|
|
ЛР №2. Липецкий государственный технический университет
Ф
1590
ЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
"ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
Кафедра электрооборудования
А.Н. Шпиганович, К.Д. Захаров
Исследование свойств проводниковых
материалов
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторной работе № 2 по дисциплине
"Материаловедение. Технология конструкционных материалов"
для студентов специальности 140610
"Электрооборудование и электрохозяйство предприятий,
организаций и учреждений"
Липецк 2007
УДК 620.22 (07)
Ш 835
Шпиганович А.Н. Исследование свойств проводниковых материалов [Текст]: методические указания к лабораторной работе №2 по дисциплине "Материаловедение. Технология конструкционных материалов"/А.Н. Шпиганович, К.Д. Захаров. – Липецк: ЛГТУ, 2007. – 20 с.
Методические указания предназначены для студентов 3 курса очной и 4 курса очно–заочной и заочной форм обучения специальности 140610 "Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений"
Табл. 2. Ил. 2. Библиогр.: 7 назв.
Рецензент Е.П. Зацепин, канд. техн. наук, доцент
© А.Н. Шпиганович, К.Д. Захаров, 2007
© ГОУ ВПО "Липецкий государственный
технический университет, 2007
Исследование свойств проводниковых материалов
Цель работы: изучить и проанализировать свойства проводникового материала. Рассмотреть вопросы об его получении и применении в электротехнической промышленности и электроустановках.
1. Исходные данные и порядок выполнения работы
1.1. Исходные данные для выполнения работы. Наименование проводникового материала (номер варианта) получить у преподавателя.
1.2. Порядок выполнения работы. Лабораторная работа должна включать следующие основные разделы:
– получение данного проводникового материала, включая добычу, производство как самого материала, так и заготовок из него. Изложение основных особенностей технологии производства данного материала;
– рассмотрение основных характеристик служащих для оценки пригодности данного проводникового материала для его использования в электротехнике;
– применение данного материала в электротехнике (электротехнических изделиях, электроустановках), включая примеры.
2. Порядок сдачи–приёмки лабораторной работы
2.1. Студент обязан получить задание на лабораторную работу в сроки в соответствии с программой по данной дисциплине.
2.2. Работа должна быть выполнена аккуратно согласно требованиям ГОСТ и действующим правилам оформления.
2.3. Лабораторная работа должна содержать все разделы, указанные в п. 1.2.
2.4. При сдаче лабораторной работы студент должен продемонстрировать знание её содержания, а также знания по разделу "Проводниковые материалы" данной дисциплины.
2.5. Оценка за лабораторную работу выставляется исходя из соответствия требованиям п.2.2–п.2.4.
3. Материал для самоподготовки
3.1. Классификация проводниковых материалов
По агрегатному состоянию проводниковые материалы разделяют на газообразные, жидкие и твердые. К газообразным проводниковым материалам относят все газы и пары, в том числе и пары металлов. При достаточно малых значениях напряженности электрического поля Е они являются диэлектриками и обладают очень высоким удельным электрическим сопротивлением ρ. Однако при напряженности электрического поля, которое обеспечивает начало ионизации, газ может стать проводником, в котором перенос электрических зарядов осуществляется электронами и ионами. Если в единице объема сильно ионизированного газа наступает равенство между числом электронов и положительных ионов, то такой газ представляет собой особую проводящую среду, называемую плазмой. Проводимость газов и паров используют в различных газоразрядных приборах.
К жидким проводникам относят расплавы металлов и растворы (в частности, водные) и расплавы солей, кислот и других веществ с ионным строением молекул. Механизм прохождения электрического тока через твердые и жидкие металлы обусловлен направленным движением свободных электронов под воздействием электрического тока, который создается приложенным извне напряжением. Поэтому твердые и жидкие металлы называют проводниками с электронной (металлической) электропроводностью или проводниками первого рода. Растворы и расплавы солей, кислот и щелочей, проводящие электрический ток, называют электролитами или проводниками второго рода. При прохождении электрического тока через электролит, в который погружены электроды, электрические заряды переносятся вместе с частицами молекул (ионами) электролита. На электродах происходит выделение веществ из раствора. Большинство металлов имеют высокую температуру плавления. Только ртуть и некоторые специальные сплавы (например, сплавы системы индий – галлий) могут быть использованы в качестве жидких проводников при нормальной температуре. Электролиты используют в технологии изготовления различных элементов радиоэлектронных устройств.
К твердым проводникам относят металлы и сплавы. В Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева 75% элементов – металлы. В твердом состоянии металлы имеют кристаллическую структуру, для которой характерен особый вид металлической связи между атомами. При прохождении электрического тока через контакт различных металлов не происходит переноса вещества одного металла в другой, как это имеет место при прохождении тока в электролитах, поскольку перенос электрических зарядов осуществляется только электронами.
По характеру применения в радиоэлектронных приборах металлические материалы разделяют на материалы высокой проводимости (удельное электрическое сопротивление ρ≥0,3 мкОм·м). Материалы с высокой проводимостью (железо, медь, алюминий, золото, серебро и др.) используют как основу в контактных материалах и припоях, для изготовления проводов, микропроводов, проводящих покрытий и пленок, различных токопроводящих деталей.
Материалы с высоким сопротивлением используют в качестве резистивных материалов и материалов для термопар. Наиболее известные сплавы с высоким сопротивлением: медно-марганцевые (манганиты), медно – никелевые (константаны), сплавы железа, никеля и хрома (нихромы). Материалы, обладающие ничтожно малым удельным электрическим сопротивлением ρ при очень низких температурах называются сверхпроводниками. Свойством сверхпроводимости обладают ртуть, алюминий, свинец, ниобий, соединения ниобия с оловом, титаном и др.
3.2. Основные свойства и характеристики проводников
3.2.1. Механические свойства. К механическим свойствам относят твердость, упругость, вязкость, пластичность, линейное расширение, хрупкость, прочность, усталость.
Твердость – это способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела. Существуют различные методы определения твердости: вдавливание, царапанье, упругая отдача. Наибольшее распространение получил метод вдавливания в материал стального шарика (твердость по Бриннелю), вдавливания конуса (по Роквеллу), вдавливания пирамиды (по Виккерсу).
Упругость – это свойство материала восстанавливать свою форму и объем после прекращения действия внешних сил, которые вызывают их изменение.
Вязкость – это способность материала оказывать сопротивление динамическим (быстровозрастающим) нагрузкам. Вязкость оценивают с помощью прибора, который называется маятниковым копром.
Ударная вязкость – это способность материала оказывать сопротивление ударным нагрузкам. Испытаниям на ударную вязкость подвергают те материалы, из которых изготавливают сталь, применяемую в условиях ударных нагрузок. Для проведения такого испытания берут стандартный образец, на котором делают надрез. Испытания образцов проводят на специальных установках – копрах маятникового типа.
Пластичность – это свойство материала деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия этих сил. Для количественной оценки пластичности электрорадиоматериалов используют относительное удлинение образца при разрыве Δl/l и относительное сужение площади поперечного сечения образца Δs/s.
Для проводников, используемых в электровакуумных приборах, важной механической характеристикой материала является температурный коэффициент линейного расширения ТКl, который позволяет определять изменения любых геометрических размеров изделий (длины, ширины, толщины) при нагревании. Однако наиболее легко изменение размеров изделия при нагревании фиксируются по максимальному размеру длины. Значение TKl твердых металлов возрастает при повышении температуры и приближении ее к температуре плавления. Минимальные значения TKl характерны для тугоплавких металлов, которые используют для вакуум-плотных спаев со стеклом, керамикой и другими диэлектрическими материалами.
Хрупкость – это способность материалов разрушаться при приложении резкого динамического усилия. У таких хрупких материалов явление пластической деформации не наблюдается, т.е. разрушение образца происходит при равенстве предела текучести σt и предела прочности при растяжении σр. Значения относительного удлинения и относительного сужения для хрупких материалов близки к нулю. К хрупким материалам относят стекло, керамику, фарфор, хром, марганец, кобальт, вольфрам.
Прочность – это способность материала сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь. Прочность определяют с помощью статического воздействия на материал на специальных испытательных установках, называемых разрывными машинами. Для испытания на растяжение изготавливают образцы в виде круглых стержней или пластин строго установленных размеров. Образцы закрепляют в зажимах разрывной машины и прикладывают к ним растягивающую нагрузку.
Усталость – это разрушение материала под действием небольших повторных или знакопеременных нагрузок (вибраций). Такие нагрузки испытывают, например, контакты, пружины. Под действием многократных повторно-переменных (изменяющихся только по значению) и знакопеременных нагрузок (сжатие и растяжение) металл разрушается при напряжениях, значительно меньших чем предел прочности, т.е. наступает усталость. Свойство металла выдерживать, не разрушаясь, большое число повторных или знакопеременных напряжений называется выносливостью.
3.2.2. Физико-химические свойства. К физико-химическим свойствам относят цвет, плотность, температуру плавления, теплопроводность, тепловое расширение, электропроводность, магнитные свойства, поглощение газов, коррозионную стойкость и др. Физико-химические свойства оценивают удельным электрическим сопротивлением ρ, удельной электрической проводимостью γ, температурным коэффициентом удельного электрического сопротивления TKρ и коэффициентом теплопроводности.
По плотности металлы разделяются на легкие и тяжелые. К легким относят те металлы, плотность которых меньше 5 Мг/м3. Одним из наиболее легких металлов считается натрий, плотность которого меньше плотности воды. К тяжелым относят подавляющее большинство металлов, используемых в технике (железо, медь, никель, олово и др.). Удельное электрическое сопротивление для образцов правильной формы:
 , (3.1)
где R – сопротивление образца, Ом; S – площадь поперечного сечения образца, м2; l – длина образца, м.
Величину ρ измеряют в омах на метр (Ом·м), однако для практических целей 1 Ом·м слишком большое значение, поэтому этот параметр чаще всего выражают в более мелких единицах, например в микроомах на метр. Диапазон значений ρ металлических проводников (при нормальной температуре) от 0,016 для серебра до 10 мкОм·м для некоторых сплавов. Значения ρ металлов в нормальных условиях отличаются друг от друга примерно в 100 раз. Сопротивление проводников Rs на высоких частотах существенно больше их сопротивления на постоянном токе вследствие того, что высокочастотное поле проникает в проводник на небольшую глубину. Чем выше частота поля, тем на меньшую глубину оно проникает в проводник. Это явление получило название поверхностного эффекта. За глубину проникновения тока в проводник на данной частоте условно принимают глубину, на которой плотность тока уменьшается в 2,7 раза по сравнению с ее значением на поверхности проводника. Величину, обратную удельному электрическому сопротивлению ρ, называют удельной электрической проводимостью (См/м):
γ=1/ρ. (3.2)
Удельное электрическое сопротивление металлов зависит от температуры. Эта зависимость определяется температурным коэффициентом удельного электрического сопротивления (1/град), который при данной температуре вычисляется по формуле:
 , (3.3)
где Δρ – элементарное приращение сопротивление проводника, соответствующее элементарному приращению температуры ΔT.
Для чистых металлов в твердом состоянии TKρ должен быть близок к температурному коэффициенту объема идеальных газов, т.е. 1/273=0,00367 К-1. При фазовом переходе из одного агрегатного состояния в другое удельное электрическое сопротивление металлов изменяется скачкообразно. Однако у металлов, плотность которых при плавлении уменьшается (висмут, сурьма и галлий), удельное электрическое сопротивление при плавлении снижается. Средний температурный коэффициент удельного электрического сопротивления металлов (1/град) в диапазоне температур:
 , (3.4)
где ρ0, ρт – значения ρ, соответствующие температурам T0 и Т.
Если через пластину площадью S и толщиной Δl за время t проходит тепловой поток энергией θ, то между поверхностями противоположных граней создается разность температур ΔT, связанная с θ соотношением:
 . (3.5)
Параметр λ называют коэффициентом теплопроводности. Коэффициент теплопроводности проводников прямо пропорционален их удельной проводимости. Чем выше электропроводность металла, тем больше его теплопроводность. Поэтому теплоотводящие устройства, например мощных резисторов, полупроводниковых приборов, изготавливают из металлов с высокой электропроводностью (медь, алюминий и сплавы на их основе). К технологическим свойствам относятся ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием, жидкотекучесть, усадка и др. Технологические свойства определяются комплексом физико-химических свойств материала. Для определения свойств материала проводят соответствующие лабораторные испытания.
3.3. Материалы высокой проводимости
К этой группе относятся серебро, медь, алюминий.
Серебро - один из наиболее дефицитных матералов, достаточно широко применяемый в электротехнике и электронике для высокочастотных кабелей, защиты медных проводников от окисления, для электродов некоторых типов керамических и слюдяных конденсаторов в электрических контактах, где оно используется в сплавах с медью, никелем или кадмием, в припоях ПСр-10, ПСр-25 и др. Серебро марки Ср999-999.9 должно иметь примесей не более 0.1%. Удельное электрическое сопротивление r=0.015 мкОм . м. Механические характеристики серебра невысоки: твердость по Бринеллю – 25 (немного более золота), предел прочности при разрыве не более 200МПа, относительное удлинение при разрыве 50%. По сравнению с золотом и платиной имеет пониженную химическую стойкость. Часто применение серебра ограничивается его способностью диффундировать в материалы подложки.
Медь – наиболее широко применяется в качестве проводникового материала: в производстве обмоточных и монтажных проводов и кабелей (мягкая отожженная медь марки ММ) в производстве волноводов и т.д.; при изготовлении контактных проводов, шин распределительных устройств, коллекторных пластин электрических машин (медь твердая марки МТ – имеет меньшую проводимость и относительное удлинение перед разрывом, но большую механическую прочность, чем отожженная медь марки ММ).
Наиболее нежелательными примесями в меди являются висмут и свинец, сера, кислород. Наиболее чистые сорта проводниковой меди марок МООК (катодная) и МООБ (бескислородная), содержат примесей не более 0.001%. В производстве проводниковых изделий применяют марки меди с содержанием примесей не более 0.05 - 0.1%, для проводов очень малого диаметра (0.01 мм) и проводов, работающих при температурах выше 300оС, применяют проволоку из бескислородной меди.
Алюминий - в 3.3 раза легче меди, имеет сравнительно большую проводимость (для АМ r=0.028 мкОм . м) и стойкость к атмосферной коррозии за счет защитной пленки оксида Al2O3 . Алюминий мягкий имеет прочность на разрыв 80, твердый 160 - 170 МПа. По сравнению с медью имеет больший температурный коэффициент линейного расширения (26 . 10-6 1/оС), что является недостатком. В местах контакта алюминиевого провода с проводами из других металлов во влажной среде возникает гальваническая пара, поэтому незащищенная лаками или другими способами алюминиевая проволока разрушается коррозией. Из алюминия особой чистоты с содержанием примесей не более 0.005% изготовляют электроды алюминиевых конденсаторов и алюминиевую фольгу. Из алюминия, содержащего примесей не более 0.3 - 0.5% (марки А7Е и А5Е), изготовляют проволоку и шины. Для жил кабелей может использоваться алюминий с уменьшенным содержанием примесей - марки А75К, А8К, А8КУ. Алюминиевые провода можно соединять друг с другом холодной или горячей сваркой, а также пайкой с применением специальных флюсов и припоев. Из алюминиевых сплавов наиболее широко используется альдрей, высокие механические свойства которого достигаются за счет наличия в его составе соединения Mg2Si (сплав содержит 98% чистого алюминия). Его бр=350 МПа, r=0.0317 мкОм . м.
В линиях электропередачи широко применяют сталеалюминевый провод – стальные жилы, обвитые алюминиевой проволокой. Для сталеалюминевого провода воздушных линий используется особо прочная стальная проволока с бр=1200 – 1500 МПа, покрытая цинком для защиты от коррозии в условиях повышенной влажности.
Бронзы – сплавы меди с оловом (оловянные), алюминием (алюминиевые), бериллием (бериллиевые) и др. легирующими элементами. По электропроводности уступают меди, но превосходят ее по механической прочности, упругости, сопротивлению истиранию и коррозионной стойкости. Применяются для изготовления пружинящих контактов электрических приборов, контактов токоведущих пружин, проводов линий электрического транспорта, пластин коллекторов электрических машин. Бронзовые детали для упрочнения подвергаются термической обработке – закалке и отпуску при повышенных температурах. Предел прочности на растяжение бронз может быть 800 - 1200 МПа и более, в то время как проводимость твердых бронз может составлять 10 - 30% от проводимости чистой меди. Пример некоторых марок бронз:
– БрО10 (10% олова, остальное медь);
– БрА7 (6 - 8% алюминия, остальное медь).
Сталь (железо с содержанием углерода 0.1 - 0.15%) как проводниковый материал используется в виде шин, рельсов трамваев, электрических железных дорог и пр. Удельная проводимость стали в 6 – 7 раз меньше, чем у меди, бр= 700 – 750 МПа, относительное удлинение перед разрывом 5 – 8%. На переменном токе в стали проявляется поверхностный эффект и появляются потери мощности на гистерезис. Такая сталь может использоваться для проводов воздушных линий электропередач, если передаются небольшие мощности и основную роль играет не удельное сопротивление провода, а его механическая прочность.
3.4. Сплавы высокого сопротивления для резисторов измерительных приборов
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-ЭДС в паре с медью (1–2 мкВ/К ), удельное сопротивление 0.42 – 0.48 мкОм . м, бр= 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, TKρ =(5 – 25) . 10-6К-1, бр= 400 – 500 МПа, относительное удлинение перед разрывом 20 – 40%. Термо-ЭДС 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.
Жаростойкие сплавы – это сплавы на основе никеля, хрома и других компонентов. Устойчивость этих сплавов к высоким температурам объясняется наличием на их поверхности оксидов хрома Cr2O3 и закиси никеля NiO . Сплавы системы Fe–Ni–Cr называются нихромами, на основе никеля, хрома и алюминия фехралями и хромалями. В марках сплавов буквы обозначают: Х – хром, Н – никель, Ю – алюминий, Т – титан. Цифра, следующая за буквой, означает среднее процентное содержание этого металла. Основная область применения этих сплавов - электронагревательные приборы, реостаты, резисторы. Для электротермической техники и электрических печей большой мощности используют обычно более дешевые, чем нихром, фехраль и хромаль сплавы.
3.5. Контактные материалы
Для разрывных контактов в слаботочных контактах, кроме чистых тугоплавких металлов вольфрама и молибдена применяют платину, золото, серебро, сплавы на их основе и металлокерамические композиции, например, Ag – CdO. Сильноточные разрывные контакты обычно изготовляют из металлокерамических материалов и композиций, например, серебро – никель, серебро – графит, медь – вольфрам – никель и др. Для скользящих контактов часто используют контактные пары из металлического и графитсодержащего материалов, а также проводниковые бронзы, латуни (сплавы меди и цинка), твердую медь и медь, легированную серебром (для коллекторных пластин) и др. материалы.
3.6. Сверхпроводники и криопроводники
3.6.1. Сверхпроводники. С понижением температуры наблюдается монотонное падение электросопротивления. Вблизи абсолютного нуля у многих металлов и сплавов происходит резкое падение электросопротивления, и они становятся сверхпроводниками. Сверхпроводимость – способность материалов не оказывать сопротивления электрическому току при температурах ниже характерной для них критической температуры Tк. Впервые сверхпроводимость обнаружил в 1911 г. голландский ученый Гейке Камерлинг-Оннес, который наблюдал скачкообразное исчезновение сопротивления ртути до неизмеримо малой величины при температуре 4,2 К. К настоящему времени сверхпроводимость обнаружена у большинства чистых металлов, причем сверхпроводящее состояние легче всего возникает в металлах с низкой обычной проводимостью. Открыто и изучено около трех тысяч сверхпроводящих сплавов и интерметаллических соединений, и их число непрерывно растет. Чистые металлы принято относить к сверхпроводникам первого рода, а сплавы и соединения – к сверхпроводникам второго рода. Напряженность магнитного поля в объеме сверхпроводников при температурах ниже критической равна нулю. Металл становится диамагнетиком – материалом, приобретающим во внешнем магнитном поле магнитный момент, направленный против намагничивающего поля. Поэтому при переходе материала в сверхпроводящее состояние внешнее магнитное поле “выталкивается” из его объема и остается лишь в тонком поверхностном слое толщиной около 10-5 мм. Это явление называется эффектом Мейснера.
Перевод материала в сверхпроводящее состояние связан с фазовым переходом. Новое фазовое состояние характеризуется тем, что свободные электроны перестают взаимодействовать с ионами кристаллической решетки и вступают во взаимодействие между собой. Электроны с противоположными спинами объединяются в пары, и результирующий спиновый момент становится равным нулю. Электронные пары называют куперовскими по имени Леона Купера, впервые показавшего, что сверхпроводимость в металлах связана с их образованием. В обычном, неспаренном состоянии электроны рассеиваются на примесях, имеющихся в металле, или на тепловых колебаниях кристаллической решетки – фотонах. Рассеивание электронов приводит к возникновению электрического сопротивления. Куперовские пары не рассеиваются, так как энергия фотонов, которую пара может получить от взаимодействия с ними или дефектами решетки при криогенных температурах, слишком мала. Не испытывая рассеяния, куперовские пары движутся сквозь решетку кристалла без сопротивления, что и приводит к явлению сверхпроводимости. Сверхпроводящее состояние может быть разрушено как при нагреве материала до температуры выше критической, так и в результате воздействия сильных внешних магнитных полей с напряженностью Нк, превышающей критическое значение. Критическое магнитное поле подобно критической температуре является основной характеристикой сверхпроводящего материала. При превышении Тк или Нк происходит скачкообразное восстановление электросопротивления, и магнитное поле проникает в металл. Одним из главных преимуществ сверхпроводников является возможность достижения высоких плотностей тока. Чем выше плотность тока, тем компактнее приборы, меньше расход дорогостоящих сверхпроводящих материалов и меньше масса, которую необходимо охлаждать. Высокая плотность тока позволяет снизить капитальные и эксплуатационные расходы установок на сверхпроводниках. Свойства некоторых сверхпроводниковых материалов приведены в табл.3.1.
Таблица 3.1.Основные свойства некоторых сверхпроводниковых материалов
Параметр
|
Мягкие
сверхпроводники
|
Твердые
сверхпроводники
|
Al
|
Hg
|
Pb
|
Nb
|
44%Nb+56%Ti
|
50%Nb+50%Zr
|
V3Ca
|
Nb3Sn
|
Наибольшее значение:
температуры
перехода Ткр0, К
магнитной индукции Вкр0, Тл
|
1,2
0,010
|
4,2
0,04
|
7,2
0,080
|
7,4
0,195
|
8,7
12
|
9,5
11
|
4
50
|
18
22
|
3.6.2. Криопроводники. Некоторые металлы могут достигать при низких температурах весьма малого значения удельного электрического сопротивления ρ, которое в сотни и тысячи раз меньше, чем удельное электрическое сопротивление при нормальной температуре. Материалы, обладающие такими свойствами, называют криопроводниками (гиперпроводниками). Физическое явление криопроводимости не сходно с явлением сверхпроводимости. Плотность тока в криопроводниках при рабочих температурах в тысячи раз превышает плотность тока в них при нормальной температуре, что определяет их использование в сильноточных электротехнических устройствах, к которым предъявляются высокие требования по надежности и взрывобезопасности. Применение криопроводников в электрических машинах, кабелях и т.п. имеет существенное преимущество по сравнению со сверхпроводниками. Если в сверхпроводниковых устройствах в качестве охлаждающего агента применяют жидкий гелий, работа криопроводников обеспечивается благодаря более высококипящим и дешевым хладагентам – жидкому водороду или даже жидкому азоту. Это упрощает и удешевляет производство и эксплуатацию устройства. Однако необходимо учитывать технические трудности, которые возникают при использовании жидкого водорода, образующего при определенном соотношении компонентов взрывоопасную смесь с воздухом. В качестве криопроводников используют медь, алюминий, серебро, золото.
3.7. Основные эффекты в проводниках и их применение
Сверхпроводимость. В 1911 г. при охлаждении кольца из замороженной ртути до температуры 4,2 К голландский ученый Г.Каммерлинг-Оннес обнаружил, что электрическое сопротивление ρ кольца внезапно падает до очень малого значения, которое невозможно измерить. Такое исчезновение электрического сопротивления, т.е. появление бесконечной удельной проводимости у материала, было названо сверхпроводимостью. Материалы, обладающие способностью переходить в сверхпроводящее состояние при их охлаждении до достаточно низкой температуры, стали называть сверхпроводниками. Критическая температура охлаждения, при которой происходит переход вещества в сверхпроводящее состояние, называют температурой сверхпроводимого перехода или критической температурой перехода Ткр. Переход в сверхпроводимое состояние является обратимым. При повышении температуры до Ткр материал возвращается в нормальное состояние.
Сверхпроводники используют при создании: электрических машин и трансформаторов малых массы и размеров с высоким коэффициентом полезного действия; кабельных линий для передачи энергии большой мощности и на большие расстояния; волноводов с особо малым затуханием; накопителей энергии и устройств памяти; магнитных линз электронных микроскопов; катушек индуктивности с печатным монтажом. На основе пленочных сверхпроводников создан ряд запоминающих устройств и элементов автоматики и вычислительной техники. Обмотки электромагнитов из сверхпроводников позволяют получить максимально возможные значения напряженности магнитного поля.
Эффект Мейснера. При переходе материала в сверхпроводящее состояние внешнее магнитное поле “выталкивается” их его объема и остается лишь в тонком поверхностном слое толщиной около 10-5 мм. Это явление называется эффектом Мейснера.
Термоэлектродвижущая сила (эффект Зеебека). Между двумя различными металлическими проводниками в месте их соединения возникает контактная разность потенциалов, обусловленная различием работы выхода электронов из разных металлов, неодинаковой концентрацией электронов и давлением электронного газа (рис. 3.1). Разность потенциалов U, появляющаяся на концах разомкнутой электрической цепи, состоящей из двух различных проводников, контакты которых находятся при различных температурах (Т1 и Т2) называется термоэлектродвижущей силой (эффект Зеебека)
|
U = λТ(Т2 - Т1),
где λТ - относительная дифференциальная (удельная) термо-ЭДС
П ричины возникновения термо-ЭДС:
– температурная зависимость контактной разности потенциалов;
– диффузия носителей заряда от горячих спаев к холодным;
– увлечение электронов фононами (квантами тепловой энергии).
3.8. Зависимость удельного электрического сопротивления металлов от температуры.
|
Характерными температурами являются:
– Тпл – температура плавления;
– ΘД– температура Дебая;
– Ткр – температура перехода в сверхпроводящее состояние.
|
У металлов, не обладающих сверхпроводимостью, при низких температурах из-за наличия примесей (рис. 3.2) наблюдается область 1 – область остаточного сопротивления, почти не зависящая от температуры. Остаточное сопротивление тем меньше, чем чище металл. Быстрый рост удельного сопротивления при низких температурах до температуры ΘД может быть объяснен возбуждением новых частот тепловых колебаний решетки, при которых происходит рассеяние носителей заряда - область 2. При Т > ΘД , когда спектр колебаний возбужден полностью, увеличение амплитуды колебаний с ростом температуры приводит к линейному росту сопротивления примерно до Тпл – область 3. При переходе в жидкое состояние у большинства металлов удельное сопротивление увеличивается в 1.5 – 2 раза (у висмута и галлия уменьшается).
Температурный коэффициент удельного электрического сопротивления определяется так:
Ткр=αρ =(1/ρ)(dρ/dТ) , K-1.
В справочниках часто приводится величина:
  = (1 / ρ ср)(ρ 2 - ρ 1 )/( T2 -T1).
В области линейной зависимости ρ (T) можно пользоваться выражением:
ρ = ρ о (1 +αρ( T - Tо )),
где ρ о и αρ удельное сопротивление и температурный коэффициент в начале температурного диапазона; ρ удельное сопротивление при температуре T.
3.9. Перспективы применения сверхпроводников
Сверхпроводящие магниты. С помощью обычного электромагнита, представляющего собой катушку из медного провода, размещенную на железном сердечнике, можно создавать поля до 2Тл, причем медные провода выдерживают плотность тока до 400А/см2. Сверхпроводники позволяют отказаться от железного сердечника за счет увеличения плотности тока до 100000А/см2. Такие плотности тока позволяют получать сплавы из ниобия-3 и олова и ниобия с титаном при температуре жидкого гелия (4К). Объемные образцы иттрий – барий – оксид меди выдерживают плотность тока до 4000А/см2 при температуре жидкого азота (77К) в поле 1Тл. В отсутствие магнитного поля плотность тока может достигать 17000А/см2.
Генераторы и линии электропередач. Сверхпроводящие магниты могут повысить КПД генераторов большой мощности до 99.5%, хотя у обычных генераторов он уже достигает 98.6%. Ежегодная экономия топлива составит 1%. Экономически рентабельными сверхпроводниковые линии электропередач могут стать только при передаче по ним большого количества энергии.
Аккумулирование электроэнергии. Сверхпроводящие накопители энергии с охлаждением жидким азотом обошлись бы на 3% дешевле, чем обычные, а общие капитальные затраты уменьшаются еще на 5%
Поезда на магнитной подушке - наиболее перспективное применеие сверхпроводников для скоростных поездов. Стоимость сооружения пути длиной 500км обойдется в 1.5 - 4.5 млрд долл. Стоимость самих поездов составит не более 10% от общей суммы затрат, а система охлаждения всего 1%.
Сверхнизкие температуры до 10-6К достигнуты в магнитных холодильниках при использовании магнитоэлектрического эффекта. Такие системы важны для космических и оборонных программ.
Компьютеры и сверхпроводники. В будущем может быть создан суперкомпьютер на ВТСП с быстродействием в 1000 раз больше, чем у компьютеров, проектируемых в настоящее время. Время переключения на переходах Джозефсона (два сверхпроводника, разделенных тонким слоем диэлектрика) составит не более 10-13с для Ткр=10К и 10-14с для материала с Ткр=100К.
СКВИДы (сверхпроводящий квантовый итерференционный детектор). С помощью СКВИДа можно измерять падение напряжения до 10-18В, токи 10-18А (несколько электронов в секунду) и магнитные поля меньшие 10-14Тл. Аналогов подобной чувствительности нет. Новые сверхпроводники позволяют регулировать частоты до 1012Гц (близко к квантовому пределу). Чувствительность обычных приборов не превышает 1010Гц. Применение СКВИДов - магнитоэнцефалография, элементы памяти. СКВИДы используются физиками для исследования кварков, магнитных монополей, гравитонов, геологами для поисков нефти, воды, минералов, разрабатываются детекторы для обнаружения подводных лодок.
Это материалы, удельное сопротивление которых достигает малых значений при криогенных температурах (ниже -173оС). Сверхпроводящее состояние в этих материалах не наблюдается. Наиболее широко в качестве криопроводников применяется чистая медь и алюминий (марки А999 с 0.001% примесей), берилий (0.1% примесей). При температуре жидкого гелия у алюминия А999 удельное электрическое сопротивление равно (1 - 2).10-6мкОм.м. Применяются криопроводники в основном для изготовления жил кабелей, проводов, работающих при температурах жидкого водорода (-252.6оС), неона (-245.7оС) и азота (-195.6оС).
4. Варианты заданий
Вариант задания студент получает из табл. 4.1 от преподавателя
Таблица 4.1. Варианты заданий
№
|
Наименование материала
|
№
|
Наименование материала
|
1
|
Железо
|
16
|
Тантал
|
2
|
Проводниковая сталь
|
17
|
Титан
|
3
|
Чугун
|
18
|
Ниобий
|
4
|
Медь
|
19
|
Цирконий
|
5
|
Алюминий
|
20
|
Ртуть
|
6
|
Серебро
|
21
|
Галлий
|
7
|
Золото
|
22
|
Индий
|
8
|
Платина
|
23
|
Олово
|
9
|
Бронзы
|
24
|
Кадмий
|
10
|
Латуни
|
25
|
Свинец
|
11
|
Палладий
|
26
|
Цинк
|
12
|
Плёночные резистивные
материалы
|
27
|
Материалы для слаботочных контактов
|
13
|
Проводниковые резистивные сплавы
|
28
|
Материалы для сильноточных контактов
|
14
|
Вольфрам
|
29
|
Материалы для скользящих контактов
|
15
|
Молибден
|
30
|
Материалы для замыкающих контактов
|
5. Контрольные вопросы
5.1. Приведите классификацию проводниковых материалов.
5.2. Перечислите основные механические свойства проводников.
5.3. Какие физико–химические свойства проводников Вы знаете?
5.4. Какие проводники относятся к материалам высокой проводимости?
5.5. Бронзы. Приведите основные свойства.
5.6. Основные свойства латуней.
5.7. Какие алюминиевые сплавы Вы знаете? Приведите их основные свойства.
5.8. Проводниковые резистивные материалы. Опишите их свойства и область применения.
5.9. Плёночные резистивные материалы. Опишите их свойства и область применения.
5.10. Благородные металлы. Опишите их свойства и область применения.
5.11. Тугоплавкие металлы. Опишите их свойства и область применения.
5.12. Сверхпроводники. Явление сверхпроводимости. Криопроводники.
5.13. Эффект Мейснера. В чём он заключается?
5.14. Термо–ЭДС? Объясните возникновение данного явления.
5.15.Что вы знаете о применении сверхпроводников и об их перспективах?
Библиографический список
1. Чередниченко, В.С. Материаловедение. Технология конструкционных материалов [Текст] / В.С. Чередниченко. – М.: Наука, 2006. – 752 с.
2. Богородицкий, Н.П., Пасынков, В.В., Тареев, Б.М. Электротехнические материалы [Текст] / Н.П.Богородицкий, В.В. Пасынков, Б.М. Тареев. – Ленинград: Энергоатомиздат, 1985. – 304 с.
3. Арзамасов, Б.Н., Макарова, В.И., Мухин, Г.Г. и др. Материаловедение [Текст] / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г.Мухин. – М.: МГТУ имени Н.Э.Баумана. – 2002. – 648 с.
4. Солнцев, Ю.П., Пряхин, Е.И. Материаловедение [Текст] / Ю.П. Солнцев, Е.И. Пряхин. Санкт-Петербург: Химиздат, 2004. – 736 с.
5. Бородулин, В. Н. Электротехнические и конструкционные материалы [Текст]/ А. C. Воробьёв, И. П. Крючков, В. М. Матюнин, – М. : Мастерство: Высшая школа, 2000. – 280 c.
6. Корицкий, Ю.В. Электротехнические материалы [Текст]/ Ю.В. Корицкий – М. : «Энергия», 1976. – 320 с.
7. Журавлёва, Л. В. Электроматериаловедение [Текст]/ Л.В. Журавлёва – М. : «Академия», 2000. – 312 с.
Александр Николаевич Шпиганович
Кирилл Дмитриевич Захаров
Исследование свойств проводниковых материалов
Методические указания к лабораторной работе №2 по дисциплине
"Материаловедение. Технология конструкционных материалов"
Издаётся в авторской редакции
Подписано в печать Формат 60х84 1/16 Бумага офсетная.
Ризография. Печ. л. 1,2 Тираж 100 экз. Заказ №
Липецкий государственный технический университет
398600 Липецк, ул. Московская, 30
Типография ЛГТУ, 398600 Липецк, ул. Московская, 30
|
|
|
Скачать 178 Kb.