- •1. Зонная теория твердого тела. Метод молекулярных орбиталей. Энергетические
- •Диэлектрики, проводники и полупроводники с точки зрения зонной теории твердого тела
- •2. Материалы с особыми электрическими свойствами: проводники электрического
- •Железо и стали
- •3. Материалы с особыми электрическими свойствами: полупроводники
- •Способы легирования
- •4. Материалы с особыми электрическими свойствами: диэлектрики. Методы
- •6. Экологические проблемы производства и применения рэс.
2. Материалы с особыми электрическими свойствами: проводники электрического
тока и их особенности. Классификация проводниковых материалов. Металлы высокой проводимости (медь, алюминий, железо): получение, очистка, маркировка, применение. Припои. Сверхпроводники. Контактные материаы.
классификация проводниковых материалов:
· материалы высокой проводимости;
· материалы с высоким удельным сопротивлением для резисторов и точных приборов;
· жаростойкие материалы;
· контактные материалы;
· сверхпроводники и криопроводники
Сверхпроводи́мость — свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении имитемпературы ниже определённого значения (критическая температура). соединениялантана, стронция, меди и кислорода (La—Sr—Cu—O) испытывают скачок проводимости практически до нуля при температуре 36 К. В начале марта 1987 года был впервые получен сверхпроводник при температуре, превышающей температуру кипения жидкого азота (77,4 К): было обнаружено, что таким свойством обладает соединение иттрия, бария, меди и кислорода(Y—Ba—Cu—O). По состоянию на 1 января 2006 года рекорд принадлежит керамическому соединению Hg—Ba—Ca—Cu—O(F),
К проводникам или проводниковым материалам относятся материалы, хорошо проводящие электрический ток. Обычно, это металлы, но также используются некоторые жидкости и ионизированные газы.
По характеру температурной зависимости проводимости проводники делятся на два типа: проводники I рода и проводники II рода. У проводников I рода проводимость с ростом температуры уменьшается. К проводникам I рода относятся металлы. У проводников II рода проводимость с ростом температуры увеличивается. К проводникам II рода относятся жидкости (электролиты), ионизированные газы.
Проводники, применяемые в технике делятся на:
· материалы высокой проводимости (Ag, Cu, Al);
· высоконагревостойкие металлы (W, Mo, Ta, Nb, Ti, Zr, Re);
· металлы и сплавы различного назначения (Ni, Hg);
· щелочные металлы (Li, K, Na, Cs, F);
· щелочноземельные металлы (Ca, Mg, Ba, Ra)
· сплавы сопротивления;
· контактные материалы;
· металлы и сплавы электровакуумной техники (Pd);
· припои и флюсы;
· электроугольные изделия.
Медь
Широкое применение меди обусловлено ее высокой электропроводностью, хорошей теплопроводностью, химостойкостью, ковкостью, вязкостью, высокими механическими свойствами. Медь часто встречается в самородном состоянии. Легко подвергается механической обработке, т.к. обладает высокой пластичностью. Добывают медь из оксидных и сульфидных руд. Их обжигают, плавят и получают черновую медь, которую подвергают рафинированию электролитическим методом. Для этого из черновой меди изготовляют аноды и проводят электролиз CuSO4.
Чистая медь, которая применяется в электро- и радиотехнике, по содержанию примесей разделяется на марки МО и М1. МО содержит 99,95% меди, М1 – 99,90%. Эти марки обладают свойствами:
· плотность – 8,9.103 кг/м3;
· температура плавления – 1083 °С;
· удельное сопротивление r - 1,7241.10-8 Ом×м;
· механическая прочность – высокая;
· обрабатываемость – хорошая.
Из меди изготовляют токопроводящие жилы проводов и кабелей, токопроводящие детали радиоаппаратуры, фольгированный гетинакс для печатных схем, проволоку, листы, ленты, полосы, тонкую фольгу.
Медные сплавы
Бронзы – сплавы меди с некоторыми металлами. Различают следующие бронзы: оловянные, алюминиевые, свинцовые, кремниевые, марганцевые, бериллиевые, кадмиевые и др.
Применение бронз:
· кадмиевые – для контактов и коллекторных пластин;
· фосфористая – для пружин в приборах и аппаратах;
· бериллиевая – для токоведущих пружин, щеткодержателей, скользящих контактов, электродов, зажимов;
· оловянистая – ее называют телефонной т.к. из нее изготовляют проволоку для телефонных кабелей.
Латуни – медно–цинковые сплавы. Из них изготовляют листы и полосы. Свойства латуни. Удельное сопротивление латуни больше удельного сопротивления меди rлат > rмеди. Она способна удлиняться, сохраняя более высокую прочность, чем медь. Поэтому она находит широкое применение в качестве конструкционного и проводникового материала. Из нее изготовляют проводниковые детали резисторов, конденсаторов, катушек, монтажные элементы схем.
Алюминий
Стоит на II месте после Cu по применению в электро- и радиотехнике.
Плотность Al в 3,5 меньше плотности Cu и равна примерно (2,6 ¸ 2,7) 103 кг/м3, удельное сопротивление r в 1,68 раза больше, чем у Cu, r = 2,85 10-8 Ом×м. Примеси (Ti, Mn, Cu,Ag, Mg) в алюминии снижают электропроводность (примерно на 10%).
Для электротехники и радиотехники применяют алюминий с содержанием примесей не более 0,5%; для изготовления алюминиевой фольги для электролитических конденсаторов не более 0,05%.
Тепловые свойства алюминия
Температура, °С: плавления– 660 - 657; кипения - 2300 - 2500; отжига - 350 - 400; литья - 700 - 750. |
Алюминий легко окисляется на воздухе:
4Al + 3O2 ® 2Al2O3 и при действии серной и щавелевой кислот (H2SO4, H2C2O4)
.
Оксидная пленка на поверхности алюминия защищает его от дальнейшего окисления (пассивация). Промышленное оксидирование алюминия создает антикоррозийное и электроизоляционное покрытие, которое часто сочетают с окраской и полировкой для улучшения внешнего вида. Пробивное напряжение таких покрытий доходит до 400 В, (Uпр = 400 В).
Но пленка Al2O3 затрудняет пайку и создает большое сопротивление в контактах. При действии влаги в местах контакта Al-Cu образуется гальванопара с высоким значением э.д.с.
анод Al½H2O; O2½Cu катод
ja = -1,7 B Aнод(+): Al0 - 3eˉ ® Al3+ Kатод(-): 2H2O + O2 + 4eˉ ® 4OHˉ jk = - 0,83 B
Al3+ + 3OH ® Al(OH)3
При этом алюминиевый проводник разрушается.
Для проводов воздушных линий с большим натяжением и нагрузкой применяется алюминиевый сплав альдрей, который состоит:(98,5 ¸ 99%)Al + (0,3 ¸ 0,5%)Mg + (0,4 ¸ 0,7%)Si + (0,2 ¸ 0,3%)FeПовышение механической прочности достигается термообработкой, возрастает прочность на растяжение до 35 кг/мм2 при удлинении 6,5 % и r = 3,17 10 Ом×мм2/м. Таким образом, альдрей по механической прочности примерно равен меди, а по легкости – алюминию.
Для передачи энергии применяются сталеалюминиевые провода, в котором центральные жилы стальные, а наружные – алюминиевые.