Проводники.

ЛЕКЦИЯ №13

Классификация проводниковых материалов. Жидкие проводники. Твердые проводники Основные свойства проводников. Проводники в электрическом поле. Зависимость удельного электрического сопротивления металлических проводников от их строения и внешних факторов.

Проводниковые изделияМатериалы высокой проводимости. Свойства и применение. материалов высокой проводимости. Медь и ее сплавы. Алюминий и его сплавы. Биметаллические проводники

 

 

Проводниками называются вещества, внутри которых в случае электростатического равновесия электрическое поле отсутствует. Некомпенсированные заряды проводников локализуются в бесконечном, тонком поверхностном слое. Если электрическое поле отлично от нуля, в проводнике возникает электрический ток. Проводниками электрического тока могут быть твёрдые тела, жидкости, а при особых условиях и газы. Из твёрдых проводников широко применяются металлы и их сплавы.

По удельному сопротивлению материалы делятся на группы:

- металлы и сплавы высокой проводимости при нормальной температуре ≤0,05 мкОм·м;

- металлы и сплавы высокого сопротивления при нормальной температуре ≥0,3 мкОм·м.

Металлы высокой проводимости используются для проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических машин. Металлы и сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления резисторов, электрических нагревательных приборов, нитей ламп накаливания.

Особую группу составляют криопроводникии сверхпроводники. Это металлы, обладающие чрезвычайно малым удельным сопротивлением при низких криогенных температурах.

Классификация по агрегатному состоянию. К жидким проводникам относят расплавленные металлы и электролиты. Механизм прохождения тока в металлах как в твёрдом, так и в жидком состояние обусловлен движением свободных электронов под воздействием электрического поля. Поэтому металлы называются проводниками с электронной проводимостью или проводниками первого рода. Проводниками второго рода или электролитами называются растворы кислот, щелочей и солей. Прохождение тока через эти вещества связано с переносом вместе с электрическими зарядами ионов, вследствие чего состав электролита постепенно меняется (закон Фарадея).

Все газы и пары при низких напряжениях не являются проводниками, при достаточной напряжённости поля Е, при которой начинается ионизация газа, газ становится проводником с электронной и ионной проводимостью. Сильно ионизированный газ превращается в плазму.

Электрические и механические свойства проводников.

1. Удельная проводимость () или удельное сопротивление ().

2. Температурный коэффициент удельного сопротивления TK

3. Коэффициент теплопроводности.

4. Контактная разность потенциалов.

5. Работа выхода электронов из металлов

6. Предел прочности на растяжение.

7. Относительное удлинение перед разрывом.

8. Хрупкость.

9. Твёрдость.

10. Изгиб.

Удельная проводимость, связь с плотностью тока. Основные соотношения: ток в проводнике I [A] связан с напряженностью поля E [В/м] выражением I=·E, где [См/м] – удельная проводимость.

[Ом·м]

- для проводникового сопротивления R, длиной l и сечением S.

Удельная проводимость ,

где e - заряд электрона, n₀ - число свободных электронов,  - длина среднего пробега между двумя узлами кристаллической решётки, m - масса электронов, v_T - средняя скорость теплового движения электронов. Для различных металлов v_T и n₀ различны, поэтому удельная проводимость зависит от , которая определяется структурой металла. Чистые металлы с правильной кристаллической решёткой характеризуются наименьшими значениями. Микродефекты кристаллической решётки уменьшают подвижность электронов.

Температурный коэффициент удельного сопротивления. С ростом температуры вследствие изменения колебаний узлов кристаллической решётки увеличивается число препятствий на пути движения свободных электронов, то есть уменьшается . Следовательно, увеличивается удельное сопротивление, так как уменьшается проводимость. Температурный коэффициент при этом будет положительным, так как .

При переходе из твёрдого состояния в жидкое у большинства металлов наблюдается увеличение удельного сопротивления – это справедливо только для тех металлов, у которых при плавление увеличивается объём, то есть уменьшается плотность, у металлов уменьшающих объём, удельное сопротивление уменьшается.

Удельное сопротивление сплавов. Примеси и нарушение структуры металла увеличивают удельное сопротивление. Значительное увеличение удельного сопротивления наблюдается у твёрдых растворов при совместной кристаллизации.

Теплопроводность металлов. За передачу теплоты через металл в основном ответственны те же свободные электроны, которые определяют электропроводность. Поэтому коэффициент теплопроводности _T у металлов выше чем у диэлектриков. Чем выше удельная проводимость, тем больше коэффициент теплопроводности. При повышении температуры отношение _T/ растёт. Математически это выражается законом Видемана-Франца-Лоренца:

,

где L₀ – число Лоренца, T – термодинамическая температура.

.

Значение постоянной Больцмана k=1,38·10-23 Дж/К, заряда электрона e=1,6·10-19 Кл.

Термоэлектродвижущая сила. При соприкосновении двух разных проводников (или полупроводников) между ними возникает контактная разность потенциалов (термопара). Причина - различные значения работы выхода электронов из различных металлов.

,

где n₀ - концентрация электронов, U_A,U_B - потенциалы соприкасающихся металлов, k – постоянная Больцмана.

Если температуры спаев одинаковы, то сумма разности потенциалов в замкнутой цепи = 0. Если один из спаев имеет температуру Т1, а другой Т2, то

;

или , где - постоянный для данной пары проводников коэффициент термо-ЭДС. Таким образом термо-ЭДС пропорциональна разности температур спаев.

Температурный коэффициент линейного расширения. Температурный коэффициент линейного расширения проводников вычисляется так же, как и для диэлектриков. .

Также как и для диэлектриков, используется при рассмотрении работы разнородных сопряжённых материалов в конструкциях аппаратов, изоляторов, для предотвращения растрескивания.

Коэффициент l необходим также для расчёта температурного коэффициента электрического сопротивления провода. Для чистых металлов , однако для сплавов с малым значением  формула имеет практическое значение.

 

К материалам высокой проводимостипринято относить материалы с удельным сопротивлением r< 0.05 мкОм*м/

Серебро - один из наиболее дефицитных матералов, достаточно широко применяемый в электротехнике и электронике для высокочастотных кабелей, защиты медных проводников от окисления, для электродов некоторых типов керамических и слюдяных конденсаторов в электрических контактах, где оно используется в сплавах с медью, никелем или кадмием, в припоях ПСр-10, ПСр-25 и др. Серебро марки Ср999-999.9 должно иметь примесей не более 0.1%. Удельное электрическое сопротивление =0.015 мкОм * м. Механические характеристики серебра невысоки: твердость по Бринелю - 25 (немного более золота), предел прочности при разрыве не более 200МПа, относительное удлиннение при разрыве ~50%. По сравнению с золотом и платиной имеет пониженную химическую стойкость. Часто применение серебра ограничивается его способностью диффундировать в материалы подложки.

Медь - наиболее широко применяется в качестве проводникового материала: в производстве обмоточных и монтажных проводов и кабелей (мягкая отожженная медь марки ММ) в производстве волноводов и т.д.; при изготовлении контактных проводов, шин распределительных устройств, коллекторных пластин электрических машин (медь твердая марки МТ - имеет меньшую проводимость и относительное удлинение перед разрывом, но большую механическую прочность, чем отожженная медь марки ММ).

Наиболее нежелательными примесями в меди являются висмут и свинец, сера, кислород. Наиболее чистые сорта проводниковой меди марок МООК (катодная) и МООБ (бескислородная), содержат примесей не более 0.001%. В производстве проводниковых изделий применяют марки меди с содержанием примесей не более 0.05 - 0.1%, для проводов очень малого диаметра (0.01 мм) и проводов, работающих при температурах выше 300оС применяют проволоку из бескислородной меди.

Бронзы- сплавы меди с оловом (оловянные), алюминием (алюминиевые), бериллием (бериллиевые) и др. легирующими элементами. По электропроводности уступают меди, но превосходят ее по механической прочности, упругости, сопротивлению истиранию и коррозионной стойкости. Применяются для изготовления пружинящих контактов электрических приборов, контактов токоведущих пружин, проводов линий электрического транспорта, пластин коллекторов электрических машин.

Бронзовые детали для упрочнения подвергаются термической обработке - закалке и отпуску при повышенных температурах. Предел прочности на растяжение бронз может быть 800 - 1200 МПа и более, в то время как проводимость твердых бронз может составлять 10 - 30% от проводимости чистой меди.

Алюминий - в 3.3 раза легче меди, имеет сравнительно большую проводимость (для АМ =0.028 мкОм . м) и стойкость к атмосферной коррозии за счет защитной пленки оксида Al2O3 . Алюминий мягкий имеет прочность на разрыв 80, твердый 160 - 170 МПа. По сравнению с медью имеет больший температурный коэффициент линейного расширения ( 26 . 10-6 1/оС ), что является недостатком. В местах контакта алюминиевого провода с проводами из других металлов во влажной среде возникает гальваническая пара, поэтому незащищенная лаками или другими способами алюминиевая проволока разрушается коррозией. Из алюминия особой чистоты с содержанием примесей не более 0.005% изготовляют электроды алюминиевых конденсаторов и алюминиевую фольгу. Из алюминия, содержащего примесей не более 0.3 - 0.5% (марки А7Е и А5Е), изготовляют проволоку и шины. Для жил кабелей может использоваться алюминий с уменьшенным содержанием примесей - марки А75К, А8К, А8КУ. Алюминиевые провода можно соединять друг с другом холодной или горячей сваркой, а также пайкой с применением специальных флюсов и припоев.

Из алюминиевых сплавов наиболее широко используется альдрей, высокие механические свойства которого достигаются за счет наличия в его составе соединения Mg2Si (сплав содержит 98% чистого алюминия). Его бр=350 МПа, =0.0317 мкОм . м.

В линиях электропередачи широко применяют сталеалюминиевый провод - стальные жилы, обвитые алюминиевой проволокой. Для сталеалюминиевого провода воздушных линий используется особо прочная стальная проволока с бр=1200 - 1500 МПа, покрытая цинком для защиты от коррозии в условиях повышенной влажности.

Сталь (железо с содержанием углерода 0.1 - 0.15%) как проводниковый материал используется в виде шин, рельсов трамваев, электрических железных дорог и пр. Удельная проводимость стали в 6 - 7 раз меньше, чем у меди, бр= 700 - 750 МПа, относительное удлинение перед разрывом 5 - 8%. На переменном токе в стали проявляется поверхностный эффект и появляются потери мощности на гистерезис. Такая сталь может использоваться для проводов воздушных линий электропередач, если передаются небольшие мощности и основную роль играет не удельное сопротивление провода, а его механическая прочность.

Биметаллический проводпредставляет собой стальную проволоку круглого, овального или прямоугольного сечения, снаружи покрытую слоем меди или алюминия. При этом оба металла соединены друг с другом прочно и непрерывно по всей поверхности соприкосновения. Каждая часть провода выполняет свою функцию. Медная или алюминиевая оболочка осуществляет электропроводность, стальная сердцевина обеспечивает повышенную прочность на растяжение, что позволяет увеличить расстояние между опорами.