Физико – химические свойства

К физико-химическим свойствам относят цвет, плотность, температуру плавления, теплопроводность, тепловое расширение, электропроводность, магнитные свойства, поглощение газов, коррозионную стойкость и др.

Физико-химические свойства оценивают удельным электрическим сопротивлением , удельной электрической проводимостью , температурным коэффициентом удельного электрического сопротивления  и коэффициентом теплопроводности.

1) Плотность

По плотности металлы разделяют на легкие и тяжелые.

К легким относят те металлы, плотность которых меньше 5 Мг/м3. Одним из наиболее легких металлов считается натрий, плотность которого меньше плотности воды.

К тяжелым относят подавляющее большинство металлов, используемых в технике (железо, медь, никель, олово и др.).

2) Удельное электрическое сопротивление для образцов правильной формы

где R - сопротивление образца, Ом; S - площадь поперечного сечения образца, м²; l - длина образца, м.

Величину  измеряют в омах на метр (Ом×м), однако для практических целей 1 Ом×м слишком большое значение, поэтому этот параметр чаще всего выражают в более мелких единицах, например в микроомах на метр. Диапазон значений  металлических проводников (при нормальной температуре) от 0,016 для серебра до 10 мкОм×м для некоторых сплавов.

Удельная проводимость металлических проводников по клас­сической теории металлов может быть выражена следующим образом:

,

где е ˗ заряд электрона, n _o ˗ число свободных электронов в еди­нице объема металла, λ ˗ средняя длина свободного пробега электрона между двумя соударениями с узлами решетки, т ˗ масса электрона, υ _т ˗ средняя скорость теплового движения свободного электрона в металле.

Для различных металлов скорости хаотического теплового движения электронов υ_т (при определенной температуре) примерно одинаковы. Незначительно различаются также и концентрации сво­бодных электронов n_o: например, для меди и никеля это различие меньше 10%. Поэтому значение удельной проводимости γ (или удельного сопротивления ρ) в основном зависит от средней длины свободного пробега электронов в данном проводнике λ, которая, в свою очередь, определяется структурой проводникового матери­ала. Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой характеризуются наименьшими значениями удельного сопротивления; примеси, искажая решетку, приводят к увеличе­нию ρ.

Значения  металлов в нормальных условиях отличаются друг от друга примерно в 100 раз. Сопротивление проводников R_s на высоких частотах существенно больше их сопротивления на постоянном токе вследствие того, что высокочастотное поле проникает в проводник на небольшую глубину. Чем выше частота поля, тем на меньшую глубину оно проникает в проводник. Это явление получило название поверхностного эффекта. За глубину проникновения тока в проводник на данной частоте условно принимают глубину, на которой плотность тока уменьшается в 2,7 раза по сравнению с ее значением на поверхности проводника.

Величину, обратную удельному электрическому сопротивлению , называют удельной электрической проводимостью (См/м):

.

Удельное сопротивление сплавов. Примеси и нарушения правильной структуры металлов ведут к увеличению их удельного сопротивления. Значительное возрастание ρ наблюдается при сплавлении двух металлов в том случае, если они образуют друг с другом твердый раствор, т. е. создают при отвердевании совместную кристаллизацию и атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого.

3) Температурный коэффициент удельного электрического сопротивления

Удельное электрическое сопротивление металлов зависит от температуры.

Число носителей заряда (концентрация свободных электронов) в металлическом проводнике при повышении температуры остается практически неизменным.

Однако вследствие усиления колебаний узлов кристаллической решетки с ростом температуры появляется все больше и больше препятствий на пути направленного движения свободных электро­нов под действием электрического поля, т. е. уменьшается средняя длина свободного пробега элек­трона λ, уменьшается подвиж­ность электронов и, как следст­вие, уменьшается удельная про­водимость металлов и возрастает удельное сопротивление. Иными словами, тем­пературный коэффициент удельного сопротивле­ния металлов (К^-1) положителен.

,

 где  - элементарное приращение сопротивления проводника, соответствующее элементарному приращению температуры

Согласно выводам электронной теории металлов значения α_р чистых металлов в твердом состоянии должны быть близки к ТК расширения идеаль­ных газов, т. е. 1: 273 = 0,0037 К^-1 повышен­ными значениями α_р обладают некоторые металлы, в том числе ферромагнитные металлы — железо, никель и кобальт.

Для чистых металлов в твердом состоянии  должен быть близок к температурному коэффициенту объема идеальных газов, т.е. 1/273 = 0,00367 К^-1. При фазовом переходе из одного агрегатного состояния в другое удельное электрическое сопротивление металлов изменяется скачкообразно. Однако у металлов, плотность которых при плавлении уменьшается (висмут, сурьма и галлий), удельное электрическое сопротивление при плавлении снижается.

Средний температурный коэффициент удельного электрического сопротивления металлов (1/град) в диапазоне температур

,

где ,  ˗ значения , соответствующие температурам Т₀ и Т.

4) Изменение удельного со­противления при упругом растяжении или сжатии приближенно может оцениваться формулой

где ρ ˗ удельное сопротивление металла при механическом напря­жении σ, ρ_о ˗ удельное сопротивление металла, не подверженного механическому воздействию,  ˗ коэффициент механического на­пряжения, характеризующий данный металл; знак плюс в формуле соответствует растяжению, минус ˗ сжатию.

Изменение ρ при упругих деформациях объясняется измене­нием амплитуды колебаний узлов кристаллической решетки металла. При растяжении эти амплитуды увеличиваются, при сжатии ˗ уменьшаются. Увеличение амплитуды колебаний узлов приводит к уменьшению подвижности носителей зарядов и, как следствие, к возрастанию ρ. Уменьшение амплитуды колебаний, наоборот, приводит к уменьшению ρ. Пластическая деформация, как правило, повышает удельное сопротивление металлов вследствие искажения кристаллической решетки. При рекристаллизации путем термиче­ской обработки (отжига) удельное сопротивление может быть вновь снижено до первоначального значения. Наблюдающееся иногда при деформациях сжатия уменьшение удельного сопротивления объясняется вторичными явлениями: уплотнением металла, разру­шением оксидных пленок и т. д.

5) Теплопроводность металлов

    За передачу тепла через металл в основном ответственны те же свободные электроны, которые определяют и электропроводность металлов и количество которых в единице объема металла весьма велико. Поэтому, как правило, теплопро­водность γ _T металлов намного больше, чем теплопроводность диэлектриков. Оче­видно, что при прочих равных условиях, чем больше удельная электрическая проводимость у металла, тем больше должна быть и его теплопроводность. Легко также видеть, что при повы­шении температуры, когда подвижность электронов в металле и соответственно его удельная проводимость γ уменьшаются, отношение γ _T /γ теплопроводности металла к его удельной проводимости должно возрастать.

6) Термоэлектродвижущая сила

При соприкосно­вении двух различных металлических проводников между ними воз­никает контактная разность потен­циалов. Причина появления этой раз­ности потенциалов заключается в раз­личии значений работы выхода элек­тронов из различных металлов, а также в том, что концентрация электронов, а следовательно, и давление электронного газа у разных металлов и сплавов могут быть неодинаковыми. Из элек­тронной теории металлов следует, что контактная разность по­тенциалов между металлами А и В, равна:

,

где U _А и U _В — потенциалы соприкасающихся металлов;

п _A и п_B — концентрации электронов в металлах А и В;

k и е, — постоянная Больцмана и заряд электрона.

Если температуры «спаев» одинаковы, то сумма разностей по­тенциалов в замкнутой цепи равна нулю. Иначе обстоит дело, когда один из спаев имеет температуру Т₁, а другой — температуру T₂. (рис. 16).

Рис. 16. Схема термопары

 

    В этом случае между спаями возникает термо-э. д. с., равная

что можно записать в виде

            (4.1)

где с — постоянный для данной пары проводников коэффициент термо-э.д.с., т. е. термо-э.д.с. должна быть пропорциональна раз­ности температур спаев.

Фактически соотношение (4.1) соблюдается не всегда и зави­симость термо-э.д.с. от разности температур спаев может быть не строго линейной. Провод, составленный из двух изолированных друг от друга проволок из различных метал­лов или сплавов (термопара), может быть использован для изме­рения температур. В термопарах используются проводники, имею­щие большой и стабильный коэффициент термо-э.д.с.

Наоборот, для обмоток измерительных приборов и эталонных резисторов стре­мятся применять проводниковые материалы и сплавы с возможно меньшим коэффициентом термо-э.д.с. относительно меди, чтобы избежать появления в измерительных схемах паразитных термо-э.д.с., которые могли бы вызвать ошибки при точных измерениях.

7) Температурный коэффициент линейного расширения проводников. Этот коэффициент, вы­числяемый по тому же выражению (5-7), что и для диэлектриков, интересен не только с точки зрения работы различных сопряженных материалов в той или иной конструкции (возможность растрескивания или нарушения вакуум-плотного со­единения со стеклами, керамикой и т. д. при изменении температуры и т. п.). Он необходим также и для расчета темпе­ратурного коэффициента электрического сопротивления провода .

 Для чистых металлов обычно α _l < < α _p, так что в формуле можно пренебречь α _l по сравнению с α _p и считать прибли­женно α _R = α _p. Однако для сплавов, имеющих малый α _p, формула может иметь существенное практическое значение. Значение α _l твердых металлов возрастает при повышении температуры и приближении к температуре плавления. При нормальной температуре легкоплавкие металлы имеют сравни­тельно высокие, а тугоплавкие — сравнительно низкие значения α _l.

К технологическим свойствам относятся ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием, жидкотекучесть, усадка и др. Технологические свойства определяются комплексом физико-химических свойств материала. Для определения свойств мате­риала проводят соответствующие лабораторные испытания.

 

Вопросы и задания для самоконтроля

 

1. Требования к электротехническим материалам?

2. Указать отличие проводников I и II рода?

3. Что такое сплавы металлов?

4. Механические свойства материалов и металлов?

5. Испытания на растяжение пластичных материалов?

6. Показатели прочности цветных металлов и их сплавов?

7. Показатели пластичности материалов из цветных металлов?

8. Механические испытания цветных металлов на твердость?

9. Дать классификацию веществ по электрическим свойствам?

10. Подвижность носите­лей зарядов в металлах?

11. Определения проводимости и удельного сопротивления?

12. Электропроводность металлов при изменении температуры?

13. Температурный коэффициент удельного со­противления?

14. Уловия возникновения термо-ЭДС в проводниках?

15. Влияние примесей на электропроводность проводников?

16. Описать принцип работы проводниковой термопары?