Температурный коэффициент линейного расширения проводников

Значение этого коэффициента

TK_l = 1/l ∙ dl/dT, [K^-1]

(где l – произвольный линейный размер изделия из данного материала)

интересно не только с точки зрения работы различных сопряжен­ных материалов в той или иной конструкции (возможность растрескивания или нарушения вакуум-плотного соединения со стеклами, кера­микой и др. при изменении температуры и т. п.). Оно необходимо также для расчета температурного коэффициента электрического сопротивления провода

ТК R = ТКр - ТКl. (1.9)

Для чистых металлов, как это видно из табл. 1.1, обычно ТКl << ТКр, т. е. для них можно считать приближенно ТКR = ТКр. Однако для сплавов, имеющих малый ТКр (ср. рис. 1.1, б и § 5.1), формула (1.9) имеет существенное практическое значение. Формулу (1.9) можно легко вывести путем сопоставления уравнений (1.3) и (В.6).

Значение ТКl твердых металлов возрастает при повышении тем­пературы и приближении к температуре плавления. Поэтому при нор­мальной температуре легкоплавкие металлы обычно имеют сравни­тельно высокие, а тугоплавкие сравнительно низкие значения ТКlσ (табл. 1.1),

Механические свойства проводников

Эти свойства характеризуются пределом прочности при растяже­нии σ_р, относительным удлинением при разрыве Δl/l, хрупкостью, твер­достью и другими параметрами.

Механические свойства металлических проводников в весьма боль­шой степени зависят от механической и термической обработки, от наличия, примесей и т. п. Отжиг приводит к существенному уменьше­нию σ_р и увеличению Δl/l;

Важной высокочастотной характеристикой металлических проводников является волновое сопротивление, характеризующее сопротивление распространения электромагнитной волны.

Частота тока - ω магнитная проницаемость - μ

Рассмотренные краткие сведения об электросопротивлении металлов и сплавов свидетельствуют о возможностях управлять этим свойством путем внешнего воздействия или варьированием композиции сплава, что предопределило следующие области использования данной характеристики материалов в системах: - проводниковые материалы; - материалы резисторов; - материалы датчиков температуры и деформации.

Классификация проводниковых материалов

Большинство металлических проводниковых материалов обладает очень высокой электропроводностью - r=0,015¸0,03 мкОм·м. Это преимущественно чистые металлы. У металлических (резистивных) сплавов r=0,4¸2 мкОм·м. Большинство чистых металлов и сплавов могут использоваться в среде окружающего воздуха до температуры не выше 200⁰С и некоторые до 500⁰С. При превышении этих температур на проводнике образуется пленка оксидов, имеющая рыхлую структуру и кислород окисляет металл. Современная электроника нуждается в проводниковых материалах, не окисляемых кислородом воздуха при 800-1000⁰С.

Проводники с малым удельным сопротивлением

В электронике проводниковые материалы применяются для прово­дов, сопротивлений и контактов. Материалы должны обладать следующими особенностями: малым удельным сопротивлением с целью уменьшения потерь энергии при передаче по проводам, коррозионной стойкостью при изменении температуры и влажности окружающей среды, лёгкой пайкой и свариваемостью при монтаже аппаратуры, высокой пластичностью для получения проволоки диаметром до 1 микрона, необходимой прочностью во избежание провисания.

Чем меньше в проводнике примесей, тем выше его эл. свойства. С развитием радиоэлектроники возникла необходимость получения возможно чистых полупроводниковых материалов.

К основным проводниковым материалам относятся медь, алюминий и серебро. Наименьшим сопротивлением ( р = 0,0150 мкОм∙м) обладает серебро, но в связи с дефицитностью оно находит ограниченное применение.

Медь.

Первым по значению проводниковым материалом является медь марок М1 (содержание примесей не более 0,1%) и МО(содержание примесей менее 0.5%). Электросопротивлениестандартной проводниковой меди составляет 0,0172 мкОм-м. Примеси существенно ухудшают проводимость меди(см. рис, 4.1 ). Особенно нежелательны примесиА1, Ве, Ре, Si и Р, содержание которых около 0,5% приводит к повышению р на 40... 50%.

Высокая проводимость меди сочетается с хорошей деформируемостью, достаточно высокими механическими свойствами, удовлетворительной технологичностью при сварке и пайке.

Существенным недостатком меди является склонность к атмосферной коррозии и чувствительность к водородному охрупчиванию ("водородная болезнь» меди). Медь применяется для изготовления проводников (проводов, кабелей, шин),токоведущих деталей приборов и аппаратов.

Бронза

Литейный сплав меди с кадмием, бериллием, алюминием, фосфором и другимиэлементами.

Кадмиевая бронза содержат кадмия 0,9%. Удельное сопротивление ее 0,019 ом∙мм² /м. Прочность на разрыв до 48 кг/мм", относительное удлинение 5-50%. Кадмиевая бронза применяется для изготовления коллекторных пластин, токопроводящих пружин, контактов.

Бериллиевая бронза содержит до 2% бериллия. После термической обработки ее прочность на разрыв достигает 135 кг/мм² при твердости по Бринелю 370. Бериллиевая бронза применяется для скользящих контактов, токопроподящих пружин, ножей выключателей и переключателей.

Латунь .Сплав меди с цинком. В электронике применяются следующие марки: Л62, "168, ЛС59-1. Прочность латуни изменяется от 30 до 70 кг/мм². Отн. удлинение от 5 до 70%. Изделия из латуни изготовляют обработкой давлением. В электронике латунь применяется для волноводов (с серебрением внутренней поверхности), экранов, кожухов, штепсельных вилок, контактных лепестков, деталей шасси.

Алюминий

Лёгкий металл, удельный вес 2,7. Наиболее чистый алюминий содержит не более 0,05% примесей. Прочность алюминия невысокая 7,5-18 кг/мм2. Удельное сопротивление р = 0,028 ом∙мм2/м. Алюминий уступает меди по проводимости, его удельное электросопротивление в 1,65 раза выше, чем у меди. Однако у алюминия имеется ряд положительных качеств. Благодаря меньшей плотности алюминиевый проводник при равных длине и электросопротивлении, вдвое легче медного. Алюминий дешевле и больше распространён в природе. Оксидная пленказащищает

алюминий от атмосферной коррозии и является электроизоляционной.

Примеси снижают проводимость адюминия. В этом отношении нежелательны медь, магний, титан, марганец, ванадий.

Для проводников используют алюминий с содержанием других элементов не более 0,5% в том числе меди, марганца и магния менее 0,015; 0,01; 0,02%, соответственно.

Удельное электросопротивление алюминия прмышленных марок А5 и АЕ 0,028 – 0,0283мкОм∙м.

Необходимо отметить, что при низких температурах разница удельного электросопротивления алюминия и меди сокращается, а при температурах менее 75К проводимость алюминия_становится_ лучше.

Области применения проводникового алюминия: провода, обкладки конденсаторов, тонкие (напыляемые) пленки в полупроводниковых интегральных микросхемах.

При разработке приборов следует учитывать возможность коррозионного поражения контактных участков алюминий-медь, во избежание чего требуется тщательная зашита от влаги подобных участков электросхем.

Алюминий с содержанием примесей от 0,03 до до 0.07% применяется в качестве фольги для бумажных и электролитических конденсаторов. Алюминий с содержанием примесейот 0,2 до 0,3% применятся для проводников и фольги, а с содержанием примесей 0,5% применяется для изготовления кабелей и электропроводов. Алюминий активно окисляется с образованием тонкой пленки А1₂0₃ толщиной 0,04 мм с пробивным напряжением 250 в. Из алюминия можно изготовлять катушки индуктивности.

Для защиты одного контура от воздействия другого при высоких частотах лучшее экранирование магнитных полей дают экраны из меди и алюминия. Магнитный поток катушки индуктирует в экране токи, которые по закону Ленца создают свой магнитный поток противоположного направления, уничтожающий основной магнитный поток за пределами экрана.

Для повышения прочности в алюминии вводят медь (до 4%), магний (0,5-1,8%),марганец (0,4-1,0%). Получают сплавы – дуралюмина: Д1Т; Д6Т и Д16Т. После термообработки сплавових прочность достигает 60 кг/мм2. Дуралюмин применяется для изготовления экранов, рефлекторов, деталей разъёмов, панелей, роторов магнитных барабанов, вычислительных машин. Детали изготовляют путем штамповки и прессования.

Для деталей, изготавливаемых методом литья применяют высококремнистые силумины (АЛ2, АЛ4 и АЛ9), сплавына основе алюминий- медь, алюминий-цинк. Сплав АЛ9 применяется в вычислительных машинах для_изготовления станин, кронштейнов, корпусов блоков магнитных головок.

Железо

Имеет удельное сопротивление 0,1-0,13 ом∙мм2/м. Прочность на разрыв - 15 кг/мм2. Применяется для изготовления шин и проводов. При переменном токе в железных проводниках возникают потери мощности на гестерезис. Железо также применяется для экранирования при низких частотах, т. к магнитные линии втягивает и замыкает. Железная проволока применяется для бареттеров-стабилизаторов тока электронных ламп.

В электронном приборостроении находят широкое применение олово, свинец, вольфрам, серебро, платина, никель, цинк, молибден и индий.