Проводниковые материалы. Скорость движения электронов в проводнике.
Заданы два проводниковых материала: алюминий и фехраль Х13Ю4. 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 (алюминий) также требуется определить:
1. Концентрацию свободных электронов в заданном материале при температуре T, К.
2. Среднюю скорость дрейфа электронов, если известно I=8 А, S=3,8 мм2.
3. За какое время электрон пройдет провод линии связи протяженностью D=1 км, если он будет двигаться без столкновения с узлами кристаллической решетки при разнице потенциалов U=50 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 - .
Алюминий – самый распространенный металл в земной коре. Его содержание оценивают в 7,45 % (больше, чем железа, которого только 4,2 %).
По внешнему виду алюминий представляет собой блестящий серебристый белый металл. На воздухе он быстро окисляется, покрываясь тонкой белой матовой пленкой Al2O3. Эта пленка обладает высокими защитными свойствами, поэтому, будучи покрытым такой пленкой, алюминий является коррозионностойким.
Алюминий достаточно легко разрушается растворами едких щелочей, соляной и серной кислот. В концентрированной азотной кислоте и органических кислотах он обладает высокой стойкостью
.
Наиболее характерными физическими свойствами алюминия является его малая относительная плотность, равная 2,7 г/см3, а также сравнительно высокие тепло- и электропроводность .
Коррозионная стойкость и особенно электропроводность алюминия тем выше, чем он чище, чем меньше в нем примесей.
Температура плавления алюминия невысокая, она равна приблизительно 660 0C. Однако скрытая теплота плавления его очень большая - около 100 кал/г, поэтому для расплавления алюминия требуется большой расход тепла, чем для расплавления такого же количества, например, тугоплавкой меди, у которой температура плавления 1083 0C, скрытая теплота плавления 43 кал/г.
Для механических свойств алюминия характерна большая пластичность и малая прочность.
Кристаллическая решетка алюминия представляет собой гранецентрированный куб, имеющий при 20 0C параметр (размер стороны) 4,04. Аллотропических превращений алюминий не имеет.
В природе алюминий находится в виде алюминиевых руд: бокситов, нефелинов, алунитов и каолинов. Важнейшей рудой, на которой базируется большая часть мировой алюминиевой промышленности, являются бокситы.
Основные параметры:
Температура кипения: 2500 °C;
Твёрдость по Бринеллю: 24-32 кгс/мм²;
Электропроводность: 0,0265 мкОм·м;
Удельная теплота плавления: 390 кДж/кг;
Удельная теплота испарения: 10,53 МДж/кг;
Модуль Юнга: 70 ГПа ;
Теплопроводность: 1,24×10−3 Вт/(м·К);
Атомный номер алюминия: 13;
Атомная масса: 26,9815.
Применение алюминия обусловлено особенностью его свойств. Сочетание легкости с достаточно высокой электропроводностью позволяет применять алюминий как проводник электрического тока, заменяя им более дорогую медь. Разницу в электропроводности меди и алюминия компенсируют увеличением сечения алюминиевого провода. Малая масса алюминиевых проводов делает возможным осуществлять их подвеску при значительно большем, чем в случае медных проводов, расстоянии между опорами, не опасаясь обрыва проводов под влиянием собственного веса.
Из него изготовляют также кабели, шины, конденсаторы, выпрямители. Высокая коррозионная стойкость алюминия делает его в ряде случаев незаменимым материалом в химическом машиностроении, например для изготовления аппаратуры, применяющейся при производстве, хранении и перевозке азотной кислоты и ее производных.
Широко его применяют также в пищевой промышленности – из него изготовляют разнообразную посуду для приготовления пищи. При этом используют не только его стойкость к действию органических кислот, но также и высокую теплопроводность.
Высокая пластичность позволяет раскатывать алюминий в фольгу, которая в настоящее время полностью заменила применявшуюся ранее более дорогую оловянную фольгу. Фольга служит упаковкой для самых разнообразных пищевых продуктов: чая, шоколада, табака, сыра и др.
Алюминий применяют так же, как антикоррозионное покрытие других металлов и сплавов
Задать вопрос
на новый заказ в Автор24.
