Физико – химические свойства
К физико-химическим свойствам относят цвет, плотность, температуру плавления, теплопроводность, тепловое расширение, электропроводность, магнитные свойства, поглощение газов, коррозионную стойкость и др.
Физико-химические свойства оценивают удельным электрическим сопротивлением , удельной электрической проводимостью , температурным коэффициентом удельного электрического сопротивления и коэффициентом теплопроводности.
1) Плотность
По плотности металлы разделяют на легкие и тяжелые.
К легким относят те металлы, плотность которых меньше 5 Мг/м3. Одним из наиболее легких металлов считается натрий, плотность которого меньше плотности воды.
К тяжелым относят подавляющее большинство металлов, используемых в технике (железо, медь, никель, олово и др.).
2) Удельное электрическое сопротивление для образцов правильной формы
где R - сопротивление образца, Ом; S - площадь поперечного сечения образца, м2; l - длина образца, м.
Величину измеряют в омах на метр (Ом×м), однако для практических целей 1 Ом×м слишком большое значение, поэтому этот параметр чаще всего выражают в более мелких единицах, например в микроомах на метр. Диапазон значений металлических проводников (при нормальной температуре) от 0,016 для серебра до 10 мкОм×м для некоторых сплавов.
Удельная проводимость металлических проводников по классической теории металлов может быть выражена следующим образом:
,
где е ˗ заряд электрона, no ˗ число свободных электронов в единице объема металла, λ ˗ средняя длина свободного пробега электрона между двумя соударениями с узлами решетки, т ˗ масса электрона, υт ˗ средняя скорость теплового движения свободного электрона в металле.
Для различных металлов скорости хаотического теплового движения электронов υт (при определенной температуре) примерно одинаковы. Незначительно различаются также и концентрации свободных электронов no: например, для меди и никеля это различие меньше 10%. Поэтому значение удельной проводимости γ (или удельного сопротивления ρ) в основном зависит от средней длины свободного пробега электронов в данном проводнике λ, 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 ρ.
Значения металлов в нормальных условиях отличаются друг от друга примерно в 100 раз. Сопротивление проводников Rs на высоких частотах существенно больше их сопротивления на постоянном токе вследствие того, что высокочастотное поле проникает в проводник на небольшую глубину. Чем выше частота поля, тем на меньшую глубину оно проникает в проводник. Это явление получило название поверхностного эффекта. За глубину проникновения тока в проводник на данной частоте условно принимают глубину, на которой плотность тока уменьшается в 2,7 раза по сравнению с ее значением на поверхности проводника.
Величину, обратную удельному электрическому сопротивлению , называют удельной электрической проводимостью (См/м):
.
Удельное сопротивление сплавов. Примеси и нарушения правильной структуры металлов ведут к увеличению их удельного сопротивления. Значительное возрастание ρ наблюдается при сплавлении двух металлов в том случае, если они образуют друг с другом твердый раствор, т. е. создают при отвердевании совместную кристаллизацию и атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого.
3) Температурный коэффициент удельного электрического сопротивления
Удельное электрическое сопротивление металлов зависит от температуры.
Число носителей заряда (концентрация свободных электронов) в металлическом проводнике при повышении температуры остается практически 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 λ, уменьшается подвижность электронов и, как следствие, уменьшается удельная проводимость металлов и возрастает удельное сопротивление. Иными словами, температурный коэффициент удельного сопротивления металлов (К-1) положителен.
,
где - элементарное приращение сопротивления проводника, соответствующее элементарному приращению температуры
Согласно выводам электронной теории металлов значения αр чистых металлов в твердом состоянии должны быть близки к ТК расширения идеальных газов, т. е. 1 : 273 = 0,0037 К-1 повышенными значениями αр обладают некоторые металлы, в том числе ферромагнитные металлы — железо, никель и кобальт.
Для чистых металлов в твердом состоянии должен быть близок к температурному коэффициенту объема идеальных газов, т.е. 1/273 = 0,00367 К-1. При фазовом переходе из одного агрегатного состояния в другое удельное электрическое сопротивление металлов изменяется скачкообразно. Однако у металлов, плотность которых при плавлении уменьшается (висмут, сурьма и галлий), удельное электрическое сопротивление при плавлении снижается.
Средний температурный коэффициент удельного электрического сопротивления металлов (1/град) в диапазоне температур
,
где , ˗ значения , соответствующие температурам Т0 и Т.
4) Изменение удельного сопротивления при упругом растяжении или сжатииприближенно может оцениваться формулой
где ρ ˗ удельное сопротивление металла при механическом напряжении σ, ρо ˗ удельное сопротивление металла, не подверженного механическому воздействию, ˗ коэффициент механического напряжения, характеризующий данный металл; знак плюс в формуле соответствует растяжению, минус ˗ сжатию.
Изменение ρ при упругих деформациях объясняется изменением амплитуды колебаний узлов кристаллической решетки металла. При растяжении эти амплитуды увеличиваются, при сжатии ˗ уменьшаются. Увеличение амплитуды колебаний узлов приводит к уменьшению подвижности носителей зарядов и, как следствие, к возрастанию ρ. Уменьшение амплитуды колебаний, наоборот, приводит к уменьшению ρ. Пластическая деформация, как правило, повышает удельное сопротивление металлов вследствие искажения кристаллической решетки. При рекристаллизации путем термической обработки (отжига) удельное сопротивление может быть вновь снижено до первоначального значения. Наблюдающееся иногда при деформациях сжатия уменьшение удельного сопротивления объясняется вторичными явлениями: уплотнением металла, разрушением оксидных пленок и т. д.
5)Теплопроводность металлов
За передачу тепла через металл в основном ответственны те же свободные электроны, которые определяют и электропроводность металлов и количество которых в единице объема металла весьма велико. Поэтому, как правило, теплопроводность γT металлов намного больше, чем теплопроводность диэлектриков. Очевидно, что при прочих равных условиях, чем больше удельная электрическая проводимость у металла, тем больше должна быть и его теплопроводность. Легко также видеть, что при повышении температуры, когда подвижность электронов в металле и соответственно его удельная проводимость γ уменьшаются, отношение γT/γ теплопроводности металла к его удельной проводимости должно возрастать.
6)Термоэлектродвижущая сила
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. Из электронной теории металлов следует, что контактная разность потенциалов между металлами А и В, равна:
,
где UА и UВ — потенциалы соприкасающихся металлов;
пA и пB — концентрации электронов в металлах А и В;
k и е,— постоянная Больцмана и заряд электрона.
Если температуры «спаев» одинаковы, то сумма разностей потенциалов в замкнутой цепи равна нулю. Иначе обстоит дело, когда один из спаев имеет температуру Т1, а другой — температуру T2. (рис. 16).
Рис. 16. Схема термопары
В этом случае между спаями возникает термо-э. д. с., равная
что можно записать в виде
(4.1)
где с — постоянный для данной пары проводников коэффициент термо-э.д.с., т. е. термо-э.д.с. должна быть пропорциональна разности температур спаев.
Фактически соотношение (4.1) соблюдается не всегда и зависимость термо-э.д.с. от разности температур спаев может быть не строго линейной. Провод, составленный из двух изолированных друг от друга проволок из различных металлов или сплавов (термопара), может быть использован для измерения температур. В термопарах используются проводники, имеющие большой и стабильный коэффициент термо-э.д.с.
Наоборот, для обмоток измерительных приборов и эталонных резисторов стремятся применять проводниковые материалы и сплавы с возможно меньшим коэффициентом термо-э.д.с. относительно меди, чтобы избежать появления в измерительных схемах паразитных термо-э.д.с., которые могли бы вызвать ошибки при точных измерениях.
7) Температурный коэффициент линейного расширения проводников. Этот коэффициент, вычисляемый по тому же выражению (5-7), что и для диэлектриков, интересен не только с точки зрения работы различных сопряженных материалов в той или иной конструкции (возможность растрескивания или нарушения вакуум-плотного соединения со стеклами, керамикой и т. д. при изменении температуры и т. п.). Он необходим также и для расчета температурного коэффициента электрического сопротивления провода .
Для чистых металлов обычно αl<< αp, так что в формуле можно пренебречь αl по сравнению с αp и считать приближенно αR = αp. Однако для сплавов, имеющих малый αp, формула может иметь существенное практическое значение. Значение αl твердых металлов возрастает при повышении температуры и приближении к температуре плавления. При нормальной температуре легкоплавкие металлы имеют сравнительно высокие, а тугоплавкие — сравнительно низкие значения αl .
К технологическим свойствам относятся ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием, жидкотекучесть, усадка и др. Технологические свойства определяются комплексом физико-химических свойств материала. Для определения свойств материала проводят соответствующие лабораторные испытания.
Вопросы и задания для самоконтроля
1. Требования к электротехническим материалам?
2. Указать отличие проводников I и II рода?
3. Что такое сплавы металлов?
4. Механические свойства материалов и металлов?
5. Испытания на растяжение пластичных материалов?
6. Показатели прочности цветных металлов и их сплавов?
7. Показатели пластичности материалов из цветных металлов?
8. Механические испытания цветных металлов на твердость?
9. Дать классификацию веществ по электрическим свойствам?
10. Подвижность носителей зарядов в металлах?
11. Определения проводимости и удельного сопротивления?
12. Электропроводность металлов при изменении температуры?
13. Температурный коэффициент удельного сопротивления?
14. Уловия возникновения термо-ЭДС в проводниках?
15. Влияние примесей на электропроводность проводников?
16. Описать принцип работы проводниковой термопары?
Дата добавления: 2021-11-16; просмотров: 515;