Проводниковые материалы. Скорость движения электронов в проводнике.
Заданы два проводниковых материала: свинец и нихром Х15Н60. Требуется:
1. Дать определение проводника.
2. Привести практическую классификацию проводниковых материалов.
3. Назвать основные параметры проводников и кратко поясните их физический смысл.
4. Для заданных материалов привести числовые значения этих параметров.
5. Кратко описать сами материалы, указать основные области их применения.
Для первого проводникового материала (свинец) также требуется определить:
1. Концентрацию свободных электронов в заданном материале при температуре T, К.
2. Среднюю скорость дрейфа электронов, если известно I=5 А, S=1,5 мм2.
3. За какое время электрон пройдет провод линии связи протяженностью D=1,5 км, если он будет двигаться без столкновения с узлами кристаллической решетки при разнице потенциалов U=60 В.
Решение
Проводник - металлическое изделие, изготовленное из материалов, обладающих высокой электропроводностью, чтобы не допускать больших потерь электрической энергии, используемые для обмотки машин и аппаратов, линий электропередачи шины распределительных устройств и т.д.
Удельная проводимость. Электропроводность обуславливается наличием свободных валентных электронов в проводнике. При подключении электрического напряжения, электроны будут двигаться от минуса к плюсу, что создаст электрический ток. Удельная проводимость покажет, в какой мере тот или иной материал проводит создавшийся ток.
Удельное сопротивление - обратная величина удельной проводимости - . Это величина, с помощью которой количественно оценивается электрическое сопротивление материала. Определяется из формулы:
Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов:
При повышении температуры число носителей заряда в проводнике остаётся практически неизменным. Но вследствие усилений колебаний узлов кристаллической решетки с ростом температуры, на пути направленного движения свободных электронов под действием электрического тока появляется всё больше препятствий, то есть уменьшаются средняя длина свободного пробега электрона , подвижность электронов и, как следствие, уменьшается удельная проводимость и повышается удельное сопротивление.
Теплопроводность - . Обмен электронами между нагретыми и холодными частями металла в отсутствие электрического поля, переход кинетической энергии от нагретых частей проводника к более холодным. За передачу теплоты через металл в основном ответственны те же свободные электроны, которые определяют и электропроводность металлов.
Контактная разность потенциалов:
и термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС):
При соприкосновении двух различных металлических проводников между ними возникает контактная разность потенциалов
. Причина появления этой разности потенциалов заключается в различии значений работы выхода электронов из различных металлов, а также в том, что концентрация электронов, а следовательно, и давление электронного газа у разных металлов и сплавов могут быть неодинаковыми. Термо-ЭДС возникает, когда один из спаев имеет температуру , а другой - .
Свинец - очень мягкий металл светло-серого цвета, обладающий высокой пластичностью и коррозионной стойкостью к многим реагентам (серной и соляной разбавленным кислотам, аммиаку и некоторым другим).
Ниже представлены некоторые численные значения параметров, характеризующих свинец:
- удельное сопротивление ρ= 0,21 мкОм·м;
- плотность 11,4 МГ/м3
- температурный коэффициент удельного сопротивления TKρ=0,0037 K-1;
- коэффициент теплопроводности λT=35 Вт/(м·К);
- удельная теплоемкость rПЛ =130 Дж/(кг·К);
- теплота плавления 327°С;
- температурный коэффициент линейного расширения 29*106 K-1;
- предел прочности при растяжении и относительное удлинение при разрыве: 11-13 МПа.
Благодаря большой пластичности, гибкости и сравнительно невысокой температуре плавления свинец широко применяется для изготовления защитных оболочек электрических кабелей. Гибкая свинцовая оболочка предохраняет кабель от проникновения в него влаги и других агентов, снижающих качество изоляции.
Свинец используется также для получения мягких оловянно- свинцовых припоев (марки ПОС-30, ПОС-40, ПОС-61 и др.) а также в производстве легкоплавких вставок предохранителей и пластин для кислотных аккумуляторов.
Характерным свойством свинца является поглощение им рентгеновских лучей, поэтому свинец применяют в качестве защитных экранов в рентгеновских установках.
Недостатками свинца являются: слабая стойкость к вибрациям, что обусловлено его крупнокристаллическим строением, и низкая коррозионная стойкость по отношению к гниющим органическим веществам, а также к растворам извести, бетона и некоторым другим
Задать вопрос
на новый заказ в Автор24.
