Медь электропроводность и теплопроводность: электропроводность, свойства, особенности и применение

alexxlab | 13.11.2019 | 0 | Разное

электропроводность, свойства, особенности и применение

Во многих отраслях современной промышленности очень широко используется такой материал, как медь. Электропроводность у этого металла очень высокая. Этим и объясняется целесообразность его применения прежде всего в электротехнике. Из меди получаются проводники с отличными эксплуатационными характеристиками. Конечно же, используется этот металл не только в электротехнике, но и в других отраслях промышленности. Объясняется его востребованность в том числе и такими его качествами, как стойкость к коррозионным разрушениям в ряде агрессивных сред, тугоплавкость, пластичность и т.д.

Историческая справка

Медь является металлом, известным человеку с глубокой древности. Объясняется раннее знакомство людей с эти материалом прежде всего его широкой распространенностью в природе в виде самородков. Многие ученые считают, что именно медь была первым металлом, восстановленным человеком из кислородных соединений. Когда-то горные породы просто нагревали на костре и резко остужали, в результате чего они растрескивались. Позднее восстановление меди начали производить на кострах с добавлением угля и поддувом мехами. Совершенствование этого способа в конечном итоге привело к созданию шахтной печи. Еще позже этот металл начали получать методом окислительной плавки руд.

Медь: электропроводность материала

В спокойном состоянии все свободные электроны любого металла вращаются вокруг ядра. При подключении внешнего источника воздействия они выстраиваются в определенной последовательности и становятся носителями тока. Степень способности металла пропускать сквозь себя последний и называется электропроводностью. Единицей ее измерения в Международной СИ является сименс, определяемый как 1 См = 1 Ом^-1.

Электропроводность меди очень высока. По этому показателю она превосходит все известные на сегодня неблагородные металлы. Лучше нее ток пропускает только серебро. Показатель электропроводности меди составляет 57х104 см^-1 при температуре в +20 °С. Благодаря такому своему свойству этот металл на данный момент является самым распространенным проводником из всех используемых в производственных и бытовых целях.

Медь отлично выдерживает постоянные электрические нагрузки и к тому же отличается надежностью и долговечностью. Помимо всего прочего, этот металл характеризуется и высокой температурой плавления (1083,4 °С). А это, в свою очередь, позволяет меди долгое время работать в нагретом состоянии. По распространенности в качестве проводника тока конкурировать с этим металлом может только алюминий.

Влияние примесей на электропроводность меди

Конечно же, в наше время для выплавки этого красного металла используются гораздо более совершенные методики, чем в древности. Однако и сегодня получить совершенно чистый Cu практически невозможно. В меди всегда присутствуют разного рода примеси. Это могут быть, к примеру, кремний, железо или бериллий. Между тем, чем больше примесей в меди, тем меньше показатель ее электропроводности. Для изготовления проводов, к примеру, подходит только достаточно чистый металл. Согласно нормативам, для этой цели можно использовать медь с количеством примесей, не превышающем 0.1 %.

Очень часто в этом металле содержится определенный процент серы, мышьяка и сурьмы. Первое вещество значительно снижает пластичность материала. Электропроводность меди и серы сильно различается. Ток эта примесь совершенно не проводит. То есть является хорошим изолятором. Однако на электропроводность меди сера не влияет практически никак. То же самое касается и теплопроводности. С сурьмой и мышьяком наблюдается обратная картина. Эти элементы электропроводность меди способны снижать значительно.

Сплавы

Разного рода добавки могут использоваться и специально для повышения прочности такого пластичного материала, как медь. Электропроводность ее они также снижают. Но зато их применение позволяет значительно продлить срок службы разного рода изделий.

Чаще всего в качестве повышающей прочность меди добавки используется Cd (0.9 %). В результате получается кадмиевая бронза. Ее проводимость составляет 90 % от проводимости меди. Иногда вместо кадмия в качестве добавки используют также алюминий. Проводимость этого металла составляет 65 % от этого же показателя меди. Для повышения прочности проводов в виде добавки могут применяться и другие материалы и вещества — олово, фосфор, хром, бериллий. В результате получается бронза определенной марки. Соединение меди с цинком называется латунью.

Характеристики сплавов

Зависеть электропроводность металлов может не только от количества имеющихся в них примесей, но и от других показателей. К примеру с повышением температуры нагрева способность меди пропускать сквозь себя ток снижается. Оказывает влияние на электропроводность такой проволоки даже способ ее изготовления. В быту и на производстве могут использоваться как мягкие отожженные медные проводники, так и твердотянутые. У первой разновидности способность пропускать сквозь себя ток выше.

Однако больше всего влияют, конечно же, используемые добавки и их количество на электропроводность меди. Таблица ниже представляет читателю исчерпывающую информацию относительно способности пропускать ток наиболее распространенных сплавов этого металла.

Электропроводность медных сплавов

Сплав	Состояние (О — отожженная, Т-твердотянутая)	Электропроводность (%)
Чистая медь	О	101
	Т	98
Оловянная бронза (0.75 %)	О	55-60
	Т	50-55
Кадмиевая бронза (0.9 %)	О	95
	Т	83-90
Алюминиевая бронза (2,5 % А1, 2 % Sn)	О	15-18
	Т	15-18
Фосфористая бронза (7 % Sn, 0,1 % Ρ)	О	10-15
	Т	10-15

Электропроводность латуни и меди сравнима. Однако у первого металла этот показатель, конечно же, немного ниже. Но при этом он и выше, чем у бронз. В качестве проводника латунь используется довольно-таки широко. Ток она пропускает хуже меди, но при этом и стоит дешевле. Чаще всего из латуни делают контакты, зажимы и различные детали для радиоаппаратуры.

Медные сплавы высокого сопротивления

Такие проводниковые материалы применяют в основном при изготовлении резисторов, реостатов, измерительных приборов и электронагревательных устройств. Чаще всего для этой цели используются медные сплавы константан и манганин. Удельное сопротивление первого (86 % Cu, 12 % Mn, 2 % Ni) составляет 0.42-0.48 мкОм/м, а второго (60 % Cu, 40 % Ni) — 0.48-0.52 мкОм/м.

Связь с коэффициентом теплопроводности

Удельная электропроводность меди – 59 500 000 См/м. Этот показатель, как уже упоминалось, верен, однако только при температуре +20 ^оС. Между коэффициентом теплопроводности любого металла и удельной проводимостью существует определенная связь. Устанавливает его закон Видемана — Франца. Выполняется он для металлов при высоких температурах и выражается в такой формуле: K/γ = π² / 3 (k/e)²T, где y — удельная проводимость, k — постоянная Больцмана, e — элементарный заряд.

Разумеется, существует подобная связь и у такого металла, как медь. Теплопроводность и электропроводность у нее очень высокие. На втором месте после серебра она находится по обоим этим показателям.

Соединение медных и алюминиевых проводов

В последнее время в быту и промышленности начало использоваться электрооборудование все более высокой мощности. Во времена СССР проводка изготавливалась в основном из дешевого алюминия. Новым требованиям ее эксплуатационные характеристики, к сожалению, уже не соответствуют. Поэтому сегодня в быту и в промышленности очень часто алюминиевые провода меняются на медные. Основным преимуществом последних, помимо тугоплавкости, является то, что при окислительном процессе их токопроводящие свойства не уменьшаются.

Часто при модернизации электросетей алюминиевые и медные провода приходится соединять. Делать это напрямую нельзя. Собственно, электропроводность алюминия и меди различается не слишком сильно. Но только у самих этих металлов. Окислительные же пленки у алюминия и меди свойства имеют неодинаковые. Из-за этого значительно снижается проводимость в месте соединения. Окислительная пленка у алюминия отличается гораздо большим сопротивлением, чем у меди. Поэтому соединение этих двух разновидностей проводников должно производиться исключительно через специальные переходники. Это могут быть, к примеру, зажимы, содержащие пасту, защищающую металлы от появления окиси. Данный вариант переходников обычно используется при соединении проводов на улице. В помещениях чаще применяются ответвительные сжимы. В их конструкцию входит специальная пластина, исключающая прямой контакт между алюминием и медью. При отсутствии таких проводников в бытовых условиях вместо скручивания проводов напрямую рекомендуется использовать шайбу и гайку в качестве промежуточного «мостика».

Физические свойства

Таким образом, мы выяснили, какая электропроводность у меди. Показатель этот может меняться в зависимости от входящих в состав этого металла примесей. Однако востребованность меди в промышленности определяется и другими ее полезными физическими свойствами, получить информацию о которых можно из представленной ниже таблицы.

Физические характеристики Cu

Параметр	Значение
Решетка	Гранецентрированная кубическая, а=3.6074 Å
Атомный радиус	1,28 Å
Удельная теплоемкость	385,48 дж/(кг·К) при +20 оС
Теплопроводность	394,279 вт/(м·К) при +20 оС
Электрическое сопротивление	1,68·10-8 Ом·м
Коэффициент линейного расширения	17,0·10-6
Твердость	350 Мн/м2
Предел прочности при растяжении	220 Мн/м2

Химические свойства

По таким характеристикам медь, электропроводность и теплопроводность которой очень высокие, занимает промежуточное положение между элементами первой триады восьмой группы и щелочными первой группы таблицы Менделеева. К основным ее химическим свойствам относят:

• склонность к комплексообразованию;

• способность давать окрашенные соединения и нерастворимые сульфиды.

Наиболее характерным для меди является двухвалентное состояние. Сходства с щелочными металлами она не имеет практически никакого. Химическая активность ее также невелика. В присутствии СО₂ или же влаги на поверхности меди образуется зеленая карбонатная пленка. Все соли меди являются ядовитыми веществами. В одно- и двухвалентном состоянии этот металл образует очень устойчивые комплексные соединения. Наибольшее значение для промышленности имеют аммиачные.

Сфера использования

Высокая тепло- и электропроводность меди определяет ее широкое применение в самых разных отраслях промышленности. Конечно же, чаще всего этот металл используется в электротехнике. Однако это далеко не единственная сфера его применения. Помимо всего прочего, медь может использоваться:

• в ювелирном деле;

• в архитектуре;

• при сборке водопроводных и отопительных систем;

• в газопроводах.

Для изготовления разного рода ювелирных изделий используется в основном сплав меди с золотом. Это позволяет увеличить стойкость украшений к деформациям и истиранию. В архитектуре медь может использоваться при облицовке кровель и фасадов. Основным преимуществом такой отделки является долговечность. К примеру, листами именно этого металла обшита крыша широко известной архитектурной достопримечательности — католического собора в немецком городе Хильдесхайме. Медная кровля этого здания надежно защищает его внутреннее пространство вот уже почти 700 лет.

Инженерные коммуникации

Основными преимуществами медных водопроводов также являются долговечность и надежность. Кроме того, этот металл способен придавать воде особые уникальные свойства, делая ее полезной для организма. Для сборки газопроводов и систем отопления медные трубы также подходят идеально – в основном благодаря своей коррозийной стойкости и пластичности. При аварийном повышении давления такие магистрали способны выдерживать гораздо большую нагрузку, чем стальные. Единственным недостатком медных трубопроводов является их дороговизна.

Проводимость меди и алюминия: удельная проводимость

Электрическая проводимость или электропроводность — это способность тела проводить электрический ток. Это понятие крайне важно в электротехнике: металлы, хорошо проводящие ток, используются в проводах, плохие проводники или диэлектрики — для защиты людей от электричества. Лучшим проводником является серебро, на втором месте стоит медь (она совсем немного уступает серебру), далее идут золото и алюминий.

Достоинства и недостатки медных проводов

Медь — это пластичный переходный металл. Имеет золотисто-розовый цвет, встречается в природе в виде самородков. Используется человеком с давних времен — в его честь была названа целая эпоха.

В таблице дано удельное электрическое сопротивление стали и других металлов

Сегодня медные провода часто используют в электронных устройствах. К их достоинствам относятся:

• Высокая электропроводность (металл занимает второе место по этому показателю, уступая только серебру). По сравнению с алюминием медь эффективнее в 1,7 раза: при равном сечении медный кабель пропускает больше тока.
• Сварку, пайку и лужение можно проводить без использования дополнительных материалов.
• Провода обладают хорошей эластичностью и гибкостью, их можно сворачивать и сгибать без особого вреда.

 

Медь лишь немного уступает серебру

Однако до недавнего времени медные провода проигрывали алюминиевым из-за нескольких недостатков:

• Высокая плотность: при разных размерах медный провод будет весить больше, чем алюминиевый;
• Цена: алюминий в несколько раз дешевле;
• Медь окисляется на открытом воздухе: впрочем, это не влияет на ее работу и легко устраняется.

Какое сопротивление меди и алюминия

Алюминий — это легкий металл, который легко поддается обработке и литью. Обладает высокой электропроводностью: он стоит на 4 месте после серебра, меди и золота.

Важно! Несмотря на ряд достоинств (невысокую стоимость, малый вес, простоту обработки и другие) в долгосрочной перспективе алюминиевые провода менее выгодны, чем медные.

В электротехнике значение имеют 2 термина:

• Электропроводность: отвечает за передачу тока от одной точки к другой. Чем выше проводимость металла, тем лучше он передает электричество. При +20 градусах проводимость меди составляет 59,5 миллионов сименс на метр (См/м), алюминия — 38 миллионов См/м. Проводимость медного кабеля практически не зависит от температуры.
• Электросопротивление: чем выше это понятие, тем хуже вещество будет пропускать ток. Удельное сопротивление меди составляет 0,01724-0,0180 мкОм/м, алюминия — 0,0262-0,0295.

Алюминиевые кабели востребованы не меньше медных

Иными словами, медь обладает более высокой проводимостью и меньшим сопротивлением, чем алюминий.

Какое удельное сопротивление стали

Сталь — это металлический сплав железа с углеродом и другими элементами. В ее состав входит не менее 45% железа, содержание углерода колеблется от 0,02% до 2,14%. В зависимости от точного состава сталь используется в строительстве, машиностроении и приборостроении, а также во многих областях, например, в транспорте, народном хозяйстве, при производстве бытовых приборов.

Стальные провода отличаются невысокой проводимостью

Проводимость стали составляет всего 7,7 миллионов См/м, удельное сопротивление — 0,13 мкОм/м, то есть оно довольно высоко. Сталь плохо проводит электричество и не применяется при производстве непосредственно кабелей. Однако нередко можно встретить внешнюю оцинкованную стальную оплетку, которая защищает провода от механического растяжения. Такая защита нужна, если кабель проходит под дорогой или на нестабильном грунте, если есть риск резко дернуть провод.

Также из стали делают ПНСВ — провод нагревательный со стальной жилой, имеющий изоляцию из винила. Его размещают внутри конструкции до заливания бетона и используют в дальнейшем для электрообогрева готового блока. Электричество кабель практически не проводит.

Из стали производят провод ПНСВ

Сравнение проводимости разных видов стали

Характеристики стали зависят от ее состава и температуры:

• Для углеродистых сплавов сопротивление довольно низкое: оно составляет 0,13-0,2 мкОм/м. Чем выше температура, тем больше значение;
• Низколегированные сплавы имеют более высокое сопротивление — 0,2-0,43 мкОм/м;
• Высоколегированные стали отличаются высоким сопротивлением — 0,3-0,86 мкОм/м;
• Благодаря высокому содержанию хрома сопротивление хромистых нержавеющих сплавов равняется 0,5-0,6 мкОм/м;
• Хромоникелевые аустенитные стали являются нержавеющими и благодаря никелю имеют высокую сопротивляемость — 0,7-0,9 мкОм/м.

Из стали часто делают оцинкованную оплетку

Медь стоит на втором месте по степени электропроводимости: она отлично пропускает электрический ток и повсеместно используется при изготовлении проводов. Не реже применяют и алюминий: он слабее меди, но дешевле и легче.

Что представляет собой электротехническая медь

При ответе на вопрос, что собой представляет электротехническая медь, совсем не обязательно изучать лекции по такой науке, как  химия, и заучивать определенные прописные термины. Достаточно обратить внимание на самые важные технические и эксплуатационные характеристики меди. Стоит рассмотреть основные методы ее получения, сферу применения, а также упомянуть о тех, кто занимается производством меди, предназначенной для нужд мировой электротехнической промышленности.

Если учесть тот факт, что примерно 80% от всей добываемой сейчас меди получаются в итоге переработки разных сульфидных руд, можно отметить, что материал отличается повышенными показателями себестоимости. Она обычно оправдана достаточно широким спектром ее использования.

Основные характеристики меди – электротехнической и стандартной

Медь, как материал, имеет по всем параметрам уникальное сочетание самых разных свойств. Среди них можно отметить такие преимущественные характеристики, как:

• Идеальные параметры стойкости к разрушительной коррозии;
• Высокий уровень эластичности;
• Наличие привлекательного цвета, а также фактуры;
• Высокие параметры проводимости тепла;
• Идеальная электропроводность.

После того, как медь полностью очищается от разнообразных примесей, она принимает розоватый оттенок на изломе, а также становится очень мягкой по структуре. Удаление большого количества разнообразных примесей в значительной степени повышает ее электро- и теплопроводность. По этой причине большая часть всей изготовленной меди идет на то, чтобы из нее были изготовлены разные электротехнические изделия.

В большом количестве случаев для достижения основных электротехнических нужд используется специальная чистая с технической точки зрения медь. В ней содержится примерно 0,02-0,04% кислорода. Для изделий, которые требуют максимальных показателей электропроводности, используют специальную, не имеющую в своем составе кислород, медь.

Среди самых важных качественных характеристик можно отметить такие факторы, как:

• Удельный вес примерно равен 8,93 г/cм3;
• Параметры сопротивления при 20 градусах равны примерно 0,0167 Ом х мм2/м;
• Показатели температуры для эффективного плавления, которая    составляет 1083 градусов.

В настоящее время предприятия из качественной меди производят самые разные  изделия, к которым можно отнести провода, кабели, обмотки для трансформаторов, а также электротехнические шины.

Основные методы получения меди

Качественная электротехническая медь представляет собой чистый металл, потому что любая, даже незначительная примесь значительно снижает показатели электропроводности. Например, всего 0,002 % такого вещества, как алюминий, несмотря на то, что он тоже является проводником, в состоянии привести к тому, что степень проводимости снизится примерно на 10%. Чего уж говорить о тех примесях, которые не являются проводниками вообще. Именно по этой причине любой технический брак не может быть допустимым.

Чтобы получить максимально качественную и чистую  медь, используется метод, который называется электрорафинированием, он основан на таком процессе, как электролиз. Производятся идеальные условия, способствующие отделению примесей от частиц самой меди. Обычно они оседают на одном каком-то электроде, потому в результате можно получить особую электромеханическую медь, чистота которой составляет 99,999%, от требуемого уровня, предназначенного для разных электротехнических нужд.

Можно отметить еще одну достаточно важную сферу применения – изготовление сплавов на основе меди или с добавлением ее. Интересным является то, что мягкая по структуре медь в сочетании с иными металлами образует совершенно не мягкие, но, наоборот, очень твердые сплавы, то есть растворы. В них атомы от разнообразных  металлов распределяются очень равномерно.

Если добавить в красную медь специальный продукт огневого процесса рафинирования, добавление небольшого количества мышьяка серьезно увеличит параметры ее прочности, но одновременно с этим будут ухудшены возможности такого процесса, как сварка.

Область применения меди

По показателям востребованности, весь объем меди, которая потребляется на мировом рынке, «расходится» в таких пропорциях:

• Современная электротехника и подобные качественные изделия – примерно 70%;
• Конструкционные элементы строительных объектов – 15%;
• Детали от машин и иных элементов  – около 5%;
• Разнообразные транспортные области составляют 4%;
• На все остальное и на военные нужды в том числе приходится примерно 6%.

Относительно отраслей современной промышленности, то здесь первое место отведено именно строительству. К ней относится около 40% от общего объема меди, которая производится на данный момент.

Такая область современной промышленности, как электроника, забирает примерно 25%, на сферу машиностроения приходится 14 %, а на транспортную область около 11%. На широко потребление идет остаток в 9%.

Так как низкокислородная и не имеющая кислорода медь обладает идеальными литьевыми качествами, она может применяться в процессе изготовления выполненных из мели  труб, для производства химико-технологического качественного современного оборудования, производительных автомобильных радиаторов и стандартных бытовых труб водопровода.

Производители качественной меди

Вся  медь должна полностью соответствовать требованиям ГОСТа 434-78. По ним выпускают специальные медные шины такие промышленные предприятия, как:

• ГМК «Норильский никель», являющийся одним из самых крупным и основных производителей на территории России;
• Холдинг УГМК;
• ЗАО «Русская медная компания». В  компании находится 11 предприятий в Казахстане и четырех крупных областей России.

Это крупные предприятия, но есть и более мелкие.

Разнообразные полезные детали

Общая технология изготовления медных шин является одинаковой на всех без исключения предприятиях, но современного покупателя интересует стоимость, которая при высоком качестве будет более доступной. Стоит отметить, что современные предприятия России соревнуются не в параметрах качества, так как оно у всех довольно высокое, но исключительно в стоимостной политике.

Чтобы достигнуть определенных условий в процессе работы основных токоведущих деталей, при  изготовлении применяются разные инновационные решения и современные технические подходы:

• Полоса коллектора, то есть определенный сплав серебра и качественной меди, который превосходит обычную чистую по качеству медь по основным техническим и эксплуатационным качествам;
• Электротехнические используемые в промышленности профили, имеющие    прямоугольную форму особого назначения;
• Совершенно твердые, имеющие чистую  поверхность и полутвердые шины;
• Есть шины со специальным закруглением всех малых по параметрам сторон производимого сечения и так далее.

По причине подобного закругления можно достигнуть стойкости присутствующего покрытия изоляции, так как нет каких-либо резких по форме изгибов на всех углах. Также серьезно экономится общее количество меди без одновременной потери качественной проводимости. Еще одним преимуществом является эффективное распределение всей токовой нагрузки, причем максимально одинаково по всему сечению.

Шины, которые имеют более высокую чистоту всей присутствующей поверхности, предназначены для определенного электролитического покрытия участка следующего контакта серебром. Таким образом, можно достигнуть значительного снижения величины общего показателя сопротивления контакта.

По вопросам приобретениря кабелей из качественной электротехнической меди:

что лучше всего подходит для проводки?

Наверх

• Рейтинги
• Обзоры
  • Смартфоны и планшеты
  • Компьютеры и ноутбуки
  • Комплектующие
  • Периферия
  • Фото и видео
  • Аксессуары
  • ТВ и аудио
  • Техника для дома
  • Программы и приложения
• Новости
• Советы
  • Покупка
  • Эксплуатация
  • Ремонт
• П

Электропроводность- Влияние меди – Энциклопедия по машиностроению XXL

Сравнение с медной 4 — 237 Электропроводность— Влияние меди 4 — 237 ——–биметаллическая сталь-латунь — Механические свойства 4 — 239  [c.221]

Введение добавок также улучшало пластичность меди. В большинстве случаев избыток их оказался вредным, так как для шихты применяли довольно чистую медь. Наилучшее влияние на литую медь оказали добавки сотых долей процента циркония и церия. Фосфор, марганец и кремний значительно снижали электропроводность у меди с церием и цирконием она была высокой. Снижение электропроводности меди при увеличении содержания добавок указывало на то, что их избыток переходил в твердый раствор меди.  [c.36]

Рис. 2-2. Влияние примесей на электропроводность электролитной меди.

Электропроводность и теплопроводность металла обусловлены строго направленным перемещением обобщенных электронов, которое возникает под влиянием внешнего электрического (разность потенциалов) или теплового (нагрев) воздействия. Наиболее электропроводные металлы — медь, серебро и алюминий характеризуются также и высокой теплопроводностью.  [c.12]

Из приведенных рисунков видно, что тепло- и электропроводность псевдосплавов вольфрам — медь превосходят аналогичные характеристики чистого вольфрама.. Более высокая проводимость псевдосплавов обусловлена влиянием меди, ст и Я, которой в интервале температур 20 1000° в 2,5—3 раза больше, чем у вольфрама. Монотонное падение проводимости в области температур до 1050° С вызывается падением этих характеристик как у меди, так и у вольфрама. Более резкое снижение теплопроводности и электропроводности псевдосплавов, наблюдающееся при температуре выше 1100° С, вызывается частично уменьшением проводимости меди при переходе ее в жидкое состояние и главным образом, по-видимому, вытеканием и испарением меди из пор вольфрамового каркаса.  [c.76]

Рис. 437. Влияние наклеил на электропроводность меди

Медь — химический элемент 1 группы Периодической системы элементов, порядковый номер 29, атомная масса 63,54. Медь — металл красного, в изломе розового цвета. Температура плавления 1083 ” С. Кристаллическая г. ц. к. решетка с периодом а = 0,36074 нм. Плотность меди 8,94 г/см Медь обладает наибольшей (после серебра) электропроводностью и теплопроводностью Удельное электросопротивление меди составляет 0,0178 мкОм-м. В зависимости от чистоты медь поставляют следующих марок МОО (99,99 % Си), МО (99,95 % Си), Ml (99,9 % Си), М2 (99,7 % Си), М3 (99,5 % Си) и М4 (99,0 % uV Присутствующие в меди примеси оказывают большое влияние на ее свойства.  [c.342]
Фнг. 1. Влияние примесей на электропроводность меди.  [c.158]

Фиг. 2. Влияние добавок некоторых элементов па электропроводность меди.

Влияние электропроводности контролируемой детали на показания прибора было исследовано на образцах из материалов с различной электропроводностью (медь, латунь, алюминий, бронза, дуралюмин).  [c.64]

Измерения показали, что разработанный датчик отличается пониженной чувствительностью к электропроводности основы (рис. 53), ввиду того, что прибор работает на повышенной частоте (2 Мгц). Следовательно, на практике при контроле толщины неэлектропроводящих покрытий до 50 мкм на деталях, изготовленных из немагнитных металлов (медь, латунь, алюминий, бронза, дуралюмин и др.), можно пользоваться одной и той же шкалой прибора без какой-либо корректировки. Следует отметить, что в данном случае влияние электропроводности контролируемого изделия на показания прибора существенно уменьшено применением тока частотой 2 /Игц.  [c.64]

Рис. 1.107. Влияние примесей иа удельную. электропроводность меди  [c.48]

Тепло, генерируемое при срабатывании контактов под воздействием электрических дуг и в замкнутом состоянии при прохождении электрического тока, должно интенсивно отводиться. Поэтому основными требованиями, предъявляемыми к контактам низковольтных средне- и тяжелонагруженных аппаратов, являются высокие тепло- и электропроводность, износоустойчивость против ударных механических нагрузок при достаточной дугостойкости и низкой склонности к свариванию. Для контактов этого типа аппаратов широко используются серебро, реже медь, сплавы на их основе, полученные методом порошковой металлургии. Отрицательные свойства серебра, такие как низкая прочность и износоустойчивость, высокая склонность к свариванию и к образованию мостиков, можно несколько уменьшить небольшими добавками легирующих элементов медь, кадмий, магний, кремний, никель, палладий. Эти добавки несколько снижают тепло- и электропроводность материала и практически не оказывают влияния на дугостойкость. Некоторые из этих металлов образуют с серебром стареющие сплавы, и после соответствующей обработки их прочностные характеристики, а также тепло- и электропроводность возрастают.  [c.153]

Изменение концентрации электролита оказывает незначительное влияние на толщину пленки. С повышением содержания серной кислоты возрастает электропроводность раствора и снижается напряжение в порах пленки, необходимое для получения заданной плотности тока. Вследствие этого уменьшается количество выделяющегося джоулева тепла и, следовательно, уменьшается скорость растворения пленки с другой стороны повышение концентрации кислоты ускоряет ее растворение. Оптимальные концентрации серной кислоты для сплавов, не содержащих меди, составляют 180—200 г/л.  [c.20]

Это связано с повышенной склонностью сплава к ликвации, влиянием малых количеств фосфора на прочность и сильное изменение температуры ликвидуса при малом изменении содержания фосфора. Температура эвтектики считается равной 707° С при содержании 8,25% Р или 714° С при 8,38% Р. Последние данные более вероятны. Медно-фосфористые припои очень жидкотекучи и хорошо затекают в зазоры. Вследствие повышенной склонности этих припоев к ликвации при медленном нагреве пайка должна производиться быстро. Электропроводность и теплопроводность медно-фосфористых припоев высокая, близкая к меди, благодаря чему они находят применение в электропромышленности. Недостатком является невысокая пластичность, особенно эвтектического сплава поэтому они применяются при пайке соединений, не подвергающихся значительным изгибам, ударам и обработке давлением. Медно-фосфористые припои используют для пайки меди, а также (в меньшей степени) для пайки серебра, молибдена и вольфрама (табл. 59).  [c.219]

Электропроводность слоя, нанесенного на непроводник, важна для последующей гальванической обработки. По этой причине серебро и медь особенно пригодны для создания электропроводности следует отметить, что, например, удельное сопротивление графита в 500 раз больше, чем серебра. На практике электропроводность, соответствующая удельным сопротивлениям, не может быть достигнута, так как значения сопротивлений относятся только к чистому и уплотненному материалу. Волосяные трещины, царапины могут значительно снизить электропроводность. Для порошков сопротивление зависит от контакта между отдельными частицами. Этот контакт зависит от формы частиц и находящегося между ними связующего материала. Окисная пленка на отдельных частицах также может повысить сопротивление. Условия работы при нанесении проводящего слоя могут оказывать влияние на сопротивление. У проводящего серебра поверхностное сопротивление зависит как от состава препарата, так и от температуры сушки. Чем выше температура сушки, тем меньше сопротивление. В противоположность вжиганию после сушки все-таки остаются отдельные частички и связующий материал. По этой причине удельное сопротивление слоев после вжигания меньше, чем высушенных на воздухе.  [c.404]

Влияние примесей на электропроводность меди представлено на рис. 2-2,  [c.19]

Медь — химический элемент I группы периодической системы Менделеева, порядковый номер 29, атомный вес 63,54. Медь металл красного, в изломе розоватого цвета. Температура плавления 1083° С. Кристаллическая ГЦК-решетка с периодом а = 3,6080 кХ. Плотность меди 8,94 г см . Медь (после серебра) обладает наибольшей электропроводностью и теплопроводностью Удельное электросопротивление меди составляет 0,0178 ом-м 1м. В зависимости от чистоты медь поступает следующих марок МОО (99,99% Си), МО (99,95% Си), М1 (99,9% Си), М2 (99,7 Си), М3 (99,5% Си) и М4 (99,0% Си.) Присутствующие в меди примеси оказывают большое влияние на ее свойство.  [c.369]

Под влиянием холодной обработки давлением металл упрочняется. Механические характеристики прочности — предел прочности и предел текучести повышаются, а характеристики пластичности и вязкости — относительное удлинение , сокращение площади поперечного сечения ф и ударная вязкость понижаются. Упрочнение металла, вызванное холодной обработкой давлением, называют наклепом. Оно обусловлено искажением кристаллической решетки. В качестве примера может быть приведено изменение механических свойств меди под влиянием наклепа. Литая медь имеет = 15 20 кг/мм и 8 = 15- 25% после наклепа увеличивается и составляет 40—43 кг мм , а 8 уменьшается до 1—2%. Изменяются и физико-химические свойства, например растворимость в кислотах, коэрцитивная сила, электросопротивление повышаются, а плотность, магнитная проницаемость, электропроводность металла понижаются.  [c.164]

На физико-механические и технологические свойства меди большое влияние оказывают содержащиеся в ней примеси. Путем электролиза можно получить медь высокой чистоты (99,999% Си) в технической меди содержится от 0,1 до 0,5% различных примесей. Основными примесями в меди являются свинец, висмут, железо, фосфор, олово, цинк, мышьяк и др. Чем меньше в меди примесей, тем выше ее электропроводность.  [c.236]

Так, например, при содержании в меди 0,5% примеси 2п, С(1 или Ag, электропроводность меди снижается на 5%. При том же содержании N1, 5п или Л1 электропроводность меди падает на 25—40%. Еще более сильное влияние оказывают примеси Ве, Аз, Ре, 51 или Р, снижающие электропроводность на 55% и более.  [c.276]

При холодной протяжке получают твердую (твердотянутую) медь, которая благодаря влиянию наклепа имеет высокое временное сопротивление разрыву при малом удлинении, а также твердость и упругость — при изгибе проволока из твердой меди несколько пружинит. Если же медь подвергнуть отжигу, т. е. нагреву до нескольких сот градусов с последующим охлаждением, то получится мягкая (отожженная) медь, которая сравнительно пластична, имеет малую твердость и малую прочность, но весьма большое удлинение при разрыве и (в соответствии с рассмотренными выше общими закономерностями) более высокую проводимость. На кабельных заводах отжиг меди производят в специальных печах без доступа воздуха, чтобы избежать окисления. Влияние отжига на свойства меди показывает фиг. 141 изменение механических свойств при отжиге оказывается значительно более резким, чем изменение электропроводности.  [c.277]

Влияние холодной обработки. Многие изделия из меди изготовляют холодным волочением, прокаткой или штамповкой. Под влиянием холодной обработки зерна меди разрушаются на мелкие осколки, и затем большие обжатия способствуют предпочтительной ориентации этих обломков. В результате предел прочности меди и ее твердость повышаются, а удлинение падает. Электропроводность меди после холодной обработки несколько снижается.  [c.392]

Электросопротивление. Присадка 0,1% Y оказывает незначительное влияние на электропроводность меди [23].  [c.723]

Железо. Для прокатки содержание железа не должно быть более 0,03%. Под влиянием железа измельчается струк- а ура, задерживается рекристаллизация и повышается прочность меди. Электропроводность, теплопроводность, коррозионная устойчивость и пластичность снижаются.  [c.39]

Фосфор. Присутствие фосфора в меди как остатка от фосфористого раскислителя в количестве нескольких сотых долей процента практически не оказывает влияния на свойства меди, за исключением электропроводности (рис. 13). В больших количествах фосфор сильно снижает электропроводность и теплопроводность, повышает предел прочности, твердость и вязкость и незначительно уменьшает текучесть. В пределах 0,2—0,3% не ухудшает пластичности меди.  [c.39]

Серная кислота в медном электролите представляет образец того, как один компонент совмеп],ает в себе целый ряд тесьма ценных свойств, столь необходимых для успешного проведения гальваностегического процесса она вызывает 1) уменьшение омического сопротивления электролита, 2) уменыпенио концентрации ионов осаждающегося металла (что способствует образованию более тонкой структуры) и 3) предотвращает гидролиз сернокислой закиси меди, который сопровождается образованием рыхлой закиси меди. Влияние серной кислоты на электропроводность сернокислой меди иллюстрируется табл. 40.  [c.214]

На электропроводность меди большое влияние оказывает палшше примесей (рис. 2.6, а ).  [c.18]

Как правило, нет элементов, вредных вообще. Только в отдельных случаях имеет место ухудшение одного свойства от влияния любого элемента или ухудшение многих свойств вследствие действия одного элемента. Примером такого исключения может служить факт понижения электропроводности меди при легировании любым элементом, включая более электропроводное серебро. Свинец вреден для многих металлов и сплавов, поскольку он ухудшает пластичность, но он несомненно полезен для обработки резанием. Антифрикционные сплавы, как правило, содержат свинец. Сера в никеле вредна, потому что сообщает горячеломкость, но для непассивирующихся никелевых анодов она полезна, так как способствует их равномерному растворению. Углерод понижает пластичность многих металлов, но может повысить ее, если они содержат кислород. Кислород оказывает полезное влияние при горячей деформации металлов, если он связывает вредные примеси в тугоплавкие или летучие оксиды, очищая границы зерен. Многие полезные добавки улучшают пластичность при введении в малых количествах потому, что очень ограниченно растворимы в металле и, находясь по границам зерен, взаимодействуют с межкристаллитными вредными примесями. Однако в этом случае даже небольшой избыток полезной добавки может вызвать межкристаллитную хрупкость. Тогда полезная добавка окажется вредной примесью, а дополнительное введение вредной примеси— полезным.  [c.201]

На основании изучения гетерофазного взаимодействия титана с расплавами стекол системы ЗЮа—А1,0,—В,О,—7пО(СиО) с ПОМОЩЬЮ комплекса электрохимических методов исследования установлено большое влияние состава газовой среды на величину и кинетику установления стационарного потенциала Т1-электрода, электропроводность изученных расплавов. Показано, что доминирующим на первой стадии взаимодействия титана с расплавом стекла-матрицы в нейтральной атмосфере является процесс окисления металла за счет растворенных в расплаве паров воды, дополняемый окислительно-восстановительным взаимодействием с образованием в зоне контакта силицидов титана. Присутствие иона меди в расплаве изменяет характер взаимодействия. Восстановление меди сопровождается образованием купротитанатов вследствии гетеродиффузии в металлический титан и растворением прочих продуктов в расплаве. Методом вращающегося титанового диска изучалась кинетика процесса. Лит. — 9 назв., ил. — 3.  [c.270]

Добавка теллура к чистой меди сильно повышает ее обрабатываемость, не оказывая существенного влияния на электропроводность. Медь с добавкой теллура можно подвергать холод1юй и горячей обработке, но она обладает несколько меньшей ковкостью, чем чистая медь.  [c.755]

Как было отмечено, алюминий и его сплавы очень чувствительны к контактированию с другими металлами. Самыми опасными являются контакты с более положительными металлами — медью и медными сплавами. В ряде условий вреден контакт с железом, сталью и коррозионно-стойкой сталью. Контакт с цинком и кадмием в условиях, когда алюминий находится в пассивном состоянии, безвреден и даже несколько защищает алюминий. Магний и магниевые сплавы, несмотря на то, что они имеют значительно более отрицательный потенциал, при контакте с алюминием оказываются также опасными, так как вследствие сильной катодной поляризации алюминия он может перейти в активное состояние под влиянием защелачивания среды (эффект катодной нерезащиты алюминия). В результате опасных контактов происходит более существенное разрушение алюминия в электропроводных средах, содержащих ионы хлора. В атмосферных условиях при достаточной влажности отрицательное влияние контактов также может проявляться, хотя и будет распространяться только на поверхность алюминия, непосредственно прилегающую к контакту.  [c.265]

В работе [46] исследовалось влияние реакторного излучения на электропроводность, ТЭДС и сопротивление сжатию термоэлектрических материалов на основе теллурида германия, легированного висмутом, медью и сурьмой, а также бинарных сплавов РЬТе, легированных РЫз и Pb l2. Образцы приготовлялись методом порошковой металлургии и в течение длительного времени отжигались для снятия неоднородности свойств прессованных материалов. Измерения электрических параметров (электрической проводимости и ТЭДС) проводились как в процессе облучения в реакторе, так и после облучения.  [c.77]

Вообще можно сказать, что электролиты, применяемые в лабораториях, отличающиеся от электролитов, применяемых в промышленности, худшей электропроводностью, наиболее подходят для полирования неоднородных металлов. Однако даже в этих электролитах самые незначительные изменения плотности тока, напряжения или температуры оказывают заметное влияние на предпочтительное растворение той или другой фазы или а границы зерен. С точки зрения механизма полирования интересно отметить, что можно получить полирующее действие в квазисубмикроскопической области на меди, содержащей большие включения окиси меди (I), а также на алюминиевом сплаве с большим количеством межкристалли-ческих соединений или а перлитовой стали.  [c.241]

Растворимость окиси меди или ее гидрата в воде, не содержащей ни аммиака, ни его производных, при температуре 340—360 °С и при pH = 6,5-i-10,0, по данным МЭИ, ( .оставляет 6—8 мкг/кг, а в присутствии аммиака или же его производных растворимость окислов меди за счет образования аммиачных комплексов возрастает до 20—22 мкг1кг. В щелочной котловой воде медь находится в растворенном состоянии, преимущественно в виде комплексных соединений, которые, разрушаясь, образуют ионы меди, способные восстанавливаться до металлической меди u + + 2e= u. Источником электронов при этом является металлическое железо, переходящее в форму двухвалентного железа Fe=Fe2+ + 2 . Следовательно, основной причиной образования накипей является электрохимический процесс,восстановления меди, протекающий в зонах максимальных тепловых нагрузок, где под влиянием мощного теплового потока нарушена цельность защитной окисной пленки. В результате этого между отдельными участками металла создается местная разность потенциалов, которая может оказаться достаточной, чтобы стал протекать процесс электролитического выделения меди при данной концентрации ее ионов в котловой воде. Так как образующаяся медная накипь обладает хорошей электропроводностью, наличие ее на поверхности нагрева не является существенной помехой для продолжения электрохимических процессов, в результате которых выделяются новые порции металлической меди.  [c.85]

---

МЕДЬ и МЕДНЫЙ ПРОКАТ

Новости / МЕДЬ и МЕДНЫЙ ПРОКАТ

МЕДЬ и МЕДНЫЙ ПРОКАТ

Марки меди и их химический состав  определен в ГОСТ 859-2001. Сокращенная информация о марках меди приведена ниже (указано минимальное содержание меди и предельное содержание только двух примесей – кислорода и фосфора):

Марка	Медь	О2	P	Способ получения, основные примеси
М00к	99.98	0.01	—	Медные катоды:продукт электролитического  рафинирования, заключительная стадия переработки медной руды.
М0к	99.97	0.015	0.001
М1к	99.95	0.02	0.002
М2к	99.93	0.03	0.002
М00	99.99	0.001	0.0003	Переплавка катодов в вакууме, инертной или восстановительной атмосфере.Уменьшает содержание кислорода.
М0	99.97	0.001	0.002
М1	99.95	0.003	0.002
М00	99.96	0.03	0.0005	Переплавка катодов в обычной атмосфере.Повышенное содержание кислорода. Отсутствие фосфора
М0	99.93	0.04	—
М1	99.9	0.05	—
М2	99.7	0.07	—	Переплавка  лома.Повышенное содержание кислорода, фосфора нет
М3	99.5	0.08	—
М1ф	99.9	—	0.012 — 0.04	Переплавка катодов и лома медис раскислением фосфором.Уменьшает содержание кислорода, но приводит к повышенному содержанию фосфора
М1р	99.9	0.01	0.002 — 0.01
М2р	99.7	0.01	0.005 — 0.06
М3р	99.5	0.01	0.005 — 0.06

Первая группа марок относится к катодной меди, остальные — отражают химический состав различных медных полуфабрикатов (медные слитки, катанка и изделия из неё, прокат).

Специфические особенности меди, присущие разным маркам, определяются не  содержанием меди (различия составляют не более 0.5%), а содержанием конкретных примесей (их количество может различаться в 10 – 50 раз). Часто используют классификацию марок меди по содержанию кислорода:

—  бескислородная медь (М00 , М0 и М1 ) с содержанием кислорода до 0.001%.

—  рафинированная медь (М1ф, М1р, М2р, М3р) с содержанием кислорода до 0.01%,   но с повышенным содержанием фосфора.

— медь высокой чистоты (М00, М0, М1) с содержанием кислорода 0.03-0.05%.

— медь общего назначения (М2, М3) с содержанием кислорода до 0.08%.

Примерное соответствие марок меди, выпускаемой по разным стандартам, приведено ниже:

ГОСТ	EN, DIN
М00	Cu-OFE
М0	Cu-PHC, OF-Cu
М1	Cu-OF, Cu-OF1
М1	Cu-ETP, Cu-ETP1,Cu-FRTP, Cu-FRHC, SE-Cu, E-Cu, E Cu57, E Cu58
М1ф	Cu-DHP, SF-Cu
М1р	Cu-DLP, SW-Cu

Разные марки меди имеют  различное применение, а отличия в условиях их производства определяют существенные различия в цене.

Для производства кабельно-проводниковой продукции катоды переплавляют по технологии, которая исключает насыщение меди кислородом при изготовлении продукции. Поэтому медь в таких изделиях соответствует маркам  М00, М0 , М1 .

Требованиям большинства технических задач удовлетворяют относительно дешевые марки М2 и М3. Это определяет массовое производство основных видов медного проката из М2 и М3.

Прокат из марок М1, М1ф, М1р, М2р, М3р производится в основном для конкретных потребителей и стоит намного дороже.

Физические свойства меди

Главное свойство меди, которое определяет её преимущественное использование – очень высокая электропроводность (или низкое удельное электросопротивление). Такие примеси как фосфор, железо, мышьяк, сурьма, олово, существенно ухудшают её электропроводность. На величину электропроводности существенное влияние оказывает способ получения полуфабриката и его механическое состояние. Это иллюстрируется приведенной ниже таблицей:

Удельное электрическое сопротивление меди для различных полуфабрикатов разных марок (гарантированные значения) при 20^оС.

мкОм*м	Марка	Вид  и  состояние  полуфабриката	ГОСТ, ТУ
0.01707	М00	Слитки (непрерывное вертикальное литье)
	М00	Катанка кл.А ( кислород: 0.02-0.035%)	193-79
0.01718	М0	Катанка кл.В (кислород: 0.045%)	ТУ 1844 01003292517-2004
0.01724	М1	Катанка кл.С (кислород: 0.05%)
	М1	Слитки (горизонтальное литье)	193-79
	М1	Слитки (горизонтальное литье)
0.01748	М1	Ленты	1173-2006
	М1	Прутки отожженные	1535-2006
0.01790	М1	Прутки полутвердые, твердые, прессованные

Различия в сопротивлении катанки марок М00, М0 и М1, обусловлены разным количеством примесей и составляют около 1%. В то же время различия в сопротивлении, обусловленные разным механическим состоянием, достигают 2 – 3%. Удельное сопротивление изделий из меди марки М2 примерно 0.020 мкОм*м.

Второе важнейшее свойство меди — очень высокая теплопроводность.

Примеси и легирующие добавки уменьшают электро- и теплопроводность меди, поэтому сплавы на медной основе значительно уступают меди по этим показателям. Значения параметров основных физических свойств меди в сравнении с другими металлами приведены в таблице (данные приведены в двух разных системах единиц измерения):

Показатели	Единица измерения	Медь	Алю- миний	Латунь Л63, ЛС	Бронза БрАЖ	Сталь 12Х18Н10
Удельное элетросопротивление,	мкОм*м	0.0172 – 0.0179	0.027- 0.030	0.065	0.123	0.725
Теплопроводность,	кал/см*с*град	0.93	0.52	0.25	0.14	0.035
	Вт/м*град	386 — 390	217	106	59	15

По электро — и теплопроводности медь незначительно уступает только серебру.

Влияние примесей  и  особенности  свойств  меди  различных  марок 

Отличия в свойствах меди разных марок связаны с влиянием примесей на базовые свойства меди.   О влиянии примесей на физические свойства (тепло- и электропроводность) говорилось выше. Рассмотрим их влияние на другие группы свойств.

Влияние на механические свойства.

Железо, кислород, висмут, свинец, сурьма ухудшают пластичность. Примеси, малорастворимые в меди (свинец, висмут, кислород, сера), приводят к хрупкости при высоких температурах.

Температура рекристаллизации меди для разных марок составляет  150- 240^о С. Чем больше примесей, тем выше эта температура. Существенное увеличение температуры рекристаллизации меди дает серебро, цирконий. Например введение 0.05% Ag увеличивает температуру рекристаллизации вдвое, что проявляется в увеличении температуры размягчения и уменьшении ползучести при высоких температурах, причем без потери тепло- и электропроводности.

Влияние на технологические свойства.

К технологическим свойствам относятся:

1) способность к обработке давлением при низких и высоких температурах,

2) Паяемость и свариваемость изделий.

Примеси, особенно легкоплавкие,  формируют зоны хрупкости при высоких температурах, что затрудняет горячую обработку давлением.  Однако уровень примесей в марках М1 и М2 обеспечивают необходимую технологическую пластичность.

При холодном деформировании влияние примесей заметно проявляется при производстве проволоки. При одинаковом пределе прочности на разрыв ( ?_в =16 кгс/мм² ) катанки из марок М00, М0 и М1 имеют разное относительное удлинение ? (38%, 35% и 30% соответственно). Поэтому катанка класса А (ей соответствует марка М00) более технологична при производстве проволоки, особенно малых диаметров. Использование бескислородной меди для производства проводников тока обусловлено не столько величиной электропроводности, сколько технологическим фактором.

Процессы сварки и пайки существенно затрудняются при  увеличении  содержания кислорода, а также свинца и висмута.

Влияние кислорода и водорода на эксплуатационные свойства.

При обычных условиях эксплуатационные  свойства меди (прежде всего долговечность эксплуатации) практически одинаковы для разных марок. В то же время при высоких температурах  может проявиться вредное влияние кислорода, содержащегося в меди. Эта возможность обычно реализуется при нагреве меди в среде, содержащей водород.

Кислород изначально содержится в меди марок  М0, М1, М2, М3. Кроме этого, если бескислородную медь отжечь на воздухе при высоких температурах, то вследствие диффузии кислорода поверхностный слой изделия станет кислородсодержащим.   Кислород в меди присутствует в виде закиси меди,  которая локализуется по границам зерен.

Кроме кислорода в меди может присутствовать водород. Водород попадает в медь в процессе электролиза или при отжиге в атмосфере, содержащей водяной пар. Водяной пар всегда присутствует в воздухе. При высокой температуре он разлагается с образованием водорода, который легко диффундирует в медь.

В бескислородной меди атомы водорода располагаются в междоузлиях кристаллической решетки и особо не сказываются на свойствах металла.

В кислородсодержащей меди при высоких температурах водород   взаимодействует с закисью меди. При этом  в толще меди образуется водяной пар  высокого давления, что приводит к вздутиям, разрывам и трещинам.      Это явление известно как «водородная болезнь» или «водородное охрупчивание». Оно проявляется при эксплуатации медного изделия при температурах свыше 200^о С в атмосфере, содержащей водород или водяной пар.

Степень охрупчивания  тем сильнее, чем больше содержание кислорода в меди и  выше температура эксплуатации. При 200^о С  срок службы составляет  1.5 года, при 400^о С — 70 часов.

Особенно сильно оно проявляется в изделиях малой толщины (трубки, ленты).

При нагреве в вакууме изначально содержащийся в меди водород взаимодействует с закисью меди и также ведет к охрупчиванию изделия и ухудшению вакуума. Поэтому изделия, которые эксплуатируются при высокой температуре,  производятся из бескислородных (рафинированных) марок меди М1р, М2р, М3р.

Механические свойства медного  проката

Большая часть медного проката, поступающего в свободную продажу, производится из марки М2. Прокат из марки М1 производится в основном под заказ, кроме того он примерно на 20% дороже.

Холоднодеформированный прокат – это тянутые (прутки, проволока, трубы) и холоднокатаные (листы, лента, фольга) изделия. Он   выпускается в твердом, полутвердом и мягком (отожженном) состояниях. Такой прокат маркируется буквой «Д», а состояния поставки буквами Т, П или М.

Горячедеформированный прокат – результат прессования (прутки, трубы) или горячей прокатки (листы, плиты) при температурах выше температуры рекристаллизации. Такой прокат маркируется буквой «Г». По механическим свойствам горячедеформированный прокат близок (но не идентичен) к холоднодеформированному прокату в мягком состоянии.

Параметры при комнатной темп.	М	Т
Модуль упругости E, кгс/мм2	11000	13000
Модуль сдвига G, кгс/мм2	4000	4900
Предел текучести ?0.2 , кгс/мм2	5 — 10	25 — 34
Предел прочности ?в , кгс/мм2	19 – 27	31 – 42
Относ. удлинение ?	40 – 52	2 — 11
Твердость НВ	40 — 45	70 — 110
Сопротивление срезу, кгс/мм2	10 — 15	18 — 21
Ударная вязкость,	16 — 18
Обрабатываем. резанием, % к Л63-3		18
Предел усталости ?-1 при 100 млн циклов	7	12

Высокий предел прочности на сжатие (55 — 65 кгс/мм²) в сочетании с высокой пластичностью определяет широкое использование меди  в качестве прокладок в уплотнениях неподвижных соединений с температурой эксплуатации до 250^оС  (давление 35  Кгс\см²  для пара и 100 Кгс\см²  для воды).

Медь широко используется в технике низких температур, вплоть до гелиевых. При низких температурах она сохраняет показатели прочности, пластичности и вязкости, характерные для комнатной температуры. Наиболее часто используемое свойство меди в криогенной технике – её высокая теплопроводность. При криогенных температурах теплопроводность марок М1 и М2 становится существенной, поэтому в криогенной технике применение марки М1 становится принципиальным.

Медные прутки выпускаются прессованными (20 – 180 мм) и холоднодеформированными,  в твердом, полутвердом и мягком состояниях (диаметр 3 — 50 мм)  по ГОСТ 1535-2006.

Плоский медный прокат общего назначения выпускается в виде фольги, ленты, листов и плит по ГОСТ 1173-2006:

Фольга медная – холоднокатаная: 0.05 – 0.1 мм (выпускается только в твердом состоянии)

Ленты медные  — холоднокатаные: 0.1 – 6 мм.

Листы медные —  холоднокатаные: 0.2 – 12 мм

— горячекатаные:    3 – 25 мм (механич. свойства регламентируются до 12 мм)

Плиты медные – горячекатаные:   свыше 25 мм (механические свойства не регламентируются)

Горячекатаные и мягкие холоднокатаные медные листы и ленты выдерживают испытание на  изгиб  вокруг оправки диаметром равным толщине листа. При толщине до 5 мм они выдерживают изгиб до соприкосновения сторон, а при толщине 6 – 12 мм — до параллельности сторон. Холоднокатанные полутвердые листы и ленты выдерживают испытание на изгиб на 90 град.

Таким образом допустимый радиус  изгиба медных листов и лент равен толщине листа (ленты).

Глубина выдавливания лент и листов пуансоном радиусом 10 мм составляет не менее 7 мм для листов толщиной 0.1-0.14 мм и не менее 10 мм для листов толщиной 1-1.5 мм. По этому показателю (выдавливаемость) медь уступает латуням Л63 и Л68.

Медные трубы общего назначения изготавливаются  холоднодеформированными (в мягком, полутвердом и твердом состояниях) и прессованными (больших сечений) по ГОСТ 617-2006.

Медные трубы используются не только  для технологических жидкостей, но и для питьевой воды. Медь инертна по отношению к хлору и озону, которые используются для очистки воды, ингибирует рост бактерий, при замерзании воды медные трубы деформируются без разрыва.  Медные трубы  для воды производятся по ГОСТ Р 52318-2005, для них ограничено содержание органических веществ на внутренней поверхности. Минимальные радиусы изгиба и допустимые давления для мягких медных труб приведены ниже:

Размер трубы, мм	Допустимое давление, бар	Радиус изгиба, мм	Размер трубы	Допустимое давление, бар
			Дюймы (мм)
6*1	230	30	1/4” (6.35*0.8)	220
8*1	163	35	—	—
10*1	130	40	3/8” (9.52*0.8)	120
12*1	105	45	1/2” (12.7*0.8)	100
14*1	90	52	—	—
16*1	80	60	5/8” (15, 87*1)	80
18*1	67	70	3/4” (19,05*1)	67
20*1	60	75	—	—
22*1	54	80	7/8” (22.22*1)	54

Коррозионные свойства меди.

При нормальных температурах медь устойчива в следующих средах:

— сухой воздух

— пресная вода (аммиак, сероводород, хлориды, кислоты ускоряют коррозию)

— в морской воде при небольших скоростях движения воды

— в неокислительных кислотах и растворах солей (в отсутствии кислорода)

— щелочные растворы (кроме аммиака и солей аммония)

— сухие газы-галогены

— органические кислоты, спирты, фенольные смолы

Медь неустойчива в следующих средах:

— аммиак, хлористый аммоний

— окислительные минеральные кислоты и растворы кислых солей

Коррозионные свойства меди в некоторых средах заметно ухудшаются с увеличением количества примесей.

Контактная коррозия.

Допускается контакт меди  с медными сплавами, свинцом, оловом во влажной атмосфере, пресной и морской воде. В то же время не допускается контакт с алюминием, цинком вследствие их быстрого разрушения.

Свариваемость меди

Высокая тепло- и электропроводность меди затрудняют её электросварку (точечную и роликовую). Особенно это касается массивных изделий. Тонкие детали можно сварить вольфрамовыми электродами. Детали толщиной более 2-х мм можно сваривать нейтральным ацетилено-кислородным пламенем. Надежный способ соединения медных изделий – пайка мягкими и твердыми припоями.

Медные сплавы 

Техническая медь имеет низкую прочность и износоустойчивость, плохие литейные и антифрикционные свойства.  Этих недостатков лишены сплавы на медной основе — латуни и бронзы. Правда эти улучшения достигаются  за счет ухудшения тепло- и электропроводности.

Имеются особые случаи, когда нужно сохранить высокую электро- или теплопроводность меди, но придать ей жаропрочность или износоустойчивость.

При нагревании меди выше температуры  рекристаллизации происходит резкое снижение предела текучести и твердости.  Это затрудняет использование меди в электродах для контактной сварки. Поэтому, для этой цели используют специальные медные сплавы с  хромом, цирконием, никелем, кадмием (БрХ, БрХЦр, БрКН, БрКд). Электродные сплавы сохраняют  относительно высокую твердость и удовлетворительную электро- и теплопроводность  при температурах сварочного процесса (порядка 600 С ).

Жаропрочность  достигается также легированием серебром. Такие сплавы (МС) имеют меньшую ползучесть при неизменной электро- и теплопроводности.

Для использования в подвижных контактах (коллекторные пластины, контактный провод) применяют медь с небольшим уровнем легирования магнием или кадмием БрКд, БрМг. Они имеют повышенную износоустойчивость при высокой электропроводности.

Для кристаллизаторов используют медь с добавками железа или олова. Такие сплавы имеют высокую теплопроводность при повышенной износоустойчивости.

Низколегированные марки меди по сути являются бронзами, но часто их относят к группе медного проката с соответствующей маркировкой (МС, МК, МЖ).

Поделиться ссылкой:

• Рекомендуем
• Комментарии

IP65 степень герметичности оборудования

  IP-рейтинг (Ingress Protection Rating, входная защита) — система классификации степеней защиты оболочки электрооборудования от проникновения твёрдых предметов и воды в соответствии с международным стандартом IEC 60529 (DIN 40050, ГОСТ 14254-96). К примеру, радиоуправление для крана F21-E1B имеет класс герметизации IP-65. Первая цифра означ…

Перевод крана на управление с пола

Перевод крана на управление с пола. При осуществлении перевода мостовых или козловых кранов, на дистанционное управление с пола могут быть применены кабельные пульты управления либо беспородные пульты управления грузоподъемными кранами. Полный перечень операций и систем контроля крановой кабины, должны соответствовать функционалу пульта, согласно РД 24.09…

Троллейный шинопровод HFP

Троллейный шинопровод HFP Описание – Контактно – защищенный троллейный шинопровод HFP H предназначен для внутренней и внешней установки. – Шинопроводы состоят из жесткого ПВХ корпуса и медных токопроводящих жил. Конструкция корпуса шинопровода и токосъемника исключают возможность перепутывания фаз. – Токосъемники выполнены в виде скользящей, холо…

Презентация завода Uting Telecontrol

Презентация завода Uting Telecontrol Видео презентация завода радиотехнических изделий Uting Telecontrol. Один из крупнейших производителей промышленного радиоуправления, пультов для кранов и прочих грузоподъемных механизмов. https://www.youtube.com/watch?v=hQiPE9z7E6Y…

Расчет тока электродвигателя

Расчет тока электродвигателя Расчет номинального тока трехфазного асинхронного электродвигателя Для корректного выбора системы электрификации подъемно – транспортного механизма будь то троллейный шинопровод или кабельный подвод, необходимо знать номинальный ток электрической установки. Ниже приведена форма расчета трехфазного асинхронного электродви…

Физические и механические свойства меди

<< Назад

Медь – один из первых металлов, которые человек начал применять для технических целей. Вместе с золотом, серебром, железом, оловом, свинцом и ртутью, медь известна людям с древнейших времен и сохраняет свое важное техническое значение до наших дней.

Медь или Сu(29)

Медь – металл розово-красного цвета, относится к группе тяжелых металлов, является отличным проводником тепла и электрического тока. Электропроводность меди в 1,7 раза выше, чем у алюминия, и в 6 раз выше, чем у железа.

Латинское название меди Cuprum произошло от названия острова Кипр, где уже в III в. до н. э. существовали медные рудники и выплавлялась медь. Около II – III в. выплавка меди производилась в широком масштабе в Египте, в Месопотамии, на Кавказе, в других странах древнего мира. Но, тем не менее, медь – далеко не самый распространенный в природе элемент: содержание меди в земной коре составляет 0,01%, а это лишь 23-е место среди всех встречающихся элементов.

Получение меди

В природе медь присутствует в виде сернистых соединений, оксидов, гидрокарбонатов, углекислых соединений, в составе сульфидных руд и самородной металлической меди. 

Наиболее распространенные руды – медный колчедан и медный блеск, содержащие 1-2 % меди.

90 % первичной меди получают пирометаллургическим способом, 10 % – гидрометаллургическим. Гидрометаллургический способ – это получение меди путём её выщелачивания слабым раствором серной кислоты и последующего выделения металлической меди из раствора. Пирометаллургический способ состоит из нескольких этапов: обогащения, обжига, плавки на штейн, продувки в конвертере, рафинирования.

Для обогащения медных руд используется метод флотации (основан на использовании различной смачиваемости медьсодержащих частиц и пустой породы), который позволяет получать медный концентрат, содержащий от 10 до 35 % меди. 

Медные руды и концентраты с большим содержанием серы подвергаются окислительному обжигу. В процессе нагрева концентрата или руды до 700-800°C в присутствии кислорода воздуха, сульфиды окисляются и содержание серы снижается почти вдвое от первоначального. Обжигают только бедные (с содержанием меди от 8 до 25 %) концентраты, а богатые (от 25 до 35 % меди) плавят без обжига.

После обжига руда и медный концентрат подвергаются плавке на штейн, представляющий собой сплав, содержащий сульфиды меди и железа . Штейн содержит от 30 до 50 % меди, 20-40 % железа, 22-25 % серы, кроме того, штейн содержит примеси никеля, цинка, свинца, золота, серебра. Чаще всего плавка производится в пламенных отражательных печах. Температура в зоне плавки 1450°C. 

С целью окисления сульфидов и железа, полученный медный штейн подвергают продувке сжатым воздухом в горизонтальных конвертерах с боковым дутьём. Образующиеся окислы переводят в шлак. Температура в конвертере составляет 1200-1300°C. Интересно, что тепло в конвертере выделяется за счёт протекания химических реакций, без подачи топлива. Таким образом, в конвертере получают черновую медь, содержащую 98,4 – 99,4 % меди, 0,01 – 0,04 % железа, 0,02 – 0,1 % серы и небольшое количество никеля, олова, сурьмы, серебра, золота. Эту медь сливают в ковш и разливают в стальные изложницы или на разливочной машине.

Далее, для удаления вредных примесей, черновую медь рафинируют (проводят огневое, а затем электролитическое рафинирование). Сущность огневого рафинирования черновой меди заключается в окислении примесей, удалении их с газами и переводе в шлак. После огневого рафинирования получают медь чистотой 99,0 – 99,7%. Её разливают в изложницы и получают чушки для дальнейшей выплавки сплавов (бронзы и латуни) или слитки для электролитического рафинирования.

Электролитическое рафинирование проводят для получения чистой меди (99,95% ). Электролиз проводят в ваннах, где анод – из меди огневого рафинирования, а катод – из тонких листов чистой меди. Электролитом служит водный раствор. При пропускании постоянного тока анод растворяется, медь переходит в раствор, и, очищенная от примесей, осаждается на катодах. Примеси оседают на дно ванны в виде шлака, который идёт на переработку с целью извлечения ценных металлов. Катоды выгружают через 5-12 дней, когда их масса достигнет от 60 до 90 кг. Их тщательно промывают, а затем переплавляют в электропечах.

Кроме этого, существуют технологии получения меди из лома. В частности, путем огневого рафинирования из лома получают рафинированную медь.
По чистоте медь делится на марки: М0 (99,95% Cu), М1 (99,9%), М2(99,7%), М3 (99,5%), М4 (99%).

Химические свойства меди

Медь – малоактивный металл, который не взаимодействует с водой, растворами щелочей, соляной и разбавленной серной кислотой. Однако, медь растворяется в сильных окислителях (например, азотной и концентрированной серной).

Медь обладает достаточно высокой стойкостью к коррозии. Однако, во влажной атмосфере, содержащей углекислый газ, поверхность металла покрывается зеленоватым налетом (патиной).

Основные физические свойства меди

Температура плавления °C	1084
Температура кипения °C	2560
Плотность, γ при 20°C, кг/м³	8890
Удельная теплоемкость при постоянном давлении, Ср при 20°C, кДж/(кг•Дж)	385
Температурный коэфициент линейного разширения, а•106 от 20 до 100°C, К-1	16,8
Удельное електрическое сопротивление, р при 20°C, мкОм•м	0,01724
Теплопроводность λ при 20°C, Вт/(м•К)	390
Удельная электрическая проводимость, ω при 20°C, МОм/м	58

Механические свойства меди

Свойства	Состояние
	Деформированное	Отожженное
Предел прочности на разрыв, σ МПа	340 – 450	220 – 245
Относительное удлинение после разрыва, δ ψ%	4 – 6	45 – 55
Относительное сужение, после разрыва, %	40 – 60	65 – 80
Твердость по Бринеллю, НВ	90 – 110	35 – 55

При отрицательных температурах медь имеет более высокие прочностные свойства и более высокую пластичность, чем при температуре 20°С. Признаков холодноломкости техническая медь не имеет. С понижением температуры увеличивается предел текучести меди и резко возрастает сопротивление пластической деформации.

Применение меди 

Такие свойства меди, как электропроводность и теплопроводность, обусло- вили основную область применения меди – электротехническая промыш- ленность, в частности, для изготовления проводов, электродов и т. д. Для этой цели применяется чистый металл (99,98-99,999%), прошедший электролитическое рафинирование. 

Медь обладает многочисленными уникальными свойствами: устойчивостью к коррозии, хорошей технологичностью, достаточно долгим сроком службы, прекрасно сочетается с деревом, природным камнем, кирпичом и стеклом. Благодаря своим уникальным свойствам, с древнейших времен этот металл используется в строительстве: для кровли, украшения фасадов зданий и т. д. Срок службы медных строительных конструкций исчисляется сотнями лет. Кроме этого, из меди изготовлены детали химической аппаратуры и инструмент для работы с взрывоопасными или легковоспламеняющимися веществами. 

Очень важная область применения меди – производство сплавов. Один из самых полезных и наиболее употребляемых сплавов – латунь (или желтая медь). Ее главные составные части: медь и цинк. Добавки других элементов позволяют получать латуни с самыми разнообразными свойствами. Латунь тверже меди, она ковкая и вязкая, потому легко прокатывается в тонкие листы или выштамповывается в самые разнообразные формы. Одна беда: она со временем чернеет. 

С древнейших времен известна бронза. Интересно, что бронза более легкоплавка по сравнению с медью, но по своей твердости превосходит отдельно взятые чистые медь и олово. Если еще 30-40 лет назад бронзой называли только сплавы меди с оловом, то сегодня уже известны алюминиевые, свинцовые, кремниевые, марганцевые, бериллиевые, кадмиевые, хромовые, циркониевые бронзы.

Медные сплавы, так же как и чистая медь, с давних пор используются для производства различных орудий, посуды, применяются в архитектуре и искусстве. 

Медные чеканки и бронзовые статуи украшали жилище людей с древних времен. До наших дней сохранились изделия из бронзы мастеров Древнего Египта, Греции, Китая. Большими мастерами в области бронзового литья были японцы. Гигантская фигура Будды в храме Тодайдзи, созданная в VIII веке, весит более 400 тонн. Чтобы отлить такую статую, требовалось поистине выдающееся мастерство.

Интересное о меди

Среди товаров, которыми торговали в далекие времена александрийские купцы, большой популярностью пользовалась “медная зелень”. С помощью этой краски модницы подводили зеленые круги под глазами – в те времена это считалось проявлением хорошего вкуса. 

С древних времен люди верили в чудодейственные свойства меди и исполь- зовали этот металл при лечении многих недугов. Считалось, что медный браслет, одетый на руку, приносит своему владельцу удачу и здоровье, нормализует давление, препятствует отложению солей. 

Многие народы и в настоящее время приписывают меди целебные свойст- ва. Жители Непала, например, считают медь священным металлом, который способствует сосредоточению мыслей, улучшает пищеварение и лечит желудочно-кишечные заболевания (больным дают пить воду из стакана, в котором лежат несколько медных монет). Один из самых больших и красивых храмов в Непале носит название “Медный”.

Был случай, когда медная руда стала… виновником аварии, которую потер- пело норвежское грузовое судно “Анатина”. Трюмы теплохода, направляв- шегося к берегам Японии, были заполнены медным концентратом. Внезапно прозвучал сигнал тревоги: судно дало течь.

Оказалось, что медь, содержащаяся в концентрате, образовала со сталь- ным корпусом “Анатины” гальваническую пару, а испарения морской воды послужили электролитом. Возникший гальванический ток разъел обшивку судна до такой степени, что в ней появились дыры, куда и хлынула океан- ская вода.

<< Назад

Industrial: Руководство по проектированию – электрическая и теплопроводность

Фото © 1998 AMP INC.

Электропроводность – это основная характеристика, отличающая медь от других металлов. Из коммерчески полезных металлов медь уступает только серебру. Но медные сплавы имеют широкий диапазон проводимости. Существуют сотни полосок из медных сплавов, из которых можно выбирать, и некоторые из них имеют такую ​​же низкую проводимость, как у железа. Еще больше усложняет ситуацию то, что вариации термической и механической обработки могут вызывать глубокие изменения проводимости.А металлы с самой высокой прочностью часто имеют самую низкую проводимость. Такие сплавы могут не подходить для применения в сильноточных соединителях.

Электропроводность полосовых металлов из медного сплава измеряется относительно стандартного стержня из «чистой» меди, которому давно присвоено значение 100. Таким образом, когда говорят, что латунь содержит 28% IACS, это означает, что удельная электропроводность составляет 28% от этот стандарт. [«IACS» – это международный стандарт отожженной меди]. Благодаря усовершенствованию технологий рафинирования металлов технически чистая медь сегодня имеет немного лучшую проводимость (101% IACS), чем стандартная.

Единая система нумерации (UNS) не классифицирует медные сплавы напрямую на группы с аналогичной проводимостью. Но он определяет «медь» как «медь, у которой определенное минимальное содержание меди составляет 99,3% или выше». Далее в нем говорится, что «сплавы с высоким содержанием меди» – это «… сплавы с… менее 99,3%, но более 96%…». Содержание меди имеет фундаментальное значение для проводимости медных сплавов. Однако различные легирующие элементы, добавленные в медь, по-разному влияют на проводимость меди.Серебро, например, не вызывает измеримого эффекта, тогда как незначительное количество фосфора может сильно снизить проводимость.

Теплопроводность также является важным параметром в конструкции разъема. В семействах сплавов теплопроводность обычно связана с электропроводностью. Сплавы с более высокой электропроводностью будут иметь более высокую теплопроводность. Это удобно, так как теплопроводность довольно сложно измерить, в то время как электропроводность или обратное ей электрическое сопротивление измерить легко.

Сплавы с более высоким удельным сопротивлением (r) будут тратить больше энергии, так как тепло, выделяемое электрическим током (I), пропорционально I ² , умноженному на сопротивление. Что еще более важно, выделяемое тепло приведет к повышению температуры разъема с потенциально неблагоприятными последствиями для характеристик разъема и его окружения. Сплавы с более высокой теплопроводностью позволяют конструктору рассеивать часть этого тепла, сводя к минимуму повышение температуры. Такая высокая проводимость обычно является востребованным свойством сплавов соединителей.

.

Проводимость

Проводимость

Проводимость – это мера легкость, с которой электрический заряд или тепло могут проходить через материал. А проводник – это материал, который дает очень небольшое сопротивление потоку электрический ток или тепловая энергия. Материалы классифицируются как металлы, полупроводники и изоляторы.Металлы – самые проводящие и изоляторы. (керамика, дерево, пластмассы) наименее проводящие.

Электропроводность говорит нам, насколько хорошо материал позволяет электричеству проходить через него. Многие люди думают о медных проводах как о чем-то, что имеет отличные электрические характеристики. проводимость.

Теплопроводность говорит нам, с какой легкостью тепловая энергия (тепло для большинства целей) может перемещаться по материалу.Некоторые материалы, такие как металлы, позволяют теплу перемещаться через них довольно быстро. Представьте, что одной рукой вы касаетесь кусок металла, а с другой – кусок дерева. Какой материал становится холоднее? Если бы вы сказали «металл», вы были бы правы. Но, Фактически, оба материала имеют одинаковую температуру. Это относительно теплопроводность. Металл имеет более высокую теплопередачу или термическую проводимость, чем у дерева, позволяя теплу от руки уходить быстрее.Если вы хотите, чтобы что-то оставалось холодным, лучше всего это завернуть во что-нибудь который не обладает высокой теплопередачей или высокой теплопроводностью, это был бы изолятор. Керамика и полимеры обычно являются хорошими изоляторами, но вы должны помнить, что полимеры обычно имеют очень низкую температуру плавления. Это означает, что если вы разрабатываете что-то, что сильно нагревается, полимер может расплавиться, в зависимости от температуры плавления.

Серебро имеет самую высокую электропроводность из всех металлов. На самом деле серебро определяет проводимость – все другие металлы сравниваются с Это. По шкале от 0 до 100 серебро занимает 100 место, медь – 97, а золото. на 76. Из-за этого свойства, а также из-за того, что он не зажигает легко, серебро обычно используется в электрических цепях и контактах.Серебро также используется в аккумуляторах, где надежность является обязательной и применяются ограничения по весу, например, для портативных хирургических инструментов, слуховых аппаратов, кардиостимуляторов и космическое путешествие.

ССЫЛКИ

http://www.physics4kids.com/files/elec_conduct.html
План урока для учителей о проводимости – http://www.infinitepower.org/pdf/09-Lesson-Plan.pdf

Все информация на этой странице взята из U of C – Щелкните по Кембриджскому университету значок для благодарностей.

.

Удельное сопротивление и проводимость – температурные коэффициенты для обычных материалов

Удельное сопротивление равно

• электрическое сопротивление единичного куба материала, измеренное между противоположными гранями куба

Калькулятор сопротивления электрического проводника

Этот калькулятор можно использовать для рассчитать электрическое сопротивление проводника.

Коэффициент удельного сопротивления (Ом · м) (значение по умолчанию для меди)

Площадь поперечного сечения проводника (мм ² ) – Калибр провода AWG

Алюминий	2 .65 x 10 -8	3,8 x 10 -3	3,77 x 10 7
Алюминиевый сплав 3003, прокат	3,7 x 10 -8
Алюминиевый сплав 2014, отожженный	3,4 x 10 -8
Алюминиевый сплав 360	7,5 x 10 -8
Алюминиевая бронза	12 x 10 -8
Животный жир			14 x 10 -2
Животный жир			0.35
Сурьма	41,8 x 10 -8
Барий (0 o C)	30,2 x 10 -8
Бериллий	4,0 x 10 -8
Бериллиевая медь 25	7 x 10 -8
Висмут	115 x 10 -8
Латунь – 58% Cu	5.9 x 10 -8	1,5 x 10 -3
Латунь – 63% Cu	7,1 x 10 -8	1,5 x 10 -3
Кадмий	7,4 x 10 -8
Цезий (0 o C)	18,8 x 10 -8
Кальций (0 o C)	3,11 x 10 -8
Углерод (графит) 1)	3-60 x 10 -5	-4.8 x 10 -4
Чугун	100 x 10 -8
Церий (0 o C)	73 x 10 -8
Хромель (сплав хрома и алюминия)		0,58 x 10 -3
Хром	13 x 10 -8
Кобальт	9 x 10 -8
Константан	49 x 10 -8	3 x 10 -5	0.20 x 10 7
Медь	1,724 x 10 -8	4,29 x 10 -3	5,95 x 10 7
Купроникель 55-45 (константан)	43 x 10 -8
Диспрозий (0 o C)	89 x 10 -8
Эрбий (0 o C)	81 x 10 -8
Эврика		0.1 x 10 -3
Европий (0 o C)	89 x 10 -8
Гадолий	126 x 10 -8
Галлий (1,1K)	13,6 x 10 -8
Германий 1)	1 – 500 x 10 -3	-50 x 10 -3
Стекло	1 – 10000 x 10 9		10 -12
Золото	2.24 x 10 -8
Графит	800 x 10 -8	-2,0 x 10 -4
Гафний (0,35 K)	30,4 x 10 – 8
Hastelloy C	125 x 10 -8
Гольмий (0 o C)	90 x 10 -8
Индий ( 3.35K)	8 x 10 -8
Инконель	103 x 10 -8
Иридий	5,3 x 10 -8
Железо	9,71 x 10 -8	6,41 x 10 -3	1,03 x 10 7
Лантан (4,71K)	54 x 10 -8
Свинец	20.6 x 10 -8		0,45 x 10 7
Литий	9,28 x 10 -8
Лютеций	54 x 10 -8
Магний	4,45 x 10 -8
Магниевый сплав AZ31B	9 x 10 -8
Марганец	185 x 10 -8	1.0 x 10 -5
Меркурий	98,4 x 10 -8	8,9 x 10 -3	0,10 x 10 7
Слюда (мерцание)	1 x 10 13
Низкоуглеродистая сталь	15 x 10 -8	6,6 x 10 -3
Молибден	5,2 x 10 -8
Монель	58 x 10 -8
Неодим	61 x 10 -8
Нихром (сплав никеля и хрома)	100 – 150 х 10 -8	0.40 x 10 -3
Никель	6,85 x 10 -8	6,41 x 10 -3
Никелин	50 x 10 -8	2,3 x 10 -4
Ниобий (колумбий)	13 x 10 -8
Осмий	9 x 10 -8
Палладий	10.5 x 10 -8
Фосфор	1 x 10 12
Платина	10,5 x 10 -8	3,93 x 10 -3	0,943 x 10 7
Плутоний	141,4 x 10 -8
Полоний	40 x 10 -8
Калий	7.01 x 10 -8
Празеодим	65 x 10 -8
Прометий	50 x 10 -8
Протактиний (1,4 K)	17,7 x 10 -8
Кварц (плавленый)	7,5 x 10 17
Рений (1,7 K)	17.2 x 10 -8
Родий	4,6 x 10 -8
Твердая резина	1 – 100 x 10 13
Рубидий	11,5 x 10 -8
Рутений (0,49K)	11,5 x 10 -8
Самарий	91.4 x 10 -8
Скандий	50,5 x 10 -8
Селен	12,0 x 10 -8
Кремний 1 )	0,1-60	-70 x 10 -3
Серебро	1,59 x 10 -8	6,1 x 10 -3	6,29 x 10 7
Натрий	4.2 x 10 -8
Грунт, типовой грунт			10 -2 -10 -4
Припой	15 x 10 -8
Нержавеющая сталь			10 6
Стронций	12,3 x 10 -8
Сера	1 x 10 17
Тантал	12.4 x 10 -8
Тербий	113 x 10 -8
Таллий (2,37K)	15 x 10 -8
Торий	18 x 10 -8
Тулий	67 x 10 -8
Олово	11,0 x 10 -8	4.2 x 10 -3
Титан	43 x 10 -8
Вольфрам	5,65 x 10 -8	4,5 x 10 -3	1,79 x 10 7
Уран	30 x 10 -8
Ванадий	25 x 10 -8
Вода, дистиллированная			10 -4
Вода пресная			10 -2
Вода соленая			4
Иттербий	27.7 x 10 -8
Иттрий	55 x 10 -8
Цинк	5,92 x 10 -8	3,7 x 10 -3
Цирконий (0,55K)	38,8 x 10 -8

¹⁾ Примечание! – удельное сопротивление сильно зависит от наличия примесей в материале.

^{2 )} Примечание! – удельное сопротивление сильно зависит от температуры материала. Приведенная выше таблица основана на эталоне 20 ^o C.

Электрическое сопротивление в проводе

Электрическое сопротивление провода больше для более длинного провода и меньше для провода с большей площадью поперечного сечения. Сопротивление зависит от материала, из которого оно изготовлено, и может быть выражено как:

R = ρ L / A (1)

, где

R = сопротивление (Ом, ). Ω )

ρ = коэффициент удельного сопротивления (Ом · м, Ом · м)

L = длина провода (м)

A = площадь поперечного сечения провода (м ² )

Фактором сопротивления, учитывающим природу материала, является удельное сопротивление.Поскольку он зависит от температуры, его можно использовать для расчета сопротивления провода заданной геометрии при различных температурах.

Обратное сопротивление называется проводимостью и может быть выражено как:

σ = 1 / ρ (2)

, где

σ = проводимость (1 / Ом · м)

Пример – сопротивление алюминиевого провода

Сопротивление алюминиевого кабеля длиной 10 м и площадью поперечного сечения 3 мм ² можно рассчитать как

R = (2.65 10 ^-8 Ом м) (10 м) / ((3 мм ² ) (10 ^-6 м ² / мм ² ))

= 0,09 Ом

Сопротивление

Электрическое сопротивление компонента схемы или устройства определяется как отношение приложенного напряжения к протекающему через него электрическому току:

R = U / I (3)

где

R = сопротивление (Ом)

U = напряжение (В)

I = ток (A)

Закон Ома

Если сопротивление постоянно превышает диапазон напряжения, затем закон Ома,

I = U / R (4)

можно использовать для прогнозирования поведения материала.

Удельное сопротивление в зависимости от температуры

Изменение удельного сопротивления в зависимости от температуры можно рассчитать как

dρ = ρ α dt (5)

, где

dρ = изменение удельного сопротивления ( Ом м ² / м)

α = температурный коэффициент (1/ ^o C)

dt = изменение температуры ( ^o C)

Пример – изменение удельного сопротивления

Алюминий с удельным сопротивлением 2.65 x 10 ^-8 Ом · м ² / м нагревается от 20 ^o C до 100 ^o C . Температурный коэффициент для алюминия составляет 3,8 x 10 ^-3 1/ ^o C . Изменение удельного сопротивления можно рассчитать как

dρ = (2,65 10 ^-8 Ом м ² / м) (3,8 10 ^-3 1/ ^o C) ((100 ^o C) – (20 ^o C))

= 0.8 10 ^-8 Ом м ² / м

Окончательное удельное сопротивление можно рассчитать как

ρ = (2,65 10 ^-8 Ом м ² / м) + (0,8 10 ^-8 Ом м ² / м)

= 3,45 10 ^-8 Ом м ² / м

Калькулятор коэффициента удельного сопротивления в зависимости от температуры

использоваться для расчета удельного сопротивления материала проводника в зависимости оттемпература.

ρ – Коэффициент удельного сопротивления (10 ^-8 Ом м ² / м)

α – Температурный коэффициент (10 ^-3 1/ ^o C)

dt – изменение температуры ( ^o C)

Сопротивление и температура

Для большинства материалов электрическое сопротивление увеличивается с температурой.Изменение сопротивления может быть выражено как

dR / R _s = α dT (6)

, где

dR = изменение сопротивления (Ом)

_с = стандартное сопротивление согласно справочным таблицам (Ом)

α = температурный коэффициент сопротивления ( ^o C ^-1 )

dT = изменение температура от эталонной температуры ( ^o C, K)

(5) может быть изменена на:

dR = α dT R _s (6b)

«Температурный коэффициент сопротивления» – α – материала – это увеличение сопротивления резистора 1 Ом из этого материала при повышении температуры 9 0013 1 ^o С .

Пример – сопротивление медного провода в жаркую погоду

Медный провод с сопротивлением 0,5 кОм при нормальной рабочей температуре 20 ^o C в жаркую солнечную погоду нагревается до 80 ^o C . Температурный коэффициент для меди составляет 4,29 x 10 ^-3 (1/ ^o C) , а изменение сопротивления можно рассчитать как

dR = ( 4,29 x 10 ^-3 1/ ^o C) ((80 ^o C) – (20 ^o C) ) (0.5 кОм)

= 0,13 (кОм)

Результирующее сопротивление для медного провода в жаркую погоду будет

R = (0,5 кОм) + (0,13 кОм)

= 0,63 ( кОм)

= 630 (Ом)

Пример – сопротивление углеродного резистора при изменении температуры

Угольный резистор с сопротивлением 1 кОм при температуре 20 ^o C нагревается до 120 ^или С .Температурный коэффициент для углерода отрицательный. -4,8 x 10 ^-4 (1/ ^o C) – сопротивление снижается с повышением температуры.

Изменение сопротивления можно рассчитать как

dR = ( -4,8 x 10 ^-4 1/ ^o C) ((120 ^o C) – (20 ^o C) ) (1 кОм)

= – 0,048 (кОм)

Результирующее сопротивление для резистора будет

R = (1 кОм) – (0.048 кОм)

= 0,952 (кОм)

= 952 (Ом)

Калькулятор зависимости сопротивления от температуры

Этот счетчик можно использовать для расчета сопротивления проводника в зависимости от температуры.

R _с – сопротивление (10 ³ (Ом)

α – температурный коэффициент (10 ^-3 1/ ^o C)

dt – Изменение температуры ( ^o C)

Температурные поправочные коэффициенты для сопротивления проводника

Температура проводника (° C)	Коэффициент Преобразовать в 20 ° C	Обратно в преобразовать из 20 ° C
5	1.064	0,940
6	1,059	0,944
7	1,055	0,948
8	1,050	0,952
9	1,046	0,956
10	1,042	0,960
11	1,037	0,964
12	1.033	0,968
13	1,029	0,972
14	1,025	0,976
15	1,020	0,980
16	1,016	0,984
17	1,012	0,988
18	1,008	0,992
19	1.004	0,996
20	1.000	1.000
21	0,996	1.004
22	0,992	1.008
23	0,988	1.012
24	0,984	1,016
25	0,980	1,020
26	0.977	1,024
27	0,973	1,028
28	0,969	1,032
29	0,965	1,036
30	0,962	1,040
31	0,958	1,044
32	0,954	1,048
33	0.951	1.052

.Библиотека

TLP Введение в термическую и электрическую проводимость

Щелкните здесь, чтобы просмотреть актуальные (непечатаемые) страницы TLP

Примечание. Пакеты обучения и обучения DoITPoMS предназначены для интерактивного использования на компьютере! Эта версия TLP для печати предоставляется для удобства, но не отображает все содержимое TLP. Например, отсутствуют какие-либо видеоклипы и ответы на вопросы. Форматирование (разрывы страниц и т. Д.) Печатной версии непредсказуемо и сильно зависит от вашего браузера.

Содержание

• Цели
• Перед тем, как начать
• Введение
• Введение в проводимость
• Металлы: модель электропроводности Друде
• Факторы, влияющие на электрическую проводимость
• Металлы теплопроводные
• Электропроводность: неметаллы
• Неметаллы: тепловые фононы
• Приложения
• Сводка
• вопросов
• Дальше

Цели

По завершении этого пакета TLP вам необходимо:

• Понимать основные механизмы и модели теплопроводности и теплопроводности металлов и неметаллов.
• Помните о некоторых факторах, которые влияют на оба типа проводимости.
• Знайте некоторые области применения обоих типов проводников и изоляторов.

Перед тем, как начать

Этот TLP является введением, поэтому никаких специальных знаний не требуется. Однако есть и другие TLP, которые охватывают более сложные темы, такие как полупроводники, ссылки на которые приведены в разделе для дальнейшего чтения.

Введение

Электропроводность охватывает невероятно большой порядок величин (30!) От изоляторов до металлов и даже может быть бесконечным в сверхпроводниках.Знание того, как управлять им, привело к компьютерной революции и постоянно увеличивающейся миниатюризации

Теплопроводность, хотя для известных материалов составляет всего около 10 порядков величины, по-прежнему имеет решающее значение для многих важных технологических достижений, от реактивных турбин и космических путешествий до USB-холодильников для напитков.

Чтобы по-настоящему оценить эти достижения, важно понимать, как возникает проводимость в материалах. Существуют простые модели, которые можно использовать для прогнозирования поведения многих материалов; между теплопроводностью и электропроводностью в металлах существуют близкие параллели, в то время как механизмы проводимости в неметаллах совершенно разные.

Введение в проводимость

Электропроводность

Важно не запутаться в проводимости, проводимости, сопротивлении и удельном сопротивлении.

Свойства материалов: электропроводность σ и удельное электрическое сопротивление ρ

Электропроводность материала определяется как количество электрического заряда, переносимого в единицу времени через единицу площади под действием единичного градиента потенциала: J = σ E

где J – плотность тока (ток на единицу площади), а E – градиент потенциала.Это еще один способ выражения закона Ома, который чаще выражается как \ (V = I R \).

Для изотропного материала:

\ [\ sigma = \ frac 1 \ rho \]

Единицами измерения удельного электрического сопротивления являются омметр ( Ом · м ), а для проводимости – обратная величина ( Ом ^-1 м ^-1 ). Для фактического образца длиной l и площадью поперечного сечения A сопротивление R рассчитывается по формуле:

\ [R = \ rho \ frac l A \]

Электрические сигналы распространяются со скоростью, близкой к скорости света, хотя , а не означает, что сами электроны движутся так быстро.Вместо этого типичная дрейфовая скорость электронов (их средняя скорость) намного ниже: менее 1 мм с ^-1 . Это подробно описано в разделе моделей Друде.

Еще одно уместное напоминание о потенциале и токе: ток – это поток электронов, а потенциал – это движущая сила, заставляющая их течь. Обладая достаточным потенциалом, электроны могут переносить заряд через любой материал, включая вакуум (см. ЭЛТ), хотя они бессильны без какого-либо чистого тока.

Лучшие электрические проводники (кроме сверхпроводников) – это чистая медь и чистое серебро с удельным сопротивлением 16,78 и 15,87 нОм соответственно. Для сравнения, полистирол имеет удельное сопротивление до 10 ²⁸ нОм, что на 27 порядков отличается!

Теплопроводность:

Чтобы понять теплопроводность материалов, важно знать концепцию теплопередачи, которая представляет собой движение тепловой энергии от более горячего тела к более холодному.Это происходит при нескольких обстоятельствах:

• Когда объект имеет температуру, отличную от окружающей его температуры;
• Когда объект имеет температуру, отличную от температуры другого объекта, контактирующего с ним;
• Когда внутри объекта существует температурный градиент.

Направление теплопередачи задается вторым законом термодинамики, который гласит, что энтропия изолированной системы, которая не находится в тепловом равновесии, будет со временем увеличиваться, приближаясь к максимальному значению в состоянии равновесия.Это означает, что передача тепла всегда происходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой и будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнуто тепловое равновесие.

Передача тепловой энергии происходит только через 3 режима: теплопроводность, конвекция и излучение. Каждый режим имеет свой механизм и скорость передачи тепла, и, таким образом, в любой конкретной ситуации скорость передачи тепла зависит от того, насколько преобладает определенный режим.

Проводимость включает передачу тепловой энергии за счет комбинации диффузии электронов и фононных колебаний, что применимо к твердым телам.

Конвекция предполагает передачу тепловой энергии в движущейся среде – горячий газ / жидкость движется через более холодную среду (обычно из-за разницы в плотности).

Излучение включает передачу тепловой энергии электромагнитным излучением. Солнце – хороший пример передачи энергии через (близкий) вакуум.

Этот TLP фокусируется на проводимости в кристаллических твердых телах.

Теплопроводность, Κ, – это свойство материала, которое указывает на способность проводить тепло.Первый закон Фурье определяет тепловой поток, пропорциональный разнице температур, площади поверхности и длине образца:

\ [H = \ frac {\ Delta Q} {\ Delta t} = \ kappa A \ frac {\ Delta T} {l} \]

где ΔQ / Δt – скорость теплопередачи, A – площадь поверхности, l – длина.

Лучшие металлические теплопроводники – это чистая медь и серебро. При комнатной температуре технически чистая медь обычно имеет проводимость около 360 Вт · м ^-1 K ^-1 (хотя теплопроводность монокристалла меди была измерена при 12 200 Вт · м ^-1 K ^-1 при температура 20.8 К). В металлах движение электронов доминирует над теплопроводностью.

Объемный материал с самой высокой теплопроводностью (помимо сверхтекучего гелия II), что, возможно, удивительно, является неметаллом: чистый монокристаллический алмаз, который имеет теплопроводность при комнатной температуре около 2200 Вт · м ^-1 K ^-1 . Высокая проводимость используется даже для проверки подлинности алмаза. Прочные ковалентные связи внутри молекулы ответственны за высокую проводимость, хотя свободных электронов нет, тепло передается фононами.Большинство природных алмазов также содержат атомы бора, которые заменяют атомы углерода в кристаллической матрице, которые также обладают высокой теплопроводностью.

Металлы: модель электропроводности Друде

Из-за квантово-механической природы электронов полное моделирование движения электронов в твердом теле (т. Е. Проводимости) потребует рассмотрения не только всех ядер положительных ионов, взаимодействующих с каждым электроном , но также каждого электрона с каждым другим электроном .Даже с продвинутыми моделями это быстро становится слишком сложным для адекватного моделирования материала макроскопического масштаба.

Модель Друде значительно упрощает ситуацию за счет использования классической механики и рассматривает твердое тело как фиксированный массив ядер в «море» несвязанных электронов. Кроме того, электроны движутся по прямым линиям, не взаимодействуют друг с другом и случайным образом рассеиваются ядрами.

Вместо моделирования всей решетки используются два статистически полученных числа:
τ , среднее время между столкновениями (время рассеяния ) и
l , среднее расстояние, пройденное между столкновениями (среднее свободное расстояние путь )

Под действием поля E электроны испытывают силу –e E, и, таким образом, ускорение от F = m a

Для электрона, выходящего из столкновения со скоростью v ₀ , скорость по истечении времени t определяется как:

\ [v = v_ {0} – \ frac {eEt} {m} \]

Конечно, если электроны рассеиваются случайным образом при каждом столкновении, v ₀ будет равно нулю.{2} \ tau E} {m} \]

Проводимость σ = n e μ, где μ – подвижность , которая определяется как

\ [\ mu = \ frac {| v |} {E} = \ frac {eE \ tau} {mE} = \ frac {e \ tau} {m} \]

Конечный результат всех этих математических расчетов – разумное приближение проводимости ряда одновалентных металлов. При комнатной температуре, используя кинетическую теорию газов для оценки скорости дрейфа, модель Друде дает σ ~ 10 ⁶ Ом ^-1 м ^-1 .Это примерно правильный порядок величины для многих одновалентных металлов, таких как натрий ( σ ~ 2,13 × 10 ⁵ Ом ^-1 м ^-1 ).

Модель Друде можно визуализировать с помощью следующего моделирования. В отсутствие приложенного поля видно, что электроны движутся беспорядочно. Используйте ползунок, чтобы применить поле, чтобы увидеть его влияние на движение электронов.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 8 и более поздних версий, который можно скачать здесь.

Однако важно отметить, что для неметаллов, многовалентных металлов и полупроводников модель Друде с треском проваливается. Чтобы иметь возможность более точно предсказать проводимость этих материалов, требуются квантово-механические модели, такие как модель почти свободных электронов. Это выходит за рамки настоящего TLP

. Сверхпроводники

также не объясняются такими простыми моделями, хотя дополнительную информацию можно найти на сайте Superconductivity TLP.

Факторы, влияющие на электропроводность

Электропроводность большинства металлических проводников (не полупроводников!) Легко определить.Есть три важных случая:

Чистые и почти чистые металлы

Для чистых металлов при температуре около комнатной удельное сопротивление линейно зависит от температуры.

\ [\ rho_2 = \ rho_1 [1 + \ alpha (T_2 – T_1)] \]

Однако при низких температурах проводимость перестает быть линейной (сверхпроводники рассматриваются отдельно), а удельное сопротивление зависит от температуры по правилу Маттизена:

\ [\ rho (T) = {\ rho _ {{\ rm {defect}}}} + {\ rho _ {{\ rm {Thermal}}}} \]

Низкотемпературное удельное сопротивление (\ ({\ rho _ {{\ rm {defect}}}} \)) зависит от концентрации дефектов решетки, таких как дислокации, границы зерен, вакансии и межузельные атомы.Следовательно, оно ниже в отожженных металлических образцах с крупными кристаллами и выше в сплавах и закаленных металлах. Вы можете подумать, что при более высоких температурах электроны будут иметь больше энергии, чтобы двигаться через материал, поэтому, возможно, довольно удивительно, что удельное сопротивление увеличивается (и, следовательно, проводимость уменьшается) с увеличением температуры. Причина этого в том, что с повышением температуры электроны все чаще рассеиваются на колебаниях решетки или фононах, что приводит к увеличению удельного сопротивления.Этот вклад в удельное сопротивление описывается термином ρ _{термического} .

Температурная зависимость проводимости чистых металлов схематично проиллюстрирована в следующем моделировании. Используйте ползунок, чтобы изменить температуру, чтобы увидеть, как это влияет на движение электронов через решетку. Вы также можете ввести межузельные атомы, щелкнув мышью внутри решетки.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 и более поздних версий, который можно скачать здесь.

Сплавы – твердый раствор

Как и раньше, добавление примеси (в данном случае другого элемента) снижает проводимость. Для твердого раствора изменение удельного сопротивления в зависимости от состава определяется правилом Нордхейма:

\ [\ rho = \ chi _ {\ alpha} \ rho _ {\ alpha} + \ chi _ {\ beta} \ rho _ {\ beta} + C \ chi _ {\ alpha} \ chi _ {\ beta} \]

, где C – константа, CA и CB – атомные доли металлов A и B, удельные сопротивления которых равны ρA и ρB соответственно.2 \]

где ΔZ – разность валентностей растворенного вещества и растворителя.

Таким образом, растворенные атомы с более высоким (или более низким) зарядом, чем решетка, будут иметь большее влияние на удельное сопротивление.

Сплавы – многофазные

Для сплава, в котором есть две или более различных фаз, вклады просто линейно влияют на общее удельное сопротивление (хотя влияние многих границ зерен немного увеличивает удельное сопротивление).

\ [\ rho = \ chi_ \ alpha \ rho_ \ alpha + \ chi_ \ beta \ rho_ \ beta \]

Следующая анимация иллюстрирует правило Маттейзена, правило Нордхейма и правило смешения.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 8 и более поздних версий, который можно скачать здесь.

Металлы теплопроводности

Металлы обычно имеют относительно высокую концентрацию свободных электронов проводимости, и они могут передавать тепло при движении через решетку. Фононная проводимость также имеет место, но эффект перекрывается электронной проводимостью.

Следующая симуляция показывает, как электроны могут проводить тепло, сталкиваясь с ядрами и передавая тепловую энергию.Нажмите кнопку «источник», чтобы приложить источник тепла к одной стороне образца. График покажет температурный градиент внутри образца, и вы также можете применить радиатор к противоположной стороне образца, используя кнопку «сток».

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 и более поздних версий, который можно скачать здесь.

Закон Видеманна-Франца

Так как преобладающий метод теплопроводности у металлов одинаковый для теплопроводности и электропроводности (т.{- 2}} \]

Этот закон можно объяснить тем фактом, что свободные электроны в металле участвуют в механизмах переноса тепла и электричества. Теплопроводность увеличивается со средней скоростью электронов, так как это увеличивает прямой перенос энергии. Однако электрическая проводимость уменьшается с увеличением скорости частиц, поскольку столкновения отвлекают электроны от прямого переноса заряда.

Электропроводность: неметаллы

Хотя модель Друде достаточно хорошо работает для одновалентных металлов, она не предсказывает свойства полупроводников, сверхпроводников или неметаллических проводников.

Сверхпроводники и полупроводники лучше всего объясняются в их собственных TLP.

Ионная проводимость

Для некоторых материалов нет чистого движения электронов, но они по-прежнему проводят электричество.

Это механизм ионной проводимости, при котором некоторые заряженные ионы могут перемещаться через объемную решетку (посредством обычных механизмов диффузии, за исключением движущей силы электрического поля).

Такие ионные проводники используются в твердооксидных топливных элементах, хотя, например, для оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (YZT), рабочие температуры находятся в диапазоне от 500 до 1000 градусов C.Поскольку они действуют по механизму, подобному диффузии, более высокие температуры приводят к более высокой проводимости, что противоположно тому, что предсказывала бы простая модель Друде.

Напряжение пробоя

Существует важный и потенциально смертельный механизм, благодаря которому изолятор может стать проводящим. В воздухе это обычно распознается как молния. Следует отметить, что механизм может ионизировать «изолятор», временно делая его более проводящим.

Газы обычно ионизируются в бытовых осветительных приборах.Наиболее распространены люминесцентные лампы и неоновые лампы.

Для первоначального возбуждения паров ртути в свете люминесцентной лампы необходим всплеск напряжения, превышающий напряжение пробоя. Это можно заметить при включении такого света, как внезапное возгорание с соответствующим всплеском радиопомех. Неисправная трубка может не полностью ионизироваться, что приводит к небольшому свечению на концах.

Под высоким напряжением может проводиться даже оргстекло. Временно ионизированный путь непрозрачен при охлаждении, что в данном случае дает фигуру Лихтенберга. Изображение «Фигура Лихтенберга» от Берт Хикман

Более подробную информацию можно найти на странице Dielectrics TLP по разбивке

.

Неметаллы: тепловые фононы

Как упоминалось ранее, металлы имеют два режима теплопроводности: на основе электронов и на основе фононов. Для неметаллов имеется относительно мало свободных электронов, поэтому доминирует фононный метод.

Тепло можно рассматривать как меру энергии колебаний атомов в материале.Как и все вещи в атомном масштабе, здесь есть квантово-механические соображения; энергия каждой вибрации квантована (и пропорциональна частоте). Фонон – это квант колебательной энергии, и за счет комбинации (суперпозиции) многих фононов тепло наблюдается макроскопически.

Энергия данного колебания решетки в жесткой кристаллической решетке квантована в квазичастицу, называемую фононом . Это аналог фотона в электромагнитной волне; тепловые колебания в кристаллах можно описать как термически возбужденные фононы, которые можно отнести к термически возбужденным фотонам.Фононы являются основным фактором, определяющим электрическую и теплопроводность материала.

Фонон представляет собой квантово-механическую адаптацию нормальной модальной вибрации в классической механике. Ключевым свойством фононов является дуальность волна-частица; нормальные моды имеют волновые явления в классической механике, но приобретают поведение, подобное частицам в квантовой механике.

Энергия фонона пропорциональна его угловой частоте ω:

\ [\ varepsilon = (n + \ frac {1} {2}) \ hbar \ omega \]

с квантовым числом n .Член \ (\ frac {1} {2} \ hbar \ omega \) – это энергия нулевой точки моды. Это определяется как минимально возможная энергия, которой обладает система, и является энергией основного состояния.

Если твердое тело имеет более одного типа атомов в элементарной ячейке, будет два возможных типа фононов: «акустические» и «оптические» фононы. Частота акустических фононов примерно равна частоте звука, а частота оптических фононов близка к частоте инфракрасного света. Их называют оптическими, поскольку в ионных кристаллах они легко возбуждаются электромагнитным излучением.

Если кристаллическая решетка имеет нулевую температуру, она находится в основном состоянии и не содержит фононов. Когда решетка нагревается и поддерживается при ненулевой температуре, ее энергия не является постоянной, а колеблется случайным образом около некоторого среднего значения. Эти флуктуации энергии вызываются случайными колебаниями решетки, которую можно рассматривать как газ фононов. Поскольку температура решетки порождает эти фононы, их иногда называют тепловыми фононами . Тепловые фононы могут создаваться или разрушаться случайными колебаниями энергии.

Принято считать, что фононы тоже обладают импульсом и поэтому могут проводить энергию через решетку. В отличие от электронов, существует чистое движение фононов – от более горячей части решетки к более холодной, где они разрушаются. Электроны должны сохранять нейтральность заряда в решетке, поэтому нет чистого движения электронов во время теплопроводности.

Следующая симуляция показывает схематические оптические и акустические фононы в двумерной решетке и дает возможность анимировать двумерный волновой вектор, определяемый щелчком внутри зеленого поля.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 и более поздних версий, который можно скачать здесь.

Рассеяние Umklapp

Когда два фонона сталкиваются, образующийся фонон имеет векторную сумму их импульсов. Способ обработки частиц, движущихся в решетке квантово-механическим способом в рамках схемы редуцированных зон (которая выходит за рамки данной TLP, но более подробно исследуется в TLP зон Бриллюэна), приводит к концептуально странному эффекту. Если импульс слишком велик (за пределами первой зоны Бриллюэна), то образующийся фонон движется почти в противоположном направлении.Это Umklapp scattering , и оно преобладает при более высоких температурах, снижая теплопроводность при повышении температуры.

Приложения

Кремниевые чипы

Поскольку электрические свойства меняются в зависимости от микроструктуры, был разработан тип компьютерной памяти, называемый памятью с произвольным доступом с фазовым переходом (PC-RAM). Используемый материал представляет собой халькогенид, обозначаемый как GST (Ge ₂ Sb ₂ Te ₅ ).

Аморфное состояние является полупроводником, а в (поли) кристаллической форме – металлическим.Нагревание выше точки стеклования, но ниже точки плавления приводит к кристаллизации ранее полупроводниковой аморфной ячейки. Аналогичным образом, полностью расплавившись, а затем быстро охлаждая клетку, она остается в металлическом кристаллическом состоянии.

Это изменение удельного сопротивления в зависимости от микроструктуры имеет решающее значение для работы таких устройств. Варьируя условия нагрева, различная пропорция каждой ячейки GST может быть кристаллической и аморфной – правило смеси применяется, поскольку фактически это две фазы.Это позволяет использовать несколько различимых уровней сопротивления для каждой ячейки, увеличивая плотность хранения и снижая стоимость мегабайта.

Наиболее распространенной проблемой кремниевых устройств является рассеивание тепла.

Современный процессор имеет расчетную тепловую мощность более 70 Вт (Intel i7 3770, процесс 22 нм). Охладитель должен отводить указанное количество тепла с поверхности кристалла, которое обычно составляет менее 10 см. ² . Обычно радиаторы имеют медный блок, прикрепленный к корпусу микропроцессора с помощью термопасты и давления.Основная часть радиатора обычно делается из гораздо более дешевого алюминия, хотя для интерфейса необходима высокая теплопроводность меди. Термопаста, хотя и является лучшим проводником тепла, чем воздух, намного хуже, чем большинство металлов, поэтому ее используют только в качестве тонкого слоя для замены воздушных зазоров.

Электропроводность – не самый эффективный метод отвода тепла к отдельному радиатору, поэтому можно использовать конвекцию и скрытую теплоту испарения. Тепловые трубки, обычно сделанные из меди, заполнены жидкостью с низкой температурой кипения, которая кипит на горячем конце и конденсируется на холодном конце трубы.Это гораздо более быстрый способ передачи тепла на большие расстояния.

Космос

Теплоизоляторы находят множество применений, разработка которых связана с попытками улучшить объемные механические свойства при сохранении изоляционных свойств (т.е. не пропускает тепло, но и не плавится)

Особенно известное применение теплоизоляции – это (ныне списанные) плитки космических челноков, которые отвечают за защиту челнока во время повторного входа в атмосферу.Они такие хорошие изоляторы, что снаружи они могут раскалиться докрасна, а внутри шаттла астронавты еще живы.

Одним из лучших теплоизоляторов является кремнеземный аэрогель.

Аэрогель – это твердотельный материал с чрезвычайно низкой плотностью, сделанный из геля, в котором жидкая фаза геля заменена газом. В результате получается твердое тело чрезвычайно низкой плотности, что делает его эффективным теплоизолятором.

Одно применение аэрогелей – это легкий коллектор микрометеоритов, использовался аэрогель.Хотя он очень легкий, он достаточно силен, чтобы улавливать микрометеоры.

Спички остаются холодными в миллиметрах от паяльной лампы, большой массив аэрогелевых кирпичей готов к запуску в космос, а образовавшаяся космическая пыль фотографируется по возвращении на Землю

Aerogels могут изготавливаться из различных материалов, но имеют универсальную структуру. (аморфные «нано-пены» с открытыми ячейками). Однако чаще всего используется силикат. Аэрогели кремнезема были впервые открыты в 1931 году.

Аэрогели обладают экстремальной структурой и экстремальными физическими свойствами. Высокопористая природа структуры аэрогеля обеспечивает низкую плотность. Процент открытого пространства в структуре аэрогеля составляет около 94% для геля плотностью 100 кг · м ^{– 3} .

Аэрогели являются хорошими теплоизоляционными материалами, поскольку они исключают три метода передачи тепла (конвекцию, теплопроводность и излучение). Они являются хорошими конвективными изоляторами из-за того, что воздух не может циркулировать по решетке.Кремнеземный аэрогель является особенно хорошим проводящим изолятором, потому что кремнезем плохо проводит тепло – металлический аэрогель, с другой стороны, был бы менее эффективным изолятором. Углеродный аэрогель является эффективным изолятором излучения, потому что углерод способен поглощать инфракрасное излучение, которое передает тепло. Следовательно, для максимальной теплоизоляции лучший аэрогель – это кремнезем, легированный углеродом.

Трансмиссия

Одно из самых масштабных применений электрических проводников – передача энергии.

К сожалению, свойства, которые желательны для прочного кабеля, кажутся противоположными свойствам хорошего проводника.

Алюминиевые сплавы могут быть очень прочными из-за своей плотности, но, следуя правилу Нордхейма, они намного хуже проводят.

Существует огромное множество сталей, но, опять же, межузельные атомы углерода увеличивают сопротивление по сравнению с чистым железом. Это означает, что необходим кабель большего диаметра, который из-за плотности стали оказывается очень тяжелым и дорогим.Более тяжелый кабель также означает, что мы должны построить дополнительные пилоны, что составляет значительную часть стоимости.

Медь, хотя и подходит для домашней электропроводки, является плотной и все более дорогой.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 и более поздних версий, который можно скачать здесь.

Для большинства воздушных силовых кабелей решением является использование двух материалов – стальной жилы, окруженной множеством отдельных алюминиевых жил. Таким образом получаются легкие, высокопрочные кабели с приемлемой проводимостью.

Сверхпроводники были испытаны для передачи энергии, но только под землей, и при значительно более высокой стоимости (и эффективности!).

Термоэлектрический эффект

Термоэлектрический эффект – это прямое преобразование разницы температур в электрическое напряжение и наоборот. Проще говоря, термоэлектрическое устройство создает напряжение, когда на каждой стороне устройства разная температура. Он также может работать «в обратном направлении», поэтому, когда на него подается напряжение, создается разница температур.Этот эффект можно использовать для выработки электричества, измерения температуры, охлаждения объектов или их нагрева. Поскольку знак приложенного напряжения определяет направление нагрева и охлаждения, термоэлектрические устройства представляют собой очень удобные регуляторы температуры.

Эффект Пельтье заключается в том, что когда (постоянный) ток течет через переход металл-полупроводник, тепло либо поглощается, либо выделяется. Это потому, что средняя энергия электронов в двух материалах различается, и это различие компенсируется теплом.

Для более полного понимания требуется знание зонной структуры, более подробно рассмотренной в TLP по полупроводникам.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 и более поздних версий, который можно скачать здесь.

Сводка

Мы рассмотрели основы электрической и теплопроводности, а также некоторые из наиболее распространенных приложений. Вы должны понимать роль электронов и фононов в теплопроводности, а также то, как взаимодействия между ними приводят к изменению электропроводности с температурой.Вы должны понимать, что металлы имеют больше механизмов теплопередачи, чем их неметаллические аналоги, что объясняет, почему они имеют более высокую теплопроводность. Кроме того, этот TLP должен был затронуть некоторые из основных применений тепловых и электрических проводников и изоляторов. Наконец, установлена ​​связь между теплопроводностью и электропроводностью металлов, в том числе закон Видемана-Франца.

Суммируя факторы, влияющие на проводимость:

• Температура – при повышении температуры увеличивается средняя энергия, приходящаяся на один фонон, и, благодаря механизму рассеяния переброса, теплопроводность уменьшается.Фононы также больше рассеивают электроны.

• Плотность электронов (в металлах) – если электроны являются проводниками, большее количество (валентных) электронов обычно приводит к лучшей проводимости.

• Легирование – межузельные частицы рассеивают электроны и снижают проводимость. Фазовые границы, примеси, дислокации и т. Д. Снижают проводимость даже при низкой температуре.
  

вопросов

Быстрые вопросы

Вы сможете без особого труда ответить на эти вопросы после изучения данного TLP.Если нет, то вам следует пройти через это снова!

1. Для фононов нормальные моды

2. Каким образом кристаллические решетки влияют на электроны, исходя из предположений модели свободных электронов?

3. Разброс Umklapp:

4. Что из следующего верно в соответствии с законом Видемана-Франца?

5. Какие из следующих утверждений об электропроводности почти чистых материалов верны?

6. Какой из них является правильным с точки зрения электропроводности от лучшей к худшей (предполагается, что это чистые материалы)?

   		Nb 3 Sn при 4K, Ag при 300K, Au при 300K, Nb 3 Sn при 300K, Cu при 300K.
   	b	Ag при 300K, Cu при 300K, Nb 3 Sn при 4K, Au при 300K, Nb 3 Sn при 300K.
   	с	Nb 3 Sn при 4K, Ag при 300K, Cu при 300K, Au при 300K, Nb 3 Sn при 300K.
   	d	Nb 3 Sn при 300K, Cu при 300K, Ag при 300K, Au при 300K, Nb 3 Sn при 4K.
   	e	Nb 3 Sn при 4K, Cu при 300K, Nb 3 Sn при 300K, Ag при 300K, Au при 300K.

Далее

Книги

Курс химии A NST IB и / или курс физики NST IB также более подробно рассматривают проведение.

Сайты

Академический консультант: Джесс Гвинн (Кембриджский университет)
Разработка контента: Эндрю Витти
Фотография и видео:
Веб-разработка: Лианн Саллоус и Дэвид Брук

DoITPoMS финансируется Великобританией Центр материаловедения и кафедра материаловедения и металлургии, Кембриджский университет

.