Электропроводность металлов и сплавов

Обновлено: 14.05.2024

Цель работы: ознакомиться с основными процессами, обуславливающими электропроводность металлов, методикой исследования и определения удельного сопротивления и температурного коэффициента удельного электрического сопротивления.

Краткие теоретические сведения

В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при определенных условиях и газы. Твердыми проводниками, нашедшими широкое практическое применение в электротехнике, являются металлы и сплавы.

Из металлических проводников можно выделить металлы высокой проводимости, имеющие при нормальных условиях удельное сопротивление < 0,05 мкОм м, и сплавы высокого сопротивления, имеющие > 0,3 мкОм×м .

Значительный интерес представляют собой материалы, обладающие малым

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты.

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 проводимостью или проводниками первого рода.

Проводниками второго рода, или электролитами, являются растворы кислот, щелочей и солей. Прохождение тока через эти вещества связано с переносом вместе с электрическими зарядами ионов (в соответствии с законом Фарадея).

Электропроводность металлов. Классическая электронная теория металлов представляет твердый проводник в виде системы, состоящей из узлов кристаллической решетки, внутри которой находится электронный газ (свободные, коллективизированные электроны). В свободное состояние от каждого атома металла переходят от одного до двух электронов.

Основными параметрами, характеризующими электрические свойства проводниковых материалов, являются:

1) удельная проводимость, или обратная ей величина - удельное сопротивление;

2) температурный коэффициент удельного сопротивления.

Экспериментально удельное электрическое сопротивление определяется по формуле:

где R – электрическое сопротивление проводника,

S, l –площадь поперечного сечения и длина проводника.

Удельное сопротивление измеряется в Ом×м. Для измерения (Ом×мм 2 )/м. Вместо этой единицы измерения r предпочтительно применять равную ей по размеру мкОм×м:

1 Ом×м = мкОм×м = (Ом×мм 2 )/м.

Диапазон значений r металлических проводников (при нормальных условиях) довольно узок: от 0,016 для серебра и до 10 мкОм×м для железохромалюминиевых сплавов.

Величину, обратную удельному электрическому сопротивлению r, называют удельной электрической проводимостью (См/м):

Скорости хаотического теплового движения свободных электронов и их концентрации для различных металлов примерно одинаковы. Поэтому значение в основном зависит от средней длины свободного пробега электронов в данном проводнике, которая, в свою очередь, определяется структурой материала. Дефекты и микродефекты кристаллических решеток вызывают снижение металлов.

Число носителей заряда в металлическом проводнике при повышении температуры практически остается постоянным. Однако в результате колебаний узлов кристаллической решетки с ростом температуры появляется все больше и больше препятствий на пути движения свободных электронов под действием электрического поля. Уменьшается длина свободного пробега, подвижность и, как следствие, уменьшается .

Удельное сопротивление металлов при нагревании увеличивается в результате увеличения скорости движения атомов в материале проводника с возрастанием температуры. Удельное сопротивление электролитов и угля при нагревании, наоборот, уменьшается, так как у этих материалов, кроме увеличения скорости движения атомов и молекул, возрастает число свободных электронов и ионов в единице объема.

Некоторые сплавы, обладающие большим удельным сопротивлением, чем составляющие их металлы, почти не меняют удельного сопротивления с нагревом (константан, манганин и др.). Это объясяняется неправильной структурой сплавов и малым средним временем свободного пробега электронов.

Для оценки изменений удельного электрического сопротивления используется характеристика - температурный коэффициент удельного сопротивления металлов. Температурным коэффициентом удельного сопротивления a_r(ТК_r) называется относительное изменение удельного сопротивления при изменении температуры на один Кельвин (градус):

TK_ρ=

Для чистых металлов в твердом состояниTK_ρ должен быть близок к температурному коэффициенту расширения идеальных газов и составлять величину порядка 0,0037 . В узком диапазоне температур, используя температурный коэффициент удельного сопротивления металлов, можно прогнозировать изменение удельного электрического сопротивления по формуле:

где - удельное электрическое сопротивление металла при температуре 20°С ;

С, для которой оценивается прогнозируемое .

Средний температурный коэффициент удельного электрического сопротивления металлов (1/град) в диапазоне температур

где Т₀и Т

Введение примесей снижает величину

Среди металлических проводников выделяют проводниковые материалы высокой проводимости, к которым относятся серебро, медь, алюминий, железо, биметаллы.

Серебро обладает наименьшим значением мкОм×м, очень устойчиво к окислению. Высокая цена ограничивает применение серебра, оно используется в качестве обкладок в керамических, слюдяных конденсаторах (наносится методом напыления), а также для изготовления контактов.

Медь является основным проводниковым материалом, применяемым в электротехнике. Это объясняется удачным сочетанием высокой электропроводности с механической прочностью, стойкостью к коррозии, хорошей обрабатываемостью, легкостью пайки (сварки), большой распространенностью в природе. Удельное электрическое сопротивление меди лишь немного хуже серебра и составляет 0,01724 мкОм×м. Для улучшения механических свойств меди разработаны и широко используются сплавы меди (латунь, бронза).

Алюминий является следующим по значению проводниковым материалом после меди, он в 3,5 раза легче меди, а мкОм×м. Очень широко в электротехнике используются алюминиевые сплавы.

Рис.1.1
Железо (сталь) нашло широкое применение как наиболее дешевый и доступный металл, обладающий высокой механической прочностью, а удельное электрическое сопротивление железа составляет 0,1 мкОм×м.

Биметалл (проводниковый биметалл) - сталь, алюминий, покрытые медью.

Проводниковые материалы высокого сопротивления используются для изготовления сопротивлений, реостатов и электронагревательных приборов. Для этого необходим материал с повышенным удельным электрическим сопротивлением (чистые металлы не подходят). Используются специальные сплавы, представляющие собой твердые растворы двух или трех компонентов. Ниже приведены составы некоторых сплавов и величины их удельных сопротивлений.

ü манганин (Mn 12 %, Ni 2,5. 3,5 %); мкОм×м;

ü константан (Ni 40 %, Mn 1. 2 %); мкОм×м;

ü нейзильбер (Ni 15 %, Zn 20. 25 %); мкОм×м.

На основе никеля: нихром (Fe - Ni - Cr); мкОм×м.

На основе железа:

ü фехраль (Cr 12. 15 %, Al 3,5. 5,5 %); мкОм×м;

ü хромаль (Cr 23. 27 %, Al 4,5. 6,5 %); мкОм×м.

Углерод в кристаллографической модификации, называемой графитом, используется в качестве материала высокого сопротивления, его удельное электрическое сопротивление составляет 10 мкОм×м.

В электротехнике находят применение сверхпроводники и криопроводники. Под сверхпроводимостью понимают явление полного исчезновения электрического сопротивления проводника при температурах, близких к абсолютному нулю (- 273°С = 0K). Температура, при которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние, называется температурой сверхпроводящего перехода, а вещество – сверхпроводником. Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым.

Явление сверхпроводимости связано с тем, что 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.

Кроме явления сверхпроводимости, в электротехнике используется явление криопроводимости (прежнее название - гиперпроводимость), т.е. достижение металлами весьма малого значения удельного электрического сопротивления при криогенных температурах (но без перехода в сверхпроводимость). Металлы, обладающие таким свойством, называются криопроводниками.

Электропроводность металлов

Электропроводность металлов и сплавов – физическое свойство, которое учитывается при производстве разных видов изделий. Например, для изготовления электрических кабелей, микросхем используют металлы с высокими показателями электропроводности.

Данный параметр зависит от факторов окружающей среды: температуры, давления, агрегатного состояния, наличия магнитных полей и т. д. Если говорить о чистых металлах и влиянии температуры на их электропроводность, то с ростом она падает. Подробнее о том, что собой представляет электропроводность металлов, вы узнаете из нашего материала.

Природа электропроводности металлов

Электропроводностью называют способность тела, вещества проводить ток. Кроме того, этим термином обозначается физическая величина, которая численно характеризует данную способность. Электропроводность металла определяется числом свободных ионов в проводнике – их движение и является электрическим током. Данный показатель исчисляется в сименсах, а в международной системе единиц для его обозначения используется буква «S».

В зависимости от того, какой электропроводностью обладают металлы и иные вещества, среди них выделяют проводники, диэлектрики и полупроводники. Правда, между данными группами практически не существует четкого разграничения.

Чем обусловлена высокая электропроводность металлов-проводников? Они имеют большое количество свободных ионов. Среди веществ этой группы выделяют два рода, исходя из физической природы протекания тока. К первому относятся металлы с электронной проводимостью, по которым ток проходит благодаря движению свободных электронов.

Ко второму причисляют растворы кислот, щелочей, солей или электролиты, имеющие ионную проводимость. Иными словами, здесь интересующий нас процесс связан с движением положительных и отрицательных ионов. Уровень электропроводности проводников превышает 106(Ом·м)-1.

VT-metall предлагает услуги:

Лазерная резка металла Гибка металла Порошковая покраска металла Сварочные работы

Диэлектрики обладают малым числом свободных ионов, поэтому отличаются низкой электропроводностью, практически не проводят ток. Такими материалами являются дерево, смолы, пластмассы, стекло, пр. Для них данный показатель составляет менее 106(Ом·м)-1.

По своим проводящим свойствам полупроводники занимают промежуточное положение между материалами описанных выше групп. К ним относятся германий, кремний, селен, прочие соединения, получаемые искусственно.

Существует зависимость электропроводности металлов и иных веществ от температуры, но она является индивидуальной для каждого материала. Повышение степени нагрева металлов приводит к сокращению времени свободного пробега электронов. Увеличение температуры влечет за собой возрастание тепловых колебаний кристаллической решетки, на которой рассеиваются электроны, что вызывает уменьшение электропроводности.

Полупроводникам свойственна другая зависимость электропроводности металлов от температуры: ее повышение провоцирует рост электропроводности, поскольку увеличивается число электронов проводимости и положительных носителей заряда. У диэлектриков электропроводность тоже может возрастать, однако для этого требуется очень высокое электрическое напряжение.

Металлы способны проводить ток, поскольку воздействие электромагнитного поля вызывает потерю связи между электроном и атомом из-за высокой степени ускорения.

Электрическое сопротивление металлов

Электрическое сопротивление является частью закона Ома и исчисляется в омах (Ом). Нужно понимать, что электрическое и удельное сопротивление являются разными явлениями. Если первое представляет собой свойство объекта, то второе характеризует материал.

Так, электрическое сопротивление резистора зависит от формы и удельного сопротивления материала, использованного для изготовления данного элемента электрической цепи.

Допустим, проволочный резистор состоит из длинной тонкой проволоки и обладает более высоким сопротивлением, чем аналогичный элемент, но выполненный из короткой и толстой проволоки. При этом оба они сделаны из одного металла.

Если сравнить два резистора из проволоки одинаковой длины и диаметра, то большим электрическим сопротивлением будет обладать тот, который состоит из материала с высоким удельным сопротивлением. А его аналогу из материала с низким удельным сопротивлением будет свойственно меньшее электрическое сопротивление.

В этом случае работает тот же принцип, что и в гидравлической системе, прокачивающей воду по трубам:

Чем больше длина трубы и меньше ее толщина, тем с более высоким сопротивлением сталкивается жидкость.
Вода будет испытывать на себе меньшее сопротивление в пустой трубе, чем в заполненной песком.

Под удельным сопротивлением понимают способность материала препятствовать прохождению электрического тока. В физике существует и обратная величина, известная как проводимость. Она выглядит таким образом:

Σ = 1/ρ, где ρ – удельное сопротивление вещества.

Электропроводность металлов и других веществ зависит от свойств носителей зарядов. В металлах присутствуют свободные электроны – на внешней оболочке их число доходит до трех. Во время химических реакций с элементами из правой части таблицы Менделеева атом металла отдает их. С электропроводностью чистых металлов все несколько иначе. В их кристаллической структуре эти наружные электроны общие и переносят заряд под действием электрического поля.

В случае с растворами в качестве носителей заряда выступают ионы.

Степень электропроводности разных металлов и сплавов

Развитием электронной теории электропроводности металлов занимался немецкий физик Пауль Друде. Именно благодаря его исследованиям стало известно о сопротивлении, наблюдаемом при прохождении электрического тока через проводник. В результате удалось разделить вещества на группы, исходя из степени их проводимости.

Данная информация необходима, например, чтобы выбрать наиболее подходящий металл для производства кабеля, обладающего определенным набором свойств. Ошибка в этом случае чревата перегревом под действием тока избыточного напряжения и последующим возгоранием.

Серебро – это металл, обладающий самой высокой электропроводностью. При +20 °C этот показатель равен 63,3×104 см-1. Тем не менее, производство серебряной проводки является нерентабельным, поскольку речь идет о достаточно редком металле. В большинстве случаев он идет на изготовление ювелирных изделий, украшений, монет.

Среди неблагородных цветных металлов самая высокая электропроводность характеризует медь – она составляет 57×104 см-1 при +20 °C. Помимо этого, медь хорошо справляется с постоянными электрическими нагрузками, долговечна, надежна, имеет высокую температуру плавления, поэтому может долго работать в нагретом состоянии. Все названные свойства позволяют активно применять данный металл для бытовых целей и на производстве.

Не реже меди используется алюминий, ведь по электропроводности он уступает только серебру, меди и золоту. Его температура плавления практически в два раза ниже, чем у меди, из-за чего алюминий не может выдерживать предельные нагрузки. По этой причине его применяют в сетях с невысоким напряжением. Узнать электропроводность остальных металлов можно в соответствующей таблице.

По проводимости любой сплав значительно уступает чистому металлу, что объясняется слиянием структурной сетки, вызывающим нарушение нормального функционирования электронов. Так, медные провода изготавливают только из металла с максимальной долей примесей 0,1 % или даже 0,05 %, если речь идет об отдельных разновидностях кабеля.

Приведенные показатели – это удельная электропроводность металлов, которая представляет собой отношение плотности тока к величине электрического поля в проводнике.

Опасность металлов с высокой электропроводностью

Щелочные металлы имеют крайне высокую электропроводность, объясняют этот факт тем, что в них электроны практические не привязаны к ядру и могут быть без труда выстроены в требуемой последовательности. Еще одна особенность этих металлов состоит в низкой температуре плавления в сочетании со значительной химической активностью, что обычно не позволяет использовать их в качестве материалов для кабелей.

Находясь в незащищенном виде, металлы с высокой электропроводностью несут в себе большую опасность. Прикосновение к оголенным проводам вызывает электрический ожог, разряд воздействует на внутренние органы, что нередко становится причиной мгновенной смерти человека.

Поэтому металл закрывают специальными изоляционными материалами, которые могут быть жидкими, твердыми, газообразными – конкретный тип подбирается в соответствии со сферой использования изделия. Вне зависимости от агрегатного состояния защиты она призвана изолировать электрический ток в цепи, чтобы не допустить его воздействия на окружающую среду.

Зависимость электропроводности металлов от факторов внешней среды

Проводимость не является постоянной величиной. В таблицах приведены сведения, характерные для нормальных условий или при температуре +20 °С. В реальной жизни сложно обеспечить идеальные условия для работы цепи. Удельное сопротивление, а значит, и проводимость, определяется такими характеристиками:

температурой;
давлением;
наличием магнитных полей;
светом;
агрегатным состоянием вещества.

Изменения интересующего нас параметра зависят от условий среды и свойств конкретного материала. Электропроводность ферромагнетиков, в число которых входят железо и никель, увеличивается при совпадении направления тока с направлением силовых линий магнитного поля. Зависимость электропроводности от теплопроводности металлов и окружающей температуры практически линейная, даже есть понятие температурного коэффициента сопротивления – данную величину можно уточнить в таблицах.

Правда, направление зависимости определяется конкретным веществом: у металлов оно при увеличении температуры повышается, у редкоземельных элементов и растворов электролитов увеличивается в пределах одного агрегатного состояния.

Полупроводники характеризуются гиперболической и обратной зависимостью электропроводности от температуры: рост степени нагрева приводит к повышению электропроводности металлов. Данная особенность качественно отличает проводники от полупроводников. Зависимость ρ проводников от температуры выглядит следующим образом:

На графике отображено удельное сопротивление меди, платины, железа. Некоторые металлы характеризуются иначе: ртуть при понижении температуры до 4°K становится сверхпроводимой, почти полностью теряя удельное сопротивление.

У полупроводников зависимость будет представлена так:

Когда металл переходит в жидкое агрегатное состояние, его ρ повышается, а дальнейшее изменение свойств может быть разным. Так, висмут в расплавленном виде имеет более низкое удельное сопротивление, чем при комнатной температуре, а у жидкой меди оно повышается в десять раз. Никелю свойственно выходить из линейного графика уже при достижении температуры +400 °C, но далее ρ падает.

Температурная зависимость вольфрама так высока, что приводит к перегоранию ламп накаливания: ток нагревает спираль, из-за чего ее сопротивление многократно возрастает.

Удельное сопротивление сплавов зависит от задействованной при производстве технологии. Данное свойство простой механической смеси определяется как средний показатель ее компонентов. Тогда как для сплава замещения оно окажется иным и обычно отличается в большую сторону.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

цветные металлы;
чугун;
нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ МЕТАЛЛОВ. ТЕМПЕРАТУРНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ МЕТАЛЛОВ

Электропроводность чистых металлов зависит от структуры их кристаллической решетки и температуры окружающей среды. Плотность тока в проводниковом материале (закон Ома в дифференциальной форме) определяется формулой:

где - удельная объемная проводимость проводника, [ ],

Е – напряженность электрического поля, [ ].

В соответствии с законом Ома удельная объемная проводимость металлических проводников не зависит от напряженности электрического поля при изменении последней в весьма широких пределах, т.е. .

Согласно классической электронной теории металлов их удельная объемная проводимость может быть выражена следующим образом:

где е= - заряд электрона,

n₀ – концентрация электронов в единице объема металла, [ ]= ,

l - средняя длина свободного пробега электрона в металле (между двумя соударениями с узлами его кристаллической решетки), [ ]=м,

- скорость хаотического теплового движения электронов в металле, [ ]= .

При увеличении температуры наблюдается усиление колебаний узлов кристаллической решетки металла, что приводит к снижению . Рост температуры не приводит к росту концентрации электронов в единице объема металла, а также практически не влияет на . В общем случае изменение удельного сопротивления r (изменение удельной проводимости g) проводникового материала при изменении температуры характеризуется температурным коэффициентом удельного сопротивления:

В частном случае (в узком интервале рабочих температур ) справедлива кусочно-линейная аппроксимация зависимости :

где - удельное сопротивление проводникового материала, соответствующее начальной температуре, Ом*м,

- удельное сопротивление проводникового материала, соответствующее конечной температуре, Ом*м,

- начальная температура, К,

- конечная температура, К.

В связи с тем, что у чистых металлов с ростом температуры удельная объемная проводимость снижается, а удельное объемное сопротивление увеличивается, у них >0.

В сплавах металлов температурный коэффициент удельного сопротивления может быть:

Кроме того, что у чистых металлов всегда положителен, он во всех случаях больше значения сплавов:

Структура кристаллической решетки сплавов металлов существенно отличается от относительно правильной кристаллической решетки чистых металлов. У сплавов металлов она зависит от способа их получения – горячего (несколько металлов расплавляются в одной форме, в которой затем совместно охлаждаются и кристаллизуются) или холодного (электролизного) (например, к ванне с раствором медного купороса подводится напряжение и сквозь нее протягивается стальная проволока, которая равномерно по всей поверхности покрывается осаждающейся на ней медью).

Большое влияние на структуру решетки сплава металлов оказывает горячий способ его получения. В этом случае атомы одного металла глубоко проникают в кристаллическую решетку другого металла и при остывании и затвердевании образуют очень прочное соединение. У большинства сплавов >0. Это объясняется тем, что кристаллическая решетка сплавов имеет дефекты, сдвиги, дислокации, микротрещины и не является симметричной. В результате, как и у чистых металлов, в таких сплавах наблюдается уменьшение средней длины свободного пробега электронов l с ростом температуры Т. Однако в сплавах металлов в отличие от чистых металлов при увеличении температуры Т наблюдается некоторое увеличение концентрации электронов в единице объема . Это объясняется различной степенью электроотрицательности металлов, входящих в сплав, а также различием между их работами выхода. Металл с меньшей электроотрицательностью будет отдавать валентные электроны со своей внешней электронной оболочки, которые могут переходить к более электроотрицательному металлу, увеличивая таким образом значение , но поскольку уменьшается быстрее, чем увеличивается , то >0. Когда снижение полностью компенсируется возрастанием =0. Классическая электронная теория металлов не позволяет объяснить, почему в некоторых сплавах металлов квантовой механики электроны рассматриваются как электронная волна. В связи с этим при увеличении температуры и коллективном усилении колебаний узлов кристаллической решетки сплава металлов (фононов) наблюдается некоторое возрастание длины свободного пробега электронов l за счет их волновой природы и степени уменьшения их рассеяния на фононах. Таким образом, за счет возрастания l с ростом температуры Т в таких сплавах наблюдается рост (уменьшение ), что приводит к

На величину сплавов металлов влияет количество металлов, входящих в сплав, степень их электроотрицательности, а также процентное соотношение между ними. Так, например, для медно-никелевого сплава при концентрации никеля менее 20% и более 60% наблюдается >0. Если эта концентрация находится в пределах 20-60%, то .

При плавлении большинство металлов увеличивает свой объем, т.е. уменьшают свою плотность (например, медь – температура плавления около 1100 ). При переходе меди в расплавленное состояние наблюдается скачкообразное увеличение ее удельного сопротивления. У редкоземельных металлов (сурьма, висмут, галлий), которые с ростом температуры при плавлении уменьшают свой объем и увеличивают плотность, наблюдается уменьшение удельного сопротивления.

Электропроводность металлов и сплавов

В металлах концентрация электронного газа максимальна и поэтому практически не зависит от температуры. Вследствие этого температурная зависимость электропроводности металлов определяется температурной зависимостью подвижности электронов вырожденного электронного газа (п.5.2). В достаточно чистом металле, где концентрация примесей невелика, подвижность, вплоть до весьма низких температур, определяется электрон-фононным рассеянием.

Подставив (5.24) в выражение (5.15), получим зависимость

σ ~ 1/Т, (5.60)

или для удельного сопротивления

ρ = 1/σ = αТ, (5.61)

где α – температурный коэффициент сопротивления.

В области низких температурконцентрация фононного газа пропорциональна Т 3 , поэтому длина свободного пробега

λ ~ Т -3 , (5.62)

а средний импульс фононов оказывается гораздо меньше импульса электрона.

В итоге эффективная длина свободного пробега электрона оказывается в сто раз меньше, а уточненные зависимости для ρ и σ примут вид

σ ~ Т -5 , ρ ~ Т 5 . (5.63)

В области температур, близких к абсолютному нулю, необходимо учитывать рассеяние электронов на примесных атомах. В этом случае, согласно (5.23), подвижность электронов не зависит от температуры и называется остаточным сопротивлением ρ₀

где ρ_Т – доля температурнозависимого удельного сопротивления.

Последнее выражение называют правилом Матиссена, его график представлен на рис. 5.7, а.

Рис. 5.7. Удельное сопротивление: а – металлы; б – сплавы;

1 – неотожженный состав; 2 – CuAu; 3 – Cu₃Au

Картина удельного сопротивления для сплавов оказывается гораздо более сложной, чем для чистых металлов. Она определяется химическим взаимодействием между компонентами сплава. Если химическое взаимодействие компонентов отсутствует, то примесные атомы создают дополнительные центры рассеяния электронов, искажая кристаллическую решетку металла. В этом случае удельное сопротивление сплава значительно выше, чем у чистых металлов. Для удельного сопротивления бинарных сплавов можно привести соотношение Нордгейма

ρ_спл = β[ω(1-ω)], (5.65)

где β – коэффициент пропорциональности;

ω, 1-ω – доли металлов, образующих сплав.

Очевидно, что ρ_спл имеет максимум при ω = ½ (рис. 5.7, б, график 1).

Однако, если атомы сплавов могут вступать в реакцию и образовывать интерметаллические соединения, то появляются области с пониженным удельным сопротивлением (рис. 5.7, б, 2, 3). Данный эффект объясняется упорядочением структуры сплава в этих областях и, как следствие, возрастанием длины свободного пробега электрона.

Электрические свойства металлов и их сплавов

Проводниками электрического тока могут быть твердые тела, жидкости и даже газы. Твердыми проводниками являются металлы, металлические сплавы и некоторые модификации углерода. К жидким проводникам относят расплавленные металлы и электролиты. Как правило, температура плавления металлов высока, за исключением ртути, у которой она составляет −39 °С. Температуру плавления, близкую к комнатной температуре (29,8 °С), имеет галлий. Другие металлы являются жидкими проводниками лишь при повышенных или высоких температурах. Механизм прохождения тока по металлам в твердом и жидком состояниях обусловлен движением свободных электронов, вследствие чего их называют проводниками с электронной электропроводностью.

К основным характеристикам проводников относят их удельное электрическое сопротивление и температурный коэффициент сопротивления.

Удельное электрическое сопротивление проводника — сопротивление провода длиной 1 м при площади поперечного сечения 1 мм2 и температуре 20 °С.

Температурный коэффициент сопротивления — коэффициент, равный относительному изменению сопротивления при изменении температуры на 1 градус.

2.2. Черные металлы

При изготовлении и ремонте электрического оборудования широко используют черные и цветные металлы и различные сплавы. Черные металлы (чугун, сталь) применяют как конструкционные материалы для станин электрических машин, баков, кожухов трансформаторов, оснований, цоколей, электрических аппаратов и других узлов и деталей.

Специальные электротехнические стали необходимы для изготовления магнитопроводов, трансформаторов и сердечников электрических машин и аппаратов. Промышленность выпускает ряд марок листовой электротехнической стали, различающихся магнитными и электрическими свойствами. Свойства стали можно менять за счет изменения содержания основного легирующего элемента — кремния, а также применением специальных технологических приемов.

Обычно сталь с низким содержанием кремния имеет меньшую магнитную проницаемость и большие удельные потери. Но она отличается большей величиной магнитного насыщения.

Стали с низким содержанием кремния выгодно применять для работы на постоянном токе и переменном токе низкой частоты при высоких значениях индукции.

Стали с высоким содержанием кремния применяются в тех случаях, когда важно иметь малые потери гистерезиса и вихревых токов или высокую магнитную проницаемость в слабых и средних полях.

Параметры тонкой электротехнической стали приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1 Свойства тонкой электротехнической стали

Магнитная индукция, кГс, при напряженности магнитного поля, а/см, не менее

полные удельные потери, вт/кг, не более

Сердечники полюсов и статорных пакетов для электрических машин малой мощности

Якоря электродвигателей постоянного тока

Турбо-гидрогенераторы малой мощности, крупные многополюсные и быстроходные электродвигатели

Примечание. Полные удельные потери приведены для максимальных значений индукции 10 и 15 кГс и частоте 50 Гц.

Широкое распространение в технике получили холоднокатаные текстурованные стали, обладающие в направлении проката более высокой проницаемостью в слабых полях и более низкими потерями по сравнению с обычными горячекатаными сталями.

Листовые электротехнические стали очень чувствительны к деформации. Резка, штамповка и другие технологические операции значительно ухудшают магнитные свойства стали вблизи мест наклепа. Поэтому изделия с небольшой шириной пластин (меньше 30–40 мм) должны после штамповки или резки отжигаться в неокисляющей среде (или, по крайней мере, без доступа воздуха) по режиму: отжиг 2 часа при 750–800 °С с последующим медленным охлаждением (50–60 °С/ч) до 400 °С.

2.3. Сплавы, используемые в магнитопроводах

Сплавы высокой магнитной проницаемости, или пермаллои, обладают магнитной проницаемостью в 10–100 раз более высокой, чем листовая электротехническая сталь. Эти сплавы намагничиваются до насыщения в малых магнитных полях.

В результате деформации магнитные свойства этих сплавов могут ухудшаться в десятки раз. Поэтому пермаллои обычно поставляются заказчику в виде лент непосредственно после холодной прокатки. После изготовления деталей они должны быть подвергнуты отжигу, в результате которого могут быть получены требуемые магнитные свойства.

Материалы магнитопроводов рассмотрены в табл. 2.2.

Таблица 2.2 Материалы магнитопроводов, из свойства и области использования

Основные свойства

Сплавы с повышенной магнитной проницаемостью, обладающие высоким значением индукции насыщения

Сердечники силовых трансформаторов, дросселей, реле и деталей магнитных цепей, работающих при повышенных значениях индукции без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием

Сплавы с повышенной магнитной проницаемостью, обладающие прямоугольной петлей гистерезиса

Сердечники магнитных усилителей, коммутирующих дросселей, выпрямительных установок, элементов вычислительных и счетно-решающих машин и т. д.

Сплав с повышенной магнитной проницаемостью и высоким удельным электрическим сопротивлением

Сердечники импульсных трансформаторов и аппаратуры связи звуковых и высоких частот, работающие без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием

Сплавы с высокой магнитной проницаемостью в слабых полях

Сердечники малогабаритных трансформаторов, дросселей, реле, магнитные экраны толщиной 0,02 мм, сердечники импульсных трансформаторов, магнитных усилителей и бесконтактных реле

2.4. Металлопрокат

Параметры стали угловой равнополочной приведены в табл. 2.3.

Таблица 2.3 Сталь угловая равнополочная

номер профиля

Ширина полки, мм

Масса 1 м длины профиля, кг, при толщине полки, мм

Параметры стали швеллерной приведены в табл. 2.4.

Таблица 2.4 Сталь швеллерная

номер швеллера

Масса 1 м, кг

высота швеллера

Ширина полки

толщина стенки

толщина полки

Параметры стали листовой тонкой приведены в табл. 2.5.

Таблица 2.5 Сталь листовая тонкая

стандартные размеры

толщина листа, мм

Ширина листа, мм

Строительная длина, м

Параметры стальной полосы приведены в табл. 2.6.

Таблица 2.6 Полоса стальная

Параметры стальной ленты приведены в табл. 2.7.

Таблица 2.7 Лента стальная

холоднокатаная

Горячекатаная

Параметры стальной проволоки приведены в табл. 2.8.

Таблица 2.8 Проволока стальная

диаметр проволоки, мм

Площадь сечения, мм2

Параметры стали листовой горячекатаной приведены в табл. 2.9.

Таблица 2.9 Сталь листовая горячекатаная

длина листа при ширине, мм

Параметры стальных труб приведены в табл. 2.10.

Таблица 2.10 Трубы стальные

условный проход, мм

резьба, дюйм

водогазопроводные

Электросварные прямошовные

наружный диаметр, мм

обыкновенные

под накатку резьбы

толщина стенки, мм

Масса 1м, кг

2.5. Проводниковые материалы

Классификация

К проводниковым материалам в электротехнике относятся металлы, их сплавы, контактные металлокерамические композиции и электротехнический уголь.

Металлические вещества являются проводниками первого рода и характеризуются электронной проводимостью; основной параметр для них — удельное электрическое сопротивление в функции температуры.

Диапазон удельных сопротивлений металлических проводников составляет от 0,016 мкОм·м для серебра до 1,6 мкОм·м для жаростойких железохромоалюминиевых сплавов.

По роду применения проводниковые материалы подразделяются на группы:

- проводники с высокой проводимостью — металлы для проводов линий электропередач и для изготовления кабелей, обмоточных и монтажных проводов для обмоток трансформаторов, электрических машин, аппаратуры, катушек индуктивности и пр.;

- конструкционные материалы — бронзы, латуни, алюминиевые сплавы и т. д., применяемые для изготовления различных токоведущих частей;

- сплавы высокого сопротивления — предназначаемые для изготовления дополнительных сопротивлений к измерительным приборам, образцовых сопротивлений и магазинов сопротивлений, реостатов и элементов нагревательных приборов, а также сплавы для термопар, компенсационных проводов и т. п.;

- контактные материалы — применяемые для пар неразъемных, разрывных и скользящих контактов;

- материалы для пайки всех видов проводниковых материалов. Кроме чисто электротехнических свойств, для проведения необходимой технологической обработки и обеспечения заданных сроков службы в эксплуатации проводниковые материалы должны обладать достаточной нагревостойкостью, механической прочностью и пластичностью.

Чистая медь по электрической проводимости занимает второе место после серебра, обладающего из всех известных проводников наивысшей проводимостью. Высокая проводимость и стойкость к атмосферной коррозии в сочетании с высокой пластичностью делают медь основным материалом для проводов.

На воздухе медные провода окисляются медленно, покрываясь тонким слоем СuO, препятствующим дальнейшему окислению меди. Коррозию меди вызывают SО₂, Н₂S, NН₃, NO, пары HNO₃ и другие реактивы.

Проводниковую медь получают из слитков путем гальванической очистки в электролитических ваннах. Примеси даже в ничтожных количествах резко cнижают электропроводность меди, поэтому в качестве электротехнической меди применяют лишь две ее марки: М0 и М1.

Почти все изделия из проводниковой меди изготавливают путем проката, прессования и волочения. Так, волочением могут быть изготовлены провода диаметром до 0,005 мм, ленты толщиной до 0,1 мм и медная фольга толщиной до 0,008 мм.

Проводниковая медь применяется как в отожженном после холодной обработки виде (мягкая медь марки ММ), так и без отжига (твердая медь марки МТ).

При температурах термообработки выше 900 °С вследствие интенсивного роста зерна механические свойства меди резко ухудшаются.

В целях повышения предела ползучести и термической устойчивости медь легируют серебром в пределах 0,07–0,15 %, а также магнием, кадмием, цирконием, другими элементами.

Медь с присадкой серебра применяется для обмоток быстроходных и нагревостойких машин большой мощности, а медь, легированная различными элементами, используется в коллекторах и контактных кольцах сильно нагруженных машин.

Сплавы меди с цинком (от 5 до 45 %), называемые латунями, широко используются в электротехнике. Латуни, содержащие до 39 % цинка, имеют однофазную структуру твердого раствора, обладают наибольшей пластичностью. Из них изготавливают детали горячей или холодной прокаткой и волочением: листы, ленты, проволоку. Без нагрева из листовой латуни методом глубокой вытяжки и штамповкой можно изготовить детали сложной конфигурации.

Латуни с содержанием цинка свыше 39 % называют α+β-латунями или

двухфазными и применяют, главным образом, для фасонных отливок.

Двухфазные латуни являются более твердыми и хрупкими и обрабатываются давлением только в горячем состоянии.

Присадка к латуням олова, никеля и марганца повышает механические свойства и антикоррозионную устойчивость, а добавки алюминия в композиции с железом, никелем и марганцем сообщают латуням, кроме улучшения механических свойств и коррозионной стойкости, высокую твердость. Однако присутствие в латунях алюминия затрудняет пайку, а проведение пайки мягкими припоями становится практически невозможным.

- латуни марок Л68 и Л63 вследствие высокой пластичности хорошо штампуются и допускают гибку, легко паяются всеми видами припоев. В электромашиностроении широко используются для различных токоведущих частей;

- латунь ЛА67-2,5 пригодна для литых токоведущих деталей повышенной механической прочности и твердости, не требующих пайки мягкими припоями;

- латуни ЛК80-ЗЛ и ЛС59-1Л широко используется для литых токоведущих деталей электрической аппаратуры, для щеткодержателей и для заливки роторов асинхронных двигателей. Хорошо воспринимают пайку различными припоями.

Бронзы относятся к двойным или многокомпонентным сплавам на основе меди, где основным легирующим компонентом является Sn, Be, Mn, Al и т. п. Необходимость легирования вызвана недостаточной механической прочностью и термической устойчивостью чистой меди.

Общая номенклатура бронз весьма обширна, но высокой электропроводностью обладают лишь немногие марки бронз:

- кадмиевая бронза относится к наиболее распространенным проводниковым бронзам. Из всех марок кадмиевая бронза обладает наивысшей электрической проводимостью. Вследствие повышенного сопротивления истиранию и более высокой нагревостойкости эта бронза широко применяется для изготовления троллейных проводов и коллекторных пластин;

- бериллиевая бронза относится к сплавам, приобретающим прочность в результате старения. Она обладает высокими упругими свойствами, устойчивыми при нагревании до 250 °С, и электрической проводимостью в 2–2,5 раза большей, чем проводимость других марок бронз общего назначения. Эта бронза нашла широкое применение для изготовления различных пружинных деталей, выполняющих одновременно и роль проводника тока, например токоведущих пружин, отдельных видов щеткодержателей, скользящих контактов в различных приборах, штепсельных разъемов;

- фосфористая бронза обладает высокой прочностью и хорошими пружинными свойствами, из-за малой электропроводности применяется для изготовления пружинных деталей с низкими плотностями тока.

Литые токоведущие детали изготовляются из различных марок машиностроительных литьевых бронз с проводимостью в пределах 8–15 % проводимости чистой меди. Характерной особенностью бронз является малая усадка по сравнению с чугуном и сталью и высокие литейные свойства, поэтому они применяются для отливки различных токоведущих деталей сложной конфигурации, предназначенных для электрических машин и аппаратов.

Все марки литьевых бронз можно подразделить на оловянные и безоловянные.

Характерными свойствами чистого алюминия являются:

- малый удельный вес;

- низкая температура плавления;

- высокая тепловая и электрическая проводимость;

- очень большая скрытая теплота плавления;

- прочная, хотя и очень тонкая пленка оксида, покрывающая поверхность металла и защищающая его от проникновения кислорода внутрь.

Малая плотность делает алюминий основой легких конструкционных материалов; большая пластичность позволяет применять к алюминию все виды обработки давлением и получать из него листы, прутки, проволоку, трубы, тончайшую фольгу, штампованные детали с глубокой вытяжкой и др.

Хорошая электрическая проводимость обеспечивает широкое применение алюминия в электротехнике. Так как плотность алюминия в 3,3 раза ниже, а удельное сопротивление лишь в 1,7 раза выше, чем у меди, то алюминий на единицу массы имеет вдвое более высокую проводимость, чем медь.

Прочная пленка оксида быстро покрывает свежий срез металла уже при комнатной температуре, обеспечивая алюминию высокую устойчивость против коррозии в атмосферных условиях.

Сернистый газ, сероводород, аммиак и другие газы, находящиеся в воздухе промышленных районов, не оказывают заметного влияния на скорость коррозии алюминия. Действие водяного пара на алюминий также незначительно. В контакте с большинством металлов и сплавов, стоящими выше в ряду электрохимических потенциалов, алюминий служит анодом и, следовательно, коррозия его в электролитах будет прогрессировать.

Чтобы избежать образования гальванопар во влажной атмосфере, место соединения алюминия с другими металлами герметизируется лакировкой или другим способом.

Длительные испытания проводов из алюминия показали, что они в отношении устойчивости против коррозии не уступают медным.

Основные характеристики проводниковых материалов приведены в

табл. 2.11.

Таблица 2.11 Основные характеристики проводниковых материалов

Читайте также: