Материал: Основы механики

Классификация и основные свойства проводниковых материалов

В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкие, а при соответствующих условиях и газы. Важнейшими, практически применяемыми в электротехнике твердыми проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы. Из металлически проводниковых материалов могут быть выделены металлы высокой проводимости, при нормальной температуре удельное сопротивление не более 0,05 мкОм*м и сплавы высокого сопротивления удельное сопротивление не менее 0,3 мкОм*м. Металлы высокой проводимости используются для проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических машин, трансформаторов и т.п. Металлы и сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления резисторов, электронагревательных приборов, нитей ламп накаливания и т.п. Особый интерес представляют обладающие чрезвычайно малым удельным сопротивлением при весьма низких (криогенных) температурах материалов - сверхпроводники и криопроводники.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы, для большинства металлов температура плавления высока, только ртуть имеющая t0 плавления -390С может быть использована в качестве жидкого металлического проводника при нормальной температуре. Другие металлы являются жидкими проводниками при повышенной температуре.

Механизм прохождения тока в металлах - как в твердом, так и в жидком состоянии - обусловлен движением (дрейфом) свободных электронов под воздействием электрического поля, поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью.

Все газы и пары, в том числе пары металлов при пониженных напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряженность поля превысит некоторое критическое значение, обеспечивающее начало ударной и фотоионизации, то газ может стать проводником с электронной и ионной проводимостью. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов числу положительных ионов в единице объема представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы.

Электропроводность металлов

Классическая электрическая теория металлов представляет твердый проводник в виде системы, состоящей из узлов кристаллической ионной решетки, внутри которой находиться электрический газ из коллективизированных свободных электронов. При столкновениях электронов с узлами кристаллической решетки энергия, накопленная при ускорении электронов в электрическом поле, передается металлической основе проводника, вследствие чего нагревается. Электрическая теория металлов дала возможность аналитически объяснить связь между электропроводностью и теплопроводностью металлов:

• 1. При длительном пропускании электрического тока через цепь из металлических проводников нет проникновения атомов одного металла в другой.
• 2. При нагреве до высоких температур скорость теплового движения свободных электронов увеличивается, и наиболее быстрые могут, вылетать из металла, преодолевая силы поверхностного потенциального барьера
• 3. В момент неожиданной остановки, быстро двигающего проводника происходит смещение электронного газа по закону инерции в направлении движения, что приводит к разности потенциалов на концах проводника.
• 4. Исследуя поведение металлических проводников в магнитном поле, установили, что вследствие искривления траектории электронов в металлической пластинке, помещенной в поперечное магнитное поле, появляется поперечная э. д. с. и изменяется электрическое сопротивления проводника.

Основные свойства металлов: пластичность, ковкость, хорошая теплопроводность, высокая электропроводность. При переходе из твердого состояния в жидкое у большинства металлов наблюдается увеличение удельного сопротивления (у тех металлов, у которых при плавлении увеличивается объем, уменьшается плотность), и, наоборот, у металлов, уменьшающих свой объем при плавлении - галлия, висмута, сурьмы - удельное сопротивление уменьшается.

Контрольные вопросы:

• 1. Классификация электроизоляционных материалов.
• 2. Классификация и основные свойства проводниковых материалов.
• 3. Электропроводность металлов.

Конспект лекции № 6

Материалы высокой проводимости

К наиболее широко распространенным материалам высокой проводимости следует отнести медь и алюминий.

Медь. Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие:

• 1) малое удельное сопротивление (из всех металлов только серебро имеет несколько меньшее удельное сопротивление, чем медь);
• 2) достаточно высокая механическая прочность;
• 3) удовлетворительная стойкость к коррозии (медь окисляется на воздухе даже при высокой влажности значительно медленнее, чем например, железо; однако при повышенных температурах происходит интенсивное окисление меди.
• 4) хорошая обрабатываемость листы, ленты, проволока, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра.
• 5) относительная легкость пайки и сварки.

Медь марки М1 содержит 99.9% Cu, примеси 0.1%, где кислород не более 0.08%. В М0 содержится 0.05% примеси , в том числе не более 0.02% кислорода. Эта марка имеет лучшие механические свойства. Из М0 может быть изготовлена тонкая проволока. При холодной протяжки получают твердую медь (МТ), которая имеет высокий предел прочности при растяжении, твердость, упругость при изгибе.

Если Cu подвергать обжигу, то получим мягкую медь (ММ), которая имеет малую твердость и небольшую прочность, но весьма большое удлинение при разрыве, более высокую удельную проводимость. Медные сплавы бронзы; при определенном составе имеют более высокие механические свойства, чем чистая медь.

Алюминий - легкий материал с малой плотностью (около 2.6 Мг/м3). Алюминий в 3.5 раза легче Cu. Алюминий обладает пониженными по сравнению с медью механическими и электрическими свойствами. Для перевода алюминия в расплавленное состояние требуются большие затраты теплоты, чем для меди.

При одинаковых сечении и длине, электрическое сопротивление алюминиевого провода больше, чем у медного на 1.63 раза. Следовательно при одинаковом электрическом сопротивлении, сечение алюминиевого провода должно быть больше в 1.63 раза, чем у медного провода. Если габариты ограничены, замена затруднена. Хоть алюминиевый провод и толще, но легче медного почти в два раза. Алюминий делится на несколько марок:

• 1) марка А1 содержит не более 0.5% примеси;
• 2) марка АВ00 не более 0.03%;
• 3) наивысшей чистоты алюминий марки АВ0000 содержит 0.004% примесей.

Алюминий активно окисляется, покрываясь тонкой пленкой, которая защищает его от дальнейшей коррозии. Для пайки алюминия применяется, специальные пасты припои или используются ультра звуковые паяльники. Алюминиевые сплавы обладают повышенной механической прочностью.

Железо (сталь) как наиболее дешевый и доступный металл, обладает высокой механической прочностью. Однако даже чистое железо имеет высокое удельное сопротивление (около 0.1 мкОм/м). Сталь используют для проводов воздушных линий, в виде шин, рельсов, электрических железных дорог.

Сверхпроводники и криопроводники

При понижении температуры удельное сопротивление с металлических проводников уменьшается. Интерес представляют электропроводность металлов при весьма низких (криогенных) температурах, приближающихся к абсолютному нулю. Нидерландский физик Х. Камерлинг - Оннес в 1911 году обнаружил, что при охлаждении до температуры снижения гелия около 4,2 К сопротивление кольца из замороженной ртути резким скачком падает до чрезвычайно малого, практически не могущего быть измеренным значения. Такое явление, т.е. наличие у вещества практически бесконечной удельной проводимости, было названо сверхпроводимостью, Тс - температура сверхпроводящего перехода, а вещества - сверхпроводниками. Этот переход является обратимым; при повышении температуры до Тс сверхпроводимость нарушается и вещество переходит в нормальное состояние с конечным значением удельной проводимости г.

Явление сверхпроводимости связано с тем, что электрический ток, однажды наведенный в сверхпроводящем контуре, будет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы, и притом без всякого подвода энергии извне ( конечно, если не учитывать неизбежного расхода энергии на работу охлаждающего устройства, которое должно поддерживать температуру сверхпроводящего контура ниже значения Тс, характерного для данного сверхпроводникового материала); такой сверхпроводящий контур создаёт в окружающем пространстве магнитное поле, подобно постоянному магниту.

Большинство известных сверхпроводников, даже и сверхпроводников 2-го рода, имеет все же весьма низкую температуру перехода Тс. Поэтому устройства, в которых используется явление сверхпроводимости, обычно работают при охлаждении жидким гелием, что сложно и дорого. Было бы неплохо иметь сверхпроводники с Тс выше температуры снижения водорода (20,3 К). Совершенно исключительные возможности дали бы материалы, сохраняющие состояние сверхпроводимости при нормальной или ещё более высоких температурах. Наиболее высокую Тс из всех известным элементарных сверхпроводников имеет ниобий, а из всех широко применяемых - станнид ниобия Nb3Sn. Поиски «тёплых» сверхпроводников усиленно продолжаются.

Криопроводники. В современной электротехнике всё шире используется явление криопроводимости (прежнее название - гиперпроводимость), т.е. достижение металлами весьма малого значения удельного сопротивления при криогенных температурах (но без перехода в сверхпроводящее состояние). Металлы, обладающие таким свойством, называются криопроводниками.

Очевидно, что физическая сущность криопроводимости не сходна с физической сущностью явления сверхпроводимости. Криопроводимость - частный случай нормальной электропроводности металлов в условиях криогенных температур.

Весьма малое, но всё же конечное значение с криопроводников ограничивает допустимую плотность тока в них. Криопроводники, у которых при изменении температуры в широком диапазоне с меняется плавно, без скачков, не могут использоваться в устройствах, действие которых основано на триггерном эффекте возникновения и нарушения сверхпроводимости (например, в сверхпроводниковых запоминающих устройствах). Не обнаруживаются при криопроводимости и другие, специфические для сверхпроводников явления, такие как эффект Майснера - Оксенфельда и др.