Заданы два проводниковых материала: ртуть 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 (ртуть) 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=2,3 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 - .
Ртуть – это единственный металл, остающийся в жидком состоянии при комнатной температуре. Температура окисления ртути 356,9 °С, ртуть почти не взаимодействует с газами воздуха. Растворы кислот (серная, соляная) и щелочей не действуют на ртуть, однако она растворима в концентрированных кислотах (в серной, соляной, азотной). В ртути растворяются цинк, никель, серебро, медь, свинец, олово, золото.
Плотность ртути 13,55 г/см3, температура перехода из жидкого в твердое состояние -39 °С, удельное сопротивление — от 0,94 до 0,95 ом*кв.мм/м, температурный коэффициент сопротивления 0,000990 1/°С. Эти свойства позволяют использовать ртуть в качестве жидких проводящих контактов выключателей и реле специального назначения, а также в ртутных выпрямителях. При этом важно помнить, что ртуть чрезвычайно токсична.
Жидкое агрегатное состояние ртути находит широкое применение её в качестве рабочего тела при конструировании манометров, термометров, барометров, полярографов, терморегуляторов. Она устойчива к перепадам температуры в плане своих физико-химических свойств и обладает очень низкой температурой плавления. Правда, работа с подобной техникой требует предельной аккуратности, а после истечения срока эксплуатации, приборы подлежат обязательной утилизации с извлечением ртути.
Фехралевая проволока изготавливается из сплава хрома, железа, алюминия с добавлением кремниевых и марганцевых присадок. Используется для производства нагревательных элементов бытовых приборов и промышленных электропечей. Преимуществом данного материала является высокая температура плавления и удельное электрическое сопротивление.
Фехраль считается идеальным сплавом, выдерживающим температуру до 1450 градусов и обладающим высоким омическим сопротивлением, остающимся неизменным при нагреве (сопротивление проволоки из фехраля равно 5,47 Ом).
Подобные характеристики позволяют изготавливать из сплава нагревательные элементы
Задать вопрос
на новый заказ в Автор24.
