3.2. Основные свойства и характеристики проводниковых материалов
Твердые металлические проводники характеризуются высокой электро- и теплопроводностью, механическими, физико-химическими и технологическими свойствами.
К механическим свойствам относят твердость, упругость, вязкость, пластжчмость. линейное расширение, хрупкость, прочность, усталость.
Твердость - это способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела.
Существуют различные методы определения твердости: вдавливание, царапание, упругая отдача. Наибольшее распространение получил метод вдавливания в материал стального шарика (твердость по Бриннелю), вдавливания конуса (по Роквеллу), вдавливания пирамиды (по Виккерсу).
Упругость – это свойство материала восстанавливать свою форму и объем после прекращения действия внешних сил, которые вызывают их изменение.
Вязкость – это способность материала оказывать сопротивление динамическим (быстровозрастающим) нагрузкам.
Ударная вязкость – это способность материала оказывать сопротивление ударным нагрузкам.
На ударную вязкость не испытывают такие хрупкие материалы, как чугун, силумин, закаленная инструментальная сталь.
Пластичность – это свойство материала деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия этих сил. Для количественной оценки пластичности используют относительное удлинение образца при разрыве Δl/l и относительное сужение площади поперечного сечения образца Δs/s.
Важной механической характеристикой материала является температурный коэффициент линейного расширения ТКl, который позволяет определять изменения любых геометрических размеров изделий (длины, ширины, толщины) при нагревании.
;
(5)
Значение ТКl твердых металлов возрастает при повышении температуры и приближении ее к температуре плавления.
Хрупкость - это способность материалов разрушаться при приложении резкого динамического усилия. У таких хрупких материалов явление пластической деформации не наблюдается, т.е. разрушение образца происходит при равенстве предела текучести σt и предела прочности при растяжении σр. Значения относительного удлинения и относительного сужения для хрупких материалов близки к нулю.
К хрупким материалам относят стекло, керамику, фарфор, хром, марганец, кобальт, вольфрам.
Прочность - это способность материала сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь.
Усталость - это разрушение материала под действием неболь ших повторных или знакопеременных нагрузок (вибраций). Металл разрушается при напряжениях, значительно меньших чем предел прочности
К физико-химическим свойствам относят цвет, плотность, температуру плавления, теплопроводность, тепловое расширение, электропроводность, магнитные свойства, поглощение газов, коррозионную стойкость и др.
Физико-химические свойства оценивают удельным электрическим сопротивлением ρ, удельной электрической проводимостью γ, температурным коэффициентом удельного электрического сопротивления ТКρ и коэффициентом теплопроводности.
Удельное электрическое сопротивление для образцов постоянного сечения S
;
(6)
где R - сопротивление образца, Ом: S - площадь поперечного сечения образца, м2; l - длина образца, м.
Величину ρ измеряют в омах на метр (Ом×м), но чаще в микроомах на метр. Диапазон значений ρ металлических проводников (при нормальной температуре) от 0,016 для серебра до 10 мкОм×м для некоторых сплавов.
Сопротивление проводников Rs на высоких частотах существенно больше их сопротивления на постоянном токе вследствие того, что высокочастотное поле проникает в проводник на небольшую глубину. Чем выше частота поля, тем на меньшую глубину оно проникает в проводник. Это явление получило название поверхностного эффекта.
Удельное электрическое сопротивление металлов зависит от температуры. Эта зависимость определяется температурным коэффициентом удельного электрического сопротивления (1/град), который при данной температуре вычисляют по формуле
,
(7)
где Δρ – приращение удельного сопротивления проводника, соответствующее приращению температуры ΔТ.
Средний температурный коэффициент удельного электрического сопротивления металлов (1/град) в диапазоне температур
;
(8)
где ρо, ρт – значения ρ, соответствующие температурам То и Т.
Если через пластину площадью S и толщиной Δl за время Δt проходит тепловой поток энергией θ, то между поверхностями противоположных граней создается разность температур ΔТ, связанная с θ соотношением
;
(9)
где
- градиент температуры
Параметр λ называют коэффициентом теплопроводности. Коэффициент теплопроводности проводников прямо пропорционален их удельной проводимости.
К технологическим свойствам относятся ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием, жидкотекучесть, усадка и др. Технологические свойства определяются комплексом физико-химических свойств материала. Для определения свойств материала проводят соответствующие лабораторные испытания.