Сплавы высокого сопротивления. Критерий определения этих веществ. Назначение. Основные свойства. Типы сплавов, их состав, свойства и области применения. Термопары. Назначение, свойства, виды.
Это материалы с удельным сопротивлением 0,3 мкОм*м применяются в электроизмерительных приборах в образцовых резисторах, реостатах, электронагревательных устройствах.
Требования
Возможно меньшее значение температурной зависимости сопротивления
Возможность длительной работы на воздухе при температуре 1000 градусов
Сплавы на медной основе (Манганин, Константан)
Манганины — сплавы на медной основе, содержащие около 85% Cu , 12% Mn, 3% Ni.
Применяются для изготовления образцовых резисторов, шунтов, приборов и т.д., имеют малую термо-э.д.с. в паре с медью (1 – 2 мкВ/К ), удельное сопротивление 0.42 – 0.48 мкОм . м, sр= 450 – 600 МПа, относительное удлинение перед разрывом 15 – 30%, максимальную длительную рабочую температуру не более 200оС. Можно изготовлять в виде проволоки толщиной до 0.02 мм с эмалевой и др. изоляцией.
Константан — медно-никелевый сплав (средний состав 60% Cu, 40%Ni), имеет r =0.648 – 0.52 мкОм . м, ar =(5 – 25) . 10-6К-1, sр= 400 - 500 МПа, относительное удлинение перед разрывом 20 – 40%. Термо-э.д.с. в паре с медью 45 – 55 мкВ/К, поэтому константан можно использовать для термопар. Реостаты и нагревательные элементы из константана могут длительно работать при температуре 450оС.
Константан в паре с медью имеет большую термо ЭДС и используется для создания термопар. В месте контактов возникает разность потенциалов.
Аморфные металлические сплавы. Физические особенности строения. Основные свойства. Классификация аморфных сплавов по составу. Принципы получения аморфного состояния вещества. Технологические приемы получения сплавов. Критерий допустимой температуры эксплуатации. Электрические свойства: величина удельного сопротивления и его зависимость от температуры. Прочность, твердость, коррозионная стойкость сплавов. Применение сплавов.
Неупорядоченные, неравновесные системы на основе металлов, обладающие уникальными электрическими, магнитными, механическими и химическими свойствами.
Технологические методы получений АМС. Это быстрый переход компонентов сплава из жидкого или газообразного состояния в твёрдое характеризуемое отсутствием периодичности в расположении атомов, т.е при очень быстром охлаждении расплава не образуется кристалл. решётки в объёме.
Основные свойства: 1)электрические свойства АМС близки к жидким металлам, сопротивление выше, чем алюминия и меди составляет 2мкОм*м(1-3мкОм*м).Имеют отрицательный температурный коэффициент(сплавы с удельной проводимостью > 1мкОм*м)
-Коррозионная стойкость.
-Имеет высокую прочность и твёрдость. твёрдость более 10гПа, а прочность на разрыв >4 гПа.В 10 раз прочнее меди, стали.
Классификация и состав.
Сплавы переходных металлов Fe, Cb, Ni, с металлоидами (В, С, Si, Ge)
Сплавы переход. метал. друг с другом. (Nb+Ni), Ti+Ni, Fe+Zn.
Работоспособность до температуры(0,4-0,6) Т плавления.
Методы получения аморфных металлов
Сверхвысокие скорости охлаждения для получения аморфной структуры можно реализовать различными способами. Общим в них является необходимость обеспечения скорости охлаждения не ниже 106 К/с. Известны методы:
-катапультирования капли на холодную пластину,
-распыление струи газом или жидкостью,
-центрифугирование капли или струи,
-расплавление тонкой пленки поверхности металла лазером с быстрым --------отводом тепла массой основного металла,
-сверхбыстрое охлаждение из газовой среды и др.
Использование этих методов позволяет получать ленту различной ширины и толщины, проволоку и порошки.
Аморфные металлические сплавы (АМС) получают быстрой закалкой расплавов при скоростях охлаждения жидкого металла 104-106 град/с и при условии, что сплав содержит достаточное количество элементов-аморфизаторов. Аморфизаторами являются неметаллы: бор, фосфор, кремний, углерод и металлы. Соответственно аморфные металлические сплавы разделяются на сплавы «металл--неметалл» и «металл--металл».
Структура аморфных сплавов подобна структуре замороженной жидкости. Затвердевание происходит настолько быстро, что атомы вещества оказываются замороженными в тех положениях, которые они занимали, будучи в жидком состоянии.
Затвердевание с образованием аморфной структуры принципиально возможно для всех металлов и сплавов. Для практического применения обычно используют сплавы переходных металлов (Fe, Co, Mn, Cr, Ni и др.), в которые для образования аморфной структуры добавляют аморфообразующие элементы типа В, C, Si, P, S. Такие аморфные сплавы обычно содержат около 80 % ат. одного или нескольких переходных металлов и 20 % металлоидов, добавляемых для образования и стабилизации аморфной структуры.
Аморфные слои, полученные с помощью ионно-плазменного напыления можно использовать для создания высокочувствительных датчиков, сенсорных устройств и малогабаритных трансформаторов. Новые сенсорные устройства можно использовать в технологических процессах производства автомобилей, индустриальных роботов, в промышленных измерителях различного рода свойств.
Диэлектрики. Основные свойства. Поляризация диэлектриков. Виды поляризации. Поляризованность. Относительная диэлектрическая проницаемость. Зависимость проницаемости от величины напряженности поля. Связь поляризованности с величиной относительной диэл. проницаемости. Диэлектрическая восприимчивость. Распределение зарядов в диэлектрике, помещенном в постоянное электрическое поле.
Диэлектрики, вещества, плохо проводящие электрический ток. Вещества пропускающие сквозь себя электро-магнитное поле.
Характерные особенности:
-Поляризация в электрическом поле
-высокое удельное сопротивление 1012-1023 Ом
-незначительное рассеяние энергии эл.поля.
-электрическая прочность-способность противостоять сильным эл.полям.
Зависит от t, влажности среды, условий теплоотвода, частоты эл.магнитного поля, степени однородности диэлектрика его агрегатного состояния.
Поляризация диэлектриков
Поляризация диэлектриков — явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля, иногда под действием других внешних сил или спонтанно.
Поляризация — состояние диэлектрика, которое характеризуется наличием электрического дипольного момента у любого (или почти любого) элемента его объема.
Виды поляризации
Внешняя поляризация, принудительная-возникает под действием электрического поля.
Спонтанная, самопроизвольная-существует в отсутствии поля.
Возникающая под действием механических напряжений, сил трения, или изменение температуры.
Поляризованность(P)-векторная физическая величина равная отношению электрического момента dp, элемента диэлектрика к объёму Dv
P=dp/dv(кл/м3)
Способность материалов поляризоваться в поле характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью Ɛ=E0/E=С/C0, КОТОРАЯ ЯВЛЯЕТСЯ БЕЗРАЗМЕРНОЙ ВЕЛИЧИНОЙ, и показывает во сколько раз ослабляется поле внутри диэлектрика по сравнению с напряжённостью в вакууме.
Для большинства диэлектриков в слабых полях(меньше пробивного) Ɛ практически не зависит от напряженности, поэтому P изменяется пропорционально напряжённости электрического поля. P= Ɛ0(Ɛ-1)E
X=(Ɛ-1)- ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ВОСПРИИМЧИВОСТЬ.
Механизмы поляризации. Основные свойства веществ имеющих разные типы поляризации. Виды индуцированной поляризации: основные механизмы возникновения. Характерные свойства веществ с разным видом поляризации.
Поляризация возникающая под действием внешнего поля, называется индуцированной. Она обусловлена смещением электронов, ионов, диполей.
Механизм поляризации зависит от строения диэлектрика.
Виды индуцированной поляризации: мгновенная (электронно ионная), замедленная.
Мгновенная поляризация соответствует возникновению упругих сил, которые смещают электроны и ионы на очень маленькие расстояния. После снятия поля упругие силы исчезают и электроны и ионы возращаются в прежнее положение.
При замедленных видах поляризации большую роль в изменении положения частиц играет температура, влияющая на интенсивность движения частиц.
Такие виды поляризации называют ориентационными ( релаксационными). Это дипольно-релаксационная, ионно-релаксационная, электронно- релаксационная, миграционная поляризация.
Электронная поляризация- это упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов(во внешнем поле).
Поляризуемость атома возрастает с увеличением диаметра электронных оболочек. При равных условиях поляризуемость отрицательных ионов выше поляризуемости положительных ионов.
Поляризуемость частиц не зависит от температуры т.к. α Ɛ=(1/ Ɛ)d Ɛ/Dt
Электронная поляризация. Принцип возникновения (картинка), время процесса, зависимость поляризованности от размеров атомов, температуры. Поглощение энергии поля. Виды веществ с данным механизмом поляризации.
Электронная поляризация - это смещение электронных орбит относительно положительно заряженного ядра. Она происходит во всех атомах любого вещества и, следовательно, во всех диэлектриках, независимо от наличия в них других видов поляризации.
Электронная поляризация устанавливается за очень короткое время после наложения электрического поля - порядка 10-14 - 10-15 с, что сравнимо с периодом световых колебаний. Поэтому электронная поляризация проявляется на всех частотах электрического поля, вплоть до оптических.
При увеличении размеров атома электронная поляризуемость увеличивается, так как при этом не только становится слабее связь электронов внешних оболочек с ядром атома и увеличивается смещение оболочки l, но и возрастает заряд ядра q. Диэлектрики, обладающие электронной поляризацией (неполярные и слабополярные), находящиеся в кристаллическом или амфотерном состоянии (сера) и неполярные и слабополярные жидкости и газы (бензол, водород)
Дипольно-релаксационная поляризация. Принцип возникновения (картинка), время процесса, зависимость поляризованности от размеров атомов, температуры. Поглощение энергии поля. Виды веществ с данным механизмом поляризации. Дипольно-радикальная поляризация у некоторых материалов.
Дипольно-релаксационная поляризация связана с ориентацией дипольных молекул, т.е. полярных молекул под действием электрического поля. Она возможна, если молекулярные силы не препятствуют ориентации диполей вдоль поля. Материалы с дипольно-релаксационной поляризацией характеризуются временем релаксации , которое фактически является временем саморазряда конденсатора.
Время релаксации – это время в течение, которого ориентация дипольных молекул после снятия электрического поля уменьшается в е раз, т.е. в 2,7 раза по сравнению с первоначальным значением .Время релаксации является внутренним параметром диэлектрика с дипольно-релаксационной поляризацией, которое существенно зависит от плотности вещества или вязкости вещества. При более высокой температуре вязкость вещества уменьшается и время релаксации уменьшается.
C увеличением температуры: с одной стороны молекулярные силы ослабевают и это усиливает поляризацию, а с другой стороны постепенно начинает нарастать тепловое хаотическое движение. Оно разрушает поляризацию.
.
Максимум для дипольно-релаксационной поляризации наблюдается тогда, когда время релаксации будет равно полупериоду действующего поля:
где
– частота изменения электрического
поля, Гц
ДРП протекаетзамедленно и связано с потерями энергии поля которое рассеивается в виде тепла.
Диэлектрики с электронной и дипольной релаксационной поляризацией (масляно-конибольные компалубы, эпоксидные смолы, целлюлоза).
Такую поляризацию называют дипольно-радикальной (например, в целлюлозе полярность объясняется наличием гидроксильных групп –ОН и кислорода). В кристаллах с молекулярной решеткой и слабыми ван-дер-ваальсовыми связями возможна ориентация и более крупных частиц.
о в этом случае поляризация обычно обусловлена уже поворотом не самой молекулы, а имеющихся в ней полярных радикалов по отношению к молекуле.
Ионно-релаксационная поляризация. Принцип возникновения (картинка), время процесса, зависимость поляризованности от размеров атомов, температуры. Поглощение энергии поля. Виды веществ с данным механизмом поляризации.
Ионно-релаксационная поляризация. Она встречается в неорганических стеклах и в некоторых ионных органических веществах с неполной упаковкой ионов. В этом случае слабосвязанные ионные вещества под воздействием внешнего электрического поля смещается в направлении электрического поля. После снятия электрического поля ионно-релаксационная поляризация ослабевает
Электронно-релаксационная поляризация. Принцип возникновения (картинка), время процесса, зависимость поляризованности от размеров атомов, температуры. Поглощение энергии поля. Виды веществ с данным механизмом поляризации.
Электронно-релаксационная поляризация. Возникает вследствие возбуждения тепловой энергии, избыточных электронов или дырок. Характерна для диэлектриков с высоким показателем преломления, с большим внутренним полем и электропроводностью.
Диэлектрики с электронной и дипольной релаксационной поляризацией (масляно-конибольные компалубы, эпоксидные смолы, целлюлоза).
Миграционная поляризация. Принцип возникновения (картинка), время процесса, зависимость поляризованности от размеров атомов, температуры. Поглощение энергии поля. Виды веществ с данным механизмом поляризации.
Миграционная поляризация наблюдается в некоторых диэлектриках и системах изоляции, в частности в неоднородных диэлектриках, особенно с полупроводящими включениями. Этот вид поляризации заключается в перемещении (миграции) зарядов в этих включениях до их границ и накопления зарядов на границах раздела.
Процессы установления и снятия миграционной поляризации сравнительно медленные - секунды, минуты, часы. Поэтому миграционная поляризация обычно наблюдается лишь при весьма низких частотах.
При воздействии поля свободные электроны и ионы в пределах своих включений перемещаются на их границы создавая свои макродиполи.
Миграционная (межслоевая) поляризация
Миграционная поляризация является дополнительным механизмом поляризации, проявляющимся в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях и наличии примесей.
Эта поляризация отключается при наиболее низких частотах и связана со значительным рассеянием электрической энергии. Причинами возникновения такой поляризации являются проводящие и полупроводящие включения в технических диэлектриках, наличие слоев с различной проводимостью.
Физической основой миграционной поляризации является перемещение слабосвязанных ионов в объеме диэлектрика на значительное расстояние, соизмеримое с толщиной всего диэлектрика. Эти перемещения приводят к образованию пространственных зарядов на границах раздела диэлектрика, поэтому эта поляризация называется межслоевой. Время на такие перемещения велико, поэтому идет запаздывание (релаксация). И так же, как и ионно-релаксационная, дипольно-релаксационная поляризация происходит с выделением тепла.
В общем виде процесс миграционной поляризации аналогичен ионно-релаксационной поляризации, с тем отличием, что перемещение зарядов происходит на значительно большие расстояния.
Резонансная поляризация. Принцип возникновения (картинка), время процесса, зависимость поляризованности от размеров атомов, температуры. Поглощение энергии поля. Виды веществ с данным механизмом поляризации.
Для всех диэлектриков. Частота поля равна собственной частоте колебаний ионов. Резонансная поляризация. Встречается в диэлектриках при световых частотах. Зависит от физико-химических особенностей вещества. Может относится к собственной частоте ионов или электронов (при очень высоких частотах) или к характеристической частоте электронов (при более низких частотах).
Особенности: по мере приближения к резонансной частоте резко возрастает поглощение энергии.
В ионных кристаллах резонансная поляризация наступает в частотах соответствует инфракрасному диапазону.
Доменная поляризация. Принцип возникновения (картинка), время процесса, зависимость поляризованности от размеров атомов, температуры. Поглощение энергии поля. Виды веществ с данным механизмом поляризации.
Существует только в сегнетоэлектриках, связана с перестройкой их доменной структурой под действием поля.
Особенности:-существование температурного порога,- наличие электр. Гистерезиса, где S петли характеризуют потери энергии на переполяризацию, -наблюдается на низких частотах поля, т.к домены очень медленно зарождаются и смещаются.