книги / Электротехническое и конструкционное материаловедение

собность электрической изоляции не снижать эксплуатационной надежности при низких температурах, например при 60…–70 °С и более низких (криогенных) температурах.

При низких температурах, как правило, электрические свойства изоляционных материалов улучшаются. Однако многие материалы, гибкие и эластичные в нормальных условиях, при низких температурах становятся хрупкими и жесткими, что создает соответствующие затруднения. Проверку электроизоляционных материалов и изделий из них на холодостойкость нередко осуществляют при одновременном воздействии вибраций.

52

ческие проводники являются основным типом проводниковых материалов, применяемых в электро- и радиотехнике. Из металлических проводниковых материалов могут быть выделены металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление ρ при нормальной температуре не более 0,05 мкОм∙м, и сплавы высокого сопротивления, имеющие ρ при нормальной температуре не менее 0,3 мкОм∙м. Металлы высокой проводимости используются для проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов и т.п. Металлы и сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления резисторов, электронагревательных приборов, нитей ламп накаливания и т.п.

Особый интерес представляют обладающие чрезвычайно малым удельным сопротивлением при весьма низких (криогенных) температурах материалы – сверхпроводники.

3.2. Классическая электронная теория металлов

участие в формировании ионной решетки, и электрон (либо два электрона), образующий электронный газ.

К электронному газу применялись представления и законы статистики обычных газов. При изучении хаотического (теплового) и направленного под действием силы электрического поля движения электронов был выведен закон Ома. При столкновениях электронов

54

теоретической и такова, как будто электронный газ не поглощает теплоту при нагреве металлического проводника.

на рис. 3.2, т.е. тепловое движение почти не изменяет энергию электронов. Поэтому на нагрев электронного газа теплота не затрачивается, что и обнаруживается при измерении теплоемкости металлов.

В состояние, аналогичное обычным газам, электронный газ приходит при температуре порядка тысяч кельвин.

3.3. Удельное сопротивление проводников

3.3.1. Зависимость удельного сопротивления металлов от температуры

Число носителей заряда (концентрация свободных электронов) в металлическом проводнике при повышении температуры практически остается неизменным. Однако вследствие усилений колебаний узлов кристаллической решетки с ростом температуры появляется все больше и больше препятствий на пути направленного движения свободных электронов под действием электрического поля, т.е. уменьшается средняя длина свободного пробега электрона λ, уменьшается подвижность электронов и, как следствие, уменьшается удельная проводимость металлов и возрастает удельное сопротивление (рис. 3.3).

56

Рис. 3.3. Зависимость удельного сопротивления меди от температуры (скачок соответствует температуре плавления меди 1083 С)

Зная значение удельного сопротивления материала 0 при температуре Т0 и его температурный коэффициент ТK , удельное сопротивление проводника при температуре Т можно определить по следующей формуле:

Температурный коэффициент удельного сопротивления ме-

таллов определяется формулой

Согласно классической теории, ТK чистых металлов в твердом состоянии должен быть близок к температурному коэффициенту расширения идеальных газов, т.е. 1/273 = 0,00367 К 1.

У некоторых сплавов ТK может приобретать нулевые и даже небольшие отрицательные значения. Такое изменение ρ можно объяснить тем, что вследствие более сложной структуры сплава по сравнению с чистыми металлами его уже нельзя рассматривать как классический металл, т.е. изменение удельной проводимости у

57

сплава обусловливается не только изменением подвижности носителей заряда, но в некоторых случаях и частичным возрастанием концентрации носителей заряда при повышении температуры.

3.3.2. Удельное сопротивление сплавов

Примеси и нарушения правильной структуры металлов ведут к увеличению их удельного сопротивления. Значительное возрастание наблюдается при сплавлении двух металлов в том случае, если они образуют твердый раствор, проходят при отвердевании совместную кристаллизацию и атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого.

Зависимость удельного сопротивления сплава двух металлов, образующих друг с другом твердый раствор, от изменения содержания каждого из них в пределах от 0 до 100 % представлена на рис. 3.4. Кривая ρ имеет максимум, соответствующий некоторому определенному соотношению между содержанием компонентов в сплаве. При уменьшении содержания каждого из компонентов сплава падает, приближаясь к соответствующим значениям чистых металлов.

Рис. 3.4. Зависимость удельного сопротивления сплавов медь-никель от состава

58

Два проводника, выполненные из металлов А и В, соединяются между собой посредством сварки, образуя горячий спай (на рис. 3.5 горячий спай имеет температуру Т1). С другой стороны проводники соединяются между собой через электроизмерительный прибор (mV), образуя холодный спай с температурой Т2.

Если температуры горячего и холодного спаев одинаковы (Т1 = Т2), то сумма разностей потенциалов в замкнутой цепи из двух (или большего числа) металлов равна нулю. Если же один из спаев имеет температуру Т1, а другой Т2, причем Т1 Т2, между спаями возникает термоЭДС:

где ψ – постоянный для данной пары проводников коэффициент термоЭДС.

Как следует из формулы (3.5), термоЭДС пропорциональна разности температур спаев. Измерение температуры посредством термопары состоит в следующем: горячий спай помещается в исследуемую область, температура которой отличается от температуры окружающей среды (температуры холодного спая). В цепи появляется термоЭДС, и электроизмерительный прибор показывает ее величину U. Зная материал термопары (ψ) и температуру холодного спая Т2, можно определить искомую температуру горячего спая Т1.

3.5.Материалы высокой проводимости

Кнаиболее широко распространенным материалам высокой проводимости следует отнести медь, алюминий и железо.

60