|
|
Контрольная - Проводниковые материалы. 1 Общая характеристика и классификация 4
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 3
1 Общая характеристика и классификация 4
1.1 Области использования проводниковых материалов как электротехнических материалов 5
1.2 Механические свойства проводниковых материалов 5
1.3 Тепловые свойства металлических проводниковых материалов 7
2 Электропроводность проводниковых материалов 9
2.1 Факторы, влияющие на электропроводность твёрдых проводников 10
3 Строение проводников с позиций зонной теории 11
Заключение 14
Список использованных источников 15
ВВЕДЕНИЕ
В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы. Важнейшими практически применяемыми в электротехнике твердыми проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы.
Из металлических проводниковых материалов могут быть выделены металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление r при нормальной температуре не более 0,05 мкОм×м, и сплавы высокого сопротивления, имеющие r при нормальной температуре не менее 0,3 мкОм×м. Металлы высокой проводимости используются для проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов и т. п. Металлы и сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления резисторов, электронагревательных приборов, нитей ламп накаливания и т. п.
К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Для большинства металлов температура плавления высока; только ртуть, имеющая температуру плавления около минус 39°С, может быть использована в качестве жидкого металлического проводника при нормальной температуре. Другие металлы являются жидкими проводниками при повышенных температурах.
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 электропроводностью.
Целью данной контрольной работы является рассмотрение проводниковых материалов
Постановка данной цели обусловила необходимость решения следующих задач:
- Рассмотреть общую характеристику и классификацию проводниковых материалов;
- Рассмотреть области использования проводниковых материалов как электротехнических материалов ;
- Рассмотреть механические свойства проводниковых материалов;
- Рассмотреть тепловые свойства металлических проводниковых материалов;
- Рассмотреть электропроводность проводниковых материалов;
- Рассмотреть факторы, влияющие на электропроводность твёрдых проводников;
- Рассмотреть строение проводников с позиций зонной теории.
1 Общая характеристика и классификация
Проводниковые материалы (проводники) - вещества, имеющие низкое удельное сопротивление (<10-5 Ом•м) благодаря наличию большого количества свободных носителей заряда.
К проводниковым материалам относятся:
Ø металлы и их сплавы;
Ø расплавленные металлы;
Ø электролиты;
Ø сверхпроводники;
Ø криопроводники.
Среди наиболее распространённых твёрдых проводников известны металлы, полуметаллы, углерод (в виде угля и графита). Пример проводящих жидкостей при нормальных условиях - ртуть, электролиты, при высоких температурах - расплавы металлов. Пример проводящих газов - ионизированный газ (плазма). Некоторые вещества, при нормальных условиях являющиеся изоляторами, при внешних воздействиях могут переходить в проводящее состояние, а именно проводимость полупроводников может сильно варьироваться при изменении температуры, освещённости, легировании.
Классификация проводниковых материалов
Проводники бывают первого и второго рода. К проводникам первого рода относят те проводники, в которых имеется электронная проводимость (посредством движения электронов). К проводникам второго рода относят проводники с ионной проводимостью (электролиты).
1.1 Области использования проводниковых материалов как электротехнических материалов
Проводниковые материалы находят применение в качестве проводов и жил кабелей, термоэлементов, припоев, предохранителей, нагревателей, для изготовления резисторов.
С точки зрения использования проводниковых материалов в электротехнике и радиоэлектронике их главными свойствами являются:
ü удельная проводимость, или обратная ей величина - удельное сопротивление;
ü зависимость удельной проводимости или сопротивления от температуры;
ü коэффициент теплопроводности;
ü механическая прочность при растяжении, сжатии, изгибе, сдвиге, кручении и др. нагрузках.
1.2 Механические свойства проводниковых материалов
Механические свойства - это комплекс свойств, отражающих способность материала противодействовать деформации под действием приложенных сил.
Деформация - это изменение формы и размера изделия. Она бывает растягивающей, сжимающей и сдвиговой.
Механические свойства в основном отражают способность материала сопротивляться пластической деформации и характеризуют его поведение в ходе её развития.
К механическим свойствам относят: твердость, прочность, пластичность и ударную вязкость.
Свойство материала противостоять деформации при локальном контакте называется твердостью.
Замер твердости производится при помощи специальных приборов твердомеров.
Существует множество шкал твердости. Например шкала Мооса. Она применяется в основном для минералов. По ней выбраны десять материалов, каждый из ряда царапает все нижележащие и царапается вышележащими. Наибольшую твердость имеет алмаз, затем идет корунд и т.д. Нефрит имеет пятую позицию, сталь, в зависимости от закалки и типа - пятую или шестую. Известняк - третью.
Другие шкалы: Бринелля, Роквелла, Виккерса и т.д. основаны на вдавливании в материал шарика или алмазной призмы и измерении размеров полученной ямки. Далее по специальным таблицам определяют соответствующую твердость.
Бринелль (шарик), Роквелл (алмазный конус, может быть и шарик), Виккерс (четырехгранная пирамидка)
Прочность характеризует сопротивление материала пластической деформации под действием приложенной силы.
Характеристиками прочности являются условные числа - пределы, находимые при механических испытаниях.
Предел прочности или временное сопротивление sв - напряжение, соответствующее максимальной нагрузке.
Предел упругости (s0.05) - напряжение, при котором остаточная деформация не превышает 0.05%.
Предел текучести (s0.2) - напряжение, при котором происходит удлинение до 0.2% без увеличения нагрузки.
Пластичностьюназывается способность материала к пластической деформации. Ее характеристиками являются относительное удлинение δ (%) и относительное сужение Ψ (%), которые вычисляются по формулам:
Ударная вязкость материала показывает его способность сопротивляться разрушению при ударном приложении нагрузки. Она оценивается по результатам ударного разрушения на маятниковом копре специального брусчатого образца с надрезом. При этом ударная вязкость KCU вычисляется как результат деления затраченной на разрушение образца работы А на его рабочее сечение F: KCU = A/F
1.3 Тепловые свойства металлических проводниковых материалов
При повышении температуры, когда подвижность μ электронов в металле и соответственно его удельная проводимость γ уменьшаются, отношение коэффициента теплопроводности λт металла к его удельной электрической проводимости λт/γ должно возрастать.
В 1853 г немецкими учёными Г.Видеманом (1826—1899) и Р.Францем (1827—1902) на основании экспериментальных данных было установлено, что для различных металлов при одинаковой температуре отношение λт/γ практически не изменяется. Пропорциональность этого отношения термодинамической температуре была установлена Лоренцом в 1882 г.
Закон Видемана-Франца-Лоренца: λт/γ=L0T,
где L0 = 2,45 ·10-8 В2/К2 число Лоренца
Оценивается с помощью температурного коэффициента линейного расширения проводников:
Значение температурного коэффициента линейного расширения твердых металлов возрастает при повышении температуры и приближении к температуре плавления.
2 Электропроводность проводниковых материалов
Металлы и сплавы являются кристаллическими телами. Кристаллическое строение характеризуется закономерным (упорядоченным) расположением атомов в пространстве, связанных с соседними при помощи валентных электронов, которые могут перемещать. Если соединить атомы линиями, то получиться пространственная кристаллическая решётка.
Электроны в металле, при отсутствии внешнего электрического поля, совершают хаотическое движение, а ионы в узлах кристаллической решётки совершают тепловые колебания. Под действием внешнего электрического поля электроны приобретают направленное движение, причём энергия, которую электрическое поле затрачивает на перемещение электронов, переходит в запас самих электронов. Когда на пути электронов оказывается ион, происходит столкновение, это и есть сопротивление проводника. Во время столкновений электроны отдают энергию ионам и начинают новый разбег и т.д. Ион, получив от электрона энергию, начинает колебаться с большей амплитудой, поэтому увеличивается температура проводника.
Удельная проводимость металлов и сплавов
где q – заряд электрона;
n – число электронов в единице объёма;
µ – подвижность электрона;
λ – средняя длина свободного пробега электрона между двумя соударениями с узлами решётки;
m – масса электрона;
υт – средняя скорость теплового движения свободного электрона.
2.1 Факторы, влияющие на электропроводность твёрдых проводников.
При наличии примесей и дефектов кристаллической решётки сопротивление проводника увеличивается.
При деформации металла в холодном состоянии (в процессе протяжки или волочения) искажается кристаллическая решётка, и сопротивление проводника увеличивается. Устранить это явления можно с помощью отжига, в процессе которого металл сначала нагревают до высокой температуры, а затем медленно охлаждают. В результате происходит восстановление структуры.
При нагревании металла, энергия передаётся ионам в узлах кристаллической решётки, получив энергию, ионы начинают колебаться с большей амплитудой, что ведёт к увеличению количества столкновений электронов и ионов, и сопротивление проводника увеличивается.
При воздействии магнитного поля на проводник происходит искривление траектории движения электронов, и электропроводность проводника изменяется.
3 Строение проводников с позиций зонной теории
Зонная теория твердого тела - квантово механическая теория движения электронов в твёрдом теле.
В соответствии с квантовой механикой свободные электроны могут иметь любую энергию - их энергетический спектр непрерывен.
Электроны, принадлежащие изолированным атомам, имеют определённые дискретные значения энергии. В твёрдом теле энергетический спектр электронов существенно иной, он состоит из отдельных разрешённых энергетических зон, разделённых зонами запрещённых энергий.
В различных веществах, а также в различных формах одного и того же вещества, энергетические зоны располагаются по-разному. По взаимному расположению этих зон вещества делят на три большие группы :
Проводники - зона проводимости и валентная зона перекрываются, образуя одну зону, называемую зоной перекрытия, таким образом, электрон может свободно перемещаться между ними, получив любую допустимо малую энергию. Таким образом, при приложении к телу разности потенциалов, электроны свободно движутся из точки с меньшим потенциалом в точку с большим, образуя электрический ток. К проводникам относят все металлы;
полупроводники - зоны не перекрываются, и расстояние между ними (ширина запрещённой зоны) составляет менее 2.0 эВ. При абсолютном нуле температуры в зоне проводимости нет электронов, а валентная зона полностью заполнена электронами, которые не могут изменить своё квантомеханическое состояние, то есть не могут упорядоченно двигаться при приложении электрического поля. Поэтому при нулевой температуре собственные полупроводники не проводят электрический ток. При повышении температуры за счет теплового движения часть электронов, нарастающая при повышении температуры, «забрасывается» из валентной зоны в зону проводимости и собственный полупроводник становится электропроводным, причём его проводимость нарастает при увеличении температуры, так как растёт концентрация носителей заряда - электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. У полупроводников ширина запрещённой зоны относительно невелика, поэтому для перевода электронов из валентной зоны в зону проводимости требуется энергия меньшая, чем для диэлектрика, именно поэтому чистые (собственные, нелегированные) полупроводники обладают заметной проводимостью при ненулевой температуре;
диэлектрики - зоны как и у полупроводников не перекрываются, и расстояние между ними составляет, условно, более 2.0 эВ. Таким образом, для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия (температура), поэтому диэлектрики ток при невысоких температурах практически не проводят.
Разделение веществ на полупроводники и диэлектрики весьма условно, потому материалы с шириной запрещённой зоны более 3-4 эВ и менее 4-5 эВ иногда относят к широкозонным полупроводникам - материалам, совмещающим свойства и диэлектриков и полупроводников. К широкозонным полупроводникам относят алмаз (5-6 эВ), GaN (3,4 эВ), ZnS (3,56 эВ), ZnO (3,4 эВ). В то же время, к диэлектрикам обычно относят TiO2 (3,0 эВ), Та2О5 (4,4 эВ), Al2O3 (7 эВ), SiO2 (
9 эВ), HfO2 (
5,4 эВ) и мн. др. При достаточно высоких температурах все диэлектрики приобретают полупроводниковый механизм электропроводности. Отнесение вещества к тому или иному классу больше зависит от способа использования или предмета изучения вещества тем или иным автором. Иногда в классе полупроводников выделяют подкласс узкозонных полупроводников - с шириной запрещённой зоны менее 1 эВ.
Зонная теория является основой современной теории твёрдых тел. Она позволила понять природу и объяснить важнейшие свойства проводников, полупроводников и диэлектриков. Величина запрещённой зоны между зонами валентности и проводимости является ключевой величиной в зонной теории, она определяет оптические и электрические свойства материала.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При написании контрольной работы была изучена специальная литература, включающая в себя статьи и учебники по Электротехническому и конструкционному материаловедению, поставленная цель была достигнута, поставленные задачи выполнены. Описаны теоретические аспекты и раскрыта тема «Проводниковые материалы».
Полученные знания станут существенным подспорьем в понимании электроэнергетики и электротехники. В дальнейшем на производстве знания помогут в освоении профессии.
Список использованных источников
1. Черепахин А.А. "Электротехническое и конструкционное материаловедение, 2017г.
2. Электронный ресурс: https://studopedia.ru/3_89130_osnovnie-harakteristiki-i-svoystva-provodnikovih-materialov.html.
3. Электронный ресурс: https://studfiles.net/preview/5880260/page:5/.
4.Электронный ресурс :https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%82%D0%B5%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F.
|
|
|
Скачать 121.56 Kb.