Ved opvarmning stiger det som et resultat af en stigning i bevægelseshastigheden af ​​atomer i ledermaterialet med stigende temperatur. Den specifikke modstand af elektrolytter og kul, når de opvarmes, falder tværtimod, da i disse materialer, ud over at øge bevægelseshastigheden af ​​atomer og molekyler, øges antallet af frie elektroner og ioner pr. volumenenhed.

Nogle legeringer, som har mere end deres bestanddele, ændres næsten ikke resistivitet med opvarmning (konstantan, manganin osv.). Dette forklares af den uregelmæssige struktur af legeringerne og den korte gennemsnitlige frie vej af elektroner.

Værdien, der viser den relative stigning i modstand, når materialet opvarmes med 1° (eller mindskes, når det afkøles med 1°), kaldes.

Hvis temperaturkoefficienten er angivet med α, resistiviteten ved til = 20 o ved ρ o, så når materialet opvarmes til en temperatur t1, er dets resistivitet p1 = ρ o + αρ o (t1 - til) = ρ o(1 + (α (t1 -til))

og følgelig R1 = Ro (1 + (α (t1 - til))

Temperaturkoefficient a for kobber, aluminium, wolfram er 0,004 1/grad. Derfor, når de opvarmes med 100°, øges deres modstand med 40%. For jern α = 0,006 1/deg, for messing α = 0,002 1/deg, for fechral α = 0,0001 1/deg, for nichrom α = 0,0002 1/deg, for konstantan α = 0,00001 1/deg 00 = 0,ganin 00, for man. 1/grad. Kul og elektrolytter har en negativ temperaturkoefficient for modstand. Temperaturkoefficienten for de fleste elektrolytter er ca. 0,02 1/g.

Ledernes egenskab til at ændre deres modstand afhængigt af temperaturen bruges i modstand termometre. Ved at måle modstanden bestemmes omgivelsestemperaturen ved beregning. Constantan, manganin og andre legeringer med en meget lille modstandstemperaturkoefficient anvendes til fremstilling af shunts og yderligere modstande til måleinstrumenter.

Eksempel 1. Hvordan vil modstanden Ro af en jerntråd ændre sig, når den opvarmes til 520°? Temperaturkoefficient a for jern er 0,006 1/grad. Ifølge formlen R1 = Ro + Ro α (t1 - til) = Ro + Ro 0,006 (520 - 20) = 4Ro, det vil sige, at modstanden af ​​jerntråden, når den opvarmes med 520°, vil stige 4 gange.

Eksempel 2. Alu ledninger ved en temperatur på -20° har de en modstand på 5 ohm. Det er nødvendigt at bestemme deres modstand ved en temperatur på 30°.

R2 = R1 - a R1(t2 - t1) = 5 + 0,004 x 5 (30 - (-20)) = 6 ohm.

Materialernes egenskab til at ændre deres elektriske modstand, når de opvarmes eller afkøles, bruges til at måle temperaturer. Så, termisk modstand, som er ledninger lavet af platin eller rent nikkel, smeltet sammen til kvarts, bruges til at måle temperaturer fra -200 til +600°. Termiske halvledermodstande med en stor negativ koefficient bruges til præcis definition temperaturer i snævrere områder.

Termiske halvledermodstande, der bruges til at måle temperaturer, kaldes termistorer.

Termistorer har en høj negativ temperaturkoefficient for modstand, det vil sige, når de opvarmes, falder deres modstand. fremstillet af oxid (udsat for oxidation) halvledermaterialer bestående af en blanding af to eller tre metaloxider. De mest almindelige er kobber-mangan og kobolt-mangan termistorer. Sidstnævnte er mere følsomme over for temperatur.

Et af de mest populære metaller i industrien er kobber. Mest udbredt hun er uddannet i el og elektronik. Oftest bruges det til fremstilling af viklinger til elektriske motorer og transformere. Hovedårsagen til at bruge dette særlige materiale er, at kobber har den laveste elektriske resistivitet af noget materiale, der er tilgængeligt i øjeblikket. Indtil den dukker op nyt materiale med en lavere værdi af denne indikator kan vi med tillid sige, at der ikke vil være nogen erstatning for kobber.

Generelle egenskaber af kobber

Når vi taler om kobber, skal det siges, at ved begyndelsen af ​​den elektriske æra begyndte det at blive brugt til produktion af elektrisk udstyr. De begyndte at bruge det i høj grad pga unikke egenskaber, som denne legering besidder. I sig selv er det et materiale, der er karakteriseret ved høje egenskaber i form af duktilitet og god formbarhed.

Sammen med kobbers varmeledningsevne er en af ​​dets vigtigste fordele dens høje elektriske ledningsevne. Det er på grund af denne egenskab, at kobber og er blevet udbredt i kraftværker, hvor den fungerer som en universel leder. Det mest værdifulde materiale er elektrolytisk kobber, som har en høj renhedsgrad på 99,95%. Takket være dette materiale bliver det muligt at producere kabler.

Fordele ved at bruge elektrolytisk kobber

Brugen af ​​elektrolytisk kobber giver dig mulighed for at opnå følgende:

• Sikre høj elektrisk ledningsevne;
• Opnå fremragende stylingevne;
• Giver en høj grad af plasticitet.

Anvendelsesområder

Kabelprodukter fremstillet af elektrolytisk kobber er meget udbredt i forskellige industrier. Oftest bruges det i følgende områder:

• elektrisk industri;
• elektriske apparater;
• bilindustrien;
• produktion af computerudstyr.

Hvad er resistiviteten?

For at forstå, hvad kobber er og dets egenskaber, er det nødvendigt at forstå hovedparameteren af ​​dette metal - resistivitet. Det bør kendes og bruges, når der udføres beregninger.

Resistivitet forstås normalt som en fysisk størrelse, der er karakteriseret som et metals evne til at lede elektrisk strøm.

Det er også nødvendigt at kende denne værdi for at lav udregningen korrekt elektrisk modstand leder. Når de laver beregninger, er de også styret af dets geometriske dimensioner. Når du udfører beregninger, skal du bruge følgende formel:

Denne formel er kendt for mange. Ved at bruge det kan du nemt beregne modstanden af ​​et kobberkabel og kun fokusere på egenskaberne elektrisk netværk. Det giver dig mulighed for at beregne den effekt, der bruges ineffektivt på opvarmning af kabelkernen. Udover dette, en lignende formel giver dig mulighed for at beregne modstand ethvert kabel. Det er ligegyldigt, hvilket materiale der blev brugt til at lave kablet - kobber, aluminium eller en anden legering.

En parameter såsom elektrisk resistivitet måles i Ohm*mm2/m. Denne indikator for kobberledninger lagt i en lejlighed er 0,0175 Ohm*mm2/m. Hvis du forsøger at lede efter et alternativ til kobber - et materiale, der kunne bruges i stedet, så kun sølv kan betragtes som det eneste egnede, hvis resistivitet er 0,016 Ohm*mm2/m. Men når du vælger et materiale, er det nødvendigt at være opmærksom ikke kun på resistivitet, men også på omvendt ledningsevne. Denne værdi måles i Siemens (Cm).

Siemens = 1/ Ohm.

For kobber af enhver vægt er denne sammensætningsparameter 58.100.000 S/m. Hvad angår sølv, er dens omvendte ledningsevne 62.500.000 S/m.

I vores verden højteknologi, når ethvert hjem har et stort antal elektriske enheder og installationer, er vigtigheden af ​​et materiale som kobber simpelthen uvurderlig. Denne materiale, der bruges til at lave ledninger, uden hvilken ingen plads kan klare sig. Hvis kobber ikke fandtes, så skulle mennesket bruge ledninger fra andre tilgængelige materialer for eksempel fra aluminium. Men i dette tilfælde ville man være nødt til at stå over for ét problem. Sagen er, at dette materiale har en meget lavere ledningsevne end kobberledere.

Resistivitet

Brugen af ​​materialer med lav elektrisk og termisk ledningsevne af enhver vægt fører til store tab af elektricitet. EN dette påvirker strømtabet på det anvendte udstyr. De fleste eksperter kalder kobber som hovedmaterialet til fremstilling af isolerede ledninger. Det er hovedmaterialet, hvorfra individuelle elementer af udstyr drevet af elektrisk strøm er lavet.

• Tavler installeret i computere er udstyret med ætsede kobberspor.
• Kobber bruges også til at få mest muligt ud forskellige elementer bruges i elektronisk udstyr.
• I transformere og elektriske motorer er det repræsenteret af en vikling, som er lavet af dette materiale.

Der er ingen tvivl om, at udvidelsen af ​​anvendelsesområdet for dette materiale vil ske med den videre udvikling af teknologiske fremskridt. Selvom der udover kobber er andre materialer, men stadig designeren, når du opretter udstyr og forskellige installationer bruge kobber. Hovedårsagen efterspørgslen efter dette materiale ligger i god elektrisk og termisk ledningsevne dette metal, som det giver ved stuetemperatur.

Temperaturkoefficient for modstand

Alle metaller med en hvilken som helst termisk ledningsevne har den egenskab, at de mindsker ledningsevnen med stigende temperatur. Når temperaturen falder, stiger ledningsevnen. Eksperter kalder egenskaben ved faldende modstand med faldende temperatur særligt interessant. Faktisk, i dette tilfælde, når temperaturen i rummet falder til en vis værdi, lederen kan miste elektrisk modstand og det vil bevæge sig ind i klassen af ​​superledere.

For at bestemme modstandsværdien af ​​en bestemt leder af en vis vægt ved stuetemperatur er der en kritisk modstandskoefficient. Det er en værdi, der viser ændringen i modstand af en del af et kredsløb, når temperaturen ændres med en Kelvin. For at udføre elektriske modstandsberegninger kobber leder i en bestemt tidsperiode skal du bruge følgende formel:

ΔR = α*R*ΔT, hvor α er temperaturkoefficienten for elektrisk modstand.

Konklusion

Kobber er et materiale, der er meget udbredt i elektronik. Det bruges ikke kun i viklinger og kredsløb, men også som et metal til fremstilling af kabelprodukter. For at maskiner og udstyr skal fungere effektivt, er det nødvendigt beregn ledningernes resistivitet korrekt, lagt i lejligheden. Der er en bestemt formel for dette. Når du kender det, kan du lave en beregning, der giver dig mulighed for at finde ud af den optimale størrelse af kabeltværsnittet. I dette tilfælde er det muligt at undgå tab af udstyrsstrøm og sikre dets effektive brug.

Temperaturkoefficienter for modstand af metaller

Opgave 18.1. Til temperaturmåling blev brugt en jerntråd, som ved en temperatur t 1 = 10 °C modstand R 1 = 15 ohm. Ved en vis temperatur t 2 havde hun modstand R 2 = 18,25 ohm. Find denne temperatur. Jerns modstandstemperaturkoefficient er a = 6,0×10 –3 1/°С.

Lad os erstatte de numeriske værdier:

Svar: .

STOP! Bestem selv: A5, B7–B9, C3–C4.

Opgave 18.2. Find temperatur t 2 wolframglødepærer, hvis tilsluttet et netværk med spænding U= 220 V strøm løber gennem glødetråden jeg= 0,68 A. Ved temperatur t 1 = 20 °C gevindmodstand R 1 = 36 Ohm. Temperaturkoefficient for modstand af wolfram a = 4,8×10 –3 1/°С.

Svar:

STOP! Bestem selv: B10–B12, C4, C6, C8.

Superledningsevne

Ris. 18.3

I 1911 opdagede den hollandske videnskabsmand Kamerlingh Onnes, at ved temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt falder modstanden af ​​nogle stoffer brat til nul (fig. 18.3). Dette fænomen blev kaldt superledning. Strømmen exciteret i en ring af superleder kan fortsætte i måneder og år uden at dø ud, efter at kilden er fjernet.

Cirka halvdelen af ​​rene metaller kan gå i en superledende tilstand, og i alt kendes mere end tusind superledere i øjeblikket. Af de rene metaller har niob den højeste overgangstemperatur (9,3 K), og blandt legeringer er "rekordholderen" forbindelsen af ​​niob med germanium (23,2 K).

I et stærkt magnetfelt forsvinder superledningsevnen. Jo længere superlederens temperatur er fra overgangspunktet, jo stærkere skal det destruktive magnetfelt være. Et sådant destruktivt magnetfelt kan også være selve strømmens felt i en superleder. Nogle legeringer formår at opretholde superledning ved strømme på flere tusinde ampere.

Det er endnu uvist, om det er muligt at skabe superledende materialer ved temperaturer tæt på stuetemperatur. Skabelsen af ​​sådanne materialer ville gøre det muligt at overføre elektricitet over enhver afstand uden tab. Men nu bruges elektromagneter med superledende viklinger afkølet af flydende helium (kogepunkt 4,2 K) ofte i partikelacceleratorer, i kraftige generatorer nuværende og i nogle andre enheder. Stor praktisk betydning ville være skabelsen af ​​materialer, der er i stand til at opretholde en superledende tilstand ved kogepunktet for let tilgængeligt og billigt flydende nitrogen på 77 K.

Fri elektronkoncentration n i en metalleder med stigende temperatur forbliver praktisk talt uændret, men deres gennemsnitlige hastighed af termisk bevægelse stiger. Vibrationer af noder intensiveres også krystalgitter. Mængden af ​​elastiske vibrationer af mediet kaldes normalt fonon. Små termiske vibrationer af krystalgitteret kan betragtes som en samling af fononer. Med stigende temperatur øges amplituderne af atomers termiske vibrationer, dvs. tværsnittet af det sfæriske volumen optaget af det vibrerende atom øges.

Med stigende temperatur opstår der således flere og flere forhindringer i vejen for elektrondrift under påvirkning af elektrisk felt. Dette fører til, at den gennemsnitlige frie vej for en elektron λ falder, elektronernes mobilitet falder, og som følge heraf falder ledningsevnen af ​​metaller, og resistiviteten stiger (fig. 3.3). Ændringen i en leders resistivitet, når dens temperatur ændres med 3K, relateret til denne leders resistivitetsværdi ved en given temperatur, kaldes tempTK ρ eller . Temperaturkoefficienten for resistivitet måles i K -3. Temperaturkoefficienten for resistivitet af metaller er positiv. Som det følger af definitionen ovenfor, er differentialudtrykket for TK ρ har formen:

(3.9)

Ifølge konklusionerne fra den elektroniske teori om metaller skal værdierne af rene metaller i fast tilstand være tæt på temperaturkoefficienten (TK) for udvidelse af ideelle gasser, dvs. 3: 273 = 0,0037. Faktisk har de fleste metaller ≈ 0,004. Nogle metaller har højere værdier, herunder ferromagnetiske metaller - jern, nikkel og kobolt.

Bemærk, at der for hver temperatur er en temperaturkoefficient TK ρ. I praksis bruges gennemsnitsværdien for et bestemt temperaturområde TK ρ eller:

, (3.10)

Hvor ρ3 Og ρ2- resistivitet af ledermateriale ved temperaturer T3 Og T2 henholdsvis (i dette tilfælde T2 > T3); der er en såkaldt gennemsnitlig temperaturkoefficient for resistivitet af dette materiale i temperaturområdet fra T3 til T2.

I dette tilfælde, når temperaturen ændres i et snævert interval fra T3 til T2 acceptere en stykkevis lineær tilnærmelse af afhængigheden ρ(T):

(3.11)

Opslagsbøger om elektriske materialer giver normalt værdier ved 20 0 C.

Fig.3.1 Afhængighed af resistivitet ρ metalledere afhængig af temperatur T. Springe ρ (gren 5) svarer til smeltepunktet T PL.

Fig.3.2. Afhængighed af kobberresistivitet af temperatur. Springet svarer til smeltetemperaturen for kobber 1083 0 C.

Som det følger af formel (3.33), afhænger ledernes resistivitet lineært af temperaturen (gren 4 i fig. 3.3), med undtagelse af lave temperaturer og temperaturer højere end smeltepunktet T>T PL.

Når temperaturen nærmer sig 0 0 K, har en ideel metalleder en resistivitet ρ har tendens til 0 (gren 3). For teknisk rene ledere (med en meget lille mængde urenheder) over et lille område på flere kelvin, er værdien ρ ophører med at afhænge af temperaturen og bliver konstant (gren 2). Det kaldes "restresistivitet". ρ OST. Størrelse ρ OST kun bestemt af urenheder. Jo renere metal, jo mindre ρ OST .

Nær det absolutte nul er en anden afhængighed mulig ρ på temperatur, nemlig ved en bestemt temperatur T S resistivitet ρ falder brat til næsten nul (gren 3). Denne tilstand kaldes superledning, og ledere med denne egenskab kaldes superledere. Fænomenet superledning vil blive diskuteret nedenfor i 3.3.

Eksempel 3. 6. Tempfor kobber ved stuetemperatur er 4,3 30-3 -3 K. Bestem, hvor mange gange den elektronfrie vej vil ændre sig, når kobberlederen opvarmes fra 300 til 3000 K.

Løsning. Den gennemsnitlige frie bane for elektroner er omvendt proportional med resistiviteten. Derfor, hvor mange gange kobberets resistivitet stiger ved opvarmning, hvor mange gange vil den elektronfrie vej falde. Resistiviteten af ​​kobber vil stige flere gange. Følgelig vil den elektronfrie vej falde med 3 gange.

Ændring i metallers resistivitet under smeltning.

Når metaller går fra fast til flydende, oplever de fleste af dem en stigning i resistivitet ρ , som vist i fig. 3.3 (gren 5). Tabel 3.2 viser værdierne, der viser den relative ændring i resistivitet forskellige metaller ved smeltning. Resistiviteten stiger under smeltning for de metaller (Hg, Au, Zn, Sn, Na), der øges i volumen under smeltning, dvs. reducere tætheden. Men nogle metaller, såsom gallium (Ga) og bismuth (Bi), reducerer ρ henholdsvis 0,58 og 0,43 gange. For de fleste metaller i smeltet tilstand stiger resistiviteten med stigende temperatur (gren 6 i fig. 3.3), hvilket er forbundet med en stigning i deres volumen og et fald i densiteten.

Tabel 3.2. Relativ ændring i resistivitet af forskellige metaller under smeltning.

Ændring i metalresistivitet under deformation.

Forandring ρ under elastiske deformationer af metalledere forklares af en ændring i amplituden af ​​vibrationer af noderne af metalkrystalgitteret. Når de strækkes, øges disse amplituder, og når de komprimeres, falder de. En stigning i amplituden af ​​oscillationer af knuder fører til et fald i ladningsbærernes mobilitet og som følge heraf til en stigning i ρ.

Et fald i oscillationsamplituden fører tværtimod til et fald i ρ. Men selv betydelig plastisk deformation øger som regel metalresistiviteten på grund af forvrængning af krystalgitteret med højst 4-6%. Undtagelsen er wolfram (W), ρ som stiger med titusindvis af procent med betydelig kompression. I forbindelse med ovenstående er det muligt at anvende plastisk deformation og den resulterende hærdning for at øge styrken af ​​ledermaterialer uden at gå på kompromis med deres elektriske egenskaber. Under omkrystallisation kan resistiviteten igen reduceres til sin oprindelige værdi.

Specifik modstand af legeringer.

Som allerede angivet forstyrrer urenheder den korrekte struktur af metaller, hvilket fører til en stigning i deres resistivitet. Figur 3.3 viser afhængigheden af ​​resistivitet ρ og ledningsevne γ kobberkoncentration N forskellige urenheder i brøkdele af en procent. Vi understreger, at enhver legering fører til en stigning i det legerede metals elektriske resistivitet sammenlignet med det legerede metal. Dette gælder også i tilfælde, hvor et metal med en lavere ρ. For eksempel ved legering af kobber med sølv ρ der vil være mere kobber-sølv legering end ρ kobber, på trods af det ρ mindre sølv end ρ kobber, som det kan ses af fig. 3.3.

Fig.3.3. Resistivitetsafhængighed ρ og ledningsevne γ kobber fra indholdet af urenheder.

Betydelig stigning ρ observeres, når to metaller smelter sammen, hvis de dannes med hinanden fast opløsning, hvor atomer af et metal kommer ind i et andets krystalgitter. Kurve ρ har et maksimum svarende til et bestemt specifikt forhold mellem indholdet af komponenter i legeringen. Sådan en ændring ρ fra indholdet af legeringskomponenter kan forklares med, at legeringen på grund af sin mere komplekse struktur sammenlignet med rene metaller ikke længere kan sammenlignes med et klassisk metal.

Ændringen i den specifikke ledningsevne af y-legeringen er i dette tilfælde ikke kun forårsaget af en ændring i mobiliteten af ​​bærere, men i nogle tilfælde også af en delvis stigning i koncentrationen af ​​bærere med stigende temperatur. En legering, hvor faldet i mobilitet med stigende temperatur kompenseres af en stigning i bærerkoncentration, vil have en modstandskoefficient for temperatur nul. Som et eksempel viser fig. 3.4 afhængigheden af ​​en kobber-nikkel-legering af resistiviteten af ​​sammensætningen af ​​legeringen.

Varmekapacitet, termisk ledningsevne og smeltevarme af ledere.

Varmekapacitet karakteriserer et stofs evne til at absorbere varme Q ved opvarmning. Varmekapacitet MED af ethvert fysisk legeme er en værdi svarende til mængden af ​​termisk energi, der absorberes af denne krop, når den opvarmes med 3K uden at ændre sin fasetilstand. Varmekapacitet måles i J/K. Varmekapacitet metal materialer stiger med stigende temperatur. Derfor varmekapaciteten MED bestemt med en uendelig ændring i dens tilstand:

Fig.3.4. Afhængighed af resistivitet af kobber-nikkel-legeringer af sammensætning (i vægtprocent).

Varmekapacitetsforhold MED til kropsvægt m kaldet specifik varmekapacitet Med:

Specifik varmekapacitet måles i J/(kg? K). Værdierne for den specifikke varmekapacitet af metaller er angivet i tabel. 3.3. Som det fremgår af tabel 3.3, er ildfaste materialer karakteriseret ved lave specifikke varmekapacitetsværdier. Så for eksempel for wolfram (W) Med=238, og for molybdæn (Mo) Med=264J/(kg?K). Lavtsmeltende materialer er tværtimod karakteriseret høj værdi specifik varmekapacitet. For eksempel aluminium (Al) Med=922, og for magnesium (Mg) Med= 3040 J/(kg? K). Kobber har en specifik varmekapacitet c = 385 J/(kg? K). For metallegeringer er den specifikke varmekapacitet i området 300-2000 J/(kg? K). C er vigtig egenskab metal

Termisk ledningsevne kaldet overførsel af termisk energi Q i et ujævnt opvarmet medium som følge af termisk bevægelse og vekselvirkning mellem dets bestanddele. Overførslen af ​​varme i ethvert miljø eller enhver krop sker fra varmere dele til kolde. Som et resultat af varmeoverførsel udlignes temperaturen i miljøet eller kroppen. I metaller overføres termisk energi af ledningselektroner. Antallet af frie elektroner pr. volumenenhed metal er meget stort. Derfor er den termiske ledningsevne af metaller som regel meget større end den termiske ledningsevne af dielektriske stoffer. Jo færre urenheder metaller indeholder, jo højere er deres varmeledningsevne. Når urenheder stiger, falder deres varmeledningsevne.

Som det er kendt, er varmeoverførselsprocessen beskrevet af Fouriers lov:

. (3.14)

Her er varmefluxtætheden, det vil sige mængden af ​​varme, der passerer langs koordinaten x gennem en enhed af tværsnitsareal pr. tidsenhed, J/m 2?s,

Temperaturgradient langs koordinaten x, K/m,

Proportionalitetskoefficienten, kaldet den termiske konduktivitetskoefficient (tidligere betegnet), W/K?m.

Således svarer udtrykket termisk ledningsevne til to begreber: dette er processen med varmeoverførsel og proportionalitetskoefficienten, der karakteriserer denne proces.

Så frie elektroner i et metal bestemmer både dets elektriske og termiske ledningsevne. Jo højere den elektriske ledningsevne γ af et metal, desto større bør dets varmeledningsevne være. Med stigende temperatur, når mobiliteten af ​​elektroner i metallet og følgelig dets specifikke ledningsevne γ falder, bør forholdet /γ mellem metallets termiske ledningsevne og dets specifikke ledningsevne stige. Matematisk er dette udtrykt Wiedemann-Franz-Lorenz lov

/γ = L 0 T, (3.15)

Hvor T- termodynamisk temperatur, K,

L 0 - Lorentz nummer, lige

L 0 = . (3.16)

At erstatte værdierne af Boltzmann-konstanten i dette udtryk k= J/K og elektronladning e= 3,602?30 -39 Cl får vi L 0 = /

Wiedemann-Franz-Lorentz-loven er opfyldt i temperaturområdet tæt på normalt eller let forhøjet for de fleste metaller (med undtagelse af mangan og beryllium). Ifølge denne lov har metaller, der har høj elektrisk ledningsevne, også høj varmeledningsevne.

Temperatur og smeltevarme. Varmen absorberet af et fast krystallinsk legeme under dets overgang fra en fase til en anden kaldes faseovergangsvarmen. Især kaldes den varme, der absorberes af et fast krystallinsk legeme under dets overgang fra fast til flydende fusionsvarme og den temperatur, ved hvilken smeltningen sker (ved konstant tryk), kaldes smeltepunkt og betegne T PL.. Mængden af ​​varme, der skal tilføres pr. masseenhed af et fast krystallinsk legeme ved temperatur T PL at omdanne det til en flydende tilstand kaldes specifik fusionsvarme r PL og måles i MJ/kg eller kJ/kg. Værdierne for den specifikke smeltevarme for en række metaller er angivet i tabel 3.3.

Tabel.3. 3. Specifik smeltevarme af nogle metaller.

Afhængig af smeltepunktet skelnes der ildfaste metaller med et højere smeltepunkt end jern, dvs. højere end 3539 0 C og lavtsmeltende med et smeltepunkt mindre end 500 0 C. Temperaturområdet fra 500 0 C til 3539 0 C refererer til de gennemsnitlige smeltepunktsværdier.

Arbejdsfunktionen af ​​en elektron, der forlader et metal.

Erfaringen viser, at frie elektroner praktisk talt ikke forlader metallet ved almindelige temperaturer. Dette skyldes, at der skabes et holdemateriale i metallets overfladelag. elektrisk felt. Dette elektriske felt kan opfattes som en potentiel barriere, der forhindrer elektroner i at undslippe fra metallet ind i det omgivende vakuum.

En holdingpotentialbarriere skabes af to årsager. For det første på grund af tiltrækningskræfterne fra den overskydende positive ladning, der opstod i metallet som følge af elektroner, der undslap fra det, og for det andet på grund af frastødende kræfter fra de tidligere udsendte elektroner, som dannede en elektronsky nær overfladen af metallet. Denne elektronsky danner sammen med det ydre lag af positive gitterioner et elektrisk dobbeltlag, hvis elektriske felt ligner det for en parallelpladekondensator. Tykkelsen af ​​dette lag er lig med flere interatomare afstande (30 -30 -30 -9 m).

Det skaber ikke et elektrisk felt i det ydre rum, men skaber en potentiel barriere, der forhindrer frie elektroner i at undslippe fra metallet. Arbejdsfunktionen for en elektron, der forlader et metal, er det arbejde, der udføres for at overvinde potentialbarrieren ved metal-vakuum-grænsefladen. For at en elektron kan flyve ud af et metal, skal den have en vis energi, der er tilstrækkelig til at overvinde de attraktive kræfter af positive ladninger i metallet og de frastødende kræfter fra elektroner, der tidligere er udsendt fra metallet. Denne energi betegnes med bogstavet A og kaldes arbejdsfunktionen af ​​en elektron, der forlader metallet. Arbejdsfunktionen er bestemt af formlen:

Hvor e- elektronladning, K;

Output potentiale, V.

På baggrund af ovenstående kan vi antage, at hele metallets volumen for ledningselektroner repræsenterer en potentialbrønd med flad bund, hvis dybde er lig med arbejdsfunktionen A. Arbejdsfunktionen er udtrykt i elektronvolt (eV). . Elektronarbejdsfunktionsværdierne for metaller er angivet i tabel 3.3.

Hvis du giver energi til elektronerne i metallet tilstrækkelig til at overvinde arbejdsfunktionen, så kan nogle af elektronerne forlade metallet. Dette fænomen med metaludsender elektroner kaldes elektroniske emissioner. For at få frie elektroner ind elektroniske enheder der er en speciel metal elektrode - katode.

Afhængigt af metoden til at overføre energi til katodens elektroner skelnes der mellem følgende typer elektronemission:

- termionisk, hvor yderligere energi overføres til elektroner som følge af opvarmning af katoden;

- fotoelektronisk, hvor katodeoverfladen er udsat for elektromagnetisk stråling;

- sekundær elektronisk, som er resultatet af bombardement af katoden af ​​en strøm af elektroner eller ioner, der bevæger sig med høj hastighed;

- elektrostatisk, hvor et stærkt elektrisk felt ved katodens overflade skaber kræfter, der fremmer udslip af elektroner ud over dets grænser.

Termionisk emissionsfænomen bruges i vakuumrør, røntgenrør, elektronmikroskoper osv.

Termoelektromotorisk kraft (termo-emf).

Når to forskellige metalledere A og B (eller halvledere) kommer i kontakt (fig. 3.5), vil en kontakt potentialforskel, hvilket skyldes forskellen i arbejdsfunktionen af ​​elektroner fra forskellige metaller. Derudover kan elektronkoncentrationerne af forskellige metaller og legeringer også være forskellige.

I dette tilfælde vil elektroner fra metal A, hvor deres koncentration er højere, flytte til metal B, hvor deres koncentration er lavere. Som et resultat vil metal A have en positiv ladning, og metal B vil have en negativ ladning. I overensstemmelse med den elektroniske teori om metaller er kontaktpotentialforskellen eller EMF mellem lederne A og B lig med (fig. 3.5):

(3.17)

Hvor U A Og U B— potentiale for kontakt med metaller; n A Og n B- elektronkoncentrationer i metallerne A og B; k- Boltzmann konstant, e- elektronladning, T- termodynamisk temperatur. Hvis elektronkoncentrationen er større i metal B, så vil potentialforskellen skifte fortegn, da logaritmen af ​​et tal mindre end en vil være negativ. Kontaktpotentialforskellen kan måles eksperimentelt. De første sådanne målinger blev udført i 3797 af den italienske fysiker A. Volta, som opdagede dette fænomen.

Fig.3.5. Dannelsen af ​​en kontaktpotentialforskel eller EMF mellem to forskellige ledere A og B.

Det siger sig selv, at hvis to ledere A og B danner et lukket kredsløb (fig. 3.6), og temperaturerne på begge kontakter er de samme, så er summen af ​​potentialeforskellene eller den resulterende emk nul.

(3.18)

Hvis en af ​​kontakterne eller, som de kaldes, "forbindelser" af to metaller har en temperatur T3, og den anden - temperatur T2. I dette tilfælde opstår en termo-EMF mellem krydsene lig med

(3.19)

Hvor - konstant termo-EMF-koefficient for et givet lederpar, målt i μV/K. Det afhænger af den absolutte værdi af temperaturerne på de "varme" og "kolde" kontakter, såvel som af arten af ​​de kontaktmaterialer. Som det kan ses af formel (3.39), bør termo-EMF være proportional med temperaturforskellen mellem krydsene.

Fig3.6. Termoelement diagram.

Termo-EMF's afhængighed af overgangstemperaturforskellen er muligvis ikke altid strengt lineær. Derfor koefficienten med T skal justeres efter temperaturværdier T 3 Og T 2.

Et system af to ledninger isoleret fra hinanden, lavet af forskellige metaller eller legeringer, loddet to steder kaldes termoelement. Det bruges til at måle temperaturer. Temperaturen på det ene kryds (kold) kendes normalt, og det andet kryds placeres på det sted, hvis temperatur de vil måle. Et måleinstrument, for eksempel et millivoltmeter, er forbundet til termoelementet mV, gradueret i grader Celsius eller grader Kelvin (fig. 3.6).

I nogle tilfælde er et kontrolrelæ eller en magnetspole forbundet til termoelementets ender (fig. 3.7). Når en vis temperaturforskel er nået, under påvirkning af termoEMF, begynder en strøm at strømme gennem relæspolen P, hvilket får relæet til at fungere eller ventilen til at åbne ved hjælp af en solenoide. Eksempler på de mest almindelige termoelementer, deres temperaturområder og anvendelser er angivet nedenfor på side 325-330.

	Fig.4

Fig.3.7. Tilslutningsdiagram af et termoelement til et relæ i et automatisk styrekredsløb

Thermo-EMF kan være nyttig i nogle tilfælde, men skadelig i andre. For eksempel, når man måler temperatur med termoelementer, er det nyttigt. I måleinstrumenter og referencemodstande, er det skadeligt. Her stræber man efter at bruge materialer og legeringer med den lavest mulige termo-EMF-koefficient i forhold til kobber.

Eksempel 3.7. Termoelementet blev kalibreret ved den kolde overgangstemperatur T 0 =0 o C. Kalibreringsdata er angivet i tabel 3.4

Tabel 3.4

Termoelement kalibreringsdata

T, o C
Termo-EMF, mV	0,0	0,33	0,65	3,44	2,33	3,25	4.23	5,24	6,27	7,34	8,47	9,63

Dette termoelement blev brugt til at måle temperaturen i ovnen. Temperaturen på termoelementets kolde kryds under målingen var 300 o C. Voltmeteret under målingen viste en spænding på 7,82 mV. Brug kalibreringstabellen til at bestemme temperaturen i ovnen.

Løsning. Hvis temperaturen på det kolde kryds under måling ikke svarer til kalibreringsbetingelserne, skal loven om mellemtemperaturer anvendes, som er skrevet som følger:

Krydstemperaturerne er angivet i parentes. Den fundne termo-EMF svarer i overensstemmelse med kalibreringstabellen til temperaturen i ovnen T= 900 oC.

Temperaturkoefficient for lineær udvidelse af ledere(TCLR). Denne koefficient, der er udpeget, viser den relative ændring i lederens lineære dimensioner, og især dens længde, afhængigt af temperaturen:

Det måles i K-3. Figur 3.8 viser forlængelserne af stænger 3 m lange, lavet af forskellige materialer med stigende temperatur,

Fig.3.8. Afhængighed af forlængelsen af ​​en stang på 1 m lang af materialets temperatur.

Det skal huskes, at hvis modstanden er lavet af ledning, så når den opvarmes, stiger ledningens længde og dens radius i forhold til dens temperatur. Tværsnittet stiger i forhold til kvadratet af de lineære dimensioner, dvs. proportional med kvadratet af radius. Dette betyder, at når trådens lineære dimensioner øges ved opvarmning, falder modstanden af ​​denne tråd. Således, når en ledning opvarmes, påvirkes værdien af ​​dens modstand af to faktorer, der virker i modsatte retninger: en stigning i resistivitet ρ og en stigning i ledningens tværsnit.

På grund af ovenstående vil temperaturkoefficienten for ledningens elektriske modstand være lig med:

Belastningsudvidelsesfuger vil ikke kunne kompensere for en sådan forlængelse. I dette tilfælde vil justeringen af ​​kontaktnettet blive forstyrret, sagen vil stige, og betingelserne for normal strømopsamling vil ikke blive opfyldt. Under disse forhold er det umuligt at sikre høj hastighed togbevægelse, og der vil være en reel trussel om nedbrud af strømaftagere.

For at forhindre en sådan udvikling af hændelser bør ledningernes varmetemperatur begrænses til den tilladte værdi under betingelserne for at sikre normale driftsforhold for dette kontaktnetværksdesign. Hvis temperaturen stiger over denne tilladte værdi, skal trækkraften begrænses.

Desuden bør længden af ​​ankerafsnittene begrænses, således at wirens længde ikke overstiger 800 m. I dette tilfælde, når kontaktledningens temperatur stiger med 300 0 C, vil forlængelsen ikke overstige 3,4 m, hvilket er helt acceptabelt under betingelserne for kompensation for forlængelsen af ​​trækophænget. Hvis vi tager minimumstemperaturen som -40 0 C, så bør den maksimale temperatur på kontaktledningen ikke overstige 60 0 C (i nogle designs 50 0 C).

Når du laver elektriske vakuumanordninger, er det nødvendigt at vælge metalledere på en sådan måde, at deres TCLE er omtrent den samme som for vakuumglas eller vakuumkeramik. Ellers kan der opstå termiske stød, hvilket fører til ødelæggelse af vakuumenheder.

Mekaniske egenskaber af ledere karakteriseret ved trækstyrke og brudforlængelse Δ l/l samt skrøbelighed og hårdhed. Disse egenskaber afhænger af de mekaniske og varmebehandling, samt tilstedeværelsen af ​​legeringer og urenheder i ledere. Derudover afhænger trækstyrken af ​​metallets temperatur og varigheden af ​​trækkraften.

Som nævnt ovenfor, for at kompensere for den lineære udvidelse af kontaktledninger, udføres deres spænding af temperaturkompensatorer med vægte, der skaber en spænding på 30 kN (3 t). Denne spænding sikrer normale strømopsamlingsforhold. Jo større spænding, jo mere elastisk vil affjedringen være og bedre forhold nuværende samling Den tilladte spænding afhænger dog af trækstyrken, som aftager med stigende temperatur.

For hårdttrukket kobber, hvorfra der er lavet kontaktledninger, sker der et kraftigt fald i trækstyrken ved temperaturer over 200 0 C. Midlertidig trækstyrke falder også med stigende varighed af eksponeringen høj temperatur. Tid indtil metalbrud afhængig af dets absolutte temperatur T(K) og designfunktioner og fremstillingsteknologi bestemmes af formlen:

. (3.22)

Her: C 3 og C 2 er termiske modstandskoefficienter, afhængig af metallernes design og egenskaber. Figur 3.9 viser afhængigheden af ​​tiden til destruktion af temperatur, udtrykt i grader Celsius, for ledninger lavet af forskellige metaller.

Ved forøgelse af køretrådens spænding for at øge ophængningens elasticitet bør der således også tages hensyn til køreledningens styrke i overensstemmelse med fig. 3.9.

Fig.3. 9. Tidsafhængighed før metalbrud på temperatur og ledningstype. 1 - aluminium og strandet stål-aluminium; 2 - kobberkontakt; 3 - strandet stål-kobber bimetallisk; 4 - bronze varmebestandig kontakt.

De vigtigste egenskaber ved ledermaterialer er:

1. Termisk ledningsevne;
2. Kontaktpotentialforskel og termoelektromotorisk kraft;
3. Trækstyrke og trækforlængelse.

ρ - en værdi, der karakteriserer et materiales evne til at yde modstand elektrisk strøm. Specifik modstand er udtrykt ved formlen:

For lange ledere (ledninger, ledninger, kabelkerner, samleskinner), længden af ​​lederen l normalt udtrykt i meter, tværsnitsareal S- i mm², ledermodstand r- i Ohm, så dimensionen af ​​resistivitet

Data om resistiviteter af forskellige metalledere er givet i artiklen "Elektrisk modstand og ledningsevne".

α er en værdi, der karakteriserer ændringen i ledermodstanden afhængigt af temperaturen.
Den gennemsnitlige værdi af temperaturkoefficienten for modstand i temperaturområdet t 2° - t 1° kan findes ved formlen:

Data om temperaturkoefficienter for modstand af forskellige ledermaterialer er angivet i tabellen nedenfor.

Værdien af ​​temperaturkoefficienter for modstand af metaller

Termisk ledningsevne

λ er en størrelse, der karakteriserer mængden af ​​varme, der passerer per tidsenhed gennem et stoflag. Termisk ledningsevne dimension

Termisk ledningsevne har stor værdi til termiske beregninger af maskiner, apparater, kabler og andre elektriske enheder.

Termisk ledningsevneværdi λ for nogle materialer

Sølv Kobber Aluminium Messing Jern, stål Bronze Beton Mursten Glas Asbest Træ Kork

350 - 360 340 180 - 200 90 - 100 40 - 50 30 - 40 0,7 - 1,2 0,5 - 1,2 0,6 - 0,9 0,13 - 0,18 0,1 - 0,15 0,04 - 0,08

Ud fra de præsenterede data er det klart, at metaller har den største varmeledningsevne. Ikke-metalliske materialer har væsentligt lavere varmeledningsevne. Det når særligt lave værdier for porøse materialer, som jeg bruger specifikt til termisk isolering. Ifølge elektronteori høj varmeledningsevne metaller skyldes de samme ledningselektroner som elektrisk ledningsevne.

Kontaktpotentialforskel og termoelektromotorisk kraft

Som anført i artiklen "Metalledere" er positive metalioner placeret ved krystalgitterets noder og danner sådan set dets ramme. Frie elektroner fylder gitteret som en gas, nogle gange kaldet "elektrongas". Trykket af elektrongassen i et metal er proportionalt med den absolutte temperatur og antallet af frie elektroner per volumenhed, hvilket afhænger af metallets egenskaber. Når to forskellige metaller kommer i kontakt ved kontaktpunktet, udlignes trykket af elektrongassen. Som et resultat af elektrondiffusion lades et metal, hvis antal elektroner falder, positivt, og et metal, hvis antal elektroner stiger, lades negativt. Der opstår en potentialforskel ved kontaktpunktet. Denne forskel er proportional med temperaturforskellen mellem metallerne og afhænger af deres type. En termoelektrisk strøm opstår i et lukket kredsløb. Den elektromotoriske kraft (EMF), der skaber denne strøm kaldes termoelektromotorisk kraft(termo-EMF).

Fænomenet kontaktpotentialeforskel bruges i teknologi til at måle temperatur ved hjælp af termoelementer. Ved måling af små strømme og spændinger i et kredsløb i krydset mellem forskellige metaller kan der opstå en stor potentialforskel, som vil forvrænge måleresultaterne. I dette tilfælde er det nødvendigt at vælge materialer, så målenøjagtigheden er høj.

Trækstyrke og trækforlængelse

Når du vælger ledninger, er det ud over tværsnit, trådmateriale og isolering nødvendigt at tage hensyn til deres mekaniske styrke. Dette gælder især for ledninger luftlinjer kraftoverførsel Trådene er spændt. Under påvirkning af kraft påført materialet forlænges sidstnævnte. Hvis vi angiver den oprindelige længde l 1 og den endelige længde l 2, så forskellen l 1 - l 2 = Δ l vilje absolut forlængelse.

Holdning

ringede relativ forlængelse.

Den kraft, der frembringer materialebrud kaldes bryde belastning, og forholdet mellem denne belastning og materialets tværsnitsareal i destruktionsøjeblikket kaldes midlertidig trækstyrke og er udpeget

Data om trækstyrker for forskellige materialer er angivet nedenfor.

Trækstyrkeværdi for forskellige metaller