Материал: Учебное пособие ЭТМ
T2 > Т1
Рис. 5.8. Схема термоэлектрического преобразователя (термопары)
Термо-ЭДС (u) в цепи, составленной из двух различных проводников А и В, определяется следующим выражением:
u = |
k |
(Т |
|
− Т )ln |
n А |
= Ψ(Т |
|
−Т ) , |
(5.8) |
|
|
nВ |
|
||||||
|
е |
|
2 |
1 |
|
2 |
1 |
|
|
где k — коэффициент Больцмана; е — |
заряд электрона; Т — |
темпера- |
|||||||
тура; nA — концентрация квазисвободных электронов в материале А; nВ — концентрация квазисвободных электронов в материале В; Ψ — термоэлектрический коэффициент.
Термо-ЭДС, возникающая в месте контакта двух проводников, может быть использована в двух вариантах:
1.Если надо создать термопару, используемую для измерения температуры, необходимо подобрать проводники так, чтобы величина u была максимальна.
2.Если надо избежать возникновения паразитных ЭДС в электрической схеме, то следует подбирать такие проводники, чтобы величина u была минимальна.
5.2.4. Температурный коэффициент расширения
Существует два вида температурного коэффициента расшире-
ния:
1. Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР):
1 l
αl = l ΔТ [° С- 1, К- 1]. (5.9)
2.Температурный коэффициент объемного расширения (ТКОР):
123
αV |
= |
1 |
V |
[° С-1, К-1]. |
(5.10) |
|
|||||
|
|
V ΔТ |
|
|
|
Для кубической кристаллической решетки величина αV приблизительно равна 3αl. Для остальных кристаллических решеток подобной простой связи не существует.
Для металлов (проводников): αl = (10 ÷ 80)·10 - 6 °C - 1. Для стекол (диэлектриков) αl = 0,5·10- 6 °C - 1 (для SiO2). Таким образом, разница в ТКЛР между проводниками и диэлектриками может составлять
Δαl = 20 ÷ 160.
Различие в ТКЛР необходимо обязательно учитывать для электровакуумных приборов, так как при нагреве между проводником и стеклом возникает микрозазор из-за разницы ТКЛР стекла и проводника. Проблема с возникновением зазора решается согласованием ТКЛР стекол (введение добавок в стекло) с ТКЛР проводников. Так, например, ТКЛР молибдена приблизительно равен ТКЛР специального молибденового стекла, и ТКЛР платины приблизительно равен ТКЛР платинового стекла, то же самое относится к титановым и вольфрамовым стеклам.
Существует приближенная зависимость между ТКЛР и температурой плавления (рис. 5.9), согласно которой αl·Тпл ≈ const.
αl ×106 , oC −1
Рис. 5.9. Зависимость ТКЛР от температуры плавления для различных проводников
124
Тугоплавкие металлы имеют низкий ТКЛР, что связано с высо-
кой прочностью их химической связи. |
|
|
|
||
Температура |
плавления |
цезия |
(Cs) |
равна |
28,5 ° С; |
αl =97 ×10-6 , o C-1 . |
Температура |
плавления |
вольфрама |
(W) равна |
|
3380 ° С; αl =4,4 ×10-6 , o C-1 .
5.2.5. Механические свойства
Механические свойства материала определяются пределом механической прочности (σi) при i-м воздействии. Для твердых диэлектрических материалов (керамика, стекло) используют обычно такие характеристики как: предел прочности на сжатие (σсж) и изгиб (σизг). Для металлов используют, в первую очередь, предел прочности на разрыв (σр) и относительное удлинение ( l/l). Пределы механической прочности σi являются функцией от химического состава проводника и термомеханической обработки. Обычно при увеличении температуры предел прочности на разрыв уменьшается.
Максимальный предел прочности на разрыв наблюдается у закаленных сталей, легированных хромом, никелем и марганцем. Для таких сталей максимально возможный предел прочности на разрыв после термомеханической обработки составляет приблизительно 1750 МПа. Это означает, например, что круглый проводник из такой стали диаметром 11 мм может выдержать нагрузку равную
17,5 т.
5.2.6. Температура плавления
Температура плавления (Тпл) проводников при 760 мм рт. ст. находится в интервале от − 39 ° С (для ртути) до 3380 ° С (для вольфрама). Температура плавления зависит от давления, приложенного к материалу. В табл. 5.1 приведены температуры плавления для некоторых проводников при нормальном давлении.
125
|
|
|
|
Таблица 5.1 |
Температура плавления проводников |
|
|||
|
|
|
|
|
Материал |
Тпл, ° С |
Материал |
|
Тпл, ° С |
|
|
|
|
|
Ртуть (Hg) |
– 39 |
Золото (Au) |
|
1063* |
|
|
|
|
|
Галлий (Ga) |
30 |
Медь (Cu) |
|
1083 |
|
|
|
|
|
Алюминий (Al) |
657 |
Платина (Pt) |
|
1771* |
|
|
|
|
|
Серебро (Ag) |
961* |
Вольфрам (W) |
|
3380 |
|
|
|
|
|
* металл используется в качестве реперных точек при градуировке приборов, предназначенных для измерения температуры.
5.2.7. Плотность
Плотность (d) проводников при 20 ° С и 760 мм рт. ст. находится
винтервале от 0,53 г/см3 (для лития) до 22,6 г/см3 (для осмия).
Втабл. 5.2 приведены значения плотности для некоторых проводников.
|
|
|
Таблица 5.2 |
Плотность проводников при 20 °С и 760 мм рт. ст. |
|||
|
|
|
|
Материал |
d, г/см3 |
Материал |
d, г/см3 |
|
|
|
|
Литий (Li) |
0,53 |
Золото (Au) |
19,3 |
|
|
|
|
Бериллий (Ве) |
1,83 |
Вольфрам (W) |
19,3 |
|
|
|
|
Алюминий (Al) |
2,7 |
Платина (Pt) |
21,4 |
|
|
|
|
Железо (Fe) |
7,87 |
Иридий (Ir) |
22,4 |
|
|
|
|
Медь (Cu) |
8,95 |
Осмий (Os) |
22,6 |
|
|
|
|
Из-за теплового расширения с увеличением температуры плотность уменьшается. При этом температурный коэффициент линейного расширения (αl) твердых тел с ростом температуры увеличивается. Так, например, для вольфрама при 20 ºС αl = 4,6·10- 6 К- 1, при 2900 ºС
αl = 8,8·10- 6 К- 1; для осмия при 20 ºС αl׀׀ = 5,8·10- 6 К- 1, при 500 ºС αl׀׀ = 8,2·10- 6 К- 1.
126
5.3.ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
5.3.1.Проводники с высокой электропроводностью
Кпроводникам с высокой электропроводностью относятся элементы, у которых ρ20 ° С меньше 5·10- 8 Ом·м. Это — серебро, медь, золото и алюминий (проводники указаны в порядке увеличения удельного сопротивления и уменьшения электропроводности).
Медь. В таблице Д. И. Менделеева медь (Cu) находится под
№29 в Iб группе. Распространенность меди в Земной коре порядка 0,01 %. Этот металл редко встречается в виде самородков, чаще в виде сульфидных соединений (соединения меди и серы).
Физические свойства: температура плавления 1083 ° С, плотность 8,95 г/см3. Медь — металл красноватого цвета, пластичный и легко поддающийся ковке.
Электрические свойства меди — удельное электрическое сопротивление при 20 ° С равно 1,7·10- 8 Ом·м.
Технология производства меди содержит следующие стадии: Первая стадия — получение черновой меди путем окисления
материалов, содержащих медь. Например, путем окисления минерала Cu2S («медный блеск»):
Cu2S + O2 
2Cu (черновая медь) + SO2↑.
Газ SO2, полученный в ходе реакции, направляется в химическую промышленность для производства серной кислоты (H2SO4).
Вторая стадия — получение рафинированной меди (переплавка). Cu (черновая медь) 
Cu (рафинированная медь в расплавленном состоянии, т. е. 99 % Cu) + летучие легкоплавкие примеси.
Третья стадия — получение электролитической меди методом электролиза с растворимым анодом (электрорафинирование).
Cu (рафинированная медь) + CuSO4 (раствор) 
Cu (медь, > 99,99 % Cu, осажденная на отрицательном катоде) + SO2↑ + S↑ + O2↑.
По содержанию примесей медь подразделяется на десять марок меди в зависимости от химического состава (табл. 5.3).
127