: Металлургия: образование, работа, бизнес :: MarkMet.ru

СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ СВИНЦА

Свинец (РЬ) — синевато-серый металл с сильным металлическим блеском в свежем срезе. Латинское название элемента «плумбум» происходит от «плумбум нигрум» — черное олово (в отличие от «плумбум албум»— белое олово). Впоследствии слово «плумбум» стали относить только к свинцу. Свинец является конечным продуктом распада радиоактивных элементов: урана, тория, радия. Обычный свинец является смесью свинца различного происхождения.

В химических соединениях свинец чаще всего двухвалентен, но встречается и четырехвалентный свинец. Кристаллизуется свинец в кубической системе. Тепло- и электропроводность свинца примерно в 10 раз меньше, чем у меди. При низких температурах свинец обладает сверхпроводимостью. Основные свойства свинца приведены ниже:

Атомная масса	207,2
Плотность при 20°С, г/см3	11,34
Температура, °С
плавления	327,4
кипения	1750
Удельная теплота , кал/г
плавления	5,75
испарения	206
Удельная теплоемкость при , кал/(г·град)	0,034
Теплопроводность при 20°С, кал/(см·сек·град)	0,83
Удельное электросопротивление при 20°С, ом· мм2/м	0,218
Временное сопротивление свинца, кГ/мм2	2
Относительное удлинение свинца, %	50-70

 

Свинец — мягкий, ковкий и очень пластичный металл. Он легко прокатывается в тонкие листы и ленты, продавливается на прессах в трубы, из него изготовляют проволоку. Часто свинец прокатывают в виде широких длинных сворачиваемых листов (роллей).

В сухом воздухе при нормальной температуре свинец практически не окисляется. Он хорошо сопротивляется воздействию серной кислоты (с концентрацией до 80%) и не растворяется в плавиковой, фосфорной и хромовой кислотах, в большинстве органических кислот и щелочах. Интенсивно растворяется свинец в азотной кислоте.

Мягкая питьевая вода также способна растворять свинец. Слабо действуют на свинец морская вода и рудничные воды.

Газы: хлор, сероводород, сернистый газ, ангидрид серной кислоты почти не действуют на свинец как в сухом, так и во влажном состоянии. В сухих парах брома при низких температурах свинец также устойчив- Под действием фтористого водорода свинец быстро корродирует.

При соединении свинца с кислородом могут образоваться закись свинца Рb₂O, окись свинца, или глет, РbО, трехокись свинца Рb2O3, сурик Рb3O4, двуокись свинца РbO₂.

Окись свинца легко отдает свой кислород веществам, способным окисляться, и поэтому является сильным окислителем. Она является амфотерным соединением и способна вступать во взаимодействие как с кислотами, так и с основными окислами и почти не разлагается даже при весьма высоких температурах.

(В присутствии кислорода при нагревании до температуры 400—500°С получается сурик по реакции

6 РbО + O₂ = 2 Рb₃O₄.

При более высоких температурах сурик разлагается на глет и кислород.

С серой свинец образует сульфид PbS, который широко распространен в природе в виде минерала свинцового блеска (галенита). В расплавленном состоянии он очень жидкотекуч и легко проникает даже в поры огнеупорных материалов. При нагревании сульфид свинца испаряется. Он легко окисляется воздухом.

Сульфид свинца при высоких температурах взаимодействует с железом, медью, алюминием и марганцем. С сульфидами других металлов он образует штейн.

Пары свинца, а также многие его химические соединения ядовиты. Рекристаллизация свинца происходит при температурах ниже комнатной. Поэтому получить свинец в наклепанном состоянии при комнатной температуре невозможно.

Механические и физико-химические свойства свинца сильно изменяются под влиянием примесей.

Висмут и цинк понижают кислотоупорность свинца. Натрий, кальций и магний резко повышают прочность и твердость свинца, но снижают его химическую стойкость. Медь увеличивает устойчивость свинца против действия серной кислоты. Сурьма повышает твердость и кислотоупорность свинца в отношении серной кислоты. Барий и литий повышают твердость, а кадмий, теллур и олово — твердость и сопротивление усталости свинца.

Большое количество свинца расходуют в настоящее время на производство аккумуляторов и в кабельном производстве, хотя в последнем случае его все в большей мере заменяют синтетическими материалами. Свинец широко применяют для производства различных сплавов, в том числе антифрикционных сплавов (баббитов), свинцовых бронз, свинцовооловянных припоев, легкоплавких свинцовокадмиевооловянных сплавов, типографских сплавов, для производства фольги. Используют его также для сооружений, защищающих от радиоактивных излучений, и для многих других целей.

Теплопроводность разных материалов

Теплопроводность — способность материала передавать теплоту. Для количественного определения этой характеристики используется коэффициент теплопроводности, который равен количеству тепла, проходящему за 1 час через образец материала толщиной 1 м и площадью 1 м 2 при разности температур на противоположных поверхностях 1°С. Теплопроводность выражается в Вт/(м К) или Вт/(м градус Цельсия).

Теплопроводность зависит от средней плотности и химико-минерального состава материала, его структуры, пористости, влажности и средней температуры материала. Чем больше пористость (меньше средняя плотность), тем ниже теплопроводность материала. С увеличением влажности материала теплопроводность резко увеличивается, т.е. снижаются показатели теплоизоляционных свойств материала.

Теплопроводность некоторых материалов, Вт/(м*k)

Хорошие проводники тепла

Серебро	407
Медь	384
Золото	308
Алюминий	209
Латунь	111
Платина	70
Олово	65
Серый чугун	50
Бронза	47-58
Сталь	47
Свинец	35

Плохие проводники тепла

Ртуть	8,2
Котельная накипь	~3
Мрамор	2,8
Лёд (0°С)	2,23
Песчаник	~2
Фарфор	~1,4
Кварцевое стекло	1,36
Бетон	0,7-1,2
Стекло	~0,7
Кирпич	~0,7
Вода	0,58

Теплоизоляторы

Асбест	0,4-0,8
Поливинилхлорид	~0,17
Кожа	~0,15
Дерево	0,1-0,2
Древесный уголь	0,1-0,17
Пробка	~0,05
Стекловата	~0,05
Шамот	0,04
Пенопласт	0,04
Воздух	0,034
Перо	0,02
Вакуум	0,00

Руководство по материалам электротехники для всех. Часть 3

Продолжение руководства по материалам электротехники. В этой части заканчиваем разбирать проводники: Углерод, Нихромы, термостабильные сплавы, припои — олово, прозрачные проводники.

Добро пожаловать под кат (ТРАФИК)

Хочу сказать спасибо всем за дельные комментарии к предыдущим частям, мой список TODO растет. Если тенденция сохранится, то итоговую версию руководства в формате pdf я опубликую не в 11 части, как планировал, а отдельно 12й частью вместе со списком доработок и улучшений. Оставляйте пожелания в комментариях какие места требуют более подробного обьяснения.

Эта часть посвящена «так себе проводникам» — материалам которые проводят ток, но делают это весьма паршиво, и с этим мирятся только благодаря каким-то особым свойствам материала, которого нет у других проводников.

Углерод

С — углерод. Не совсем металл, но тоже проводник. Графит, угольная пыль — не такие хорошие проводники как металлы, но зато очень дешевые, не подвержены коррозии.

Примеры применения

Компонент резисторов. В виде пленок, в виде объемных брусков в диэлектрической оболочке.

Добавка в полимеры для придания электропроводности. Для защиты от образования статического электричества достаточно ввести в состав полимера мелкодисперсный графит, и пластик из диэлектрика становится очень плохим проводником, достаточным, что бы статический заряд с него стекал. При работе с изделиями из такого пластика они не будут прилипать и искрить, что важно при пожароопасности или работе с электроникой.

Токопроводящий лак на базе суспензии графита.

На базе полимеров, заполненных мелкодисперсным графитом, основаны различные нагреватели — пленочные электронагреватели теплых полов, греющие кабели для систем водоснабжения, нагреватели для одежды и т.д. Высокий коэффициент расширения полимеров при нагреве приводит к отрицательной обратной связи, что делает такие нагреватели саморегулирующимися и потому безопасными. При пропускании тока через такой полимер, он нагревается, от нагрева расширяется, контакт между частичками углерода в матрице из полимера ухудшается, от этого увеличивается сопротивление — уменьшается протекаемый ток, уменьшается нагрев. В итоге, устанавливается некоторая температура полимера, стабильно поддерживающаяся этим механизмом обратной связи без каких либо внешних устройств.

Нагреватель от печки лазерного принтера. Основа — фарфор, проводники — серебро. Нагреватель — углеродная композиция, покрыта для защиты слоем глазури.

Аналогично устроены полимерные самовосстанавливающиеся предохранители. Если ток через такой предохранитель превысит номинальный, от нагрева полимер в составе расширяется, и резко увеличившееся сопротивление прерывает ток через предохранитель до некоторого небольшого значения. Такие предохранители обеспечивают медленную защиту, но не требуют замены предохранителя после каждой аварии.

Угольный сварочный электрод — используется для сварки, когда от электрода требуется только поддерживать дугу не плавясь. Уголь значительно дешевле вольфрама, но менее прочен и постепенно сгорает на воздухе.

Электроды от дуговой лампы, использовавшейся для киносъемок. Марка электродов КСБ — Уголь КиноСьемочный Белопламенный неомедненный.

Медно-графитовые материалы. Получают спеканием порошка меди и графита в разных пропорциях. В зависимости от состава могут быть от чёрных как уголь до темно красных с медным блеском. Используется как материал скользящих контактов — щеток электрических приборов. Такие щетки обеспечивают низкое сопротивление вращению — хорошо скользят по контактам коллектора. Кроме того их твёрдость заметно ниже твёрдости металла коллектора, так что в процессе работы истираются и подлежат замене дешевые щетки а не дорогой ротор.

Изношенные щетки от двигателя стиральной машины. Плохой контакт щеток с коллектором — причина повышенного искрения.

Источники

Если вдруг понадобился срочно угольный электрод, например сварить термопару, самый доступный способ — вытащить центральный электрод из солевой батарейки (маркировка которой начинается с R а не LR, щелочные («алкалиновые») не подойдут). Угольный стержень из батарейки содержит в себе следы электролита, поэтому перед применением не лишнем будет промыть и прокипятить его в воде для удаления остатков электролита.

Нихромы

Для изготовления нагревателей, мощных сопротивлений требуются сплавы со следующими требованиями:

• Относительно высокое удельное сопротивление — иначе нагреватель придется делать длинным и тонким, что отрицательно скажется на долговечности.
• Устойчивость к окислению на воздухе. Если в колбу лампы накаливания попадет воздух, то спираль очень быстро сгорит. При высоких температурах скорости химических реакций растут, и кислород воздуха начинает окислять даже стойкие при комнатной температуре металлы.
• Иметь приемлемые механические характеристики. Низкая пластичность и повышенная хрупкость негативно скажется на надежности изделия.

Нагреватели обычно изготавливают из следующих сплавов:

Нихром (55-78% никеля, 15-23% хрома) рабочая температура до 1100 °C хотя нихромы — это целый класс сплавов с небольшой разницей в составе.
Фехраль, название образовано от состава FeCrAl (12-27% Cr, 3.5-5.5% Al, 1% Si, 0.7% Mn, остальное Fe) рабочая температура до 1350 °C (Иногда называют канталом — kanthal, это не марка сплава, а торговая марка, которая стала нарицательной, как например «термос»).

Добавка хрома обеспечивает образование защитной пленки на поверхности сплава, благодаря чему нагреватели из нихрома могут длительное время работать на воздухе с высокой температурой поверхности.

Фехраль после нагрева становится ломким. Нихром после нагрева еще можно как-то гнуть. При этом фехраль дешевле нихрома, в рознице не так заметно, но ощутимо в оптовых партиях.

Нихромовая спиралька с фитилем внутри — испаритель электронной сигареты. Нихромовой струной, подогреваемой электрическим током, режут пенополистирол. Также из нихрома изготавливают термосьемники изоляции — на сегодняшний день самый надежный способ снять изоляцию с провода и не повредить токопроводящую жилу.

На удивление, достаточно трудно купить нихром в виде проволоки в небольших количествах, местные продавцы о количествах менее килограмма даже слышать не хотят. Так что, если понадобится изготовить нагревательный элемент — то проще перемотать нихром с какогонибудь неисправного тепловентилятора.

Концы нагревательных элементов обычно приваривают к тоководам или зажимают механически — винтом или опрессовкой.

Сплавы для изготовления термостабильных сопротивлений

У всех материалов есть ТКС — температурный коэффициент сопротивления, мера того, насколько изменяется сопротивление с изменением температуры. Он может быть положительным — как у металлов, с ростом температуры сопротивление растет, может быть отрицательным, как у полупроводников, с ростом температуры сопротивление падает. При изготовлении точных измерительных приборов необходимо иметь сопротивления с минимальным дрейфом номинала в зависимости от температуры. Для этого изобрели сплавы с минимальным ТКС:

Константан (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn)
Манганин (85% Cu, 11.5-13.5% Mn, 2.5-3.5% Ni)

Таблица, с указанием температурного коэффициента (обозначается как α) для различных
металлов:

Материал	Температурный коэффициент α
Кремний	-0,075
Германий	-0,048
Манганин	0,00002
Константан	0,00005
Нихром	0,0004
Ртуть	0,0009
Сталь 0,5% С	0,003
Цинк	0,0037
Титан	0,0038
Серебро	0,0038
Медь	0,00386
Свинец	0,0039
Платина	0,003927
Золото	0,004
Алюминий	0,00429
Олово	0,0045
Вольфрам	0,0045
Никель	0,006
Железо	0,00651

Если упростить, то коэффициент α говорит, во сколько раз изменится сопротивление проводника при изменении температуры на один градус Цельсия.

Припои

Пайка — это процесс соединения двух деталей при помощи припоя, материала с температурой плавления меньшей, чем у соединяемых деталей. Например, соединение двух медных проводников при помощи олова. Именно использование припоя — основное отличие от сварки, когда детали соединяются расплавом из самих себя, например стальной крюк к стальной двери приваривается при помощи стального плавящегося сварочного электрода.

Припои чаще классифицируют на две группы — тугоплавкие (температура плавления 400°С и более) и легкоплавкие. Или, иногда, на твёрдые и мягкие. Учитывая, что мягкие припои обычно легкоплавкие, то часто твёрдые припои синоним тугоплавких, а мягкие припои — легкоплавких.

В электронной технике припои используют для создания надежного электрического контакта. Основные припои в электронной технике — мягкие, на базе олова и оловянно-свинцовых сплавов. Все остальные экзотические припои рассматриваться не будут.

Олово

Sn — Олово. Основной компонент мягких припоев. Олово — относительно легкоплавкий металл, что позволяет использовать его для соединения проводников. В чистом виде не используется (см. факты). Из-за дороговизны олова (а также других причин, см. ниже), его в припоях разбавляют свинцом. Припой из 61% олова и 39% свинца образует эвтектику, такой смесью, ПОС-61 (Припой Оловянно-Свинцовый — 61% олова) паяют радиодетали на платах, провода. В менее ответственных узлах (шасси, теплоотводы, экраны и т.п.) олово в припоях разбавляют сильнее, до 30% олова, 70% свинца.

Электронные устройства долгое время паяли оловянно-свинцовыми припоями. Затем набежали экологи и заявили, что свинец — металл тяжелый, токсичный, и проблемы бы не было, если бы все эти ваши айфоны, компьютеры и прочие гаджеты не оказывались на свалке, откуда свинец попадает в окружающую среду. Поэтому придумали серию бессвинцовых припоев, когда олово разбавлено висмутом, или вовсе используется в чистом виде, стабилизированное добавками, например, серебра. Но эти припои дороже, хуже по характеристикам, более тугоплавкие. Поэтому оловянно-свинцовые припои надолго останутся в ответственных изделиях военного, космического, медицинского применения.

Кроме того, бессвинцовые припои склонны к образованию «усов». Оловянные усы — длинные тонкие кристаллы, вырастающие из оловянного припоя — причина отказов и сбоев аппаратуры. К сожалению, присадки в припои не позволяют на 100% прекратить рост «усов», поэтому оловянно-свинцовые припои, как проверенные временем, используются в критичных системах — космос, медицина, военка, атомные применения. Подробнее про усы.

Факты об олове

• Чистое олово подвержено «оловяной чуме», когда при температурах ниже 13,2 °C олово меняет свою кристаллическую решетку, превращаясь из блестящего металла в серый порошок (как при нагревании алмаз превращается в графит). Согласно байкам, оловянная чума — одна из причин поражения Наполеоновской армии в условиях суровых российских городов (представьте, как на морозе ваши пуговицы, ложки, вилки, кружки превращаются в серый порошок). И вполне состоявшийся факт, что оловянная чума стала одной из причин которая погубила экспедицию Скотта — консервные банки, емкости с топливом были пропаяны оловом и на морозе просто развалились. Небольшая добавка висмута практически устраняет оловянную чуму.
• Олово проводит электрический ток в 7 раз хуже меди.
• Олово используется как защитное покрытие консервных банок — луженая жесть при контакте с пищей не делает её опасной. (но так как олово правее железа в ряду напряженности металлов, лужение не защищает железо от коррозии гальванически, как цинк, который левее железа в ряду напряженности. Как работает гальваническая защита можно прочитать по ссылке).
• До широкого распространения алюминия, фольгу делали из олова, её называли «станиоль» (от stannum — латинское навание олова).
• Не пытайтесь отремонтировать ювелирные украшения при помощи мягких оловянных и оловянно-свинцовых припоев. Прочность соединения будет неприемлемой, а наличие легкоплавкого припоя на поверхности осложнит нормальную пайку твёрдыми припоями.

Легкоплавкие припои

На базе сплавов с содержанием олова были разработаны легкоплавкие припои. И даже очень легкоплавкие припои, которые плавятся в горячей воде. Хороший список сплавов есть в Википедии.

Катушки и прутки оловянно-свинцовых припоев. Проволока из припоя содержит центральный канал с флюсом, облегчающим процесс пайки.

Основные припои для радиоаппаратуры

• ПОС-61 — 61% олова, остальное — свинец. Температура плавления (ликвидус) 183 °C. Есть множество сходных по составу и по свойствам импортных припоев, в которых пропорции компонентов отличаются на пару процентов, например Sn60Pb40 или Sn63Pb37.
• ПОС-40 — 40% олова. Остальное — свинец. Температура плавления (ликвидус) 238 °C Менее прочный, более тугоплавкий, неэвтектический (плавится не сразу, есть диапазон температур при котором припой больше походит на кашу). Но благодаря тому, что чуть ли не в два раза дешевле (олово дорогое), применяется для неответственных соединений — пайка экранов, шин. Аналогичны припои ПОС-33 (температура плавления 247С), ПОС-25 (температура плавления 260С), ПОС-15 (температура плавления 280С).
• Бессвинцовые припои. Для пайки медных водопроводных труб горелкой чаще всего используют мягкий припой с 3% меди (Sn97Cu3). Он не содержит свинца, потому пригоден для питьевой воды. По экологическим причинам современную электронику на заводах паяют в основном бессвинцовыми припоями. Хорошая статья.

Замыкают список совсем легкоплавкие припои:

• Сплав Розе: 25% Sn, 25% Pb, 50% Bi. Температура плавления +94 °C.
• Сплав Вуда: 12,5% Sn, 25% Pb, 50% Bi, 12.5% Cd Температура плавления +68,5 °C.

Применяются для лужения печатных плат любителями, так как плавятся в горячей воде, и можно резиновым шпателем под слоем кипящей воды быстро покрыть припоем медную фольгу печатной платы. В технике их используют для пайки деталей, не выдерживающих нагрева до обычной температуры припоев, или в тех случаях, когда зачем-то нужен очень легкоплавкий металл (например, для датчика температуры).

Если спаять подпружиненные контакты легкоплавким припоем, то получится простой и надежный термопредохранитель, при превышении температуры припой плавится и контакты разрывают цепь. Правда, предохранитель получится одноразовым. Во многих советских телевизорах в блоке строчной развертки была защита из обычной стальной спиральной пружинки, припаянной на легкоплавкий припой. При перегреве, в том числе от большого тока через пружинку, она отпаивалась и отрывалась. Предохранители такого типа очень хороши как защита от пожара.

Прочие проводники

Термопарные сплавы

Для изготовления термопар используют сплавы стойкие к высоким температурам, но при этом обладающие высокой ТермоЭДС. Подробнее про термопары можно прочитать в соответствующей литературе.

Сплавы:

• Хромель (90% Ni, 10% Cr)
• Копель (43% Ni, 2-3% Fe, 53% Cu)
• Алюмель (93-96% Ni, 1,8-2,5% Al, 1,8-2,2% Mn, 0,8-1,2% Si)
• Платина (100% Pt)
• Платина-родий (10-30% Rh)
• Медь (100% Cu)
• Константан (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn)

Соединяя два проводника из двух разных металлов получают термопары, например термопара типа K (ТХА — Термопара Хромель-Алюмель). Самые распространенные пары: хромель-алюмель, хромель-копель, медь-константан (для низких температур), платина-платинородий (для точных измерений и для высоких температур).

Оксид Индия-Олова

Оксид Индия — Oлова (Indium tin oxide или сокращённо ITO) — полупроводник, но обладает невысоким сопротивлением, а самое главное, пленка из оксида индия-олова прозрачна.

Это свойство используется при производстве ЖК дисплеев, сетка электродов на поверхности стекла нанесена именно из оксида индия-олова. Также резистивные touch панели имеют прозрачное проводящее покрытие.

Пленка ITO едва видна в отражении, чтобы хоть как то она была заметна пришлось разобрать ЖК дисплей:

Стекла от ЖК индикатора электронных часов. Индикатор подключался к электронной схеме через токопроводящую резинку, гребенка контактов видна в нижней части стекла.

На просвет проводящая пленка не видна

На удивление, сопротивление пленки довольно низкое.

На этом мы закончили проводники. В следующей части начнем обзор диэлектриков

Ссылки на части руководства:

1: Проводники: Серебро, Медь, Алюминий.
2: Проводники: Железо, Золото, Никель, Вольфрам, Ртуть.
3: Проводники: Углерод, нихромы, термостабильные сплавы, припои, прозрачные проводники.
4: Неорганические диэлектрики: Фарфор, стекло, слюда, керамики, асбест, элегаз и вода.
5: Органические полусинтетические диэлектрики: Бумага, щелк, парафин, масло и дерево.
6: Синтетические диэлектрики на базе фенолформальдегидных смол: карболит (бакелит), гетинакс, текстолит.
7: Диэлектрики: Стеклотекстолит (FR-4), лакоткань, резина и эбонит.
8: Пластики: полиэтилен, полипропилен и полистирол.
9: Пластики: политетрафторэтилен, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат и силиконы.
10: Пластики: полиамиды, полиимиды, полиметилметакрилат и поликарбонат. История использования пластиков.
11: Изоляционные ленты и трубки.
12: Финальная

Электропроводность сплавов — Энциклопедия по машиностроению XXL

Тепло- и электропроводности сплавов Ag—Pd и Ag— d.  [c.312]

Электропроводность сплавов значительно отличается от электропроводности чистых металлов. Изменение её в зависимости от концентрации элементов, составляющих сплав, даёт существенные указания относительно природы и строения последнего. В области строения сплавов установлены следующие закономерности [3].  [c.195]

Электропроводность сплавов двух металлов Л и Л, не образующих твёрдых растворов и кристаллизующихся в виде смеси двух видов кристаллов, изменяется прямолинейно в зависимости от состава (в объёмных процентах) (фиг. 113, а, кривая I).  [c.195]

Электропроводность сплавов двух металлов А п В, образующих непрерывный ряд твёрдых растворов, изменяется по кривой, имеющей минимум (фиг. 113, а, кривая Л). Наличие даже незначительного количества примесей резко снижает электропроводность металлов.  [c.195]

Зависимость электропроводности сплавов металлов от их состава.  [c.196]

Тепло- и электропроводность сплавов в твердом состоянии зависит от их состава и структуры. Для эвтектических систем эта зависимость графически изображается прямой линией, соединяющей точки на диаграмме состояния системы, отвечающие при выбранной температуре электро- или теплопроводности соответствующих фаз, составных частей механической смеси (чистых металлов, предельных твердых растворов, химических соединений). Образование твердого раствора сопровождается понижением тепло- и электропроводности, и изменение этих свойств в зависимости от состава представляет собой вогнутую кривую [19]. У жидких металлических сплавов эти свойства являются более сложной функцией состава.  [c.8]

ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ И ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ СПЛАВОВ  [c.123]

Как следует из приведенных графиков, во всех случаях влияние термической обработки вызывает большее относительное изменение теплопроводности, чем электропроводности. Аналогичный результат получен почти во всех других исследованиях влияния термической обработки на теплопроводность и электропроводность сплавов. В ряде случаев на основе изучения теплопроводности удавалось замечать такие структурные изменения, которые не обнаруживаются обычными методами микроструктурного анализа.  [c.124]

Удельная электропроводность сплавов,  [c.497]

Токоподводящие (контактные) щеки выполняются из электропроводных сплавов, как правило, на основе меди. Щеки охлаждаются водой, которая циркулирует по залитому в тело щеки или по высверленному в нем водоводу. Устройства для прижатия  [c.377]

Кривые зависимости электропроводности сплавов от состава в двойных системах при заданной температуре.  [c.109]

Отношение электропроводности сплава к электропроводности меди М1. Данные приведены для сравнения.  [c.143]

Тепло- и электропроводность сплавов и их компонент изменяется в широких пределах в зависимости от природы компонент, характера их взаимодействия, концентрации и структуры сплава. Так, например, теплопроводность сплавов серебра превышает 400 вт/(м-град), в то время как некоторые сплавы титана и висмута имеют теплопроводность от 1 до 5 вт/(м-град). Теплопроводность окиси бериллия при комнатной температуре превышает ПО вт/(м-град), а окиси свинца — около 0,2 вт/(м-град). Различия в электропроводности могут составлять десятки порядков.  [c.163]

Вид диаграммы состояния определяет не только величину тепло- и электропроводности сплава, но и характер их зависимости от концентрации компонент (рис. 6-1, б). Присутствие второй компоненты даже с более высокой проводимостью способно приводить к уменьшению общей проводимости сплава, причем само уменьшение теплопроводности может быть довольно значительным. Так, например, для твердых растворов Аи — А минимальное значение теплопроводности раствора в 4—5 раз меньше теплопроводности компонент [ИЗ]. В сплаве А —Р1 минимальная теплопроводность в два раза меньше теплопроводности платины и в двенадцать раз меньше теплопроводности серебра.  [c.165]

Тепло- и электропроводность сплавов смесей  [c.167]

Расчеты тепло- и электропроводности сплавов-смесей по правилу Курнакова удовлетворительно согласуются с опытом лишь при малом различии в свойствах компонент (в полтора-два раза) и дают значительное расхождение с опытом при большем различии.  [c.167]

Кривые — расчет по формуле (1-32) эксперимент [82] I, 2 —теплопроводность сплава кадмия с химически (99.9%) и технически (99,2%) чистым висмутом При температурах 373° К и 323 К 3, 4 электропроводность сплава химически и технически чистого висмута с кадмием при температурах 373° К и 323 К [114] 5 — РЬ —5п при Т — 273° К б—теплопроводность РЬ —5Ь при Т — 273°К  [c.169]

Изложенные выше факты позволяют утверждать, что для инженерных расчетов тепло- и электропроводности сплавов  [c.169]

Бронзы хромистые в последнее время получили широкое применение, так как упрочнение, вызываемое хромом, пе снижает существенно электропроводности сплава но сравнению с чистой медью. Растворимость хрома в твердой меди очень мала (0,55% Сг) и при увеличении содержания хрома сплав становится гетерофазным. Бр.Х0,5 и Бр.Х0,8 обладают хорошей свариваемостью.  [c.329]

Рис. 49. Зависимость механических свойств и электропроводности сплава М40 от длительности вылеживания при 20 С (профиля толщиной 3,0 мм)

Определение твердости и особенно микротвердости позволяет исследовать механические свойства отдельных фаз, присутствующих в структуре металлических сплавов. Большую роль определения твердости и электропроводности сплавов сыграли при исследовании Н. С. Курнаковым природы твердых растворов.  [c.52]

Рений во всем исследованном интервале концентраций снижает электропроводность сплава и повышает т. э. л. с. (см. рис. 1).  [c.42]

Во всем интервале составов удельное электросопротивление и электропроводность сплавов, а также температурный коэффициент сопротивления  [c.103]

Согласно работе [3], в которой изучали изменение с составом электропроводности сплавов при 0° и температурного коэффициента электросопротивления между О и 160°, минимум электропроводности отвечает 50% Р(1, а минимум температурного коэффициента электросопротивления 40% Р[c.165]

При повышении содержания золота до 1,0% электропроводность сплавов возрастает.  [c.221]

Электросопротивление и его температурный коэффициент. Электрические свойства сплавов изучали в работах [7, 20—29, 58, 72, 79, 87, 116—123]. Изотермы электропроводности сплавов при О и 100° приведены на рис. 146 [23], а при 20, 900 и 1000° —на рис. 147 [27]. Согласно [116, 118] присадка  [c.235]

Рис. 146. Изотермы электропроводности сплавов золота с серебром при О и 100°.

Рис. 147. Изотермы электропроводности сплавов золота с серебром в твердом состоянии при 20 и 900° и в жидком состоянии при 1100°.

Диаграмма состояния. Первое наиболее подробное исследование системы Аи — 2п было выполнено [1] методами термического и микроструктурного анализов и измерением удельной электропроводности сплавов при различных температурах. В результате этого исследования была построена диаграмма  [c.295]

Изотермы электропроводности сплавов в жидком и в твердом состояниях при 20—700° приведены на рис. 260 [35]. По данным [61 температурная зависимость электропроводности сплавов в жидком состоянии при 48, 60, 80 и 85% 5п описывается соответственно следующими уравнениями  [c.393]

Одним из наиболее интересных результатов проведенных исследований является, на наш взгляд, получение данных о влиянии термической обработки сплавов на соотношение между теплопроводностью и электропроводностью сплавов. Изучению были подвергнуты стали и сплавы различных классов. В качестве примера на рис. 4 приведены данные по влиянию термической обработки на теплопроводность и электропроводность- сплава на никелевой основе ЭИ607.  [c.124]

Диаграмма (рис. 370) взята из работы [2] она построена в основном по результатам термического анализа, дополненным рентгеновскими и металлографическими наблюдениями, измерениями микротвердости и электропроводности. Сплавы были приготовлены из спектрально чистого Pd и 99,999%-ного Те [2].  [c.329]

Если судить по виду кривой зависимости электропроводности сплава от концентрации легирующей добавки (рис. 1), то, по-видимэму, растворимость галлия в сплаве не ограничивается 0,2% (вес.). Однако незначительное по-выщение электропроводности сопровождается заметным падением, т. э. д. с. и на этом основании легирование галлием не может представлять практического интереса.  [c.42]

Из исследованных хлоридов Zn l2, впервые примененный нами для этих целей, оказался весьма эффективной добавкой, во много раз повышающей электропроводность сплава.  [c.45]

Таким образом, действие хлоридов цинка и ртути носит сходный характер электропроводность сплава неуклонно возрастает по мере увеличения концентрации того или другого вещества, причем повышение электропроводностя от добавок гпСЬ происходит быстрее, чем от добавок каломели. Донором в этом случае является хлор, ему сплав обязан-повышением электронной проводимо-  [c.45]

Электропроводность сплава, содержащего 5% 1п (9,7 ат.% 1п), выплавленного и гомогенизированного в вакууме, при 20 равна 8,2 электропроводность золота чистотой 99,999%—45,0 и 99,95%—43,0 м1ом-мм [45].  [c.13]

Влияние температуры на изменение удельного электросопротивления сплавов системы Аи — Си характеризуют изотермы удельного электросопротивления, приведенные на рис. 64 [20]. Определение свойств производили для сплавов, отожженных при 350° в течение 240 часов. Длительность нагрева и охлаждения прн измерении электросопротивления составляла 12— 14 часов. Аналогичный хасактер изменения тех же свойств сплавов в зависимости от состава и условий термической обработки был установлен и другими исследователями. Так, снижение удельного электросопротивления и повышение удельной электропроводности сплавов в результате упорядочения было обнаружено также в работах [32, 33, 53, 66, 70, 107, 108, 114, 123, 149, 150, 154, 161, 168, 272, 285—290, 293, 294, 301]. Данные [32] и [33] о влия-  [c.104]

НИИ упорядочения на удельную электропроводность сплавов, содержащих 20,18—35,37 и 42,17—59,22 ат.% Аи (68,47—81,83% Аи), т. е. включающих соответственно области существования химических соединений Au u и АиСиз, были приведены ранее в табл. 37.  [c.105]

Данные о влиянии упорядочения на электросопротивление и электропроводность сплавов, близких по составу к АизСи, приводятся также в работах [149, 154, 285—287], к Au u — в работах [114, 161, 168, 246, 285,  [c.105]

В работе [8] на основании определения изменения с температурой электропроводности сплавов, содержащих от 67,8 до 100% РЬ, был сделан вывод о существовании в системе еще одного химического соединения — АиРЬб (86,3% РЬ). Наличие более богатого свинцом соединения, чем АиРЬг, или полиморфной модификации этого соединения допускается и в работе [5].  [c.213]

Электросопротивление. Изменение с температурой электропроводности сплава состава АиТег в жидком состоянии показано на рис. 175 [20]. Электросопротивление АиТсг при комнатной температуре равно  [c.267]

---

Клуб интеллектуалов Newsland – комментарии, дискуссии и обсуждения новости.

Эти два явления очень похожи друг на друга и в какой-то степени связаны между собой.

Отличие же состоит в том, что при электропроводности НЕ происходит переноса вещества.

Для того чтобы лучше понять суть этих явлений, представим себе «общество» атомов. Если в этом обществе атомы охотно делятся друг с другом пищей (энергией), то такое вещество обладает хорошей теплопроводностью. Если же вместо пищи они дают друг другу знания – как добыть пищу («не рыбу, а удочку»), то это похоже на электропроводность, без переноса вещества.

В обществе, в котором охотно делятся пищей, как правило,  охотно делятся и знаниями. Т.е. теплопроводность, как правило, означает и хорошую электропроводность.

Металлы являются проводниками, неметаллы ими не являются. Что их отличает?

Металлы находятся в левой части периодической таблицы. Это значит, что они обладают ядром и очень простой структурой электронного облака. Чем правее находится элемент, тем сложнее его электронная структура, и тем больше неметаллических свойств проявляет элемент.

Становится понятно, почему неметаллы являются плохими проводниками. Они как бы думают: «Мне бы в себе сначала разобраться, где уж мне других поучать?» Их «цель» направлена на то, чтобы достичь целостности и перейти на следующий уровень развития.

Металлы же являются целостными, и даже чувствуют «избыток понимания», которым спешат поделиться.

Чем еще отличается теплопроводность от электропроводности? Последняя имеет направленность (от одного полюса к другому). Теплопроводность не имеет направления.

Металлы ощущаются кожей как прохладные или раскаленные. Они либо активно забирают, либо активно отдают тепло.

Неметаллы ощущаются как нейтральные по своей температуре. Они не забирают, но и не отдают тепло. И это связано с их «характером», с их внутренней сложностью, которая обеспечивает им внутреннюю «широту кругозора». В отличие от металлов, которые имеют всегда четко направленный, но ограниченный «характер».

Конечно, всё это лишь человеческие эмоции и ассоциации, которые облегчают понимание информационных (волновых) свойств различных веществ.

Тепло и электропроводность цинка — Морской флот

Цинк — хрупкий переходный металл голубовато-белого цвета (тускнеет на воздухе, покрываясь тонким слоем оксида цинка). Эссенциальный (незаменимый) микроэлемент тканей человека. По количественному соотношению в организме занимает второе, после железа, место. Ему принадлежит ключевая роль в регенерации поврежденных тканей, так как без цинка нарушается синтез нуклеиновых кислот и белка.

Смотрите так же:

СТРУКТУРА

СВОЙСТВА

При комнатной температуре хрупок, при сгибании пластинки слышен треск от трения кристаллитов (обычно сильнее, чем «крик олова»). Имеет низкую температуру плавления. Объем металла при плавлении увеличивается в соответствии со снижением плотности. С повышением температуры уменьшается кинетическая вязкость и электропроводность цинка и возрастает его удельное электрическое сопротивление. При 100—150 °C цинк пластичен. Примеси, даже незначительные, резко увеличивают хрупкость цинка. Является диамагнетиком.

ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА

Среднее содержание цинка в земной коре — 8,3·10 -3 %, в основных извержённых породах его несколько больше (1,3·10 -2 %), чем в кислых (6·10 -3 %). Цинк — энергичный водный мигрант, особенно характерна его миграция в термальных водах вместе со свинцом. Из этих вод осаждаются сульфиды цинка, имеющие важное промышленное значение. Цинк также энергично мигрирует в поверхностных и подземных водах, главным осадителем для него является сероводород, меньшую роль играет сорбция глинами и другие процессы.

Месторождения цинка известны в Иране, Австралии, Боливии, Казахстане. В России крупнейшим производителем свинцово-цинковых концентратов является ОАО «ГМК Дальполиметалл»

Цинк добывают из полиметаллических руд, содержащих 1—4% Zn в виде сульфида, а также Cu, Pb, Ag, Au, Cd, Bi. Руды обогащают селективной флотацией, получая цинковые концентраты (50—60% Zn) и одновременно свинцовые, медные, а иногда также пиритные концентраты.
Основной способ получения цинка — электролитический (гидрометаллургический). Обожжённые концентраты обрабатывают серной кислотой; получаемый сульфатный раствор очищают от примесей (осаждением их цинковой пылью) и подвергают электролизу в ваннах, плотно выложенных внутри свинцом или винипластом. Цинк осаждается на алюминиевых катодах, с которых его ежесуточно удаляют (сдирают) и плавят в индукционных печах.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Цинк в природе как самородный металл не встречается. Известно 66 минералов цинка, в частности цинкит, сфалерит, виллемит, каламин, смитсонит, франклинит. Наиболее распространенный минерал — сфалерит, или цинковая обманка. Основной компонент минерала — сульфид цинка ZnS, а разнообразные примеси придают этому веществу всевозможные цвета. Из-за трудности определения этого минерала его называют обманкой (др.-греч. σφαλερός — обманчивый). Цинковую обманку считают первичным минералом, из которого образовались другие минералы элемента № 30: смитсонит ZnCO₃, цинкит ZnO, каламин 2ZnO · SiO₂ · Н₂O. На Алтае нередко можно встретить полосатую «бурундучную» руду — смесь цинковой обманки и бурого шпата. Кусок такой руды издали действительно похож на затаившегося полосатого зверька.

ПРИМЕНЕНИЕ

Чистый металлический цинк используется для восстановления благородных металлов, добываемых подземным выщелачиванием (золото, серебро). Кроме того, цинк используется для извлечения серебра, золота (и других металлов) из чернового свинца в виде интерметаллидов цинка с серебром и золотом (так называемой «серебристой пены»), обрабатываемых затем обычными методами аффинажа.

Применяется для защиты стали от коррозии (оцинковка поверхностей, не подверженных механическим воздействиям, или металлизация — для мостов, емкостей, металлоконструкций).

Цинк используется в качестве материала для отрицательного электрода в химических источниках тока, то есть в батарейках и аккумуляторах.

Пластины цинка широко используются в полиграфии, в частности, для печати иллюстраций в многотиражных изданиях. Для этого с XIX века применяется цинкография — изготовление клише на цинковой пластине при помощи вытравливания кислотой рисунка в ней. Примеси, за исключением небольшого количества свинца, ухудшают процесс травления. Перед травлением цинковую пластину подвергают отжигу и прокатывают в нагретом состоянии.

Цинк вводится в состав многих твёрдых припоев для снижения их температуры плавления.

Окись цинка широко используется в медицине как антисептическое и противовоспалительное средство. Также окись цинка используется для производства краски — цинковых белил.

Цинк — важный компонент латуни. Сплавы цинка с алюминием и магнием (ЦАМ, ZAMAK) благодаря сравнительно высоким механическим и очень высоким литейным качествам очень широко используются в машиностроении для точного литья. В частности, в оружейном деле из сплава ZAMAK (-3, −5) иногда отливают затворы пистолетов, особенно рассчитанных на использование слабых или травматических патронов. Также из цинковых сплавов отливают всевозможную техническую фурнитуру, вроде автомобильных ручек, корпусы карбюраторов, масштабные модели и всевозможные миниатюры, а также любые другие изделия, требующие точного литья при приемлемой прочности.

Хлорид цинка — важный флюс для пайки металлов и компонент при производстве фибры.

Теллурид, селенид, фосфид, сульфид цинка — широко применяемые полупроводники. Сульфид цинка — составная часть многих люминофоров. Фосфид цинка используется в качестве отравы для грызунов.

Селенид цинка используется для изготовления оптических стёкол с очень низким коэффициентом поглощения в среднем инфракрасном диапазоне, например, в углекислотных лазерах.

• 5 – 9 классы
• Химия
• 5 баллов

тепло-и электропроводность : МЕДИ. ЖЕЛЕЗА. МАГНИЯ . ЦИНКА. АЛЮМИНИЯ . НАТРИЯ .
СРОЧНООООООООООООООООООООО

• Попроси больше объяснений
• Следить
• Отметить нарушение

Кисазаярыба 27.10.2012

Ответ

Медь-тепл.382—390Вт/(м·К) электро58 100 000 см/м

железо-тепл.92Вт/(м·К) электро10 000 000 см/м

магний-тепл.156 Вт/(м·К) электро 22 700 000

Цинк-тепл.116 Вт/(м·К) электро16 900 000

алюминий-тепл.237 Вт/(м·К)электро(37·106 См/м)

Цинк – Металл, Придающий МУЖСКУЮ СИЛУ! (Aug 2019).

Цинк (Zn) – это обильный металл, обнаруженный в земной коре с множеством промышленных и биологических применений.

При комнатной температуре цинк является хрупким и сине-белым цветом, но может быть отполирован до яркого конца.

Основной металл, цинк в первую очередь используется для гальванизации стали, для защиты металла от нежелательной коррозии. Но сплавы цинка, в том числе латунные, жизненно важны для широкого спектра применений: от коррозионно-стойких морских компонентов до музыкальных инструментов.

Физические свойства

• Сила: Цинк – слабый металл с прочностью на разрыв менее половины, чем у мягкой углеродистой стали. Как правило, он не используется в несущих нагрузках, хотя недорогие механические детали могут быть отлиты из цинка.
• Твердость: Чистый цинк имеет низкую вязкость и обычно хрупкий, но цинковые сплавы обычно имеют высокую ударную вязкость по сравнению с другими литейными сплавами.
• Пластичность: Между 212-302 o F цинк становится пластичным и ковким, но при повышенных температурах возвращается в хрупкое состояние. Опять же, сплавы цинка значительно улучшают это свойство по сравнению с чистым металлом, что позволяет использовать более сложные методы изготовления.
• Электропроводность: Проводимость цинка умеренная для металла. Однако его сильные электрохимические свойства хорошо работают в процессе гальванизации и щелочных батарей

История

Изделия из цинкового сплава, изготовленные человеком, были надежно датированы еще в 500 г. до н.э., а цинк был предварительно намеренно добавлен к меди с образованием латуни около 200-300 г. до н.э.

Латунь дополняла бронзу во время Римской империи при изготовлении монет, оружия и искусства и оставалась главным использованием цинка до 1746 года, когда Андреас Сигизмунд Маргграф сознательно изолировал чистый элемент. Поскольку он тщательно описывал свой процесс и как он работал, цинк вскоре был коммерчески доступен.

Алессандро Вольта создал первую батарею в 1800 году с использованием медных и цинковых пластин, введя новую эру электрических знаний. К 1837 году Станислав Сорель назвал свой новый процесс цинкования, гальванизации, после Луиджи Гальвани, который обнаружил оживляющий эффект электричества при аутопсии лягушек. Гальванизация, форма катодной защиты, может защитить большое количество металлов и в настоящее время является основным промышленным применением чистого цинка.

Цинк в торговой зоне

Цинк в основном извлекается из руды, содержащей сульфид цинка, цинковая обманка или сфалерит.

Страны, добывающие и выпускающие самый изысканный цинк в порядке убывания, – это Китай, Перу, Австралия, США и Канада. Согласно геологической службе США, в 2014 году было добыто около 13,4 млн. Тонн цинка в концентрате, на долю Китая приходится около 36 процентов от общего объема.

По данным Международной исследовательской группы свинца и цинка, в 2013 году в гальванических, латунных и бронзовых сплавах, цинковых сплавах, химическом производстве и литье под давлением было израсходовано около 13 миллионов метрических тонн цинка.

Цинк торгуется на LME как контракты «Special High Grade» при 99. 995% минимальной чистоте в 25-тонных слитках.

“>

Библиотека

TLP Введение в термическую и электрическую проводимость

Щелкните здесь для просмотра актуальных (непечатаемых) страниц TLP.

Примечание. Пакеты обучения и обучения DoITPoMS предназначены для интерактивного использования на компьютере! Эта версия TLP для печати предоставляется для удобства, но не отображает все содержимое TLP. Например, отсутствуют какие-либо видеоклипы и ответы на вопросы. Форматирование (разрывы страниц и т. Д.) Печатной версии непредсказуемо и сильно зависит от вашего браузера.

Содержание

• Цели
• Перед тем, как начать
• Введение
• Введение в проводимость
• Металлы: модель электропроводности по Друде
• Факторы, влияющие на электропроводность
• Металлы теплопроводности
• Электропроводность: неметаллы
• Неметаллы: тепловые фононы
• Приложения
• Сводка
• вопросов
• Дальше

Цели

По завершении этого пакета TLP вам необходимо:

• Понимать основные механизмы и модели теплопроводности и электропроводности в металлах и неметаллах.
• Помните о некоторых факторах, которые влияют на оба типа проводимости.
• Знайте некоторые области применения обоих типов проводников и изоляторов.

Перед тем, как начать

Этот TLP является введением, поэтому никаких специальных знаний не требуется. Однако есть и другие TLP, которые охватывают более сложные темы, такие как полупроводники, ссылки на которые приведены в разделе для дальнейшего чтения.

Введение

Электропроводность охватывает невероятно большой порядок величин (30!) От изоляторов до металлов и даже может быть бесконечным в сверхпроводниках.Знание того, как управлять им, привело к компьютерной революции и постоянно увеличивающейся миниатюризации

Теплопроводность, хотя для известных материалов она составляет всего около 10 порядков величины, по-прежнему имеет решающее значение для многих важных технологических достижений, от реактивных турбин и космических путешествий до USB-холодильников для напитков.

Чтобы по-настоящему оценить эти достижения, важно понимать, как возникает проводимость в материалах. Существуют простые модели, которые можно использовать для прогнозирования поведения многих материалов; между теплопроводностью и электропроводностью в металлах существуют близкие параллели, в то время как механизмы проводимости в неметаллах совершенно разные.

Введение в проводимость

Электропроводность

Важно не запутаться в проводимости, проводимости, сопротивлении и удельном сопротивлении.

Свойства материалов: электропроводность σ и удельное электрическое сопротивление ρ

Электропроводность материала определяется как количество электрического заряда, переносимого в единицу времени через единицу площади под действием единичного градиента потенциала: J = σ E

где J — плотность тока (ток на единицу площади), а E — градиент потенциала.Это еще один способ выражения закона Ома, который чаще выражается как \ (V = I R \).

Для изотропного материала:

\ [\ sigma = \ frac 1 \ rho \]

Единицами измерения удельного электрического сопротивления являются омметр ( Ом · м ), а для удельной проводимости — обратная величина ( Ом ^-1 м ^-1 ). Для фактического образца длиной l и площадью поперечного сечения A сопротивление R рассчитывается по формуле:

\ [R = \ rho \ frac l A \]

Электрические сигналы распространяются со скоростью, близкой к скорости света, хотя , а не означает, что сами электроны движутся так быстро.Вместо этого типичная дрейфовая скорость электронов (их средняя скорость) намного ниже: менее 1 мм с ^-1 . Это подробно описано в разделе моделей Друде.

Еще одно уместное напоминание о потенциале и токе — ток — это поток электронов, а потенциал — это движущая сила, заставляющая их течь. Обладая достаточным потенциалом, электроны могут переносить заряд через любой материал, включая вакуум (см. ЭЛТ), хотя они бессильны без какого-либо чистого тока.

Лучшие электрические проводники (кроме сверхпроводников) — это чистая медь и чистое серебро с удельным сопротивлением 16,78 и 15,87 нОм соответственно. Для сравнения, полистирол имеет удельное сопротивление до 10 ²⁸ нОм, что на 27 порядков отличается!

Теплопроводность:

Чтобы понять теплопроводность материалов, важно быть знакомым с концепцией теплопередачи, которая представляет собой движение тепловой энергии от более горячего тела к более холодному.Это происходит при нескольких обстоятельствах:

• Когда объект имеет температуру, отличную от окружающей его температуры;
• Когда объект имеет температуру, отличную от температуры другого объекта, контактирующего с ним;
• Когда внутри объекта существует температурный градиент.

Направление теплопередачи определяется вторым законом термодинамики, который гласит, что энтропия изолированной системы, которая не находится в тепловом равновесии, будет со временем увеличиваться, приближаясь к максимальному значению в состоянии равновесия.Это означает, что передача тепла всегда происходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой и будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнуто тепловое равновесие.

Передача тепловой энергии происходит только через 3 режима: теплопроводность, конвекция и излучение. Каждый режим имеет свой механизм и скорость передачи тепла, и, таким образом, в любой конкретной ситуации скорость передачи тепла зависит от того, насколько преобладает определенный режим.

Проводимость включает передачу тепловой энергии за счет комбинации диффузии электронов и фононных колебаний, что применимо к твердым телам.

Конвекция включает в себя передачу тепловой энергии в движущейся среде — горячий газ / жидкость движется через более холодную среду (обычно из-за разницы в плотности).

Излучение включает передачу тепловой энергии электромагнитным излучением. Солнце — хороший пример передачи энергии через (близкий) вакуум.

Этот TLP фокусируется на проводимости в кристаллических твердых телах.

Теплопроводность, Κ, — это свойство материала, которое указывает на способность проводить тепло.Первый закон Фурье определяет тепловой поток, пропорциональный разнице температур, площади поверхности и длине образца:

\ [H = \ frac {\ Delta Q} {\ Delta t} = \ kappa A \ frac {\ Delta T} {l} \]

где ΔQ / Δt — скорость теплопередачи, A — площадь поверхности, l — длина.

Лучшие металлические теплопроводники — это чистая медь и серебро. При комнатной температуре технически чистая медь обычно имеет проводимость около 360 Вт · м ^-1 K ^-1 (хотя теплопроводность монокристалла меди была измерена при 12 200 Вт · м ^-1 K ^-1 при температура 20.8 К). В металлах движение электронов доминирует над теплопроводностью.

Основной материал с самой высокой теплопроводностью (помимо сверхтекучего гелия II), что, возможно, удивительно, является неметаллом: чистый монокристаллический алмаз, который имеет теплопроводность при комнатной температуре около 2200 Вт · м ^-1 K ^-1 . Высокая проводимость используется даже для проверки подлинности алмаза. Прочные ковалентные связи внутри молекулы ответственны за высокую проводимость, хотя свободных электронов нет, тепло передается фононами.Большинство природных алмазов также содержат атомы бора, которые заменяют атомы углерода в кристаллической матрице, которые также обладают высокой теплопроводностью.

Металлы: модель электропроводности Друде

Из-за квантово-механической природы электронов полное моделирование движения электронов в твердом теле (т. Е. Проводимости) потребует рассмотрения не только всех остовов положительных ионов, взаимодействующих с каждым электроном , но также каждого электрона с каждым другим электроном .Даже с продвинутыми моделями это быстро становится слишком сложным для адекватного моделирования материала макроскопического масштаба.

Модель Друде значительно упрощает ситуацию за счет использования классической механики и рассматривает твердое тело как фиксированный массив ядер в «море» несвязанных электронов. Кроме того, электроны движутся по прямым линиям, не взаимодействуют друг с другом и случайным образом рассеиваются ядрами.

Вместо моделирования всей решетки используются два статистически полученных числа:
τ , среднее время между столкновениями (время рассеяния ) и
l , среднее расстояние, пройденное между столкновениями (среднее свободное расстояние путь )

Под действием поля E электроны испытывают силу –e E, и, таким образом, ускорение от F = m a

Для электрона, выходящего из столкновения со скоростью v ₀ , скорость после времени t определяется как:

\ [v = v_ {0} — \ frac {eEt} {m} \]

Конечно, если электроны рассеиваются случайным образом при каждом столкновении, v ₀ будет равно нулю.{2} \ tau E} {m} \]

Проводимость σ = n e μ, где μ — подвижность , которая определяется как

\ [\ mu = \ frac {| v |} {E} = \ frac {eE \ tau} {mE} = \ frac {e \ tau} {m} \]

Конечный результат всех этих математических расчетов — разумное приближение проводимости ряда одновалентных металлов. При комнатной температуре, используя кинетическую теорию газов для оценки скорости дрейфа, модель Друде дает σ ~ 10 ⁶ Ом ^-1 м ^-1 .Это примерно правильный порядок величины для многих одновалентных металлов, таких как натрий ( σ ~ 2,13 × 10 ⁵ Ом ^-1 м ^-1 ).

Модель Друде можно визуализировать с помощью следующего моделирования. В отсутствие приложенного поля видно, что электроны движутся беспорядочно. Используйте ползунок, чтобы применить поле, чтобы увидеть его влияние на движение электронов.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 8 и более поздних версий, который можно скачать здесь.

Однако важно отметить, что для неметаллов, многовалентных металлов и полупроводников модель Друде с треском проваливается. Чтобы иметь возможность более точно предсказать проводимость этих материалов, требуются квантово-механические модели, такие как модель почти свободных электронов. Это выходит за рамки настоящего TLP

. Сверхпроводники

также не объясняются такими простыми моделями, хотя дополнительную информацию можно найти на сайте Superconductivity TLP.

Факторы, влияющие на электропроводность

Электропроводность большинства металлических проводников (не полупроводников!) Легко определить.Есть три важных случая:

Чистые и почти чистые металлы

Для чистых металлов при температуре около комнатной удельное сопротивление линейно зависит от температуры.

\ [\ rho_2 = \ rho_1 [1 + \ alpha (T_2 — T_1)] \]

Однако при низких температурах проводимость перестает быть линейной (сверхпроводники рассматриваются отдельно), а удельное сопротивление связано с температурой по правилу Маттизена:

\ [\ rho (T) = {\ rho _ {{\ rm {defect}}}} + {\ rho _ {{\ rm {Thermal}}}} \]

Низкотемпературное удельное сопротивление (\ ({\ rho _ {{\ rm {defect}}}} \)) зависит от концентрации дефектов решетки, таких как дислокации, границы зерен, вакансии и межузельные атомы.Следовательно, оно ниже в отожженных металлических образцах с крупными кристаллами и выше в сплавах и закаленных металлах. Вы можете подумать, что при более высоких температурах электроны будут иметь больше энергии, чтобы двигаться через материал, поэтому, возможно, довольно удивительно, что удельное сопротивление увеличивается (а, следовательно, и проводимость уменьшается) с увеличением температуры. Причина этого в том, что с повышением температуры электроны чаще рассеиваются на колебаниях решетки или фононах, что вызывает увеличение удельного сопротивления.Этот вклад в удельное сопротивление описывается термином ρ _{термического} .

Температурная зависимость проводимости чистых металлов схематично проиллюстрирована в следующем моделировании. Используйте ползунок, чтобы изменить температуру, чтобы увидеть, как это влияет на движение электронов через решетку. Вы также можете ввести межузельные атомы, щелкнув мышью внутри решетки.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 и более поздних версий, который можно скачать здесь.

Сплавы — твердый раствор

Как и раньше, добавление примеси (в данном случае другого элемента) снижает проводимость. Для твердого раствора изменение удельного сопротивления в зависимости от состава определяется правилом Нордхейма:

\ [\ rho = \ chi _ {\ alpha} \ rho _ {\ alpha} + \ chi _ {\ beta} \ rho _ {\ beta} + C \ chi _ {\ alpha} \ chi _ {\ beta} \]

, где C — константа, CA и CB — атомные доли металлов A и B, удельные сопротивления которых равны ρA и ρB соответственно.2 \]

где ΔZ — разность валентностей растворенного вещества и растворителя.

Таким образом, растворенные атомы с более высоким (или более низким) зарядом, чем решетка, будут иметь большее влияние на удельное сопротивление.

Сплавы — многофазные

Для сплава, в котором есть две или более отдельных фаз, вклады просто линейно влияют на общее удельное сопротивление (хотя влияние многих границ зерен немного увеличивает удельное сопротивление).

\ [\ rho = \ chi_ \ alpha \ rho_ \ alpha + \ chi_ \ beta \ rho_ \ beta \]

Следующая анимация иллюстрирует правило Маттейзена, правило Нордхейма и правило смешения.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 8 и более поздних версий, который можно скачать здесь.

Металлы теплопроводности

Металлы обычно имеют относительно высокую концентрацию свободных электронов проводимости, и они могут передавать тепло при движении через решетку. Фононная проводимость также имеет место, но эффект перекрывается электронной проводимостью.

Следующая симуляция показывает, как электроны могут проводить тепло, сталкиваясь с ядрами и передавая тепловую энергию.Нажмите кнопку «источник», чтобы приложить источник тепла к одной стороне образца. График покажет температурный градиент внутри образца, и вы также можете применить радиатор к противоположной стороне образца, используя кнопку «сток».

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 и более поздних версий, который можно скачать здесь.

Закон Видеманна-Франца

Поскольку преобладающий метод теплопроводности у металлов одинаковый для теплопроводности и электропроводности (т.{- 2}} \]

Этот закон можно объяснить тем фактом, что свободные электроны в металле участвуют в механизмах переноса тепла и электричества. Теплопроводность увеличивается со средней скоростью электронов, так как это увеличивает прямой перенос энергии. Однако электрическая проводимость уменьшается с увеличением скорости частиц, поскольку столкновения отвлекают электроны от прямого переноса заряда.

Электропроводность: неметаллы

Хотя модель Друде достаточно хорошо работает для одновалентных металлов, она не предсказывает свойства полупроводников, сверхпроводников или неметаллических проводников.

Сверхпроводники и полупроводники лучше всего объясняются в их собственных TLP.

Ионная проводимость

Для некоторых материалов нет чистого движения электронов, но они по-прежнему проводят электричество.

Это механизм ионной проводимости, при котором некоторые заряженные ионы могут перемещаться через объемную решетку (с помощью обычных механизмов диффузии, за исключением движущей силы электрического поля).

Такие ионные проводники используются в твердооксидных топливных элементах — хотя, например, для оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (YZT), рабочие температуры находятся в диапазоне от 500 до 1000 градусов C.Поскольку они проводят диффузионный механизм, более высокие температуры приводят к более высокой проводимости, что противоположно тому, что предсказывала бы простая модель Друде.

Напряжение пробоя

Существует важный и потенциально смертельный механизм, благодаря которому изолятор может стать проводящим. В воздухе — это молния. Следует отметить, что механизм может ионизировать «изолятор», временно делая его более проводящим.

Газы обычно ионизируются в бытовых осветительных приборах.Наиболее распространены люминесцентные лампы и неоновые лампы.

Для первоначального возбуждения паров ртути в свете люминесцентной лампы необходим всплеск напряжения, превышающий напряжение пробоя. Это можно заметить при включении такого света, как внезапное возгорание с соответствующим всплеском радиопомех. Неисправная трубка может не полностью ионизироваться, что приводит к небольшому свечению на концах.

Под высоким напряжением может проводиться даже оргстекло. Временно ионизированный путь непрозрачен при охлаждении, что в данном случае дает фигуру Лихтенберга. Изображение «Фигура Лихтенберга» от Берт Хикман

Более подробная информация доступна на странице Dielectrics TLP по разбивке

.

Неметаллы: тепловые фононы

Как упоминалось ранее, металлы имеют два режима теплопроводности: на основе электронов и на основе фононов. Для неметаллов имеется относительно мало свободных электронов, поэтому доминирует фононный метод.

Тепло можно рассматривать как меру энергии колебаний атомов в материале.Как и все вещи в атомном масштабе, здесь есть квантово-механические соображения; энергия каждой вибрации квантуется (и пропорциональна частоте). Фонон — это квант колебательной энергии, и за счет комбинации (суперпозиции) многих фононов тепло наблюдается макроскопически.

Энергия данного колебания решетки в жесткой кристаллической решетке квантована в квазичастицу, называемую фононом . Это аналог фотона в электромагнитной волне; тепловые колебания в кристаллах можно описать как термически возбужденные фононы, которые можно отнести к термически возбужденным фотонам.Фононы являются основным фактором, определяющим электрическую и теплопроводность материала.

Фонон представляет собой квантово-механическую адаптацию нормальной модальной вибрации в классической механике. Ключевым свойством фононов является дуальность волна-частица; нормальные моды имеют волновые явления в классической механике, но приобретают поведение, подобное частицам в квантовой механике.

Энергия фонона пропорциональна его угловой частоте ω:

\ [\ varepsilon = (n + \ frac {1} {2}) \ hbar \ omega \]

с квантовым числом n .Член \ (\ frac {1} {2} \ hbar \ omega \) — это энергия нулевой точки моды. Это определяется как минимально возможная энергия, которой обладает система, и является энергией основного состояния.

Если твердое тело имеет более одного типа атомов в элементарной ячейке, будет два возможных типа фононов: «акустические» и «оптические» фононы. Частота акустических фононов примерно равна частоте звука, а частота оптических фононов близка к частоте инфракрасного света. Их называют оптическими, потому что в ионных кристаллах они легко возбуждаются электромагнитным излучением.

Если кристаллическая решетка имеет нулевую температуру, она находится в основном состоянии и не содержит фононов. Когда решетка нагревается и поддерживается при ненулевой температуре, ее энергия не является постоянной, а колеблется случайным образом около некоторого среднего значения. Эти флуктуации энергии вызываются случайными колебаниями решетки, которую можно рассматривать как газ фононов. Поскольку температура решетки порождает эти фононы, их иногда называют тепловыми фононами . Тепловые фононы могут создаваться или разрушаться случайными колебаниями энергии.

Принято считать, что фононы тоже обладают импульсом и поэтому могут проводить энергию через решетку. В отличие от электронов, существует чистое движение фононов — от более горячей части решетки к более холодной, где они разрушаются. Электроны должны сохранять нейтральность заряда в решетке, поэтому нет чистого движения электронов во время теплопроводности.

Следующая симуляция показывает схематические оптические и акустические фононы в двумерной решетке и дает возможность анимировать двумерный волновой вектор, определяемый щелчком внутри зеленого поля.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 и более поздних версий, который можно скачать здесь.

Рассеяние Umklapp

Когда два фонона сталкиваются, образующийся фонон имеет векторную сумму их импульсов. Способ обработки частиц, движущихся в решетке квантово-механическим способом в рамках схемы редуцированных зон (которая выходит за рамки данной TLP, но более подробно исследуется в TLP зон Бриллюэна), приводит к концептуально странному эффекту. Если импульс слишком велик (за пределами первой зоны Бриллюэна), то образующийся фонон движется почти в противоположном направлении.Это Umklapp scattering , и оно преобладает при более высоких температурах, снижая теплопроводность при повышении температуры.

Приложения

Кремниевые чипы

Поскольку электрические свойства меняются в зависимости от микроструктуры, был разработан тип компьютерной памяти, называемый памятью с произвольным доступом с фазовым переходом (PC-RAM). Используемый материал представляет собой халькогенид, обозначаемый как GST (Ge ₂ Sb ₂ Te ₅ ).

Аморфное состояние является полупроводником, а в (поли) кристаллической форме — металлическим.Нагревание выше точки стеклования, но ниже точки плавления приводит к кристаллизации ранее полупроводниковой аморфной ячейки. Точно так же полностью расплавленная, а затем быстрое охлаждение клетка оставляет ее в металлическом кристаллическом состоянии.

Это изменение удельного сопротивления в зависимости от микроструктуры имеет решающее значение для работы таких устройств. Варьируя условия нагрева, различная пропорция каждой ячейки GST может быть кристаллической и аморфной — применяется правило смеси, поскольку фактически это две фазы.Это позволяет использовать несколько различимых уровней сопротивления для каждой ячейки, увеличивая плотность хранения и снижая стоимость мегабайта.

Наиболее распространенной проблемой кремниевых устройств является рассеивание тепла.

Современный процессор имеет расчетную тепловую мощность более 70 Вт (Intel i7 3770, процесс 22 нм). Охладитель должен отводить указанное количество тепла с поверхности кристалла, которое обычно составляет менее 10 см. ² . Обычно радиаторы имеют медный блок, прикрепленный к корпусу микропроцессора с помощью термопасты и давления.Основная часть радиатора обычно делается из гораздо более дешевого алюминия, хотя для интерфейса необходима высокая теплопроводность меди. Термопаста, хотя и является лучшим проводником тепла, чем воздух, намного хуже, чем большинство металлов, поэтому ее используют только в качестве тонкого слоя для замены воздушных зазоров.

Электропроводность — не самый эффективный метод отвода тепла к отдельному радиатору, поэтому можно использовать конвекцию и скрытую теплоту испарения. Тепловые трубки, обычно сделанные из меди, заполнены жидкостью с низкой температурой кипения, которая кипит на горячем конце и конденсируется на холодном конце трубы.Это гораздо более быстрый способ передачи тепла на большие расстояния.

Космос

Теплоизоляторы находят множество применений, разработка которых связана с попытками улучшить объемные механические свойства при сохранении изоляционных свойств (т.е. не пропускает тепло, но не плавится)

Особенно известное применение теплоизоляции — это (ныне списанные) плитки космических челноков, которые отвечают за защиту челнока во время повторного входа в атмосферу.Они такие хорошие изоляторы, что снаружи они могут раскалиться докрасна, а внутри шаттла астронавты еще живы.

Одним из лучших теплоизоляторов является кремнеземный аэрогель.

Аэрогель — это твердотельный материал с чрезвычайно низкой плотностью, сделанный из геля, в котором жидкая фаза геля заменена газом. В результате получается твердое тело чрезвычайно низкой плотности, что делает его эффективным теплоизолятором.

Одно применение аэрогелей — легкий коллектор микрометеоритов, аэрогель был использован.Хотя он очень легкий, он достаточно силен, чтобы улавливать микрометеоры.

Спички остаются холодными в миллиметрах от паяльной лампы, большой массив аэрогелевых кирпичей готов к запуску в космос, а образовавшаяся космическая пыль фотографируется по возвращении на Землю

Aerogels могут изготавливаться из различных материалов, но имеют универсальную структуру. (аморфные «нано-пены» с открытыми ячейками). Однако чаще всего используется силикат. Аэрогели кремнезема были впервые открыты в 1931 году.

Аэрогели обладают экстремальной структурой и экстремальными физическими свойствами. Высокопористая природа структуры аэрогеля обеспечивает низкую плотность. Процент открытого пространства в структуре аэрогеля составляет около 94% для геля плотностью 100 кг · м ^{— 3} .

Аэрогели — хорошие теплоизоляторы, поскольку они исключают три метода передачи тепла (конвекцию, теплопроводность и излучение). Они являются хорошими конвективными изоляторами благодаря тому, что воздух не может циркулировать по решетке.Кремнеземный аэрогель является особенно хорошим проводящим изолятором, потому что кремнезем плохо проводит тепло — металлический аэрогель, с другой стороны, был бы менее эффективным изолятором. Углеродный аэрогель является эффективным изолятором излучения, поскольку углерод способен поглощать инфракрасное излучение, которое передает тепло. Следовательно, для максимальной теплоизоляции лучший аэрогель — это кремнезем, легированный углеродом.

Трансмиссия

Одно из самых масштабных применений электрических проводников — передача энергии.

К сожалению, свойства, которые желательны для прочного кабеля, кажутся противоположными свойствам хорошего проводника.

Алюминиевые сплавы могут быть очень прочными из-за своей плотности, но, согласно правилу Нордхейма, они намного хуже проводят.

Существует огромное множество сталей, но, опять же, межузельные атомы углерода увеличивают сопротивление по сравнению с чистым железом. Это означает, что необходим кабель большего диаметра, который из-за плотности стали оказывается очень тяжелым и дорогим.Более тяжелый кабель также означает, что мы должны построить дополнительные пилоны, что составляет большую часть стоимости.

Медь, хотя и подходит для домашней электропроводки, является плотной и все более дорогой.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 и более поздних версий, который можно скачать здесь.

Для большинства воздушных силовых кабелей решением является использование двух материалов — стальной жилы, окруженной множеством отдельных алюминиевых жил. Таким образом получаются легкие, высокопрочные кабели с приемлемой проводимостью.

Сверхпроводники

были испытаны для передачи энергии, но только под землей, и при значительно более высокой стоимости (и эффективности!).

Термоэлектрический эффект

Термоэлектрический эффект — это прямое преобразование разницы температур в электрическое напряжение и наоборот. Проще говоря, термоэлектрическое устройство создает напряжение, когда на каждой стороне устройства разная температура. Он также может работать «в обратном направлении», поэтому, когда на него подается напряжение, создается разница температур.Этот эффект можно использовать для выработки электричества, измерения температуры, охлаждения объектов или их нагрева. Поскольку знак приложенного напряжения определяет направление нагрева и охлаждения, термоэлектрические устройства представляют собой очень удобные регуляторы температуры.

Эффект Пельтье заключается в том, что когда (постоянный) ток течет через переход металл-полупроводник, тепло либо поглощается, либо выделяется. Это связано с тем, что средняя энергия электронов в двух материалах различается, и эту разницу составляет тепло.

Для более полного понимания требуется знание зонной структуры, более подробно рассмотренной в TLP по полупроводникам.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 и более поздних версий, который можно скачать здесь.

Сводка

Мы рассмотрели основы электрической и теплопроводности, а также некоторые из наиболее распространенных приложений. Вы должны понимать роль электронов и фононов в теплопроводности, а также то, как взаимодействия между ними приводят к изменению электропроводности с температурой.Вы должны понимать, что металлы имеют больше механизмов теплопередачи, чем их неметаллические аналоги, что объясняет, почему они имеют более высокую теплопроводность. Кроме того, этот TLP должен был затронуть некоторые из основных применений тепловых и электрических проводников и изоляторов. Наконец, была установлена ​​связь между теплопроводностью и электропроводностью металлов, в том числе закон Видемана-Франца.

Суммируя факторы, влияющие на проводимость:

• Температура — при повышении температуры увеличивается средняя энергия, приходящаяся на один фонон, и, благодаря механизму рассеяния с перебросом, теплопроводность уменьшается.Фононы также больше рассеивают электроны.

• Плотность электронов (в металлах) — если электроны являются проводниками, большее количество (валентных) электронов обычно приводит к лучшей проводимости.

• Легирование — межузельные частицы рассеивают электроны и уменьшают проводимость. Фазовые границы, примеси, дислокации и т. Д. Снижают проводимость даже при низкой температуре.
  

Вопросы

Быстрые вопросы

Вы сможете без особого труда ответить на эти вопросы после изучения данного TLP.Если нет, то вам следует пройти через это снова!

1. Для фононов нормальные моды

2. Каким образом кристаллические решетки влияют на электроны, исходя из предположений модели свободных электронов?

3. Разброс Umklapp:

4. Что из следующего верно в соответствии с законом Видемана-Франца?

5. Какие из следующих утверждений об электропроводности почти чистых материалов верны?

6. Какой из них является правильным с точки зрения электропроводности от лучшей к худшей (предполагается, что это чистые материалы)?

   		Nb 3 Sn при 4K, Ag при 300K, Au при 300K, Nb 3 Sn при 300K, Cu при 300K.
   	b	Ag при 300K, Cu при 300K, Nb 3 Sn при 4K, Au при 300K, Nb 3 Sn при 300K.
   	с	Nb 3 Sn при 4K, Ag при 300K, Cu при 300K, Au при 300K, Nb 3 Sn при 300K.
   	d	Nb 3 Sn при 300K, Cu при 300K, Ag при 300K, Au при 300K, Nb 3 Sn при 4K.
   	e	Nb 3 Sn при 4K, Cu при 300K, Nb 3 Sn при 300K, Ag при 300K, Au при 300K.

Далее

Книги

Курс химии A NST IB и / или курс физики NST IB также более подробно рассматривают проведение.

Сайты

Академический консультант: Джесс Гвинн (Кембриджский университет)
Разработка контента: Эндрю Витти
Фотография и видео:
Веб-разработка: Лианн Саллоус и Дэвид Брук

DoITPoMS финансируется Великобританией Центр материаловедения и кафедра материаловедения и металлургии, Кембриджский университет

.

Электропроводность элементов и других материалов

• Проводники — это материалы со слабо прикрепленными валентными электронами — электроны могут свободно дрейфовать между атомами
• Изоляторы имеют структуры, в которых электроны связаны с атомами ионными или ковалентными связями — ток практически отсутствует. flow
• Полупроводники — это изолирующие материалы, в которых связи могут быть разорваны под действием приложенного напряжения — электроны могут высвобождаться и перемещаться с одного освободившегося валентного узла на другой.

Электропроводность

Электропроводность или удельная проводимость — это мера способности материала проводить электрический ток. Электропроводность является обратной (обратной) величиной удельного электрического сопротивления.

Электропроводность определяется как отношение плотности тока к напряженности электрического поля и может быть выражена как

σ = J / E (1)

, где

σ = электрическая проводимость (1 / Ом · м, 1/ Ом м, сименс / м, См / м, mho / m)

Дж = плотность тока (ампер / м ² )

E = электрический напряженность поля (вольт / м)

One siemens — S — эквивалентна одному ому и также обозначается как one mho.

Электропроводность некоторых распространенных материалов

Материал	Электропроводность — σ — (1 / Ом · м, См / м, МО / м)
Алюминий	37,7 10 6
Бериллий	31,3 10 6
Кадмий	13,8 10 6
Кальций	29.8 10 6
Хром	7,74 10 6
Кобальт	17,2 10 6
Медь	59,6 10 6
Медь — отожженная	58,0 10 6
Галлий	6,78 10 6
Золото	45,2 10 6
Иридий	19.7 10 6
Железо	9,93 10 6
Индий	11,6 10 6
Литий	10,8 10 6
Магний	22,6 10 6
Молибден	18,7 10 6
Никель	14,3 10 6
Ниобий	6.93 10 6
Осмий	10,9 10 6
Палладий	9,5 10 6
Платина	9,66 10 6
Калий	13,9 10 6
Рений	5,42 10 6
Родий	21,1 10 6
Рубидий	7.79 10 6
Рутений	13,7 10 6
Серебро	63 10 6
Натрий	21 10 6
Стронций	7,62 10 6
Тантал	7,61 10 6
Технеций	6,7 10 6
Таллий	6.17 10 6
Торий	6,53 10 6
Олово	9,17 10 6
Вольфрам	18,9 10 6
Цинк	16,6 10 6
Морская вода	4,5 — 5,5
Вода — питьевая	0,0005 — 0,05
Вода — деионизированная	5.5 10 -6

Электропроводность элементов относительно серебра

900,6

Элемент	Электропроводность относительно серебра
Серебро	100.0
Медь	97,6
Золото	76,6
Алюминий	63,0
Тантал	54,6
Магний	39.4
Натрий	32,0
Бериллий	31,1
Барий	30,6
Цинк	29,6
Индий	27,0
Кадмий
Кальций	21,8
Рубидий	20,5
Цезий	20,0
Литий	18.7
Молибден	17,6
Кобальт	16,9
Уран	16,5
Хром	16,0
Марганец	15,8
Платина	14,4
Олово	14,4
Вольфрам	14,0
Осмий	14.0
Титан	13,7
Иридий	13,5
Рутений	13,2
Никель	12,9
Родий	12,6
Палладий	Палладий
Сталь	12,0
Таллий	9,1
Свинец	8,4
Колумбий	5.1
Ванадий	5,0
Мышьяк	4,9
Сурьма	3,6
Ртуть	1,8
Висмут	1,4
Теллур	0,0

Электропроводность высокоочищенной воды

Удельное электрическое сопротивление

Электропроводность обратно пропорциональна удельному электрическому сопротивлению.Удельное электрическое сопротивление может быть выражено как

ρ = 1/ σ (2)

, где

ρ = удельное электрическое сопротивление (Ом · м ² / м, Ом · м)

Сопротивление проводника

Сопротивление проводника можно выразить как

R = ρ l / A (3)

, где

R = сопротивление (Ом, Ом)

l = длина проводника (м)

A = площадь поперечного сечения проводника (м ² )

Пример — сопротивление провода

Сопротивление провода 1000 м калибр медного провода # 10 с площадью поперечного сечения 5.26 мм ² можно рассчитать как

R = (1,724 x 10 ^-8 Ом м ² / м) (1000 м) / (( 5,26 мм ² ) (10 ^{— 6} м ² / мм ² ))

= 3,2 Ом

Преобразование удельного сопротивления и проводимости

900

Гран / галлон как CaCO 3	ppm как CaCO 3	ppm NaCl	Электропроводность мкмхо / см	Удельное сопротивление МОм / см
99.3	1700	2000	3860	0,00026
74,5	1275	1500	2930	0,00034
49,6	850	1000	1990	0,00050
24,8	425	500	1020	0,00099
9,93	170	200	415	0.0024
7,45	127	150	315	0,0032
4,96	85,0	100	210	0,0048
2,48	42,5	50	105	0,0095
0,992	17,0	20	42,7	0,023
0,742	12,7	15	32.1	0,031
0,496	8,50	10	21,4	0,047
0,248	4,25	5,0	10,8	0,093
0,099	1,70	2,0	4,35	0,23
0,074	1,27	1,5	3,28	0,30
0,048	0.85	1,00	2,21	0,45
0,025	0,42	0,50	1,13	0,88
0,0099	0,17	0,20	0,49	2,05
0,13	0,15	0,38	2,65
0,0050	0,085	0,10	0,27	3.70
0,0025	0,042	0,05	0,16	6,15
0,00099	0,017	0,02	0,098	10,2
0,00070	0,012	0,01587	11,5
0,00047	0,008	0,010	0,076	13,1
0,00023	0.004	0,005	0,066	15,2
0,00012	0,002	0,002	0,059	16,9

• зерен / галлон = 17,1 частей на миллион CaCO ₃

Растворы

Электропроводность водных растворов, таких как

• NaOH ₄ — Каустическая сода
• NH ₄ Cl — Хлорид аммония, соляной аммиак
• NaCl ₂ — Поваренная соль
• NaNO ₃ — Нитрат натрия , Чилийская селитра
• CaCl ₂ — Хлорид кальция
• ZnCl ₂ — Хлорид цинка
• NaHCO ₃ — Бикарконат натрия, пищевая сода
• Na ₂ CO _{3 карбонат натрия}
• CuSO ₄ — Медный купорос, медный купорос

.

Теплопроводность выбранных материалов и газов

Теплопроводность — это свойство материала, которое описывает способность проводить тепло. Теплопроводность может быть определена как

«количество тепла, передаваемого через единицу толщины материала в направлении, нормальном к поверхности единицы площади, за счет градиента единичной температуры в условиях устойчивого состояния»

Теплопроводность единицами являются [Вт / (м · К)] в системе СИ и [БТЕ / (час фут ° F)] в британской системе мер.

См. Также изменения теплопроводности в зависимости от температуры и давления , для: воздуха, аммиака, двуокиси углерода и воды

Теплопроводность для обычных материалов и продуктов:

900 90078 0,1 — 0,22 0,606

Теплопроводность — k — Вт / (м · К)
Материал / вещество	Температура
	25 o C (77 o F)	125 o C (257 o F)	225 o C (437 o F)
	Acetals	0.23
Ацетон	0,16
Ацетилен (газ)	0,018
Акрил	0,2
Воздух, атмосфера (газ)	0,0262	0,0333	0,0398
Воздух, высота над уровнем моря 10000 м	0,020
Агат	10,9
Спирт	0.17
Глинозем	36	26
Алюминий
Алюминий Латунь	121
Оксид алюминия	30
Аммиак (газ)	0,0249	0,0369	0,0528
Сурьма	18,5
Яблоко (85.6% влаги)	0,39
Аргон (газ)	0,016
Асбестоцементная плита	0,744
Асбестоцементные листы	0,166
Асбестоцемент	2,07
Асбест неплотно упакованный	0,15
Асбестовый картон	0.14
Асфальт	0,75
Бальзовое дерево	0,048
Битум	0,17
Слои битума / войлока	0,5
Говядина постная (влажность 78,9%)	0,43 — 0,48
Бензол	0,16
Бериллий
Висмут	8.1
Битум	0,17
Доменный газ (газ)	0,02
Весы котла	1,2 — 3,5
Бор	25
Латунь
Бриз	0,10 — 0,20
Кирпич плотный	1.31
Кирпич огнеупорный	0,47
Кирпич изоляционный	0,15
Кирпичная кладка обыкновенная (строительный кирпич)	0,6 -1,0
Кирпичная кладка , плотная	1,6
Бром (газ)	0,004
Бронза
Коричневая железная руда	0.58
Масло (влажность 15%)	0,20
Кадмий
Силикат кальция	0,05
Углерод	1,7
Двуокись углерода (газ)	0,0146
Окись углерода	0,0232
Чугун
Целлюлоза, хлопок, древесная масса и регенерированная	0.23
Ацетат целлюлозы, формованный, лист	0,17 — 0,33
Нитрат целлюлозы, целлулоид	0,12 — 0,21
Цемент, Портленд	0,29
Цемент, строительный раствор	1,73
Керамические материалы
Мел	0.09
Древесный уголь	0,084
Хлорированный полиэфир	0,13
Хлор (газ)	0,0081
Хром никелевая сталь	16,3
Хром
Оксид хрома	0,42
Глина, от сухой до влажной	0.15 — 1,8
Глина насыщенная	0,6 — 2,5
Уголь	0,2
Кобальт
Треск (влажность 83% содержание)	0,54
Кокс	0,184
Бетон, легкий	0,1 — 0,3
Бетон, средний	0.4 — 0,7
Бетон, плотный	1,0 — 1,8
Бетон, камень	1,7
Константан	23,3
Медь
Кориан (керамический наполнитель)	1,06
Пробковая плита	0,043
Пробка, повторно гранулированная	0.044
Пробка	0,07
Хлопок	0,04
Вата	0,029
Углеродистая сталь
Утеплитель из шерсти	0,029
Купроникель 30%	30
Алмаз	1000
Диатомовая земля (Sil-o-cel)	0.06
Диатомит	0,12
Дуралий
Земля, сухая	1,5
Эбонит	0,17
11,6
Моторное масло	0,15
Этан (газ)	0.018
Эфир	0,14
Этилен (газ)	0,017
Эпоксидный	0,35
Этиленгликоль	0,25
Перья	0,034
Войлок	0,04
Стекловолокно	0.04
Волокнистая изоляционная плита	0,048
Древесноволокнистая плита	0,2
Огнеупорный кирпич 500 o C	1,4
Фтор (газ)	0,0254
Пеностекло	0,045
Дихлордифторметан R-12 (газ)	0.007
Дихлордифторметан R-12 (жидкость)	0,09
Бензин	0,15
Стекло	1,05
Стекло, Жемчуг, жемчуг	0,18
Стекло, жемчуг, насыщенное	0,76
Стекло, окно	0.96
Стекло-вата Изоляция	0,04
Глицерин	0,28
Золото
Гранит	1,7 — 4,0
Графит	168
Гравий	0,7
Земля или почва, очень влажная зона	1.4
Земля или почва, влажная зона	1,0
Земля или почва, сухая зона	0,5
Земля или почва, очень сухая зона	0,33
Гипсокартон	0,17
Волос	0,05
ДВП высокой плотности	0.15
Лиственные породы (дуб, клен …)	0,16
Hastelloy C	12
Гелий (газ)	0,142
Мед ( 12,6% влажности)	0,5
Соляная кислота (газ)	0,013
Водород (газ)	0,168
Сероводород (газ)	0.013
Лед (0 o C, 32 o F)	2,18
Инконель	15
Чугун	47-58
Изоляционные материалы	0,035 — 0,16
Йод	0,44
Иридий	147
Железо
Оксид железа	0 .58
Капок изоляция	0,034
Керосин	0,15
Криптон (газ)	0,0088
Свинец
, сухой	0,14
Известняк	1,26 — 1,33
Литий
Магнезиальная изоляция (85%)	0.07
Магнезит	4,15
Магний
Магниевый сплав	70-145
Мрамор	2,08 — 2,94
Ртуть, жидкость
Метан (газ)	0,030
Метанол	0.21
Слюда	0,71
Молоко	0,53
Изоляционные материалы из минеральной ваты, шерстяные одеяла ..	0,04
Молибден
Монель
Неон (газ)	0,046
Неопрен	0.05
Никель
Оксид азота (газ)	0,0238
Азот (газ)	0,024
Закись азота (газ)	0,0151
Нейлон 6, Нейлон 6/6	0,25
Масло машинное смазочное SAE 50	0,15
Оливковое масло	0.17
Кислород (газ)	0,024
Палладий	70,9
Бумага	0,05
Парафиновый воск	0,25
Торф	0,08
Перлит, атмосферное давление	0,031
Перлит, вакуум	0.00137
Фенольные литые смолы	0,15
Формовочные смеси фенолформальдегид	0,13 — 0,25
Фосфорбронза	110			Pinchbe20 159
Шаг	0,13
Карьерный уголь	0.24
Штукатурка светлая	0,2
Штукатурка, металлическая планка	0,47
Штукатурка песочная	0,71
Штукатурка, деревянная планка	0,28
Пластилин	0,65 — 0,8
Пластмассы вспененные (изоляционные материалы)	0.03
Платина
Плутоний
Фанера	0,13
Поликарбонат	0,19
Полиэстер
Полиэтилен низкой плотности, PEL	0,33
Полиэтилен высокой плотности, PEH	0.42 — 0,51
Полиизопреновый каучук	0,13
Полиизопреновый каучук	0,16
Полиметилметакрилат	0,17 — 0,25
Полипропилен
Полистирол вспененный	0,03
Полистирол	0.043
Пенополиуретан	0,03
Фарфор	1,5
Калий	1
Картофель, сырая мякоть	0,55
			Пропан (газ)	0,015
Политетрафторэтилен (ПТФЭ)	0,25
Поливинилхлорид, ПВХ	0.19
Стекло Pyrex	1,005
Кварц минеральный	3
Радон (газ)	0,0033
Красный металл
Рений
Родий
Порода, твердая	2-7
Порода, вулканическая порода (туф)	0.5 — 2,5
Изоляция из каменной ваты	0,045
Канифоль	0,32
Резина, ячеистая	0,045
Резина натуральная	0,13
Рубидий
Лосось (влажность 73%)	0,50
Песок сухой	0.15 — 0,25
Песок влажный	0,25 — 2
Песок насыщенный	2-4
Песчаник	1,7
Опилки	0,08
Селен
Овечья шерсть	0,039
Аэрогель кремнезема	0.02
Кремниевая литая смола	0,15 — 0,32
Карбид кремния	120
Кремниевое масло	0,1
Серебро
Шлаковая вата	0,042
Сланец	2,01
Снег (температура <0 o C)	0.05 — 0,25
Натрий
Хвойные породы (пихта, сосна ..)	0,12
Почва, глина	1,1
Почва, с органическими материя	0,15 — 2
Грунт насыщенный	0,6 — 4
Припой 50-50	50
Сажа	0.07
Насыщенный пар	0,0184
Пар низкого давления	0,0188
Стеатит	2
Сталь углеродистая
Сталь, нержавеющая
Изоляция из соломенных плит, сжатая	0,09
Пенополистирол	0.033
Диоксид серы (газ)	0,0086
Сера кристаллическая	0,2
Сахара	0,087 — 0,22
Тантал
Смола	0,19
Теллур	4,9
Торий
Древесина, ольха	0.17
Древесина, ясень	0,16
Древесина, береза ​​	0,14
Лес, лиственница	0,12
Древесина, клен	0,16
Древесина дубовая	0,17
Древесина осина	0,14
Древесина оспа	0.19
Древесина, бук красный	0,14
Древесина, сосна красная	0,15
Древесина, сосна белая	0,15
Древесина ореха	0,15
Олово
Титан
Вольфрам
Уран
Пенополиуретан	0.021
Вакуум	0
Гранулы вермикулита	0,065
Виниловый эфир	0,25
Вода, пар (пар)		0,0267	0,0359
Пшеничная мука	0.45
Белый металл	35-70
Древесина поперек волокон, белая сосна	0,12
Древесина поперек волокон, бальза	0,055
Древесина поперек волокон, сосна желтая, древесина	0,147
Дерево, дуб	0,17
Шерсть, войлок	0.07
Древесная вата, плита	0,1 — 0,15
Ксенон (газ)	0,0051
Цинк

Пример — Проводящая теплопередача через Алюминиевый горшок и горшок из нержавеющей стали

Кондуктивная теплопередача через стенку горшка может быть рассчитана как

q = (к / с) A dT (1)

или

q / A = (к / с) dT

где

q = теплопередача (Вт, БТЕ / ч)

A = площадь поверхности (м ² , фут ² )

q / A = теплопередача на единицу площади (Вт / м ² , Btu / (h ft ² ))

k = среднеквадратичная проводимость (Вт / мК, БТЕ / (час фут · ° F) )

dT = t ₁ — t ₂ = разница температур ( ^o C, ^o F)

s = толщина стенки (м, фут)

Калькулятор теплопроводности

k = теплопроводность (Вт / мК, БТЕ / (час фут ° F) )

s = толщина стенки (м, фут)

A = площадь поверхности (м ² , фут ² )

dT = t ₁ — t ₂ = разница температур ( ^o C, ^или F)

Примечание! — общая теплопередача через поверхность определяется « общим коэффициентом теплопередачи », который в дополнение к кондуктивной теплопередаче зависит от

Кондуктивная теплопередача через алюминиевую стенку горшка толщиной 2 мм — разность температур 80 ^o C

Теплопроводность алюминия составляет 215 Вт / (м · K) (из таблицы выше).Кондуктивная теплопередача на единицу площади может быть рассчитана как

q / A = [(215 Вт / (м · K)) / (2 10 ^-3 м)] (80 ^o C)

= 8600000 (Вт / м ² )

= 8600 (кВт / м ² )

Кондуктивная теплопередача через стенку емкости из нержавеющей стали толщиной 2 мм — разница температур 80 ^o C

Теплопроводность для нержавеющей стали 17 Вт / (м · К) (из таблицы выше).Кондуктивная теплопередача на единицу площади может быть рассчитана как

q / A = [(17 Вт / (м · K)) / (2 10 ^-3 м) ] (80 ^o C)

= 680000 (Вт / м ² )

= 680 (кВт / м ² )

.

Почему металлы так хорошо проводят тепло и электричество?

Структура металлов

Структуры чистых металлов описать просто, поскольку атомы, образующие эти металлы, можно рассматривать как идентичные совершенные сферы. Более конкретно, металлическая структура состоит из «выровненных положительных ионов» (катионов) в «море» делокализованных электронов. Это означает, что электроны могут свободно перемещаться по структуре и обуславливают такие свойства, как проводимость.

Какие бывают виды облигаций?

Ковалентные облигации

Ковалентная связь — это связь, которая образуется, когда два атома разделяют электроны. Примерами соединений с ковалентными связями являются вода, сахар и диоксид углерода.

Ионные связи

Ионная связь — это полный перенос валентных электронов между металлом и неметаллом. В результате возникают два противоположно заряженных иона, которые притягиваются друг к другу.В ионных связях металл теряет электроны, чтобы стать положительно заряженным катионом, тогда как неметалл принимает эти электроны, чтобы стать отрицательно заряженным анионом. Примером ионной связи может быть соль (NaCl).

Металлические облигации

Металлическая связь — это результат электростатической силы притяжения, которая возникает между электронами проводимости (в форме электронного облака делокализованных электронов) и положительно заряженными ионами металлов.Это можно описать как распределение свободных электронов между решеткой положительно заряженных ионов (катионов). Металлическое соединение определяет многие физические свойства металлов, такие как прочность, пластичность, термическое и электрическое сопротивление и проводимость, непрозрачность и блеск.

Делокализованные движущиеся электроны в металлах —

Это свободное движение электронов в металлах, которое придает им проводимость.

Электропроводность

Металлы содержат свободно движущиеся делокализованные электроны.Когда прикладывается электрическое напряжение, электрическое поле внутри металла вызывает движение электронов, заставляя их перемещаться от одного конца к другому концу проводника. Электроны будут двигаться в положительную сторону.

Электроны текут к положительному выводу

Теплопроводность

Металл хорошо проводит тепло.Проводимость возникает, когда вещество нагревается, частицы получают больше энергии и больше вибрируют. Затем эти молекулы сталкиваются с соседними частицами и передают им часть своей энергии. Затем это продолжается и передает энергию от горячего конца к более холодному концу вещества.

Почему металлы так хорошо проводят тепло?

Электроны в металле — это делокализованные электроны и свободно движущиеся электроны, поэтому, когда они набирают энергию (тепло), они вибрируют быстрее и могут перемещаться, это означает, что они могут быстрее передавать энергию.

Какие металлы проводят лучше всего?

Вверху: Электронные оболочки Золото (au), Серебро (Ag), Медь (Cu) и Цинк (Zn). По логике, можно подумать, что Золото — лучший проводник, имеющий единственный s-орбитальный электрон в последней оболочке (диаграмма выше)… так почему серебро и медь на самом деле лучше (см. таблицу ниже).

Электропроводность металлов	> С / м
Серебро	6,30 × 10 7
Медь	5,96 × 10 7
Золото	4.10 × 10 7
Алюминий	3,50 × 10 7
цинк	1,69 × 10 7

Серебро имеет больший атомный радиус (160 мкм), чем золото (135 мкм), несмотря на то, что у золота больше электронов, чем у серебра! О причинах этого см. Комментарий ниже.

Примечание: Серебро является лучшим проводником, чем золото, но золото более желательно, потому что оно не подвержено коррозии.(Медь является наиболее распространенной, потому что она наиболее экономична) Ответ немного сложен, и мы размещаем здесь один из лучших ответов, которые мы видели для тех, кто знаком с материалом.

«Серебро находится в середине переходных металлов примерно на 1/2 пути между благородными газами и щелочными металлами. В столбце 11 периодической таблицы все эти элементы (медь, серебро и золото) имеют единичный s -орбитальный электрон электрон внешней оболочки (платина также, в столбце 10).

Орбитальная структура электронов этих элементов не имеет особого сродства к приобретению или потере электронов по отношению к более тяжелым или легким благородным газам, потому что они находятся на полпути между ними. В общем, это означает, что не требуется много энергии, чтобы временно сбить электрон или добавить его. Удельное сродство к электрону и потенциалы ионизации варьируются, и что касается проводимости, наличие относительно низких энергий для этих двух критериев в некоторой степени важно.

Если бы это были единственные критерии, то золото было бы лучшим проводником, чем серебро, но у золота есть дополнительные 14 f-орбитальных электронов под 10 d-орбитальными электронами и единственным s-орбитальным электроном. 14 f-электронов связаны с дополнительными атомами в ряду актинидов. С 14 дополнительными электронами, которые, очевидно, выталкивают d- и s-электроны, можно подумать, что s-электрон просто «созрел» для проводимости (почти не требовалось энергии, чтобы оттолкнуть его), но НЕТ. Электроны на f-орбите упакованы таким образом, что это приводит к тому, что атомный радиус золота на самом деле МЕНЬШЕ, чем атомный радиус серебра — не намного, но он меньше. Меньший радиус означает большую силу со стороны ядра на внешние электроны, поэтому серебро побеждает в «соревновании» проводимости. Помните, сила электрического заряда обратно пропорциональна квадрату расстояния. Чем ближе 2 заряда вместе, тем выше сила между ними.

И медь, и платина имеют еще меньший диаметр; следовательно, большее притяжение от ядра, следовательно, больше энергии, чтобы сбить этот одинокий s-электрон, следовательно, меньшая проводимость.

Другие элементы с одним s-орбитальным электроном, находящимся там, «созревшие для того, чтобы появился сборщик проводимости», также имеют меньшие атомные радиусы (молибден, ниобий, хром, рутений, родий), чем серебро.

Итак, именно то место, где оно находится, то место, где «мать-природа» поместила серебро в периодической таблице, определяет его превосходную проводимость ».

Источник из фунтов101 Yahoo

ВЫБОР ИСТОЧНИКОВ И ЧИТАТЕЛЕЙ —

Структура и физические свойства металлов

Почему одни металлы проводят тепло лучше, чем другие?

Как передается тепло?

Теплопроводность металлов

.