Пробій газів

Повітря є найпоширенішим ізоляційним середовищем, що використову-ється в різних електротехнічних системах. Пробій повітря та інших газів слід розглядати як наслідок розвитку процесів ударної іонізації і фотоіонізації.

При впливі поля позитивні й негативні іони й електрони, що містяться в газі та знаходяться в безладному тепловому русі, починають переміщуватися в напрямку поля. При цьому вони одержують додаткову енергію W = q U _, де q – заряд, U -різниця потенціалів на довжині вільного пробігу.

При однорідному полі можна вважати, що U = Е l, де Е - напруженість поля, l – довжина вільного пробігу зарядженої частки. Тоді

W = q E l . (4.1)

Ця енергія віддається атомам чи молекулам газу в момент зіткнення. Якщо ця енергія досить велика, то при зіткненні відбувається збудження атомів або молекул і навіть іонізація молекул.

Енергію іонізації звичайно характеризують іонізаційним потенціалом U_и =W_и / q. Іонізаційний потенціал різних газів знаходиться в межах від 4 до 25В, що відповідає енергії іонізації від 4 до 25еВ.(табл.4.1)

Таблиця 4.1. Іонізаційний потенціал деяких газів

Газ	H2	N2	O2	Cl2	Xe	Kr	Ar	He
Потенціал іонізації, В	15,4	15,6	12,1	11,5	12,1	14	15,8	24,6

Швидкість і відповідно енергія електронів, яку вони здобувають при русі в електричному полі, визначаються в основному характером їхніх зіткнень з мо-лекулами й атомами даного газу. Якщо електрони в газі при зіткненні з молеку-лами чи атомами випробують відносно велике число непружних зіткнень, що характерно для складних молекул газу, то для досягнення ними енергії, необ-хідної для іонізації, потрібна велика напруженість електричного поля. Елек-трична міцність такого газу буде високою. Тому часто газу з малим іонізацій-ним потенціалом відповідає велика електрична міцність і навпаки. Так, одно-атомні гази Ne, He, хоча і володіють високим іонізаційним потенціалом, але мають низьку електричну міцність. Зіткнення позитивних і негативних іонів з частками газу навіть при енергіях порядку тисячі електрон-вольт не приводить до іонізації газу. Пояснюється це тим, що:

-електрони мають у 100-1000 разів більшу рухливість, ніж іони;

-електрони мають на порядок більшу довжину вільного пробігу, ніж іони;

-енергія, передана іоном периферичному електрону нейтральної частки мала, тому умови для відщеплення електрона несприятливі.

У той же час, позитивні іони можуть вивільняти електрони з металу, бом-бардуючи поверхню катода.

У ряді випадків електрон, розігнаний електричним полем, не іонізує моле-кулу, а переводить її в збуджений стан. При переході в урівноважений стан ця молекула віддає свою надлишкову енергію у вигляді випромінювання – випус-кає фотон. Якщо цей фотон буде поглинутий якою-небудь молекулою, то це може привести до її іонізації. Швидкість руху фотона більша, ніж швидкість руху електронної лавини. Вона складає 3 *10⁸ м/с. Фотони обганяють елек-тронну лавину й іонізують частки газу попереду основної лавини. Звільнені при цьому електрони породжують нові лавини далеко перед першою. У наступних стадіях окремі лавини, наганяючи одна одну, утворюють суцільний канал іоні-зованого газу з підвищеною провідністю, який називається стрімером.

Одночасно з ростом стрімера, спрямованого від катода до анода, почина-ється утворення зустрічного лавинного потоку позитивно заряджених часток, спрямованого до катода. Утворюється розрядний канал у вигляді плазми з над-лишковим позитивним зарядом.

Під впливом ударів позитивних іонів на катоді утворюється катодна пляма, що випромінює електрони.

У результаті зазначених процесів і виникає пробій газу. Чим більше при-кладена напруга до газового проміжку, тим швидше відбувається пробій.

Якщо напруга подається у вигляді імпульсу, то чим менше тривалість ім-пульсу, тим більше пробивна напруга. Ця зміна пробивної напруги характе-ризується коефіцієнтом імпульсу , де - напруга пробою при імпульсній напрузі, - напруга пробою при постійній напрузі чи змінній напрузі з частотою 50 Гц.

Регламентуються дві форми випробувальних імпульсів: 1) грозовий ім-пульс з тривалістю переднього фронту 1,2 мкс і тривалістю імпульсу 50 мкс;

2) комутаційний імпульс з тривалістю переднього фронту імпульсу 250 мкс і тривалістю імпульсу 2500 мкс.

Грозовий імпульс умовно позначають символом 1,2/50, а комутаційний – 250/2500.

Для газових проміжків з однорідним чи слабко неоднорідним полями коефіцієнт імпульсу для стандартних імпульсів практично дорівнює одиниці. У випадку сильно неоднорідного поля в газовому проміжку коефіцієнт імпульсу залежить від полярності імпульсу, ступеня неоднорідності, довжини проміжку і для грозового імпульсу може істотно перевищувати одиницю.

Пробій газу в однорідному полі

Однорідне електричне поле може бути отримане між плоскими електро-дами із закругленими краями, а також між сферами, якщо відстань між ними не перевищує їхнього діаметра. Час розвитку пробою в однорідному полі складає 10^-7 – 10^-8с, причому величина напруги пробою залежить від температури і тиску наповнюючого газу. При нормальному тиску (0,1Мпа) і температурі 20^оС електрична міцність повітря при відстані між електродами в 1 см складає близько 3,2 МВ/м. Зі зменшенням відстані між електродами електрична міц-ність збільшується, що пояснюється труднощами формування розряду.

Відповідно до закону Пашена в однорідному електричному полі при не-змінній температурі напруга пробою є функцією тиску наповнюючого газу і відстані між електродами Uпр = f(ph). Дана залежність наведена на рис.4.2. Мінімальне значення пробивних напруг для різних газів складає 280-420 В. Для повітря - біля 300В. При підвищенні тиску понад 100кПа відстань між молекулами зменшується, у результаті чого зменшується довжина вільного пробігу електронів і відповідно збільшується електрична міцність. Спадання напруги спостерігається при зменшенні тиску нижче атмосферного до певної величини.

U_{пр max}

_{Повітря}

H₂

ph

Рис.4.2 – Залежність U_{пр max} =f(ph) для повітря і водню

Подальше зменшення тиску приводить до зростання електричної міцності, що пояснюється зменшенням числа молекул в одиниця об'єму газу і зниженням імовірності зіткнень електронів з молекулами. При високому вакуумі електрична міцність досягає великих значень (порядку 10² МВ/м). У цьому разі на величину електричної міцності впливає матеріал і стан поверхні електродів, тому що можливе виникнення "холодної" емісії електронів з поверхні електродів.

Електрична міцність залежить від хімічного складу газу. Меншою елек-тричною міцністю в порівнянні з повітрям володіють інертні гази, що викорис-товуються для заповнення джерел світла і електровакуумних приладів. Висо-кою електричною міцністю відрізняються деякі важкі гази з високою молеку-лярною масою. Прикладом може служити елегаз (SF₆), фреон (CCl₂F₂). Їхня електрична міцність практично в 2,5 раза вище, ніж у повітря.

Пробій газів у неоднорідному електричному полі

Неоднорідне електричне поле виникає між електродами: голкою і площи-ною, двома голками, двома сферами, при відстані між ними, що перевищує радіус сфер, проводами і т.д. Пробій газу в неоднорідному електричному полі підкоряється вже іншим закономірностям. Особливістю даного пробою є ви-никнення часткового розряду у вигляді корони в місцях, де напруженість елек-тричного поля досягає критичних значень, з наступним переходом корони в іскровий розряд і дугу при зростанні напруги. При цьому в газах спостергається ефект полярності, який полягає в тому, що величина напруги пробою залежить від полярності підведеної напруги. При рівних умовах для несиметричних електродів голка-площина пробивна напруга при позитивній полярності голки значно нижче, ніж при негативній.

Пробій рідких діелектриків

Рідкі діелектрики мають більш високу електричну міцність ніж гази, що обумовлено значно меншою довжиною вільного пробігу електронів. Теорію електричного пробою, розглянуту для газів, можна застосувати і для рідких діелектриків за умови , що вони будуть максимально очищені від домішок.

Електрична міцність технічних рідких діелектриків істотно залежить від наявності забруднень, зменшуючись у міру збільшення полярності рідини і, відповідно, зростання її дісоціюючої здатності. Різке зниження електричної міцності спостерігається при влученні в рідкий діелектрик навіть невеликої кількості води. У трансформаторній олії вода звичайно знаходиться у вигляді емульсії, тобто у вигляді дрібних зважених часток. Під впливом електричного поля частки води поляризуються і утворюють між електродами ланцюжки з підвищеною провідністю, по яких і відбувається пробій.

Досвід експлуатації рідких діелектриків свідчить, що електрична міцність істотно знижується при наявності в них волокнистих домішок. Це пов'язано з високою гігроскопічностю волокон, зволоження яких підвищує їхню діелек-тричну проникність. Під впливом електричного поля волокна прагнуть виши-куватися уздовж силових ліній поля , що полегшує умови пробою.

На пробій рідких діелектриків впливає форма електродів: зі збільшенням ступеня неоднорідності електричного поля пробивна напруга рідкого діелек-трика зменшується.

Зміна електричної міцності спостерігається в міру збільшення числа про-боїв у тому самому об'ємі рідини, що пов'язано із забрудненням діелектрика продуктами розкладання в місці пробою.

При збільшенні температури електрична міцність чистих рідких діелек-триків практично не змінюється доти, поки не починається кипіння легких масляних фракцій і утворення при цьому пухирців пару, що приводить до утворення газового містка між електродами. З цього моменту Е_пр рідкого діелектрика починає зменшуватися.

В очищених від домішок рідинах при високих значеннях напруженості електричного поля може відбуватися виривання електронів з металевих елек-тродів і, як і у випадку пробою газів, руйнування молекул самої рідини за рахунок зіткнень із зарядженими частками.

Пробій твердих діелектриків

Для твердих діелектриків характерні такі види пробою: 1) електричний ;

2) електротепловий; 3) електрохімічний.

Залежно від різних факторів у тому самому діелектрику можуть виникати зазначені види пробою.

Електричний пробій за своєю природою є електронним процесом, коли з деяких початкових електронів у твердому тілі утворюється електронна лавина. Він обумовлений ударною іонізацією чи розривом зв'язків між частками діелектрика під дією електричного поля. Відповідно до теорії А.А.Воробйова, електрична міцність діелектриків збільшується зі зростанням енергії криста-лічних граток. У рівномірному електричному полі вільні електрони, появі яких сприяє автоелектронна емісія, прискорюються і, зіштовхуючись з вузлами крис-талічних граток, віддають їм накопичену енергію. Електрони, що досягли критичної швидкості, роблять відщеплення нових електронів, і стаціонарний стан порушується унаслідок виникнення ударної іонізації. У процесі ударної іонізації при взаємодії носіїв зарядів з електронами відбувається порушення хімічних зв'язків і перехід твердої речовини в стан частково іонізованої газової плазми, яка поширюється в напрямку потоку носіїв заряду. Потенціал заряду виноситься в головну частину каналу. Процес далі йде доти, поки канал не перетне весь розрядний проміжок.

Чисто електричний пробій має місце, коли виключений вплив електропро-відності і діелектричних втрат, а також відсутня іонізація газових включень. Цей вид пробою протікає практично миттєво за час 10^-7-10^-8с.

Більшість технічних діелектриків відрізняються неоднорідністю структури. Наявність у них включень з підвищеною провідністю і діелектричною проник-ністю приводить до викривлення електричного поля, утворення всередині діе-лектрика ділянок з підвищеною провідністю. Це приводить до зменшення елек-тричної міцності неоднорідних діелектриків.

У сильно неоднорідному електричному полі у твердих діелектриках може мати місце ефект полярності, причому менша пробивна напруга відповідає позитивній полярності електрода з малим радіусом кривизни. Незважаючи на те, що у твердих діелектриках ефект полярності виражений слабкіше, ніж у газоподібних, розходження пробивних напруг може досягати 20-30%.

Низькою електричною міцністю відрізняються пористі діелектрики, нап-риклад, непросочений папір, дерево, кераміка і т.д. З метою підвищення елек-тричної міцності проводять їхнє просочення чи покриття спеціальними скла-дами, що обмежують доступ вологи всередину діелектрика.

Тепловий пробій твердих діелектриків виникає в тому випадку, коли кількість теплової енергії, що виділяється в діелектрику внаслідок діелектрич-них втрат, стійко перевищить кількість енергіїї, що діелектрик здатний пере-дати в навколишнє середовище. Необмежений ріст температури закінчується тепловим руйнуванням діелектрика. Таким чином, тепловим пробоєм назива-ється пробій, обумовлений порушенням теплової рівноваги діелектрика внас-лідок діелектричних втрат.

Пробій, як правило, відбувається в тому місці діелектрика, де умови тепло-відводу найгірші, тому величина U_пр залежить від властивостей того середови-ща, у якому знаходиться діелектрик. З ростом температури навколишнього середовища пробивна напруга експоненціально зменшується, що пов'язано зі збільшенням кількості енергії, яка виділяється в діелектрику в результаті діелектричних втрат, і зменшенням кількості енергіїї, яку діелектрик здатний відводити в навколишнє середовище.

При пробої товстих зразків тепловідвод від внутрішніх областей утруд-нений, тому вони перегріті більше, і в результаті цього в міру збільшення тов-щини зразків Е_пр зменшується.

Зменшення Е_пр спостерігається також при тривалій витримці зразка під напругою, тому що діелектрик за цей час нагрівається більше за рахунок діе-лектричних втрат.

Розглянемо методику спрощеного розрахунку пробивної напруги при тепловому пробої однорідного діелектрика, в якому переважними є втрати, обумовлені наскрізною електропровідністю. Значення потужності, що розсію-ється в діелектрику, виражається формулою

(4.2 )

З огляду на, що експоненціально залежить від температури, наведену формулу можна перетворити до виду

, (4.3)

де - прикладена напруга; - частота; - відносна діелектрична проникність

(вважаємо її незалежною від температури); - тангенс кута діелектричних втрат при температурі навколишнього середовища; - температурний коефі-цієнт тангенса кута діелектричних утрат; Т - температура нагрітого за рахунок діелектричних втрат матеріалу; Т_о - температура навколишнього середовища;

- площа електрода; h - товщина діелектрика.

Якщо товщина діелектрика не дуже велика, то можна припустити, що тем-пература по всьому об'єму матеріалу, що знаходиться між електродами, одна-кова, тобто крайовим ефектом можна знехтувати.

Оскільки теплопровідність металу електродів на два-три порядки більше, ніж теплопровідність діелектрика, то тепловідводом через торцеву поверхню діелектрика зневажаємо і припускаємо, що тепловідвод від нагрітого об'єму, розповсюджується в навколишнє середовище через електроди. Потужність, що відводиться від діелектрика, виразимо за допомогою формули Ньютона:

, (4.4)

де - сумарний коефіцієнт теплопередачі від діелектрика в зовнішнє середовище.

На рис. 4.4 наведені експоненти тепловиділення при різних зна-ченнях прикладеної напруги і пряма теплопередачі .

Коли до діелектрика прикладається напруга, він нагрівається до темпера-тури Т₁, при якій настає стійка теплова рівновага, тому що потужність теплови-ділення дорівнює потужності, що відводиться від зразка. Ця напруга не є небезпечною для зразка, якщо нагрів до температури Т₁ не приводить до меха-нічного чи хімічного руйнування структури матеріалу. При перевищенні темпе-ратури діелектрика з якихось причин, він повинний мимовільно повернутися в стійкий стан у зв'язку з тим, що ордината потужності, що відводиться, більше ординати тепловиділення.

Підвищення напруги супроводжується нагріванням діелектрика до температури Т₂, коли настає хитка теплова рівновага.

Незначна зміна температури приведе до перевищення потужності тепло-виділення над потужністю, що відводиться від зразка. Температура діелектрика збільшується, що з часом приводить до його теплового руйнування. При по-дальшому збільшенні напруги (крива Р_а3) теплова рівновага не настає і темпе-ратура діелектрика постійно росте. Напруга, при якій має місце хиткий гра-ничний режим, може бути прийнята за напругу теплового пробою U_пр. Його можна визначити за двома умовами:

; (4.5)

(4.6)

Умова (4.5) виконується тільки для граничного режиму, а умова (4.6) - для усіх випадків усталеної роботи діелектрика під напругою.

Використовуючи вирази (4.3 ) – (4.4 ), маємо

; (4.7)

. (4.8)

Розділивши вираз (4.8) на (4.7), одержимо

. (4.9)

Підставляючи (4.9) у (4.8) і вирішуючи його відносно U , визначимо U_пр:

(4.10)

де К - числовий коефіцієнт, рівний 1,15*10⁵, якщо усі величини, що мають розмірності, виражені в системі СІ.

З отриманого виразу випливає, що напруга теплового пробою буде вище, якщо умови тепловідводу краще і діелектрик має більшу товщину. Збільшення частоти прикладеної напруги, коефіцієнта діелектричних втрат і тангенса кута діелектричних втрат зменшує напругу пробою.

Коли перегрів діелектрика обумовлений тільки втратами на електропро-відність, то вираз (4.10) за допомогою (3.9) і (2.11) перетвориться до виду

(4.11)

де К₁=0,86; -температурний коефіцієнт питомої провідності.

У реальних умовах явище теплового пробою протікає більш складно, чим було розглянуто. По товщині діелектрика виникає перепад температури, серед-ній шар виявляється нагрітим вище, ніж прилягаючі до електродів, опір його падає, що призводить до викривлення електричного поля і підвищення гра-дієнта напруженості в поверхневих шарах. Має значення також теплопро-відність матеріалу електродів. Усе це призводить до пробою діелектрика при більш низьких напругах, ніж ті, які одержані в результаті розрахунку.

Різновидом теплового пробою можна вважати іонізаційний пробій. Він характерний для неоднорідних діелектриків, що містять включення зі зниже-ною електричною міцністю, наприклад, газові включення. Таке включення можна представити у вигляді елементарного конденсатора, на обкладках якого при додаванні зовнішнього поля починає накопичуватися заряд. У зв'язку з тим, що діелектрична проникність включення завжди менше значення проникності навколишнього матеріалу, в перерізі діелектрика відбувається перерозподіл напруженості поля, що приводить до збільшення напруженості у включенні. Навіть при помірній напрузі, прикладеній до діелектрика, напруженість у вклю-ченні може досягти величини, достатньої для виникнення іонізаційного про-цесу, що приводить до розряду. Пробій газового чи рідкого включення діе-лектрика називається частковим розрядом.

Після завершення розряду напруга на включенні знову починає наростати доти, поки наступить новий пробій. Кожен розряд супроводжується нейтра-лізацією деякого заряду . Для оцінки інтенсивності іонізації використовують добуток середнього значення компенсованого заряду при одному імпульсі на кількість імпульсів у секунду n. Цей добуток має розмірність струму й одержав назву відносної інтенсивності іонізації.

У результаті іонізаційних втрат розігрівається поверхня закритих пір, ви-никають локальні перепади температури і пов'язані з ними термомеханічні нап-руги. Це може призвести до розтріскування діелектрика.

Електрохімічний пробій спостерігається при постійній і змінній напругах низької частоти, коли електричне поле викликає необоротні зміни електроізо-ляційного матеріалу. Унаслідок цього зменшується електричний опір доти, поки не наступить пробій. Даний процес називається електрохімічним старін-ням матеріалу.

Для розвитку електрохімічного пробою потрібен тривалий час, тому що він зв'язаний з процесом електропровідності. Він може мати місце при високих частотах, якщо в закритих порах матеріалу відбувається іонізація газу, що суп-роводжується тепловим ефектом і відновленням, наприклад у кераміці, окислів металів змінної валентності.

Електрохімічний пробій діелектриків має істотне значення при підвищених температурах і високій вологості.

Поверхневий пробій являє собою пробій рідини чи газу поблизу поверхні твердого діелектрика. У разі поверхневого пробою електрична міцність твер-дого діелектрика не порушується, але утворення провідного каналу на поверхні істотно обмежує робочу напругу ізолятора.

Чим сильніше виражені гідрофільні властивості діелектрика, тим значніше зменшується поверхнева пробивна напруга, особливо в умовах підвищеної во-логості.

Значення поверхневої пробивної напруги багато в чому залежить від кон-фігурації електродів, габаритних розмірів і форми твердого діелектрика. Коли діелектрик експлуатується на повітрі, то напруга поверхневого пробою зале-жить від температури, тиску, відносної вологості повітря і частоти прикладеної напруги.

Для запобігання поверхневого пробою доцільно збільшувати довжину розрядного шляху уздовж поверхні твердого діелектрика. З цією метою ство-рюють ребристі поверхні ізоляторів, виконують проточки різних канавок, виго-товляють конструкції з "утопленими " електродами. Підвищення робочих нап-руг досягається також згладжуванням неоднорідностей електричного поля за рахунок зміни форми електродів чи оптимізації конструкції ізолятора. Анало-гічний ефект може бути отриманий при нанесенні на поверхню ізолятора на-півпровідних покрить чи діелектричних плівок з підвищеною діелектричною проникністю.

Ефективним заходом боротьби з поверхневим пробоєм є заміна повітря рідким діелектриком. Підвищена в порівнянні з повітрям діелектрична проник-ність рідин сприяє зниженню напруженості поля на поверхні твердого діелек-трика, що дозволяє підвищити робочу напругу.

Класифікація діелектриків

Відповідно до зонної теорії твердого тіла діелектрик - це речовини, у яких заборонена зона настільки велика, що в нормальних умовах електропровідність у них відсутня.

По призначенню діелектричні матеріали можна розділити на електроізоляційні матеріали й активні діелектрики.

Електроізоляційними називають матеріали, застосовувані для створення електричної ізоляції між різними струмоведучими частинами радіоелектронної апаратури.

Активними діелектриками називають матеріали, застосовувані для посилення, генерації і перетворення електричних сигналів.

По агрегатному стану діелектричні матеріали підрозділяють на тверді, рідкі і газоподібні. В особливу групу можна виділити матеріали, що твердіють, що у вихідному стані є рідинами, але в процесі виготовлення ізоляції твердіють й у період експлуатації являють собою тверді речовини, наприклад лаки, компаунди. По хімічній основі діелектричні матеріали підрозділяють на органічні, неорганічні і елементоорганічні — проміжні по своєму складу між першими двома.

Органічними називають матеріали, що містять у своєму складі вуглець. Матеріали, до складу яких вуглець не входить, називають неорганічними. Однак є ряд з'єднань, що мають у своєму складі вуглець і стосовних до неорганічних речовин: оксиди вуглецю, сірковуглець, вугільна кислота і її солі.

Органічні діелектрики більш гнучкі й еластичні в порівнянні з неорганічними, але вони, за невеликим винятком, менш нагрівостійкі.

Останнім часом діелектричні матеріали усе ширше застосовують при виготовленні різних радіоелектронних приладів і пристроїв, отже, ростуть і вимоги, пропоновані до діелектриків.

Для оцінки експлуатаційних властивостей діелектриків і можливих областей їхнього застосування необхідно вивчити фізичні явища, що мають місце в матеріалах при впливі на них електромагнітного поля, і визначити параметри: поляризацію, електропровідність, діелектричні втрати, електричну міцність, а також фізико-хімічні і механічні властивості. Крім того, потрібно установити параметри, що кількісно визначають властивості діелектричних матеріалів.

Полімер (рос. полимеры, англ. polymers, нім. Polymere n pl, Polymerisate n pl) — природні та штучні сполуки, молекули яких складаються з великого числа повторюваних однакових або різних за будовою атомних угруповань, з'єднаних між собою хімічними або координаційними зв'язками в довгі лінійні або розгалужені ланцюги. Структурні одиниці, з яких складаються полімери називаються мономерами

Розмір молекули полімеру визначається ступенем полімеризації n, тобто числом ланок у ланцюзі. Якщо n = 10…20, речовина відноситься до легких масел. Зі зростанням n збільшується в'язкість, речовина стає воскоподібною, нарешті, при n = 1000 утворюється твердий полімер. Ступінь полімеризації необмежений: він може бути 104, і тоді довжина молекул досягає мікрометрів. Молекулярна маса полімеру дорівнює добутку молекулярної маси мономера та ступеня полімеризації. Зазвичай молекулярна маса перебуває в межах 103 … 3*105. Більша довжина молекул перешкоджає їхньому правильному впакуванню, і структура полімерів варіює від аморфної до частково кристалічної. Частка кристалічності значною мірою визначається геометрією ланцюгів. Чим ближче укладаються ланцюги, тим більш кристалічним полімер стає. Кристалічність, зазвичай, навіть у найкращому разі виявляється недосконала.

Аморфні полімери плавляться в діапазоні температур, яка залежить не тільки від їхньої природи, але й від довжини ланцюгів; кристалічні мають точку плавлення.

В основу класифікації полімерів закладені різні ознаки: походження, склад, методи утворення, структура, галузі використання. Так за походженням полімери поділяються на:

природні або натуральні, до яких відноситься велика група (білки, крохмаль, целюлоза, натуральний каучук, природний графіт та ін.).

синтетичні — утворені синтезом з низькомолекулярних речовин — мономерів (поліетилен з етилена, полістирол із стирола). Це ведуча група, тому що синтез дозволяє цілеспрямовано регулювати склад і властивості.

штучні — утворюються з природних полімерів шляхом їхньої хімічної модифікації (наприклад, при взаємодії целюлози з азотною кислотою утворюється нітроцелюлоза).

Природні полімери утворюються в результаті життєдіяльності рослин і тварин й утримуються в деревині, вовні, шкірі. До природних полімерів відносять протеїн, целюлоза, крохмаль, шелак, лігнін, латекс.

Зазвичай природні полімери піддаються операціям виділення очищення, модифікації, при яких структура основних ланцюгів залишається незмінною. Продуктом такої переробки є штучні полімери. Прикладами є натуральний каучук, виготовлений з латексу, целулоїд, що представляє собою нітроцелюлозу, пластифіковану камфорою для підвищення еластичності.

Природні та штучні полімери відіграють велику роль у сучасній техніці. Різке зростання виробництва та споживання органічних матеріалів відбулося за рахунок синтетичних полімерів — матеріалів, отриманих синтезом з низькомолекулярних речовин не природній аналогів. Без полімерів уже не може обійтися жодна галузь техніки, тим більше нової. За хімічною структурою полімери поділяються на лінійні, розгалужені, сітчасті та просторові. Молекули лінійних полімерів хімічно інертні відносно одна одної і зв'язані між собою лише силами Ван-дер-Ваальса. При нагріванні в'язкість таких полімерів зменшується і тоді вони здатні зворотно переходити спочатку у високоеластичний, а потім й у в'язкотекучій стан. Оскільки єдиним наслідком нагрівання є зміна пластичності, лінійні полімери називають термопластичними. Не слід уважати, що термін «лінійні» позначає прямолінійні, навпаки, для них більше характерна зубаста або спіральна конфігурація, що надає таким полімерам механічну міцність.

Термопластичні полімери можна не лише плавити, але й розчиняти, тому що зв'язки Ван-дер-Ваальса легко руйнуються під дією реагентів.

Розгалужені (щеплені) полімери більше міцні, ніж лінійні. Контрольоване розгалуження ланцюгів служить одним з головних промислових методів модифікації властивостей термопластичних полімерів. Сітчаста структура характерна тим, що ланцюги зв'язані один з одним, а це сильно обмежує рух і приводить до зміни як механічних, так і хімічних властивостей. Звичайна гума м'яка, але при вулканізації сіркою утворяться ковалентні зв'язки типу S-О, і міцність зростає. Полімер може отримати сітчасту структуру й спонтанно, наприклад, під дією світла, або кисню відбудеться старіння із втратою еластичності та працездатності. Нарешті, якщо молекули полімеру містять реакційні групи, то при нагріванні вони з'єднуються безліччю поперечних міцних зв'язків, полімер виявляється зшитим, тобто здобуває просторову структуру. Таким чином, нагрівання викликає реакції, різко та незворотньо, що змінюють властивості, матеріалу, що здобуває міцність і високу в'язкість, стає нерозчинним і неплавким. Внаслідок великої реакційної здатності молекул, яка проявляється при підвищенні температури, такі полімери називають термореактивними. Неважко уявити, що їхні молекули активні не тільки відносно одна одної, але й до поверхонь сторонніх тіл. Тому термореактивні полімери, на відміну від термопластичних, мають високу адгезовану здатність навіть при низьких температурах, що дозволяє використовувати їх як захисні покриття, клеїв і сполучного в композиційних матеріалах.

Термопластичні полімери отримують за реакцією полімеризації. При ланцюговій полімеризації молекулярна маса наростає майже миттєво, проміжні продукти нестійкі, реакція чутлива до присутності домішок і вимагає, як правило, високих тисків. Не дивно, що такий процес у природних умовах неможливий, і всі природні полімери утворилися іншим шляхом. Сучасна хімія створила новий інструмент — реакцію полімеризації, а завдяки йому великий клас термопластичних полімерів. Реакція полімеризації реалізується лише в складних апаратурах спеціалізованих виробництв, і термопластичні полімери споживач одержує в готовому вигляді.

Реакційність молекули термореактивних полімерів можуть утворитися більше простим і природним шляхом— поступово від мономера до димеру, потім до тримеру, тетрамеру і т. д. Таке об'єднання мономерів, їхню «конденсацію», називають реакцією поліконденсації; вона не вимагає ні високої чистоти, ні тисків, але супроводжується зміною хімічного складу, а часто й виділенням побічних продуктів (звичайно водяної пари). Саме ця реакція реалізується в природі; вона може бути легко здійснена за рахунок лише невеликого нагрівання в найпростіших умовах, аж до домашніх. Така висока технологічність термореактивних полімерів надає широкі можливості виготовляти різні вироби на нехімічних підприємствах, у тому числі на радіозаводах.

Полімери здебільшого аморфні речовини. Довгі ланцюжки та велика молекулярна маса не дозволяють полімерам переходити до рідкого стану (швидше наступає хімічний розпад). Проте при підвищенні температури з полімерами відбуваються зміни — вони розм'якають і стають дуже пластичними. Температура переходу від крихкого стану до пластичного називається температурою склування. Температура склування не є чітко визначеною температурою фазового переходу, а радше вказує на температурний діапазон, у якому відбуваються зміни. При низьких температурах полімери є досить крихкими матеріалами.

Здебільшого використовуються механічні властивості полімерів. При темературі вищій за температуру склування їх неважко пресувати в довільну форму, при застиганні вони зберігають форму й можуть слугувати для інкапсуляції та інших цілей. Проте спряжені полімери дедалі частіше використовуються як органічні напівпровідники.

Структурні елементи полімерів — макромолекули. Структура макромолекули — це складне поняття, яке включає хімічну будову, довжину і розподіл за довжинами та молекулярними масами, просторове розташування ланок, форму макромолекули. Знання основних параметрів структури дає можливість її регулювати і впливати на властивості.

При розгляді структури полімеру потрібно враховувати:

будову кінцевих груп, які відрізняються від будови основної ланки, яка повторюється (це суттєво для олігомерів);

неоднорідність хімічного складу (результат побічних реакцій при утворенні);

неоднорідність за числом складових ланок, обумовлену статистичним характером протікання реакцій утворення;

різне просторове розміщення ланок у макромолекулі;

надмолекулярну структуру.

Смо́ли — збірна назва аморфних речовин твердих при нормальних умовах, які при розм'якшенні або нагріванні втрачають форму.

Загальний опис

Смоли мають подібність із восками, оскільки до їх складу входять естери. Але воски належать до числа аліфатичних сполук, а смоли в основному складаються зі сполук циклічних, частина яких має ароматичний характер.

У складі смол розрізняють такі групи сполук: смоляні кислоти, одно- або багатоатомні спирти (резиноли), ефіри смоляних кислот і резинолів або одноатомних фенолів (таннолів), інертні вуглеводні (резени). Нерідко в рослинних смолах присутні також речовини вуглеводного характеру — камеді. Подібні смоли називаються смолокамедями.

Секреторні виділення вищих (головним чином хвойних) рослин і їхнє призначення полягає в тому, щоб служити пластиром у випадку поранення рослин, причому смоли виділяються у вигляді бальзамів, тобто в суміші з ефірними оліями. При витіканні бальзаму з пораненого дерева легколеткі ефірні олійки випаровуються, а на рослинах накопичуються напливи смол — майбутні конкреції смол у викопному вугіллі.

Елементний склад смол наступний (%): С — 79, Н — 10, 0 — 11.

Рослинні смоли хімічно більш стійкі, ніж жири і воски, але деякі з них здатні гідролізуватися, утворюючи ароматичні кислоти (бензойну, коричну) і спирти, наприклад бензиловий. Частина смол може окиснюватися й полімеризуватися й здобувати при цьому ще більшу стійкість.

Смоли-зв'язуючі - вуглеводневі сполуки, молекулярна маса яких займає проміжне положення між маслами та асфальтенами. Вони мають порівняно високу поверхневу активність. З підвищенням температури до 200 - 300° С переходять в асфальтени. Смоли знижують температуру розм'якшення, підвищують еластичність і сприяють термічній стійкості зв’язуючих.

Пласти́чна ма́са (пластмаса) — штучно створені матеріали на основі синтетичних або природних полімерів.

За ДСТУ 2406-94: Пластична маса — матеріал, основою якого є полімер, що перебуває під час формування виробу у в'язкорідкому чи високоеластичному стані, а під час експлуатації — в склоподібному чи кристалічному стані

Пластмаси формують при підвищеній температурі, у той час коли вони мають високу пластичність. Сировиною для отримання полімерів є нафта, природний газ, кам'яне вугілля, сланці.

Поширенню пластмас сприяють їх мала густина (0,85—1,8 г/см³), що значно зменшує масу деталей, висока корозійна стійкість та широкий діапазон інших властивостей. Добрі антифрикційні характеристики багатьох пластмас дають можливість з успіхом застосовувати їх для виготовлення підшипників ковзання. Високий коефіцієнт тертя деяких пластмас дозволяє використовувати їх для гальмових пристроїв. Окремі пластмаси мають специфічні властивості: високі електроізоляційні та теплоізоляційні характеристики, велику прозорість, та ін.

Важливою перевагою пластмас є можливість їх переробки у вироби найпродуктивнішими способами з коефіцієнтом використання матеріалу 0,9-0,95 — литтям, видавлюванням тощо.

Водночас пластмасам притаманні і деякі недоліки: невисокі міцність, твердість і механічна жорсткість, велике значення коефіцієнта лінійного термічного розширення (~15×10-5 К-1), значна повзучість, особливо у термопластів, низька теплостійкість (більшість пластмас має робочу температуру не вищу, ніж 200 °C, і лише деякі можуть працювати при 300...400 °С), низька теплопровідність (в 500—600 разів менша, ніж у металів), схильність до старіння (втрата властивостей під впливом тепла, світла, води та інших факторів).

При старінні зменшується еластичність і міцність пластмас, збільшується їх механічна жорсткість і крихкість. Під еластичністю розуміють здатність матеріалу до великих зворотних деформацій. Цей термін за фізичним сенсом аналогічний пружності, але перший вживається для аморфних, а останній — для кристалічних тіл.

Твердість пластмас за методом Брінелля становить 30...200 МПа.

Більшість полімерів перебуває в аморфному (склоподібному) стані. Такі полімери називають смолами. В пластмасах може бути присутньою певна кількість кристалічної фази, яка підвищує міцність, жорсткість і теплостійкість полімера. У виробництві пластмас використовують в основному синтетичні смоли.

Крім полімерів пластмаси можуть містити наповнювачі, пластифікатори та спеціальні добавки, що надають пластмасі певних властивостей.

Наповнювачами (зміцнювальними компонентами) можуть бути органічні або неорганічні речовини у вигляді порошків (графіт, деревне або кварцове борошно), волокон (паперових, бавовняних, азбестових, скляних) або полотен чи аркушів (тканина, папір, деревний шпон). Наповнювачі підвищують міцність, зносостійкість, теплостійкість та інші властивості пластмас. Їх частка у пластмасі може досягати 40...80%.

Лаки - це розчини плівкоутворюючих речовин: смол, бітумів, олій, що висихають, ефірів целюлози або композицій цих матеріалів в органічних розчинниках. У процесі сушіння лаку з нього випаровуються розчинники, а в лакової основі відбуваються фізико-хімічні процеси, що призводять до утворення лакової плівки. За своїм призначенням електроізоляційні лаки ділять на просочувальні, покривні і склеювальні. Просочувальні лаки застосовуються для просочення обмоток електричних машин і апаратів з метою закріплення їх витків, збільшення коефіцієнта теплопровідності обмоток і підвищення їх вологостійкості. Покривні лаки дозволяють створити захисні вологостійкі, маслостойкие та інші покриття на поверхні обмоток або пластмасових і інших ізоляційних деталей (лак КО-916 или лак КО-921). Склеювальні лаки призначаються для склеювання листочків слюди один з одним або з папером і тканинами з метою отримання слюдяних електроізоляційних матеріалів (міканіти, мікалента та ін.) Емалі представляють собою лаки з введеними в них пігментами - неорганічними наповнювачами (окисел цинку, двоокис титану, залізний сурик і ін.) Пігменти вводяться з метою підвищення твердості, механічної міцності, вологостійкості, дутостойкості та інших властивостей емалевих плівок. Емалі відносяться до покривним матеріалами. За способом сушіння розрізняють лаки і емалі гарячої (пічний) і холодної (повітряної) сушіння. Перші вимагають для свого затвердіння високої температури - від 80 до 200 ° С, а другі висихають при кімнатній температурі. Лаки і емалі гарячої сушки, як правило, володіють вищими діелектричними, механічними та іншими властивостями. З метою поліпшення характеристик лаків і емалей повітряної сушки, а також для прискорення затвердіння їх сушку іноді проводять при підвищених температурах - від 40 до 80 ° С. Основні групи лаків мають такі особливості. Масляні лаки утворюють після висихання гнучкі еластичні плівки жовтого кольору, стійкі до вологи і до нагрітого мінерального масла.

Рідкий кристал - проміжна фаза (мезофаза) між ізотропною рідиною і кристалічним твердим тілом. Рідкі кристали це флюїди, молекули яких певним чином впорядковані, тобто існує певна симетрія. Як наслідок, існує анізотропія механічних, електричних, магнітних та оптичних властивостей речовин цього класу. Поєднуючи властивості рідин та твердих тіл (текучість, анізотропія), рідкі кристали проявляють специфічні ефекти, багато з яких не спостерігаються у рідинах та твердих тілах. Зокрема, в рідких кристалах спостерігається подвійне променезаломлення, флексоелектричний ефект, перехід Фредерікса.Мезогени

Речовини, молекули яких за певних умов здатні утворювати рідкокристалічні фази, називаються мезогенами. Як правило, ці молекули є певною мірою жорсткими та анізотропними (суттєво довші або коротші в одному напрямі, ніж в інших). Більшість мезогенів — це продовгуваті стрижнеподібні молекули. Менш поширені дископодібні молекули, хоча існують ще більш екзотичні форми молекул рідких кристалів.

Класифікація

Деякі мезогени можуть утворювати кілька мезофаз. В залежності від способу утворення мезофаз рідкі кристали поділяються на ліотропні та термотропні. Ліотропні рідкі кристали проявляють властивості мезофаз при певних концентраціях мезогену у розчиннику, в той час як термотропні рідкі кристали є мезофазами в певних температурних межах. Останні в свою чергу поділяються в залежності від способу впорядкування молекул (в залежності від симетрії) на нематичні рідкі кристали (нематики) та смектичні рідкі кристали (смектики). Нематики, молекули яких мають продовгувату стержневидну форму, характеризуються дальнім орієнтаційним порядком, проте не мають дальнього трансляційного порядку. Тобто, існує певний переважний напрям орієнтації довгих осей молекул нематика, який характеризується одиничним вектором і називається директором. Смектична мезофаза відрізняється від нематичної наявністю дальнього трансляційного порядку. Таким чином, молекули смектиків розміщуються шарами.

Холестеричні рідкі кристали (холестерики) складаються з оптично активних молекул, тобто несиметричних молекул із хіральністю. Холестеричні рідкі кристали характеризуються далеким порядком в одному напрямку, в якому директор є періодичною функцією. Період зміни напрямку директора називається кроком спіралі. Оскільки крок спіралі холестеричних рідких кристалів залежить від температури, вони міняють колір при нагріванні чи охолодженні.

Застосування рідких кристалів

Найпопулярніше поле для використання рідких кристалів — рідкокристалічні дисплеї. Принцип дії таких пристроїв заснований на ефекті електричного переходу Фредерікса — переорієнтації молекул рідкого кристалу в комірці за наявності прикладеної до цієї комірки напруги.

Крім цього, рідкі кристали застосовують при виготовленні термодавачів, детекторів НВЧ-випромінювання тощо

. Провідникові матеріали є метали та їх сплави.

З металевих провідникових матеріалів можуть бути виділені металивисокої провідності, що мають питомий опір (при нормальнійтемпературі не більше 0,05 мкОм (м, і сплави високого опору, які мають

(При нормальній температурі не менше 0,3 мкОм (м. Метали високоїпровідності використовуються для проводів, струмопровідних жил кабелів, обмотокелектричних машин і трансформаторів і т. п. Метали і сплави високогоопору застосовуються для виготовлення резисторів,електронагрівальних приладів, ниток ламп накалювання і т. п.

До рідким провідникам відносяться розплавлені метали і різніелектроліти. Для більшості металів температура плавлення висока; тількиртуть, що має температуру плавлення близько мінус 39 ° С, може бутивикористана в якості рідкого металевого провідника при нормальнійтемпературі. Інші метали є рідкими провідниками при підвищенихтемпературах.

Механізм проходження струму в металах - як у твердому, так і в рідкомустані - обумовлений рухом (дрейфом) вільних електронів підвпливом електричного поля; тому метали називають провідниками зелектронної електропровідністю або провідниками першого роду. Провідникамидругого роду, або електролітами, є розчини (зокрема, водні)кислот, лугів і солей. Проходження струму через ці речовини пов'язано зперенесенням разом з електричними зарядами іонів відповідно до законів

Фарадея, внаслідок чого склад електроліту поступово змінюється, а наелектродах виділяються продукти електролізу. Іонні кристали врозплавленому стані також є провідниками другого роду.

Всі гази і пари, в тому числі і пари металів, при низьких напруженостяхелектричного поля не є провідниками. Однак, якщо напруженістьполя перевершить деяке критичне значення, що забезпечує початокударної і фотоіонізації, то газ може стати провідником з електронною ііонної електропровідність. Сильно іонізований газ при рівності числаелектронів числа позитивних іонів в одиниці об'єму являє собоюособливу провідну середу, що носить назву плазми

Фізична природа електропровідності

Класична електронна теорія металів представляє твердий провідник увигляді системи, що складається з вузлів кристалічної іонної грати, усерединіякої знаходиться електронний газ з колективізованих (вільних)електронів. У вільний стан від кожного атома металу переходить відодного до двох електронів. До електронного газу застосовувалися уявлення ізакони статистики звичайних газів. При вивченні хаотичного (теплового) іспрямованого під дією сили електричного поля руху електронівбув виведений закон Ома. При зіткненнях електронів з вузламикристалічної решітки енергія, накопичена при прискоренні електронів велектричному полі, передається металевій основі проводчіка, внаслідокчого він нагрівається. Розгляд цього питання призвело до висновку закону

Джоуля-Ленца. Таким чином, електронна теорія металів дала можливістьаналітично описати і пояснити знайдені раніше експериментальним шляхомосновні закони електропровідності і втрат електричної енергії вметалах. Виявилось можливим також пояснити і зв'язок міжелектропровідність і теплопровідність металів. Крім того, деякідосліди підтвердили гіпотезу про електронний газ в металах, а саме:

1. При тривалому пропущенні електричного струму через ланцюг, що складаєтьсяз одних металевих провідників, не спостерігається проникнення атоміводного металу в інший.

2. При нагріванні металів до високих температур швидкість теплового рухувільних електронів збільшується, і найбільш швидкі з них можутьвилітати з металу, долаючи сили поверхневого потенційногобар'єру.

3. У момент несподіваної зупинки швидко рухався провідникавідбувається зміщення електронного газу за законом інерції в напрямкуруху. Зміщення електронів призводить до появи різниці потенціалів накінцях загальмованому провідника, і стрілка підключається до нихвимірювального приладу відхиляється за шкалою.

4. Досліджуючи поведінку металевих провідників у магнітному полі,встановили, що внаслідок викривлення траєкторії електронів вметалевої пластинки, вміщеній у поперечне магнітне поле, з'являєтьсяпоперечна ЕРС і змінюється електричний опір провідника.

Однак виявилися й суперечності деяких висновків теорії з досвідченимиданими. Вони складалися в розбіжності температурної залежності питомоїопору, що спостерігається на досвіді і що випливає з положень теорії; вневідповідність теоретично отриманих значень теплоємності металівдосвідченим даними. Видимий теплоємність металів менше теоретичної татака, як ніби електронний газ не поглинає теплоту при нагріванніметалевого провідника. Ці суперечності вдалося подолати,розглядаючи деякі положення з позицій квантової механіки. На відміну відкласичної електронної теорії в квантової механіки приймається, щоелектронний газ в металах при звичайних температурах знаходиться в станівиродження. У цьому стані енергія електронного газу майже не залежить відтемператури, тобто тепловий рух майже не змінює енергію електронів.

Тому на нагрів електронного газу теплота не витрачає, що івиявляється при вимірюванні теплоємності металів. У стан,аналогічне звичайним газів, електронний газ приходить при температурі порядкутисяч кельвінів. Представляючи метал як систему, в якій позитивнііони скріплюються за допомогою вільно електронів, що рухаються, легко зрозумітиприроду всіх основних властивостей металів: пластичності, Ковкість, гарноютеплопровідності і високої електропровідності.

Електричні властивості провідників. Вплив температури, домішок, дефектів структури на питомий опір првідників

До найважливіших параметрів, що характеризують властивості провідниковихматеріалів, відносяться:

1) питома провідність (або зворотна їй величина - питомий опір (,

2) температурний коефіцієнт питомого опору ТК (або ((,

3) коефіцієнт теплопровідності (т,

4 ) контактна різниця потенціалів і термоелектродвіжущая сила (термо-

ЕРС),

5) робота виходу електронів з металу,

6) межа міцності при розтягу (р і відносне подовження перед розривом (l/l.

Питома провідність і питомий опір провідників. Зв'язокщільності струму J (в амперах на квадратний метр) і напруженостіелектричного поля (в вольтах на метр) у провіднику дається відомоюформулою:

| J = (E | (2-1) |

(диференціальна форма закону Ома); тут ((в Сіменс на метр)параметр провідникового матеріалу, званий його питомою провідністю: уВідповідно до закону Ома у металевих провідників не залежить віднапруженості електричного поля Е при зміні останньої у вельмишироких межах. Величина (= 1/(, зворотній питомої провідності іяка називається коефіцієнтом опором, для що має опір R провідникадовжиною l з постійним поперечним перерізом S обчислюється за формулою

| (= RS/l | (2-2) |

Питомий опір вимірюється в му-метрах. Для вимірювання (провідникових матеріалів дозволяється користуватися Позасистемною одиницею

Ом (мм2/м; очевидно, що дріт з матеріалу довжиною 1 м з поперечнимперетином 1 мм2 має опір у Омаха, чисельно дорівнює (матеріалу в

Ом (мм2/м.

Діапазон значень питомого опору (металевих провідників

(при нормальній температурі) досить вузький: від 0,016 для срібла і доприблизно 10 мкОм (м для железохромоалюмініевих сплавів, тобто він займаєвсього три порядки. Питома провідність металевих провідників згіднокласичної теорії металів може бути виражена таким чином:

| (= (e2n0 ()/(2mvT) | (2-3) |

де е - заряд електрона; n0 - число вільних електронів в одиниці об'ємуметалу; (- середня довжина вільного пробігу електрона між двомазіткненні з вузлами решітки; т - маса електрона; vT - середня швидкістьтеплового руху вільного електрона в металі.

Перетворення виразу (2-3) на основі положень квантової механікипризводить до формули

| (= K02/3 (| (2-4) |

де K - чисельний коефіцієнт; інші позначення - колишні.

Для різних металів швидкості хаотичного теплового рухуелектронів vT (при певній температурі) приблизно однакові.

Незначно різняться також і концентрації вільних електронів П0

(наприклад, для міді та нікелю ця різниця менше 10%). Тому значенняпитомої провідності у (або питомого опору () в основному залежитьвід середньої довжини вільного пробігу електронів в

Рис. 2-1. Залежність питомого опору (міді від температури

даному провіднику (, яка, в свою чергу, визначається структуроюпровідникового матеріалу. Всі чисті метали з найбільш правильноюкристалічної гратами характеризуються найменшими значеннями питомоїопору; домішки, спотворюючи грати, призводять до збільшення (. Такогож висновку можна прийти, виходячи з хвильової природи електронів. Розсіюванняелектронних хвиль відбувається на дефектах кристалічної решітки, якіпорівнянні з відстанню близько чверті довжини електронної хвилі. Порушенняменших розмірів не викликають помітного розсіювання хвиль. У металевомупровіднику, де довжина хвилі електрона близько 0,5 нм, мікродефекти створюютьзначне розсіяння, яке зменшує рухливість електронів, і,отже, призводить до зростання (матеріала.

Температурний коефіцієнт питомого опору металів. Числоносіїв заряду (концентрація вільних електронів) в металевомупровіднику при підвищенні температури практично залишається незмінним.

Проте внаслідок посилення коливань вузлів кристалічної решітки із зростаннямтемператури з'являється все більше і більше перешкод на шляхуспрямованого руху вільних електронів під дією електричногополя, тобто зменшується середня довжина вільного пробігу електрона (.зменшується рухливість електронів і, як наслідок, зменшується питомапровідність металів і зростає питомий опір (рис. 2-1). Іншимисловами, температурний коефіцієнт питомого опору металів,

(коливань в мінус першого ступеня)

| TK (= ((= (1/() (d (/ dT) | (2-5) |

позитивним. Згідно з висновками електронної теорії металів значення ((.,чистих металів у твердому стані повинні бути близькі до температурногокоефіцієнту розширення ідеальних газів, тобто 1/273 (0,0037 К-1. Призміні температури у вузьких діапазонах на практиці допустима кусково -лінійна апроксимація залежності ((Т); в цьому випадку приймають, що

| (2 = (1 [1 + (((T2-T1)] | (2-6) | < p> де (1, і (2 - питомі опору провідникового матеріалу притемпературах Т1, і T2, відповідно (при цьому T2> Т1);

((- Так званий середній температурний коефіцієнт питомогоопору даного матеріалу в діапазоні температур від Т1, до Т2.

Зміна питомого опору металів при плавленні. При переході зтвердого стану в рідкий у більшості металів спостерігається збільшенняпитомого опору (, як це видно, наприклад, для міді, з рис. 2-1;проте у деяких металів (при плавленні зменшується. Питомийопір збільшується при плавленні у тих металів, у яких приплавленні збільшується обсяг, тобто зменшується щільність, і, навпаки, уметалів, що зменшують свій об'єм при плавленні, - галію, вісмуту, сурми (зменшується.

Питомий опір сплавів. Як вже вказувалося, домішки і порушенняправильної структури металів збільшують їх питомий опір.

Значне зростання (спостерігається при сплаву двох металів у томувипадку, якщо вони утворюють між собою твердий розчин, тобто при

(затвердження спільно кристалізуються, і атоми одного металу входять вкристалічну решітку іншого.

Теплопровідність металів. За передачу теплоти через метал в основномувідповідальні ті ж вільні електрони, які визначають іелектропровідність металів і число яких в одиниці об'єму металу вельмивелике. Тому, як правило, коефіцієнт теплопровідності (T металівнабагато більше, ніж коефіцієнт теплопровідності діелектриків. Очевидно,що за інших рівних умов, чим більше питома електричнапровідність у металу, тим більше повинен бути і його коефіцієнттеплопровідності. Легко також бачити, що при підвищенні температури, колирухливість електронів в металі і відповідно його питома провідність

(Зменшуються, відношення коефіцієнта теплопровідності металу до йогопитомої провідності (T/(має зростати. Математично це виражаєтьсязаконом Вчдемана-Франца-Лоренца:

| (T/(= LoT | (2-7) |

де Т-термодинамічна температура, К; Lo-число Лоренца, рівне

| Lo = ((2k2)/(3e2) | (2-8) |

Підставляючи в формулу (2-8) значення постійної Больцмана k = 1.38 (10-23 < br>Дж/К і заряду електрона е = 1,6 (10-19 Кл, отримуємо Lo = 2,45 (10-8 B2K2.

Термоелектродвіжущая сила. При зіткненні двох різнихметалевих провідників між ними виникає контактна різницяпотенціалів. Причина появи цієї різниці потенціалів полягає ввідмінності значень роботи виходу електронів з різних металів, а також уте, що концентрація електронів, а отже, і тиск електронногогазу у різних металів і сплавів можуть бути неоднаковими. З електронноїтеорії металів випливає, що контактна різниця потенціалів міжметалами А і В дорівнює

| UAB = UB - UA + (kT/e) ln (n0A/n0B) | (2-9) |

де UA та UB - потенціали дотичних металів; n0A і n0B - концентраціїелектронів в металах А і В, k - постійна Больцмана; e-абсолютнавеличина заряду електрона.

Якщо температури «спаїв» однакові, то сума різниці потенціалів взамкнутої ланцюга дорівнює нулю. Інакше йде справа, коли один з спаїв маєтемпературу T1, а інший-температуру Т2 (рис. 2-2).

Рис. 2-2. Схема термопари

У цьому випадку між спаямі виникає термо-ЕРС, що дорівнює

| U = (k/e) (T1 - T2) ln (n0A/n0B) | (2 -- 10) |

Що можна записати у вигляді

| U = ((T1 - T2) | (2-11) |

де (- постійна для даної пари провідників коефіцієнт термоЕРС, тобтотермо-ЕРС має бути пропорційна різниці температур спаїв.

Температурний коефіцієнт лінійного розширення провідників. Цейкоефіцієнт, цікавий не тільки при розгляді роботи різнихсполучених матеріалів у тієї чи іншої конструкції (можливістьрозтріскування або порушення вакуум-щільного з'єднання зі склом,керамікою при зміні температури і т. п.). Він необхідний також і длярозрахунку температурного коефіцієнту електричного опору проводу

| TKR = (R = ((- (l | (2-12) |

Матеріали з високою провідностю :мідь, алюміній,золото,срібло

Мідь. Переваги міді, що забезпечують їй широке застосування як провідникового матеріалу, такі:

1) мала питомий опір (з усіх матеріалів тільки срібло маєдещо менший питомий опір, ніж мідь);

2) достатньо висока механічна міцність;

3) задовільна в більшості випадків стійкість по відношенню докорозії (мідь окислюється на повітрі навіть в умовах високої вологостізначно повільніше, ніж, наприклад, залізо, інтенсивне окислення мідівідбувається тільки при підвищених температурах);

4) хороша оброблюваність (мідь прокатується в листи, стрічки тапростягається в дріт, товщина якої може бути доведена до тисячнихчасток міліметра);

5) відносна легкість пайки та зварювання.

Мідь отримують найчастіше шляхом переробки сульфідних руд. Післядекількох плавок руди і випалення з інтенсивним дуттям мідь, призначенадля електротехніки, обов'язково проходить процес електролітичної очищення.

Отримані після електролізу катодні пластини міді переплавляють в болванкимасою 80-90 кг, які прокочують і простягають у вироби потрібноїпоперечного перерізу. При виготовленні дроту болванки спершу піддаютьгарячої прокатки в так звану катанку діаметром 6,5-7,2 мм; потімкатанку протравлюють в слабкому розчині сірчаної кислоти, щоб видалити з їїповерхні оксид міді СuО, що утворюється при нагріванні, а потім вжепростягають без підігріву в дріт потрібних діаметрів - до 0,03-0,02 мм.

Стандартна мідь, у відсотках по відношенню до питомої провідностіякої іноді висловлюють питомі провідності металів і сплавів, ввідпаленого сост?? яніі при 20 ° С має питому провідність 58 мСм/м, тобто

(= 0,017241 мкОм (м. Тверду мідь вживають там, де треба забезпечитиособливо високу механічну міцність, твердість і опірністьстирання (для контактних проводів, для шин розподільних пристроїв,для колекторних пластин електричних машин та ін). М'які мідь у виглядідротів круглого і прямокутного перерізу застосовують головним чином уякості струмопровідних жил кабелів і обмотувальних проводів, де важливагнучкість і пластичність (не повинна пружинити при згині), а не міцність.

Мідь є порівняно дорогим і дефіцитним матеріалом. Тому вонамає витрачатися дуже економно. Відходи міді на електротехнічнихпідприємствах необхідно ретельно збирати; важливо не змішувати їх з іншимиметалами, а також з менш чистою (не електротехнічної) міддю, щобможна було ці відходи переплавити і знову використовувати якелектротехнічної міді. Мідь як провідникової матеріал все ширшезамінюється іншими металами, особливо алюмінієм.

Сплави міді. В окремих випадках крім чистої міді в якостіпровідникового матеріалу застосовуються її сплави з оловом, кремнієм,фосфором, берилієм, хромом, магнієм, кадмієм. Такі сплави, що носятьназва бронз, при правильно підібраному складі мають значно більшевисокі механічні властивості, ніж чиста мідь: (р бронз може бути

800-1200 МПа і більше. Бронзи широко застосовують для виготовленняструмопровідних пружин і т. п. Введення в мідь кадмію при порівняно маломузниження питомої провідності значно підвищує механічну міцністьі твердість. Кадмієво бронзу застосовують для контактних проводів іколекторних пластин особливо відповідального призначення. Ще більшоюмеханічною міцністю володіє берилієвий бронза ((р-до 1350 МПа).

Сплав міді з цинком - латунь - має досить високим відноснимподовженням перед розривом при підвищеному в порівнянні з чистою міддюмежі міцності при розтягу. Це дає латуні технологічніпереваги перед міддю при обробці штампуванням, глибокою витяжкою і т.п. Відповідно до цього латунь застосовують в електротехніці для виготовленнявсіляких струмопровідних деталей.

Алюміній є другим за значенням (після міді) провідниковіматеріалом. Це найважливіший представник так званих легких металів (т.тобто металів з щільністю менше 5 мг/м 3); щільність литого алюмінію близько

2,6, а Прокачаний -2,7 мг/м 3. Таким чином, алюміній приблизно в

3,5 рази легше міді. Температурний коефіцієнт розширення, питоматеплоємність і теплота плавлення алюмінію більше, ніж міді. Внаслідоквисоких значень питомої теплоємності та теплоти плавлення для нагріванняалюмінію до температури плавлення і перекладу в розплавлене станпотрібна велика витрата теплоти, ніж для нагрівання і розплавлення такого жкількості міді, хоча температура плавлення алюмінію нижче, ніж міді.

Алюміній має зниженими в порівнянні з міддю властивостями - якмеханічними, так і електричними. При однакових перетині і довжиніелектричний опір алюмінієвого проводу більше, ніж мідного, в

0,028: 0,0172 = 1,63 рази. Отже, щоб отримати алюмінієвийдріт такого ж електричного опору, як і мідний, потрібно взятийого перетин в 1,63 рази більшим, тобто діаметр повинен бути в (1,3 разибільше діаметру мідного дроту. Звідси зрозуміло, що якщо обмеженігабарити, то заміна міді алюмінієм утруднена. Якщо ж порівняти за масоюдва відрізка алюмінієвого та мідного проводів однієї довжини і одного і того жопору, то виявиться, що алюмінієвий дріт хоча і товщі мідного, алелегше його приблизно в два рази:

8,9/(2,7 (1,63) (2.

Тому для виготовлення проводів однієї і тієї ж провідності при данійдовжині алюміній вигідніше міді в тому випадку, якщо тонна алюмінію дорожче тонниміді не більш ніж у два рази. Дуже важливо, що алюміній менш дефіцитний,ніж мідь.

Для електротехнічних цілей використовують алюміній, що містить не більше 0,5

% Домішок, марки А1. Ще більш чистий алюміній марки АВОО (не більше 0,03%домішок) застосовують для виготовлення алюмінієвої фольги, електродів ікорпусів оксидних конденсаторів. Алюміній найвищої чистоти АВОООО маєвміст домішок, що не перевищує 0,004%. Різні домішки в різніймірі знижують питому провідність (алюмінія. Добавки Ni, Si, Zn або Feпри утриманні їх 0,5% знижують y відпаленого алюмінію не більше ніж на 2-3

%. Помітніше дію надають домішки Сu, Ag і Mg, при тому жмасовому зміст знижують v алюмінію на 5-10%. Дуже сильно знижують (алюмінію добавки Ti і Мп.

Прокатка, протяжка і отжиг алюмінію аналогічні відповідним операціямнад міддю. З алюмінію може прокочується тонка (до 6-7 мкм) фольга,яке застосовується як електродів паперових і плівкових конденсаторів.

Алюміній дуже активно окислюється і покривається тонкою плівкою оксидноїз великим електричним опором. Ця плівка оберігає від алюмінійподальшої корозії, але створює велике перехідний опір у місцяхконтакту алюмінієвих проводів і робить неможливою пайку алюмінію звичайнимиметодами. Для пайки алюмінію застосовуються спеціальні пасти-припої абовикористовуються ультразвукові паяльники. У місцях контакту алюмінію і мідіможлива гальванічна корозія. Якщо область контакту піддаєтьсядії вологи, то виникає місцева гальванічна пара з досить високимзначенням ЕРС, причому полярність цієї пари така, що на зовнішнійповерхні контакту струм йде від алюмінію до міді і алюмінієвий провідникможе бути сильно зруйнований корозією. Тому місця з'єднання міднихпровідників з алюмінієвими повинні ретельно захищатися від зволоження

(покриттям лаками і тому подібними способами).

Іноді, наприклад, для заміни свинцю в захисних кабельних про

лочка, використовується алюміній з вмістом домішок не більше

0,01% (замість 0,5% для звичайного провідникового алюмінію).

Такий особливо чистий алюміній порівняно зі звичайним більш м'який

і пластичний і до того ж має підвищену стійкість по відношенню докорозії.

Алюмінієві сплави мають підвищену механічну міцність.

Прикладом такого сплаву є альдрей що містить 0,3-0,5% Mg, 0,4 -

0,7% Si і 0,2-0,3% Fe (решта Аl). Високі механічні властивостіальдрей набуває після особливої обробки (гарту катанки-охолодження вводі при температурі 510-550 ° С волочіння і наступна витримка притемпературі близько 150 ° С). У альдрее утворюється з'єднання Mg2Si, якеповідомляє високі механічні властивості сплаву; при вказаній вище тепловоїобробці досягається виділення MgoSi з твердого розчину і переведення його втонкодисперсні стан.

Рис. 3-1. Залежність повного перетину сталевоалюмінієвий дроти марки АС

(крива 1), перетину сталевого сердечника (крива 2) і активного електричного опору (при частоті 50 Гц) одиниці довжини дроту

(крива 3) від зовнішнього діаметра дроту D

сталевоалюмінієвий дріт, широко застосовуваний в лініях електропередачі,являють собою сердечник, почтом і з сталевих жив і оповитий зовніалюмінієвої дротом. У проводах такого типу механічна міцністьвизначається головним чином сталевим серцевиною, а електричнапровідність - алюмінієм. Збільшений зовнішній діаметр сталевоалюмінієвийпроводи в порівнянні з мідним на лініях передачі високої напругиє перевагою, тому що зменшується небезпека виникнення коронивнаслідок зниження напруженості електричного поля на поверхнідроти. На рис. 3-1 наведені деякі характеристики сталевоалюмінієвийдроти марки АС.

Залізо (сталь) як найбільш дешевий і доступний метал, що володіє до тогож високою механічною міцністю, представляє великий інтерес длявикористання в якості провідникового матеріалу. Однак навіть чистезалізо має значно більш високу порівняно з міддю та алюмініємпитомий опір ((близько 0,1 мкОм-м); значення (сталі, тобтозаліза з домішкою вуглецю та інших елементів, ще вище.

При пер Ємен струмі в стали як у феромагнітному матеріалі помітнопозначається поверхневий ефект, тому відповідно до відомимизаконами електротехніки активний опір сталевих провідниківзмінному струму вище, ніж постійному струму. Крім того, при змінномуструмі в сталевих провідниках з'являються втрати потужності на гістерезис. Уяк провідникового матеріалу звичайно застосовується м'яка сталь звмістом вуглецю 0,10-0,15%, що має межу міцності при розтягу

(р = 700-750 МПа, відносне подовження перед розривом (l/l = 5 -8% іпитому провідність (, в б-7 разів меншу в порівнянні з міддю. Такусталь використовують як матеріал для проводів повітряних ліній припередачі невеликих потужностей. У подібних випадках застосування сталі можевиявитися достаточновигодним, тому що при малій силі струму перетин дротувизначається не електричним опором, а його механічноїміцністю.

Сталь як провідникової матеріал використовується також у вигляді шин, рейоктрамваїв, електричних залізниць (включаючи «третя рейка» метро) іпр. Для сердечників сталевоалюмінієвий проводів повітряних лінійелектропередачі (див. вище) застосовується особливо міцна сталевадріт, що має ар = 1200-1500 МПа і (l/l = 4-5%. Звичайна стальмає малу стійкістю до корозії: навіть при нормальній температурі,особливо в умовах підвищеної вологості, вона швидко іржавіє; при підвищеннітемператури швидкість корозії різко зростає. Томуповерхню сталевих проводів повинна бути захищена шаром більш стійкогоматеріалу. Звичайно для цієї мети застосовують покриття цинком. Безперервністьшару цинку перевіряється опусканням зразка дроти в 20%-ий розчинмідного купоросу, при цьому на оголеної стали в місцях дефектів оцинкуваннявідкладається мідь у вигляді червоних плям, помітних на загальних сіруватомутлі оцинкованої поверхні дроту. Залізо має високий температурнийкоефіцієнт питомого опору. Тому тонку залізну дріт,вміщену для захисту від окислення в балон, заповнений воднем або іншимхімічним неактивним газом, можна застосовувати в бареттерах, тобто вприладах, що використовують залежність опору від сили струму, нагріваючоговміщену в них зволікання, для підтримання сталості сили струму приколиваннях напруги.

Біметал. У деяких випадках для зменшення витрат кольорових металів упровідникових конструкціях вигідно застосовувати так званий провідниковоїбіметал. Це сталь, покрита зовні шаром міді, причому обидва метализ'єднані один з одним міцно і безперервно по всій поверхні їхдотику. Для виготовлення біметалу застосовують два способи: гарячий

(сталеву болванку ставлять у форму, а проміжок між болванкою і стінкамиформи заливають розплавленої міддю; отриману після охолодженнябіметалеву болванку піддають прокатці і протяжці) і холодний, абоелектролітичний. Холодний спосіб забезпечує рівномірність товщинимідного покриття, але вимагає значного витрат електроенергії; крімтого, при холодному способі не забезпечується настільки міцне зчеплення шаруміді зі сталлю, як при гарячому способі.

Рис. 3-2. Шари десятиразового ослаблення для різних матеріалів в залежності від енергії квантів випромінювання

Біметал має механічні та електричні властивості, проміжні міжвластивостями суцільного мідного і суцільного сталевого провідника того жперетину; міцність біметалу більше, ніж міді, але електричнапровідність менше. Розташування міді в зовнішньому шарі, а стали всерединіконструкції, а не навпаки, дуже важливо: з одного боку, при змінномуструмі досягається більш висока провідність всього проводу, в цілому, здругий - мідь захищає розташовану під нею сталь від корозії.

Біметалева дріт випускається зовнішнім діаметром від 1 до 4 ммвмістом міді не менше 50% повної маси дроту. Значення Стор (зрозрахунку на повне перетин дроту) повинно бути не менше 550-700 МПа, а

(l/l не більше 2%. Опір 1 км біметалічною дроту постійногоструму (при 20 ° С) в залежності від діаметру від 60 (при 1 мм) до 4 Ом/км (при

4 мм).

Таку дріт застосовують для ліній зв'язку, ліній електропередачі і т. п.

З провідникового біметалу виготовляються шини для розподільнихпристроїв, смуги для рубильників і різні струмопровідні частиниелектричних апаратів.

Захисні властивості сталі від випромінювань високої енергії наведено на рис. 3 -

2.

Біметал (від бі... і метал), металевий матеріал, що складається з 2 шарів різнорідних металів або сплавів (наприклад, сталь і алюміній, сталь і ніобій, алюміній і титан, титан і молібден і ін.). Застосовують для підвищення міцності і жаростійкості конструкцій, зниження їх маси з метою економії дорогих і дефіцитних металів або як матеріал із спеціальними властивостями. Наприклад, в електро- і радіотехніці поширення Б. обумовлено тим, що щільність змінного струму падає від периферії провідника до його середини, тому інколи доцільно поверхня дроту з дешевшого матеріалу (сталь, алюміній) покривати хорошим провідником (мідь, срібло). Вживання Б. у приладобудуванні засновано на використанні різних значень температурних коефіцієнтів розширення металів, з яких складаються біметалічні пластини. У машинобудуванні з Би. виготовляють деталі машин і механізмів (наприклад, втулки підшипників).

Би. виготовляють головним чином одночасним плющенням (або пресуванням) двох заготовок різних металів (або сплавів). Поширені також заливка легкоплавкого металу по тугоплавкому і занурення тугоплавкого металу в розплавлений легкоплавкий метал. При гальванічному способі шар коштовнішого металу наносять електролітично. Твердіші — дорогі і дефіцитні — сплави наплавляють на сталь електронагрівом (при виробництві ріжучого інструменту, штампів і пр.).

Надпровідники

У 1911 р. нідерландський фізик X. Камерлінг-Оннес, незадовго перед тим (в

1908 р.) вперше отримав рідкий гелій (гелій був останнім газом,який до того ще не вдавалося перевести у рідкий стан), досліджувавелектропровідність металів при «гелієвих» температурах (температураскраплення гелію при нормальному тиску близько 4,2 К; ще нижчітемператури можуть бути отримані при випаровуванні рідкого гелію). При цьому

Камерлінг-Оннес зробив вражаюче відкриття: він виявив, що приохолодженні до температури, приблизно рівною температурі скраплення гелію,опір кільця з замороженої ртуті раптово, різким стрибком падаєдо надзвичайно малого, що не піддається виміру, значення.

Таке явище, тобто наявність у речовини практично нескінченної питомоїпровідності, було названо надпровідністю, температура Тс, приохолодженні до якої речовина переходить в сверхнроводящее стан, --температурою надпровідного переходу, а речовини, що переходять унадпровідні стан, - надпровідниках.

Перехід в надпровідний стан є оборотним; при підвищеннітемператури до значення Тс надпровідність порушується і речовинапереходить в нормальний стан з кінцевим значенням питомої провідності

(.

Рис. 4-1. Загальний вигляд діаграми стану надпровідників першого роду

В даний час відомо вже 35 сверхпроводнікових металів і понад тисячу сверхпроводнікових сплавів і хімічних сполук різних елементів. У той же час багато речовин, у тому числі і такі, що володіють дуже малими значеннями (при нормальній температурі метали, як срібло, мідь, золото, платина та інші, при найбільш низьких досягнутих в даний час температурах (близько міллікельвіна ) перевести в надпровідний стан не вдалося.

Явище надпровідності пов'язано з тим, що електричний струм, одного разунаведений у понад провідником контурі, буде тривалий час (роками)циркулювати по цьому контуру без помітного зменшення своєї сили, ідо того ж без будь-якого підведення енергії ззовні (звичайно, якщо не враховуватинеминучого витрати енергії на роботу охолоджуючого пристрою, щоповинна підтримувати температуру надпровідного контуру нижче значення Тс,характерного для даного сверхпроводнікового матеріалу); такийнадпровідний контур створює в навколишньому просторі магнітне поле,подібно до постійного магніту. Тому обтічний електричним струмом понадпроводить соленоїд повинен являти собою сверхпроводніковийелектромагніт, який не потребує живлення від джерела струму. Однакпочаткові спроби виготовити практично придатний сверхпроводніковийелектромагніт, що створює в навколишньому просторі магнітне поле здосить високими напруженістю Н і магнітною індукцією В, закінчилисяневдачею. Виявилося, що надпровідність порушується не тільки припідвищення температури до значень, що перевищують Тс, але і при виникненніна поверхні надпровідників магнітного поля з магнітною індукцією,перевищує індукцію переходу В0 (у першому наближенні, принаймні длячистих сверхпроводнікових металів, байдуже, створюється чи індукція ндструмом, що йде по самому надпровідників, або ж стороннім джереломмагнітного поля). Це пояснюється діаграмою стану надпровідників,що на рис. 4-1. Кожному значенню температури Т даного матеріалу,що знаходиться в понад провідником стані, відповідає своє значенняіндукції переходу нд Найбільша можлива температура переходу Тс

(критична температура) даного сверхпроводнікового матеріалу досягаєтьсяпри нікчемно малої магнітної індукції, тобто для сверхпроводніковогоелектромагніту - при досить малій силі струму, що йде через обмотку цьогоелектромагніту. Відповідно і найбільше можливе значення Вс0магнітної індукції переходу (критична магнітна індукція) відповідаєтемпературі надпровідників, мізерновідрізняється від нуля Кельвіна.

Рис. 4-2. Діаграми стану надпровідників II роду - станніда ніобію

Nb3Sn (криві 1 і 2) і надпровідників I роду - свинцю рь (крива 3)

У 50-х роках нашого століття були відкриті нові надпровідники,що представляють собою вже не чисті метали, а сплави або хімічніз'єднання. Ці надпровідники на відміну від чистих понад провідниковихметалів (надпровідників I роду), названі надпровідниках II роду,мають низку особливостей. Перехід з нормального в понад проводитьстан при охолодженні у них відбувається не стрибком (як унадпровідників I роду), а поступово; у них існує проміжнестан між нижнім ВС1 і верхнім BС2 значеннями критичної магнітноїіндукції переходу для значень температур Т = 0, але відносна магнітна проникність надпровідників (r> 0; привпливі на надпровідник змінної напруги в ньому спостерігаютьсядеякі втрати енергії і т. п. Крім того, властивості надпровідників IIроду у великій мірі залежать від технологічного режиму виготовлення і т.п. З чистих металів до надпровідників II роду відносяться лише ніобій Nb,ванадій V і технецій Тс.

На рис. 4-2 представлена діаграма стану типового надпровідників IIроду - інтерметалевих з'єднання, стан-Ніда ніобію Nb3Sn. Крива 1дає значення BС01, крива 2-значення ВC02; заштрихована областьпроміжного стану. Для зіставлення тут же наведена діаграмастану для типового надпровідників I роду-свинцю Рb.

Кріопроводнікі. Крім явища надпровідності, в сучаснійелектротехніку все ширше використовується явище кріопроводімості, тобтодосягнення металами досить малого значення питомого опору прикріогенних температурах (але без переходу в надпровідний стан).

Метали, що володіють такою властивістю, називаються кріопроводнікамі.

Очевидно, що фізична сутність кріопроводімості не подібний з фізичноїсутністю явища надпровідності. Кріопроводімость - окремий випадокнормальної електропровідності металів в умовах кріогенних температур.

Досить мале, але все ж таки кінцеве значення (кріопроводніков обмежуєдопустиму щільність струму в них, хоча ця щільність може бути все-такинабагато вище, ніж у звичайних металевих провідниках при нормальній абоз високою температурою. Кріопроводнікі, у яких при зміні температурив широкому діапазоні р. змінюється плавно, без стрибків, не можуть використовуватисяв пристроях, дія яких заснована на тригерній ефектівиникнення і порушення надпровідності (наприклад, в сверхпроводніковихзапам'ятовуючих пристроях).

Застосування кріопроводніков замість надпровідників в електричнихмашинах, апаратах та інших електротехнічних пристроях може мати своїпереваги. Використання в якості холодоагенту рідкого водню аборідкого азоту (замість рідкого гелію, який значно дорожче за іншіх

сплави високого опору

провідникові сплави цього типу по призначенню і властивостям розділяють на резистивні і нагрівостійкі.

Зі сплавів для дротових резисторів найбільше поширення одержали сплави на основі міді і нікелю, зокрема манганін і константан. Манганін — сплав на основі міді, що одержав свою назву через наявність у ньому марганцю (до 12%), широко застосовуваний для виготовлення зразкових резисторів і інших точних приладів . Манганін можна витягати в тонкий дріт діаметром 20 мкм і менш. Дріт випускають як у твердому (невипаленому) виді марки ПМТ, так і в м'якому (відпаленому) — марки ПММ.

Для забезпечення підвищеної стабільності опору і зниження ТКr дріт піддають тепловому старінню: отжигу у вакуумі при температурі порядку 550—600°С з наступним повільним охолодженням. Гранично припустима робоча температура сплавів цього типу не перевищує 200° С. З механічних властивостей відзначимо відносне подовження Dl/l=15—30% і sr= 450—600 МПа.

У цілому широкому застосуванню константану перешкоджає його висока вартість через великий зміст у ньому дефіцитного нікелю.

До нагрівостійких сплавів відносять сплави на основі заліза, нікелю, хрому й алюмінію. Висока нагрівостійкість цих сплавів пояснюється введенням у їхній склад досить великих кількостей металів, що утворюють при нагріванні на повітрі суцільну оксидную плівку. Істотний вплив на якість цих сплавів, ,зокрема на робочу температуру, робить зміст хрому, що додає високу тугоплавкість оксидам. Залізо на відміну від нікелю і хрому легко окисляється (рисунок 2.8) і тому чим більше його зміст у сплаві, тим нижче його нагрівостійкість.

Нагрівальні елементи, виконані з хромонікелевих сплавів, на повітрі покриваються міцними оксидними плівками, причому TKl плівки і сплаву приблизно рівні. Це визначає високу нагрівостійкість хромонікелевих сплавів на повітрі.

Плівкові резистивні матеріали

Матеріали цього класу найбільше широко застосовують при виготовленні постійних і частково змінних резисторів різних типів. У залежності від складу, плівкові резистивні матеріали можна розділити на матеріали на основі металів і їхніх з'єднань (оксидів, силіцидів, карбідів )і неметалічні (вуглецеві) матеріали. Якщо матеріали першої групи безупинно удосконалюються й асортимент їх постійно розширюється, то вуглецеві резистивні матеріали поступово втрачають своє значення.

Плівкові матеріали на основі металів і їхніх з'єднань переважно використовують у мікроелектроніці при виготовленні плівкових резисторів і резистивных елементів дуже малих розмірів у мікросхемах, інтегральних схемах і інших пристроях.

З матеріалів цієї групи можна виділити: тонкі металеві плівки; резистивні сплави, що містять кремній; керметні плівки; металлооксидні плівки; композиційні плівкові матеріали.

Тонкі металеві плівки тугоплавких металів (танталу), а також хрому і ніхрому мають дрібнозернисту структуру, підвищеними значеннями питомого поверхневого опору rh, низькими значеннями температурного коефіцієнта TKrh.

Резистивні сплави, що містять кремній, марок PC і МЛТ і ін. широко застосовуються для виготовлення тонкоплівкових резисторів методом термічного вакуумного випаровування.

Керметні резистивні плівки містять діелектричну і провідну фази. Ці плівки наносять методом випаровування у вакуумі суміші порошків металів (Сг, Ni, Fe) і оксидів (SiO, Nd2O3, TiO2), причому співвідношення між кількістю тих і інших компонентів визначає основні властивості плівок. Керметні плівки відрізняються гарною однорідністю властивостей, підвищеною термостійкістю; широко використовують для виготовлення резисторних мікрозборок.

З металооксидних резистивних плівок найбільше застосування знайшли плівки двоокису олова. Для їхнього нанесення використовуються різні методи, але найбільш розповсюджений метод термічного розкладання хлористого олова. Отримані плівки відрізняються щільною дрібнозернистою структурою.

Композиційні резистивні матеріали являють собою механічні суміші дрібнодисперсних порошків металів і їх з'єднань з органічним чи неорганічним зв'язуванням. В провідну фазу використовують як провідники — порошки срібла, паладію, так і напівпровідникові матеріали, такі, як оксиди цих металів, карбіди кремнію, вольфраму. Як сполучні речовини застосовують діелектричні матеріали — термопластичні і термореактивні (полімери, порошкоподібне скло, неорганічні емалі).

Боровуглеводні плівки одержують термічним розкладанням (пиролизом) бороорганічних з'єднань. У порівнянні з вуглецевими ці плівки мають менші значення ТКr.

На основі вуглецевих матеріалів виготовляють порівняно дешеві плівкові резистори широкого застосування.

Сплави для термопар

Для виготовлення термопар найчастіше використовують наступні сплави:

1) копель (44% Ni і 56% Си), r=0,465 мкОм*м;

2) алюмель (95% Ni, інше Al, Si і Мn), r=0,305 мкОм*м;

3) хромель (90%Ni і 10%Сг), r = 0,66 мкОм*м;

4) платинородій (90% Pt і 10% Rh), r = 0,19 мкОм*м.

Значно більшими коефіцієнтами термо-е.р.с. володіють деякі напівпровідникові матеріали, що використовують завдяки цій властивості для виготовлення термоелектричних генераторів.