Механические свойства проводников: механическая прочность и относительное удлинение перед разрывом

Механическая прочность – характеризуется пределами прочности при растяжении (σ_р), сжатии (σ_с), и изгибе (σ_и). Относительное удлинение перед разрывом () характеризует хрупкость (пластичность) проводниковых материалов.

 

 

33.Что доказывает существование электронного газа в металлах?

 Применение классических представлений и законов статистики обычных газов к «электронному газу» дало возможность математически описать найденные ранее экспериментально законы: закон электропроводности (закон Ома); закон потерь электрической энергии (закон Джоуля – Ленца), а также установить связь между электропроводностью и теплопроводностью.

 Кроме того, некоторые опыты подтвердили гипотезу об электронном газе в металлах, а именно:

 При длительном протекании тока по цепи, которая состоит из различных металлических проводников, не наблюдается проникновение одного металла в другой.

 При нагревании металловдо высоких температур скорость теплового движения электронов увеличивается и они могут вылетать из металла, преодолевая силы поверхностного потенциального барьера.

 При резком торможениибыстро движущегося металлического проводника вследствие инерции происходит смещение электронного газав направлении движения (на концах проводника появляется разность потенциалов).

 

34.Что влияет на проводимость проводников и как?

 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.

 

35.Какое свойство проводников используется в термопарах?

 При соприкосновении двух различных металлических проводников между ними возникает контактная разность потенциалов. Причина появления этой разности потенциалов заключается в различии значений работы выхода электронов из различных металлов, а также в том, что концентрация электронов, а, следовательно, и давление электронного газа у разных металлов и сплавов могут быть неодинаковыми. Если температуры «спаев» одинаковы, то сумма разности потенциалов в замкнутой цепи равна нулю. Иначе обстоит дело, когда один из спаев имеет температуру T 1, а другой – температуру Т 2. Из электронной теории металлов следует, что контактная разность потенциалов между металлами А и В равна:

 

                                                                          (7)

 

где Ψ – постоянный для данной пары проводников коэффициент термо-ЭДС, Т 1 и Т 2 – температуры спая и свободного конца контактируемых проводников.

Данное свойство проводников используется в термопарах – приборах, измеряющих температуру (рис. 2).

                        Рисунок 2. Схема термопары

 

36. Почему для каждой термопары существует предельная температура для измерения?

Предельная температура, измеряемая термопарой, определяется областью линейной зависимости термо-ЭДС от разности температур.В этом случае погрешность измерений будет минимальной.

Термопары могут применяться для измерения следующих температур:

- Платина – платинородий – до 1600^o C;

- Хромель – алюмель – до 1200^o C;

- Железо – константан, железо – копель, хромель – копель – до 600^o C;

- Медь – константан и медь –копель – до 350^o C.

 

37.Какое свойство проводников используется в биметаллических пластинах?

 Температурный коэффициент линейного расширения проводников. При нагреве до одинаковой температурыдля различных проводников характерны разные значения увеличения их длины.

Биметаллическая пластина– это наложенные друг на друга и сваренные между собой две полоски из металла с разными коэффициентами линейного расширения, т.е. удлиняющиеся при нагревании неодинаково.

 

38.Свойства меди и ее сплавы.

Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие:

- малое удельное сопротивление (из всех материалов только серебро имеет несколько меньшее удельное сопротивление, чем медь);

- достаточно высокая механическая прочность;

- удовлетворительная в большинстве случаев стойкость по отношению к коррозии (медь окисляется на воздухе даже в условиях высокой влажности значительно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах);

- хорошая обрабатываемость (медь прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра);

- относительная легкость пайки и сварки.

Удельное электрическое сопротивление стандартной меди при температуре 20° С составляет =0,01724 . Электропроводность других металлов и сплавов часто оценивают в процентах от электропроводности стандартной меди. Только серебро имеет электропроводность выше, чем медь, однако, оно тяжелее, а главное гораздо дороже.

При холодной протяжке получают твердотянутую медь (МТ), которая имеет:

- высокий предел прочности при растяжении;

- малое относительное удлинение перед разрывом;

- высокую твердость и упругостьпри изгибе.

Путем отжига получают мягкую (отожженную) медь (ММ),имеющую:

- малую твердость и небольшую прочность;

- большое удлинение перед разрывом;

- более высокую проводимость.

 

Сплавы меди. Кроме чистой меди в качестве проводникового материала применяются ее сплавы с оловом, кремнием, фосфором, бериллием, хромом, магнием, кадмием. Такие сплавы, носящие название бронз, при правильно подобранном составе имеют значительно более высокие механические свойства, чем чистая медь: σ_р бронз может быть 800 – 1200 МПа и более. Бронзы широко применяют для изготовления токопроводящих пружин и т. п. Введение в медь кадмия при сравнительно малом снижении удельной проводимости значительно повышает механическую прочность и твердость. Кадмиевую бронзу применяют для контактных проводов и коллекторных пластин особо ответственного назначения. Еще большей механической прочностью обладает бериллиевая бронза (σ_р – до 1350 МПа). Сплав меди с цинком – латунь –обладает достаточно высоким относительным удлинением перед разрывом при повышенном по сравнению с чистой медью пределе прочности при растяжении. Это дает латуни технологические преимущества перед медью при обработке штамповкой, глубокой вытяжкой и т. п. В соответствии с этим латунь применяют в электротехнике для изготовления всевозможных токопроводящих деталей. Латуни содержат до 43 % цинка по массе и маркируются по количеству содержащейся в них меди: например, Л68 и т. п.

 

39.Свойства алюминия и его сплавы.

 Алюминий является вторым по значению (после меди) проводниковым материалом. Из него изготовляют провода, некоторые детали электрических машин и аппаратов. Так же, как и медь, он при протяжке и других видах холодной обработки получается довольно твердым, а после отжига становится мягким

 По твердости различают две марки алюминия: AT – алюминий твердый неотожженный и AM – алюминий мягкий отожженный. Алюминий относится к группе легких металлов, поскольку его плотность 2700 кг/м³, т. е. он в 3,3 раза легче меди. Алюминий – металл серебристо-белого цвета с температурой плавления 657° С – отличается малой твердостью и сравнительно небольшой механической прочностью при растяжении (80–180 МПа).

 Температурный коэффициент расширения, удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем меди. Вследствие высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления для нагрева алюминия до температуры плавления и перевода в расплавленное состояние требуется большая затрата теплоты, чем для нагрева и расплавления такого же количества меди, хотя температура плавления алюминия ниже, чем меди.

 Алюминий обладает пониженными по сравнению с медью свойствами – как механическими, так и электрическими. При одинаковых сечениях и длине электрическое сопротивление алюминиевого провода больше, чем медного, в 1,63 раза. Следовательно, чтобы получить алюминиевый провод такого же электрического сопротивления, как и медный, нужно взять его сечение в 1,63 раза большим, т.е. диаметр должен быть в 1,3 раза больше диаметра медного провода. Отсюда понятно, что если ограничены габариты, то замена меди алюминием затруднена. Если же сравнить по массе два отрезка алюминиевого и медного проводов одной длины и одного и того же сопротивления, то окажется, что алюминиевый провод хотя и толще медного, но легче его приблизительно в два раза.

 Для электротехнических целей используют алюминий, содержащий не более 0,5% примесей, марки А1. Еще более чистый алюминий марки АВ00 (не более 0,03% примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов оксидных конденсаторов. Алюминий наивысшей чистоты АВ000 имеет содержание примесей, не превышающее 0,004%. Разные примеси в различной степени снижают удельную проводимость (γ) алюминия. Добавки Ni, Si, Zn или Fe при содержании их 0,5% снижают γ отожженного алюминия не более чем на 2–3%. Более заметное действие оказывают примеси Сu, Ag и Mg, при том же массовом содержании снижающие γ алюминия на 5–10%. Очень сильно снижают удельную проводимостьалюминия добавки Ti и Мп.

 Из алюминия может прокатываться тонкая (до 6–7 мкм) фольга, применяемая в качестве электродов бумажных и пленочных конденсаторов.

 Алюминий активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов и делает невозможной пайку алюминия обычными методами. Для пайки алюминия применяются специальные пасты-припои или используются ультразвуковые паяльники. В местах контакта алюминия и меди возможна гальваническая коррозия. Если область контакта подвергается действию влаги, то возникает местная гальваническая пара с довольно высоким значением ЭДС, причем полярность этой пары такова, что на внешней поверхности контакта ток идет от алюминия к меди и алюминиевый проводник может быть сильно разрушен коррозией. Поэтому места соединения медных проводников с алюминиевыми должны тщательно защищаться от увлажнения (покрытием лаками и тому подобными способами).

 Иногда, например, для замены свинца в защитных кабельных оболочках, используется алюминий с содержанием примесей не более 0,01% (вместо 0,5%для обычного проводникового алюминия).

 Такой особо чистый алюминий сравнительно с обычным более мягок и пластичен и притом обладает повышенной стойкостью по отношению к коррозии.

Алюминиевые сплавы обладают повышенной механической прочностью. Примером такого сплава является альдрей, содержащий 0,3-0,5% Mg, 0,4–0,7% Si и 0,2–0,3% Fe (остальное Аl). Высокие механические свойства альдрей приобретает после особой обработки (закалка катанки – охлаждение в воде при температуре 510-550° С, волочение и последующая выдержка при температуре около 150° С).

Сталеалюминевый провод, широко применяемый в линиях электропередачи, представляют собой сердечник, свитый и из стальных жил и обвитый снаружи алюминиевой проволокой. В проводах такого типа механическая прочность определяется главным образом стальным сердечником, а электрическая проводимость – алюминием. Увеличенный наружный диаметр сталеалюминевого провода по сравнению с медным на линиях электропередачи высокого напряжения является преимуществом, так как уменьшается опасность возникновения короны вследствие снижения напряженности электрического поля на поверхности провода.

 

 

40.Сплавы высокого сопротивления.

 Сплавами высокого сопротивления называют проводниковые материалы, у которых значения ρ в нормальных условиях составляют не менее 0,3 мкОм·м. Их применяют при изготовлении электроизмерительных приборов, образцовых резисторов, реостатов и электронагревательных устройств. При использовании сплавов в электроизмерительной технике от них требуется не только высокое удельное сопротивление, но и возможно меньшее значение температурного коэффициента сопротивления α_ρ, а также малая термо-ЭДС в паре с медью. Нагревательные сплавы должны длительно работать на воздухе без разрушения при температурах не менее 1000° С. Наиболее распространёнными в электротехнике являются сплавы на основе меди – манганины и константаны, а также на основе железа – хромоникелевые (нихромы) и хромоалюминиевые (фехрали).

Манганины названы по латинскому наименованию марганца (лат. manganum – желтоватый). Используют две группы манганинов, различающихся количеством марганца. В первой группе манганинов марганца немного, а основным металлом является медь, например, сплавы состава 85% Cu, 12% Mn и 3% Ni.

Константаны (лат. constantis – постоянный) – содержат 39–41% никеля (с кобальтом) и 1–2 % марганца, остальное медь. Значение α_ρ константанов близко к нулю и обычно имеет отрицательный знак.

Нихромы различных марок содержат 55–78% никеля, 15–23% хрома, 1,5% марганца, остальное железо. Их используют для изготовления нагревательных элементов электрических паяльников, плиток и печей с рабочей температурой до 1100° С.

Фехрали различных марок содержат 12–25% хрома, 3,5–5,5% алюминия, 0,7% марганца, 0,6% никеля, остальное железо. Они дешевле нихромов и отличаются большей жаростойкостью (их можно нагревать до 1200° С).

 

41.Почему контакты являются самым слабым звеном электрической цепи?

 Электрические контакты являются самым слабым звеном электрической цепи независимо от того из какого материала они выполнены. При соприкосновении двух металлов или сплавов возникает электрическое сопротивление, называемое переходным сопротивлением контакта. Переходное сопротивление лишь частично зависитот удельной электрической проводимостиматериала, из которого состоит площадь контакта. В большей степени переходное электрическое сопротивление зависит от площади контакта. Поверхность контактируемых проводников является кажущейся площадью контакта, так как невозможно выполнить контактируемые поверхности абсолютно гладкими.

 В действительности из-за шероховатости поверхности контактов фактическая площадь контактирования значительно меньше (соприкасаются друг с другом только самые большие выступы) и электрический ток протекает только через малые площадки фактического контакта. Размеры площадок случайны, но их можно увеличить за счет создания усилия нажатия контактов. В связи с этим, переходное сопротивление всегда больше сопротивлений контактируемых материалов, а, следовательно, в месте контакта выделяется больше тепла при протекании тока (электрические потери), которые пропорциональны величине активного сопротивления.

 Другой причиной увеличение переходного сопротивления контактов является образование оксидных пленок на их поверхности, которые имеют более высокие удельные сопротивления.

 Электрические контакты подразделяют на разрывные, скользящие и неподвижные.

 

42.Криопроводники и свехпроводники.

 Криопроводники – это металлы, удельное сопротивление которых достигает при низких (криогенных) температурах (ниже -173 оС) значений в сотни и тысячи раз меньше, чем их удельное электрическое сопротивление при нормальной температуре.

 Явление криопроводимости не сходно с явлением сверхпроводимости.

В отличие от сверхпроводников у криопроводников удельное сопротивление при их охлаждении снижается плавно, без скачков и достигает малых значений при криогенных температурах. При этом металлы не переходят в сверхпроводящее состояние.

Криопроводимость – частный случай нормальной электропроводности металлов, но в условиях низких (криогенных) температур.

Явление криопроводимости обуславливается снижением тепловых колебаний кристаллической решетки металла и по этой причине уменьшением рассеивания электронов.

Для достижения высоких значений криопроводимости необходима высокая чистота и отсутствие дефектов кристаллической решетки самого металла. Криопроводниками являются, например, чистые медь и алюминий (марки А999 с 0,001% примесей) при температуре жидкого водорода (20,28 K или -252,87 °C), технически чистый бериллий (0,1% примесей) при температуре жидкого азота (77,4 K или -195,75 °C).

Сверхпроводимость – свойство некоторых материалов обладать абсолютно нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (т.н. критической температуры).

Сверхпроводимостью обладают металлы и их сплавы, полупроводники, а также керамические материалы и иные вещества. Существуют даже сверхпроводящие сплавы и материалы, у которых один из элементов или все элементы, входящих в его состав, могут и не быть сверхпроводниками. Например, сероводород, славы ртути с золотом и оловом.

Сверхпроводящее состояние в материале возникает не постепенно, а скачкообразно – при достижении температуры ниже критической. Выше этой температуры металл, сплав или иной материал находится в нормальном состоянии, а ниже ее – в сверхпроводящем. Для некоторых веществ переход в сверхпроводящее состояние становится возможным при определенных внешних условиях, например, по достижении определенного значения давления.

Сверхпроводимость как явление сопровождается несколькими эффектами. Определяющее значение имеют два из них: исчезновение электрического сопротивления и выталкивание магнитного потока (поля) из его объема. Поэтому важнейшее значение приобретает не только критический ток, но и критическое магнитное поле – определенное значение напряженности магнитного поля, по достижении которого сверхпроводник теряет свойство сверхпроводимости.

Явление сверхпроводимости может быть продемонстрировано на практике. Если взять проводник, закольцевать его, сделав замкнутый электрический контур, охладить его до температуры ниже критической и подвести к нему электрический ток, а после чего убрать источник электрического тока, то электрический ток в таком проводнике будет существовать неограниченно долгое время.

В настоящее время получены сверхпроводники, обладающие свойством сверхпроводимости при комнатной температуре.

 

 

43.Возможно ли передавать по линиям из сверхпроводников неограниченно большую электрическую мощность?

 Линия из сверхпроводника должна находиться в трубе с двойными стенками (термос-трубе), в которой залит жидкий азот. По мере того как азот испаряется (идеальных термосов не бывает), его приходится доливать. То есть такую линию дорого эксплуатировать: приходится строить рядом маленький завод по производству жидкого азота. С другой стороны, она хороша тем, что на ней не происходит потерь напряжения. Более того, через современный сверхпроводящий кабель можно пропустить ток в тысячи и даже десятки тысяч ампер, а это значит, что для передачи той же мощности напряжение можно уменьшить. Обычная линия электропередачи из-за больших напряжений очень большая, и вокруг нее всегда есть полоса отчуждения — пространство, где нельзя строить, поселяться, вести хозяйственную деятельность. В сверхпроводящей линии напряжение меньше, и тогда необходимость в полосе отчуждения пропадет. Следовательно, эта земля может быть использована, что экономически может быть выгоднее, даже несмотря на затраты на азот.

Поднять температуру сверхпроводников до комнатной пока не удается. Отчасти дело в том, что эти материалы довольно сложные и содержат в себе 4–5 элементов, например YBa2Cu3O7−x или Bi2Sr2Can−1CunO2n+4+x. У материала есть кристаллическая решетка, в которой разные элементы должны стоять в идеальном порядке. Создать такой материал очень непросто, еще сложнее — понять, какой из элементов нужно заменить и на какой именно, чтобы материал был сверхпроводящим при достаточно высокой температуре.

 

44.Почему в стальных проводниках потери больше, чем в проводниках из других металлов при одинаковых R и I?

 Потому что сопротивление проводников - не константа. У стальных проводников теплопроводность и электропроводность хуже, поэтому, например, стальной проводника с тем же сопротивлением, что и медный, имеет большее поперечное сечение. В результате при том же тепловыделении он сильнее нагревается (теплоотвод изнутри проводника хуже), а с ростом температуры растет и сопротивление - потери больше.

 

45.Какие материалы используются для изготовления эталонных резисторов и почему?

Основные требования к материалам для резисторов: низкий температурный коэффициент электрического сопротивления; низкая термоэлектродвижущая сила в паре с медью; высокая стабильность электрического сопротивления во времени. Различают сплавы для проволочных, ленточных резисторов (технических и прецизионных) и материалы для непроволочных резисторов (пленочных, углеродистых). Резистивные материалы общего назначения широко применяют в приборостроении, электротехнике для изготовления технических резисторов (регулирующих и пусковых реостатов, нагрузочных элементов), для прецизионных резисторов (образцовых сопротивлений, различных элементов электроизмерительных приборов, катушек сопротивления, шунтов, обмоток потенциометров).

Сплавы для проволочных резисторов — технических — сплавы на основе системы «Си—N4» (сплав МН16, мельхиор МН19, нейзильбер МНЦ 15-20); для прецизионных резисторов главными являются сплавы на медной основе (манганин МНМц 3-12, МНМцАЖ 3-12-0,3-0,3, константам МНМц 40-1,5) и сплавы на никелевой основе (Х20Н80-ВИ, 80ХЮД-ВИ, Х15Н60, ЭП277-ВИ).

 

46.Какие инженерные решения позволяют увеличить количество тепла от нагревательных элементов?

Увеличить количество тепла о нагревательного элемента нельзя.
Сколько он выдаёт - столько и выдаёт. Это является его мощностью.
А вот правильное использование выделенного тепла, посредством разных приспособлений позволит рационального его использовать.
Это могут быть как стационарные (рёбра, отражатель), так и динамические приспособления (вентиляция).