🗊Презентация Проводниковые материалы

ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОВОДНИКАХ. В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях (в состоянии ионизации) и газы. Из металлических проводниковых материалов могут быть выделены металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление при нормальной температуре не более 0.05 мкОм·м, и сплавы высокого сопротивления с удельным сопротивлением не менее 0.3 мкОм·м.

Особый интерес представляют обладающие чрезвычайно малым удельным сопротивлением при весьма низких температурах материалы сверхпроводники и криопроводники. Особый интерес представляют обладающие чрезвычайно малым удельным сопротивлением при весьма низких температурах материалы сверхпроводники и криопроводники.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и электролиты. К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и электролиты. Для большинства металлов температура плавления высока, только ртуть, имеющая температуру плавления минус 39°С, может быть использована в качестве жидкого металлического проводника при нормальной температуре. Другие металлы являются жидкими проводниками только при повышенных температурах.

Проводниками – называются материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ<10-5 Ом*м, Проводниками – называются материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ<10-5 Ом*м, К ним относятся: металлы, расплавы и растворы электролитов, плазма, полупроводники.

Проводники электрического тока подразделяются: Проводники электрического тока подразделяются: проводники первого рода проводники второго рода.

Механизм прохождения тока в металлах – как в твердом, так и в жидком состоянии – обусловлен движением свободных электронов под воздействием электрического поля; поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода. Механизм прохождения тока в металлах – как в твердом, так и в жидком состоянии – обусловлен движением свободных электронов под воздействием электрического поля; поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода.

Проводниками второго рода, или электролитами, являются растворы, в частности, водные, кислот, щелочей и солей. Проводниками второго рода, или электролитами, являются растворы, в частности, водные, кислот, щелочей и солей. Прохождение тока через эти вещества связано с переносом вместе с электрическими зарядами ионов в соответствии с законами Фарадея, вследствие чего состав электролита постепенно изменяется , а на электродах выделяются продукты электролиза. Ионные кристаллы в расплавленном состоянии также являются проводниками второго рода. Пример – соляные закалочные ванны с электронагревом.

Твердыми проводниками являются металлы, металлические сплавы и некоторые модификации углерода. Твердыми проводниками являются металлы, металлические сплавы и некоторые модификации углерода. К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты.

Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряженность поля превзойдет некоторое критическое значение, обеспечивающее начало ударной и фотоионизации, то газ может стать проводником с электронной и ионной проводимостью. Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряженность поля превзойдет 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 положительно заряженных ионов в единице объема представляет собой особую проводящую среду, называемую плазмой.

СВОЙСТВА ПРОВОДНИКОВ К важнейшим параметрам, характеризующим свойства проводниковых материалов, относятся: – удельная проводимость γ или обратная ей величина – удельное сопротивление ρ, – температурный коэффициент удельного сопротивления ТКρ или αρ, – теплопроводность γт, – контактная разность потенциалов и термо-э.д.с., – работа выхода электронов из металла, – предел прочности при растяжении σρ и относительное удлинение при разрыве ∆l/l.

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ МЕТАЛЛОВ. Классическая электронная теория металлов представляет проводник в виде системы, состоящей из узлов ионной кристаллической решетки, внутри которой находится электронный газ из свободных электронов. В свободное состояние от каждого атома переходит от одного до двух электронов. К электронному газу применялись представления и законы статистики обычных газов. Рассматривая тепловое и направленное под действием электрического поля движение электронов, получили выражение закона Ома.

При столкновениях электронов с узлами кристаллической решетки энергия, накопленная при ускорении электронов в электрическом поле, передается металлической основе проводника, вследствие чего он нагревается. При столкновениях электронов с узлами кристаллической решетки энергия, накопленная при ускорении электронов в электрическом поле, передается металлической основе проводника, вследствие чего он нагревается. Рассмотрение этого процесса привело к выводу закона Джоуля-Ленца. Т.о., электронная теория металлов дала возможность теоретически описать и объяснить найденные ранее экспериментальным путем основные законы электропроводности и потерь электрической энергии в металлах. Оказалось возможным также объяснить связь между электро- и теплопроводностью металлов.

Однако появились и противоречия некоторых выводов теории с опытными данными. Они состояли в расхождении кривых температурной зависимости удельного сопротивления, в несоответствии теоретически полученных значений теплоемкости металлов опытным данным.

Эти трудности удалось преодолеть, встав на позиции квантовой механики. В отличие от классической электронной теории квантовая механика полагает, что электронный газ в металлах при обычных температурах находится в состоянии вырождения. В этом состоянии энергия электронного газа почти не зависит от температуры, т.е. тепловое движение почти не изменяет энергию электронов. Поэтому теплота не затрачивается на нагрев электронного газа, что и обнаруживается при измерениях теплоемкости металлов.

В состояние, аналогичное обычным газам, электронный газ приходит при температурах порядка тысяч Кельвинов. Представляя металл как систему, в которой положительные ионы скрепляются посредством свободно движущихся электронов, легко понять природу всех основных свойств металлов: пластичности, ковкости, хорошей теплопроводности и высокой электропроводности. В состояние, аналогичное обычным газам, электронный газ приходит при температурах порядка тысяч Кельвинов. Представляя металл как систему, в которой положительные ионы скрепляются посредством свободно движущихся электронов, легко понять природу всех основных свойств металлов: пластичности, ковкости, хорошей теплопроводности и высокой электропроводности.

УДЕЛЬНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ И УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ J=Eγ Здесь γ, См/м – параметр проводникового материала, называемый его удельной проводимостью; в соответствии с законом Ома γ не зависит от напряженности электрического поля при изменении последней в весьма широких пределах. Величина ρ=1/γ, обратная удельной проводимости и называемая удельным сопротивлением, для имеющего сопротивление R проводника длиной l с постоянным поперечным сечением S вычисляется по формуле: ρ = R·S/l.

ЗАВИСИМОСТЬ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ. С увеличением, температуры выше 0 К на коротком участке происходит быстрый рост электросопротивления по степенному закону, а начиная с характеристической температуры Дебая и до температуры плавления – по линейному закону. Линейная зависимость ρ отТ характеризуется температурным коэффициентом электросопротивления αρ : αρ = 1/ ρо dρ /dT

Зная αρ, легко определить ρ для определенной температуры по выражению Зная αρ, легко определить ρ для определенной температуры по выражению ρ = ρо [ 1 + αρ ( Т – То)] Коэффициент αρ имеет размерность 1/К и колеблется для основных металлов в диапазоне от 3 до 7∙10-31/К. Исключение составляет марганец, у которого αρ = 1∙10-3 1/К. В сплавах αρ существенно зависит от состава и может сильно отличаться от соответствующих значений исходных компонентов.

ИЗМЕНЕНИЕ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ПРИ ПЛАВЛЕНИИ.

ИЗМЕНЕНИЕ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ПРИ ДЕФОРМАЦИЯХ. ρ = ρ0(1± σ ·s) где ρ – удельное сопротивление металла (Ом*м) при механическом напряжении σ, ρ0 – удельное сопротивление металла, не подверженного механическому воздействию, s – коэффициент механического напряжения

УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ СПЛАВОВ

СВЕРХПРОВОДНИКИ И КРИОПРОВОДНИКИ. У многих металлов и сплавов при температурах, близких с T=0oК, наблюдается резкое уменьшение удельного сопротивления. Это явление получило название сверхпроводимости, а температуру Тсв, при которой происходит переход в сверхпроводящее состояние, называют критической температурой перехода.

Максимальную критическую температуру среди чистых металлов имеет технеций (11.2 К), среди сплавов - твердый раствор соединений Nb3Al и NbGe (20.05 К). Максимальную критическую температуру среди чистых металлов имеет технеций (11.2 К), среди сплавов - твердый раствор соединений Nb3Al и NbGe (20.05 К).

Свойством сверхпроводимости обладают около половины металлов и несколько сотен сплавов. Одновалентные металлы, ферромагнетики, а также металлы, которые при комнатных температурах являются хорошими проводниками, по-видимому, не обладают сверхпроводимостью. Сверхпроводящие сплавы не обязательно состоят из сверхпроводящих металлов, более того, в их состав могут входить полупроводники (например, GeTe, SrTiO3). При обычных температурах проводимость сверхпроводников ниже, чем у несверхпроводящих металлов. Свойством сверхпроводимости обладают около половины металлов и несколько сотен сплавов. Одновалентные металлы, ферромагнетики, а также металлы, которые при комнатных температурах являются хорошими проводниками, по-видимому, не обладают сверхпроводимостью. Сверхпроводящие сплавы не обязательно состоят из сверхпроводящих металлов, более того, в их состав могут входить полупроводники (например, GeTe, SrTiO3). При обычных температурах проводимость сверхпроводников ниже, чем у несверхпроводящих металлов.

Сверхпроводящие свойства зависят от типа кристаллической структуры. Изменение типа решетки, например, при больших давлениях, может перевести вещество из обычного в сверхпроводящее состояние. Критические температуры изотопов элементов, переходящих в сверхпроводящее состояние (Тci), связаны с массами изотопов Мai соотношением

Помимо явления сверхпроводимости в современной электротехнике все шире используется явление криопроводимости , т.е. достижение некоторыми металлами весьма малой удельной проводимости при криогенных температурах (но более высоких, чем температура сверхпроводникового перехода, если данный металл вообще принадлежит к сверхпроводникам). Помимо явления сверхпроводимости в современной электротехнике все шире используется явление криопроводимости , т.е. достижение некоторыми металлами весьма малой удельной проводимости при криогенных температурах (но более высоких, чем температура сверхпроводникового перехода, если данный металл вообще принадлежит к сверхпроводникам). Материалы, обладающие особо благоприятными свойствами для применения в качестве проводников в условиях криогеннных температур, называются криопроводниками или гиперпроводниками.

Конечное значение ρ криопроводника при его рабочей температуре ограничивает допустимую плотность тока в нем, хотя эта плот­ность может быть намного выше, чем в обычных проводниках при нор­мальной или повышенной температуре. Криопроводники, у которых при изменении температуры в широких пределах значение ρ изменяется плавно (без скачков) нельзя использовать в ряде устройств, основанных на триггерном эффекте появления и нарушения сверхпроводимости. Конечное значение ρ криопроводника при его рабочей температуре ограничивает допустимую плотность тока в нем, хотя эта плот­ность может быть намного выше, чем в обычных проводниках при нор­мальной или повышенной температуре. Криопроводники, у которых при изменении температуры в широких пределах значение ρ изменяется плавно (без скачков) нельзя использовать в ряде устройств, основанных на триггерном эффекте появления и нарушения сверхпроводимости.

В зависимости от удельного электрического сопротивления и применения проводниковые материалы подразделяют на следующие группы: В зависимости от удельного электрического сопротивления и применения проводниковые материалы подразделяют на следующие группы: 1) металлы и сплавы высокой проводимости; 2) припои; 3) сверхпроводники; 4) контактные материалы; 5) сплавы с повышенным электрическим сопротивлением.

МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ ВЫСОКОЙ ПРОВОДИМОСТИ. Проводниковые металлы должны иметь: достаточную прочность, пластичность, коррозионную стойкость в атмосферных условиях, высокую износостойкость. Металл должен хорошо свариваться и подвергаться пайке для получения соединения высокой надежности и электрической проводимости.

Практическое применение имеют химически чистые металлы: Cu, Al, Fe. Практическое применение имеют химически чистые металлы: Cu, Al, Fe. Эти металлы обладают высокой электрической проводимостью при минимальном содержании примесей и дефектов кристаллической решетки.

Медь- проводниковый материал . Наиболее чистая бескислородная медь Медь- проводниковый материал . Наиболее чистая бескислородная медь Получение меди. Медь получают путем переработки сульфидных руд, чаще других встречающихся в природе. Свойства меди. Удельная проводимость меди весьма чувствительна к наличию примесей. Недостатком меди является ее подверженность атмосферной коррозии с образованием окисных и сульфидных пленок. Скорость окисления быстро возрастает при нагревании, однако прочность сцепления окисной пленки с металлом невелика.

Применение меди. Медь применяют в электротехнике для изготовления проводов, кабелей, шин распределительных устройств, обмоток трансформаторов, электрических машин, токоведущих деталей приборов и аппаратов, анодов в гальваностегии и гальванопластике. Медные ленты используют в качестве экранов кабелей. Применение меди. Медь применяют в электротехнике для изготовления проводов, кабелей, шин распределительных устройств, обмоток трансформаторов, электрических машин, токоведущих деталей приборов и аппаратов, анодов в гальваностегии и гальванопластике. Медные ленты используют в качестве экранов кабелей.

Алюминий высокой чистоты используют в электротехнике . Алюминий высокой чистоты используют в электротехнике . Все примеси, так же как и в меди, снижают проводимость алюминия, которая несколько ниже, чем у меди . Добавки таких примесей, как Ni, Si, Zn, Fe, мышьяк As, сурьма Sb, Pb и Bi, в количестве 0,5 % снижают удельную проводимость алюминия в отожженном состоянии не более, чем на 2-3 %.

Алюминий уступает меди в электрической проводимости и прочности, но он значительно легче, больше распространен в природе. Алюминий уступает меди в электрической проводимости и прочности, но он значительно легче, больше распространен в природе. При замене медного провода алюминиевым последний должен иметь диаметр в 1,3 раза больше, но масса его и в этом случае будет в 2 раза меньше.

Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью вследствие образования на поверхности защитной оксидной пленки А12O3. Эта пленка предохраняет алюминий от коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов, что затрудняет пайку алюминиевых проводов обычными методами. Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью вследствие образования на поверхности защитной оксидной пленки А12O3. Эта пленка предохраняет алюминий от коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов, что затрудняет пайку алюминиевых проводов обычными методами.

Преимущества алюминия как контактного материала состоят в том, что этот материал легко напыляется, обладает хорошей адгезией к кремнию и пленочной изоляции из SiO2, широко используемый в полупроводниковых интегральных схемах, обеспечивает хорошее разрешение при фотолитографии. Преимущества алюминия как контактного материала состоят в том, что этот материал легко напыляется, обладает хорошей адгезией к кремнию и пленочной изоляции из SiO2, широко используемый в полупроводниковых интегральных схемах, обеспечивает хорошее разрешение при фотолитографии. Недостатком алюминия является значительная подверженность электромиграции, что приводит к увеличению сопротивления или даже разрыву межсоединения.

Железо значительно уступает меди и алюминию по проводимости, но имеет большую прочность; что в некоторых случаях оправдывает его применение как проводникового материала Железо значительно уступает меди и алюминию по проводимости, но имеет большую прочность; что в некоторых случаях оправдывает его применение как проводникового материала Сечение провода определяется не электрической проводимостью, а механической прочностью материала.

Биметаллический провод (стальной провод, покрытый медью) используют при передаче переменных токов повышенной частоты. Такая конструкция позволяет уменьшить электрические потери, связанные с ферромагнетизмом железа, и расход дефицитной меди. Биметаллический провод (стальной провод, покрытый медью) используют при передаче переменных токов повышенной частоты. Такая конструкция позволяет уменьшить электрические потери, связанные с ферромагнетизмом железа, и расход дефицитной меди. Проводимость определяет металл наружного слоя, так как токи повышенной частоты вследствие скин-эффекта распространяются по наружному слою провода.