Проводниковыми материалами называются материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная электропроводность.
Проводниковые материалы можно разбить по агрегатному состоянию:
1) газы и пары;
2) жидкие проводники;
3) твёрдые проводники.
Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряжённостях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряжённость электрического поля превзойдёт некоторое критическое значение Екр, обеспечивающее начало ударной ионизации, то газ становится проводником с электронной и ионной проводимостью.
Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов числу положительных ионов в единице объёма представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы.
К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Правда, большинство металлов (за исключением ртути) имеют высокую температуру плавления, поэтому их трудно использовать в качестве проводников.
|
|
Среди твёрдых проводников наиболее часто в электротехнике применяются металлы и сплавы. Среди них выделим и рассмотрим две основные группы:
а) металлы высокой проводимости, у которых при нормальной температуре удельное сопротивление ρ не превышает 0,05 мкОм∙м. Они используются для проводов, жил кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов и т.п.;
б) сплавы с высоким сопротивлением, имеющие при нормальной температуре ρ ≥ 0,3 мкОм∙м. Они используются при изготовлении резисторов, электронагревательных приборов, нитей ламп накаливания и т.п.
Особую группу составляют криопроводники и сверхпроводники – материалы, которые обладают ничтожно малым сопротивлением при весьма низких температурах.
Приведем энергетическую диаграмму проводников (рис. 4.1).
Рис. 4.1. Энергетическая диаграмма проводников при нуле Кельвина
в соответствии с зонной теорией твёрдого тела
На рисунке обозначено: 1 – заполненная электронами зона; 2 – зона свободных энергетических уровней.
У проводников заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне свободных энергетических уровней или даже перекрывает её. Электроны могут переходить с верхних уровней заполненной зоны на незанятые уровни свободной зоны под влиянием напряжённости электрического поля, приложенной к проводнику.
Мы рассмотрим только классическую электронную теорию металлов.
По этой теории металл можно рассматривать как систему, построенную из расположенных в узлах решетки положительно заряженных атомных остовов
(по 1−2 электрона покидают атом) и находящихся среди них свободных электронов (рис. 4.2). При движении электронов по металлу они сталкиваются с узлами кристаллической решётки, передают ей энергию, накопленную при ускорении в электрическом поле, вследствие чего металл нагревается. Эта классическая теория объясняет не все закономерности, возникающие в металле, но для дисциплины «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» этого достаточно.
|
|
Рис. 4.2. Схема строения металлического проводника
Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой имеют наименьшие значения удельного сопротивления. Любые примеси и нарушения правильной структуры металлов увеличивают их удельное сопротивление. Это свойство металлов широко используется для получения материалов с большим удельным сопротивлением, которые необходимы везде, где нужно получить большое сопротивление при малом объеме. Это, как правило, сплавы.
Сплавы высокого сопротивления классифицируются по области применения [2]:
1) материалы для образцовых сопротивлений и электроизмерительных приборов;
2) материалы для резисторов;
3) материалы для нагревательных приборов и нагрузочных реостатов.
К сплавам высокого сопротивления предъявляют следующие требования:
− большое удельное сопротивление;
− достаточная механическая прочность и технологичность, обеспечивающие возможность получения провода необходимого сечения;
− небольшая стоимость.
К материалам первой группы предъявляются дополнительные требования:
− стабильность сопротивления во времени (отсутствие старения);
− небольшой температурный коэффициент удельного сопротивления (TKρ = min);
− маленький коэффициент термоЭДС с медью.
Для третьей группы дополнительное требование – высокая температура нагрева.
Основным материалом первой группы является медно-марганцевый
сплав – манганин (название происходит от наличия в нём марганца, латинское название – manganum). Примерный его состав: Cu 85 %, Mn 12 %, Ni 3 %.
Основные параметры манганина [2]:
− удельное сопротивление ρ = (42−51)×10-8 Ом·м;
− температурный коэффициент TKr= (-5…+30)·10-5 К-1;
− коэффициент термоЭДС в паре с медью – всего Y = 1−2 мкВ/К;
− предел прочности σв = 450−600 МПа;
− предельная допустимая температура – t = 200 оС.
Манганин выпускается в виде тонкой проволоки, на которую накладывают эмалево-волокнистую изоляцию.
Основным материалом второй группы является медно-никелевый сплав – константан. Его примерный состав: Ni 39−41 %, Mn 1−2 %, остальное
(56−59 %) – Cu.
Для электронагревательных приборов в основном применяются сплавы на основе железа: нихром, фехраль, хромаль.