Металлические проводниковые материалы

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ

ФГБОУ ВПО «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ ДИСТАНЦИОННОГО ОБРАЗОВАНИЯ 

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ «_Управление качеством_»

 

 

 

 

 

 

 

 

К У Р С О В А Я    Р А Б О Т А

 

По дисциплине: Материаловедение

Тема: Металлические проводниковые материалы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: Иванов Е.И.

Студент __1__ курса

______2_____ семестр

 

 

 

 

Тюмень, 2011

 

Содержание

Введение

1. Природа проводимости ………………………………………………….5
2. Свойства проводников …………………………………………………..8
3. Классификация проводниковых материалов …………………………..15
1. Материалы высокой проводимости …………………………………15
2. Материалы с высоким удельным сопротивлением для

резисторов и точных приборов .………………………………………...24

3. Жаростойкие материалы ……………………………………………..24
4. Контактные материалы ………………………………………………25
5. Сверхпроводники …………………………………………………….26
6. Криопроводники ……………………………………………………...43

Заключение ……………………………………………………………………...44

Список литературы ……………………………………………………………..46

 

Введение

В качестве проводников  электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы. Важнейшими практически применяемыми в электротехнике твердыми проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы.

Из металлических проводниковых материалов могут быть выделены металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление r при нормальной температуре не более 0,05 мкОм×м, и сплавы высокого сопротивления, имеющие r при нормальной температуре не менее 0,3 мкОм×м. Металлы высокой проводимости используются для проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов и т. п. Металлы и сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления резисторов, электронагревательных приборов, нитей ламп накаливания и т. п.

Механизм прохождения тока в металлах обусловлен движением (дрейфом) свободных электронов под воздействием электрического поля; поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода.

Проводниковые металлы и сплавы должны обладать высокой электропроводностью, достаточно высокими механическими свойствами, сопротивляемостью к атмосферной коррозии, способностью поддаваться обработке давлением в горячем и холодном состоянии.

 

1. Природа проводимости

 

Особенности атомного строения и свойств металлов и сплавов в электронной теории металлов физики пытаются объяснить  в последние сто лет на основании существования в металлах свободных электронов. Можно сказать, что с момента своего зарождения теории электропроводности в металлах и сплавах имеют три направления развития.

Ha заре двадцатого  столетия была разработана теория  свободных электронов Друде и  Лорентцем, которые предположили, что металлы содержат свободные  электроны, допустив при этом, что движение и поведение электронов  подчиняется законам классической механики.

В 1928 г. Зоммерфельдом  была разработана квантовая теория  свободных электронов, согласно которой движение свободных электронов подчиняется законам квантовой механики.

В 1928 г. Блохом была предложена зонная теория,  в которой рассматривается движение свободных электронов в периодическом поле кристаллической решетки. 

Независимо от хронологического размещения всех этих теорий среди  других теорий, объясняющих аналогичные  свойства металлического состояния, они  являются наиболее общими теориями металлов и сплавов, дополняя и  обогащая друг друга.

Модели Друде и Лорентца относятся к так называемым классическим моделям и излагаются для того, чтобы подвести фундамент под  современные физические, в частности  квантовые модели. Модель Друде позволяет построить наглядную картину и получить грубые оценки характеристик, более точное определение которых могло бы потребовать сложного анализа. Однако, она не объясняет некоторые эксперименты и приводит к ряду концептуальных трудностей, которые нашли свое разрешение лишь после создания сложной и тонкой квантовой теории твердого тела.

Согласно классической теории металлы можно рассматривать  как кристаллический остов, состоящий  из положительных ионов, погруженных  в среду из свободных коллективизированных электронов, называемой "электронным газом" или "электронной жидкостью" (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1. Классическая модель металла согласно Друде и Лорентцу

В свободное состояние от каждого атома металла переходит от одного до двух электронов. К электронному газу применялись представления и законы статистики обычных газов. При изучении хаотического (теплового) и направленного под действием силы электрического поля движения электронов был выведен закон Ома. При столкновениях электронов с узлами кристаллической решетки энергия, накопленная при ускорении электронов в электрическом поле, передается металлической основе проводчика, вследствие чего он нагревается. Рассмотрение этого вопроса привело к выводу закона Джоуля—Ленца. Таким образом, электронная теория металлов дала возможность аналитически описать и объяснить найденные ранее экспериментальным путем основные законы электропроводности и потерь электрической энергии в металлах. Оказалось возможным также объяснить и связь между электропроводностью и теплопроводностью металлов. Кроме того, некоторые опыты подтвердили гипотезу об электронном газе в металлах, а именно:

1. При длительном пропускании электрического тока через цепь, состоящую из одних металлических проводников, не наблюдается проникновения атомов одного металла в другой.

2. При нагреве металлов до высоких температур скорость теплового движения свободных электронов увеличивается, и наиболее быстрые из них могут вылетать из металла, преодолевая силы поверхностного потенциального барьера.

3. В момент неожиданной остановки быстро двигавшегося проводника происходит смещение электронного газа по закону инерции в направлении движения. Смещение электронов приводит к появлению разности потенциалов на концах заторможенного проводника, и стрелка подключаемого к ним измерительного прибора отклоняется по шкале.

4. Исследуя поведение металлических проводников в магнитном поле, установили, что вследствие искривления траектории электронов в металлической пластинке, помещенной в поперечное магнитное поле, появляется поперечная ЭДС и изменяется электрическое сопротивление проводника.

Однако выявились и противоречия некоторых выводов теории с опытными данными. Они состояли в расхождении температурной зависимости удельного сопротивления, наблюдаемой на опыте и вытекающей из положений теории; в несоответствии теоретически полученных значений теплоемкости металлов опытным данным. Наблюдаемая теплоемкость металлов меньше теоретической и такова, как будто электронный газ не поглощает теплоту при нагреве металлического проводника. Эти противоречия удалось преодолеть, рассматривая некоторые положения с позиций квантовой механики. В отличие от классической электронной теории в квантовой механике принимается, что электронный газ в металлах при обычных температурах находится в состоянии вырождения. В этом состоянии энергия электронного газа почти не зависит от температуры, т. е. тепловое движение почти не изменяет энергию электронов. Поэтому на нагрев электронного газа теплота не затрачивается, что и обнаруживается при измерении теплоемкости металлов. В состояние, аналогичное обычным газам, электронный газ приходит при температуре порядка тысяч Кельвинов. Представляя металл как систему, в которой положительные ионы скрепляются посредством свободно движущихся электронов, легко понять природу всех основных свойств металлов: пластичности, ковкости, хорошей теплопроводности и высокой электропроводности.

 

2. Свойства  проводников

 

К важнейшим параметрам, характеризующим свойства проводниковых  материалов, относятся:

1. удельная проводимость g или обратная ей величина — удельное сопротивление r;
2. температурный коэффициент удельного сопротивления ТК_r или a_r;
3. коэффициент теплопроводности g_т;
4. контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила (термо – ЭДС);
5. работа выхода электронов из металла;
6. предел прочности при растяжении s_р и относительное удлинение перед разрывом Dl/l.

Удельная проводимость и удельное сопротивление проводников. Связь плотности тока J (в амперах на квадратный метр) и напряженности электрического поля (в вольтах на метр) в проводнике дается известной формулой:

J=gE        (2.1)

 

(дифференциальная форма  закона Ома); здесь g (в сименсах на метр) параметр проводникового материала, называемый его удельной проводимостью: в соответствии с законом Ома у металлических проводников не зависит от напряженности электрического поля Е при изменении последней в весьма широких пределах. Величина r = 1/g, обратная удельной проводимости и называемая удельным сопротивлением, для имеющего сопротивление R проводника длиной l с постоянным поперечным сечением S вычисляется по формуле:

r = RS/l (2.2).

Удельное сопротивление  измеряется в ом – метрах. Для  измерения r проводниковых материалов разрешается пользоваться внесистемной единицей Ом×мм²/м; очевидно, что проволока из материала длиной 1 м с поперечным сечением 1 мм² имеет сопротивление в омах, численно равно r материала в Ом×мм²/м.

Диапазон значений удельного сопротивления r металлических проводников (при нормальной температуре) довольно узок: от 0,016 для серебра и до примерно 10 мкОм×м для железохромоалюминиевых сплавов, т.е. он занимает всего три порядка. Удельная проводимость металлических проводников согласно классической теории металлов может быть выражена следующим образом:

 

g = (e²n₀l)/(2mv_T)        (2.3).

 

где е — заряд электрона; n₀ — число свободных электронов в единице объема металла; l — средняя длина свободного пробега электрона между двумя соударениями с узлами решетки; т — масса электрона; v_T — средняя скорость теплового движения свободного электрона в металле.

Преобразование выражения (2.3) на основе положений квантовой механики приводит к формуле:

 

g = K₀^2/3l      (2.4).

 

где K — численный коэффициент; остальные обозначения — прежние.

Для различных металлов скорости хаотического теплового движения электронов v_T (при определенной температуре) примерно одинаковы. Незначительно различаются также и концентрации свободных электронов п₀ (например, для меди и никеля это различие меньше 10%). Поэтому значение удельной проводимости у (или удельного сопротивления r) в основном зависит от средней длины свободного пробега электронов в данном проводнике l, которая, в свою очередь, определяется структурой проводникового материала. Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой характеризуются наименьшими значениями удельного сопротивления; примеси, искажая решетку, приводят к увеличению r. К такому же выводу можно прийти, исходя из волновой природы электронов. Рассеяние электронных волн происходит на дефектах кристаллической решетки, которые соизмеримы с расстоянием около четверти длины электронной волны. Нарушения меньших размеров не вызывают заметного рассеяния волн. В металлическом проводнике, где длина волны электрона около 0,5 нм, микродефекты создают значительное рассеяние, уменьшающее подвижность электронов, и, следовательно, приводит к росту r материала.

 

Рисунок 2.1. Зависимость удельного сопротивления r меди от температуры

 

Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов. Число носителей заряда (концентрация свободных электронов) в металлическом проводнике при повышении температуры практически остается неизменным. Однако вследствие усиления колебаний узлов кристаллической решетки с ростом температуры появляется все больше и больше препятствий на пути направленного движения свободных электронов под действием электрического поля, т.е. уменьшается средняя длина свободного пробега электрона l. уменьшается подвижность электронов и, как следствие, уменьшается удельная проводимость металлов и возрастает удельное сопротивление (рисунок 2.1). Иными словами, температурный коэффициент удельного сопротивления металлов, (кельвин в минус первой степени) положителен.

 

TKr =a_r = (1/r) (dr/dT)  (2.5)

 

Согласно выводам электронной  теории металлов значения a_r., чистых металлов в твердом состоянии должны быть близки к температурному коэффициенту расширения идеальных газов, т.е. 1/273»0,0037 К^-1. При изменении температуры в узких диапазонах на практике допустима кусочно-линейная аппроксимация зависимости r (Т); в этом случае принимают, что

 

r₂ = r₁ [1+a_r (T₂ –T₁)]     (2.6)

 

где r₁, и r₂ — удельные сопротивления проводникового материала при температурах Т₁, и T₂, соответственно (при этом T₂ > Т₁);

a_r — так называемый средний температурный коэффициент удельного сопротивления данного материала в диапазоне температур от Т₁, до Т₂.

Изменение удельного сопротивления  металлов при плавлении. При переходе из твердого состояния в жидкое у  большинства металлов наблюдается увеличение удельного сопротивления r, как это видно, например, для меди, из рисунка 2.1; однако у некоторых металлов r при плавлении уменьшается. Удельное сопротивление увеличивается при плавлении у тех металлов, у которых при плавлении увеличивается объем, т.е. уменьшается плотность; и, наоборот, у металлов, уменьшающих свой объем при плавлении, — галлия, висмута, сурьмы r уменьшается.

Удельное  сопротивление сплавов. Как уже указывалось, примеси, и нарушения правильной структуры металлов увеличивают их удельное сопротивление. Значительное возрастание r наблюдается при сплавлении двух металлов в том случае, если они образуют друг с другом твердый раствор, т. е. при (утверждении совместно кристаллизуются, и атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого.

Теплопроводность металлов. За передачу теплоты через металл в основном ответственны те же свободные электроны, которые определяют и электропроводность металлов и число которых в единице объема металла весьма велико. Поэтому, как правило, коэффициент теплопроводности g_T металлов намного больше, чем коэффициент теплопроводности диэлектриков. Очевидно, что при прочих равных условиях, чем больше удельная электрическая проводимость у металла, тем больше должен быть и его коэффициент теплопроводности. Легко также видеть, что при повышении температуры, когда подвижность электронов в металле и соответственно его удельная проводимость g уменьшаются, отношение коэффициента теплопроводности металла к его удельной проводимости g_T/g должно возрастать. Математически это выражается законом Видемана — Франца — Лоренца: