Реферат материалы высокой проводимости
Обновлено: 02.07.2024
применяемыми в радио- и электронике проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы. Из металлических проводниковых материалов могут быть выделены материалы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление , и материалы высокого сопротивления
Материалы, имеющие очень малое удельное сопротивление при весьма низких (криогенных) температурах называют сверхпроводниками и криопроводниками.
К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Большинство металлов имеют высокую температуру плавления, только ртуть и некоторые специальные сплавы, например, индий-галлий, могут быть использованы в качестве жидких проводников при нормальной температуре.
Механизм прохождения тока через твердые и жидкие металлы обусловлен дрейфом свободных электронов под воздействием электрического поля, создаваемого в металле приложенным извне напряжением. Поэтому металлы называют проводниками с электронной (металлической) проводимостью, или проводниками первого рода.
Проводниками второго рода, или электролитами, являются растворы и расплавы солей, кислот, щелочей и других веществ с ионным строением молекул. Прохождение тока через электролиты связано с явлением электролиза; при этом электрические заряды переносятся вместе с частичками молекул (ионами) электролита; на электродах в соответствии с законами Фарадея выделяются продукты электролиза, а состав электролита меняется, в то время, как в металлах при прохождении тока изменения массы и состава не наблюдается. Все пары и газы, в том числе и пары металлов, при достаточно малых значениях напряженности электрического появляются диэлектриками и обладают очень высоким удельным сопротивлением. Однако, если напряженность превысит некоторое критическое значение, обеспечивающее начало ионизации, то газ может стать проводником с электронной или ионной проводимостями. Сильно ионизированный газ при равенстве количества электронов и положительных ионов в единице объема представляет собой особую токопроводящую среду, называемую плазмой.
Зависимость удельного сопротивления металлов от температуры.
Для большинства металлов при повышении температуры значение удельного сопротивления возрастает .Зависимость металлов и их сплавов от температуры. При фазовом переходе из одного агрегатного состояния в другое удельное электрическое сопротивление металлов изменяется скачкообразно Зависимость металлов при переходе в другое агрегатное состояние.
Электрический ток в проводниках и полупроводниках
. значению на этом интервале температур. У чистых металлов . При нагревании проводника его геометрические размеры меняются незначительно. Сопротивление проводника меняется . проводнике, находящемся в сверхпроводящем состоянии, создать ток, а затем устранить источник электрического тока, то сила этого тока не меняется сколь угодно долго. В обычном же не сверхпроводящем проводнике электрический ток .
Изменение удельного сопротивления металлов при деформациях.
Пластическая деформация, как правило, повышает удельное сопротивление металлов в результате искажения кристаллической решетки. При рекристаллизации путем термической обработки (отжиг) может быть восстановлено до первоначального значения. При воздействии гидростатических давлений характер изменения у различных металлов различен, при этом могут наблюдаться повышения, понижения, а также скачкообразное изменение, обусловленное полиморфическими переходами (изменениями кристаллической структуры вещества).
Такие изменениявисмута, бария, свинца и др. при изменении гидростатического давления используются в качестве реперных точек при измерении высоких давлений.
Удельное сопротивление сплавов.
Ранее отмечалось, что примеси и нарушения правильной структуры металлов ведут к увеличению их удельного сопротивления. Значительное возрастание его наблюдается при сплавлении двух и более металлов в том случае, если они образуют твердый раствор, т.е. создают при отвердевании совместную кристаллизацию и атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого
Если же сплав из двух металлов создает раздельную кристаллизацию, т.е. компоненты сплава не образуют твердый раствор и искажения кристаллической решетки каждого компонента не имеют места, то удельное сопротивление сплава приближенно определяется арифметическим правилом сложения.
Тепло через металл передается, в основном, теми же свободными электронами, которые определяют электропроводность металлов, количество их в единице объема велико, поэтому, как правило, коэффициент теплопроводностиметаллов много больше, чем диэлектриков. При прочих равных условиях коэффициент теплопроводности тем больше, чем больше удельная проводимость.
С повышением температуры, когда направленная подвижность электронов в металле и, соответственно, его удельная проводимость уменьшается, отношение /должно возрастать. Математически это выражается законом Видемана-Франца-Лоренца:где:
- T- абсолютная температура вK;
- L0- число Лоренца
Закон Видемана-Франца-Лоренца для большинства металлов хорошо подтверждается при температурах, близких к нормальной, однако в области низких температур его действие нарушается.
Механические свойства металлических проводников в весьма большой степени зависят от механической и термической обработки, от наличия примесей. Отжиг приводит к существенному снижению pи увеличению относительного удлинения при р
Проводниковые материалы высокой проводимости
Металлические проводниковые материалы имеют поликристаллическое строение, т.е. состоят из множества мелких кристалликов. Большинство металлических проводников (Cu,Al,Ag…) обладают большой проводимостью, т.е. малым удельным электрическим сопротивлением, p=0,015 — 0,028 мкОм. м (1 мкОм.м=1 Ом.мм2/м).
К наиболее распространенным металлам высокой проводимости относятся серебро, медь, алюминий и др.
Технологические основы производства цветных металлов: меди, алюминия, .
. Производство меди Медь как золото и серебро встречается в самородном виде и поэтому в древности человек, который ещё не знал металлургии (восстановление металла из руд) уже мог находить и применять медь. . Добыча железной руды и получение из неё металла производились на территории древней Руси задолго до нашей эры. Металлургия цветных металлов в дореволюционной России носила весьма ограниченный .
Наиболее широкое применение находит медь. Это обусловлено следующими ее преимуществами:
- малое удельное сопротивление (больше серебра, но меньше алюминия);
- достаточно высокая механическая прочность и пластичность, что позволяет изготавливать проволоку диаметром до 0,01 мм, а также тонкие листы;
- удовлетворительная коррозионная стойкость, обеспечиваемая тонким слоем оксида CuO, которым она покрывается на воздухе;
- хорошая обрабатываемость пластическим деформированием, например прокатка в листы, ленты, протягивание в проволоку;
- относительная легкость пайки и сварки.
Отечественная промышленность выпускает проводниковую медь различной степени чистоты шести марок. Примесями в меди являются висмут Bi, сурьма Sb, железо Fe, свинец Pb, олово Sn, цинк Zn, никель Ni, фосфор P, сера S, мышьяк Asи кислородO2.Электропроводимость меди весьма зависит от наличия примесей В отдельных случаях помимо чистой меди применяют ее сплавы с небольшим содержанием олова, кремния Si, фосфора, бериллия, хрома Cr, магния Mgи др. Такие сплавы называются бронзами. Они имеют более высокие механические свойства. Бронзы широко используются для изготовления токопроводящих пружин, контактов и других токопроводящих конструкционных деталей.
Бронзы легко обрабатываются резанием, давлением. Сплав меди с цинком называется латунью. Латунь обладает высокой пластичностью, что дает технологические преимущества при обработке штамповкой, глубокой вытяжкой. Латуни применяют в электро- и радиотехнике для изготовления различных деталей. Алюминий, благодаря своей высокой проводимости и атмосферной стойкости является вторым после меди по применению проводниковым материалом. Его удельная проводимость в 1,6 раза меньше меди, но он в 3,5 раза легче ее. Алюминий имеет малую твердость и сравнительно небольшую механическую прочность при растяжении .Алюминий на воздухе интенсивно окисляется и покрывается пленкой окисла Al2O3, надежно защищающего его от проникновения кислорода воздуха. Эта пленка обладает значительным электрическим сопротивлением, поэтому в плохо защищенных местах соединений электрических проводов могут быть большие переходные сопротивления. Пленка затрудняет пайку алюминия обычными способами. Для пайки алюминия применяют специальные флюсы или используют ультразвуковые паяльники. Алюминиевые изделия можно соединять друг с другом и сваркой под давлением (холодной сваркой).
При увлажнении мест соединения алюминиевых изделий с изделиями из других металлов могут образовываться гальванические пары. При этом алюминиевые изделия интенсивно разрушаются возникающими местными гальваническими токами. Чтобы избежать этого места соединений тщательно зачищают от влаги, например, лакирование
Серебро(Ag) относится к группе благородных металлов, на воздухе не окисляется. Интенсивное окисление происходит при температуре больше 200оС. Как и все благородные металлы, серебро отличается высокой пластичностью, позволяющей получать фольгу и проволоку толщиной и диаметром до 0,01 мм. Серебро обладает наивысшей среди всех металлов электрической проводимостью при температурах выше -100оС.
Серебро применяют в сплавах с медью, никелем или кадмием для контактов реле и в других приборах на небольшие токи, в припоях ПСр, которые применяются в случаях, когда необходимо обеспечить низкое переходной сопротивление соединения. Серебро применяют также для непосредственного нанесения на диэлектрики в качестве обкладок в производстве керамических и слюдяных конденсаторов.
. и температуропроводность создают высокие градиенты температуры и скорости охлаждения, а также малое время пребывания сварочной ванны в жидком состоянии. Это обусловливает необходимость применения повышенной погонной энергии при сварке меди .
Недостатком серебря является склонность к миграции поверхности и внутрь диэлектрика, на который его наносят, в условиях высокой влажности и при высоких температурах. Химическая стойкость серебра ниже, чем у золота и платины.
Вольфрам (W)широко применяется в электротехнике в качестве износостойкого материала для изготовления контактов и деталей электровакуумных приборов (электроды, нити накала ламп, изобретенных в 1890 году Лодыгиным).
Вольфрам получают методом порошковой металлургии. Из порошка спекают стержни, которые подвергают сложной термической обработке в атмосфере водорода, ковке и волочению в проволоку диаметром до 0,01 мм и прокатке в листы.
Железо (Fe) — сталь — наиболее доступный материал, обладающий высокой механической прочностью, довольно широко применяется в качестве проводникового материала, несмотря на то, что даже чистое железо имеет более высокое, по сравнению с медью=0,1 мкОм. м, удельное сопротивление сплавов железа значительно больше. При переменном токе в стали, как в магнитном материале, сильно сказывается поверхностный эффект, поэтому активное сопротивление стальных проводников для переменного тока значительно больше, чем для постоянного. Кроме того, при переменном токе в стальных проводниках появляются потери мощности на гистерезис. Сталь обладает малой коррозионной стойкостью даже при нормальной температуре, поэтому для обеспечения необходимой стойкости стальные провода должны быть защищены более стойким материалом, например, цинком. Натрий (Na)является интересным и перспективным проводниковым материалом, что определяется следующим:
- его достаточно много, т.к. получают его электролизом расплава поваренной соли NaCl;
- удельное сопротивление натрия всего в 2,8 раза больше, чем у меди и равно 0,046 мкОм.м;
— натрий имеет очень малую плотность, поэтому провод из натрия при равной проводимости на единицу длины значительно легче провода из любого другого металла. Однако натрий очень активный химический элемент, интенсивно окисляется на воздухе и бурно реагирует с водой. Кроме того, он весьма мягок и имеет малый предел прочности, поэтому натриевый провод должен быть защищен герметизирующей оболочкой, которая должна придавать проводу необходимую прочность. Пластмассовая оболочка служит, к тому же, изоляцией.
1.1 Проводниковые материалы высокого сопротивления
Стандартизация строительных материалов, изделий и конструкций
. строительству и строительным материалам, обязательный для всех организаций и предприятий. Методическую основу стандартизации размеров в проектировании, изготовлении строительных изделий и при . комплексной стандартизации качественных характеристик данной продукции, а также сырья, материалов, полуфабрикатов и комплектующих изделий, необходимых для ее изготовления с высокими показателями .
Сплавы высокого сопротивления на основе железа.
Сплавы на основе железа применяют в основном для электронагревательных элементов. Высокая нагревостойкость таких элементов объясняется введением в их состав достаточно большого количества металлов, образующих при нагреве на воздухе практически сплошную окисную пленку. Такими металлами являются никель, хром и алюминий сплавы системы Fe-Ni-Cr называют нихромами: они содержат 15-23% хрома, никеля, 1-1,5% марганца и остальное- железо. Срок службы элементов из нихрома и других жаростойких сплавов зависит от свойств окисных пленок, образуемых на поверхностях, соприкасающихся с воздухом при высокой температуре. Длительность работы электронагревательных элементов из нихрома может быть во много раз увеличена, если исключить доступ кислорода к поверхности проволоки. В трубчатых нагревателях проволоку из сплава с высоким сопротивлением помещают в трубках из стойкого к окислению металла, например — алюминия, а промежуток заполняют порошком с высокой теплопроводностью, например магнезией MgO. При дополнительной протяжке этих трубок через фильеру, наружный диаметр трубки уменьшается, магнезия уплотняется и образует механически прочную изоляцию внутреннего проводника. Такие нагревательные элементы применяют в электросамоварах, кипятильниках, плитках. Нихром достаточно технологичен и имеет высокую рабочую (до 10000С) температуру. проводимость ток металл сопротивление
Материалы, полученные прессованием из металлических порошков с последующим спеканием при температурах 1000-14000С, называют металлокерамическими. Исходные порошкообразные массы состоят из двух и более порошков различных металлов, одни из которых обладают более высокой температурой плавления. При высокотемпературной обработке — спекании — более легкоплавкий металл заполняет поры между частицами более тугоплавкого металла. В результате получаются монолитные металлокерамические изделия. Иногда в исходную массу, состоящую из металлических порошков, вводят порошок неметалла, например, графита. Этим достигается получение необходимых свойств металлокерамических изделий. К металлографитовым изделиям относятся меднографитовые щетки для электрических машин, контакты, отличающиеся высокой устойчивостью к свариванию при размыкании больших токов (до 100000 А).
Реферат электрическая емкость конденсатора
. емкость конденсатора. Рис. 3. Конденсатор переменной емкости с воздушным диэлектриком На рис. 4 изображены керамические, слюдяные, бумажные и металлобумажные конденсаторы постоянной емкости. В керамических конденсаторах (рис. 4, а) диэлектриком служит керамика с высокой электрической .
Меднографитовые изделия имеют очень малое удельное сопротивление (=0,02 — 0,05 мкОмм) и обладают высокой стойкостью к электрической дуге, технологичны и имеют хорошие эксплуатационные характеристики. Их применяют в электрических машинах с тяжелыми условиями работы — в токонесущих устройствах электровозов и троллейбусов.
Неметаллические проводниковые материалы.
Среди твердых неметаллических проводниковых материалов наибольше значение имеют материалы на основе углерода — электротехнические угольные изделия. Из угля изготавливают щетки электрических машин, электроды для прожекторов, дуговых электрических печей, электролитических ванн, аноды гальванических цепей. Угольные порошки используют в микрофонах. Из угля делают высокоомные сопротивления, его применяют в электровакуумной технике. В качестве сырья для производства электроугольных изделий используют сажу, графит или антрацит. Изделия изготавливаются прессованием с последующим спеканием. При температурах обжига (~20000С) углерод искусственно переводится в форму графита, вследствие чего процесс называют графитированием. Сажа представляет мелкодисперсный углерод с примесями смолистых веществ. Лаки, в состав которых в качестве пигмента введена сажа, имеют малое удельное сопротивление.
Проводящие и резистивные пасты.
Для нанесения электродов керамических конденсаторов, изготовления проводников и резисторов толстопленочных микросхем широко используют проводящие и резистивные пасты. Пасты обычно наносят методом вжигания при температуре ~825oC; толщина слоя пасты ~10мкм. Наиболее широкое применение нашли пасты для серебрения керамики на основе окиси серебраAg2O3и углекислого серебраAg2CO3. В микроэлектронике применяют пасты на основе и других благородных металлов — золота, платины, палладия, а также кадмия, таллия, сурьмы, карбида вольфрама, борида вольфрама, молибдена, нитрида тантала и др.
Приготовление паст и их нанесение требует строгого соблюдения технологии, т.к. даже незначительное ее нарушение может привести к изменению функциональных свойств паст и, соответственно, изделий, которые из них изготавливаются.
Примеры похожих учебных работ
. и коррозионной стойкости, так как эти изделия работают в тяжелых условиях эксплуатации. Поэтому в процессе сварки медь . и т.д. Многокомпонентные медноцинковые сплавы принято называть специальными латунями. Сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием и .
. Высокая стоимость меди и сплавов на ее основе привела в 20 . цветные сплавы делятся на деформируемые и литые (иногда спеченые). На основании этого деления различают металлургию легких металлов и металлургию тяжелых металлов. 1. М едь и ее сплавы Медь .
Кровельные материалы
. область их применения, оценим эффективность, положительные и отрицательные свойства. Классификация кровельных материалов Прежде чем перейти к классификации современных кровельных материалов, обозначим основные типы кровель и из чего они выполнены: .
Порошковые материалы
. сплавы повышенные количества легирующих добавок, то есть создать новый класс порошковых материалов. Высоколегированные порошковые материалы характеризуются равномерной мелкозернистой структурой, отсутствием пор, высоким уровнем механических свойств; .
Значение металлов в нашей жизни
. человеческой деятельности, дала мощный толчок развитию производительных сил, обеспечила людей металлами и сплавами, сыгравшими решающую роль в становлении материальной культуры. Ее случайно этапные периоды в жизни человечества названы историей по .
Документ из архива "Материалы с высокой проводимостью", который расположен в категории " ". Всё это находится в предмете "физика" из раздела "", которые можно найти в файловом архиве Студент. Не смотря на прямую связь этого архива с Студент, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "рефераты, доклады и презентации", в предмете "физика" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "referat"
Текст из документа "referat"
Медь и её сплавы 2
Алюминий и его сплавы 6
Список литературы 9
Материалы с высокой проводимостью. К материалам этого типа предъявляются следующие требования: минимальное значение удельного электрического сопротивления; достаточно высокие механические свойства (главным образом предел прочности при растяжении и относительное удлинение при разрыве); способность легко обрабатываться, что необходимо для изготовления проводов малых и средних сечений; способность образовывать контакты с малым переходным сопротивлением при пайке, сварке и других методах соединения проводов; коррозионная стойкость.
Основным является требование максимальной удельной проводимости материала. Однако электропроводность металла может снижаться из-за загрязняющих примесей, деформации металла, возникающей при штамповке или волочении, что приводит к разрушению отдельных зерен металла. Влияние деформаций металла на ею электропроводность устраняется при отжиге, во время которого уменьшается число дефектов в металле и увеличиваются средние размеры кристаллов металла. В связи с этим проводниковые материалы используют в основном в отожженном (мягком) состоянии.
Наиболее распространенными современными материалами высокой проводимости, применяемыми в радиоэлектронике, являются цветные металлы (медь, алюминий, цинк, олово, магний, свинец) и черные металлы (железо), которые применяются в чистом виде. Еще шире используют сплавы этих металлов, так как они обладают лучшими свойствами и более дешевы по сравнению с чистыми металлами. Однако цветные металлы и их сплавы экономически целесообразно использовать в тех случаях, когда необходимые свойства изделий нельзя получить, применяя черные металлы, чугун и сталь.
Для улучшения свойств цветные сплавы подвергаются термической обработке - отжигу, закалке и старению. Отжиг влияет на мягкость материала и уменьшает напряжения в отливках. Закалка и старение повышают механические свойства.
Медь и ее сплавы
Медь. Медь является одним из самых распространенных материалов высокой проводимости. Она обладает следующими свойствами:
малым удельным электрическим сопротивлением (из всех металлов только серебро имеет удельное электрическое сопротивление на несколько процентов меньше, чем у меди);
высокой механической прочностью;
удовлетворительной коррозионной стойкостью (даже в условиях высокой влажности воздуха медь окисляется значительно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах);
хорошей паяемостью и свариваемостью;
хорошей обрабатываемостью (медь прокатывается в листы и ленты и протягивается в проволоку).
Свойства медной проволоки приведены ниже.
сопротивление , мкОм•м, не более……………………………0,0179. 0,0182 0,0175
Предел прочности при растяжении ,
при разрыве l/l,%……………………………………………………………………0,5. 2,5 18. 35
Медь получают чаще всего в результате переработки сульфидных руд. Примеси снижают электропроводность меди. Наиболее вредными из них являются фосфор, железо, сера, мышьяк. Содержание фосфора примерно 0,1% увеличивает сопротивление меди, на 55%. Примеси серебра, цинка, кадмия дают увеличение сопротивления на 1…5%. Поэтому медь, предназначенная для электротехнических целей, обязательно подвергается электролитической очистке. Катодные пластины меди, полученные в результате электролиза * , переплавляют в болванки массой 80…90 кг, которые прокатывают и протягивают, создавая изделия необходимого поперечного сечения.
Для изготовления проволоки болванки сначала подвергают горячей прокатке в катанку диаметром 6,5. 7,2 мм, которую затем протягивают без подогрева, получая проволоку нужных поперечных сечений.
В качестве проводникового материала используют медь марок М1 и МО. Медь марки М1 содержит 99,9% меди, не более 0,1% примесей, в общем количестве которых кислорода должно бы не более 0,08%. Медь марки МО содержит примесей не более 0,05 в том числе кислорода не более 0,02%. Благодаря меньшему держанию кислорода медь марки МО обладает лучшими механическими свойствами, чем медь марки М1. Еще более чистым проводниковым металлом (не более 0,01% при
* Совокупность процессов электрохимического окисления - восстановления, происходящих на погруженных в электролит электродах при прохождении электрического тока.
месей) является вакуумная медь марки МВ, выплавляемая в вакуумных индукционных печах.
При холодной протяжке получают твердую (твердотянутую) медь (МТ), которая обладает высоким пределом прочности при растяжении, твердостью и упругостью (при изгибе проволока из твердой меди несколько пружинит).
Твердую медь применяют в тех случаях, когда необходимо обеспечить высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию: для контактных проводов, шин распределительных устройств, для коллекторных пластин электрических машин, изготовления волноводов, экранов, токопроводящих жил кабелей и проводов диаметром до 0,2 мм.
После отжига до нескольких сотен градусов (медь рекристаллизуется при температуре примерно 270°С) с последующим охлаждением получают мягкую (отожженную) медь (ММ). Мягкая медь имеет проводимость на 3…5% выше, чем у твердой меди.
Мягкая отожженная медь служит электротехническим стандартом, по отношению к которому удельную электрическую проводимость металлов и сплавов выражают при температуре окружающей среды 20 °С. Удельная электрическая проводимость такой меди равна 58 мкСм/м, соответственно = 0,017241 мкОм-м при значении ТК = 4,3·10 -3 К -1 .
Из специальных электровакуумных сортов меди изготавливают аноды мощных генераторных ламп, детали СВЧ устройств: магнетронов, клистронов, некоторых типов волноводов и др.
Медь сравнительно дорогой и дефицитный материал, поэтому она должна расходоваться экономно. Отходы меди на электротехнических предприятиях необходимо собирать, не смешивая с другими металлами и менее чистой медью, чтобы их можно было переплавить и снова использовать. В ряде случаев медь как проводниковый материал заменяют другими металлами, чаще всего алюминием.
В ряде случаев, когда от проводникового материала требуется не только высокая проводимость, но и повышенные механическая прочность, коррозионная стойкость и сопротивляемость истиранию, применяют сплавы меди с небольшим содержанием легирующих примесей.
Бронзы. Сплавы меди с примесями олова, алюминия, кремния, бериллия и других элементов, среди которых цинк не является основным легирующим элементом, называют бронзами (табл. 3.3).
Материалы с высокой проводимостью. К материалам этого типа предъявляются следующие требования: минимальное значение удельного электрического сопротивления; достаточно высокие механические свойства (главным образом предел прочности при растяжении и относительное удлинение при разрыве); способность легко обрабатываться, что необходимо для изготовления проводов малых и средних сечений; способность образовывать контакты с малым переходным сопротивлением при пайке, сварке и других методах соединения проводов; коррозионная стойкость.
Основным является требование максимальной удельной проводимости материала. Однако электропроводность металла может снижаться из-за загрязняющих примесей, деформации металла, возникающей при штамповке или волочении, что приводит к разрушению отдельных зерен металла. Влияние деформаций металла на ею электропроводность устраняется при отжиге, во время которого уменьшается число дефектов в металле и увеличиваются средние размеры кристаллов металла. В связи с этим проводниковые материалы используют в основном в отожженном (мягком) состоянии.
Наиболее распространенными современными материалами высокой проводимости, применяемыми в радиоэлектронике, являются цветные металлы (медь, алюминий, цинк, олово, магний, свинец) и черные металлы (железо), которые применяются в чистом виде. Еще шире используют сплавы этих металлов, так как они обладают лучшими свойствами и более дешевы по сравнению с чистыми металлами. Однако цветные металлы и их сплавы экономически целесообразно использовать в тех случаях, когда необходимые свойства изделий нельзя получить, применяя черные металлы, чугун и сталь.
Для улучшения свойств цветные сплавы подвергаются термической обработке - отжигу, закалке и старению. Отжиг влияет на мягкость материала и уменьшает напряжения в отливках. Закалка и старение повышают механические свойства.
2. Медь и ее сплавы
Медь . Медь является одним из самых распространенных материалов высокой проводимости. Она обладает следующими свойствами:
малым удельным электрическим сопротивлением (из всех металлов только серебро имеет удельное электрическое сопротивление на несколько процентов меньше, чем у меди);
высокой механической прочностью;
удовлетворительной коррозионной стойкостью (даже в условиях высокой влажности воздуха медь окисляется значительно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах);
хорошей паяемостью и свариваемостью;
хорошей обрабатываемостью (медь прокатывается в листы и ленты и протягивается в проволоку).
Свойства медной проволоки приведены ниже.
сопротивление r, мкОм•м, не более……………………………0,0179. 0,0182 0,0175
Предел прочности при растяжении s ,
при разрыве Dl / l ,%……………………………………………………………………0,5. 2,5 18. 35
Медь получают чаще всего в результате переработки сульфидных руд. Примеси снижают электропроводность меди. Наиболее вредными из них являются фосфор, железо, сера, мышьяк. Содержание фосфора примерно 0,1% увеличивает сопротивление меди, на 55%. Примеси серебра, цинка, кадмия дают увеличение сопротивления на 1…5%. Поэтому медь, предназначенная для электротехнических целей, обязательно подвергается электролитической очистке. Катодные пластины меди, полученные в результате электролиза * , переплавляют в болванки массой 80…90 кг, которые прокатывают и протягивают, создавая изделия необходимого поперечного сечения.
Для изготовления проволоки болванки сначала подвергают горячей прокатке в катанку диаметром 6,5. 7,2 мм, которую затем протягивают без подогрева, получая проволоку нужных поперечных сечений.
В качестве проводникового материала используют медь марок М1 и МО. Медь марки М1 содержит 99,9% меди, не более 0,1% примесей, в общем количестве которых кислорода должно бы не более 0,08%. Медь марки МО содержит примесей не более 0,05 в том числе кислорода не более 0,02%. Благодаря меньшему держанию кислорода медь марки МО обладает лучшими механическими свойствами, чем медь марки М1. Еще более чистым проводниковым металлом (не более 0,01% при
![]()
* Совокупность процессов электрохимического окисления - восстановления, проис ходящих на погруженных в электролит электродах при прохождении электрического тока.
месей) является вакуумная медь марки МВ, выплавляемая в вакуумных индукционных печах.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение…..……………………………………………………………………….3
1 Классификация проводниковых материалов…………………..…….………..4
2 Характеристики и применение проводниковых материалов………………. 6
3 Классификация электроизоляционных материалов…………………………10
4 Характеристики электроизоляционных материалов………………………. 12
Заключение……………………………………………………………………….18
Список использованных источников…………………………………………. 19
Введение
Современную технику невозможно представить без проводниковых и электроизоляционных материалов.
Проводниковые материалы находят применение в качестве проводов и жил кабелей, термоэлементов, припоев, предохранителей, нагревателей, для изготовления резисторов.
Электрические устройства имеют надёжную изоляцию токонесущих проводов, проводников и корпусов электрооборудования. Основными задачами электроизоляционных материалов являются предотвращение утечки электрических зарядов, разделение токопроводящих элементов и электрических цепочек, а также обеспечение безопасных схем электроснабжения и условий работы технического персонала.
Целью данной работы являлось изучение классификации, характерных свойств и областей применения проводниковых и электроизоляционных материалов.
1 Классификация проводниковых материалов
По агрегатному состоянию проводниковые материалы длятся на газообразные, жидкие и твёрдые.
Газообразные проводниковые материалы при низких значения напряжённости электрического поля не являются проводниками. При высоких значениях напряжённости электрического поля, начинается ударная ионизация – носители заряда электроны и ионы. При сильной ионизации и равенстве в единице объеме электронной и ионов – плазма. Применение: газоразрядные приборы.
Жидкие проводниковые материалы
а) электролиты (водные растворы кислот, щёлочей, солей) – носители заряда ионы вещества, состав электролита постепенно изменяется, и на электродах выделяются продукты электролиза. Применение: электролитические конденсаторы, покрытие металлов слоем другого металла (гальваностегия), получение копий с предметов (гальванопластика), очистка металлов (рафинирование);
б) расплавленные металлы (имеют высокую температуру, ртуть Hg tплав Hg=-39 оС и галлий Ga tплав Ga=29,7 оС) – носители заряда электроны. Применение: в литейном производстве, ртутные лампы, галлий в полупроводниковой технике (легирующий элемент для германия), низкотемпературные припои.
Твёрдые проводниковые материалы
Металлы и сплавы – носители заряда электроны. Применение: токопроводящие части электрических машин, аппаратов и сетей.
По удельному электрическому сопротивлению различают:
- материалы высокой проводимости (удельное электрическое сопротивление ρ≤0,05 мкОм∙м): серебро Ag (применение: контакты, электроды конденсаторов, радиочастотные кабели); медь Cu (жилы проводов и кабелей); золото Au (контакты, электроды, фотоэлементы); алюминий Al (провода для ЛЭП, жилы проводов и кабелей); железо Fe (провода ЛЭП не большой мощности); металлический натрий Na (провода и кабели в полиэтиленовой оболочке);
- материалы высокого сопротивления (ρ≥0,3 мкОм∙м): манганин сплав Cu – Mn – Ni (применение: образцовые резисторы); константан сплав Cu – Ni – Mn (реостаты и электронагревательные приборы); сплавы на основе железа – нихромы Fe – Ni – Cr, фехрали Fe – Cr – Al (электронагревательные элементы);
- сверхпроводники (ρ=0) при температурах близких к абсолютному нулю по шкале Кельвина -273,15 оС (алюминий Al, олово Sn, свинец Pb);
- криопроводники (ρ≈0) при температурах ниже -173 оС, но не переходя в сверхпроводящее состояние (алюминий Al, медь Cu, бериллий Be).
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).
Классификация проводниковых материалов представлена на рис. 1.
Рисунок 1 – Классификация проводниковых материалов
2 Характеристики и применение проводниковых материалов
К электрическим характеристикам проводниковых материалов можно отнести: удельное сопротивление или обратную величину – удельную проводимость; контактную разность потенциалов и термоэлектродвижущую силу (термоЭДС); работу выхода электронов из металла.
Удельная проводимость выражается в сименсах на метр (См/м):
, (1)
где q – заряд электрона (1,6 ·10-19Кл); n0 – число свободных электронов в единице объема металла; λ – средняя длина свободного пробега электрона между двумя соударениями с узлами решетки; m – масса электрона; vт – средняя скорость теплового движения свободного электрона.
Удельное сопротивление проводников:
ρ = ρтепл + ρост, (2)
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.2. При температурах, превышающих температуру Дебая Θ, которая для металлов равна 400 – 800оС, удельное сопротивление возрастает линейно и обусловлено в основном усилением тепловых колебаний решетки. В области низких (криогенных) температур удельное сопротивление почти не зависит от температуры и определяется только сопротивлением ρост.
Рисунок 2 – Зависимость удельного сопротивления металлов от температуры
Изменение удельного сопротивления металлических проводников с температурой принято характеризовать температурным коэффициентом удельного сопротивления ТК ρ или αρ (К-1). Если температура изменяется в узких пределах, то пользуются средним температурным коэффициентом удельного сопротивления:
(3)
где ρ0 – удельное сопротивление при температуре Т0, принятой за начальную; ρ1 – то же при температуре Т1.
Для металлов αρ составляет 4·10-3К-1, а для сплавов значительно меньше – 10-4 – 10-6 К-1. Основные характеристики проводниковых материалов представлены в табл. 1.
Металлы и сплавы высокой проводимости должны иметь достаточную прочность, пластичность, коррозионную стойкость, хорошо свариваться и подвергаться пайке. Практическое применение имеют химически чистые металлы: медь, алюминий, серебро.
Медь обладает рядом ценных свойств: малым удельным сопротивлением; достаточно высокой механической прочностью; удовлетворительной стойкостью к коррозии; хорошей обрабатываемостью давлением; хорошей способностью к пайке и сварке. Для изделий с большей прочностью используют латуни и бронзы с кадмием и бериллием.
Таблица 1 – Основные характеристики проводниковых материалов
Алюминий окисляется на воздухе, покрываясь прочной оксидной пленкой, которая защищает металл от дальнейшего окисления и обусловливает его высокую коррозионную стойкость. Удельное электрическое сопротивление алюминия не должно превышать 0,028 мкОм·м, обладает высокой пластичностью.
Серебро обладает минимальным удельным сопротивлением 0,016 мкОм·м; невысокие прочность и твердость, но хорошая пластичность. По сравнению с другими благородными металлами (золотом, платиной) серебро имеет пониженную химическую стойкость, тенденцию диффундировать в материал подложки.
Припои – сплавы, используемые при пайке металлов. Кроме высокой проводимости должны обеспечивать небольшое переходное сопротивление (сопротивление контакта). Различают два типа припоев: для низкотемпературной пайки с температурой плавления до 400оС и для высокотемпературной пайки. Используют припои на основе олова, свинца, цинка, серебра, имеющие хорошую проводимость и сопротивление которых мало отличается от сопротивления металлов, образующих сплав.
Материалы с большим удельным сопротивлением широко применяются при изготовлении различных электроизмерительных и электронагревательных приборов, образцовых сопротивлений, реостатов и т.д.
Для изготовления электроизмерительных приборов, образцовых сопротивлений и реостатов применяются, как правило, сплавы, отличающиеся высокой стабильностью удельного сопротивления во времени и малым температурным коэффициентом сопротивления. К числу таких материалов относятся манганин, константан и нихром. Среди сплавов с высоким сопротивлением, которые (кроме нихрома) широко используются для изготовления различных нагревательных элементов, необходимо отметить жаростойкие сплавы фехрали и хромали. Эти сплавы отличаются высокой стойкостью к химическому разрушению поверхности под воздействием различных газообразных сред при высоких температурах.
Сверхпроводники (чистые металлы) по физико-химическим свойствам делятся на мягкие (Hg, Sn, Pb, In) и жесткие (Та, Ti, Zr, Nb). Для мягких сверхпроводников характерны низкие температуры плавления, отсутствие внутренних механических напряжений, жесткие – имеют значительные внутренние напряжения. Сверхпроводники используют для создания сверхсильных магнитных полей в достаточно большой области пространства; изготовления обмоток электрических машин и трансформаторов малой массы, но с очень высоким КПД и др.
Криопроводники при сильном охлаждении (ниже -173°С) приобретают высокую электрическую проводимость, но не переходят в сверхпроводящее состояние. Минимальным сопротивлением при температуре жидкого азота обладает бериллий, однако он отличается плохой технологичностью, дорог и высокотоксичен. Более доступен и технологичен алюминий марки А999, при температуре жидкого гелия имеет удельное сопротивление не более 1…2·10-6мкОм·м).
3 Классификация электроизоляционных материалов
Электроизоляционные материалы – класс электротехнических материалов, предназначенных для электрической изоляции, являющейся неотъемлемой частью электрической цепи и необходимой для того, чтобы не пропускать ток по не предусмотренным электрической схемой путям.
Электроизоляционные материалы классифицируют:
• по агрегатному состоянию: газообразные (воздух, азот, вакуум), жидкие (нефтяные и природные масла, синтетические жидкости), твердые (бумага, фибра, гетинакс, фарфор, слюда, стекло) и твердеющие (канифоль, поливинилхлорид, винипласт, парафин). К группе твердых также относят твердеющие материалы, которые вводятся в электрическую изоляцию в жидком или пластичном состоянии, но в работающей изоляции являются твердыми;
• по структуре твердые электроизоляционные материалы можно классифицировать как кристаллические и аморфные;
• по химическому составу электроизоляционные материалы делятся на органические и неорганические;
• по электрическому состоянию молекул электроизоляционные материалы подразделяют на неполярные и полярные. Диэлектрики подразделяются также на гетерополярные (ионные), молекулы которых сравнительно легко диссоциируют, и гомеополярные, для которых диссоциация на ионы не характерна;
• по происхождению: природные, применяемые без химической переработки; искусственные, получаемые путем химической переработки природного сырья; синтетические, получаемые методом химического синтеза.
Классификация электроизоляционных материалов представлена на рис. 3.
Рисунок 3 – Классификация электроизоляционных материалов
4 Характеристики электроизоляционных материалов
В современной технике широко применяют разнообразные изоляционные материалы. Все они отличаются друг от друга электрическими, механическими и химическими свойствами. Важнейшими электрическими характеристиками электроизоляционных материалов являются электрическая прочность, удельное электрическое сопротивление (объемное и поверхностное), диэлектрическая проницаемость и значение диэлектрических потерь. Однако для практических целей немаловажное значение имеют и другие характеристики этих материалов: механическая прочность, гибкость и эластичность, нагревостойкость, морозостойкость, гигроскопичность, химическая стойкость и т. п.
Газообразные материалы широко применяются при изготовлении аппаратов высокого напряжения (выключатели, разрядники и т.п.), кроме того, воздух окружает большинство электротехнических установок, а на ЛЭП является основной изолирующей средой. Оценивая свойства газообразных диэлектриков (табл. 2), следует отметить малую диэлектрическую проницаемость εr (при расчетах принимается равной 1), высокое удельное сопротивление ρ и особенно очень малое значение tgδ. Однако большинство газов при атмосферном давлении имеют невысокую электрическую прочность Епр. Достоинствами газообразных диэлектриков являются восстановление ими электрической прочности после пробоя и отсутствие старения.
Жидкие материалы используют для заполнения внутреннего пространства силовых трансформаторов, реакторов, кабелей, масляных выключателей, конденсаторов и др. Они хорошо пропитывают пористую изоляцию, картоны, бумаги, существенно повышая при этом электрическую прочность изоляции и улучшая теплоотвод. Наиболее широкое применение получили нефтяные электроизоляционные масла, являющиеся смесью различных углеводородов. Достоинства нефтяных масел: хорошие изолирующие свойства, доступность, дешевизна и достаточная химическая стойкость, недостатки – малый интервал рабочих температур, пожаро- и взрывоопасность.
Таблица 2 – Основные характеристики газообразных диэлектриков
Наиболее простым распространенным твердым полимером является полиэтилен (табл. 3) – термопластичный материал, химически стойкий, обладает водоотталкивающими свойствами, гибкостью, стойкостью к растворителям (до температур 100 - 120 °С). Недостатки – невысокая нагревостойкость. Применение: для изоляции проводов и кабелей, при изготовлении изоляционных шлангов, трубок, липких лент, каркасы катушек, платы.
Поливинилхлоридный пластикат широко применяют в качестве основной изоляции монтажных проводов, для изготовления защитных оболочек кабелей, гибких изоляционных трубок и липкой изоляционной ленты.
Эпоксидные смолы являются термопластичными материалами, могут равномерно отверждаться в весьма толстом слое, образуя при этом монолитную, водонепроницаемую, термореактивную изоляцию. Применяют для изготовления клеев, лаков, заливочных компаундов, герметиков и т.д.
Резину широко применяют для изоляции установочных и монтажных проводов, гибких проводов и кабелей, электроизоляционных лент и т.п.
Большое значение в электротехнике имеют лаки и эмали. По назначению различают лаки пропиточные, покровные и клеящие.
Таблица 3 – Основные характеристики электроизоляционных материалов
Электроизоляционные бумаги делятся на кабельные, конденсаторные, пропиточные, намоточные, микалентные, крепированные.
Лакоткани представляют собой гибкие рулонные материалы, тканевая основа которых пропитана электроизоляционным лаком.
По назначению керамические материалы разделяют на пять основных групп – изоляторная, конденсаторная, сегнетоэлектрическая, полупроводниковая и магнитная керамика. Одним из широко применяемых электрокерамических материалов является электротехнический фарфор (применяется для изготовления различных электрических изоляторов и покрышек высоковольтных вводов).
Стекла – неорганические вещества. Электротехнические стекла по назначению бывают конденсаторные, установочные, ламповые.
Заключение
Электротехнические материалы имеют существенное значение в конструкциях самых разнообразных электротехнических и радиотехнических устройств и аппаратов.
Учитывая тенденцию в современной электротехнике к увеличению напряжений и мощностей, уменьшению габаритов и веса отдельных машин и аппаратов и повышению их надежности, роль электроматериалов становится более значительной.
В данной работе были изучены различные виды проводниковых и электроизоляционных материалов, их свойства и назначение.
Список использованных источников
1. Богородицкий Н. П. Электротехнические материалы/ Н. П. Богородицкий, В. В. Пасынков, Б. М. Тареев - Л.: Энергоатомиздат, 1985. – 304 с.
2. Тареев Б. М. Физика диэлектрических материалов. - М.: Энергия, 1982. – 320 с.
3. Справочник по электротехническим материалам: Справ. / Под ред. Ю. В. Корицкого и др. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - Т. 1-3.
4. Конструкционные и электротехнические материалы / В. Н. Бородулин, А. С. Воробьев, С. Я. Попов и др. Под ред. В. А Филикова. - М.: Выш. шк., 1990. – 226 с.
5. Электротехнический справочник: Справ. Т.1 / Под общ. ред. профессоров МЭИ. - М.: Энергоатомиздат, 1985. – 448 с.
6. Арзамасов Б. Н., Сидорин И. И., Косолапов Г. Ф. и др. Материаловедение: Учебник для вузов. – М.: Машиностроение, 1986 – 384 с.
7. Конструкционные и электротехнические материалы / В. Н. Бородулин, А. С. Воробьев, С. Я. Попов и др.; под ред. В. А. Филикова. – М.: Высшая школа, 1990 – 296 с.
8.Корицкий Ю.В. Электротехнические материалы. 3-е изд.- М.: Высшая школа, 1990.-306 с.
9.Новиков, Ю.Н. Электротехническое материаловедение: Учебное пособие / Ю.Н. Новиков. - СПб.: Лань, 2016. - 200 c.
10.Электротехнические и конструкционные материалы. / Под общ. ред. В. А. Филикова. М.: Академия, 2009. – 385 с.Нет нужной работы в каталоге?
![]()
Сделайте индивидуальный заказ на нашем сервисе. Там эксперты помогают с учебой без посредников Разместите задание – сайт бесплатно отправит его исполнителя, и они предложат цены.
Цены ниже, чем в агентствах и у конкурентов
Вы работаете с экспертами напрямую. Поэтому стоимость работ приятно вас удивит
Бесплатные доработки и консультации
Исполнитель внесет нужные правки в работу по вашему требованию без доплат. Корректировки в максимально короткие сроки
Если работа вас не устроит – мы вернем 100% суммы заказа
Техподдержка 7 дней в неделю
Наши менеджеры всегда на связи и оперативно решат любую проблему
Строгий отбор экспертов
![computer]()
Требуются доработки?
Они включены в стоимость работы![]()
![]()
Работы выполняют эксперты в своём деле. Они ценят свою репутацию, поэтому результат выполненной работы гарантирован
Читайте также:
- хорошая обрабатываемость пластическим деформированием, например прокатка в листы, ленты, протягивание в проволоку;
