Проводниковые материалы

Электротехника решение задач
Расчет электротехнических устройств
Проводниковые материалы
Полупроводники
Электропроводность полупроводников
Информатика
Курс лекций по информатике
Физика
Решение задач по физике
Методика решения задач по кинематике
Магнитные цепи
Основы теории электромагнитного поля
Электромагнитные волны
Электродинамика
Искусство
История искусства
Экспрессионизм
Фотоискусство
Скульптура и архитектура
Графика
Инженерная графика
Выполнение графических работ
Оформление чертежей
Построение чертежа в трехмерном
пространстве
Комплексный чертеж
Преобразование комплексного чертежа
Позиционные и метрические задачи
Аксонометрические проекции
Рабочие чертежи
Математика решение задач
Задачи контрольной работы
Функции и их графики
Пределы
Производные
Исследование функций и построение графиков
Векторная алгебра
Аналитическая геометрия
Кривые второго порядка
Матрицы
Математический анализ
Дифференцирование и интегральное исчисление
Методы интегрирования
Примеры решения дифференциальных уравнений
Примеры вычисления интегралов
Вычисление площадей в полярных, параметрических и декартовых координатах
 

Элементы зонной теории твердого тела Все тела, в зависимости от их электрических свойств, условно могут быть отнесены к одной из трех групп: 1) проводники; 2) полупроводники; 3) диэлектрики. На макроскопическом уровне разница между этими группами веществ видится в их различной электропроводности при одинаковых условиях. Но возникает вопрос, а почему сильно разнятся электропроводности проводников и диэлектриков, полупроводников и проводников? Ответ на этот вопрос нужно искать в микростроении веществ, относящихся к той или иной группе.

Физическая природа проводимости Зонная теория и опытные данные показывают, что у всех металлов валентная зона заполнена лишь частично и либо соприкасается с зоной проводимости, либо зоны перекрываются. Поэтому, как отмечалось ранее, все металлы и сплавы хорошо проводят электрический ток. Отметим, что электроны, которые могут принимать участие в электрическом токе, называются свободными. Т.к. в металлах валентная зона перекрывается с зоной проводимости, то, следовательно, все валентные электроны могут принимать участие в электрическом токе. Число валентных электронов не зависит от температуры и у всех металлов одного порядка - 10 22 /см 3, а электропроводность отличается иногда в десятки раз, уменьшается с ростом температуры и зависит от содержания даже металлических примесей.

Рассмотрим подробнее влияние на электропроводность нескольких "препятствий" одновременно. "Препятствиями" на пути движения электронов могут быть тепловые отклонения атомов кристаллической решетки от идеальной периодичности, наличие в решетке инородных атомов - примесей, не занятые узлы решетки, атомы, занимающие чужие узлы, и т.д. Очевидно, что каждый вид "препятствий" будет приводить к наличию своего времени релаксации i.

Несовершенства в кристаллах Остановимся подробнее на причинах, которые вызывают рассеяние электронов при их движении в кристалле и которые мы первоначально обозначили термином "препятствия". В кристаллических телах атомы или ионы расположены в определенном порядке, т.е. регулярным образом, с соблюдением периодичности. Такому регулярному строению соответствует внутреннее регулярное электрическое поле. Периодичность в расположении атомов, однако, не означает, что такое расположение атомов наблюдается во всем объеме кристаллического тела. Обычно на практике мы имеем дело с поликристаллическими телами, т.е. с телами, содержащими отдельные зерна или блоки, внутри которых атомы действительно расположены регулярно. Но при переходе от зерна к зерну на границах зерен наблюдается отклонение от регулярности. Такие зерна обычно имеют размеры порядка 10 -6 м или немного более.

Линейные дефекты - нарушения периодичности решетки, имеющие протяженность только в одном направлении. Этот вид дефектов в литературе чаще называют дислокациями, которые бывают двух типов: краевые и винтовые.

Электрические свойства сплавов, в полном соответствии с изложенной ранее физической природой проводимости, определяются не только составом, но также структурой и ее дефектами. Сплавы могут быть получены совместным расплавлением компонентов, электролизом растворов солей, возгонкой, спеканием и другими методами. Компоненты, входящие в сплав, могут образовывать твердые растворы, химические соединения, механические смеси.

Примеры и задачи Справочными данными по удельным сопротивлениям, энергиям Ферми и длинам свободного пробега электронов в чистых металлах, можно рассчитать удельные сопротивления сплавов, даже содержащих несколько компонентов. В качестве примера, рассмотрим следующую задачу.

Проводниковые материалы Металлические проводниковые материалы разделяются на материалы высокой проводимости и материалы высокого сопротивления. Материалы высокой проводимости используются для изготовления проводов, обмоток электрических машин и аппаратов, электроизмерительных приборов и т.д. Материалы высокого сопротивления применяются в электронагревательных устройствах, лампах накаливания, реостатах и т.п. Металлические проводниковые материалы характеризуются удельным сопротивлением, температурными коэффициентами удельного сопротивления и линейного расширения, пределом прочности при растяжении и относительным удлинением при разрыве.

Свойства и применение меди Механизм, обуславливающий высокую электропроводность металлов рассмотрен в разделе " физическая природа проводимости". Здесь же только отметим, что в соответствии с теорией, медь весьма чувствительна к наличию примесей, которые вызывают дефекты структуры. Так например, при содержании в меди 0,5% цинка, кадмия или серебра ее удельное сопротивление увеличивается на 5%. При таком же содержании никеля, олова или алюминия удельное сопротивление увеличивается на 25-40%. Еще более сильное влияние оказывают примеси бериллия, мышьяка, железа, кремния и фосфора, которые увеличивают удельное сопротивление на 55% и более процентов.

Сплавы меди и их применение В ряде случаев, помимо чистой меди, в качестве проводникового материала применяют сплавы с небольшим содержанием олова, фосфора, кремния, бериллия, хрома, магния и кадмия. Такие сплавы называются бронзами. Бронзы имеют значительно более высокие механические свойства, чем медь. Например, предел прочности при растяжении у бронз доходит до 80-135 кг/мм 2.

Сплавы высокого сопротивления применяются в производстве электроизмерительных приборов, образцовых сопротивлений, реостатов и электронагревательных приборов.

Сплавы для термопар Для изготовления термопар применяют следующие сплавы: копель - медно-никелевый сплав, содержащий 56% меди и 44% никеля; алюмель - сплав никеля с алюминием, магнием и кремнием, содержащий 95% никеля; хромель - никель-хромовый сплав, содержащий 90% никеля и 10% хрома; платинородий - сплав содержит 90% платины и 10% родия.

Кроме электровакуумной промышленности вольфрам используется также как контактный материал. Применение его в качестве контактного материала обусловлено высокими твердостью и температурой плавления. Благодаря этому, вольфрамовые контакты устойчивы в работе, имеют малый механический износ, хорошо противостоят действию электрической дуги, у них практически отсутствует привариваемость. Вольфрамовые контакты мало подвержены эрозии, т.е. электрическому износу с образованием кратеров и наростов из-за местных перегревов и местного плавления металла.

Применение молибдена как контактного материала обусловлено его высокой температурой плавления, благодаря чему молибденовые контакты устойчивы в работе и мало подвержены электрической эрозии. Однако трудности обработки молибдена и достаточно высокое переходное сопротивление молибденовых контактов ограничивают их применение. Сплав молибден-никель, гальванически осажденный на другие контактные материалы, может стать перспективным в качестве контактирующего покрытия. Электролиты, позволяющие наносить такие покрытия доступны, а технология отработана достаточно хорошо. Сведения о таких покрытиях, также как о гальванических молибденовых пермаллоях, можно найти в литературе по гальванотехнике.

Никель - широко используется в электровакуумной технике, при умеренных температурах обработки он сочетает в себе многие свойства присущие танталу при высоких температурах. Никель достаточно прочен в технически чистом состоянии и может быть использован в виде сплавов с различными металлами, обладающими специальными свойствами. Никель обладает умеренным удельным сопротивлением и высоким его температурным коэффициентом, вследствие чего легко поддается точечной сварке и индукционному нагреву. Сравнительно низкое удельное сопротивление никеля при умеренных температурах, позволяет использовать его для токопроводящих выводов в электровакуумных приборах.

Припои - специальные сплавы, применяемые при пайке. Пайка-это металлургический процесс соединения нескольких изделий в одно целое с помощью металлической жидкой фазы - припоя. Пайка осуществляется с целью создания механически прочного, иногда герметичного шва, или с целью получения электрического контакта. При взаимодействии расплавленного припоя и металлов соединяемых изделий происходит образование металлической связи и их взаимная диффузия . Следовательно, состав и структура металла паянного шва будут совершенно иными по сравнению с первоначальным составом припоя. Это означает, что механические и электрические свойства шва будут отличаться не только от свойств соединяемых металлов, но и от свойств припоя.