Какими механическими свойствами обладают проводниковые материалы

2.3.1. Удельная проводимость и удельное сопротивление проводников

2.3.2. Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов

2.3.3. Изменение удельного сопротивления металлов при плавлении

2.3.4. Изменение удельного сопротивления металлов при деформациях

2.3.5. Удельное сопротивление сплавов

2.3.6. Теплопроводность металлов

2.3.7. Термоэлектродвижущая сила

2.3.8. Механические свойства проводников

К важнейшим параметрам, характеризующим свойства проводниковых материалов, относятся:

• удельная проводимость g или обратная ей величина – удельное сопротивление r,
• температурный коэффициент удельного сопротивления ТКr или ar,
• теплопроводность g т,
• контактная разность потенциалов и термо-э.д.с.,
• работа выхода электронов из металла,
• предел прочности при растяжении sr и относительное удлинение при разрыве Dl/l.

2.3.1. Удельная проводимость и удельное сопротивление проводников

Связь плотности тока J, А/м2, и напряженности электрического поля Е, В/м, в проводнике дается известной формулой:

(2.1)

Здесь g, См/м – параметр проводникового материала, называемый его удельной проводимостью; в соответствии с законом Ома g не зависит от напряженности электрического поля при изменении последней в весьма широких пределах. Величина r=1/g, oбратная 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. (2.2)

Единица СИ для удельного сопротивления – Ом·м. Диапазон значений удельного сопротивления ρ металлических проводников при нормальной температуре довольно узок: от 0.016 для серебра и до примерно 10 мкОм·м для железохромоалюминиевых сплавов, т.е. он занимает всего три порядка. Значение удельной проводимости γ в основном зависит от средней длины свободного пробега электронов в данном проводнике, которая, в свою очередь, определяется структурой проводникового материала. Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой характеризуются наименьшими значениями удельного сопротивления; примеси, искажая решетку, приводят к увеличению ρ. И с точки зрения волновой теории, рассеяние электронных волн происходит на дефектах кристаллической решетки, которые соизмеримы с расстоянием порядка четверти длины электронной волны. Нарушения меньших размеров не вызывают заметного рассеяния волн.

2.3.2. Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов

Число носителей заряда в металлическом проводнике при повышении температуры остается практически неизменным. Однако вследствие колебаний узлов кристаллической решетки с ростом температуры появляется все больше и больше препятствий на пути направленного под действием электрического поля движения свободных электронов, т.е. уменьшается средняя длина свободного пробега электрона, уменьшается подвижность электронов и, как следствие, уменьшается удельная проводимость металлов, и увеличивается удельное сопротивление. Иными словами, температурный коэффициент удельного сопротивления металлов положителен.

2.3.3. Изменение удельного сопротивления металлов при плавлении

При переходе из твердого состояния в жидкое у большинства металлов наблюдается увеличение удельного сопротивления, как это видно из рис.2.1; однако некоторые металлы при плавлении повышают ρ.

Рис.2.1. Зависимость удельного сопротивления меди от температуры.

Скачок соответствует температуре плавления меди 1083°С

Удельное сопротивление увеличивается при плавлении у тех металлов, которые при плавлении увеличивают объем, т.е. уменьшают плотность; у металлов с противоположным характером изменения объема при плавлении (аналогичным фазовому переходу лед-вода) ρ уменьшается.

2.3.4. Изменение удельного сопротивления металлов при деформациях

Изменение удельного сопротивления при растяжении или сжатии приближенно может оцениваться формулой

ρ = ρ0 (1± σ ·s) , (2.3)

где ρ – удельное сопротивление металла при механическом напряжении σ, ρ0 – удельное сопротивление металла, не подверженного механическому воздействию, s – коэффициент механического напряжения, характеризующий данный металл; знак плюс в формуле соответствует растяжению, минус – сжатию.

Изменение ρ при упругих деформациях объясняется изменением амплитуды колебаний узлов кристаллической решетки металла. При растяжении эти амплитуды увеличиваются, при сжатии – уменьшаются. Увеличение амплитуды колебаний узлов кристаллической решетки приводит к уменьшению подвижности носителей зарядов и, как следствие, к возрастанию ρ. Пластическая деформация, как правило, повышает удельное сопротивление металлов вследствие искажения кристаллической решетки. При рекристаллизации путем отжига удельное сопротивление может быть вновь снижено до первоначального значения.

2.3.5. Удельное сопротивление сплавов

Значительное возрастание ρ наблюдается при сплавлении двух металлов в том случае, если они образуют друг с другом твердый раствор, т.е. создают при отвердевании совместную кристаллизацию, и атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого. ρ имеет максимум, соответствующий некоторому определенному соотношению между содержанием компонентов в сплаве. Так, Н.С.Курнаков открыл, что в тех случаях, когда при определенном соотношении между компонентами они образуют друг с другом явно выраженные химические соединения (интерметаллиды), на кривых ρ в функции состава наблюдаются изломы (рис.2.2).

Рис. 2.2. Зависимость удельного сопротивления сплавов цинк – магний от состава. Точка 1 соответствует чистому Mg, 2 – соединению MgZn, 3 – Mg2Zn3, ., 4 – MgZn4 5 – MgZn6, 6 – чистому Zn.

Исследования А.Ф.Иоффе показали, что многие интерметаллиды являются не веществами с металлическим характером электропроводности, а электронными полупроводниками.

Если же сплав двух металлов создает раздельную кристаллизацию, и структура застывшего сплава представляет собой смесь кристаллов каждого из компонентов (т.е. искажение кристаллической решетки каждого компонента не имеет места), то удельная проводимость γ сплава меняется с изменением состава приблизительно линейно, т.е. определяется арифметическим правилом смешения (рис.2.3).

Рис.2.3. Зависимость удельной проводимости сплавов медь – вольфрам от состава (в процентах по массе)

2.3.6. Теплопроводность металлов

За передачу тепла через металл в основном ответственны те же свободные электроны, которые определяют и электропроводность металлов, и количество которых в единице объема весьма велико. Поэтому, как правило, теплопроводность γт металлов намного больше, чем теплопроводность диэлектриков. Очевидно, что при прочих равных условиях, чем больше удельная электрическая проводимость γ металла, тем больше должна быть и его теплопроводность. Легко также видеть, что при повышении температуры, когда подвижность электронов в металле и соответственно его удельная проводимость уменьшаются, отношение γт/γ δ должно возрастать.

Чистота и характер механической обработки металла могут заметно сказываться на его теплопроводности, в особенности при низких температурах.

2.3.7. Термоэлектродвижущая сила

При соприкосновении двух металлических проводников между ними возникает контактная разность потенциалов. Причина ее появления заключается в различии значений работы выхода электронов из различных металлов, а также в том, что концентрация электронов, а следовательно, и давление электронного газа у разных металлов и сплавов могут быть неодинаковыми. Из электронной теории металлов следует, что контактная разность потенциалов между металлами А и В равна:

(2.4)

где UА и UВ – потенциалы соприкасающихся металлов; nА и nВ – концентрации электронов в металлах А и В.

Если температуры “спаев” одинаковы, то сумма разностей потенциалов равны нулю. Иначе обстоит дело, когда один металл имеет температуру Т1, а другой – Т2.

Рис.2.4.Схема термопары

В этом случае между “спаями” возникает термо-э.д.с., равная

(2.5)

что можно записать в виде

(2.6)

Где с – постоянный для данной пары проводников коэффициент термо-э.д.с., т.е. термо-э.д.с. должна быть пропорциональна разности температур металлов.

Провод, составленный из двух изолированных друг от друга проволок из различных металлов или сплавов (термопара), может быть использован для измерения температур.

2.3.8. Механические свойства проводников

Они характеризуются пределом прочности при растяжении σр и относительным удлинением при разрыве Δl/l, а так же хрупкостью, твердостью и тому подобными свойствами. Механические свойства металлических проводников в большой степени зависят от механической и термической обработки, от наличия легирующих примесей и т.п. Влияние отжига приводит к существенному уменьшению σр и увеличению Δl/l. Такие параметры проводниковых материалов, как температуры кипения и плавления, удельная теплоемкость и др., не требуют особых пояснений.

Основным показателем, характеризующим проводниковые материалы, является электропроводность. Способность проводникового материала оказывать сопротивление прохождению тока оценивается удельным электрическим сопротивлением. Наибольшей проводимостью обладают чистые металлы, образующие группу материалов высокой проводимости. Другую группу проводниковых материалов составляют сплавы высокого сопротивления.

Проводники высокой проводимости обладают удельным электрическим сопротивлением не более 0,05 мкОмм. Их применяют для изготовления обмоток электрических машин и трансформаторов, монтажных и установочных электрических проводов и кабелей. К проводникам высокой проводимости относятся медь, алюминий, железо, серебро, молибден и др.

Медь — основной проводниковый материал. По электропроводности она уступает лишь серебру. В качестве проводникового материала используют медь марок Ml и МО.

Медь марки Ml содержит до 0,1 % примесей, МО — не более 0,05 %. Медную проволоку получают горячей прокаткой медных болванок в катанку с последующим протягиванием без подогрева. В результате холодной протяжки получается твердая медь (МТ), обладающая высокой прочностью, твердостью и упругостью. Твердую медь марки МТ применяют, когда необходимо обеспечить высокую прочность и сопротивление истиранию: контактные провода, коллекторные пластины электрических машин, токоведущие жилы кабелей и проводов.

После отжига с последующим охлаждением получают мягкую медь с проводимостью на 3—5 % выше, чем у твердой. Мягкая отожженная медь применяется в основном для изготовления изолированных обмоточных и монтажных проводов, в тех случаях, когда важна гибкость и пластичность, а прочность не имеет большого значения.

Для изделий повышенной прочности и износостойкости применяются сплавы меди — латуни и бронзы с кадмием и бериллием. Удельное электрическое сопротивление латуни больше, чем меди. Из нее изготовляют проводниковые детали резисторов, конденсаторов, катушек и др. Кадмиевые бронзы используются для изготовления контактов и коллекторных пластин, бериллиевые бронзы — для токоведущих пружин, щеткодержателей, скользящих контактов; электродов и зажимов.

Для электрифицированных железных дорог применяют медные, бронзовые и низколегированные контактные провода. Медные контактные провода производятся из твердотянутой меди с удельным электрическим сопротивлением 0,018 мкОмм. Бронзовые контактные провода по сравнению с медными и низколегированными более прочные и износостойкие. Однако они обладают меньшей проводимостью, что увеличивает потери электроэнергии в контактной сети. Для снижения потерь электроэнергии в состав бронзы вводят легирующие элементы (цирконий, кадмий, магний, никель, цинк и др.), повышающие износостойкость проводов и оказывающие незначительное влияние на их проводимость. В низколегированных контактных проводах в качестве легирующих компонентов применяют олово, магний, цирконий, кремний и др. Низколегированные контактные провода меньше разупрочняются под действием нагрева тяговыми токами и растягивающих нагрузок, чем медные. Они могут длительно работать при температуре нагрева ПО °С, оказывают более высокое сопротивление разрыву.

Медные и в небольшом количестве бронзовые проволоки применяются для изготовления неизолированных проводов несущих тросов цепных контактных подвесок, там, где требуется большая электропроводимость троса.

Алюминий — главный заменитель меди в качестве проводникового материала, но его электрическое сопротивление больше, чем меди. Поэтому сечение алюминиевого провода больше медного. Алюминий применяется в качестве проводов в воздушных линиях электропередач и кабельных изделиях; для изготовления конденсаторной фольги, пластин воздушных конденсаторов, а также для изготовления обмоток вращающихся электрических машин с малой тепловой нагрузкой на обмотки и др.

Алюминиевый провод легче медного в 3,3 раза, устойчивый против коррозии: благодаря пленке оксидов неизолированные алюминиевые провода могут длительно работать на открытом воздухе. При холодном деформировании алюминий становится довольно твердым, а после отжига — мягким. Выпускают алюминиевую проволоку следующих марок: АТП — твердая повышенной прочности; АТ — твердая; АПТ — полутвердая; AM — мягкая. По мере снижения твердости проволоки уменьшается предел ее прочности при растяжении. На воздухе алюминий окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет алюминий от коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта проводов и делает невозможной пайку алюминия обычными методами. Однако при небольших напряжениях оксидная пленка алюминия может служить естественной межвитковой изоляцией. Оксидная изоляция получила широкое применение в производстве электролитических конденсаторов и микросхем.

При необходимости обеспечения большей прочности используются сплавы алюминия с добавками магния и кремния.

Главным проводниковым сплавом на основе алюминия является альдрей, содержащий 0,5 % магния, 0,7 % кремния, 0,3 % железа. У альдрея механическая прочность примерно равна прочности меди, а по легкости он соответствует алюминию.

Проводниковое железо — это низкоуглеродистые (до 0,15 % углерода) качественные стали, а также стали обыкновенного качества, из них изготовляют токопроводящие шины и электроды для печей. Стальная проволока применяется в качестве сердечников биметаллических проводов для повышения их прочности (стальной провод, покрытый медью). Из сталемедных и сталеалюминиевых проводов производят несущие тросы контактных подвесок контактной сети. Такие провода используются в тех случаях, когда большая проводимость несущего троса не требуется.

Серебро имеет самое низкое удельное сопротивление, используется в качестве электрических контактов в электрических аппаратах и в составе припоев.

Вольфрам и молибден применяются при изготовлении электровакуумных приборов. Тугоплавкость и высокая твердость вольфрама позволяет использовать его для изготовления размыкающих контактов в электрических аппаратах.

Сплавы высокого сопротивления должны выдерживать высокую температуру, не окисляясь и не расплавляясь. Они обладают удельным электрическим сопротивлением не менее 0,3 мкОмм. Сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления реостатов, термопар, электронагревательных приборов, электрических печей сопротивления.

Сплавы высокого сопротивления можно разделить на сплавы для проволочных резисторов (манганин, константан) и для электронагревательных элементов (нихром, фехраль, хромаль).

Манганин — это сплав на основе меди, содержащий 12 % Мп и 3 % Ni. Манганин — пластичный материал, после прокатки и волочения получают проволоку диаметром до 0,02 мм. Его электрическое сопротивление очень мало зависит от температуры. При температуре плюс 60 °С манганиновая проволока окисляется, ее применяют в стеклянной изоляции, которая отличается высокими электроизоляционными свойствами, нагрево- и влагостойкостью, но пониженной гибкостью.

Константан — сплав меди с никелем (40 % никеля). Констан- тан имеет низкий коэффициент температурного сопротивления. При нагревании до температуры 900 °С константан окисляется с образованием оксидной изолирующей пленки. Это позволяет применять константан для изготовления реостатов и резисторов без межвитковой изоляции. Манганин и константан не могут длительно работать при высоких температурах, так как начинают интенсивно окисляться. Поэтому изделия, работающие при температурах 800—1200 °С, изготовляются из нихромов, фехралей, хрома- лей. Нагревостойкость проволоки и лент из этих сплавов обеспечивается благодаря введению в состав сплавов металлов, которые при нагреве на воздухе образуют сплошную поверхностную оксидную пленку. Эта пленка надежно защищает сплавы от воздействия кислорода воздуха.

Нихром состоит из никеля и хрома (например, Х20Н80). Иногда в состав нихрома вводят железо для улучшения обрабатываемости сплава и снижения его стоимости. Однако железо легко окисляется и снижает нагревостойкость сплава.

Хром придает высокую тугоплавкость оксидным поверхностным пленкам. При резких сменах температуры происходит растрескивание оксидных пленок, в результате чего кислород воздуха проникает в трещины и продолжает процесс окисления. Поэтому при многократном кратковременном включении электронагревательных элементов из нихрома он перегорает быстрее, чем в случае непрерывной работы при той же температуре. Для увеличения срока службы трубчатых нагревательных элементов нихромовую проволоку помещают в трубки из стойкого к окислению металла и заполняют их диэлектрическим порошком с высокой теплопроводностью. Такие нагревательные элементы применяют в электрических кипятильниках, комбинированных котлах систем отопления пассажирских вагонов, которые могут работать длительное время.

Фехраль (например, Х13Ю4) и хромаль (например, 0X23 Ю5) — хромоалюминиевые сплавы. Они дешевле нихрома, более твердые и хрупкие, обладают высокими жаростойкостью и электрическим сопротивлением. Чем выше содержание в сплавах хрома, алюминия, тем выше окалиностойкость и рабочая температура нагревательного элемента. Из них получают проволоку большого диаметра и ленты с большим поперечным сечением. Их используют в электронагревательных устройствах большой мощности и промышленных электрических печах.