Проводники. Классификация проводниковых материалов. Классификация проводниковых материалов

Классификация проводниковых материалов

1. По агрегатному состоянию.

   1. Газообразные.

Газы при низких значения напряжённости электрического поля не являются проводниками. При высоких значениях напряжённости электрического поля, начинается ударная ионизация – носители заряда электроны и ионы. При сильной ионизации и равенстве в единице объеме электронной и ионов – плазма.

Применение: газоразрядные приборы.

2. Жидкие.

а) Электролиты (водные растворы кислот, щёлочей, солей) – носители заряда ионы вещества, при этом состав электролита постепенно изменяется, и на электродах выделяются продукты электролиза.

Применение: электролитические конденсаторы, покрытие металлов слоем другого металла (гальваностегия), получение копий с предметов (гальванопластика), очистка металлов (рафинирование).

б) Расплавленные металлы (имеют высокую температуру, ртуть Hg tплавHg=-39 0С и галлий Ga tплавGa=29,7 0С) – носители заряда электроны.

Применение: в литейном производстве, ртутные лампы, галлий в полупроводниковой технике (легирующий элемент для германия), низкотемпературные припои.

3. Твёрдые.

Металлы и сплавы – носители заряда электроны.

Применение: токопроводящие части электрических машин, аппаратов и сетей.

2. По удельному электрическому сопротивлению.

   1. Высокой проводимости (ρ≤0,05 мкОм∙м).

а) Серебро Ag.

Применение: контакты, электроды конденсаторов, радиочастотные кабели.

б) Медь Cu.

Применение: жилы проводов и кабелей.

в) Золото Au.

Применение: контакты, электроды, фотоэлементы.

г) Алюминий Al.

Применение: провода для ЛЭП, жилы проводов и кабелей.

д) Железо Fe.

Применение: провода ЛЭП не большой мощности.

е) Металлический натрий Na.

Применение: провода и кабели в полиэтиленовой оболочке.

2. Высокого сопротивления (ρ≥0,3 мкОм∙м).

а) Манганин сплав Cu – Mn – Ni.

Применение: образцовые резисторы.

б) Константан сплав Cu – Ni – Mn.

Применение: реостаты и электронагревательные приборы.

в) Сплавы на основе железа (нихромы Fe – Ni – Cr, фехрали Fe – Cr – Al).

Применение: электронагревательные элементы.

3. Сверхпроводники (ρ=0) при температурах близких к абсолютному нулю по шкале Кельвина -273,15 0С.

Алюминий Al, олово Sn, свинец Pb.

4. Криопроводники (ρ≈0) при температурах ниже -173 0С, но не переходя в сверхпроводящее состоянии.

Алюминий Al, медь Cu, бериллий Be.

Применение: провода ЛЭП большой мощности, жилы кабелей, электрические машины, трансформаторы.

Электропроводность проводниковых материалов Электропроводность твёрдых проводников.

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 естьсопротивление 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.

studfiles.net

Тема 4 ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ.

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 8Следующая ⇒

Классификация проводниковых материалов

И их основные свойства

Проводниками электрического тока в соответствии с терминами и определениями ГОСТ Р 52002-2003 называют вещества, основными электрическими свойствами которых является высокая электропроводность. Их удельное сопротивление при нормальной температуре лежит в пределах от 0,036 до 300 мкОм·м. Эти материалы используют для изготовления токоведущих частей электроустановок. Чаще всего в качестве проводников электрического тока используют твердые тела, реже жидкости и газы в ионизированном состоянии.

Механизм прохождения тока в металлах — как в твердом, так и в жидком состоянии - обусловлен направленным движением (дрейфом) свободных электронов под воздействием электрического поля; поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода.

Важнейшими практически применяемыми в электротехнике твердыми проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы. Основные свойства металлов приведены в табл 3.3.

Классификация металлических проводников. Металлические проводниковые материалы подразделяются на следующие основные группы:

Металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление ρ при нормальной температуре не более 0,05 мкОм∙м, Металлы высокой проводимости используются для изготовления проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов.

Сверхпроводники – это материалы (чистые металлы и сплавы), удельное сопротивление которых при весьма низких температурах, близких к абсолютному нулю скачком уменьшается до ничтожно малой величины.

Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) – это проводники, имеющие температуру перехода в сверхпроводящее состояние выше 30К.

Криопроводники – это металлические проводники высокой проводимости, удельное сопротивление которых плавно снижается при понижении температуры и при криогенных температурах (Т<-3950С) становится гораздо меньше, чем при нормальной температуре без перехода в сверхпроводящее состояние.

Сплавы высокого сопротивления с ρ при нормальной температуре не менее 0,3 мкОм ּ м. Металлы и сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления резисторов, электронагревательных приборов, нитей ламп накаливания и т. п.

Металлы и сплавы различного назначения. К ним относятся тугоплавкие и легкоплавкие металлы, а также металлы и сплавы для контактов электрических аппаратов.

Классификация неметаллических проводников. К неметаллическим твердым проводникам относятся:

Угольные материалы - это материалы на основе углерода. Из углеродных материалов изготавливают щетки электрических машин, токосъемные вставки для токоприемников электровозов, электроды для прожекторов и дуговых электрических печей. Угольный порошок применяют в микрофонах.

Композиционные проводящие материалы – это искусственные материалы с электронным характером электрической проводимости, состоящие из проводящей фазы, связующего вещества и заполнителей с высокими диэлектрическими свойствами.

Классификация жидких и газообразных проводников. К жидким проводникам относятся:

Расплавленные металлы. В качестве жидкого металлического проводника при нормальной температуре может быть использована только ртуть (Hg), температура плавления которой около минус 39 °С. Другие металлы могут быть жидкими проводниками только при повышенных температурах, превышающих их температуру плавления.

Электролиты или проводники второго рода - это растворы кислот, щелочей и солей. Электропроводность в электролитах носит ионный характер, так как электрический ток в них обусловлен направленным движением анионов и катионов. Процесс прохождения электрического тока через электролит называют электролизом. В соответствии с законами Фарадея, при прохождении тока через электролиты вместе с переносом электрических зарядов происходит перенос ионов электролита, т. е. ионов проводящего вещества, вследствие чего состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукты электролиза. Ионные кристаллы в расплавленном состоянии также являются проводниками второго рода.

К газообразным проводникам относятся: все газы и пары, в том числе и пары металлов. При низких напряженностях электрического поля газы являются хорошими диэлектриками. Если же напряженность электрического поля превзойдет некоторое критическое значение, при котором начинается ударная ионизация, то в этом случае газ может стать проводником с электронной и ионной проводимостью. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов в единице объема числу положительных ионов представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы.

Газы и пары металлов в качестве проводников используются в газоразрядных лампах освещения. Среди газоразрядных источников оптического излучения наиболее распространены лампы, в которых используется разряд в парах ртути. Это люминесцентные лампы низкого давления (до 0,03МПа) и дуговые ртутные лампы (ДРЛ) высокого давления (0,03-3МПа).

Рассмотрим подробнее механизмы проводимости и основные свойства металлических проводников, наиболее широко применяемых в технике. Они являются основным видом проводниковых материалов в электро- и радиотехнике.

Электропроводность металлов. Твердый металлический проводник представляет собой кристаллическую решетку, в узлах которой расположены положительно заряженные ионы. В пространстве между ионами находятся свободные электроны, которые образуют так называемый электронный газ. Электронный газ и положительные ионы металла, взаимодействуя между собой, образуют прочную металлическую связь. При отсутствии электрического поля свободные электроны, находятся в состоянии хаотического теплового движения, сталкиваясь с колеблющимися атомами кристаллической решетки.

Для электронного газа, как и для обычных газов, используют законы статистики. Рассмотрим основные положения этих законов. Среднее расстояние, проходимое электронами между двумя столкновениями с узлами решетки, называют длиной свободного пробега . Средний промежуток времени между двумя столкновениями называют временем свободного пробега, которое определяют как:

, (3.3)

где - средняя скорость теплового движения свободных электронов в металле. При Т=300К средняя скорость =305 м/с =300км/с.

Скорости хаотического теплового движения электронов (при определенной температуре) для различных металлов примерно одинаковы. Примерно одинаковы и концентрации свободных электронов n в разных металлах. Поэтому значение удельной проводимости (или удельного сопротивления) в основном зависит лишь от средней длины свободного пробега электронов λ в данном проводнике. Эта длина в свою очередь, определяется структурой проводникового материала. Поэтому все чистые металлы с идеальной кристаллической решеткой характеризуются наименьшими значениями удельного сопротивления; примеси же, искажая кристаллическую решетку, приводят к увеличению ρ.

Если в проводнике существует электрическое поле Е=const, то со стороны этого поля на электроны действует сила . Под действием этой силы электроны приобретают ускорение , пропорциональное напряженности электрического поля E, в результате чего возникает направленное движение электронов. Такое направленное движение называют дрейфом электронов. Скорость направленного движения или дрейфа значительно меньше скорости теплового движения. Во время свободного пробега электроны движутся равноускоренно, приобретая к концу свободного пробега максимальную скорость

, (3.2)

где - время свободного пробега.

В конце свободного пробега электрон, сталкиваясь с ионами кристаллической решетки, отдает им приобретенную в электрическом поле энергию, и скорость его становится равной нулю. Следовательно, средняя скорость направленного движения электрона будет равна:

, (3.3)

где e=3,602·30-39Кл – заряд электрона, m=9,3·30-33 кг – масса электрона.

Направленное движение электронов создает электрический ток, плотность которого согласно классической теории металлов равна:

. (3.4)

Здесь n - концентрация свободных электронов в металле, т. е. число свободных электронов в единице объема металла,

- удельная электрическая проводимость металла, которая тем больше, чем больше концентрация n свободных электронов и средняя длина λ их свободного пробега, См/м (Сименс, деленный на метр),

- удельное электрическое сопротивление – величина, обратная удельной электрической проводимости, Ом∙м (Ом, умноженный на метр).

Удельная проводимость γ не зависит от напряженности электрического поля Е при изменении ее в широких пределах. Уравнение (3.4) представляет собой закон Ома в дифференциальной форме.

Если считать, что концентрация свободных электронов равна концентрации атомов, то эти концентрации можно найти по формуле:

, (3.5)

где d- плотность вещества,

NA=6,022·3023 моль-3- число Авогадро – число структурных элементов (атомов, молекул, ионов и др.) в единице количества вещества. (моле, равном грамм-атому) ,

A – атомная масса (ранее называлась атомным весом) – масса атома химического элемента, выраженная в атомных единицах массы (а.е.м.). Атомная единица массы равна 3/32 массы изотопа углерода с массовым числом 32 (≈3,6605402·30-24 г).

При движении свободных электронов в металле под действием электрического поля, они приобретают дополнительную кинетическую энергию, которую отдают узлам кристаллической решетки при столкновении с ними. Отданная энергия превращается в тепловую, в результате чего температура металла повышается. Мощность удельных потерь p, выделяющихся в проводнике и нагревающих его, определяют по закону Джоуля-Ленца, который в дифференциальной форме имеет вид:

(3.6)

Отметим, что при температуре, равной 00К скорость теплового движения электронов будет равна нулю. Они не будут сталкиваться с ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки. Длина свободного пробега λ электронов будет равна бесконечности, а удельное сопротивление ρ будет равно нулю (удельная проводимость равна бесконечности). Проводник в этом случае нагреваться не будет.

Двойственная природа электрона, т.е. свойство корпускулярно-волнового дуализма обусловила то обстоятельство, что движущиеся в металлах свободные электроны (электроны проводимости) следует рассматривать и как корпускулярные частицы, и как частицы, обладающие волновыми свойствами. С этой точки зрения движение электронов в металле – это распространение электромагнитной волны в твердом теле. Сопротивление металла возникает в результате рассеяния этой волны на тепловые колебания кристаллической решетки. Согласно представлениям волновой теории удельное сопротивление металлов также связано с длиной свободного пробега электронов . Это соотношение записывается так:

(3.7)

Здесь h – постоянная Планка.

Исходя из волновой природы электронов, также можно придти к выводу, что чистые металлы обладают наименьшим значением удельного сопротивления. Это связано с тем, что рассеяние электронных волн происходит на дефектах кристаллической решетки, которые соизмеримы с расстоянием порядка четверти длины электронной волны. В металлическом проводнике длина волны электрона порядка –5нм (нанометр=30-9м). Дефекты решетки с размерами меньше чем 5/4нм не вызывают заметного рассеяния электромагнитных волн. Дефекты больших размеров вызывают рассеяние энергии, в результате чего электрическое сопротивление увеличивается. В идеальных кристаллах при Т=00К электромагнитные волны должны распространяться без рассеяния и удельное сопротивление ρ должно быть равно нулю. Это значит, что в идеальном кристалле при Е=0К длина свободного пробега электронов стремится к бесконечности. Подтверждением этого положения является тот факт, что сопротивление чистых отожженных металлов стремится к нулю, когда термодинамическая температура приближается к абсолютному нулю. Рассеяние энергии, приводящее к появлению сопротивления, возникает в тех случаях, когда в решетке имеются различные виды нарушения ее правильного строения. Любые неоднородности структуры препятствуют распространению электронных волн и вызывают рост удельного сопротивления материала.

 

Основные свойства металлических проводников:К важнейшим параметрам, характеризующим свойства проводниковых материалов, относятся: 3) удельная проводимость γ или обратная ей величина - удельное сопротивление ρ, 2) температурный коэффициент удельного сопротивления ТКρ или αρ, З) коэффициент теплопроводности λТ (ранее его обозначали γT), 4) удельная теплоемкость с; 5) удельная теплота плавления rT ;6) температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР; 7) работа выхода электронов из металла А, 8) контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила eT (термо-ЭДС.), 9) предел прочности при растяжении σρ и относительное удлинение при разрыве Δl/l.

Связь плотности тока δ, (А/м²), и напряженности электрического поля Е (В/м), в металлическом проводнике, как уже было показано выше, дается известной формулой (3.4) δ = γE, называемой дифференциальной формой закона Ома.

Для проводника, имеющего сопротивление R длину l и постоянное поперечное сечением S, удельное сопротивление ρ вычисляют по формуле

ρ = RS/l. (3.8)

Для измерения ρ проводниковых материалов разрешается пользоваться внесистемной единицей Ом·мм²/м. Связь между названными единицами удельного сопротивления такая:

3 Ом·м = мкОм·м = Ом·мм²/м, т.е. 3Ом·мм2/м=3мкОм·м.

Диапазон значений удельного сопротивления ρ металлических проводников при нормальной температуре довольно узок: от 0,036 для серебра и примерно до 3,4 мкОм·м для железохромо-алюминиевых сплавов.

Сопротивление проводника зависит от частоты протекающего по нему тока. Известно, что на высоких частотах плотность тока изменяется по сечению проводника. Она максимальна на поверхности и убывает по мере проникновения вглубь проводника. Происходит вытеснение тока к поверхности проводника. Это явление называют поверхностным эффектом. Он тем сильнее, чем выше частота. Поскольку площадь сечения, через которое протекает ток уменьшилась, то сопротивление провода переменному току стало больше, чем его сопротивление постоянному току. За глубину проникновения тока в проводник на данной частоте принимают глубину, на которой плотность тока уменьшается в е=2,72 раза .по сравнению с ее значением на поверхности проводника.

Тема 5.. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ

 

Читайте также:

lektsia.com

Проводники. Классификация проводниковых материалов.

Поиск Лекций

По дисциплине «Материалы электронной техники»

 

Этапы развития твердотельной электроники. Основные направления развития электроники.

Электроника: вакуумная(электронные лампы электронно-лучевые приборы, фотоэлектронные приборы, рентгеновские трубки, газоразрядные приборы), твердотельная(полупроводниковые приборы, интегральные микросхемы, микропроцессоры, микро-ЭВМ, оптоэлектроника), квантовая(лазеры, мазеры, голография, дальномеры, оптосвязь. радиоастрономия).

I этап:

1809 –изобретение лампы накаливания Ладыгиным

1874 –открытие Брауном выпрямительного эффекта в контакте металл - полупроводник

1884 –Эдисон открыл термоэлектронную эмиссию

1896 –Попов переда радиосообщение на 350 км

II этап

1904 –сконструирован вакуумный диод

1907 –вакуумный триод

III этап

1947 – создание транзистора

IV этап

60-е — закон Мура

1960-1985 —создание ИС(от малых до сверхбольших)

80-е —развитие функциональной микроэлектроники

V этап

90-е – создание микроскопов, позволяющих наблюдать и манипулировать атомами

XXI век – зарождение наноэлектроники

Классификация элементов электронной техники.

Пассивные.

Пассивные элементы служат для перераспределения токов, напряжений и энергии между отдельными участками электрических цепей. К ним относятся разного рода резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, а также соединительные и коммутационные элементы.

Активные.

Активные элементы предназначены, прежде всего, для преобразования электрических сигналов или энергии. В качестве активных элементов применяются различные электронные лампы, кинескопы, умножители тока, фотоэлементы, полупроводниковые диоды, транзисторы, оптоэлектронные приборы, пьезоэлементы, жидкокристаллические индикаторы, сенсорные элементы и др.

Бывают дискретные и интегральные.

Классификация материалов электронной техники по физической природе их свойств, применению, электрическим свойствам.

Функциональные —материалы, которые обеспечивают реализацию определенных функций в элементах электронной аппаратуры, резистивные, конденсаторные и электроизоляционные материалы, высокопроводящие и сверхпроводящие вещества, материалы для хранения и записи информации, материалы с нелинейными электрическими свойствами, материалы для активных элементов полупроводниковой электроники, таких как диоды, транзисторы, лазеры, фотодетекторы и др.

Конструкционные —материалы, предназначенные для изготовления корпусов и деталей различных приборов и устройств электронной техники. Как правило, эти материалы выполняют вспомогательные функции, причем корпуса приборов и детали конструкций характеризуются большим разнообразием форм и размеров.

МЭТ – функциональные(слабомагнитные[проводники, полупроводники, диэлектрики] и сильномагнитные[проводящие, полупроводящие, непроводящие]) иконструкционные (метыллыи сплавы, керамика, стёкла. полимеры, композитные материалы)

Проводники. Классификация проводниковых материалов.

По реакции на внешнее электрическое поле функциональные элементы подразделяют на проводники(ρ < 10-5 Ом·м), полупроводники и диэлектрики(ρ > 108 Ом·м).

Качественное различие состоит в том, что для металлов проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков – возбужденным.

 

Проводники подразделяют на металлы (с высокой удельной проводимостью, благородные металлы, тугоплавкие металлы), сплавы металлов (высокого сопротивления, сверхпроводящие, припои) и неметаллические проводниковые материалы (углеродистые материалы[графит], композиционные проводящие материалы, на основе окислов[SnO2 и In2O3])

Металлы высокой проводимости используются для проводов, обмоток электрических машин и т.д. Металлы и сплавы высокого сопротивления применяют для изготовления резисторов, электронагревательных приборов и т.д.К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты.

Механизм прохождения тока в металлах обусловлен движением (дрейфом) свободных электронов под воздействием электрического поля. Поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода. Проводниками второго рода - электролитами являются растворы кислот, щелочей и солей. Прохождение тока через эти вещества связано с переносом вместе с электрическими зарядами ионов, вследствие чего состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукты электролиза. Ионные кристаллы в расплавленном состоянии также являются проводниками второго рода.

Все газы и пары в том числе, и пары кристаллов при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Если напряженность поля превзойдет некоторое критическое значение, обеспечивающее начало ударной фотоионизации, то газ может стать проводником с электронной и ионной электропроводностью. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов числу положительно заряженных ионов в единице объема представляет собой особую проводящую среду - плазма.

poisk-ru.ru

Презентация на тему: Классификация проводниковых материалов

Материалы высокой проводимости (Cu)

Применение меди. Из специальных электровакуумных сортов меди изготавливают детали клистронов, магнетронов, аноды мощных генераторных ламп, выводы энергии приборов СВЧ, некоторые типы волноводов и резонаторов.

Кроме того, медь используют для изготовления фольгированного гетинакса и применяют в микроэлектронике в виде осажденных на подложки пленок, играющих роль проводящих соединений между функциональными элементами схемы.

Несмотря на большой коэффициент линейного расширения по сравнению с коэффициентом расширения стекол, медь применяют для спаев со стеклами, поскольку она обладает рядом замечательных свойств: низким пределом текучести, мягкостью и высокой теплопроводностью.

Классификация проводниковых материалов

Материалы высокой проводимости (Al)

Алюминий – металлсеребристо-белогоцвета, важнейший из легких металлов.

Удельное сопротивление алюминия в 1,6 раза больше удельного сопротивления меди, но алюминий в 3,5 раза легче меди.

Малая плотность обеспечивает бόльшую проводимость на единицу массы, т. е. при одинаковом сопротивлении и одинаковой длине алюминиевые провода в два раза легче медных, несмотря на большее поперечное сечение.

По сравнению с медью алюминий намного больше распространен в природе и характеризуется меньшей стоимостью.

Алюминий получают электролизом глинозема А12О3 в расплаве криолита Na3AlFe при температуре 950 °С.

Тип

Обозначения: г.ц.к. –
Металл	решеткикрист.

Классификация проводниковых материалов

Материалы высокой проводимости

Сравнительные характеристики алюминия и меди

3Мг/мность,Плогранецентрированная решетки, Периода нм	кубическая;теплопроводность,Вт/(м∙К)Температраплавления,ºСУдельная	диамагнетик,сопротивленте,ρ∙10,Ом∙м8коэффициелинейногорасширенУдельноеТемпературный	сопротивлеудельного	эВэлектронов,выхода	мкВ/,.с.д.э-термоудельная
		Д –	коэффициентТемпературный	Работа	Абсолютная
			П – парамагнетик

состояние Магнитное

Классификация проводниковых материалов

Материалы высокой проводимости (Al)

Зависимости удельного сопротивления ρ, удельной теплоемкости с и температурного коэффициента линейного расширения αl от температуры для алюминия

Классификация проводниковых материалов

Материалы высокой проводимости (Al)

Зависимости удельной проводимости отожженного алюминия от содержания примесей

Примеси в различной степени снижают удельную проводимость алюминия.

Никель, кремний, цинк, железо, мышьяк, сурьма, свинец и висмут, в количестве 0,5% снижают удельную проводимость алюминия в отожженном состоянии не более чем на 2 – 3%.

Примеси меди, серебра и магния, снижающие ее на 5 – 10% при том же процентном содержании по массе.

Очень сильно снижают удельную проводимость алюминия добавки ванадия, титана и марганца.

Примеси, не образующие твердых растворов с алюминием, мало влияют на его электрическую проводимость, в отличие от заметно ее снижающих примесей, образующих с алюминием твердые растворы; исключением является цинк.

Закалка увеличивает сопротивление алюминия в присутствии тех примесей, которые увеличивают свою растворимость при нагревании.

В техническом алюминии главными примесями являются кремний и железо.

Классификация проводниковых материалов

Материалы высокой проводимости (Al)

Марки алюминия.

Для электротехнических целей используют алюминий технической чистоты АЕ, содержащий не более 0,5% примесей.

Изготовленная из алюминия АЕ и отожженная при температуре 350 ± 20 °С проволока обладает при 20 °С удельным сопротивлением не более 0,0280 мкОм∙м.

Алюминий высокой чистоты А97 (не более 0,03% примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов электролитических конденсаторов.

У алюминия особой чистоты А999содержание примесей не превышает 0,001%. Чистоту его контролируют по значению остаточного удельного сопротивления при температуре жидкого гелия, которое не должно превышать 4∙10−6 мкОм∙м.

Классификация проводниковых материалов

Материалы высокой проводимости (Al)

Прокатку, протяжку и отжиг алюминия производят аналогично соответствующим операциям для меди.

Из алюминия путем прокатки можно получать очень тонкую (6 – 7 мкм) фольгу, применяемую в качестве обкладок в бумажных конденсаторах, или пластины конденсаторов переменной емкости.

Конструкция спирального конденсатора:

а – в развернутом виде;

б – секция конденсатора с намоткой со скрытыми электродами;

в – сечение витка спирали;

1, 2 – гибкие диэлектрические ленты;

3, 4 – электроды

Классификация проводниковых материалов

Материалы высокой проводимости (Al)

Свойства поверхности алюминия. Алюминий активно окисляется и покрывается тонкой пленкой оксида с большим электрическим сопротивлением.

Такая пленка предохраняет алюминий от коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов, что делает невозможным пайку алюминия обычными методами.

Поэтому для пайки алюминия применяют специальные пасты-припоиили используют ультразвуковые паяльники.

Более толстый слой оксида, создает надежную электрическую изоляцию на сравнительно высокие напряжения. Его получают с помощью электрохимической обработки алюминия.

Оксидная изоляция прочна механически и нагревостойка; она может быть сравнительно тонкой (слой оксида толщиной 0,03 мм имеет пробивное напряжение порядка 100 В, а толщиной 0,04 мм – около 250 В).

Классификация проводниковых материалов

Материалы высокой проводимости (Al)

Из оксидированного алюминия изготавливают катушки без дополнительной межвитковой или междуслойной изоляции.

Недостатками оксидной изоляции проводов являются ее ограниченная гибкость и заметная гигроскопичность.

Наиболее широкое применение оксидная изоляция получила в электролитических конденсаторах; ее используют также в некоторых типах выпрямителей и разрядников.

На практике важное значение имеет вопрос защиты от гальванической коррозии в местах контакта алюминия и меди.

Если область контакта подвергается воздействию влаги, то возникает местная гальваническая пара с довольно высоким значением э. д. с., причем полярность этой пары такова, что на внешней поверхности контакта ток направлен от алюминия к меди, вследствие чего алюминиевый проводник может быть сильно разрушен коррозией.

Классификация проводниковых материалов

Материалы высокой проводимости (Al)

Пленки алюминия широко используют в интегральных микросхемах в качестве контактов и межсоединений.

Нанесение пленок на кремниевые пластинки обычно производят методом испарения и конденсации в вакууме.

Требуемый рисунок межсоединений создается с помощью фотолитографии.

Преимущества алюминия как контактного материала состоят в том, что этот материал легко конденсируется на подложку, обладает хорошей адгезией к кремнию и пленочной изоляции из SiO2, широко используемой в

полупроводниковых интегральных схемах, обеспечивает хорошее разрешение при фотолитографии. Кроме того, алюминий образует хорошие омические контакты с кремнием.

Недостатком алюминия является его низкая механическая прочность. Отожженный алюминий в три раза менее прочен на разрыв, чем отожженная медь.

Другим недостатком алюминия является значительная подверженность электромиграции, что приводит к увеличению сопротивления или даже разрыву межсоединений.

studfiles.net

2. 5. Классификация проводниковых материалов

Обычно проводники классифицируют по их удельному сопротивлению, по температуре плавления, по твердости и другим факторам.

К первой классификационной группе относят материалы высокой проводимости. Обычно это чистые материалы: медь, серебро, алюминий, никель, и др.

Ко второй группе относят материалы высокого сопротивления. Это, как правило, сплавы: константан, манганин, нихром и др.

К третьей группе относят материалы, способные переходить при определенных критических температурах в сверхпроводящее состояние – сверхпроводники 1 и 2го рода: кадмий, цинк, тантал, свинец, сплав Nb3Sn и др.

В четвертую группу включим различные материалы, используемые в качестве термопар: медь-константан; медь-копель; хромель-копель; хромель-алюмель; платина-платинородий.

В пятую группу относят материалы, используемые в качестве контактных для сильноточной аппаратуры, слаботочной аппаратуры, размыкаемых высоковольтной к низковольтной аппаратуры, скользящих: серебро, медь, золото, вольфрам, графит, композиции: Cu-W, Cu-графит, Ag-W и др.

Ниже приводится справочная таблица 2. 2 некоторых проводниковых материалов, используемых в радиоэлектронике.

Таблица 2.2

Металл проводника	Химичес- кий индекс	Удельн. эл. сопртив- ление ρ мкОм∙м или Ом∙мм2/м	Темпер. коэфф. удельного сопротив- ления ТКρ, 1/град		Коэфф. теплопро- водности λ Вт/м∙град	Термо- ЭДС относи- тельно меди, мкВ/град	Работа выхода электрона из металла, Wвых, эВ	Темпе- ратура правле-ния, Тпл, °С
1	2	3	4		5	6	7	8
Чистые металлы
Серебро	Ag	0,016	4∙10-3		425		4,4	961
Медь	Cu	0,0172	4,3∙10-3		390		4,3	1083
Золото	Au	0,024	3,8∙10-3		293		4,8	1063
Алюминий	Al	0,028	4,2∙10-3		209		4,3	657
Индий	In	0,09	4,7∙10-3		25		—	156
Олово	Sn	0,12	4,4∙10-3		65		4,4	232
Свинец	Pb	0,21	3,7∙10-3		35		3,7	327
Никель	Ni	0,073	6,5∙10-3		95		5	1455
Железо	Fe	0,098	6∙10-3		73		4,5	1535
Титан	Ti	0,42	4,4∙10-3		15		4,1	1680
Платина	Pt	0,105	3,9∙10-3		71		5,3	1773
Молибден	Mo	0,057	4,6∙10-3		151		4,2	2620
Тантал	Ta	0,135	3,8∙10-3		54		4,1	2970
Вольфрам	W	0,055	4,6∙10-3		168		4,5	3380
Графит поли- кристалл	C	8	-1∙10-3		—
Графит	C	10…50	-2∙10-4		—
Сплавы
Манганин	Cu– 86% Mn- 12%	0,42…0,48	(5…30)∙10-6			1…2		940
Константан	Cu– 60% Ni– 40%	0,48…0,52	(5…20)∙10-6			40…50		1270
Нихром	Ni– 60% Cr– 15%	1…1,2	1,7∙10-4					1360
Фехраль	Cr – 15% Al – 5% остальн. Fe	1,3	1,2∙10-4					1450
Хромаль	Cr – 23% Al – 5% остальн. Fe	1,5	6,5∙10-5
Нейзильбер		0,35	3∙10-6					1050
Термопары
Медь-константан				Тизм до 350 °С
Хромель-алюмель				Тизм до 1000 °С
Платина-платинородий				Тизм до 1600 °С

studfiles.net

Основные характеристики и свойства проводниковых материалов

Количество просмотров публикации Основные характеристики и свойства проводниковых материалов - 910

Классификация и области использования проводниковых материалов

РАЗДЕЛ 2 ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ (лекции 2-3) 4 часа

2.1.1 Определœение проводниковых материалов

Проводник — тело, в котором имеются свободные носители заряда, то есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри этого тела.

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.

2.1.2 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).

2.1.3 Области использования проводниковых материалов как ЭТМ

Проводниковые материалы находят применение в качестве проводов и жил кабелœей, термоэлементов, припоев, предохранителœей, нагревателœей, 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. Размещено на реф.рфнагрузках.

2.2.1 Механические свойства проводниковых материалов (твердость, прочность, пластичность и ударная вязкость).

Механические свойства - это комплекс свойств, отражающих способность материала противодействовать деформации под действием приложенных сил.

Деформация - ϶ᴛᴏ 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 принято называть твердостью.

Замер твердости производится при помощи специальных приборов твердомеров.

Существует множество шкал твердости. К примеру шкала Мооса. Она применяется в основном для минœералов. По ней выбраны десять материалов, каждый из ряда царапает всœе нижелœежащие и царапается вышелœежащими. Наибольшую твердость имеет алмаз, затем идет корунд и т.д. Нефрит имеет пятую позицию, сталь, исходя из закалки и типа - пятую или шестую. Известняк - третью.

Другие шкалы: Бринœелля, 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.

Бринœелль (шарик), Роквелл (алмазный конус, должна 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 удлинœение до 0.2% без увеличения нагрузки.

Пластичностью принято называть способность материала к пластической деформации. Ее характеристиками являются относительное удлинœение 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 делœения затраченной на разрушение образца работы А на его рабочее сечение F: KCU = A/F

2.2.2 Тепловые свойства металлических проводниковых материалов (тепловое расширение, теплопроводность, теплоемкость, теплота и температура плавления, термоэлектродвижущая сила, температурный коэффициент линœейного расширения)

referatwork.ru

Проводниковые материалы - определения, классификация, свойства

Страница 1 из 2

Проводниками называются вещества, внутри которых в случае электростатического равновесия электрическое поле равно нулю, т.е. некомпенсированные заряды проводников локализуются в бесконечно тонком поверхностном слое, а если электрическое поле отлично от нуля, то в проводнике возникает электрический ток.

Проводниковые свойства проявляют как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы.

В электротехнике из твердых проводников наиболее широко используются металлы и их сплавы, различные модификации проводящего углерода и композиции на их основе.

Металлические проводниковые материалы подразделяются на материалы высокой проводимости и сплавы высокого сопротивления. Металлы высокой проводимости используются в тех случаях, когда необходимо обеспечить минимальные потери передаваемой по ним электрической энергии, а сплавы высокого сопротивления, наоборот, в тех случаях, когда необходима трансформация электрической энергии в тепловую.

К жидким проводникам относятся расплавы и электролиты. Если при прохождении тока через жидкие проводники на электродах не происходит выделение продуктов электролиза, то они относятся к проводникам первого рода. Расплавы ионных кристаллов и электролиты относятся к проводникам второго рода, так как при прохождении через них тока происходит перенос вещества, а на электродах выделяются продукты электролиза.

Газы и парообразные вещества становятся проводниками лишь в определенных диапазонах значений давления, температуры и напряженности электрического поля. Близка к газам по своему агрегатному состоянию особая проводящая среда — плазма.

К особой группе проводящих материалов относятся сверхпроводники.

Современная теория проводников основывается на постулатах квантовой механики. В рамках этой теории предполагается, что при отсутствии внешних воздействий (электрические и магнитные поля, градиент температуры) система подвижных электрических зарядов в проводниках описывается равновесной функцией распределения. Реакция на любое внешнее воздействие, нарушающее равновесное состояние подвижных зарядов, может быть описана с помощью неравновесной функции распределения, конкретный вид которой зависит от типа воздействия и определяется на основе решения кинетического уравнения Больцмана. Количественная связь между внешним воздействием и реакцией на него подвижных носителей заряда описывается с помощью кинетических коэффициентов, из которых наиболее важную практическую роль играют коэффициент электрической проводимости (выражает связь между напряженностью электрического поля в проводнике и плотностью тока) и коэффициент тепловой проводимости (выражает связь между разностью температур на единичной длине проводника и тепловым потоком). Математически эти явления описываются законами Ома и Фурье: , где Е — напряженность электрического поля, В/м; J — плотность тока, А/м; ω — плотность теплового потока, Вт/м; ΔT — разница температур на единичном участке длины проводника, К/м; γ — коэффициент электрической проводимости (удельная электрическая проводимость), См/м; χ — коэффициент теплопроводности, Вт/(м · К).

При наличии градиентов температуры и потенциала в одном или нескольких соединенных проводниках возникает ряд термоэлектрических эффектов. Самые важные из них — эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона. Если градиент температуры вдоль проводника не равен нулю, то на его концах появляется разность потенциалов, называемая термоэлектрической разностью потенциалов, или термоэлектродвижущей силой. При разности температур в 1 К эта разность потенциалов называется удельной (дифференциальной) термоэлектродвижущей силой. В разомкнутой цепи из нескольких разнородных проводников, находащихся при одинаковой температуре, появляется контактная разность потенциалов, равная алгебраической сумме разностей работ выхода электронов из проводников. При замыкании такой цепи ток не возникает, так как контактные разности потенциалов компенсируют друг друга. Если же поддерживать контакты при разных температурах, возникает отличная от нуля термоэлектродвижущая сила, называемая (при разности температур в 1 К) относительной удельной термоэлектродвижущей силой. По имени физика, изучавшего это явление, оно получило название эффекта Зеебека. Этот эффект, положенный в основу работы промышленных термопар, наиболее изучен. Эффект Пельтье состоит в выделении обратимого тепла на контакте двух различных проводников, когда через контакт проходит ток. Эффект Томсона состоит в выделении обратимой теплоты, когда в проводнике протекает ток при наличии градиента температуры.

www.k-volt.ru

---

• 
  5 филиал моэк
• 
  Счетчики на газ
• 
  Контур заземления на подстанции
• 
  N фаза l
• 
  При зарядке акб помутнел электролит
• 
  Инфракрасные обогреватели промышленные электрические
• 
  Демонтаж электрики
• 
  Энергосбыт истра
• 
  Электромагнитная сила
• 
  Когда включат отопление в москве в 2018
• 
  Кто должен менять счетчик электроэнергии