Презентация на тему Проводниковые материалы и их свойства

ток и характеризуются весьма малым удельным электрическим сопротивлением.
Различают:
Проводники

1 рода (металлы и сплавы)
Проводники 2 рода (электролиты)
Газы и пары металлов
Сверхпроводники и криопроводники

ток в соответствии с выражением, определяющим плотность тока :
где

ni – концентрация носителей заряда i-го сорта;
qi – значение заряда;
vi –средняя скорость теплового движения носителя заряда.

материалов.

заряда являются электроны. (Все атомы металла ионизованы, и электроны

не принадлежат каждому атому, а обобществлены во всем кристалле).
Примерное количество электронов в металле составляет около 1022 шт/см3, заряд электрона – величина постоянная, равная 1,6 ·10–16 Кл.

различных проводников;
Линейная зависимость сопротивления от температуры (положительный температурный коэффициент

удельного сопротивления –для металлов);
Достаточно высокие механические характеристики (прочность, твердость, ударная вязкость, упругость, пластичность, относительное удлинение и др.);
Достаточно высокие физико-химические характеристики (коррозионная стойкость, нагревостойкость, влагостойкость, износостостойкость, химикостойкость и т.д.).

равная отношению модуля напряженности электрического поля к модулю плотности

тока.
Удельная электрическая проводимость (γ) – величина обратная удельному электрическому сопротивлению.
Температурный коэффициент удельного сопротивления.
Контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущей сила.

T0 = 20 0С;
TК=αρ – средний температурный коэффициент

удельного сопротивления.

Удельное электрическое сопротивление материала:

Для расчетов сопротивления R провода из материала с удельным электрическим сопротивлением ρ обычно применяется формула:

где l – длина проводника;
S – площадь поперечного сечения проводника.

1/К (или 1/С).
Для металлов TК всегда положителен и

определяется по формуле

Для сплавов TК может быть как положительным, так и отрицательным.
Для некоторых специальных сплавов TК близок к нулю.

различными металлическими проводниками в месте их соединения возникает контактная

разность потенциалов, обусловленная различием работы выхода электронов из разных металлов, неодинаковой концентрацией электронов и давлением электронного газа.
Разность потенциалов U, появляющаяся на концах разомкнутой электрической цепи, состоящей из двух различных проводников, контакты которых находятся при различных температурах (Т1 < Т2), называется термоэлектродвижущей силой ( термо-ЭДС).

термо-ЭДС

равна
где k – постоянная Больцмана;
Т – рабочая температура

спая;
е – абсолютная величина заряда электрона;
φA и φB – потенциалы соприкасающихся металлов А и В;
n0А и n0В – концентрация электронов в металлах.

а контактная разность потенциалов между проводниками В и А равна

> Т1), на концах разомкнутой электрической цепи возникает разность

потенциалов U, называемая термоЭДС и равная

U = UAB – UBA = ψт (T2 – T1),

Где ψT – коэффициент термоЭДС (относительная или удельная термоЭДС):

различие значений работы выхода электронов в металлах;
неодинаковая

концентрация электронов в металлах спая;
увлечение электронов фотонами (квантами тепловой энергии).

концах разомкнутой электрической цепи, состоящей из двух различных проводников

или полупроводников, контакты которых находятся при различных температурах.

Она характеризуется коэффициентом теплопроводности т.
Коэффициент теплопроводности численно равен потоку

теплоты, проходящему через площадку единичной площади, при перепаде на ее гранях температуры 1 С.
Лучше всего передают тепло металлы.
Для меди т равен 400 Вт/мК, для серебра – 418 Вт/мК, для алюминия – 200 Вт/мК, для нержавеющей стали – 20 Вт/мК.

в большинстве случаев зависимость электропроводности металлов от температуры. близка

к линейной. (Обычно ее приводят в виде температурной зависимости удельного сопротивления).

Тпл - температура плавления; θД - температура Дебая; Ткр

– температура перехода в сверхпроводящее состояние

менее 0,05 мкОм.м)
Материалы высокого удельного сопротивления (ρ более 0,3

мкОм.м)
Материалы специального назначения: контактные материалы; материалы для термопар; материалы с особыми свойствами
Композиционные и неметаллические проводники

металлы и сплавы, у которых удельное сопротивление менее 0,05

мкОм.м.
К этой группе относятся серебро, медь, алюминий, железо и некоторые сплавы этих металлов: латуни, бронзы, альдрей, магналий и др.

проводникового материала.
Медь обладает целым рядом ценных технологических

свойств:
малым удельным сопротивлением; достаточно высокой механической прочностью;
хорошей обрабатываемостью (легко прокатывается в листы и ленты, протягивается в проволоку);
хорошей способностью к пайке и сварке; удовлетворительной стойкостью к коррозии.

ее состояния и способа изготовления .
Твердотянутая медь марки

МТ имеет меньшую проводимость и относительное удлинение, но большую механическую прочность, чем отожженная медь марки ММ.
Медь марки МТ применяется для изготовления волноводов, при изготовлении контактных проводов, шин РУ, коллекторных пластин ЭМ.
Медь марки ММ – для изготовления обмоточных и монтажных проводов и жил силовых кабелей.

приблизительно в 3,5 раза легче меди и значительно ее

дешевле.
На воздухе на поверхности алюминия образуется прочная оксидная пленка.
Часто в электротехнике применяются сплавы меди: латуни и бронзы,
и сплавы алюминия: альдрей, магналий, дюраль.

механической прочностью и незначительно уступающие по электрическим свойствам чистой

меди.
Латуни – сплавы меди с цинком, обладающие более высоким относительным удлинением перед разрывом по сравнению с чистой медью. Это делает их более технологичными при штамповке, протяжке и т. п. Применяются латуни в электротехнике для изготовления всевозможных токопроводящих деталей.
Бронзы – сплавы меди с различными металлами: оловом (оловянные бронзы), алюминием (алюминиевые бронзы), бериллием (бериллиевые бронзы) и т. п.
По электропроводности бронзы уступают меди, но превосходят ее по механической прочности, упругости, сопротивлению истиранию и коррозионной стойкости.
Бронзы применяются для изготовления пружинящих контактов электрических приборов, контактов токоведущих пружин, проводов линий электрического транспорта, пластин коллекторов электрических машин

0,3–0,5 % магния, 0,4–0,7 % кремния, 0,2–0,3 % железа,

остальное – алюминий. Этот сплав обладает повышенной механической прочностью (в 2 раза прочнее алюминия), и близок к алюминию по величине удельного сопротивления (0,0317 мкОмм).
Применяется альдрей для изготовления проводов малонагруженных линий электропередачи.
Магналий – сплав алюминия и магния, отличается низкой плотностью и применяется для изготовления электро- и радиотехнических приборов.
Дюраль – сплав алюминия с медью, магнием и марганцем, имеющий хорошие механические свойства: твердость и коррозионную стойкость. Широко применяется в электротехнике.

качестве проводникового и конструкционного материала.
Чистое железо имеет удельное

сопротивление порядка 0,1 мкОм·м, значение удельного сопротивления стали (сплава железа с примесью углерода и других элементов) еще выше, но эти сплавы обладают высокой механической прочностью.
Сталь как проводниковый материал используется в виде шин, рельсов электрических железных дорог и трамваев (включая «третий специальный контактный рельс» метро).
На электрифицированных железных дорогах рельсы железнодорожного пути используют в качестве второго провода для передачи тягового тока. По рельсам передается сигнальный ток устройств автоблокировки для контроля целостности рельсового пути и регулирования движения поездов (в зависимости от длины свободного участка). Для лучшей передачи тягового и сигнального токов рельсовая линия должна обладать по возможности малым электрическим сопротивлением.
Для всех типов рельсов удельное сопротивление стали постоянному току при температуре 20 °С составляет 0,21·10-6 Ом·м.
Активное сопротивление рельсов (из-за появления поверхностного эффекта в рельсовой стали) при переменном токе в сильной степени зависит от частоты тока.

проводниковых конструкциях.
Биметаллический провод представляет собой сталь, покрытую снаружи

слоем меди или алюминия. Оба металла соединены друг с другом прочно и непрерывно по всей поверхности их соприкосновения.
Биметаллический контактный провод для электрифицированного транспорта представляет собой стальную проволоку круглого, овального или прямоугольного сечения, покрытую снаружи слоем меди или алюминия. Стальная сердцевина обеспечивает повышенную прочность на растяжение, а наружный слой обеспечивает хорошую электропроводность.
Такой провод позволяет повысить натяжение, имеет меньшую массу и допускает достаточно большие токовые нагрузки.
Чем больше натяжение провода и меньше стрела провеса, тем больше эластичность контактной подвески и более устойчивый токосъем при высоких скоростях движения (200 км/час и более).

провода марки ПБСМ1 и ПБСМ2 (провод биметаллический сталемедный) сечением

70, 95 и 120 мм 2.

приборов - это сплавы на основе никеля и меди:

манганин, константан, нейзельберы
Жаростойкие сплавы - это сплавы на основе никеля, хрома и железа с присадками других компонентов: нихромы и ферронихромы - фехрали, хромали

- 0,42 – 0,48 мкОмм;
константан - 0,48 – 0,52

мкОмм
нейзельберы - 0,44 – 0,58 мкОмм
нихромы - 1,0 – 1,2 мкОмм
ферронихромы - 1,1 – 1,6 мкОмм

на медной основе, содержит около 12 % марганца и

3 % никеля.
Манганин применяется для изготовления образцовых и точных прецизионных резисторов, шунтов и приборов.
Изделия из манганина обычно изготавливаются в виде проволоки толщиной до 0,02 мм с эмалевой или иной изоляцией.
Константан – медно-никелевый сплав (средний состав: медь – 60 %, никель – 40 %). Константан используется для термопар, реостатов и нагревательных элементов, которые могут длительно работать при температуре до 450 оС.
Нейзильбер – медно-никелевый сплав, содержит 18 % цинка, 13–16,5 % никеля (вместе с кобальтом) Нейзильбер по сравнению с константаном более дешевый материал и наиболее часто применяется для изготовления реостатов, контактных пружин и других электротехнических изделий.

сплавы на основе никеля, хрома, железа и других компонентов.

Устойчивость этих сплавов к высоким температурам объясняется наличием на их поверхности оксидов хрома Cr2O3 и закиси никеля NiO. Наличие железа повышает их жаропрочность.
Сплавы системы «железо–никель–хром» с небольшим содержанием железа называются нихромами, а при повышенном содержании железа – ферронихромами.
При замене в составе сплавов никеля на алюминий или хром получаются сплавы, имеющие название фехрали и хромали.
Основная область применения жаропрочных сплавов – электронагревательные приборы, реостаты, элементы электротермической техники .
Для электротермической техники и электрических печей большой мощности обычно используют более дешевые, чем нихром, сплавы: фехрали, хромали.

относятся металлы и сплавы, обладающие особыми физико-химическими, механическими и

электрическими свойствами.
По назначению такие материалы можно подразделить на группы:
контактные материалы;
материалы для изготовления термопар;
припои;
материалы для электровакуумных приборов.

электрической цепи, обеспечивающее прохождение между ними тока.
приспособление, обеспечивающее такое

соприкосновение или соединение.
В некоторых случаях контактом называют поверхность соприкосновения двух токопроводящих частей.

алюминий, серебро , биметаллы.
Разрывные контакты :
слаботочные разрывные

контакты
чистые тугоплавкие металлы: вольфрам и молибден;
платина, золото, серебро, сплавы на их основе; металлокерамические композиции (например, Ag – CdO).
Сильноточные разрывные контакты:
твердая медь;
металлокерамические материалы и композицим, например, серебро - никель, серебро - графит, медь - вольфрам - никель и др.
Скользящие контакты:
контактные пары из металлического и графитосодержащего материалов, проводниковые бронзы, латуни (сплавы меди и цинка),
твердая медь и медь, легированная серебром (для коллекторных пластин) .

под напряжением, в первое время электроны проходят через изоляционные

пленки вследствие туннельного эффекта, заключающегося в проникновении электронов через потенциальный барьер.
При этом может произойти пробой наиболее тонких участков пленки и образование в них металлических перешейков. Это явление и называется фриттингом.

С увеличением силы нажатия на контакты пленки в местах соприкосновения лопаются и продавливаются, образуя зоны чисто металлического касания. Чем выше сила нажатия в контакте, тем больше количество зон касания и их площадь.

:
константан,
платино-родиевый сплав,
специальные сплавы на основе никеля:
хромель –

сплав никеля и хрома,
алюмель – сплав никеля с алюминием, кремнием и марганцем,
копель – сплав никеля и меди с кобальтом.
Материалы, образующие термопару, выбираются таким образом, чтобы в диапазоне измеряемых температур, они обладали максимальным значением тетмо-ЭДС (для снижения погрешности измерения).
Согласно этому условию для измерения температуры могут применяться следующие термопары:
медь – констанатан и медь – копель до температуры 350 0С,
железо – константан, железо – копель, хромель – копель до 600 0С,
хромель – алюмель до 10000С, п
латино-родий – платина до 1600 0С.
Знак термо-ЭДС у термопар зависит от направления тока в холодном и горячем спае. Принято считать, что в холодном спае ток протекает от первого названного в паре материала ко второму, а в горячем наоборот.

в качестве связующего вещества при пайке металлических частей.
Припой

должен иметь температуру плавления значительно ниже, чем соединяемые им металлические части.
Припои делятся на легкоплавкие и тугоплавкие.
Легкоплавкие, или мягкие, припои имеют температуру плав­ления ниже 500°С, а тугоплавкие (твердые) - выше 500° С.
Из легкоплавких наиболее широко применяют оловянно-свинцовые припои.
К тугоплавким припоям относятся медно-цинковые (ПМЦ-54, ПМЦ-48 и др.) и медно-серебряные сплавы (ПСр-72, ПСр-70, ПСр-50 и др.), а также сплавы алюминия с медью цинком и кремнием.
Флюсы могут представлять собой твердые порошкообразные вещества (бура, борная кислота, канифоль) или жидкости (водный раствор хлористого цинка, спиртовый раствор канифоли). Иногда применяют полужидкие флюсы - пасты.

- это самый тугоплавкий металл серого цвета. Его температура

плавления составляет 3380 °С. Удельное электрическое сопротивление вольфрама составляет 55*10-9 Ом*м. Относительное удлинение перед разрывом составляет 4 %. Изделия из вольфрама весьма хрупки, но после механической обработки ковкой и волочением вольфрам приобретает волокнистую структуру.( Таким способом получают гибкие тонкие вольфрамовые нити). С уменьшением толщины вольфрамовой проволоки сильно возрастает ее предел прочности при растяжении.
Основное применение вольфрама — изготовление нитей ламп накаливания.
Вольфрам применяют также для изготовления контактов, разрывающих ток. Такие контакты устойчивы в работе и мало изнашиваются ввиду высокой твердости вольфрама. Вследствие большой тугоплавкости они не привариваются, практически не подвержены электрической эрозии под действием электрической дуги.

похож на вольфрам, однако он почти в два раза

легче вольфрама. Из всех тугоплавких металлов молибден имеет самое низкое значение удельного сопротивления, кото­рое составляет 57*10-9 Ом*м. Как и вольфрам, молибден широко применяется в электровакуумной технике, только при менее высоких температурах. На воздухе молибден начинает окисляться при температуре 400 °С, а при повышении температуры до 600 - 700 °С интенсивность окисления резко возрастает. Поэтому детали из молибдена должны работать в ва­кууме или в инертном газе.
Механическая прочность молибдена в очень большой степени зависит от механической обработки материала и вида изделия. Молибден применяется и в качестве материала для разрывных электрических контактов, и в качестве электродов в радиолампах.

пластичностью. Удельное сопротивление золота составляет 24*10-9 Ом*м.
Из золота

можно получать фольгу толщиной до 0,01 мкм. С кислотами и щелочами золото не взаимодействует, растворяется только в «царской водке» (смесь азотной и соляной кислот). В электротехнике используется как контактный материал для коррозионно-устойчивых покрытий в слаботочных устройствах, электродов фотоэлементов, фоторезисторов и полупроводниковых приборов.

Платина (Pt) - это блестящий тугоплавкий металл серовато-белого цвета, весьма стойкий к химическим реагентам и практически не окисляющийся при его нагревании вплоть до температуры плавления. Его удельное сопротивление составляет 105*10-9 Ом*м.
При механической обработке платина вытягивается в очень тонкие нити и ленты.
Платину применяют для изготовления высокотемпературных термопар (до 1600 °С).
Особо тонкие нити из платины (диаметром около 1 мкм) применяют для подвесок подвижных систем в электрометрах и других чувствительных приборах. Для изготовления контактов платина редко применяется в чистом виде, но служит основой для контактных сплавов с никелем, серебром, золотом и иридием.

он близок к платине и в ряде случаев может

ее заменять, так как в несколько раз дешевле. Это самый легкий из благородных металлов и наиболее тугоплавкий (Тпл = 1550 °С).
Удельное электрическое сопротивление палладия составляет 110*10-9 Ом*м. Палладий способен поглощать водород. С этой целью его используют в электровакуумной технике.
Наиболее часто палладий и его сплавы (с серебром и медью) применяются в качестве контактных материалов.

Никель (Ni) - серебристо-белый ковкий и тягучий металл, Его температура плавления Тпл составляет 433 °С, удельное электрическое сопротивление р = 73*10-9 Ом*м. Никель после отжига имеет достаточную механическую прочность , легко поддается механической обработке: ковке, прессов­ке, прокатке, штамповке, волочению.
Никель применяют в электровакуумной технике в качестве электродов и арматуры в электронных лампах, в качестве компонента ряда жаропрочных (до 1000 оC) магнитных и проводниковых сплавов, при производстве щелочных кадмиево-никелевых и железоникелевых аккумуляторов.

Кобальт (Со)- пластичный блестящий белый металл с температурой плавления Тпл = 1500 °С. Удельное электрическое сопротивление р = 64*10-9 Ом*м.. Кобальт химически мало активен и на воздухе не окисляется. Кобальт применяется в качестве составной части многих магнитных сплавов и жаростойких электропроводящих сплавов с небольшими температурными коэффициентами линейного расширения.

материалам предъявляются требования:
высокая электропроводность,
высокая механическая прочность, твердость,

упругость и пластичность,
устойчивость к коррозии в различных средах и т.п.
Часто металлические проводники не могут одновременно удовлетворить всем причисленным требованиям, кроме того большинство металлов являются дорогостоящими, дефицитными материалами.
Поэтому в настоящее время широкое применение получили новые твердые проводниковые материалы :
металлокерамические и композиционные материалы,
материалы на основе электротехнического угля и графита

порошков с последующим спеканием их при высоких температурах (1000–1400

°С).
сходные порошкообразные массы состоят из двух или более порошков различных металлов, из которых один должен обладать более высокой температурой плавления по сравнению с порошками других металлов.
При высокотемпературной обработке – спекании изделий из порошкообразной массы более легкоплавкие порошки плавятся и заполняют поры между частицами тугоплавкого металла. В результате этого получают монолитные металлокерамические изделия.

применяют металлокерамические детали, изготавливаемые из порошков серебра, вольфрама (40–50

%) и никеля (2–3 %). Металлокерамические детали этого состава обладают пластичностью и допускают все виды механической обработки.
Металлокерамические контакты, изготовляемые из порошков меди и графита, отличаются высокой устойчивостью к свариванию при размыкании больших токов (30–100 кА). Это достигается не только составом и структурой металлокерамического материала на основе порошков меди и графита, но и наличием в материале пор. В производстве металлокерамических изделий количество пор в них можно изменять в широких пределах.

(объемные и пленочные) на основе вольфрама, молибдена, тантала, хрома

и их оксидов. (Материалы для пленочных резисторов: механическая смесь порошков металлов и их соединений с органической или н.е органической связкой).
Силовые резисторы (бетэловые резисторы)- композиции на основе электротехнического электропроводящего бетона - бетэла.
(Бетэл – композиционный материал с электронной проводимостью, полученный на основе электротехнического угля, цементного камня. воды и минерального связующего. Это дешевый и доступный материал).
Для улучшения механических характеристик и влагостойкости в бетэловые резисторы обычно вводят неорганические наполнители (кварцевый песок, полевой шпат, слюду мускавит,кальцит.

(графит, сажа, антраци проходят специальную термообработку при температуре 1200–1300

°С, затем в них добавляют связующие вещества и. Затем полученные е изделия или их заготовки (блоки) подвергают высокотемпературной обработке – обжигу в специальных печах.
В результате обжига изделия приобретают механическую прочность и способность к механической обработке. При этом уменьшается величина их удельного электрического сопротивления.
Удельное электрическое сопротивление электротехнического угля составляет 8 – 30 мкОм·м.
Неметаллические проводниковые материалы применяются для изготовления:
щеток электрических машин,
контактов;
электродов для электродуговых печей и ванн, прожекторов,
непроволочных высокоомных резисторов,
Разрядников и электровакуумных приборов.
 

электропроводный материал. Структура у него слоеная. В слое атомы

углерода соединены в бесконечные шестичленные кольца. Каждое единичное кольцо представляет собой аналог бензольного кольца. Удельное сопротивление зависит от направления измерения. Если приложить напряжение поперек слоев, электропроводность составит 104 См/м, если приложить напряжение в плоскости слоев, электропроводность достигает 206 См/м.

В последние годы открыты новые модификации чистого углерода - фуллерены. Это соединения многих атомов углерода Сn , где n-60, 84 и т.д. Эти атомы соединены так, что образуется сфера из них, с пустотой внутри. Фуллерены обладают неожиданными свойствами и их исследования бурно продолжаются (при разработке наноматериалов).

у некоторых веществ (сверхпроводников), при охлаждении их ниже определенной

критической температуры Tс, и состоящее в обращении в нуль электрического сопротивления постоянному току и выталкивания магнитного поля из объема образца (эффект Мейснера). Явление сверхпроводимости открыто в 1911 г.
Х. Каммерлинг-Оннесом.

абсолютного нуля (0 К), полностью теряет свое электрическое сопротивление

( меняется характер взаимодействия между электронами – образуются электронные пары )

поверхности материала, создает магнитное поле, уничтожающее внутри сверхпроводника внешнее

магнитное поле. Поэтому формально сверхпроводник ведет себя как идеальный диамагнетик.

и более тысячи сверхпроводниковых сплавов и химических соединений

различных элементов.

Металлы, обладающие малыми значениями сопротивления ( при нормальной температуре) : серебро, медь , золото, платина, при ннизких температурах (около Мк) перевести в сверхпроводящее состояние не удалось.

температуры;
2) действие достаточно сильного магнитного поля;
3) достаточно

большая плотность тока в образце.

рода -высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП)

Аккумуляторы электроэнергии.
Поезда на магнитной подушке
Сверхкомпьютеры
СКВИДы (сверхпроводящие квантовые

итерференционные детекторы).

малых значений при криогенных температурах (ниже -173оС). Сверхпроводящее состояние

в этих материалах не наблюдается.

В качестве криопроводников наиболее часто применяется чистая медь и алюминий (марки А999 с 0.001% примесей), берилий (0.1% примесей). При температуре жидкого гелия у алюминия А999 удельное электрическое сопротивление равно (1 - 2).10-6мкОм.м.

(-252.6оС),
неона (-245.7оС)
и азота (-195.6оС).