применяемыми в радио- и электронике проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы. Из металлических проводниковых материалов могут быть выделены материалы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление , и материалы высокого сопротивления
Материалы
Материалы, имеющие очень малое удельное сопротивление при весьма низких (криогенных) температурах называют сверхпроводниками и криопроводниками.
К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Большинство металлов имеют высокую температуру плавления, только ртуть и некоторые специальные сплавы, например, индий-галлий, могут быть использованы в качестве жидких проводников при нормальной температуре.
Механизм прохождения тока через твердые и жидкие металлы обусловлен дрейфом свободных электронов под воздействием электрического поля, создаваемого в металле приложенным извне напряжением. Поэтому металлы называют проводниками с электронной (металлической) проводимостью, или проводниками первого рода.
Проводниками второго рода, или электролитами, являются растворы и расплавы солей, кислот, щелочей и других веществ с ионным строением молекул. Прохождение тока через электролиты связано с явлением электролиза; при этом электрические заряды переносятся вместе с частичками молекул (ионами) электролита; на электродах в соответствии с законами Фарадея выделяются продукты электролиза, а состав электролита меняется, в то время, как в металлах при прохождении тока изменения массы и состава не наблюдается. Все пары и газы, в том числе и пары металлов, при достаточно малых значениях напряженности электрического появляются диэлектриками и обладают очень высоким удельным сопротивлением. Однако, если напряженность превысит некоторое критическое значение, обеспечивающее начало ионизации, то газ может стать проводником с электронной или ионной проводимостями. Сильно ионизированный газ при равенстве количества электронов и положительных ионов в единице объема представляет собой особую токопроводящую среду, называемую плазмой.
Зависимость удельного сопротивления металлов от температуры.
Для большинства металлов при повышении температуры значение удельного сопротивления возрастает .Зависимость металлов и их сплавов от температуры. При фазовом переходе из одного агрегатного состояния в другое удельное электрическое сопротивление металлов изменяется скачкообразно Зависимость металлов при переходе в другое агрегатное состояние.
Электрический ток в проводниках и полупроводниках
... значению на этом интервале температур. У чистых металлов . При нагревании проводника его геометрические размеры меняются незначительно. Сопротивление проводника меняется ... проводнике, находящемся в сверхпроводящем состоянии, создать ток, а затем устранить источник электрического тока, то сила этого тока не меняется сколь угодно долго. В обычном же не сверхпроводящем проводнике электрический ток ...
Изменение удельного сопротивления металлов при деформациях.
Пластическая деформация, как правило, повышает удельное сопротивление металлов в результате искажения кристаллической решетки. При рекристаллизации путем термической обработки (отжиг) может быть восстановлено до первоначального значения. При воздействии гидростатических давлений характер изменения у различных металлов различен, при этом могут наблюдаться повышения, понижения, а также скачкообразное изменение, обусловленное полиморфическими переходами (изменениями кристаллической структуры вещества).
Такие изменениявисмута, бария, свинца и др. при изменении гидростатического давления используются в качестве реперных точек при измерении высоких давлений.
Удельное сопротивление сплавов.
Ранее отмечалось, что примеси и нарушения правильной структуры металлов ведут к увеличению их удельного сопротивления. Значительное возрастание его наблюдается при сплавлении двух и более металлов в том случае, если они образуют твердый раствор, т.е. создают при отвердевании совместную кристаллизацию и атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого
Если же сплав из двух металлов создает раздельную кристаллизацию, т.е. компоненты сплава не образуют твердый раствор и искажения кристаллической решетки каждого компонента не имеют места, то удельное сопротивление сплава приближенно определяется арифметическим правилом сложения.
Теплопроводность металлов.
Тепло через металл передается, в основном, теми же свободными электронами, которые определяют электропроводность металлов, количество их в единице объема велико, поэтому, как правило, коэффициент теплопроводностиметаллов много больше, чем диэлектриков. При прочих равных условиях коэффициент теплопроводности тем больше, чем больше удельная проводимость.
С повышением температуры, когда направленная подвижность электронов в металле и, соответственно, его удельная проводимость уменьшается, отношение /должно возрастать. Математически это выражается законом Видемана-Франца-Лоренца:где:
- T- абсолютная температура вK;
- L0- число Лоренца
L0=2,4510-8(B2/K2)=2K2/3l2;
- K=1,3810-23 Дж/К;
- l=1,610-19 Кл.
Закон Видемана-Франца-Лоренца для большинства металлов хорошо подтверждается при температурах, близких к нормальной, однако в области низких температур его действие нарушается.
Механические свойства металлических проводников в весьма большой степени зависят от механической и термической обработки, от наличия примесей. Отжиг приводит к существенному снижению pи увеличению относительного удлинения при р
Проводниковые материалы высокой проводимости
Металлические проводниковые материалы имеют поликристаллическое строение, т.е. состоят из множества мелких кристалликов. Большинство металлических проводников (Cu,Al,Ag…) обладают большой проводимостью, т.е. малым удельным электрическим сопротивлением, p=0,015 — 0,028 мкОм. м (1 мкОм.м=1 Ом.мм2/м).
К наиболее распространенным металлам высокой проводимости относятся серебро, медь, алюминий и др.
Технологические основы производства цветных металлов: меди, алюминия, ...
... Производство меди Медь как золото и серебро встречается в самородном виде и поэтому в древности человек, который ещё не знал металлургии (восстановление металла из руд) уже мог находить и применять медь. ... задолго до нашей эры. Металлургия цветных металлов в дореволюционной России носила весьма ограниченный характер. Потребность страны в цветных металлах удовлетворялась преимущественно путём импорта. ...
Наиболее широкое применение находит медь. Это обусловлено следующими ее преимуществами:
- малое удельное сопротивление (больше серебра, но меньше алюминия);
- достаточно высокая механическая прочность и пластичность, что позволяет изготавливать проволоку диаметром до 0,01 мм, а также тонкие листы;
- удовлетворительная коррозионная стойкость, обеспечиваемая тонким слоем оксида CuO, которым она покрывается на воздухе;
- хорошая обрабатываемость пластическим деформированием, например прокатка в листы, ленты, протягивание в проволоку;
- относительная легкость пайки и сварки.
Отечественная промышленность выпускает проводниковую медь различной степени чистоты шести марок. Примесями в меди являются висмут Bi, сурьма Sb, железо Fe, свинец Pb, олово Sn, цинк Zn, никель Ni, фосфор P, сера S, мышьяк Asи кислородO2.Электропроводимость меди весьма зависит от наличия примесей В отдельных случаях помимо чистой меди применяют ее сплавы с небольшим содержанием олова, кремния Si, фосфора, бериллия, хрома Cr, магния Mgи др. Такие сплавы называются бронзами. Они имеют более высокие механические свойства. Бронзы широко используются для изготовления токопроводящих пружин, контактов и других токопроводящих конструкционных деталей.
Бронзы легко обрабатываются резанием, давлением. Сплав меди с цинком называется латунью. Латунь обладает высокой пластичностью, что дает технологические преимущества при обработке штамповкой, глубокой вытяжкой. Латуни применяют в электро- и радиотехнике для изготовления различных деталей. Алюминий, благодаря своей высокой проводимости и атмосферной стойкости является вторым после меди по применению проводниковым материалом. Его удельная проводимость в 1,6 раза меньше меди, но он в 3,5 раза легче ее. Алюминий имеет малую твердость и сравнительно небольшую механическую прочность при растяжении .Алюминий на воздухе интенсивно окисляется и покрывается пленкой окисла Al2O3, надежно защищающего его от проникновения кислорода воздуха. Эта пленка обладает значительным электрическим сопротивлением, поэтому в плохо защищенных местах соединений электрических проводов могут быть большие переходные сопротивления. Пленка затрудняет пайку алюминия обычными способами. Для пайки алюминия применяют специальные флюсы или используют ультразвуковые паяльники. Алюминиевые изделия можно соединять друг с другом и сваркой под давлением (холодной сваркой).
При увлажнении мест соединения алюминиевых изделий с изделиями из других металлов могут образовываться гальванические пары. При этом алюминиевые изделия интенсивно разрушаются возникающими местными гальваническими токами. Чтобы избежать этого места соединений тщательно зачищают от влаги, например, лакирование
Серебро(Ag) относится к группе благородных металлов, на воздухе не окисляется. Интенсивное окисление происходит при температуре больше 200оС. Как и все благородные металлы, серебро отличается высокой пластичностью, позволяющей получать фольгу и проволоку толщиной и диаметром до 0,01 мм. Серебро обладает наивысшей среди всех металлов электрической проводимостью при температурах выше -100оС.
Серебро применяют в сплавах с медью, никелем или кадмием для контактов реле и в других приборах на небольшие токи, в припоях ПСр, которые применяются в случаях, когда необходимо обеспечить низкое переходной сопротивление соединения. Серебро применяют также для непосредственного нанесения на диэлектрики в качестве обкладок в производстве керамических и слюдяных конденсаторов.
«Сварка меди и её сплавов»
... - и температуропроводность создают высокие градиенты температуры и скорости охлаждения, а также малое время пребывания сварочной ванны в жидком состоянии. Это обусловливает необходимость применения повышенной погонной энергии при сварке меди ...
Недостатком серебря является склонность к миграции поверхности и внутрь диэлектрика, на который его наносят, в условиях высокой влажности и при высоких температурах. Химическая стойкость серебра ниже, чем у золота и платины.
Вольфрам (W)широко применяется в электротехнике в качестве износостойкого материала для изготовления контактов и деталей электровакуумных приборов (электроды, нити накала ламп, изобретенных в 1890 году Лодыгиным).
Вольфрам получают методом порошковой металлургии. Из порошка спекают стержни, которые подвергают сложной термической обработке в атмосфере водорода, ковке и волочению в проволоку диаметром до 0,01 мм и прокатке в листы.
Железо (Fe) — сталь — наиболее доступный материал, обладающий высокой механической прочностью, довольно широко применяется в качестве проводникового материала, несмотря на то, что даже чистое железо имеет более высокое, по сравнению с медью=0,1 мкОм. м, удельное сопротивление сплавов железа значительно больше. При переменном токе в стали, как в магнитном материале, сильно сказывается поверхностный эффект, поэтому активное сопротивление стальных проводников для переменного тока значительно больше, чем для постоянного. Кроме того, при переменном токе в стальных проводниках появляются потери мощности на гистерезис. Сталь обладает малой коррозионной стойкостью даже при нормальной температуре, поэтому для обеспечения необходимой стойкости стальные провода должны быть защищены более стойким материалом, например, цинком. Натрий (Na)является интересным и перспективным проводниковым материалом, что определяется следующим:
- его достаточно много, т.к. получают его электролизом расплава поваренной соли NaCl;
- удельное сопротивление натрия всего в 2,8 раза больше, чем у меди и равно 0,046 мкОм.м;
— натрий имеет очень малую плотность, поэтому провод из натрия при равной проводимости на единицу длины значительно легче провода из любого другого металла. Однако натрий очень активный химический элемент, интенсивно окисляется на воздухе и бурно реагирует с водой. Кроме того, он весьма мягок и имеет малый предел прочности, поэтому натриевый провод должен быть защищен герметизирующей оболочкой, которая должна придавать проводу необходимую прочность. Пластмассовая оболочка служит, к тому же, изоляцией.
1.1 Проводниковые материалы высокого сопротивления
Проводниковые материалы высокого сопротивления представляют собой сплавы металлов, обладающих большим удельным сопротивлением и малым температурным коэффициентом удельного сопротивления, что позволяет создавать из них термостабильные резисторы и другие изделия, сопротивление практически не зависит от температуры. Такими сплавами являются твердые растворы с неупорядоченной структурой. Основными представителями этой группы проводниковых материалов являются сплавы меди с никелем. Манганин — сплав 84-86% меди, 2-3 % никеля и 12-13 % магния. В отожженном состоянии имеет=450-550 Мпа,=0,42-0,47мкОм.м; в твердом состоянии — 550-600 Мпа и 0,47-0,53 мкОм.м соответственно, ТКр-(1-6)10-51/оC. Для увеличения в сплав вводят повышенное содержание магния до 60-67% и никеля — 16-30%, уменьшая содержание меди. При этом увеличивается до 1,5 — 2 мкОм.м. Наибольшая допустимая температура для изделий из стабилизированных сортов манганина — 200оС, для нестабилизированных — 60оС. При превышении указанных температур происходит необратимое изменение свойств манганиновых изделий. Достоинством манганиновых изделий является малая зависимость электрического сопротивления от температуры и весьма малая термо-ЭДС в контакте с медью. Сопротивление манганиновой проволоки линейно возрастает с увеличением давления от 1 до 1 Гпа приблизительно на 2,5% от исходного при отсутствии давления. Это используется при изготовлении датчиков, измеряющих высокие гидростатические давления. Из манганина изготавливают мягкие и твердотянутые проволоки диаметром 0,02 — 6 мм и ленты толщиной 0,08 мм, применяемые при производстве резисторов и потенциометров высоких классов точности. Константан- сплав 58-60% меди, 32 -40 % никеля и 1- 2 % магния. ТКр=(0-6)10-51/оС, т.е. электрическое сопротивление многих составов константана при изменении температуры практически не изменяется. Термо — ЭДС константана в паре с медью имеет большое значение (порядка 42,8 мкВ/0С), что не позволяет использовать проволоку и ленту из него в высокоточных измерительных приборах. Из константана изготавливают проволоку диаметром 0,03…5 мм и ленту толщиной до 0,1 мм. Изолированную константановую проволоку применяют в паре с медной проволокой для изготовления термопар. Константановые изделия могут применяться до температур не выше 500оС.
Стандартизация строительных материалов, изделий и конструкций
... строительству и строительным материалам, обязательный для всех организаций и предприятий. Методическую основу стандартизации размеров в проектировании, изготовлении строительных изделий и при ... комплексной стандартизации качественных характеристик данной продукции, а также сырья, материалов, полуфабрикатов и комплектующих изделий, необходимых для ее изготовления с высокими показателями ...
Сплавы высокого сопротивления на основе железа.
Сплавы на основе железа применяют в основном для электронагревательных элементов. Высокая нагревостойкость таких элементов объясняется введением в их состав достаточно большого количества металлов, образующих при нагреве на воздухе практически сплошную окисную пленку. Такими металлами являются никель, хром и алюминий сплавы системы Fe-Ni-Cr называют нихромами: они содержат 15-23% хрома, никеля, 1-1,5% марганца и остальное- железо. Срок службы элементов из нихрома и других жаростойких сплавов зависит от свойств окисных пленок, образуемых на поверхностях, соприкасающихся с воздухом при высокой температуре. Длительность работы электронагревательных элементов из нихрома может быть во много раз увеличена, если исключить доступ кислорода к поверхности проволоки. В трубчатых нагревателях проволоку из сплава с высоким сопротивлением помещают в трубках из стойкого к окислению металла, например — алюминия, а промежуток заполняют порошком с высокой теплопроводностью, например магнезией MgO. При дополнительной протяжке этих трубок через фильеру, наружный диаметр трубки уменьшается, магнезия уплотняется и образует механически прочную изоляцию внутреннего проводника. Такие нагревательные элементы применяют в электросамоварах, кипятильниках, плитках. Нихром достаточно технологичен и имеет высокую рабочую (до 10000С) температуру. проводимость ток металл сопротивление
Металлокерамические материалы.
Материалы, полученные прессованием из металлических порошков с последующим спеканием при температурах 1000-14000С, называют металлокерамическими. Исходные порошкообразные массы состоят из двух и более порошков различных металлов, одни из которых обладают более высокой температурой плавления. При высокотемпературной обработке — спекании — более легкоплавкий металл заполняет поры между частицами более тугоплавкого металла. В результате получаются монолитные металлокерамические изделия. Иногда в исходную массу, состоящую из металлических порошков, вводят порошок неметалла, например, графита. Этим достигается получение необходимых свойств металлокерамических изделий. К металлографитовым изделиям относятся меднографитовые щетки для электрических машин, контакты, отличающиеся высокой устойчивостью к свариванию при размыкании больших токов (до 100000 А).
Реферат электрическая емкость конденсатора
... емкость конденсатора. Рис. 3. Конденсатор переменной емкости с воздушным диэлектриком На рис. 4 изображены керамические, слюдяные, бумажные и металлобумажные конденсаторы постоянной емкости. В керамических конденсаторах (рис. 4, а) диэлектриком служит керамика с высокой электрической ...
Меднографитовые изделия имеют очень малое удельное сопротивление (=0,02 — 0,05 мкОмм) и обладают высокой стойкостью к электрической дуге, технологичны и имеют хорошие эксплуатационные характеристики. Их применяют в электрических машинах с тяжелыми условиями работы — в токонесущих устройствах электровозов и троллейбусов.
Неметаллические проводниковые материалы.
Среди твердых неметаллических проводниковых материалов наибольше значение имеют материалы на основе углерода — электротехнические угольные изделия. Из угля изготавливают щетки электрических машин, электроды для прожекторов, дуговых электрических печей, электролитических ванн, аноды гальванических цепей. Угольные порошки используют в микрофонах. Из угля делают высокоомные сопротивления, его применяют в электровакуумной технике. В качестве сырья для производства электроугольных изделий используют сажу, графит или антрацит. Изделия изготавливаются прессованием с последующим спеканием. При температурах обжига (~20000С) углерод искусственно переводится в форму графита, вследствие чего процесс называют графитированием. Сажа представляет мелкодисперсный углерод с примесями смолистых веществ. Лаки, в состав которых в качестве пигмента введена сажа, имеют малое удельное сопротивление.
Проводящие и резистивные пасты.
Для нанесения электродов керамических конденсаторов, изготовления проводников и резисторов толстопленочных микросхем широко используют проводящие и резистивные пасты. Пасты обычно наносят методом вжигания при температуре ~825oC; толщина слоя пасты ~10мкм. Наиболее широкое применение нашли пасты для серебрения керамики на основе окиси серебраAg2O3и углекислого серебраAg2CO3. В микроэлектронике применяют пасты на основе и других благородных металлов — золота, платины, палладия, а также кадмия, таллия, сурьмы, карбида вольфрама, борида вольфрама, молибдена, нитрида тантала и др.
Приготовление паст и их нанесение требует строгого соблюдения технологии, т.к. даже незначительное ее нарушение может привести к изменению функциональных свойств паст и, соответственно, изделий, которые из них изготавливаются.
