Проводниковые материалы их свойства и применение

Проводниковые материалы.

Свойства и функции проводниковых материалов (ПМ). Электропроводность ПМ. Проводники 1,2 и 3 родов. Структурная схема проводников. Факторы, определяющие электропроводность ПМ. Сверхпроводимость ПМ. Термоэлектродвижущая сила. Контакты. Материалы высокой проводимости высоко сопротивления. ПМ микроэлектроники. Припои.

Литература .

Проводниковые материалы — это материалы, служащие проводниками электрического тока. Их удельное электрическое сопротивление мало, и составляет от 10-8 до 10-4 Ом∙м. Проводники могут быть твердыми веществами: кристаллические металлы и сплавы, углерод – это проводники 1 рода; жидкими – электролиты – это проводники 2 рода; газообразными – газоразрядная плазма – проводники 3 рода.

Проводники 1 рода (рис. 3.1) практически не имеют запрещенной зоны, так как зоны валентная и проводимости у них перекрываются.

Металлы обладают металлическим типом химической связи, при которой валентные электроны атомов обобществлены и образуют так называемый «свободный» электронный газ. Атомы, расположенные в узлах (междуузлиях) кристаллической решетки, являются положительно заряженными ионами, так как они отдали свои электроны «в общее пользование». В такой системе имеет место большое количество свободных носителей заряда – электронов.

Рис. 3.1. Структурная схема проводников.

В металлических проводниках имеется большое количество свободных носителей заряда – электронов, поэтому их электропроводность велика. Формула электропроводности проводников

γ = q∙N∙u ,

где N — концентрация свободных носителей заряда, м-3;

u — подвижность носителей заряда, м2/В∙с;

q — величина заряда носителя, Кл.

Наибольшей электропроводностью обладают Ag, Cu, Au и Al, у которых большое количество электронов ( 1028 ) в одном кубическом метре и их число практически не зависит от содержания примесей или от температуры, но подвижность примесей оказывает большое влияние, создавая своим присутствием дополнительные препятствия направленному движению электронов в электрическом поле. Повышение температуры также уменьшает электропроводность, так как уменьшается подвижность электронов в результате тепловых колебаний кристаллической решетки и увеличения хаотического движения электронов.

Температурный коэффициент ТКR (ТКρ) проводников (чистых металлов) положителен и составляет величину (3∙10-3…4∙10-3) 1/град.

С увеличением температуры удельное сопротивление обычно растет. При инженерных расчетах пользуются формулой:

ρt = ρ0∙, (3.1)

где ρt — удельное сопротивление при температуре t;

ρ0 — удельное сопротивление при комнатной температуре (обычно t = 20 °С);

αρ — средний температурный коэффициент удельного сопротивления.

Механическая обработка металлов вызывает искажение кристаллической решетки и приводит к увеличению удельного сопротивления.

Чистые металлы более чувствительны к температуре, поэтому используются в качестве термосопротивлений, а их твердые растворы Cu-Ni, Cu-Ni-Mn, Ni-Cr и другие — в качестве высокостабильных образцовых сопротивлений.

Все металлы ПМ делят на металлы высокой проводимости ρ < 0,05 мкОм∙м, сплавы высокого сопротивления ρ > 0,5 мкОм∙м и сверхпроводниковые материалы, имеющие чрезвычайно малое ρ, которые ниже определенной температуры (для каждого материала температура своя) переходят в сверхпроводящее состояние, т.е. их сопротивление постоянному току становится практически равным нулю. Если металл переходит в это состояние скачком – это сверхпроводник 1-го рода, если плавно – сверхпроводник 2-го рода (как правило это сплав).

Температура перехода в сверхпроводящее состояние называется критической (Ткр), выше этой температуры сверхпроводник переходит в обычное проводящее состояние.

Очень кратко сверхпроводимость можно объяснить тем, что в металле при определенных условиях образуются пары электронов (куперовские пары), имеющие противоположные импульсы и спины. Такая пара взаимодействует с кристаллической решеткой – один электрон, отдавая ей свой импульс, переводит ее в возбужденное состояние; второй электрон этой пары забирает переданный решетке импульс и тем самым переводит ее в нормальное (первоначальное) состояние. В результате состояние решетки не изменяется, а между электронами, обменявшимися фотонами, возникает сила взаимного притяжения. Таких электронных пар в металле великое множество, но все они движутся согласованно, электронные волны их имеют одинаковые длины и фазы.

Отсутствие сопротивления в сверхпроводнике объясняется тем, что движение всех электронных пар в металле можно описать как распространение одной (суммарной) электронной волны, которая не рассеивается кристаллической решеткой потому, что сама решетка участвует в образовании этой волны, т.е. собственные колебания решетки согласованы с электронной волной, имеют те же длины волн и фазы.

Ток, возбуждаемый за счет внешнего источника (который затем выключается) в сверхпроводящей цепи, может сохраняться очень длительное время, если в ней поддерживать определенные условия.

Кроме нулевого сопротивления сверхпроводники обладают свойствами идеальных диамагнетиков, магнитные силовые линии в них не проникают, выталкиваются.

На разрыв электронных пар и переход в нормальное (несверхпроводящее) состояние требуется затрата определенной энергии, например: температуры, превышающей критическую Ткр; магнитного поля, превышающего Нкр (для каждого металла Нкр – свое); электрического тока, величина которого вызывает на поверхности сверхпроводника критическое магнитное поле – Нкр.

Если энергия этих воздействий больше сил связи между электронными парами – они разрушаются, а металл теряет свое сверхпроводящее состояние, становясь обычным проводником.

Надо заметить, что не все чистые металлы и сплавы переходят в сверхпроводящее состояние. Например, такие хорошие проводники при нормальных условиях как медь и серебро, не переходят в сверхпроводящее состояние даже при температурах близких к абсолютному нулю.

В таблице 3.1 приведены некоторые проводниковые материалы, способные становиться сверхпроводниками при низких температурах, их критические тепловые и критические магнитные поля.

Таблица 3.1

Материал

Критическая температура Ткр, К

Критическое

магнитное поле Нкр, кА/м

Цинк (Zn)

0,88

4,24

Алюминий (Al)

1,2

Кадмий (Cd)

0,56

2,5

Ртуть (Hg)

4,15

32,8

Свинец (Pb)

7,2

64,5

Ниобат олова (Nb3Sn)

18,1

19,5∙103

Применение сверхпроводников в мощных магнитах, трансформаторах, генераторах, линиях передач сводит к нулю потери в проводниках и позволяет значительно повышать плотность тока и напряженность магнитного поля.

Сейчас ведутся работы по созданию высокотемпературных сверхпроводников. Предполагается, что ими будут керамические материалы.

Если два различных металла или сплава приводятся в плотное соприкосновение, между ними может возникать контактная разность потенциалов (КРП). Причина ее появления состоит в неодинаковой величине работы выхода электронов из металлов, а также в различной плотности свободных электронов у разных металлов.

Если взять два разных проводника − А и В (рис. 3.2) с работами выхода электронов WвыхА и WвыхВ; плотностью электронов nА и nВ, то при соотношении, например, WвыхА < WвыхВ и nА > nВ, электроны из А перейдут в приграничном слое контакта в В (градиент концентрации электронов!), нарушится электронейтральность и на границе соприкосновения появится контактная разность потенциалов, направление которой показано стрелкой.

Рис. 3.2 Контактная разность потенциалов (WA<WB, nA>nB)

Контактная разность потенциалов определяется по формуле:

, (3.2)

где UA и UB – потенциалы соприкасающихся металлов;

n0A и n0B – плотности электронов в А и В, м-3;

К – постоянная Больцмана, К=1,38∙10-23 Вт/град;

q – заряд электрона, 1,6∙10-19 А∙с;

Т – абсолютная температура, К.

Если температура спая (Тг) будет больше температуры (Тх) концов проводников, между которыми включить измерительный прибор, то в замкнутой цепи возникнет термоэлектродвижущая сила, которую можно определить по формуле

. (3.3)

Контактная разность потенциалов и термо-ЭДС должны учитываться при изготовлении точных измерительных приборов; чтобы не вносить погрешности в измерения, надо подбирать такие контактирующие металлы, между которыми возникает как можно меньшие КРП и термо-ЭДС, например, между медью и манганином возникает термо-ЭДС порядка (2…3) мкВ/град, а между медью и константаном (40…50) мкВ/град. Это явление используется для изготовления термопар – измерителей температуры.

Примером пар проводников для изготовления термопар могут служить: медь-константан, хромель-копель, которые используются для измерения температур до 300…500 °С, хромель-алюмель — до 900…1000°С и др.

Большой процент выхода электрической аппаратуры из строя происходит за счет процессов, происходящих на контактах. Поэтому при выборе материалов для контактных пар нужно учитывать: условия их эксплуатации, окружающую среду; взаимодействие материалов друг с другом (термо-ЭДС , взаимная диффузия), твердость, окисляемость и т.д.

Наиболее ответственными контактами, применяемыми в радиоэлектронике, являются разрывные и скользящие. При этом материалы должны обеспечивать их высокую надежность: исключение возможности обгорания контактирующих поверхностей, приваривания друг к другу, сильного окисления и др.

В качестве контактирующих материалов при разрывных контактах применяют чистые тугоплавкие металлы, различные сплавы и металлокерамические композиции, например:

Cu-W; Ag-CdO; Ag-Co,Ni,Cr,W,Mo,To; Cu-C; Cu-W,Mo; Au-W,Mo и др.

Наибольшая проводимость наблюдается у Ag (ρ = 1,585·10 −8Ом·м при 20 °С); следующие в ряду — Сu (ρ = 1,673 ·10 −8 Ом· м) Аu (ρ = 2,084 • 10 −8 Ом·м) и А1 (ρ = 2,691·10-8 Ом·м). Электропроводность Сu определяется уровнем примесей. Применяют Сu марок МООб, МОб, Ml б (бескислородная), раскисленную М1р, М2р, МЗр, рафинированную М2, МЗ и некоторые другие сорта. В микроэлектронике используют медь, переплавленную в электронно-лучевой установке (МЭ), с содержанием 99,999 % Си по массе. Медь широко используется как в проводах, так и в виде фольги толщиной 5, 18, 50, 70, 105 мкм (чистота 99,5 %, высота микронеровностей 0,4 — 0,5 мкм).

Алюминий второй после меди проводниковый материал. По ГОСТ 11069-74 различают алюминий особо чистый А999, высокой чистоты А995-А95 и технической чистоты А85-АО. В микроэлектронике используют А999.

Серебро марок Ср999,9 и Ср999 используют в слабонагруженных контактах, в припоях и СВЧ-технике. Золото марок Зл999,9 и Зл999 в качестве микропроволоки и фольги применяются в интегральных микросхемах.

Материалы высокого сопротивления используют в ЭС при изготовлении образцовых резисторов, реостатов, нагревательных элементов в составе термопар (константан). Наибольшее распространение получили манганин (Cu-Mn-Ni), константан (Cu-Ni) и хромоникелевые сплавы. Нихром (Х20Н80) широко используется в микроэлектронике.

К проводниковым материалам относят и припои, которые предназначены для электрического и механического соединения проводников. Припои делят на две группы: мягкие, с температурой плавления до 300 °С и твердые, с температурой плавления свыше 300 °С. Предел прочности на разрыв у мягких 16 — 100 МПа, а у твердых 100 — 500 МПа. В припои входят различные компоненты: олово — О, свинец — С, серебро — Ср, палладий — Пд, медь — М, германий — Г, висмут — В, титан — Т, сурьма — Су, алюминий — А, никель — Н, индий — Ин, золото — Зл, кремний — Кр, кадмий — К.

Для тонкопленочных резисторов ИС (толщина резистивных пленок 0,01 — 0,1 мкм) используются тугоплавкие металлы и сплавы, композиционные материалы (силициды керметы), а также двуокись олова SnO2. Это хром, тантал, рений, нихром, кремниевые резистивные пленки (Si-Cr-Ni-Fe) марок PC; металосилицидные сплавы МЛТ (Si-SiO2-Fe-Cr-Ni-Al-W).

Для толстопленочных резисторов (толщина 10-20 мкм) используют серебропалладиевые и рутениевые пасты. Это дорогие пасты, поэтому разработаны более дешевые резистивные пасты на основе полупроводниковых оксидов ( SnO2 + SbO2, Te2O2).

Вопросы для самопроверки:

1. Определение ПМ. Классификация.

2. Факторы, влияющие на электропроводность ПМ.

3. На какой параметр (в формуле проводимости) оказывают влияние повышение температуры, введение примесей в металл и механическое искажение кристаллической решетки?

4. Определение ТКС.

5. Определение сверхпроводимости. Основные сверхпроводящие материалы и их характеристики.

6. Контактная разность потенциалов и термо-ЭДС.

7. Явления на контактах.

8. Основные характеристики Си и А1 как ПМ.

9. Константан. Нихром. Манганин. Свойства и характеристики.

10. Классификация и характеристики припоев.

11. Характеристики материалов для резисторов ИС.

Свойства цинка

Химические свойства цинка

Цинк — активный металл. При комнатной температуре тускнеет и покрывается слоем оксида цинка.

  • Вступает в реакцию со многими неметаллами: фосфором, серой, кислородом.
  • При повышении температуры взаимодействует с водой и сероводородом, выделяя водород.
  • При сплавлении с щелочами образует цинкаты — соли цинковой кислоты.
  • Реагирует с серной кислотой, образуя различные вещества в зависимости от концентрации кислоты.
  • При сильном нагревании вступает в реакции со многими газами: газообразным хлором, фтором, йодом.
  • Не реагирует с азотом, углеродом и водородом.

Физические свойства цинка

Цинк — твердый металл, но становится пластичным при 100–150 °C. При температуре выше 210 °С может деформироваться. Температура плавления — очень низкая для металлов. Несмотря на это, цинк имеет хорошую электропроводность.

  • Плотность — 7,133 г/см³.
  • Теплопроводность — 116 Вт/(м·К).
  • Температура плавления цинка — 419,6 °C.
  • Температура кипения — 906,2 °C.
  • Удельная теплота испарения — 114,8 кДж/моль.
  • Удельная теплота плавления — 7,28 кДж/моль.
  • Удельная магнитная восприимчивость — 0,175·10-6.
  • Предел прочности при растяжении — 200–250 Мн/м2.

Подробный химический состав цинка различных марок указан в таблице ниже.

Обозначение марок Цинк, не менее Примесь, не более
свинец кадмий железо медь олово мышьяк алюминий всего
ЦВ00 99,997 0,00001 0,002 0,00001 0,00001 0,00001 0,0005 0,00001 0,003
ЦВ0 99,995 0,003 0,002 0,002 0,001 0,001 0,0005 0,005 0,005
ЦВ 99,99 0,005* 0,002 0,003 0,001 0,001 0,0005 0,005 0,01
Ц0А 99,98 0,01 0,003 0,003 0,001 0,001 0,0005 0,005 0,02
Ц0 99,975 0,013 0,004 0,005 0,001 0,001 0,0005 0,005 0,025
Ц1 99,95 0,02 0,01 0,01 0,002 0,001 0,0005 0,005 0,05
Ц2 98,7 1,0 0,2 0,05 0,005 0,002 0,01 0,010** 1,3
Ц3 97,5 2,0 0,2 0,1 0,05 0,005 0,01 2,5
* В цинке, применяемом для производства сплава марки ЦАМ4-1о, массовая доля свинца должна быть не более 0,004%. ** В цинке, применяемом для проката, массовая доля алюминия должна быть не более 0,005%.

Содержание примесей в цинке зависит от способа производства и качества сырья.

В России основной процент цинка получают гидрометаллургическим способом — металл восстанавливают из солей в растворах. Такой способ позволяет получить наиболее чистый металл. Но часть цинка обрабатывают при высоких температурах. Такой метод называют пирометаллургическим.

Свинец — особая примесь в цинке, так как основная его часть оседает из-за нерастворимых анодов, содержащихся в металле. Катодный цинк, помимо всех указанных примесей, состоит из хлора и фтора.

Сплавы цинка

Сплавы на цинковой основе с добавлением меди, магния и алюминия имеют низкую температуру плавления и обладают хорошей текучестью. Они легко поддаются обработке, свариванию и паянию.

Латунь

Различают латуни двухкомпонентные и многокомпонентные.

Двухкомпонентная латунь — сплав цинка с высоким содержанием меди. Существует желтая латунь с медью в количестве 67%, золотистая медь или томпак — 75%, и зеленая — 60%. Такие сплавы могут деформироваться при температуре 300 °C.

Многокомпонентные латуни, помимо 2-х основных металлов, состоят из других добавок: никеля, железа, свинца или марганца. Каждый из элементов влияет на свойства сплава.

ЦАМ

ЦАМ — семейство цинковых сплавов. В их состав входят магний, алюминий и медь. Такие сплавы цинка используются в литейном производстве. В них содержится алюминий в количестве 4%.

Основная область применения сплавов ЦАМ — литье цинка под давлением. Сплавы этого семейства обладают низкой температурой плавления и хорошими литейными свойствами. Их высокопрочность позволяет производить прочные и сложные детали.

Вирениум

Сплав состоит из цинка (24,5%), меди (70%), никеля (5,5%).

Производств цинка

Добыча металла

Цинк как самородный металл в природе не встречается. Добывается из полиметаллических руд, содержащих 1–4% металла в виде сульфида, а также меди, свинца, золота, серебра, висмута и кадмия. Руды обогащаются селективной флотацией и получаются цинковые концентраты (50–60% Zn).

Концентраты цинка обжигают в печах. Сульфид цинка переводится в оксид ZnO. При этом выделяется сернистый газ SO2, который используется в производстве серной кислоты.

Получение металла

Существуют два способа получения чистого цинка из оксида ZnO.

Самый древний метод — дистилляционный. Обожженный концентрированный состав подвергают термообработке, чтобы придать ему зернистость и газопроницаемость.

Затем концентрат восстанавливают коксом или углем при температуре 1200–1300 °C. В процессе образуются пары металла, которые конденсируют и разливают в изложницы. Жидкий металл отстаивают от железа и свинца при температуре 500 °C. Так достигается цинк чистотой 98,7%.

Иногда используется сложная и дорогая обработка цинка ректификацией — разделением смесей за счет обмена теплом между паром и жидкостью. Такая чистка позволяет получить металл чистотой 99,995% и извлечь кадмий.

Второй метод производства цинка — электролитический. Обожженный концентрат обрабатывается серной кислотой. Готовый сульфатный раствор очищается от примесей, после чего подвергается электролизу в свинцовых ваннах. Цинк дает осадок на алюминиевых катодах. Полученный металл удаляют с ванн и плавят в индукционных печах. После этого получается электролитный цинк чистотой 99,95%.

Литье металла

Горячий цинк — жидкий и текучий металл. Благодаря таким свойствам он легко заполняется в литейные формы.

Примеси влияют на величину натяжения поверхности цинка. Технологические свойства металла можно улучшить, добавив небольшое количество лития, магния, олова, кальция, свинца или висмута.


Чем выше температура перегрева цинка, тем лучше он заполняет формы. При литье металла в чугунные изложницы его объем уменьшается на 1,6%. Это затрудняет получение крупных и длинных цинковых отливок.

Применение цинка

Для защиты металлов от коррозии

Чистый цинк используется для защиты металлов от коррозии. Основу покрывают тонкой пленкой. Этот процесс называется металлизацией.

В автомобильной отрасли

Сплавы на цинковой основе используют для оформления декора автомобильного салона, в производстве ручек дверей, замков, зеркал и корпусов стеклоочистителей.

В автомобильные покрышки добавляют окись цинка, которая повышает качество резины.

В батарейках, аккумуляторах и других химических источниках тока цинк используется как материал для отрицательного электрода. В производстве электромобилей применяются цинк-воздушные аккумуляторы, которые обладают высокой удельной энергоемкостью.

В производстве ювелирных украшений

Ювелиры добавляют цинк в сплавы на основе золота. В итоге они легко поддаются ковке и становятся пластичными — прочно соединяют мелкие детали изделия между собой.

Металл также осветляет ювелирные изделия, поэтому его часто используют в изготовлении белого золота.

В медицине

Окись цинка применяется в медицине как антисептическое средство. Окись добавляют в мази и другие составы для заживления ран.

Благодаря своим свойствам, цинк широко применяется в различных областях промышленности. Металл пользуется спросом из-за относительно низкой цены и хороших физических свойств.

Сплавы цинк — алюминий

  • Сплавы цинк — алюминий — медь

    Сплавы цинка с алюминием и медью встречаются очень часто, поэтому цинковый угол тройной системы Zn—А1—Си представляет большой практический интерес. Эта система была изучена Буркхард- том, который обнаружил тройную эвтектику, плавящуюся при 370 °С и имеющую состав, %: 7 — А1, 4 — Си, 89 — Zn. Он же определил…
    (ЛИТЕЙНЫЕ СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ ТЯЖЕЛЫХ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ)

  • Сплавы цинк — медь

    Эти сплавы выгодно отличаются от сплавов цинк — алюминий тем, что в них не наблюдается старение. Недостатком этих сплавов являются более низкие механические свойства. На рис. 5.8 представлена диаграмма состояния системы Zn—Си (применяемые в практике сплавы отмечены заштрихованной областью). Рис. 5.8….
    (ЛИТЕЙНЫЕ СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ ТЯЖЕЛЫХ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ)

  • Горение магния, алюминия и их сплавов в окислительных средах

    Для детального изучения процесса воспламенения и горения металлов весьма плодотворным является применение скоростной микрофотосъемки. Данный метод позволил изучить характерные особенности процесса: последовательность стадий, структуру зоны горения и т.д. Для исследования процесса горения одиночных металлических…
    (Теория горения и взрыва)

  • Получение алюминия и его сплавов

    Основным способом производства алюминия в настоящее время является электролитический. Электролиз – это совокупность процессов электрохимического окисления-восстановления на погруженных в электролит электродах при прохождении через него электрического тока. Основное сырье для производства алюминия – алюминиевые…
    (Технологические процессы в машиностроении)

  • Алюминий и сплавы на его основе

    Алюминий – элемент III группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Порядковый номер алюминия 13. Кристаллическая решетка – ГЦК. Температура плавления – 660 °С. Алюминий – металл серебристобелого цвета. Его важной особенностью является низкая плотность – 2,7 г/см3 (плотность стали…
    (Материаловедение в машиностроении)

  • Сплавы на основе алюминия

    Характерными свойствами чистого алюминия являются малая плотность (2,72 г/см3), большая пластичность (относительное удлинение до 60%), хорошие электро- и теплопроводность, высокая коррозионная стойкость. Чистый алюминий имеет сравнительно низкую жидкотекучесть и пониженную прочность, поэтому для фасонного…
    (МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ. ШТАМПОВОЧНОЕ И ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО)

  • Особенности сварки и ремонта автомобильных деталей из алюминия и его сплавов

    Наиболее высокое качество сварных соединений получают при дуговой сварке с использованием неплавящегося вольфрамового электрода марки ВА-1А. Диаметр электрода выбирают в соответствии с силой сварочного тока (для автомобильных деталей применяют электроды диаметром I …5 мм) и толщиной свариваемых…
    (ТЕХНОЛОГИЯ СВАРОЧНЫХ РАБОТ)

  • Цинк и его сплавы

    Общие сведения о цинке Цинк — химический элемент второй группы периодической системы Менделеева с порядковым номером 30 и атомным весом 65,38. Технический цинк обладает достаточно хоро- зионной стойкостью, удовлетворительными механическими свойствами и хорошо поддается прокатке, прессованию, волочению…
    (ЛИТЕЙНЫЕ СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ ТЯЖЕЛЫХ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ)

  • ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

    Характеристика алюминия и его сплавов Алюминий относится к числу наиболее распространенных в земной коре металлов (7,45 %). Однако в чистом виде алюминий в природе не встречается. Наиболее распространенные алюминиевые руды — бокситы, состоящие из гидратов оксида алюминия АЮ(ОН), А1(ОН)3 и др.,…
    (МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ)

Тест «Металлы»

Вариант 1

1. Какой металл является самым распространенным в земной коре?

А) медь
Б) железо

В) алюминий
Г) натрий

2. Какие частицы находятся в узлах кристаллической решетки металлов?

А) катионы металлов
Б) нейтральные атомы

В) катионы и нейтральные атомы
Г) анионы и катионы

3. Какой металл наименее электропроводен?

A) W
Б) Zn

В) Сг

4. У какого металла наибольшая плотность?
А) платина

Б) вольфрам

B) железо
Г) свинец

5. Регулируют белковый и углеводный обмен, влияют на процесс фотосинтеза и рост растений ионы
А) железа

Б) магния

В) лития

Г) калия

6. Какой металл никогда не вытесняет водород из воды?

A) алюминий
Б) цинк

В) кальций

Г) ртуть

7. Какой металл самый легкий?
А) калий

Б) олово

B) алюминий
Г) медь

8. С какими растворами солей будут взаимодействовать металлы?

А) Аl+ Hg(NO3)2
Б) Zn+Na2SO4

В) С u+ FeCl3
Г) Mg+KNO3

Вариант 2

1. Какие металлы встречаются в природе только в виде соединений?
А) кальций, магний

Б) натрий, калий

В) ртуть, медь

Г) алюминий, скандий

2. Что обеспечивает металлам высокую электропроводность?

А) атомы металлов
Б) катионы металлов

В) свободные электроны

Г) катионы металлов и свободные электроны

3. Какой из перечисленных металлов наиболее электропроводный?

А) алюминий
Б) железо

В) медь
Г) серебро

4. Чем обусловлена ковкость металлов?

A) мягкостью металлов

Б) наличием электронного газа

B) несвязанностью ионов между собой

Г) наличием в кристаллической решетке катионов металлов

5. Какой из металлов наиболее твердый?
А) титан

Б) цинк

В) никель

Г) хром

6. Какой металл не вытесняет водород из кислот?

А) железо
Б) платина

В) свинец
Г) цинк

7. Между раствором какой соли и металлом произойдет химическая реакция?

А) алюминий + нитрат калия
Б) железо + хлорид меди(II)

В) цинк + нитрат натрия
Г) золото + нитрат серебра

8. Проявляют антисептическое и сосудорасширяющее действие в организме человека, понижают артериальное давление соли

ОСНОВНЫЕ ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

Проводниковые материалы подразделяют на две группы. К первой группе относят материалы с низким удельным сопротивлением. Они применяются для изготовления проводов и токопроводящих участков различных электро- и радиотехнических устройств. Самое низкое удельное сопротивление имеют серебро и золото, однако стоимость этих проводниковых материалов очень высока. В связи с этим они используются для ответственных контактных соединений, и т. д., если невозможно применить другие материалы.
Самыми распространенными проводниковыми материалами являются медь и алюминий. Медь имеет низкое удельное сопротивление (почти в два раза меньше, чем у алюминия, хорошие механические свойства. Она используется для изготовления силовых кабелей и шин обмоточных и монтажных прово- дов и контактных соединений. Алюминий уступает меди по своим электри- ческим и механическим свойствам. Однако он характеризуется низкой сто- имостью и меньшей плотностью чем, у меди. В связи с этим алюминий явля- ется основным материалом для изготовления проводов воздушных лэп.

Ко второй группе относятся материалы с высоким удельным сопротивлением. Манганин (сплав меди, марганца и никеля) имеет очень малый коэффи-

циента, используется для изготовления эталонов, магазинов сопротивлений, шунтов, добавочных резисторов к измерительным приборам. Фехраль (сплав железа, хрома и алюминия) и константан (сплав меди и никеля) применяются в основном для изготовления резисторов, нихром (сплав никеля и хрома с добавлением марганца) -для изготовления нагревательных приборов.

Особо следует остановиться на сверхпроводниках Это материалы, у кото- рых возможен переход в сверхпроводящее состояние. К ним относятся чистые металлы, сплавы, интерметаллические соединения, некоторые диэлек- трические материалы. Возможности практического использования сверхпро- водимости определяются температурой перехода в сверхпроводящее состо- яние Ткр (близкой к температуре абсолютного нуля) и критической напря-

женностью магнитного поля Основная трудность в разработке сверхпровод- ников является повышение Ткр.. Области применения сверхпроводников все время расширяются. Это волноводы, электрические машины и трансфор- маторы с высоким КПД, обмотки электромагнитов в ускорителях элемен- тарных частиц и т. д. Проводниковые (кабельные) изделия можно под разде-

лить на обмоточные, монтажные и установочные провода, а также кабели.
Обмоточные провода применяются для изготовления обмоток электри-ческих машин и приборов. Монтажные провода и кабели предназначаются для различного рода соединений в электрических аппаратах, приборах и других электроустройствах. Жилы этих проводов выполняются лужеными из проводниковой меди. Установочные провода используются для распределе- ния электроэнергии в силовых и осветительных сетях, выпускают с медными и алюминиевыми жилами.

>Проводниковые материалы: медь, алюминий, бронза, латунь.> Проводниковые материалы

1. Общие сведения

К проводниковым материалам в электротехнике относятся металлы, их сплавы, контактные металлокерамические композиции и электротехнический уголь. Металлические вещества являются проводниками первого рода и характеризуются электронной проводимостью; основной параметр для них — удельное электрическое сопротивление в функции температуры.

Диапазон удельных сопротивлений металлических проводников весьма узок и составляет от 0,016 мкОм×м для серебра до 1,6 мкОм×м для жаростойких железохромоалюминиевых сплавов.

Электрическое сопротивление графита с увеличением температуры проходит через минимум с последующим постепенным повышением.

По роду применения проводниковые материалы подразделяются на группы:

· проводники с высокой проводимостью — металлы для проводов линий электропередачи и для изготовления кабелей, обмоточных и монтажных проводов для обмоток трансформаторов, электрических машин, аппаратуры, катушек индуктивности и пр.;

· конструкционные материалы — бронзы, латуни, алюминиевые сплавы и т.д., применяемые для изготовления различных токоведущих частей;

· сплавы высокого сопротивления — предназначаемые для изготовления дополнительных сопротивлений к измерительным приборам, образцовых сопротивлений и магазинов сопротивлений, реостатов и элементов нагревательных приборов, а также сплавы для термопар, компенсационных проводов и т.п.;

· контактные материалы — применяемые для пар неразъемных, разрывных и скользящих контактов;

· материалы для пайки всех видов проводниковых материалов.

Кроме чисто электротехнических свойств, для проведения необходимой технологической обработки и обеспечения заданных сроков службы в эксплуатации, проводниковые материалы должны обладать достаточной нагревостойкостью, механической прочностью и пластичностью.

2. Медь

Чистая медь по электрической проводимости занимает следующее место после серебра, обладающего из всех известных проводников наивысшей проводимостью. Высокая проводимость и стойкость к атмосферной коррозии в сочетании с высокой пластичностью делают медь основным материалом для проводов.

На воздухе медные провода окисляются медленно, покрываясь тонким слоем окиси CuO, препятствующим дальнейшему окислению меди. Коррозию меди вызывают сернистый газ SO2, сероводород H2S, аммиак NH3, окись азота NO, пары азотной кислоты и некоторые другие реактивы.

Проводниковую медь получают из слитков путем гальванической очистки ее в электролитических ваннах. Примеси даже в ничтожных количествах, резко снижают электропроводность меди, делая ее малопригодной для проводников тока, поэтому в качестве электротехнической меди применяют лишь две ее марки М0 и М1.

Почти все изделия из проводниковой меди изготавливаются путем проката, прессования и волочения. Так, волочением могут быть изготовлены провода диаметром до 0,005 мм, ленты толщиной до 0,1 мм и медная фольга толщиной до 0,008 мм.

Проводниковая медь применяется как в отожженном после холодной обработки виде (мягкая медь марки ММ), так и без отжига (твердая медь марки МТ).

При температурах термообработки выше 900 °C вследствие интенсивного роста зерна механические свойства меди резко ухудшаются.

В целях повышения предела ползучести и термической устойчивости медь легируют серебром в пределах 0,07—0,15%, а также магнием, кадмием, цирконием и другими элементами.

Медь с присадкой серебра применяется для обмоток быстроходных и нагревостойких машин большой мощности, а медь, легированная различными элементами, используется в коллекторах и контактных кольцах сильно нагруженных машин.

3. Латуни

Сплавы меди с цинком, называемые латунями, широко используются в электротехнике. Цинк растворяется в меди в пределах до 39%.

В различных марках латуни содержание цинка может доходить до 43%. Латуни, содержащие до 39% цинка, имеют однофазную структуру твердого раствора и называются a-латунями. Эти латуни обладают наибольшей пластичностью, поэтому из них изготавливают детали горячей или холодной прокаткой и волочением: листы, ленты, проволоку. Без нагрева из листовой латуни методом глубокой вытяжки и штамповкой можно изготовить детали сложной конфигурации.

Латуни с содержанием цинка свыше 39% называют a+b-латунями или двухфазными и применяют главным образом для фасонных отливок.

Двухфазные латуни являются более твердыми и хрупкими и обрабатываются давлением только в горячем состоянии.

Присадка к латуням олова, никеля и марганца повышает механические свойства и антикоррозионную устойчивость, а добавки алюминия в композиции с железом, никелем и марганцем сообщают латуням кроме улучшения механических свойств и коррозионной стойкости высокую твердость. Однако присутствие в латунях алюминия затрудняет пайку, а проведение пайки мягкими припоями становится практически невозможным.

· латуни марок Л68 и Л63 вследствие высокой пластичности хорошо штампуются и допускают гибку, легко паяются всеми видами припоев. В электромашиностроении широко применяются для различных токоведущих частей;

· латуни марок ЛС59-1 и ЛМЦ58-2 применяются для изготовления роторных (беличьих) клеток электрических двигателей и для токоведущих деталей, изготовленных резанием и штамповкой в горячем состоянии; хорошо паяются различными припоями;

· латунь ЛА67-2,5 применяется для литых токоведущих деталей повышенной механической прочности и твердости, не требующих пайки мягкими припоями;

· латуни ЛК80-3Л и ЛС59-1Л широко применяются для литых токоведущих деталей электрической аппаратуры, для щеткодержателей и для заливки роторов асинхронных двигателей. Хорошо воспринимают пайку различными припоями.

4. Проводниковые бронзы

Проводниковые бронзы относятся к медным сплавам, необходимость применения которых в основном вызвана недостаточной в ряде случаев механической прочностью и термической устойчивостью чистой меди.

Общая номенклатура бронз весьма обширна, но высокой электропроводностью обладают лишь немногие марки бронз.

· кадмиевая бронза относится к наиболее распространенным проводниковым бронзам. Из числа всех марок кадмиевая бронза обладает наивысшей электрической проводимостью. Вследствие повышенного сопротивления истиранию и более высокой нагревостойкости эта бронза широко применяется для изготовления троллейных проводов и коллекторных пластин;

· бериллиевая бронза относится к сплавам, приобретающим прочность в результате старения. Она обладает высокими упругими свойствами, устойчивыми при нагревании до 250 °C, и электрической проводимостью в 2—2,5 раза большей, чем проводимость других марок бронз общего назначения. Эта бронза нашла широкое применение для изготовления различных пружинных деталей, выполняющих одновременно и роль проводника тока, например: токоведущие пружины, отдельные виды щеткодержателей, скользящие контакты в различных приборах, штепсельные разъемы и т.п.;

· фосфористая бронза обладает высокой прочностью и хорошими пружинными свойствами, из-за малой электропроводности применяется для изготовления пружинных деталей с низкими плотностями тока.

Литые токоведущие детали изготовляются из различных марок машиностроительных литьевых бронз с проводимостью в пределах 8—15% проводимости чистой меди. Характерной особенностью бронз является малая усадка по сравнению с чугуном и сталью и высокие литейные свойства, поэтому они применяются для отливки различных токоведущих деталей сложной конфигурации, предназначенных для электрических машин и аппаратов.

Все марки литьевых бронз можно подразделить на оловянные и безоловянные, где основными легирующими элементами являются Al, Mn, Fe, Pb, Ni.

5. Алюминий

Характерными свойствами чистого алюминия является его малый удельный вес, низкая температура плавления, высокая тепловая и электрическая проводимость, высокая пластичность, очень большая скрытая теплота плавления и прочная, хотя и очень тонкая пленка окиси, покрывающая поверхность металла и защищающая его от проникновения кислорода внутрь.

Малая плотность делает алюминий основой легких конструкционных материалов; большая пластичность позволяет применять к алюминию все виды обработки давлением и получать из него листы, прутки, проволоку, трубы, тончайшую фольгу, штампованные детали с глубокой вытяжкой и др.

Хорошая электрическая проводимость обеспечивает широкое применение алюминия в электротехнике. Так как плотность алюминия в 3,3 раза ниже, чем у меди, а удельное сопротивление лишь в 1,7 раза выше, чем у меди, то алюминий, на единицу массы имеет вдвое более высокую проводимость, чем медь.

Прочная пленка окиси быстро покрывает свежий срез металла уже при комнатной температуре, обеспечивая алюминию высокую устойчивость против коррозии в атмосферных условиях.

Сернистый газ, сероводород, аммиак и другие газы, находящиеся в воздухе промышленных районов, не оказывают заметного влияния на скорость коррозии алюминия. Действие водяного пара на алюминий также незначительно. В контакте с большинством металлов и сплавов, являющихся благородными по электрохимическому ряду потенциалов, алюминий служит анодом и, следовательно, коррозия его в электролитах будет прогрессировать.

Чтобы избежать образования гальванопар во влажной атмосфере, место соединения алюминия с другими металлами герметизируется лакировкой или другим путем.

Длительные испытания проводов из алюминия показали, что они в отношении устойчивости против коррозии не уступают медным.

Таблица 1. Основные характеристики проводниковых материалов

Материал

Плотность, кг/м3·103

Температура плавления,

°C

Удельное электрическое сопротивление при 20 °C, Ом×м·10–6

Средний температурный коэффициент сопротивления от 0 до 100 °C, 1/град

Примечание

Алюминий

2,7

0,026—0,028

4·10–3

Провода, кабели, шины, проводники короткозамкнутых роторов, корпуса и подшипниковые щиты малых электромашин

Бронза

8,3—8,9

885—1050

0,021—0,052

4·10–3

Кадмиевая бронза — контакты, фосфористая — пружины

Латунь

8,4—8,7

900—960

0,03—0,08

2·10–3

Контакты, зажимы

Медь

8,7—8,9

0,0175—0,0182

3·10–2

Провода, кабели, шины

Олово

7,3

0,114—0,120

4,4·10–3

Припои для лужения и пайки в сплаве со свинцом

Свинец

11,34

0,217—0,222

3,8·10–3

Защитная обложка кабелей, вставки предохранителей, пластины аккумуляторов, припои в сплаве с оловом для лужения и пайки

Серебро

10,5

0,0160—0,0162

3,6·10–3

Контакты электроприборов и аппаратов

Сталь

7,8

0,103—0,137

62·10–2

Шины заземления

Таблица 2. Сопротивление металлов или сплавов по сравнению с медью

Металл или сплав

Сопротивление

по сравнению с медью

Металл или сплав

Сопротивление

по сравнению с медью

Серебро

0,9

Олово

8,5

Медь

1,0

Сталь

Хром

1,6

Свинец

Алюминий

1,67

Нейзильбер

Магний

2,8

Никелин

Молибден

2,9

Манганин

Вольфрам

3,6

Реотан

Цинк

3,7

Константан

Латунь

4,5

Чугун

Платина

5,5

Ртуть

Кобальт

6,0

Нихром

Никель

6,5

Уголь

Железо

7,7

Таблица 3. Изменение сопротивления медных проводов при нагревании (сопротивление при 15 °C принято за единицу)

Температура, °C (десятки)

Температура, °C (единицы)

0,940

0,944

0,948

0,952

0,956

0,960

0,964

0,968

0,972

0,976

0,980

0,984

0,988

0,992

0,996

1,000

1,004

1,008

1,012

1,016

1,020

1,024

1,028

1,032

1,036

1,040

1,044

1,048

1,052

1,056

1,060

1,064

1,068

1,072

1,076

1,080

1,084

1,088

1,092

1,096

1,100

1,104

1,108

1,112

1,116

1,120

1,124

1,128

1,132

1,136

1,140

1,144

1,148

1,152

1,156

1,160

1,164

1,168

1,172

1,176

1,180

1,184

1,188

1,192

1,196

1,200

1,204

1,208

1,212

1,216

1,220

1,224

1,228

1,232

1,236

1,240

1,244

1,248

1,252

1,256

1,260

1,264

1,268

1,272

1,276

1,280

1,284

1,288

1,292

1,296

1,300

1,304

1,308

1,312

1,316

1,320

1,324

1,328

1,332

1,336

1,340

1,344

1,348

1,352

1,356

1,360

1,364

1,368

1,372

1,376

Примечание. Таблица служит для пересчета сопротивлений при температурах нагрева. Например, для подсчета сопротивления при температуре 44 °C надо по вертикали взять температуру 40 °C и по горизонтали поправку на 4 °C: получается изменение сопротивления в 1,116 раза.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *