25.Проводниковые материалы высокого сопротивления. Их свойства, применение.

К этой группе материалов относят проводники с удельным электрическим сопротивлением в

нормальных условиях не более 0,1 мкОм∙м. Наиболее распространенными среди этих материалов являются медь и алюминий.

Медь. Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала: 1)малое удельное сопротивление (из всех металлов только серебро имеет несколько меньшее удельноесопротивление, чем медь); 2) высокая механическая прочность; 3) стойкость к коррозии (даже в условиях высокой влажности медь окисляется на воздухе значительно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах); 4) хорошая обрабатываемость – медь прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра; 5) легкость пайки и сварки.

Свойства меди. Удельная проводимость меди весьма чувствительна к наличию примесей. Так, при содержании в меди 0,5% примеси цинк, кадмий и серебро удельная проводимость снижается на 5%. При том же содержании никеля, олово или алюминий удельная проводимость меди падает на 25 – 40%. Еще более сильное влияние оказывают примеси бериллия, мышьяка, железа, кремния или фосфора, снижающие удельную проводимость__на 55%. В то же время присадки металлов повышают механическую прочность и твердость меди. Недостатком меди является ее подверженность атмосферной коррозии

Применение меди. Медь применяют в электротехнике для изготовления проводов, кабелей, шин распределительных устройств, обмоток трансформаторов, электрических машин, токоведущих деталей приборов и аппаратов, анодов в гальванопластике. Медные ленты используют в качестве экранов кабелей.

Алюминий

Сравнение свойств алюминия и меди. Вторым по значению после меди проводниковым материалом является алюминий – металл серебристо-белого цвета. Удельное сопротивление алюминия в 1,6 раза больше удельного сопротивления меди, но алюминий в 3,5 раза легче меди. Благодаря малой плотности обеспечивается большая проводимость на единицу массы, т. е. при одинаковом сопротивлении и одинаковой длине алюминиевые провода в два раза легче медных, несмотря на большее поперечное сечение. К тому же по сравнению с медью алюминий намного более распространен в природе и имеет меньшую Примеси в различной степени снижают удельную проводимость алюминия. Добавки таких примесей, как 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%. Более заметное действие оказывают примеси меди, серебра и магния, снижающие удельную проводимость алюминия на 5 – 10%. Значительно снижают удельную проводимость добавки ванадия, титана и марганца.

Алюминий активно окисляется и покрывается тонкой пленкой оксида с большим электрическим

сопротивлением. Такая пленка предохраняет алюминий от коррозии

Применение алюминия.

Пленки алюминия широко используют в интегральных микросхемах в качестве контактов и

межсоединений для обеспечения связи между отдельными элементами схемы. Нанесение алюминиевых пленок на кремниевые пластинки производят методом испарения и конденсации в вакууме. Требуемый рисунок межсоединений создается с помощью фотолитографии.

24. Материалы высокой проводимости. Их свойства, применение.

Материалы высокой проводимости классифицируют по группам: медь, сплавы меди с оловом ( бронзы), сплавы меди с цинком ( латуни), алюминий, серебро и прочие металлы и сплавы. В особую группу выделяют материалы для электрических контактов. К материалам высокой проводимости предъявляют следующие требования: возможно большая проводимость ( возможно меньшее удельное сопротивление); возможно меньший температурный коэффициент удельного сопротивления; достаточно высокая механическая прочность, в частности предел прочности при растяжении и удлинение при разрыве, характеризующая в известной мере гибкость - отсутствие хрупкости; способность легко обрабатываться прокаткой и волочением для изготовления проводов малых и сложных сечений; способность хорошо свариваться и спаиваться, создавая при этом надежные соединения с малым электрическим сопротивлением; достаточная коррозионная устойчивость. Для разных случаев применения эти требования в той или иной степени варьируют. Например, для большинства обмоток электрических машин, аппаратов и проводов выгодней иметь возможно меньшее удельное сопротивление, даже если за счет его снижения несколько снизится и предел прочности при растяжении; для троллейных ( контактных) воздушных проводов, работающих на разрыв и на истирание, особое значение приобретают повышенные предел прочности при растяжении, твердость, стойкость против истирания. Металлические проводники делятся на материалы высокой проводимости и материалы высокого сопротивления. Первые используют при изготовлении проводов, волноводов, кабелей, обмоток трансформаторов, вторые идут на изготовление проволочных резисторов.

Желательно, чтобы в материалах высокой проводимости удельное сопротивление по возможности меньше увеличивалось с ростом температуры.

Главные требования, предъявляемые к материалам высокой проводимости, - это высокая электропроводность, доступность и технологичность.

Наиболее широко в электротехнике используются медь и алюминий. Являясь материалами высокой проводимости, эти металлы допускают все виды механической обработки, что позволяет изготовлять токопроводящие элементы практически любой формы и протяженности. Их несомненным достоинством является достаточно высокая прочность и стойкость по отношению к нагрузкам. Преимущества этих металлов настолько велики, что выбор материалов для токопроводящих элементов обычно ограничивается или ими самими, или их модификациями.

23. Основная электрическая характеристика проводниковых материалов.

Электрические свойства у разных материалов разные. В некоторых материалах имеются свободные, не связанных силами взаимного притяжения носители электрических зарядов. Такие материалы называются проводниками. Если в таком материале организовать электродвижущую силу, то под ее воздействием свободные заряды материала придут в упорядоченное, а именно, направленное движение.

1) Проводниками являются все металлы – в них имеется большее или меньшее количество электронов, поток которых образует электрический ток.. Проводники с электронной проводимостью называются проводниками первого рода.

2) Проводниками также являются электролиты (водные растворы кислот, солей и щелочей, также расплавы многих солей), в них свободные заряды существуют в виде ионов – частиц молекул с положительным или отрицательным зарядом. Электрический ток в электролитах образуется потоком ионов – электропроводность имеет ионный характер, электролиты являются проводниками второго рода.

3) Газы и пары могут стать проводниками (со смешанной – электронной и ионной – проводимостью) только при определённых условиях, например, при некоторой напряжённости электрического поля, при нагреве и др. электроны срываются со своих орбит и становятся свободными носителями элкктрических зарядов.

Наибольшее применение в электротехнике имеют твёрдые проводниковые материалы – чистые металлы и их сплавы.

Основные электрические характеристики проводниковых материалов: удельная электрическая проводимость или обратная ей величина – удельное сопротивление температурный коэффициент удельного сопротивления или, термоэлектродвижущая сила

Удельное сопротивление и удельная проводимость обратно пропорциональны друг другу: ρ = (Сименс/м) – твёрдые проводниковые материалы обладают высокой проводимостью из-за большого количества свободных электронов. Электрический ток – это поток (то есть упорядоченное, направленное движение) электронов. Направленно движущиеся электроны при своём движении в проводнике сталкиваются с атомами материала, находящимися в узлах кристаллической решётки, отдавая при этом часть своей энергии этим атомам. Атомы в результате столкновения приобретают часть энергии, которая необратимо превращается в тепловую энергию, то есть энергию теплового движения. Сами электроны при этом теряют скорость направленного движения за счёт усиления их хаотического теплового движения. Таким образом, проводник как бы противится, сопротивляется движению электронов. Величина, характеризующая сопротивление проводника протеканию тока, сопровождающееся необратимыми превращениями электрической энергии в тепловую (также и в другие формы), называется омическим (на постоянном токе) или активным (на переменном токе) сопротивлением. Разные проводниковые материалы оказывают разное сопротивление (при одном и том же напряжении в них текут разные токи).

Любые примеси, металлы и неметаллы, повышают ρ. Даже примесь металла, удельное сопротивление которого меньше удельного сопротивления основного металла, повышает ρ основного металла. Это объясняется искажением кристаллической решётки основного металла даже небольшим количеством примеси. Характер влияния примеси на удельное сопротивление металла зависит от типа образуемого сплава (механическая смесь, твёрдый раствор и химические соединения).

Пластические деформации (так называемый наклёп, образуется при растяжении, сжатии и прочих механических воздействиях, возникает при прокатке и волочении, т.е. в процессах производства проводов) тоже искажают кристаллическую решётку, а значит, увеличивают удельное сопротивление металла. Путём термической обработки (обжигом) снимают искажения кристаллической решётки, что ведёт к восстановлению первоначального удельного сопротивления.

Магнитное поле также искривляет траекторию движения электронов, значит, изменяет электропроводность и электрическое сопротивление.