Исследование физических свойств материалов. Часть 3. Электрические свойства проводниковых материалов

Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ





А.В. ШИШКИН, О.С. ДУТОВА





                ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
                МАТЕРИАЛОВ





Часть III

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ


Учебно-методическое пособие







НОВОСИБИРСК

2011

УДК 621.315.55+537.31(075.8)
     Ш655



Рецензенты:
А.Б. Мешалкин, д-р физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. ИТ СО РАН, С.Н. Малышев, канд. техн. наук, доц. НГТУ

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированные электротехнологические установки» и утверждена Редакционно-издательским советом университета в качестве учебно-методического пособия для подготовки бакалавров


     Шишкин А.В.
Ш 655 Исследование физических свойств материалов : учеб.-метод. пособие. - В 4 ч. / А.В. Шишкин, О.С. Дутова. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. - Ч. 3. Электрические свойства твердых диэлектриков. - 42 с.

         ISBN 978-5-7782-1679-2

          В пособии рассмотрены классификация проводниковых материалов и теоретические основы их электрических свойств. Описаны конструкция и работа лабораторного стенда для исследования электропроводности и температурного коэффициента электросопротивления.
          Пособие предназначено для подготовки бакалавров по направлениям: 140600 - Электротехника, электромеханика и электротехнологии, 080502 -Экономика и управление на предприятии электромашиностроения, 220301- Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям) дневного и заочного отделений.








УДК 621.315.61+537.31(075.8)


ISBN 978-5-7782-1679-2

                     © Шишкин А.В., Дутова О.С., 2011 © Новосибирский государственный

технический университет, 2011

        ВВЕДЕНИЕ

   Цель пособия - помочь студентам в получении теоретических знаний и практических навыков по курсу «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» в части, касающейся электрических свойств проводниковых материалов.
   Материалом называется вещество, обладающее необходимым комплексом свойств для выполнения заданной функции отдельно и/или в совокупности с другими веществами.
   Материаловедение - это раздел научного знания, посвященный свойствам веществ и их направленному изменению с целью получения материалов с заранее заданными рабочими характеристиками. Материаловедение опирается на фундаментальную базу всех разделов физики, химии, механики и смежных дисциплин и включает теоретические основы современных наукоемких технологий получения, обработки и применения материалов.
   Курс материаловедения и технологии конструкционных материалов служит следующей цели: познанию природы и свойств материалов, а также методов получения материалов с заданными характеристиками для наиболее эффективного использования в технике.
   Электрические свойства тел - одни из важнейших свойств. Жизнь современного человека уже невозможна без электричества. Используемые в настоящее время человеком электрические устройства по размерам различаются на 12 порядков: от наноразмерных изделий до крупных электростанций и ускорителей. Практически во всех таких устройствах применяются и проводники, и диэлектрики, и полупроводники. Поэтому знание механизмов электропереноса и электросопротивления и умение управлять ими при создании и эксплуатации материалов приобретают особую значимость.
   Проводниковые материалы - одни из основных и широко применяемых материалов, что связано в первую очередь с повсеместным производством и использованием электрической энергии. Они доставляют энергию электромагнитного поля точно по назначению (материалы высокой проводимости, контактные, припои), нормируют ее (резистивные), преобразуют (материалы нагревательных и солнечных элементов, сверхпроводники), являются функциональными элементами измерительных и управляющих устройств (термоэлектродные). Таким образом, спектр применения проводниковых материалов очень широк. Благодаря наличию металлической проводимости любой металл может быть использован как проводниковый в том или ином качестве.

3

            1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО НАЗНАЧЕНИЮ


   К проводниковым материалам относятся:
   - материалы высокой проводимости;
   - контактные материалы;
   - припои и контактолы;
   - резистивные материалы;
   - материалы для нагревательных элементов;
   - термоэлектродные материалы.


        1.1. Материалы высокой проводимости

   Главные требования, предъявляемые к материалам высокой проводимости, - высокая электропроводность, доступность и технологичность. Основные материалы, которые по совокупности удовлетворяют этим требованиям, - медь, алюминий и их сплавы. Такие проводящие материалы, как золото, серебро, широко используются, например, в электронной промышленности при производстве интегральных микросхем и полупроводниковых приборов, для контактов реле, пускателей и др.

    1.1.1. Медь и ее сплавы

   Промышленностью в качестве материалов высокой проводимости используется как чистая медь, так и сплавы на ее основе: латуни и бронзы.
   Важнейшим из металлов высокой проводимости является медь, что обусловлено совокупностью характерных для нее свойств:
   -     минимальное удельное электросопротивление р (только серебро имеет р примерно на 5 % меньше, чем чистая медь);


4

   -     высокая для большинства случаев практического применения механическая прочность;
   -     удовлетворительная стойкость к воздействию окружающей среды;
   -     хорошая технологичность (благодаря сочетанию прочности и высокой пластичности медь перерабатывается в фольгу, ленты, листы, шины, профили для коллекторов электрических машин, проволоку и другие изделия);
   -     относительная легкость пайки и сварки, что особенно важно при монтажных работах.
   Основной недостаток меди - ее относительная дефицитность, обусловленная сравнительно малой распространенностью в природе.
   Наименьшим удельным электросопротивлением из сплавов меди обладает чистая медь, примеси снижают ее электропроводность.
   Латуни - сплавы на основе меди, где главным легирующим элементом является цинк. По сравнению с медью они обладают более высокой механической прочностью и повышенным удельным электросопротивлением. Латуни стойки к атмосферной коррозии, однако многие сплавы, содержащие более 20.30 % Zn, склонны к растрескиванию из-за одновременного действия остаточных напряжений в изделии и коррозионного воздействия аммиака, а также сернистого газа во влажной атмосфере. Это явление называется сезонной коррозией латуни, так как наблюдается оно в месяцы, характеризующиеся повышенной влажностью. Растрескивание предотвращают, проводя отжиг при 250.. .350 °C для снятия остаточных напряжений.
   Латуни широко применяются для изготовления различных токопроводящих деталей электрооборудования.
   Бронзы - сплавы на основе меди, где главный легирующий элемент (за исключением цинка (латуни) и никеля (медно-никелевые сплавы)) определяет название бронзы. По сравнению с медью они обладают повышенным электросопротивлением, механической прочностью, твердостью, упругостью (как при нормальной, так и при повышенных температурах), стойкостью к истиранию. Для электротехники наибольший интерес представляют те бронзы, которые сочетают в себе высокую удельную электропроводность у (бериллиевая бронза) с прочностью и твердостью (кадмиевая и хромовая бронзы). Из проводниковых бронз изготавливаются контактные провода для электрического транспорта, коллекторные пластины, контактные ножи, скользящие кон

5