при определенном соотношении между компонентами они образуют друг с другом явно выраженные химические соединения (интерметаллиды), на кривых ρ в функции состава наблюдаются изломы (рис.2.2).
Рис. 2.2. Зависимость удельного сопротивления сплавов цинк – магний от состава. Точка 1 соответствует чистому Mg, 2 – соединению MgZn, 3 — Mg2Zn3, ., 4 – MgZn4 5 – MgZn6, 6 – чистому Zn.
Исследования А.Ф.Иоффе показали, что многие интерметаллиды являются не веществами с металлическим характером электропроводности, а электронными полупроводниками.
Если же сплав двух металлов создает раздельную кристаллизацию, и структура застывшего сплава представляет собой смесь кристаллов каждого из компонентов (т.е. искажение кристаллической решетки каждого компонента не имеет места), то удельная проводимость γ сплава меняется с изменением состава приблизительно линейно, т.е. определяется арифметическим правилом смешения (рис.2.3).
Рис.2.3. Зависимость удельной проводимости сплавов медь – вольфрам от состава (в процентах по массе)
2.3.6. Теплопроводность металлов
За передачу тепла через металл в основном ответственны те же свободные электроны, которые определяют и электропроводность металлов, и количество которых в единице объема весьма велико. Поэтому, как правило, теплопроводность γт металлов намного больше, чем теплопроводность диэлектриков. Очевидно, что при прочих равных условиях, чем больше удельная электрическая проводимость γ металла, тем больше должна быть и его теплопроводность. Легко также видеть, что при повышении температуры, когда подвижность электронов в металле и соответственно его удельная проводимость уменьшаются, отношение γт/γ δ должно возрастать.
Чистота и характер механической обработки металла могут заметно сказываться на его теплопроводности, в особенности при низких температурах.
2.3.7. Термоэлектродвижущая сила
При соприкосновении двух металлических проводников между ними возникает контактная разность потенциалов. Причина ее появления 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:
(2.4)
где UА и UВ – потенциалы соприкасающихся металлов; nА и nВ – концентрации электронов в металлах А и В.
Если температуры «спаев» одинаковы, то сумма разностей потенциалов равны нулю. Иначе обстоит дело, когда один металл имеет температуру Т1, а другой – Т2.
Рис.2.4.Схема термопары
В этом случае между «спаями» возникает термо-э.д.с., равная
(2.5)
что можно записать в виде
(2.6)
Где с – постоянный для данной пары проводников коэффициент термо-э.д.с., т.е. термо-э.д.с. должна быть пропорциональна разности температур металлов.
Провод, составленный из двух изолированных друг от друга проволок из различных металлов или сплавов (термопара), может быть использован для измерения температур.
2.3.8. Механические свойства проводников
Они характеризуются пределом прочности при растяжении σр и относительным удлинением при разрыве Δl/l, а так же хрупкостью, твердостью и тому подобными свойствами. Механические свойства металлических проводников в большой степени зависят от механической и термической обработки, от наличия легирующих примесей и т.п. Влияние отжига приводит к существенному уменьшению σр и увеличению Δl/l. Такие параметры проводниковых материалов, как температуры кипения и плавления, удельная теплоемкость и др., не требуют особых пояснений.
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 мм2, 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
