Теоретические положения. Проводниковыми материалами называются материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная электропроводность.

Проводниковыми материалами называются материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная электропроводность.

Проводниковые материалы можно разбить по агрегатному состоянию:

1) газы и пары;

2) жидкие проводники;

3) твёрдые проводники.

Все газы ипары, в том числе и пары металлов, при низких напряжённостях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряжённость электрического поля превзойдёт некоторое критическое значение Е_кр, обеспечивающее начало ударной ионизации, то газ становится проводником с электронной и ионной проводимостью.

Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов числу положительных ионов в единице объёма представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Правда, большинство металлов (за исключением ртути) имеют высокую температуру плавления, поэтому их трудно использовать в качестве проводников.

Средитвёрдых проводников наиболее часто в электротехнике применяются металлы и сплавы. Среди них выделим и рассмотрим две основные группы:

а) металлы высокой проводимости, у которых при нормальной температуре удельное сопротивление ρ не превышает 0,05 мкОм∙м. Они используются для проводов, жил кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов и т.п.;

б) сплавы с высоким сопротивлением, имеющие при нормальной температуре ρ ≥ 0,3 мкОм∙м. Они используются при изготовлении резисторов, электронагревательных приборов, нитей ламп накаливания и т.п.

Особую группу составляют криопроводники и сверхпроводники – материалы, которые обладают ничтожно малым сопротивлением при весьма низких температурах.

Приведем энергетическую диаграмму проводников (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Энергетическая диаграмма проводников при нуле Кельвина
в соответствии с зонной теорией твёрдого тела

На рисунке обозначено: 1 – заполненная электронами зона; 2 – зона свободных энергетических уровней.

У проводников заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне свободных энергетических уровней или даже перекрывает её. Электроны могут переходить с верхних уровней заполненной зоны на незанятые уровни свободной зоны под влиянием напряжённости электрического поля, приложенной к проводнику.

Мы рассмотрим только классическую электронную теорию металлов.
По этой теории металл можно рассматривать как систему, построенную из расположенных в узлах решетки положительно заряженных атомных остовов
(по 1−2 электрона покидают атом) и находящихся среди них свободных электронов (рис. 4.2). При движении электронов по металлу они сталкиваются с узлами кристаллической решётки, передают ей энергию, накопленную при ускорении в электрическом поле, вследствие чего металл нагревается. Эта классическая теория объясняет не все закономерности, возникающие в металле, но для дисциплины «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» этого достаточно.

Рис. 4.2. Схема строения металлического проводника

Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой имеют наименьшие значения удельного сопротивления. Любые примеси и нарушения правильной структуры металлов увеличивают их удельное сопротивление. Это свойство металлов широко используется для получения материалов с большим удельным сопротивлением, которые необходимы везде, где нужно получить большое сопротивление при малом объеме. Это, как правило, сплавы.

Сплавы высокого сопротивления классифицируются по области применения [2]:

1) материалы для образцовых сопротивлений и электроизмерительных приборов;

2) материалы для резисторов;

3) материалы для нагревательных приборов и нагрузочных реостатов.

К сплавам высокого сопротивления предъявляют следующие требования:

− большое удельное сопротивление;

− достаточная механическая прочность и технологичность, обеспечивающие возможность получения провода необходимого сечения;

− небольшая стоимость.

К материалам первой группы предъявляются дополнительные требования:

− стабильность сопротивления во времени (отсутствие старения);

− небольшой температурный коэффициент удельного сопротивления (TK_ρ = min);

− маленький коэффициент термоЭДС с медью.

Для третьей группы дополнительное требование – высокая температура нагрева.

Основным материалом первой группы является медно-марганцевый
сплав – манганин (название происходит от наличия в нём марганца, латинское наз­вание – manganum). Примерный его состав: Cu 85 %, Mn 12 %, Ni 3 %.

Основные параметры манганина [2]:

− удельное сопротивление ρ = (42−51)×10^-8 Ом·м;

− температурный коэффициент TK_r= (-5…+30)·10^-5 К^-1;

− коэффициент термоЭДС в паре с медью – всего Y = 1−2 мкВ/К;

− предел прочности σ_в = 450−600 МПа;

− предельная допустимая температура – t = 200 ^оС.

Манганин выпускается в виде тонкой проволоки, на которую накладывают эмалево-волокнистую изоляцию.

Основным материалом второй группы является медно-никелевый сплав – константан. Его примерный состав: Ni 39−41 %, Mn 1−2 %, остальное
(56−59 %) – Cu.

Для электронагревательных приборов в основном применяются сплавы на основе железа:нихром, фехраль, хромаль.