Современные электропроводные материалы

Введение

Актуальность работы. Современный научно-технический прогресс неразрывно связан с разработкой и использованием новых материалов. Совершенствование используемых материалов является необходимым условием успешного развития любой отрасли техники. В полной мере это относится к таким техническим отраслям, как электроника и радиоэлектроника, для которых именно качество материалов становится ключом к разработке сложных инженерных решений и созданию новейшей электронной аппаратуры. Металлические и неметаллические материалы, применяемые в этих отраслях, имеют особые физические свойства, электрические, магнитные, свойства теплового расширения и т.д. Знание свойств материалов и объективных закономерностей зависимости этих свойств от физической природы, структуры, состава, технологических и эксплуатационных факторов позволяет специалисту не только грамотное выбирать материал при проектировании электротехнических устройств, но и грамотно эксплуатировать их. На основе современных электротехнических материалов изготавливаются принципиально новые электротехнические и радиоэлектронные устройства: многочисленные полупроводниковые приборы, твердые схемы, нелинейные конденсаторы и резисторы с параметрами, которые регулируются бесконтактными способами, выпрямители, усилители, стабилизаторы тока и напряжения, преобразователи энергии, устройства для хранения и считывания информации, квантовые генераторы, усилители- лазеры, жидкие кристаллы, аппаратура голографии и многие другой аппаратуры и приборов новой техники.
Объект исследования: современные электропроводные материалы
Предмет исследования: особенности современных электропроводных материалов
Цель работы: рассмотреть современные электропроводные материалы
Для осуществления поставленной цели необходимо решить задачи:
- рассмотреть особенности современных электропроводных материалов;
- проанализировать современные электропроводные материалы.
1. Особенности современных электропроводных материалов
Электропроводность — это способность проводника проводить электрический ток, то есть величина, обратная электрическому сопротивлению.
Единица измерения электропроводности G (проводимости) — Сименс (См), и 1 См = 1/(1 Ом). G = 1/R.
Так как атомы различных веществ в разной степени препятствуют прохождению электрического тока, то и электрическое сопротивление у различных веществ разное. По этой причине введено понятие удельное электрическое сопротивление, величина которого «р» характеризует проводящие свойства того или иного вещества.
Удельное электрическое сопротивление измеряется в Ом*м, то есть сопротивление куба вещества с ребром в 1 метр.
Таким же образом электропроводность вещества характеризуется удельной электропроводностью, измеряемой в См/м, то есть проводимость куба вещества с ребром в 1 метр.
Сегодня проводящие материалы в электротехнике используют в основном в виде лент, шин, проволок, с определенной площадью поперечного сечения и определенной длины, но не в виде метровых кубов. И для более удобных расчетов электрического сопротивления и электропроводности проводников конкретных размеров были введены более приемлемые единицы измерения как для удельного электрического сопротивления, так и для удельной электропроводности. Ом*мм2/м — для удельного сопротивления, и См*м/мм2 — для удельной электропроводности. Теперь можно говорить, что удельное электрическое сопротивление и удельная электропроводность характеризуют проводящие свойства проводника площадью поперечного сечения в 1 кв.мм, длиной в 1 метр при температуре 20°C, это более удобно.
Лучшей электропроводностью обладают такие металлы как: золото, медь, серебро, хром, алюминий. Сталь и железо проводят ток хуже. Чистые металлы всегда обладают лучшей электропроводностью, чем их сплавы, поэтому чистая медь в электротехнике предпочтительней. Если нужно специально высокое сопротивление, то используют вольфрам, нихром, константан.
Зная величину удельного электрического сопротивления или удельной электропроводности, можно легко вычислить сопротивление или электропроводность конкретного проводника, изготовленного из данного материала, приняв в расчет длину l и площадь поперечного сечения S этого проводника. Электропроводность и электрическое сопротивление всех материалов зависит от температуры, поскольку частота и амплитуда тепловых колебаний атомов кристаллической решетки с ростом температуры так же возрастает, соответственно возрастает и сопротивление электрическому току, потоку электронов. При понижении температуры — наоборот, колебания атомов кристаллической решетки становятся меньше, сопротивление уменьшается (возрастает электропроводность)

. У одних веществ зависимость сопротивления от температуры выражена слабее, у других — сильнее. Например такие сплавы как константан, фехраль и манганин слабо меняют удельное сопротивление в определенном интервале температур, поэтому из них делают термостабильные резисторы.
Температурный коэффициент сопротивления позволяет вычислить для конкретного материала приращение его сопротивления при определенной температуре, и численно характеризует относительное приращение сопротивления при увеличении температуры на 1 °С.
Зная температурный коэффициент сопротивления и приращение температуры, можно легко вычислить удельное сопротивление вещества при заданной температуре.
В качестве проводниковых материалов наибольшее применение имеют металлы и их сплавы. Основными из электрических характеристик проводниковых материалов являются удельная проводимость j (или удельное сопротивление ρ) и температурный коэффициент α. С точки зрения электропроводности различают проводниковые материалы с малым и большим удельным сопротивлением, а также сверхпроводящие материалы.
Материалы с малым удельным сопротивлением идут на изготовление проводов, кабелей ( для передачи электрической энергии), обмоточных проводов (для всевозможных обмоток электрических машин, аппаратов, приборов). Для этих целей наибольшее применение имеют медь и алюминий.
Широкое применение меди обусловлено не только высокой удельной проводимостью, но и высокой механической прочностью и коррозийной стойкостью. Из меди легко изготовлять проволоку разной толщины (до 0,001мм), ленты и тонкую фольгу. Кроме чистой меди в электротехнике применяют ее сплавы (бронзу, латунь).
Кроме меди в электротехнике по технико-экономическим показателям все большее применение находит алюминий. Удельное сопротивление алюминия выше, а механическая прочность ниже, чем у меди, но его плотность примерно в 3,5 раза меньше. Поэтому алюминиевый провод такого же сопротивления, что и медный, при большей толщине оказывается приблизительно вдвое легче. Очень важное преимущество алюминия состоит в том, что он менее дефицитен , чем медь, по обработке не уступает меди (кроме пайки).
При понижении температуры величина ρ металлов уменьшается. В настоящее время известно, что многие чистые металлы и сплавы при охлаждении до некоторой температуры, приближающейся к абсолютному нулю, переходят в состояние сверхпроводимости, с наступлением которой их удельное сопротивление скачком уменьшается практически до нуля. В числе сверхпроводников можно отметить алюминий, ртуть, тантал, свинец, ниобий и их сплавы. Из перечисленных веществ наиболее низкую критическую температуру перехода в сверхпроводящее состояние 1,2 К имеет алюминий. В сверхпроводнике при наличии электрического тока потерь энергии практически нет, поэтому в замкнутом сверхпроводящем контуре возникший однажды ток будет циркулировать много лет, не уменьшаясь по величине, даже без подвода энергии извне. Материалы с большим удельным сопротивлением в основном являются металлическими сплавами: манганин– медно-марганцовый сплав, применяется при изготовлении приборов и образцовых сопротивлений; константан – медно-никелевый сплав для намотки проволочных резисторов и реостатов; нихром – сплав никеля, железа и хрома применяют для устройства электронагревательных приборов. Эти материалы имеют высокое удельное сопротивление , достаточную механическую прочность, позволяют получать ленты, проволоки различной толщины. В зависимости от области применения важную роль играют и другие характеристики и свойства сплавов, например, очень малый температурный коэффициент удельного сопротивления (манганин, константан), высокая рабочая температура (нихром), стойкость коррозии.
В перечень проводниковых материалов, применяемых в электротехнике, входят угольные материалы, металлокерамические материалы, контактные материалы, припои и т.д.
2. Анализ современных электропроводных материалов высокой проводимости
К этой группе материалов принято относить проводники с удельным электрическим сопротивлением в нормальных условиях не более 0,1 мкОм∙м. Самыми распространенными среди этих материалов являются медь и алюминий.
Медь преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала: 1) малое удельное сопротивление (из всех металлов только серебро имеет чуть меньшее удельное сопротивление, чем медь); 2) достаточно высокая механическая прочность; 3) удовлетворительная в большинстве случаев устойчивость к коррозии; даже в условиях высокой влажности медь окисляется на воздухе значительно медленнее, чем, например, железо; 4) сравнительно легкая обрабатываемость (по методу прокатки из меди можно изготовить листы, ленты, по методу протяжки - проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра); 5) относительная легкость пайки и сварки