Проводимость нержавеющей стали

Проводимость нержавеющей стали

Проводимость и сопротивление

У.с. показывает способность вещества препятствовать прохождению тока. Но в физике есть и обратная величина — проводимость. Она показывает способность проводить электрический ток. Выглядит она так:

σ=1/ρ, где ρ – это и есть удельное сопротивление вещества.

Если говорить о проводимости, то она определяется характеристиками носителей зарядов в этом веществе. Так, в металлах есть свободные электроны. На внешней оболочке их не больше трех, и атому выгоднее их «отдать», что и происходит при химических реакциях с веществами из правой части таблицы Менделеева. В ситуации же, когда мы располагаем чистым металлом, он имеет кристаллическую структуру, в которой эти наружные электроны общие. Они-то и переносят заряд, если приложить к металлу электрическое поле.

В растворах носителями заряда являются ионы.

Если говорить о таких веществах, как кремний, то по своим свойствам он является полупроводником и работает несколько по иному принципу, но об этом позже. А пока разберемся, чем же отличаются такие классы веществ, как:

Проводники и диэлектрики

Есть вещества, которые ток почти не проводят. Они называются диэлектриками. Такие вещества способны поляризоваться в электрическом поле, то есть их молекулы могут поворачиваться в этом поле в зависимости от того, как распределены в них электроны. Но поскольку электроны эти не являются свободными, а служат для связи между атомами, ток они не проводят.

Проводимость диэлектриков почти нулевая, хотя идеальных среди них нет (это такая же абстракция, как абсолютно черное тело или идеальный газ).

Условной границей понятия «проводник» является ρ

Удельное электрическое сопротивление стали при различных температурах

Представлены таблицы значений удельного электрического сопротивления сталей различных типов и марок в зависимости от температуры — в диапазоне от 0 до 1350°С.

В общем случае, удельное сопротивление определяется только составом вещества и его температурой, оно численно равно полному сопротивлению изотропного проводника, имеющего длину 1 м и площадь поперечного сечения 1 м2.

Удельное электрическое сопротивление стали существенно зависит от состава и температуры. При повышении температуры этого металла увеличивается частота и амплитуда колебаний атомов кристаллической решетки, что создает дополнительное сопротивление прохождению электрического тока через толщу сплава. Поэтому, с ростом температуры сопротивление стали увеличивается.

Изменение состава стали и процента содержания в ней легирующих добавок значительно сказывается на величине электросопротивления. Например, углеродистые и низколегированные стали в несколько раз лучше проводят электрический ток, чем высоколегированные и жаропрочные, которые имеют высокое содержание никеля и хрома.

Урок 294. Основы электронной теории электропроводности металлов (Aug 2019).

Электропроводность в металлах является результатом движения электрически заряженных частиц.

Атомы металлических элементов характеризуются наличием валентных электронов – электронов во внешней оболочке атома, которые могут свободно перемещаться. Именно эти «свободные электроны» позволяют металлам проводить электрический ток.

Поскольку валентные электроны свободны в движении, они могут проходить через решетку, которая образует физическую структуру металла.

Читать также: Формула коэффициента жесткости пружины через период

Под электрическим поле свободные электроны движутся по металлу так же, как бильярдные шарики, сбивающиеся друг с другом, пропуская электрический заряд по мере их перемещения.

Передача энергии сильней, когда сопротивление мало. На бильярдном столе это происходит, когда мяч ударяет по другому одиночному шару, передавая большую часть своей энергии на следующий мяч. Если один мяч ударяет по нескольким другим шарам, каждый из них будет нести только часть энергии.

К тому же наиболее эффективными проводниками электричества являются металлы, которые имеют один валентный электрон, который свободно перемещается и вызывает сильную реакцию отталкивания в других электронах. Это имеет место в наиболее проводящих металлах, таких как серебро, золото и медь, каждый из которых имеет единственный валентный электрон, который движется с небольшим сопротивлением и вызывает сильную отталкивающую реакцию.

Полупроводниковые металлы (или металлоиды) имеют большее количество валентных электронов (обычно четыре или более), поэтому, хотя они могут проводить электричество, они неэффективны в задаче.

Однако при нагревании или легировании другими элементами полупроводники, такие как кремний и германий, могут стать чрезвычайно эффективными проводниками электричества.

Проводимость в металлах должна следовать закону Ома, который утверждает, что ток прямо пропорционален электрическому полю, приложенному к металлу. Ключевой переменной при применении Закона Ома является удельное сопротивление металла.

Сопротивление противоположно электропроводности, оценивая, насколько сильно металл выступает против потока электрического тока. Это обычно измеряется через противоположные поверхности однометрового куба материала и описывается как омметр (Ω⋅m). Сопротивление часто представлено греческой буквой rho (ρ).

Электропроводность, с другой стороны, обычно измеряется сименсами на метр (S⋅m -1 ) и представлена ​​греческой буквой сигма (σ). Один сименс равен обратному одному ому.

Проводимость и сопротивление в металлах

Материал

Сопротивление p (Ω • м) при 20 ° C

Проводимость σ (S / m) при 20 ° C

Читать также: Чем отличается отбойный молоток от перфоратора

* Примечание: удельное сопротивление полупроводников (металлоидов) сильно зависит от присутствия примесей в материале.

Исходные данные диаграммы

Eddy Current Technology Inc. URL: // вихревые токи. com / проводимость-металлов-сортировка по удельному сопротивлению / Википедия: Электропроводность URL: // ru. википедия. орг / вики / Electrical_conductivity

Удельное сопротивление — прикладное понятие в электротехнике. Оно обозначает то, какое сопротивление на единицу длины оказывает материал единичного сечения протекающему через него току — другими словами, каким сопротивлением обладает провод миллиметрового сечения длиной один метр. Это понятие используется в различных электротехнических расчетах.

Важно понимать различия между удельным электрическим сопротивлением постоянному току и удельным электросопротивлением переменному току. В первом случае сопротивление вызывается исключительно действием постоянного тока на проводник. Во втором случае переменный ток (он может быть любой формы: синусоидальной, прямоугольной, треугольной или произвольной) вызывает в проводнике дополнительно действующее вихревое поле, которому также создается сопротивление.

Физическое представление

В технических расчетах, предполагающих прокладку кабелей различных диаметров, используются параметры, позволяющие рассчитать необходимую длину кабеля и его электрические характеристики. Одним из основных параметров является удельное сопротивление. Формула удельного электрического сопротивления:

  • ρ — это удельное сопротивление материала;
  • R — омическое электросопротивление конкретного проводника;
  • S — поперечное сечение;
  • l — длина.

Размерность ρ измеряется в Ом•мм 2 /м, или, сократив формулу — Ом•м.

Значение ρ для одного и того же вещества всегда одинаковое. Следовательно, это константа, характеризующая материал проводника. Обычно она указывается в справочниках. Исходя из этого уже можно проводить расчет технических величин.

Важно сказать и об удельной электрической проводимости. Эта величина является обратной удельному сопротивлению материала, и используется наравне с ним. Ее также называют электропроводностью. Чем выше эта величина, тем лучше металл проводит ток. Например, удельная проводимость меди равна 58,14 м/(Ом•мм 2 ). Или, в единицах, принятых в системе СИ: 58 140 000 См/м. (Сименс на метр — единица электропроводности в СИ).

Удельная электрическая проводимость воды

Данные относятся к предельно чистой воде, перегнанной в вакууме.

Удельная электрическая проводимость воды, перегнанной в присутствии воздуха, при 20–25 °C составляет (1–2) · 10–6 См/м.

T, °C æ · 106, См/м
–2 1,47
1,58
2 1,80
4 2,12
10 2,85
18 4,41
20 4,85
26 6,70
30 8,15
34 9,62
50 18,9

Удельная электрическая проводимость жидкостей

Полупроводники обладают собственными свойствами, влияющими на проводимость. Основой их проводимости является р-п переход. Повышение температуры вызывает увеличение удельного сопротивления вещества. При этом, возрастает количество свободных электронов, на месте которых остаются виртуальные заряды, называемые дырками.

Поэтому, основной особенностью электрического тока в полупроводниках, является движение не только свободных электронов, но и дырок. При росте температуры, проводимость увеличивается из-за резкого снижения сопротивления.

Что такое нержавеющая сталь? [ Часть 2]

Нержавейка или нержавеющая сталь — это прочный металл, легированная сталь, отличающийся качеством высокой стойкости к коррозии. Устойчивость к коррозии в атмосфере и агрессивных средах, воздействию различных температур обеспечивают легирующие элементы, входящие в состав этого металла. Давайте рассмотрит некоторые важные особенности нержавеющей стали.

Предел текучести

В зависимости от марки нержавеющая сталь может обладать высокой прочностью и низким удлинением или низкой прочностью и высоким удлинением. По пределу текучести они очень хорошо уступают углеродистым сталям.

Прочность при высоких температурах

Нержавеющая сталь сравнительно лучше других углеродистых сталей работает при более высоких температурах. Она показывает лучшую огнестойкость благодаря высокому коэффициенту сохранения прочности при повышенных температурах (выше 500° C). Она также имеет лучший коэффициент сохранения жесткости, чем углеродистая сталь при температуре выше 300 ° C.

Предел прочности

Что касается прочности на разрыв , нержавеющая сталь превосходит такие материалы, как алюминий, латунь и низкоуглеродистая сталь.

Самый высокий предел прочности наблюдается у дисперсионно-твердеющих и мартенситных марок. Эти марки могут иметь предел прочности на разрыв, который в два раза больше, чем у широко распространенных марок 304 и 316. В частности, дуплексная сталь имеет высокое соотношение прочности и пластичности.

Криогенная стойкость

Некоторые марки нержавеющей стали отлично справляются с работой в более широком диапазоне температур. Аустенитные стали демонстрируют исключительную вязкость и повышенную прочность на разрыв при отрицательных температурах. Это расширяет сферу их использования, значительно открывая новые возможности для современных приложений.

Читайте также  Как правильно закалить сталь в домашних условиях

С другой стороны, ферритные, мартенситные и дисперсионно-твердые марки не так хороши при криогенных температурах, поскольку их ударная вязкость падает при понижении температуры.

Пластичность

Пластичность различных марок нержавеющей стали может существенно отличаться. Некоторые марки обладают высокой пластичностью, что позволяет использовать сложные процессы глубокой вытяжки.

Более высокая скорость упрочнения

Это свойство относится к способности металла увеличивать свою прочность за счет процессов холодной обработки. Нержавеющая сталь может быть подвергнута отжигу и холодной обработке, чтобы довести ее прочность до желаемого уровня.

Это означает, что одну и ту же марку стали можно использовать в различных областях, изменяя ее прочность. Например, одну и ту же сталь можно использовать в качестве пружины или гнущейся проволоки путем отжига и холодной обработки.

Электропроводность и магнетизм

Источник: Matweb

Как и все металлы, нержавеющая сталь проводит электричество. Однако, как и у всех сталей, эта проводимость чрезвычайно мала.

В отраслях, где высоки гигиенические стандарты или электроприборы могут подвергаться воздействию коррозионной или влажной среды, для защиты используются корпуса из нержавеющей стали.

Аустенитные нержавеющие стали немагнитны, однако холодная обработка может использоваться для создания магнитных свойств некоторых марок. Все остальные типы обладают магнитными свойствами.

Химические свойства нержавеющей стали

Химические свойства делают этот материал особенным и придают ему уникальность.

Высокая стойкость к окислению

Это отличительное свойство нержавеющей стали обеспечивает ее многочисленные уникальные применения в промышленности. Высокая стойкость к окислению — результат наличия хрома в нержавеющей стали. В некоторых сортах процентное содержание хрома может доходить до 26%.

Другие металлы могут быть защищены покрытиями и антикоррозийными красками, но как только они стираются, начинается коррозия. В случае нержавеющей стали любое удаление естественного покрытия оксида хрома из-за повреждения поверхности сопровождается образованием нового покрытия на открытой поверхности, которое предотвращает коррозию.

Биологическая инертность

Нержавеющая сталь биологически инертна, что делает ее логичным выбором для медицинского оборудования, такого как хирургические инструменты, травматические винты и пластины. Это свойство также делает его идеальным металлом для изготовления столовых приборов и кухонной техники.

Устойчивость к кислотам, щелочам и органическим материалам

Нержавеющая сталь устойчива к воздействию широкого спектра соединений. Она устойчива к кислотам, щелочам, а также к органическим соединениям. Устойчивость к кислотам различается для разных марок. Некоторые сорта могут противостоять высококонцентрированным кислотам, в то время как другие могут быть устойчивы только к низким концентрациям.

Подобная инертность наблюдается с щелочными и органическими соединениями. Это делает нержавеющую сталь очень подходящим материалом для использования в химической промышленности при хранении, транспортировке и других процессах.

Нержавеющая сталь также легко противостоит воздействию влаги, солей, серы, углекислого газа и хлоридов. Это помогает ему выжить в нескольких суровых условиях в течение более длительного периода, чем большинство других металлов.

Прочие свойства

Важные свойства не ограничиваются только механическими и химическими свойствами. В приведенном ниже списке есть и другие, которые пригодятся для различных областей промышленности.

Возможность вторичной переработки

Как уже упоминалось, нержавеющая сталь может быть переработана для производства новых изделий. Это снижает нагрузку на окружающую среду, поскольку для производства стали требуется меньше сырья, а также уменьшает образование отходов.

Ее небиоразлагаемая природа также предотвращает загрязнение ресурсов, поскольку она не разлагается и не просачивается в почву или водоемы.

Легко обрабатывается

Нержавеющая сталь хорошо поддается механической обработке, что позволяет дизайнеру создавать изделия сложной формы. Лазерная резка нержавеющей стали, обработка на станках с ЧПУ, гибка и т.д. доступны без специального оборудования.

Чистота

Изделия из нержавеющей стали легко чистить с помощью бытовых нетоксичных средств, таких как стиральный порошок, мыло или чистящие жидкости. Это позволяет им долго сохранять новый вид, увеличивая срок службы.

Это в конечном итоге снижает потери и делает первоначальную относительно дорогую покупку окупаемой в долгосрочной перспективе.

Эстетическая привлекательность

Изделия из нержавеющей стали имеют яркий блеск, что делает их идеальным выбором для открытых поверхностей. Доступен широкий выбор вариантов отделки — от яркого до матового. Она может быть матовой, гравированной, рельефной или тонированной.

Легирующие элементы

Что касается нержавеющей стали, на выбор предлагается большое количество марок. В зависимости от добавляемого легирующего элемента свойства могут значительно различаться. Все сводится к требованиям, предъявляемым к конкретной области применения.

Посмотрим, какие легирующие элементы можно добавлять и как они влияют на конечный продукт.

Хром является основным легирующим элементом нержавеющей стали. Это придает стали свойство быть «нержавеющей». Пассивный слой оксида хрома наряду с защитой поверхности также блокирует диффузию кислорода в металл, защищая внутреннюю структуру металла от коррозии.

Ионы оксида хрома также похожи по размеру на молекулы стали, что приводит к прочной связи между ними. Это позволяет ионам оксида оставаться прочно прикрепленными к поверхности при нормальных рабочих условиях.

Чтобы сталь была «нержавеющей», необходимо минимум 10,5%. Однако добавление еще большего количества хрома является обычным явлением для повышения коррозионной стойкости.

Хром также действует как стабилизатор феррита, вызывая образование микроструктуры феррита в сплаве.

Никель

Никель добавляется для дальнейшего повышения коррозионной стойкости. Он также является стабилизатором аустенита, стимулируя образование аустенита.

Добавление 8-9% никеля позволяет получить полностью аустенитную структуру, которая обеспечивает отличные сварочные свойства. Дальнейшее увеличение процентного содержания никеля приводит к улучшению свойств обрабатываемости и коррозионной стойкости.

Медь также действует как стабилизатор аустенита и улучшает свойства коррозионной стойкости и упрочнения.

Ее добавление позволяет получить изделия из нержавеющей стали, пригодные для работы в холодных условиях, это особенно нужно для изготовления винтов и гвоздей.

Кремний

Добавление кремния улучшает стойкость нержавеющей стали к высококонцентрированным азотной и серной кислотам. Это также способствует образованию феррита и делает металл стойким к окислению.

Азот является стабилизатором аустенита и улучшает прочность и стойкость к локальной коррозии. Локальная коррозия относится к таким явлениям, как точечная коррозия, щелевая коррозия и межкристаллитная коррозия.

Молибден

Молибден и вольфрам улучшают общую и локальную коррозионную стойкость. Первый является стабилизатором феррита и, следовательно, при использовании в аустенитных сплавах должен быть уравновешен стабилизаторами аустенита для поддержания аустенитного состава.

Молибден также увеличивает жаропрочность при добавлении в мартенситную нержавеющую сталь. Добавление вольфрама к молибдену также улучшает упомянутые выше свойства.

Марганец

Марганец улучшает свойства прочности, ударной вязкости и закаливаемости нержавеющей стали. Добавление марганца помогает металлу лучше работать при горячей обработке.

Марганец также способствует растворению азота в нержавеющей стали и поэтому может быть добавлен для замены никеля в нержавеющей стали азотом.

Заключение

Нержавеющая сталь, помимо обычных свойств стали, обладает стойкостью к коррозии и нагреву. Она обладает всеми преимуществами стали, а также некоторыми собственными. Она не подвержена коррозии, лучше переносит суровые условия окружающей среды и имеет более длительный срок службы.

Однако не совсем верно, что она защищена от загрязнений. Во-первых, устойчивость к коррозии зависит от марки. Однако ненормальные окружающие условия, такие как низкий уровень кислорода, плохая циркуляция и высокая соленость, могут привести к необратимому образованию пятен.

Несмотря на вышеупомянутые риски, нержавеющая сталь является прекрасным материалом и оказывает очень положительное влияние на отрасль в целом. Из-за большого количества марок с разными свойствами всегда есть марка, которая идеально подходит для применения. Важно правильно выбрать сорт, чтобы обеспечить рентабельное вложение.

ДОМОСТРОЙСантехника и строительство

  • Главная
  • Связаться с нами
  • Четверг, 12 декабря 2019 1:08
  • Автор: Sereg985
  • Прокоментировать
  • Рубрика: Строительство
  • Ссылка на пост
  • https://firmmy.ru/

Данный раздел сайта содержит сведения о классификации, назначении, заменителях, химическом составе, механических, физических, технологических и литейных свойствах нержавеющих сталей и сплавов.

Для этих материалов приведена информация о химическом составе, назначении, заменителях, температуре критических точек, а также данные о следующих свойствах материалов:

  • Механические свойства стали и сплавов
    (приводятся в зависимости от режима термообработки, сортамента, размеров и т.д.)
  • Твердость по Бринеллю;
  • Предел кратковременной прочности;
  • Предел пропорциональности;
  • Относительное удлинение при разрыве;
  • Относительное уменьшение поперечного размера образца;
  • Ударная вязкость.
  • Физические свойства материалов
    (приводятся в зависимости от температуры испытаний):
  • Модуль упругости первого рода;
  • Коэффициент температурного (линейного) расширения;
  • Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала);
  • Удельный вес материала;
  • Удельная теплоемкость материала;
  • Удельное электрическое сопротивление.
  • Технологические свойства:
  • Характеристики свариваемости;
  • Флокеночувствительность;
  • Склонность к отпускной хрупкости.

    Также для некоторых материалов приведены данные о коэффициенте трения, литейно-технологических и магнитных свойствах.

    Справочная информация

    Маркировка сталей

    В России и в странах СНГ принята разработанная раннее в СССР буквенно-цифровая система обозначения марок сталей и сплавов, где согласно ГОСТу, буквами условно обозначаются названия элементов и способов выплавки стали, а цифрами — содержание элементов.

    Обозначения элементов

    Общими для всех обозначениями являются буквенные обозначения легирующих элементов: Н — никель, Х — хром, К — кобальт, М — молибден, В — вольфрам, Т — титан, Д — медь, Г — марганец, С — кремний.

    Нержавеющие стали

    Стали нержавеющие стандартные, согласно ГОСТ 5632-72, маркируют буквами и цифрами — цифры после каждой буквы обозначают примерное содержание соответствующего элемента.

    Читайте также  Что такое углеродистая сталь где она используется

    Нержавеющие стали опытных партий

    обозначают буквами — индексами завода производителя и порядковыми номерами. Буквы ЭИ, ЭП, или ЭК присваивают сталям, впервые выплавленным заводом «Электросталь», ЧС — сталям выплавки Челябинского завода «Мечел», ДИ — сталям выплавки завода «Днепроспецсталь»

    Сопротивление изделий при контактной сварке зависит от материала этих изделий и температуры нагрева их. Сопротивление может быть определено исходя из следующих условий: а) расстояния между токоподводящими поверхностями; б) сечения в месте сварки; в) температуры нагрева.

    Сопротивление изделия или его участка, включенного в электрическую цепь контактной машины, определяется по уравнению:

    где R — сопротивление изделия (или участка) в ом; р — удельное сопротивление в ом*см (табл. 79); L — длина изделия (или участка) в см; F — площадь сечения в см 2 .

    В табл. 79 даны значения удельного сопротивления различных металлов. Удельное сопротивление металла оказывает существенное влияние на нагрев при контактной сварке. С уменьшением удельного сопротивления требуется больший ток, а следовательно, и более мощная машина. На удельное сопротивление в основном влияет состав металла и температура его нагрева. При нагреве чистых металлов удельное сопротивление возрастает и может быть определено по уравнению:

    где pt — удельное сопротивление при температуре t°С; РО — удельное сопротивление при 0°С; а — температурный коэффициент электрического сопротивления; Т — температура металла.

    Таблица 79. Удельное сопротивление различных металлов.

    Удельное сопротивление R × 10 —в омсм* при 20°С

    Представлены таблицы значений удельного электрического сопротивления сталей различных типов и марок в зависимости от температуры — в диапазоне от 0 до 1350°С.

    В общем случае, удельное сопротивление определяется только составом вещества и его температурой, оно численно равно полному сопротивлению изотропного проводника, имеющего длину 1 м и площадь поперечного сечения 1 м 2 .

    Удельное электрическое сопротивление стали существенно зависит от состава и температуры. При повышении температуры этого металла увеличивается частота и амплитуда колебаний атомов кристаллической решетки, что создает дополнительное сопротивление прохождению электрического тока через толщу сплава. Поэтому, с ростом температуры сопротивление стали увеличивается.

    Изменение состава стали и процента содержания в ней легирующих добавок значительно сказывается на величине электросопротивления. Например, углеродистые и низколегированные стали в несколько раз лучше проводят электрический ток, чем высоколегированные и жаропрочные, которые имеют высокое содержание никеля и хрома.

    Углеродистые стали

    Углеродистые стали при комнатной температуре, как уже было сказано, имеют низкое удельное электросопротивление за счет высокого содержания железа. При 20°С значение их удельного сопротивления находится в диапазоне от 13·10 -8 (для стали 08КП) до 20·10 -8 Ом·м (для У12).

    При нагревании до температур более 1000°С способность углеродистых сталей проводить электрический ток сильно снижается. Величина сопротивления возрастает на порядок и может достигать значения 130·10 -8 Ом·м.

    Удельное электрическое сопротивление углеродистых сталей ρэ·10 8 , Ом·м

    Низколегированные стали

    Низколегированные стали способны чуть более сильно сопротивляться прохождению электричества, чем углеродистые. Их удельное электросопротивление составляет (20…43)·10 -8 Ом·м при комнатной температуре.

    Следует отметить марки стали этого типа, которые наиболее плохо проводят электрический ток — это 18Х2Н4ВА и 50С2Г. Однако при высоких температурах, способность проводить электрический ток у сталей, приведенных в таблице, практически не различается.

    Удельное электрическое сопротивление низколегированных сталей ρэ·10 8 , Ом·м

    Высоколегированные стали

    Высоколегированные стали имеют удельное электрическое сопротивление в несколько раз выше чем углеродистые и низколегированные. По данным таблицы видно, что при температуре 20°С его величина составляет (30…86)·10 -8 Ом·м.

    При температуре 1300°С сопротивление высоко- и низко- легированных сталей становится почти одинаковым и не превышает 131·10 -8 Ом·м.

    Удельное электрическое сопротивление высоколегированных сталей ρэ·10 8 , Ом·м

    Хромистые нержавеющие стали

    Хромистые нержавеющие стали имеют высокую концентрацию атомов хрома, что увеличивает их удельное сопротивление — электропроводность такой нержавеющей стали не высока. При обычных температурах ее сопротивление составляет (50…60)·10 -8 Ом·м.

    Удельное электрическое сопротивление хромистых нержавеющих сталей ρэ·10 8 , Ом·м

    Хромоникелевые аустенитные стали

    Хромоникелевые аустенитные стали также являются нержавеющими, но за счет добавки никеля имеют удельное сопротивление почти в полтора раза выше, чем у хромистых — оно достигает величины (70…90)·10 -8 Ом·м.

    Удельное электрическое сопротивление хромоникелевых нержавеющих сталей ρэ·10 8 , Ом·м

    Жаропрочные и жаростойкие стали

    По своим электропроводящим свойствам жаропрочные и жаростойкие стали близки к хромоникелевым. Высокое содержание в этих сплавах хрома и никеля не позволяет им проводить электрический ток, подобно обычным углеродистым с высокой концентрацией железа.

    Значительное удельное электросопротивление и высокая рабочая температура таких сталей делают возможным их применение в качестве рабочих элементов электрических нагревателей. В частности, сталь 20Х23Н18 по своему сопротивлению и жаростойкости в некоторых случаях способна заменить такой популярный сплав для нагревателей, как нихром Х20Н80.

    Электропроводность стали и меди

    База знаний группы ICS – информация о структурированных кабельных системах (СКС), экологическому строительству, термографии, ЦОД, системах электроснабжения для профессионалов

    Достоинства и недостатки медных проводов

    Медь — это пластичный переходный металл. Имеет золотисто-розовый цвет, встречается в природе в виде самородков. Используется человеком с давних времен — в его честь была названа целая эпоха.

    В таблице дано удельное электрическое сопротивление стали и других металлов

    Сегодня медные провода часто используют в электронных устройствах. К их достоинствам относятся:

    • Высокая электропроводность (металл занимает второе место по этому показателю, уступая только серебру). По сравнению с алюминием медь эффективнее в 1,7 раза: при равном сечении медный кабель пропускает больше тока.
    • Сварку, пайку и лужение можно проводить без использования дополнительных материалов.
    • Провода обладают хорошей эластичностью и гибкостью, их можно сворачивать и сгибать без особого вреда.

    Медь лишь немного уступает серебру

    Однако до недавнего времени медные провода проигрывали алюминиевым из-за нескольких недостатков:

    • Высокая плотность: при разных размерах медный провод будет весить больше, чем алюминиевый;
    • Цена: алюминий в несколько раз дешевле;
    • Медь окисляется на открытом воздухе: впрочем, это не влияет на ее работу и легко устраняется.

    Медь – основной материал для проводников

    Квалифицированный выбор подходящего материала сопровождается комплексной оценкой нескольких факторов. Медный проводник не повреждается коррозией, потому что на поверхности образуется защитный слой из окислов. Структурная целостность сохраняется при малом радиусе поворота, после многократных изгибов. Отмеченные параметры пригодятся для оснащения помещений с повышенной влажностью и прокладки линий сложной конфигурации.

    Тем не менее, главным преимуществом является малое сопротивление проводов из меди. Кроме улучшения токопроводимости с одновременным снижением потерь при передаче энергии, следует отметить уменьшение веса и размеров кабельной продукции, по сравнению с альтернативными вариантами.

    Углеродистые стали

    Углеродистые стали при комнатной температуре, как уже было сказано, имеют низкое удельное электросопротивление за счет высокого содержания железа. При 20°С значение их удельного сопротивления находится в диапазоне от 13·10 -8 (для стали 08КП) до 20·10 -8 Ом·м (для У12).

    При нагревании до температур более 1000°С способность углеродистых сталей проводить электрический ток сильно снижается. Величина сопротивления возрастает на порядок и может достигать значения 130·10 -8 Ом·м.

    Удельное электрическое сопротивление углеродистых сталей ρэ·10 8 , Ом·м

    Температура, °С Сталь 08КП Сталь 08 Сталь 20 Сталь 40 Сталь У8 Сталь У12
    12 13,2 15,9 16 17 18,4
    20 13 14,2 16,9 17,1 18 19,6
    50 14,7 15,9 18,7 18,9 19,8 21,6
    100 17,8 19 21,9 22,1 23,2 25,2
    150 21,3 22,4 25,4 25,7 26,8 29
    200 25,2 26,3 29,2 29,6 30,8 33,3
    250 29,5 30,5 33,4 33,9 35,1 37,9
    300 34,1 35,2 38,1 38,7 39,8 43
    350 39,3 40,2 43,2 43,8 45 48,3
    400 44,8 45,8 48,7 49,3 50,5 54
    450 50,9 51,8 54,6 55,3 56,5 60
    500 57,5 58,4 60,1 61,9 62,8 66,5
    550 64,8 65,7 68,2 68,9 69,9 73,4
    600 72,5 73,4 75,8 76,6 77,2 80,2
    650 80,7 81,6 83,7 84,4 85,2 87,8
    700 89,8 90,5 92,5 93,2 93,5 96,4
    750 100,3 101,1 105 107,9 110,5 113
    800 107,3 108,1 109,4 111,1 112,9 115
    850 110,4 111,1 111,8 113,1 114,8 117,6
    900 112,4 113 113,6 114,9 116,4 119,6
    950 114,2 114,8 115,2 116,6 117,8 121,2
    1000 116 116,5 116,7 117,9 119,1 122,6
    1050 117,5 117,9 118,1 119,3 120,4 123,8
    1100 118,9 119,3 119,4 120,7 121,4 124,9
    1150 120,3 120,7 120,7 122 122,3 126
    1200 121,7 122 121,9 123 123,1 127,1
    1250 123 123,3 122,9 124 123,8 128,2
    1300 124,1 124,4 123,9 124,6 128,7
    1350 125,2 125,3 125,1 125 129,5

    Таблица удельных сопротивлений проводников. Таблица удельных сопротивлений металлов. Зависимость сопротивления металлов от температуры. Температурный коэффициент электрического сопротивления металлов α .

    Удельное сопротивление
    ПЃ, РћРј*РјРј2/Рј

    Электропроводность металлов

    Физическая природа электропроводности металлов.

    Основные сведения о МЭТ. Материалы- это исходные вещества для производства продукции или вспомогательные вещества для проведения производственных процессов.Материалы делятся на:Сырье — это материалы, которые подлежат дальнейшей обработке (древесина, газ, руда).Полуфабрикаты — это материалы уже обработанные, но которые должны еще пройти стадии обработки для того чтобы стать готовым изделием.По общей специализации материалы делятся на: проводники, полупроводники, диэлектрики, магнитные материалы

    Классификация материалов.

    Материалы используемые в электронной технике, подразделяют на 1) электротехнические, 2) конструкционные, 3) специального назначения. Электротехническими называют материалы характеризуемые определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяемые в технике с учетом этих свойств. По поведению в магнитном поле электротехнические материалы подразделяют на сильномагнитные и слабомагнитные. Большинство этих материалов можно отнести к слабомагнитным. По поведению в электрическом поле материалы подразделяют на 1.Проводниковые– материалы основными свойствами которых является сильно выраженная электропроводность. 2.Полупроводниковые – материалы по удельной проводимости, являющиеся промежуточными между проводниковыми и диэлектрическими материалами отличительными свойствами которых является сильная зависимость удельной проводимости от концентрации примесей и дефектов, и их вида, а также от внешних энергетических воздействий. 3. Диэлектрические– материалы основными электрическими свойствами которых является низкая удельная электропроводность, а также способность к поляризации и в которых может существовать электростатическое поле.

    Виды химической связи.

    1.Ковалентная связь – химическая связь, образующаяся за счет обобществления электронов соседних атомов в общую электронную пару. При обобществлении электронов, происходит втягивание электронных облаков пространства между ядрами, появление состояния с повышенной плотностью электронного заряда в межъядерном пространстве и приводит к возникновению силы притяжения. Молекулы с ковалентной связью бывают полярными и неполярными. Молекулы, в которых центры полож. и отриц. совпадают называются неполярными, в которых не совпадают, называются полярными.

    2.Ионная связь – это химическая связь, возникающая вследствие перехода электрона от металлического атома к металлоидному, и электростатического притяжения, разноименно заряженных ионов друг к другу. Этот вид связи реализуется в ионных кристаллах к которым относятся соли, оксиды, основания.

    3.Металлическая связь – это химическая связь характерная для металлов, которая основывается на взаимопритяжении, положительно заряженного остова, образуемого кристаллической решеткой и электронного газа, имеющего отрицательный заряд и образуемого из свободных электронов. Притяжение между положительно заряженным остовом и электронным газом обуславливает целостность металлов. Специфика металлической связи заключается в том, что в обобществлении электронов, участвуют все атомы в кристаллах и обобществленные электроны, не локализуются около своих атомов, а свободно перемещаются вдоль всей решетки, образуя электронный газ.

    4. Молекулярная связь или Ван дер Вальса –эта химическая связь образуется за счет межмолекулярного притяжения, при сопоставлении движения валентных электронов в соседних молекулах, при этом в любой момент времени, электроны должны быть максимально удалены друг от друга и максимально приближенны к положительным ядрам, тогда сила притяжения валентных электронов ядром соседней молекулы оказывается сильнее, силы взаимного отталкивания электронных оболочек этих молекул.

    Особенности строения твердых тел.

    Большинство материалов электронной техники представляют собой твердые тела, основная масса которых имеет кристаллическую решетку, обуславливающую периодическое электростатическое поле. Периодичность структуры является характерным свойством кристаллов. В периодической решетке всегда можно выделить элементарную ячейку, транслируя которую в пространстве легко получить представление о структуре всего кристалла. Кристаллические тела могут быть в виде отдельных кристаллов, монокристаллов или состоять из совокупности большого числа меньших кристалликов, зёрен. В случае поликристалла в пределах каждого зерна, атомы расположены периодически, но при переходе от одного зерна к другому, на границах раздела, регулярное расположение частиц нарушается. Кристаллов с идеальным строением не существует, происходят отклонения из-за дефектов. Их условно подразделяют на динамические или временные, и статические или постоянные. Динамические дефекты возникают при механических, тепловых или электромагнитных воздействиях на кристалл при прохождении через него потока частиц высокой энергии. Среди статических дефектов различают атомные или точечные, протяженные дефекты. Атомные могут проявляться в виде незанятых узлов решеток, называемых вакансиями в виде смещения атома из узла в междоузлие, в виде внедрения в решетку чужеродных атомов иди ионов. К протяженным дефектам относятся дислокации, то есть смещение, поры, трещины, границы зёрен и др. Некоторые твердые вещества обладают способностью образовывать не одну, а две или более кристаллические структуры, устойчивые при различных температурах, называют полиморфизмом.

    Зонная теория твердого тела.

    Зонная теория ТТ – это теория валентных электронов, движущихся в потенциальном периодическом поле в кристаллической решетке. Отдельные атомы могут иметь отдельный энергетический спектр, то есть электроны могут занимать лишь определенные энергетические уровни. Часть этих уровней, заполнена при нормальном невозбужденном состоянии атома, на других уровнях атомы могут находится лишь тогда, когда атом подвергается внешнему энергетическому воздействию, то есть когда он возбужден. Энергетическая диаграмма атома –эта диаграмма показывает энергетическое состояние валентных электронов в атоме и самого атома. (E – энергия валентных электронов, E0 – основной уровень энергии атома характеризующий минимально возможное значение атома, Ei­ – энергия ионизации) Возбужденное состояние атома – это такое состояние когда атом обладает энергией, большей по сравнению с минимально возможной. При сближении атомов, происходит перекрытие электронных оболочек, а это в свою очередь существенно изменяет характер движения электронов. Благодаря перекрытию оболочек, электроны могут без изменения энергии, посредством обмена, переходить от одного атома к другому. То есть перемещаться по кристаллу и становиться обобществленным, вследствие этого, дискретные энергетические уровни изолированного атома, расщепляются в энергетические зоны. Разрешенные энергетические зоны разделены запрещенными интервалами энергии, каждая из запрещенных энергетических зон, состоит из множества энергетических уровней, их количество определяется числом атомов, составляющих твердое тело, нижнюю заполненную валентными электронами зону, называют валентной, она соответствует энергетическим уровням валентных электронов. Валентную зону называют зоной проводимости, дно этой зоны соответствует энергии ионизации атомов, составляющих твердое тело. В запрещенной зоне, уровни энергии отсутствуют, характер энергетического спектра у проводников, полупроводников, диэлектриков существенно различаются. В проводниках валентная зона перекрывается зоной проводимости, в полупроводниках и диэлектриках, зоны проводимости и валентная зона разделены некоторым энергетическим зазором называемым запрещенной зоной. К полупроводникам относят вещества, у которых запрещенная зона меньше 3-ех ЭВ. С более широкой, относят к диэлектрикам. У реальных диэлектриков ширина ЗЗ может достигать 10 ЭВ.

    В полупроводниках и диэлектриках при низких температурах, все электроны находятся в валентной зоне, а зона проводимости абсолютно свободна. Для проявления электропроводности, электроны необходимо перевести из валентной зоны в зону проводимости. Энергии электрического поля недостаточно, для осуществления такого перехода, требуется более сильное энергетическое воздействие. При переходе электронов из валентной зоны в зону проводимости в валентной зоне появляются энергетические вакансии, называемые дырками.

    Общие свойства проводников.

    К твердым проводникам относят металлы, сплавы и модификации углерода. К жидким проводникам относят расплавы металлов и электролиты. Все проводники делятся на два рода. Механизм протекания токов по металлам обусловлен движением электронов (электронная проводимость, проводники I рода). К проводникам II рода относят растворы кислот, щелочей, солей и ионные растворы (перенос заряда через ионы). Газы в обычных состояниях проводниками не являются, однако в результате ионизации в них может проявляться проводимость. Предельным случаем является плазма – сильно ионизированный газ с квазиравновесием положительных и отрицательных зарядов. Плазма очень хороший проводник – равновесная проводящая среда. В металлах проводимость электронная, электроны имеют маленькую массу (9,1 10-31 кг)и хорошую подвижность, поэтому они не только переносят энергию, но и выравнивают скорости движения атомов и молекул по объему, сравнивая температуру по образцу. Следовательно, все металлы имеют хорошую теплопроводность. При в металлах наблюдаются сложные квантовые эффекты.

    Физическая природа электропроводности металлов.

    В основу классической электронной теории металлов положено представление об электронном газе, состоящем из свободных коллективизированных электронах. Приложение внешнего напряжения, приводит к увеличению количества электронов в направлении действующих сил поля, то есть, электроны получают некоторую добавочную скорость направленных движений, благодаря чему и возникает электрический ток. Плотность тока в проводнике равна , е – заряд электрона, n – концентрация свободных электронов, V – средняя скорость направленного движения носителей заряда. Называемая скоростью дрейфа. Удельная проводимость равна ,l – средняя длина свободного пробега электронов, m0 масса электрона, U – средняя плотность теплового движения. Электроны в металле переносят не только электрический заряд, но и выравнивают в нем температуру. Обеспечивая высокую теплопроводность. Молекулярная теплоемкость, кристаллической решетки любого ТТ составляет 3R, где R- универсальная газовая постоянная. Квантовая статистика базируется на принципе Паули – согласно которому в каждом энергетическом состоянии в атоме может находится только один электрон. В квантовой теории вероятность заполнения энергетических состояний электронами определяется функцией Фирни

    , где E – энергия уровня, вероятность заполнения которого определяется EF – энергия Фирни, k- постоянная Больцмана, T- температура. Энергия Фирни определяет максимальное значение энергии, которую может иметь электрон в металле при температуре абсолютного нуля, эту энергию называют так же уровнем Фирни. Соответствующий ей потенциал называется электрохимическим потенциалом .

    Электропроводность металлов

    Дрейф электронов определяет величину плотности электрического тока в кристалле. Построим мысленно в объеме проводника цилиндр с основанием, равным единице площади, и образующей, равной скорости дрейфа vдр

    и направленной вдоль дрейфа (рис. 7.2). Все электроны, заключенные в этом цилиндре, в течение
    1 с
    пройдут через его основание и образуют ток с плотностью


    , (7.8)