Які речовини є провідниками електричного струму? Провідники та ізолятори. Електричний ланцюг та його елементи

25.07.2018

ПРОВІДНИКИ

Класифікація провідників

На етапі немає загальноприйнятої класифікації провідникових матеріалів. Існує, щоправда, розподіл провідників механізмом проходження струму. Якщо струм обумовлений дрейфом вільних електронів під впливом електричного поля, такі провідники називаються провідниками з електронною електропровідністю чи провідниками першого роду. Провідниками другого роду є електроліти, проходження струму, через які обумовлено іонною електропровідністю, а вона, як відомо, пов'язана з перенесенням речовини відповідно до законів Фарадея. Тому склад електроліту поступово змінюється, але в електродах виділяються продукти електролізу.

Провідники з електронною електропровідністю, як відомо, це метали та сплави металів. Металеві провідники у фізиці, хімії, техніці класифікують за різними ознаками:

1) за складом ( чисті метали та сплави);

2) за значенням провідності(провідники високої провідності, що мають питомий опір при 20 ос не більше 0,05 мкОм м, та провідники високого опору, у яких значення питомого опору при 20 ос не менше 0,3 мкОм м);

3) за положенням у періодичній системі елементів Д.І. Менделєєва(лужні метали, благородні, лужноземельні, багатовалентні прості, актиніди, перехідні та рідкісноземельні);

4) за особливостями будови електронних оболонок: нормальні та перехідні метали. До першої групи належать метали, які використовуються для проводів, струмопровідних жил кабелів, обмоток електричних машин та трансформаторів.

До другої групи належать елементи 5 групи періодичної системи елементів (вісмут, сурма, миш'як), які погано проводять струм (їх навіть іноді називають напівметалами)). До цієї ж групи відносяться метали та сплави високого опору, що широко застосовуються для виготовлення резисторів, електронагрівальних приладів. ниток ламп розжарювання і т.д.

Третя група включає лужні метали(натрій, калій та інші підгрупи 1а) та шляхетні, до яких у фізиці відносяться лише одновалентні метали підгрупи 1б і т.д.

Четверта група. У міру збільшення порядкового номера хімічних елементів у періодичній системі відбувається заповнення електронних оболонок у послідовності, яка визначається квантовомеханічною теорією. Однак, при деяких порядкових номерах енергії двох сусідніх оболонок виявляються дуже близькими, завдяки чому спочатку заповнюється не чергова, а наступна оболонка. Елементи з таким "збоєм" називаються перехідними. Вони утворюють у таблиці Менделєєва кілька рядів: від скандію до нікелю ітрій- паладій, лантан- платина, а також рідкісноземельні або лантаноїди (від церію до лютецію). Інші метали називаються нормальними.

Усі гази і пари, у тому числі пари металів, при малих напруже нях поля не є провідниками. Однак якщо напруженість поля перевищить деяке критичне значення, при якому починається фотонна та ударна іонізація, то газ стає провідником з електронною та іонною електропровідністю. Сильно іонізований газ при рівності числа електронів числу позитивних іонів в одиниці об'єму виявляється особливим середовищем, так званою плазмою.

Електропровідність металів

При дії на метал електричного (або магнітного)) поля (або різниці температур) у ньому виникають потоки заряджених частинок та енергії. Явлення виникнення цих потоків чи струмів прийнято називати кінетичними ефектами чи явищами перенесення, інакше- транспортними ефектами, маю на увазі вплив стаціонарних полів на нерухомі провідники. У такому разі струм або потік пропорційний різниці потенціалів (або різниці температур), а коефіцієнт пропорційності визначається лише геометричними розмірами провідника та фізичними властивостями самого металу. При одиничних геометричних розмірах цей коефіцієнт залежить тільки від властивостей даного металу і є його фундаментальною фізичною характеристикою, яка зветься кінетичного коефіцієнта. При знаходженні провідника в змінному полі струми, що виникають у ньому, залежать не тільки від геометричних розмірів і кінетичного коефіцієнта, але і від частоти змінного поля, форми провідника, взаємного розташування елементів електричного ланцюга. Опір провідника при змінному струмі суттєво залежить від його частоти, обумовленої спинефектом- витіснення струму з центру провідника на периферію. З багатьох можливих кінетичних явищ найбільш відомі у техніці два: електропровідність- здатність речовини проводити постійний електричний струм під дією електричного поля, що не змінюється в часі, і теплопровідність- аналогічно по відношенню до різниці температур та теплового потоку. Обидва ці явища виражаються (кількісно) законами Ома та Фур'є відповідно:

j =gE; w = k T.

де j- густина струму, А/м; g - кінетичний коефіцієнт електричної провідності (див. розділ «Діелектрики», де його назва- питома електрична провідність); Е- напруженість електричного поля В/м; w - Щільність теплового півтоку; Т – різниця температур; k – коефіцієнт теплопровідності.

На практиці зазвичай використовують питомий електричний опір або просто питомий опір, Ом м

r = 1 / g.

Однак для провідників дозволяється користуватися позасистемною одиницею вимірювання Ом мм 2 /м, або рекомендується застосовувати рівну за розмірністю одиницю СІ мкОм/м. Перехід від однієї одиниці до іншої у цьому випадку: 1 Ом м = 106 мкОм м = 10 6 Ом мм 2 /м. Опір провідника довільних розмірів із постійним поперечним перерізом визначаться:

R =rl/S,

де l - Довжина провідника, м; S – площа провідника, м2.

Метали зазвичай характеризуються як пластичні речовини з характерним «металевим» блиском, добре проводять електричний струм і теплоту. Для електропровідності металів типові: низьке значення питомого опору за нормальної температури, значне зростання опору за підвищення температури, досить близький до прямої пропорційності; при зниженні температури до температури, близьких до абсолютного нуля, опір металів зменшується до дуже малих значень, що становлять найбільш чистих металів до 10 -3 або навіть меншу частку опору при нормальних, + 20 0 С, температурах. Для них також характерна наявність зв'язку між питомою електропровідністю та питомою теплопровідністю, що описується емпіричним законом Відемана – Франца, як відношення k / g приблизно однаково для різних матеріалів за однакової температури. Приватне від поділу k /gна абсолютну температуру T (L 0 = k/( g T)). називається числом Лоренца, є (для всіх металів) величиною, що мало відрізняються при всіх температурах.

Теорія кінетичних явищ у металах може пояснити форму залежностей кінетичних коефіцієнтів від температури, тиску та інших факторів, з її допомогою можна обчислити і їх значення. Для цього розглянемо внутрішню будову металів.

Фундаментальна ідея цього розділу фізики виникла на рубежі 19 – 20 го століття: атоми металу іонізовані, а валентні електрони, що відокремилися від них, вільні, тобто належать всьому кристалу. Іони суворо впорядковані, утворюють правильні кристалічні грати; їхня взаємодія з негативно зарядженою хмарою вільних електронів така, що робить кристал стабільним, стійким утворенням. Наявність вільних електронів добре пояснює високу електропровідність металів, які справакалізація забезпечує високу пластичність. Отже, найбільш характерною особливістю внутрішньої будови металевих провідниківє наявність колективізованих електронів, що підтверджує їх електронну будову. У її найпростішій моделі сукупність колективізованих електронів пояснюють як електронний газ, у якому частинки перебувають у хаотичному тепловому русі. Рівновага встановлюється (якщо знехтувати зіткнення між електронами) за рахунок зіткнення електронів з іонами. Оскільки тепловий рух повністю не впорядкований, то, незважаючи на зарядженість електронів, струму в ланцюзі (макроскопічного) не спостерігається. Якщо до провідника додати зовнішнє електричне поле, то вільні електрони, отримавши прискорення, вишиковуються в упорядковану складову, яка орієнтована вздовж поля. Оскільки іони у вузлах решітки нерухомі, упорядкованість у русі електронів виявиться макроскопічним електричним струмом. Питома провідність у разі може бути виражена з урахуванням середньої довжини вільного пробігу l електрона в прискорюючому полі напруженістю Е:

l = е Е t / (2 m) якg= е 2 nl/ (2 m v t ),

де е - заряд електрона; n- кількість вільних електронів в одиниці об'єму металу; l - середня довжина вільного пробігу електрона між двома співудареннями; m- маса електрона; v t - середня швидкість теплового руху вільного електрона у металі.

З урахуванням положень квантової механіки

g = До п 2/3/l,

де К - числовий коефіцієнт.

Діапазон питомих опорів металевих провідників за нормальної температури займає лише три порядки. Для різних металів швидкості хаотичного теплового руху електронів за певної температури приблизно однакові. Концентрації вільних електронів різняться незначно, тому значення питомого опору переважно залежить від середньої довжини вільного пробігу електронів у цьому провіднику, а вона визначається структурою матеріалу провідника. Всі чисті метали з найбільш правильною кристалічною решіткою мають мінімальні значення питомого опору. Домішки, спотворюючи ґрати, призводять до збільшення питомого опору

Температурний коефіцієнт питомого опору чи середній температурний коефіцієнт питомого опору виразиться

a = 1 / r (dr / dt); a ` = 1 / r (r 2 - r 1) / (T 2 - T 1),

де r 1 та r 2 – питомі опори провідника за температур Т 1 і Т 2 відповідно за Т 2 > T 1 .

У технічних довідниках зазвичай наводиться величина a `, за допомогою якої можна наближено визначити r при довільній температурі Т:

r = r 1 (1 + a r `(Т - Т 1)).

Цей вираз дає точне значення питомого опору р. тільки для лінійної залежності. r (Т). В інших випадках цей метод є наближеним; він тим точніше, чим уже інтервал температур, який використаний для визначення a r `. Питомий опір більшості металів, що збільшують свій обсяг під час плавлення, зменшує щільність. У металів, що зменшують свій обсяг при плавленні, питомий опір зменшується; до таких металів відносять галій, сурму та вісмут.

Питомий опір сплавів завжди більший, ніж у чистих металів. Особливо це, якщо при сплавленні вони утворюють твердий розчин, тобто. спільно кристалізуються при затвердінні і атоми одного металу входять у ґрати іншого. Якщо сплав двох металів створює роздільну кристалізацію та застиглий розчин- суміш кристалів кожної зі складових, то питома провідність g такого сплаву змінюється із зміною складу майже лінійно. У твердих розчинах ця залежність(від вмісту кожного з металів) не лінійна і має максимум, що відповідає певному співвідношенню компонентів сплаву. Іноді, при певному співвідношенні між компонентами, вони утворюють хімічні сполуки.(інтерметаліди), при цьому вони мають не металевий характер електропровідності, а є електронними напівпровідниками.

Температурний коефіцієнт лінійного розширення провідників визначається так само, як і для діелектриків за формулою

ТК l =a(l) = l/l (dl/d Т), (3.1)

де ТК l= a ( l)- температурний коефіцієнт лінійного розширення К-1.

Цей коефіцієнт необхідно знати, щоб мати можливість оцінити роботу парних матеріалів у різних конструкціях, а також виключити розтріскування або порушення вакуумного з'єднання металу зі склом або керамікою при зміні температури. Крім того, він входить до розрахунку температурного коефіцієнта електричного опору проводів

ТК R= a ( R)= a (r) - a ( l).

Для чистих металів зазвичай a (r) » a (1), тож можна наближено. але вважати, що a ( R)~ a (r ), але для деяких сплавів, що мають малі значення a (r ), слід користуватися формулою (3.1).

ТермоЕРС провідників

ТермоЕРС виникає при зіткненні двох різних провідників(або напівпровідників), якщо температура їх спаїв неоднакова. Якщо два різних провідники стикаються, між ними виникає контактна різниця потенціалів. Для металів А та В

U cb - U c+ К Т / е ln (n 0с / n про b),

де U з і U b- потенціали дотичних металів; концентрація електронів у відповідних металах; До- постійна Бол'цмана; Т- Температура; е - абсолютна величина заряду електрона.

Якщо температура спаїв металів однакова, то сума різниці потенціалів у замкнутому ланцюзі дорівнює нулю. Якщо температура шарів різна (Т 2 і Т 1 , наприклад), то в цьому випадку

U= К / е (Т 1 -Т 2) ln (n c / п b). (3.2)

Сплави для термопар мають різні поєднання, зокрема один електрод може бути з чистого металу. Найбільш поширеними є нікелеві та мідно-нікелеві сплави. Для температур не більше 1000 – 1200 0 З використовуються термопари хромель – алюмель (ТХА), за вищих температур застосовуються електроди платина – платинородій; у цих сплавах родію становить від 6,7 до 40,5%. Марки таких термопар такі: ПЛРД-7, ПЛРД-10, ПЛРД-30, ПЛРД-40.

Матеріали високої провідності

Серед металів високої провідності найбільш широко застосовуються мідь та алюміній. Мідь із-за малого питомого опору (найменшого серед металів, крім срібла) використовують як провідниковий матеріал; крім того, вона має досить високу механічну міцність, високу корозійну стійкість і хорошу оброблюваність (прокат, волочіння, кування, а також паяння і зварювання). Виробництво міді ґрунтується на переробці мідних руд- оксидних та сульфідних сполук міді, хоча мідь може зустрічатися в природі та в самородному стані.

За механічною міцністю розрізняють мідь не відпалену тверду- МТ та м'яку відпалену мідь- ММ. За вмістом хімічних домішок мідь поділяється на марки за ГОСТ 859- 78.Електричні характеристики міді такі: питома провідність найбільш чистої електролітичної міді при 20 0 С- 59,5 МСм/м; питома провідність відпаленої стандартної міді при 20- 58 МСм/м; питомий опір стандартної міді при 20 0 С- 0,017241 мкОм м; температурний коефіцієнт питомого опору за 0..150 °С a (r). 10 - 4,3 1 / До; відношення питомого опору розплавленої міді до опору твердої міді при t плавлення- 2,07; термоЕдС щодо платини при температурі холодного спаю Про 0 С- 0,14 мВ; робота виходу електронів- 4,07...4,61 кВ із металу; число Лоренца L0.= 2,45.10-8 У 2 /К 2 . При низьких температурах питомий опір міді стає дуже малим, проте надпровідність вона не має. Число Лоренца не завжди і при зменшенні температури знижується, але при Т < 100 0 До знову зростає. В електротехніці мідь застосовується для виготовлення провідників, шин розподільчих пристроїв, струмопровідних частин приладів та електричних апаратів, анодів у гальванопластику. В електронній техніці з міді виготовляють: аноди генераторних ламп(з примусовим охолодженням); стійки антикатодів трубок рентгенівського випромінювання; траверси сіток приймально-підсилювальних ламп, всі зовнішні струмопідвідні вводи; провідну частину друкованих плат тощо. Мідь використовується в спаях зі склом, хоча у неї коефіцієнт лінійного розширення більше, ніж у скла, але вона володіє низькою межею плинності, м'якістю і високим коефіцієнтом теплопровідності. Для впаювання у скло мідного електрода надається спеціальна форма у вигляді тонкого рантика (так звані рантові спаї). Для підвищення механічної міцності мідь застосовується як сплавів бронз і латунів.

При виготовленні конструкційних та провідних частин приладів та апаратів (у тому числі для щіткотримачів та колекторних пластин) використовують наступні бронзи: олов'яні, оброблені тиском(ГОСТ 5017 - 74); бронзи ливарні (ГОСТ 613- 79); бронзи безолов'яні ливарні(ГОСТ 493 - 79). Провідникові бронзи застосовуються для виготовлення контактів, тролейних дротів, затискачів та електродів. Латуні являють собою мідно-цинкові сплави і так само, як і бронзи, мають більш високу механічну міцність і підвищені значення питомого електричного опору. Латуні діляться на оброблювані тиском та ливарні. Зазвичай вони паяються м'якими та твердими припоями та допускають електричне та газове зварювання. Марки латунів, що обробляються тиском, визначені ГОСТ 15527-70, а ливарних- ГОСТ 17711-80. Другим за значенням питомої електричної провідності після міді за нормальної температури є алюміній. При низьких температурах він стає навіть більш провідним, ніж мідь; це відбувається при температурі близько 70 0 К. Класи та марки первинного алюмінію встановлюються залежно від способу одержання та його хімічного складу. Особливо чистим є алюміній марки А999, у якому домішки становлять лише 0,001%, а чистого алюмінію міститься щонайменше 99,999 %. існує чотири марки хімічно чистого алюмінію, у яких кількість кожної домішки нормується, наприклад, марка А995; чистого алюмінію щонайменше 99,995 %, домішки (трохи більше); залізо 0,0015%, кремній- 0,0015%, мідь - 0,001%, цинк 0,001%, титан- 0,001%. У цьому загальна кількість домішок має перевищувати 0,00 5%. Технічно чистого алюмінію є вісім марок. Найбільш поширений алюміній марки АЕ, який повинен забезпечувати для виготовленого з нього та відпаленого при температурі 350 - 20 ° С дроту питомий електричний опір при температурі 20 0 С не більше 0,028 мкОм м. Згідно з ГОСТ 4784- 74 ‚ Алюмінієві сплави деформуються є чотири марки сплавів, що являють собою алюміній з нормованою кількістю домішок. Марки АДОС, АДО, Ад1 і Пекло, в яких алюмінію має бути не менше 99,7%, 99,5%, 99,3% та 98,8% відповідно.

Електричні характеристики алюмінію такі: при 20 °С питома провідність чистого алюмінію (відпаленого при 320 °С протягом З год) складає 38 МСм/м; питомий опір алюмінію АБ 0,028 мкОм-м; температурний коефіцієнт питомого опору при 0…. 150 0 С a (r) 10 -3 = 4 1 / До; відношення опору розплавленого алюмінію до опору твердого алюмінію при температурі плавлення- 1,64; робота виходу- 4,25 еВ; число Лоренца L 0 = 2,1 10 -8 2 /К 2 .

При нормальній температурі, однакових перерізах та довжині електричний опір алюмінієвого дроту більше, ніж мідного, в 1,63 рази. Значить, щоб отримати алюмінієвий провід такого ж опору, як і мідний, потрібно взяти його перетин у 1,63 рази більшим, тобто. його діаметр повинен бути більшим у 1,3 раза. При обмежених розмірах виробів заміна в них міді на алюміній неможлива, зате маса двох однакових за довжиною та електричним опором мідного та алюмінієвого проводів показує, що алюмінієвий, хоч і товщий за мідний, але важить приблизно в 2 рази менше.

У електротехніці алюміній замінив дорогу мідь. Він використовується для виготовлення електричних проводів, кабельних, тонкоплівкових та інших струмопровідних виробів, як обмоток асинхронних двигунів, для виробництва сплавів, для виготовлення конденсаторів та конденсаторної фольги, для електровакуумної техніки (електроди в розрядниках, катоди в іонних рентгенівських трубках) і т.д. .

Прокатка, протяжка та відпал алюмінію аналогічні цим операціям над міддю; алюміній добре вариться, але звичайними методами не паяється. На повітрі він активно окислюється, покриваючись тонкою оксидною плівкою з великим електричним опором. Ця плівка, оберігаючи алюміній від подальшої корозії, створює великий перехідний опір у місцях контакту алюмінієвих деталей і утруднює їхню пайку. Для паяння алюмінію зазвичай використовують ультразвукові паяльники, спеціальні припої. У місцях контакту міді з алюмінієм, особливо під впливом вологи, утворюється місцева гальванічна пара, причому полярність така, що струм йде від алюмінію до міді.(по зовнішній поверхні), та алюміній руйнується корозією. Для захисту від корозії необхідно ретельно ізолювати місця з'єднання міді та алюмінію.(покривати лаком, наприклад). Незважаючи на те, що алюміній має низьку механічну міцність, його сплави мають підвищену механічну міцність.

Сплави поділяються на алюмінієві деформовані (ГОСТ 4784-74) та алюмінієві ливарні (ГОСТ 2685-75). Перші призначені для виготовлення гюлуфабрикатів (прутків, профілів, смуг, листів, дроту, панелей, труб, штамповок та поковок).) методами холодної чи гарячої обробки. Другі- для виготовлення фасонних виливків.

До матеріалів високої провідності відноситься велика група металів, що застосовуються в електротехніці (з ними можна ознайомитись у відповідній літературі), але за масовістю застосування, вони не йдуть у жодне порівняння з алюмінієм та міддю

Кріопровідники та надпровідники

До кріопровідників і надпровідників відносяться метали, що працюють за дуже низьких.(Кріогенних) температурах, що наближаються до абсолютного нуля. Явище надпровідності було відкрито В. Камерлінг-Оннесом в 191I р. Їм було виявлено, що при охолодженні до температури зрідження гелію опір замороженої ртуті різким стрибком падає практично до нуля, принаймні до значення настільки малого, що воно не піддається виміру. В даний час відомо 35 таких металів і велика кількість сплавів та хімічних сполук, у яких за дуже низьких температур питома провідність стає практично нескінченною величиною. Наявність у речовини такої провідності називається СВЕРХПРОВОДИИ1МОСТЬЮ, а температура, коли він речовина перетворюється на надпровідний стан, називається температурою надпровідного переходу(Т с). Речовини, що переходять у надпровідний стан, називаються надпровідниками. Цей перехід є оборотним: при підвищенні температури до значення Т з надпровідністю зникає і речовина переходить знову у звичайний стан з кінцевим значенням питомої електропровідності g . Сучасна теорія надпровідників пояснює це взаємодією електронів друг з одним через посередництво кристалічної решітки й освіту пов'язаних пар електронів, тобто. куперівських пар. Через електростатичного тяжіння електрон злегка притягує найближчий до себе іон, той, у свою чергу, підтягує до себе інший електрон.(що знаходиться по інший бік нона). Ці два електрони мають протилежні спини.(І імпульси). Одночасно вони відштовхуються, будучи однойменно зарядженими. У деяких металах при дуже низьких температурах тяжіння через решітки виявляється сильніше цього відштовхування, і електрони зв'язуються попарно. Т.к. енергія зв'язку електронів у парі невисока, кожна така пара існує обмежений час. потім руйнується, проте в цілому енергія електронної системи через цей процес спарювання зменшується і метал переходить у надпровідний стан. При цьому електронні пари не відчувають розсіювання, що призводить до майже повного зникнення опору. Струм, наведений у замкнутому контурі з надпровідника, може існувати скільки завгодно довго. При цьому надпровідники є ідеальними діамагнетиками: магнітне поле, що пронизує провідник при звичайній температурі, виштовхується з нього в надпровідному стані за умови, що напруженість зовнішнього магнітного поляне перевищує певного критичного значення Н с. В іншому випадку надпровідний стан зруйнується. Залежно від характеру переходу із надпровідного стану у звичайний при збільшенні магнітного поля розрізняють надпровідники 1-го роду - свинець, ртуть, індій, олово, алюміній, у яких перехід у нормальний стан відбувається стрибком, та надпровідники 2-го роду, у яких цей перехід відбувається поступово(ніобій, ванадій і технецій, а також велика кількість сплавів та хімічних сполук). Явище надпровідності виявлено у деяких речовин, які не мають цього ефекту при нормальному тиску, при дії високого гідростатичного тиску. Надпровідні властивості відзначені у напівпровідників, наприклад, у антимоніду індія InSb , і навіть у діелектриків- сірки та ксенону (таблиця 3.1).

Таблиця 3.1. Параметри надпровідників

Надпровідники	Температура переходу Т с, К	Критичне значення індукції, с, Т л
Алюміній Al	1,2	0,01
Олово Sn	3,7	0,031
Індій In	3,4	0,03
Ртуть Hg	4,2	0,46
Свинець Pb	7,2	0,08

Крім надпровідності у сучасній електротехніці використовується КРІОПРОВІДНІСТЬ, тобто. робота металу при кріогенних температурах, коли питомий опір стає дуже мало, але кінцевою величиною. Метали, що мають таку властивість, але без переходу в надпровідний стан, називаються КРІОПРОВІДНИКАМИ.для отримання якісних кріопровідників потрібна висока чистота металу. Як правило, використовуються метали, що мають при кріогенних температурах(які вище температур надпровідності) найменший питомий опір. До них відносяться: при температурі рідкого водню- алюміній, а при температурі рідкого азоту берилій(20.3 та 77,4 К відповідно).

Матеріали високого опору

До матеріалів високого опору відносяться метали та сплави, які використовуються для електровимірювальних приладів, резисторів. У них, крім високого питомого опору, мають бути висока стабільність опору в часі, малий температурний коефіцієнт питомого опору, мала термоЕРС у парі з міддю. Іноді вони повинні працювати за високих температур, бути технологічними і по можливості не містити дорогих компонентів. Резистивні матеріали повинні мати високий питомий опір. мати високу корозійну стійкість, високу стабільність і малу термоЕРС в парі з міддю. Дуже важливо, щоб ці вимоги виконувалися, якщо матеріал призначений для виготовлення зразкових та додаткових резисторівта шунтів електровимірювальних приладів. для змінних низькоомних резисторів треба мати дуже мале та стабільне(у часі) контактний опір. Залежно від призначення, умов експлуатації, з урахуванням номінального опору як матеріали для резисторів застосовують метали та сплави з високим питомим опором, а також оксиди металів, вуглець, композиційні матеріали(іноді на основі благородних металів- платини, паладію, золото і срібло). Конструктивно резистори виконуються у вигляді об'ємних елементів, дроту різних діаметрів і плівки, що обложена на діелектричну основу(підкладку). для плівок введено параметр- опір квадрата, або опір на квадрат(або питомий поверхневий опір), чисельно рівне опору ділянки плівки, довжина якого дорівнює його ширині, при протіканні струму паралельно поверхні підкладки. Опір квадрата визначається за формулою

R k =r / d, (3.3)

де r - питомий об'ємний опір плівки товщиною d.

Для резисторів та термопар найбільш поширеними є сплави типу манганіну. Це сплави на нікелевій та мідно-нікелевій основі. Власне манганін- найпоширеніший сплав під час виготовлення точних резисторів. Манганін марки МНМцЗ-12 містить: марганцю 11,5- 13,5%, нікелю та кобальту 2,5- 3,5%, решта % - мідь. Зазвичай при підвищенні стабільності характеристик відпалюють при температурі 400 °С протягом 2 годин у вакуумі або в нейтральних газах.(Аргон, азот) з повільним охолодженням. Холоднотягнутий дріт піддається 10-годинному старінню при температурі 140 0 С. Крім того, потрібна тривала витримка манганіну при кімнатній температурі приблизно близько 1 року. Основні властивості манганіну цієї марки такі: при 20 0 С питомий опір

r = 0,48 мкОм м: температурний коефіцієнт питомого опору за тієї ж температури a r = (5 - 30) 10 -6 1 / К, термоЕРС щодо міді дорівнює 1 мкВ 1/К +1: Т плавл= 960 0 С, найбільша допустима робоча температура (довго) ТР 3000С.

Константан також відноситься до цієї групи сплавів, але в його складі марганцю всього 1- 2%, нікелю - 39 - 41%, інші % - мідь. Марка константана- МНМц4О-1,5. Його основні властивості: r = 0,48 - 0,52 мкОм м; a r = (5 - 25) 10 -6 1/К; Т раб = 450 0; термоЕРС у парі з міддю досить висока і становить 45- 55 мкВ 1 / що є недоліком при використанні його у вимірювальних схемах, але гідністю в термопарах.

Резистори на основі кремнію, як правило, тонкоплівкові. Для них використані такі марки сплавів:РС-4800, РС-370, РС3001, РС-1714,РС-1004, а також сплави багатокомпозиційні, що складаються з кремнію, заліза, хрому, нікелю, алюмінію та вольфраму (типу МЛТ). У позначенні марок літери означають: РС резистивний сплав, дві перші цифри- номінальний зміст основного легуючого компонента, дві інші- те саме для другого компонента. Сплави у вигляді порошків призначені для виготовлення методом випаровування та конденсації у високому вакуумі тонкоплівкових резисторів та інших допоміжних шарів в електроніці. Резистори зі сплавів МЛТ отримують термічним вакуумним випаровуванням з вольфрамових випарників та шляхом конденсації плівок на діелектричні підкладки. Для збільшення питомого опору сплавів часто вводять оксиди металів. Для отримання потрібних властивостей плівки після осадження термообробляють. При товщині плівок від 0,1 до 1 мкм можна отримати опір квадрата від десятків Ом до 35 кОм при a r = (2,5 - ± 4)-10 -4 1 / К. У мікросхемах поширений сплав МЛТ-ЗМ, у нього опір квадрата R= 200 -500 Ом.

Сплави на основі заліза, нікелю, хрому та алюмінію в основному застосовуються для електронагрівальних елементів. Вони відносяться до жаростійких з високим питомим опором і поділяються на: нікель-хромові (ніхроми); нікель-хромові, леговані алюмінієм, залізохромонікелеві та залізохромоалюмінієві(кульгали). У всіх цих сплавів показники залежать від їхнього хімічного складу. Так, для ніхрому марки Х20Н80 (хром- 15 - 18%, нікель - 55 - 61%, марганець - 1,5%, решта - залізо) питомий опір r = (1,1-1,2) мкОм м; r = (100 - 200) 10 -6 1/К; гранична Т раб= 10000С. Для кульгавої марки Х23Ю5(хром-22 -25%, нікель- 0,6%, марганець - 0,7%, алюміній - 4,5 - 5,5%) питомий опір r = (1,3 - 1,5) мкОм м; a r = 65 10 -6 1 / К, а гранична Т раб= 1200 0 З. Нихромы стійки до окислення повітря при високих температурах, т.к. на їх поверхні утворюється захисна плівка оксидівЗ rПро + Ni Про з температурним коефіцієнтом лінійного розширення, близьким до a r = 1 сплаву. Однак для цього шару оксидів небезпечні термоудари, при цьому плівка тріскається, туди проникає кисень.- відбувається додаткове окислення та термін служби сплаву зменшується. Залізохромоалюмінієві сплави всіх марок стають крихкими в інтервалі температур від 450 до 500 0 C, що пов'язано з виділенням у структурі утворень з підвищеним вмістом хрому(близько 80%). Ця крихкість може бути усунена нагріванням сg лава до 750- 800° З наступним охолодженням у воді.

Для всіх сплавів агресивними є середовища, що містять фосфор, галоїди і сірка, крім залізохромоалюмінієвих сплавів, для яких гази, що містять сірку, допустимі.

Для жаростійких матеріалів та нагрівальних елементів використовують зазвичай карбіди та силіциди тугоплавких металів.- ніобію, цирконію, танталу та гафнію. З карбіду ніобію методом порошкової металургії виготовляють трубчасті, стрижневі та Y-подібні нагрівачі довжиною до 600 мм, зовнішнім діаметром до 18 мм та товщиною стінки 2 - 3 мм. Печі з такими нагрівачами працюють у вакуумі до 2500 0 С, а аргоні -- до 3000 ° З . Карбід цирконію працює приблизно за таких же температур. Точка плавлення карбіду ніобію мінус 3760 ° С, цирконію- 3530 0 С, танталу - 3880 0 С, а гафнія - 3890 ОС . При кімнатних температурах карбіди інертні до лугів та кислот. З неметалевих нагрівачів найчастіше використовуються селіт і глобар з карбіду кремнію, які є напівпровідниковими сполуками. Їх Т раб= 1400 - 1500 0 З; при цій температурі термін служби таких нагрівачів становить близько 1500- 2000 год. Силициди є сполуки кремнію переважно з металами. Ці сполуки широко використовуються в електротехніці, металургії, космічній, електронній атомній техніці. В електротермії найбільш популярним є дисіліцид молібдену.(Мо - S i) , який у виробах може працювати при 1700 0 С в окисному середовищі. Елементи виконуються також шляхом порошкової металургії. Властивості дисіліциду молібдену: питомий опір r = 0,2 мкОм при 20 0 С; при 1600 0 r = 0,8 мкОм м; температурний коефіцієнт лінійного розширення a 1 = 8,25 10 -6 1 / К. При роботі у вакуумі силіциди молібдену дисоціюють, тому їх використання обмежене та залежить від парціального тиску кисню.

Тензометри

Сплави. застосовувані у перетворювачах деформації різних виробів під впливом механічних сил, називаються тензометричними. В основу роботи тензоперетворювачів принцип зміни опору при деформації конструкції, на яку наклеєно тензодатчик, Коефіцієнт тензочутливості оціниться

d =DR / R /DL/L. або d=1+D r / ( rE S) / F + 2m, (3.4)

де D R- зміна опору R при зміні D L довжини елемента L; Dr - зміна питомого опору r матеріалу тензодатчика під впливом навантаження F; S- площа поперечного перерізу дроту перетворювача: Е- модуль IОнгу; m - коефіцієнт Пуассона матеріалу дроту.

Найбільш часто для тензометрів застосовується дріт, що наклеюється зигзагоподібно на лакову або паперову основу.(діаметр дроту приблизно 0,02 0,05 мм). До кінців дроту пайкою або зварюванням гюдсоединяются вивідні провідники, зазвичай, мідні. Зверху датчик лакується. І приклеюється до виробу. Матеріалами для дроту можуть бути різні метали та сплави. наприклад манганін, константан, ніхром, нікель, вісмут, платиносеребряні або титаноалюмінієві сплави, хоча вони частіше застосовується для виготовлення плівкових тензометрів(Сплав АЛI9. Д 20 та ін.). Плівкові тензометри отримують шляхом вакуумної сублімації матеріалу і подальшою його конденсацією на підкладку. Часто застосовуються фольгові тензометри з дуже тонкої фольги товщиною 4 -12 мкм, на якій частина металу обрана травленням таким чином, що частина утворює так звану “решітку”- зигзагоподібний тензометр.

Контактні матеріали

Як контактні матеріали використовуються чисті тугоплавкі метали і різні сплави, а також металокерамічні композиції. Найбільш відповідальні контакти служать для періодичного замикання та розмикання електричних ланцюгів, особливо сильно точних. За умовами роботи контакти поділяють на нерухомі, розривні або ковзні, До них пред'являються різні вимоги, і, отже, використовуються різні матеріали. За значенням комутованого струму контакти поділяють на слаботочні - до одиниць ампера та сильноточні- Для струмів від одиниць до тисяч амперів. Контакт повинен бути надійним з'єднанням двох провідників, здатних проводити електричний струм із малим та стабільним у часі електричним опором.

Структура площі контакту складається з: "майданчиків" з металевим

контактом, опір яких визначається сумарним опором металів пари, що утворюють контакт, через який протікає струм без перехідного опору; контактних майданчиків, покритих тонкими адгезійними плівками, що пропускають струм завдяки тунельному ефекту; майданчиків, покритих плівками оксидів і сульфідів, що є ізолюючими та не пропускають електричний струм. Загальна площа контакту, що визначається як сума цих майданчиків, виявляється значно меншою за контактну поверхню, що представляє умовну площу контакту. При цьому стан поверхонь контактів безпосередньо впливає перехідний опір і нагрівання контактів при проходженні через них струму. Перехідний опір багатоточкового контакту, що має п контактуючих поверхонь першого виду, якщо всі вони навантажені до межі плинності матеріалу контактів, визначається за формулою

Rn =r / 2 (ps / (n F )1/2, (3.5)

де r - питомий опір матеріалу контактів; s - межа плинності матеріалу контактів при стисканні; n - число коy тактуючих поверхонь; F - сила контактного c стискання.

Якщо контакти плоскі, їх перехідний опір назад пропорційно силі натискання F .

Основні причини зносу контактів за її експлуатації залежить від умов експлуатації. але зводяться до наступних ерозія контактів- порушення форми робочих поверхонь. перенесення матеріалу з одного контакту на інший, утворення кратерів. наростів і навіть заклинювання контактів; електричний знос контактів, обумовлений електричною дугою, іскрінням контактів при розмиканні та вібрацією контактів; механічне зношування, пов'язане не тільки з силою удару контактів, але і з контактним натисканням і частотою замикань контакту; хімічне зношування, на яке впливають склад навколишнього середовища, його вологість і температура на поверхні контактів; зварювання у відрив залежно від сили контактного натискання, вібрації та термічної дії струму на контакти, зусилля при розмиканні зварених контактів та погане прикріплення контактів до контактоутримувача. Як матеріали для слаботочних контактівзазвичай використовуються благородні та тугоплавкі метали- срібло, платина, паладій, золото, вольфрам та їх сплави.

Більшість благородних металів зазвичай застосовують для контактів у вигляді гальванічного покриття(крім срібла, яке може застосовуватись у чистому вигляді). Твердість покриттів у разі значно вище, ніж в товстіших шарів металу. Наприклад, для срібла твердість Бринеллю становить у товстому шарі порядку 25, а у вигляді Гальванічного покриття може досягати 100. Гальванічні покриття більш зносостійкі в електричному полі. Товщина гальванопокриття зазвичай коливається не більше від 1 мкм до кількох десятків мікрометрів. Для сильноточних контактівзазвичай використовуються мідь, срібло, їх сплави, а також композиційні матеріали, одержувані методом порошкової металургії, що складаються з компонентів, що не володіють взаємною дифузією і представляють суміш зазвичай двох- трьох фаз, одна з яких значно тугоплавкіша, ніж інша. Найбільш поширені композиції – це срібло- оксид кадмію; срібло– нікель; срібло – графіт; срібло – нікель – графіт; срібло - вольфрам; срібло- оксид міді; мідь – вольфрам; мідь - графіт. Срібло та мідь забезпечують високу електро та теплопровідність, а тугоплавка частина підвищує зносостійкість, термостійкість та опір зварюванню контактів. низьковольтних апаратахчасто використовується срібло- оксид кадмію; для високовольтних(Дугогасних камер)- залізо - мідь - вісмут та ін.

Основні області застосуванняконтактних матеріалів:

срібло - реле, сигнальна апаратура. телефонна та телеграфна апаратура, магнітні пускачі, управління флуоресцентними лампами, контакти допоміжних ланцюгів контакторів та магнітних пускачів тощо;

срібло мідь - реле, телефонні реле, радіоапi1iаратура тощо;

срібло мідь - нікель - стінні вимикачі, реле вуличних сигналів, перетворювачі струму, реле автоматики та налаштування радіо, авіаційні легко- та середньонавантажені реле, електромагнітні лічильники, автомобільні та залізничні сигнальні реле тощо;

срібло - кадмій - реле, вимикачі перевантаження та термостати холодильників, стартери, теплові вимикачі;

срібло - кадмій– нікель; срібло- кадмій- індій- реле в діапазоні струмів від десятих часток ампера до 30 А;

срібло- паладій - сигнальна апаратура, телефонні реле та номеронабирачі, органи ТВ управління, вимикачі та термостати холодильників, контактні кільця та ін.;

срібло- платина- радіоапаратура, електромагнітні лічильники;

срібло- оксид цирконію - вимикачі, ріпі на струми від мАдо 100 А;

платина- іридій- прецизійні реле, що працюють без дуги, годинник, реле радіоелектроніки, морські та автомобільні регулятори швидкості, електробритви, термостати та нагрівачі, сигнальні реле, телеграфні реле та пожежні сигналізатори;

платина- родій- генератори змінного струму(малопотужні);

платина- нікель- телефонна та телеграфна апаратура;

золото- срібло, золото- срібло- платина- прецизійні реле, що працюють без дуги, вимірювальні прилади, телефонна та телеграфна апаратура, ковзаючі контакти потенціометрів у слаботочній техніці;

вольфрам- касові апарати, переривачі запалювання в автомобілях та тракторах, масло та бензиновимірювачі, контрольні реле в авіа приладах, реле-регулятори напруги. годинник, телетайпи, телеграфні реле, електробритви, вакуумні низько та високовольтні вимикачі. електроди ртутних вимикачів;

срібло- оксид міді- сильнонавантажені контактори змінного та постійного струму, автоматичні запобіжники, тепловозобудування;

срібло- вольфрам- магнітні пускачі та контактори з великою

частотою включень; вимикачі побутових приладів. кнопки управління, високовольтні вимикачі, контакти потужних регулюючих трансформаторів, важконавантажені реле, вимикачі авіаційного обладнання, стартери, випрямлячі струму тощо;

мідь- вольфрам- потужні масляні та повітряні високовольтні вимикачі, малогабаритні високовольтні вимикачі, дверні вимикачі морських суден, контакти до апаратів стикового зварювання, потужні масляні вимикачі дугових печей та перетворювачі струму;

мідь- молібден- маломасляні високовольтні вимикачі.

Цей рядможна, можливопродовжити, т.к. Для заміни контактів зі сплавів шляхетних і просто дорогих металів часто використовуються сплави, в яких дорогоцінні метали присутні в малих кількостях(срібло- магній- нікель, срібло- магній- нікель- цирконій та ряд ін.). Крім того, у цьому списку не зазначено низку сплавів із благородних металів. З ними можна познайомитись у відповідній літературі.

Припої, флюси та контактоли

Припої, флюси, контактоли застосовуються створення механічно міцного, герметичного шва чи постійного електричного контакту з малим перехідним опором. При паянні припої нагріваються до температури плавлення, залежно від якої їх прийнято поділяти на дві групи- м'які та тверді. До м'яким припоям- відносяться припої з температурою плавлення до 300 0 С, а до твердих- вище 300 0 С. М'які припої в основному є олов'яно-свинцевими згідно з ГОСТ 21931-76. Якщо в припої міститься 1– 5% сурми, то вони називаються сурм'янистими. Найбільш поширеними з м'яких припоїв є: ПІС-61, в якому 61 % Sn, решта % - свинець (температура кристалізації 190 0 С, питомий опірr= 139 мкОм м); ПОСС-61-0,5- олов'яно-свинцевий, малосурм'янистий, що містить 61% Sn, 5% сурми, решта %- свинець(температура кристалізації 189 0 С. питомий опірr= 0,140 мкОм м); ПОСК-5О-18- припій, що містить 50% Sn, 18% кадмію, решта %- свинець(температура кристалізації 145 °С, питомий опірr= 0,133 мкОм м). Ці припої застосовуються для лудіння та паяння монтажних проводів.(діаметром 0,05- 0,08 мм), спіральних пружинок в електровимірювальних приладах, резисторів, конденсаторів, друкованих схем та при виробництві напівпровідникових приладів, для лудіння та паяння пасивної частини мікросхем та інших елементів, чутливих до перегріву. Стандартними твердими припоями є мідно-цинкові та срібні. Перші повинні задовольняти ГОСТ 23137-78, а другі- ГОСТ 19738-74. Найбільш поширеними є такі: ПМЦ-36- припій мідно-цинковий, що містить 36% u, решта %- цинк(температура кристалізації 950 0 С, використовується для паяння латуні із вмістом міді до 64 %) ; ПСР-25 і до ПСР-70- срібні припої, що містять від 25 до 70% А gміді- від 40 до 26%, цинку- від 35 до 4 % (температура їхньої кристалізації близько 600- 750 ° С).

Для паяння алюмінію застосовують спеціальні припої. З них найбільш поширені П425А (температура плавлення 415 - 425 0 С), у складі якого 19 - 21% М, 14 - 16% u, 64 – 66 % Zn; ПСИЛО (силумін), що складається з 90 - 87% А1 + 10 – 13 % Si(температура плавлення 577 0 С); АВІА-1- сплав. в якому міститься55 % Sn, 20% d, 22 % Zn, (температура плавлення 200 0 С). При паянні алюмінію низькотемпературними припоями (АВІА-1 та ін.) його поверхня попередньо має бути покрита нікелем. Фосфорні припоїмарки МФІ та інші з вмістом фосфору в сплаві(З u- Р) від 8,5 до 10 %, що мають температуру плавлення 725 - 850 0 С, є самофлюсними, тобто. паяння ними проводиться без застосування флюсу. Недолік їх - крихкість шва. Стали не придатні для паяння. Використовуються для паяння мідних, латунних, бронзових деталей, які у режимах малих статичних навантажень. Іноді як припої використовують чисті метали. Наприклад, кадмійзастосовують для паяння та лудіння нікелю, чисте оловодля лудіння та паяння міді та її сплавів, низьковуглецевої сталі та платини, а чиста мідь- для паяння низьковуглецевої сталі та нікелю.

В якості флюсіввикористовується дуже багато матеріалів. Призначення флюсів- видаляти забруднення та оксиди з поверхні спаюваних металів, зменшувати поверхневий натяг розплавленого припою, захищати поверхню металу та припою в процесі паяння від окислення. Флюсиподіляються на кілька груп за різними ознаками. Флюси,застосовувані при паянні м'якими припоямипереважно з активними неорганічними речовинами.

Активні флюси. До них відносяться:

каніфоль (24%), хлористий цинк (4%), етиловий спирт (72%)- для паяння чорних, кольорових і дорогоцінних металів(залишки флюсу необхідно видаляти розчинником);

каніфоль (16 %), хлористий цинк (4 %), вазелін технічний (80 %), - при паянні чорних та кольорових металів(шов міцний, але вимагає дуже ретельного промивання) для виробів простої конфігурації;

хлористий цинк (1.4 %), гліцерин (3 %), спирт етиловий (4 %), вода дистильована (91,6 %) - при паянні платини, її сплавів та нікелю, з подальшим ретельним промиванням у воді;

флюс для паяння алюмінію та його сплавів(хлористий барій – 4%. хлористий калій– 29 %, хлористий натрій– 19%. фтористий кальцій4 %) - паяння припоями марки АВІА-1 та АВІА-2.

При паянні твердими припоямивикористовують зазвичай кілька марок флюсів. Найбільш популярні з них:

Ф70А(температура плавлення 370 0 С) призначений для паяння алюмінію, його сплавів як між собою, так і з іншими металами (хлористий калій – 33 – 37 %. хлористий літій– 40 - 41%. борофтористоводневий калій– 2 – 29 %);

Ф8ООСт(температура плавлення 800 0 С) призначений для паяння нержавіючих сталей, жароміцних сплавів латунню та іншими твердими припоями.(температура плавлення 850 – 1100 0 С). Такий припій являє собою буру (тетраборнокислий натрій 100%).

Флюсиможуть бути твердими речовинами (солі, оксиди, кислоти), пастами та рістзлодійамісолей та кислот. Дужечастофлюсивиготовляються на місцях, тому марки йдуть не за стандартами. У марках флюсів літери означають: Ф- флюс, К- каніфоль, Сп- спирт, П- гюліефірна смола, У- оцтова кислота, М- мурашина кислота, -Х хлористі солі і т.д.

Контактолами (інакше електропровідний клей) називаються мало- низькі або пастоподібні композиції з різних синтетичних смол, що використовуються як струмопровідні клеї та покриття. Струмопровідним наповнювачем є дрібнодисперсні горошки металів або графіту. Для регулювання в'язкості використовують розчинники. Полімерні сполучні визначають низьку щільність, високу міцність та еластичність, а також хороші адгезійні властивості електропровідних композицій. Електричні властивості визначаються властивостями дисперсного наповнювача- його електропровідністю, концентрацією, формою та розміром частинок, В даний час відомо понад 50 типів контактолів. Найбільш високою провідністю та стабільністю властивостей володіють контактоли із вмістом срібла. Їх використовують для склеювання поверхонь срібла, міді, скла, кераміки. Якщо срібло попередньо оброблено розчинами жирних кислот, такий клей використовується для монтажу елементів радіоелектроніки, таких як ниткові резистори, фоторезистори та інші елементи. Деякі види клею, що мають високу термостійкість та великий термін служби, використовуються у виробництві керамічних конденсаторів та для монтажу інтегральних схем. А контактол К-20 має максимальну для подібних матеріалів електропровідність (r= 0,5 мкОм м). Марки та характеристики деяких клеїв, що проводять, наводяться нижче:

клей марки К-17: наповнювач- срібло,r= 1 - 2 мкОм м, температура затвердіння 170- 200 °С, максимальна робоча температура- 200 0 С, термін служби 6 місяців;

клей К-20: наповнювач той же, температура затвердіння 20- 80 0 З, максимальна робоча температура 80 0 З, термін служби 6 місяців.

Неметалічні провідники

Неметалічні провідники, наприклад, вуглецеві матеріали, що широко використовуються в електротехніці. З вугіллявиготовляють електроди для прожекторів, аноди гальванічних елементів, щітки електричних машин, високоомні резистори, розрядники для телефонних мереж, а вугільні порошки використовують у мікрофонах та у виробництві дротів резисторів. Щіткироблять з графіту, коксу, сажі, як зв'язування виступають кам'яновугільна та синтетичні смоли. для підвищення електропровідності в щітках часто використовують порошкоподібні метали, мідь із добавками свинцю, олова та срібла. Вуглецеві матеріали, крім сажі та графіту, попередньо прожарюють для видалення летких компонентів; після змішування з металевим порошком та зв'язкою пресують заготовки і потім вирізують щітки. Для міцності щітки спікають у неокислювальній атмосфері при температурі близько1300 °С.Деякі види щіток піддають графітизації при 2500- 3000 0 С у неокислювальній атмосфері, для перекладу коксу та сажі у графіт та видалення домішок. Заключною операцією є просочування щіток смолою або шкарпеткою для підвищення вологостійкості та зниження коефіцієнта тертя. Підвищення механічної міцності щіток та збільшення електропровідності досягається за рахунок просочення щіток розплавленими металами.

Основні технічні параметри щіток: питомий опір, допустима щільність струму, допустима лінійна швидкість. Іноді враховують також падіння напруги на щітках та питомий тиск.

В даний час розрізняють вугільно-графітові щітки.(УГ), графітні (Г), електрографітовані(ЕГ) та мідно-графітові(М та МР) із вмістом порошку міді, наведені у таблиці 3.2).

Таблиця 3.2. Параметри електричних щіток

Тип щітки	Уд. сопр.,мкОм м	Доп.плот.струму, мА/м	Дод.лін. ск., м/с
Г	10 - 46	7 - 11	12 – 25
УГ	18 - 60	6 - 8	10 – 15
ЕГ	10 - 45	9 - 11	25 – 45
М	Від 0,05	12 - 20	12 – 25
МР	до 1,2	12 - 20	12 - 25

Електричні щітки застосовують в електричних машинах різного призначення та потужності, у тому числі і в швидкохідних машинах з кільцями для підведення або знімання струму.

Б. Речовини, які мають вільні заряди.

Які речовини називають діелектриками?

А. Речовини, що мають пов'язані заряди.

Назвіть основну характеристику матеріалу провідника?

Б. Питомий опір.

Назвіть основну характеристику діелектрика?

А. Діелектрична проникність.

Що таке питомий опір?

В. Опір провідника довжиною 1 м з площею поперечного перерізу, що дорівнює 1 м 2 .

Що таке електропровідність провідника?

Б. Величина, обернено пропорційна опору провідника.

Що таке питома електропровідність?

В. Величина, обернено пропорційна питомому опору провідника.

У яких одиницях вимірюється опір провідника?

В яких одиницях вимірюється питомий опір провідника?

Б. Ом. метр.

У яких одиницях вимірюється електропровідність?

А. Сіменс.

У яких одиницях вимірюється питома електропровідність?

В. Сіменс/м.

Що таке діелектрична проникність?

В. Відношення напруженості електричного поля у вакуумі до напруженості електричного поля у діелектриці.

Що називається напруженістю електричного поля?

В. Сила, що діє на одиничний заряд.

Як спрямована напруженість електричного поля?

Б. Від позитивного заряду до негативного заряду.

Що відбувається у провіднику, розміщеному в електричному полі?

Б. Позитивні електричні заряди рухаються напруженістю електричного поля.

Як спрямоване власне поле провідника, поміщеного у зовнішнє електричне поле?

Б. Власне поле спрямоване проти зовнішнього електричного поля.

Що називається електричним диполем?

В. Система з двох рівних за абсолютною величиною різноіменних електричних зарядів, що знаходяться на певній відстані.

Що таке дипольний момент?

В. Добуток суми зарядів диполя на відстань між зарядами.

У яких одиницях вимірюється дипольний момент?

Як спрямовано дипольний момент?

В. Від негативного заряду до позитивного.

Що відбувається з молекулою неполярного діелектрика, поміщеною у зовнішнє електричне поле?

А. Електронна хмара зрушується за напрямом напруженості зовнішнього електричного поля.

Що відбувається з молекулою полярного діелектрика, поміщеною у зовнішнє електричне поле?

Б. Диполь орієнтується так, що його дипольний момент спрямований на напруженість зовнішнього поля.

Що відбувається у полярному діелектрику, поміщеному у зовнішнє електричне поле?

А. Внаслідок орієнтації молекул у діелектриці виникає власне електричне поле, спрямоване проти зовнішнього.

Який діелектрик має напруженість власного поля при поляризації більше?

Б. У полярного.

Що таке амплітуда коливання?

В. Найбільше відхилення становища рівноваги.

Що визначає початкова фаза коливання?

Г. Величину зміщення будь-якої миті часу.

423. Рівняння гармонійних коливань може бути записано як у вигляді, так і у вигляді. Яке із цих рівнянь є вірним, якщо початок відліку часу відповідає положенню рівноваги?

444. Вимушені коливання виникають:

Б. Під впливом будь-якої змінної сили.

445. При резонансі амплітуда вимушених коливань:

А. Досягає максимального значення.

446. За відсутності опору в коливальному контурі резонанс виникає:

А. При збігу частоти сили, що змушує, з власною частотою контуру.

447. Автоколиваннями називають:

А. Незагасні коливання, які у системі за наявності змінного зовнішнього впливу.

448. Прикладом автоколивальної системи є:

Б. Серце.

В. Генератор електромагнітних коливань.

Г. Усі відповіді правильні.

Розташуйте у порядку зростання довжини хвилі електромагнітні випромінювання різної природи: 1) Інфрачервоне випромінювання дров'яної печі. 2) Рентгенівське випромінювання. 3) Видиме випромінювання Сонця. 4) Випромінювання НВЧ печей.

Розташуйте в порядку збільшення частоти такі електромагнітні випромінювання: 1) радіохвилі; 2) гамма-випромінювання; 3) видиме світло; 4) ультрафіолетове випромінювання.

471. При переході електромагнітної хвилі з повітря у воду довжина хвилі:

Б. Зменшується.

472. При переході електромагнітної хвилі з повітря у воду частота:

В. Збільшується.

За якого руху електричного заряду відбувається випромінювання електромагнітних хвиль?

Г. За будь-якого руху з прискоренням.

висихаючі клеї (силікатний клей, казеїн, столярний клей, клей ПВА, крохмальний клейстер, наірит, 88-НТ...)

невисихаючі адгезиви (наприклад, на основі каніфолі), клеї-розплави,

зв'язки на основі композицій, що полімеризуються - неорганічні, наприклад алюмофосфатні зв'язки (АФС) і органічні композиції, що полімеризуються (ціакрин, епоксидна смола)

Деякі клеї, наприклад клей БФ, відносяться одночасно і до категорії висихаючих, і композицій, що полімеризуються.

За складом

неорганічні (розчини, розплави, а також припої, зокрема полімерні композиції типу «клей-припій»)

органічні (розчини, розплави, що полімеризуються)

Основою органічного клеюслужать головним чином синтетичне олігомерії і полімери (наприклад, феноло-формальдегідні, епоксидні, поліефірні смоли, поліаміди, полііміди, поліуретани, кремнійорганічні полімери, каучукії та ін.) утворюють клейову плівку в результаті затвердіння при охолодженні і) або вулканізації (гумові) клеї); цим процесам іноді передує випаровування розчинника.

До неорганічних клеїввідносять алюмофосфатні, керамічні (основа -оксидимагнію, алюмінію, кремнію, лужних металів), силікатні (основа - калієве або рідке натрієве скло), металеві (основа - рідкийметал, наприкладртуть).

За фізичним станом клеї можуть бути рідкими (розчини, емульсії, суспензії) або твердими (плівки, прутки, гранули, порошки); останні використовуються у вигляді розплаву або наносять на нагріті поверхні.

За призначенням

струмопровідні високоомні з порошком графіту

для побутових потреб

для шкіри

для деревини

канцелярські

універсальні

Які речовини називають провідниками? Які матеріали називають провідниковими? Визначення надати відповідно до гост. Дати визначення провідників із зонної теорії.

Визначення відповідно до ГОСТ.

Провідник – речовина, основною електричною властивістю якої є електропровідність.

Провідниковий матеріал – матеріал, що має властивості провідника та призначений для виготовлення кабелейних виробів та струмопровідних деталей.

ЗОННА ТЕОРІЯ

Провідники - зона провідності та валентна зона перекриваються, утворюючи одну зону, звану зоною провідності, таким чином, електрон може вільно переміщатися між ними, отримавши будь-яку допустимо малу енергію. Таким чином, при додатку до твердого тіла різниці потенціалів електрони зможуть вільно рухатися з точки з меншим потенціалом в точку з великим, утворюючи електричний струм. До провідників відносять усі метали.

Які речовини називають напівпровідниками? Які матеріали називають напівпровідниковими?

Дати ухвалу відповідно до гост.

Дати визначення напівпровідників із зонної теорії.

Відповідно до гост

Напівпровідник- Речовина, основною властивістю якого є сильна залежність його електропровідності від впливу зовнішніх факторів. Прим. до зовнішніх чинників у разі слід зарахувати температуру, електричне полі, світло тощо.

Напівпровідниковий матеріал- матеріал, призначений для використання його напівпровідникових властивостей.

Зонна теоріяпояснює напівпровідникові властивості твердих тіл на основі одноелектронного наближення та розподілу електронних енергетичних рівнів у вигляді дозволених та заборонених зон. Енергетичні рівні електронів, що беруть участь у ковалентному зв'язку, утворюють верхню із заповнених дозволених зон (валентну зону). Наступна енергії дозволена зона, рівні якої не заповнені електронами, - зона провідності. Енергетичний інтервал між "дном" Е з(мінімумом енергії) зони провідності та "стелі" Еу(Максимумом) валентної зони зв. шириною забороненої зони D E(Див. рис.). Для різних напівпровідниківширина забороненої зони змінюється у межах. Так, при T: 0 До D E= 0,165 еВ в PbSe і 5,6 еВ в алмазі.

Валентна зона (кухлі з плюсом - дірки) та зона провідності (кухлі з мінусом -електрони провідності): Eс - дно зони провідності, E V - стеля валентної зони, D E -ширина забороненої зони, D та A-донорні та акцепторні рівні відповідно.

Тепловий рух переносить частину електронів у зону провідності; у валентній зоні у своїй з'являються дірки - квантові стану, не зайняті електронами. Зазвичай електрони займають рівні, розташовані поблизу дна Е з зони провідності, а дірки-рівні, розташовані поблизу стелі E V валентної зони. Відстань від цих рівнів відповідно до Е з і Е V порядку енергії теплового руху kТ. е. набагато менше ширини дозволених зон ( k-постійна Больцмана). Локальні порушення ідеальності кристала (домішні атоми, вакансії та ін дефекти) можуть викликати утворення дозволених локальних рівнів енергії всередині забороненої зони.

При температурах поблизу 0 К всі власні електрони напівпровідниказнаходяться у валентній зоні, повністю заповнюючи її, а домішкові електрони локалізовані поблизу домішок чи дефектів, отже вільні носії заряду відсутні. З підвищенням температури тепловий рух "викидає" в зону провідності переважно електрони домішкових атомів-донорів, оскільки енергія іонізації донора менша за ширину забороненої зони. Концентрація електронів у зоні провідності при цьому набагато більше концентрації дірок у валентній зоні. У таких умовах електрони називаються основними носіями в напівпровідникуn-типу, аналогічно дірки - основними носіями в напівпровідникур-Типу. Після повної іонізації всіх донорів домінуючим процесом виявляється викид із валентної зони в зону провідності власних електронів. При деякій температурі їх концентрація в зоні провідності стає порівнянною з концентрацією домішкових електронів, а потім і набагато більше. Це – температурна область власної провідності напівпровідника, коли концентрації електронів пта дірок рпрактично рівні.

Виникнення пари електрон провідності – дірка називається генерацією носіїв заряду. Можливий і зворотний процес - рекомбінація носіїв заряду, що веде до повернення електрона провідності у валентну зону та зникнення дірки. Рекомбінація носіїв може супроводжуватися виділенням надлишкової енергії у вигляді випромінювання, що лежить в основі напівпровідникових джерел світла та лазерів.

Електрони провідності та дірки, виникнення яких стало наслідком теплових флуктуацій в умовах термодинамічної рівноваги, називаються рівноважними носіями заряду. За наявності зовнішнього впливу на напівпровідники(освітлення, опромінення швидкими частинками, накладення сильного електричного поля) може відбуватися генерація носіїв заряду, що веде до появи надлишкової (щодо термодинамічно рівноважної) їхньої концентрації. При появі в напівпровідникунерівноважних носіїв зростає кількість актів рекомбінації та захоплення електрона із зони провідності на домішковий рівень у забороненій зоні ("захоплення" носіїв). Після припинення зовнішнього впливу концентрація носіїв наближається до рівноважного значення.

Подання про електрику люди мали вже давно. Вперше це явище було помічено ще вченими стародавньої Греції, воно спостерігалося при натиранні замшею бурштинових предметів. Бурштин по-грецьки називається електрон. Тому почали говорити про електричні явища, про появу в тілах, при натиранні, електрики, або електричного заряду.

Дослідженнями таких учених як М.Ломоносов, А.Попов, Ш.Кулон, А.Вольта, А.Ампер, Г.Ом, Г.Кірхгоф та багатьох інших з'явилися закони, що пояснюють електричні явища. З'явилися перші електричні прилади, джерела та приймачі електричної енергії, що застосовуються у промисловості. Утворилися нові напрямки, сфери застосування електрики: електротехніка, радіотехніка, електроніка, електрозв'язок. Електрика міцно увійшла до нашого будинку.

Усі речовини поділяються на три основні групи: провідники, напівпровідники та діелектрики.

Провідники. Дуже часто електрони (особливо ті, які слабко пов'язані з ядром атома) можуть залишити свою орбіту, перейти у міжатомний простір. Такі електрони називаються вільними. Речовини, в міжатомному просторі яких завжди є вільні електрони, відносяться до струмів у провіднику створюється вільними електронами. До них належать усі метали. Насправді це проводи, жили кабелів, контакти реле, нитки эл. ламп і т.д.

Розчини кислот, солей та лугів (електроліти) відносяться до . В електроліті безперервно утворюються позитивні та негативні іони. Електричний струм електроліті створюється не вільними електронами, а іонами.

Зі шкільного курсу з фізики електричний струм це: спрямований рух електронів у провіднику або спрямований рух іонів в електроліті. Електричний струм існує у провідниках, напівпровідниках, так само в газах, вакуумі та ін.

Напівпровідники. Нині найширше застосування знайшли напівпровідники. В основному це кристали кремнію та германію. У звичайних умовах вільних електронів у цих речовинах дуже мало, і вони погано проводять електричний струм.

Але при нагріванні або під дією світла, електричних або магнітних полів, радіоактивного випромінювання та інших факторів кількість вільних електронів у напівпровіднику зростає і починає проводити електричний струм. Це, так звана, електронна чи дірочна провідність – характерна ознака напівпровідників.

На практиці це напівпровідникові діоди, транзистори, мікросхеми та багато іншого.

Діелектрики.У звичайних умовах у діелектриці немає ні вільних електронів ні іонів, а отже, й струм через них не проходить. На практиці це такі речовини, як гума, скло, слюда, порцеляна та багато інших.

висихаючі клеї (силікатний клей, казеїн, столярний клей, клей ПВА, крохмальний клейстер, наірит, 88-НТ...)

невисихаючі адгезиви (наприклад, на основі каніфолі), клеї-розплави,