Физико-химические свойства меди и железа

Контрольная работа

по дисциплине «химия и электроматериалы».

Вариант №1

Задание1. Основные физико-химические свойства меди, общие сведения о методе получения, основные области применения.

Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие: 1) малое удельное сопротивление (из всех металлов только серебро имеет несколько меньшее удельное сопротивление, чем медь); 2) достаточно высокая механическая прочность; 3) удовлетворительная в большинстве случаев применения стойкость по отношению к коррозии (медь окисляется на воздухе даже в условиях высокой влажности значительно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах);4)хорошая обрабатываемость: медь прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра; 5) относительная легкость пайки и сварки.

В электровакуумном производстве применяют более чистую медь. Медь ре кристаллизируется при температуре 270° С. Влияние отжига на свойства меди таковы, что  при отжиге значительнее изменяются механические свойства меди и слабее меняется ее удельное сопротивление. Как проводниковый материал используют твердую и мягкую медь. При холодной протяжке получают твердую медь (МТ), которая благодаря влиянию наклепа имеет высокий предел прочности при растяжении (360 – 390 МПа) и малое относительное удлинение перед разрывом, а также обладает твердостью и упругостью при изгибе; проволока из твердой меди не пружинит. Если же медь подвергать отжигу, т.е. нагреву до нескольких сот градусов с последующим охлаждением, то получится мягкая медь (ММ), которая сравнительно пластична, имеет малую твердость и небольшую прочность (260 – 280 МПа), но весьма большое удлинение при разрыве и более высокую удельную проводимость.

Медь получают чаще всего путем переработки сульфидных руд. После ряда плавок руды и обжигов с интенсивным дутьем медь, предназначенная для электротехнических целей, обязательно проходит процесс электролитической очистки. Полученные после электролиза катодные пластины меди переплавляют в болванки массой 80-90 кг, которые прокатывают и протягивают в изделия требующегося поперечного сечения. При изготовлении проволоки, болванки сперва подвергают горячей прокатке в так называемую катанку диаметром 6,5-7,2 мм; затем катанку протравливают в слабом растворе серной кислоты, чтобы удалить с ее поверхности окись меди CuO, образовавшуюся при нагреве, и затем уже протягивают без подогрева в проволоку нужных диаметров – до 0,03-0,02 мм.

Твердую медь употребляют там, где надо обеспечить особо высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию; для контактных проводов, для шин распределительных устройств, для коллекторных пластин электрических машин и пр.

Мягкую медь в виде проволок круглого и прямоугольного сечения применяют главным образом в качестве токопроводящих жил кабелей и обмоточных проводов, где важна гибкость и пластичность (не должна пружинить при изгибе), а не прочность.

Задача № 1 (проводниковый материал).

Определить сопротивление проволочного резистора, выполненного из медного провода длиной 10 метров и сечением 0,05 мм2

Решение:

Сопротивление постоянному току медного провода прямо пропорционально длине провода и обратно пропорционального площади поперечного сечения:

Где R – сопротивление в Ом,

– удельное сопротивление меди (0,01754 мкОм×м),

l – длина проводника (10 м),

S – площадь поперечного сечения проводника (0,05 мм2).

Подставляя значения в формулу, получим:

Задание 2.Основные физико-химические свойства полистирола, общие сведения о методе получения, основные области применения.

Полистирол [СН(С6Н5)СН2]n - твердый прозрачный материал. Он является неполярным диэлектриком, с чем и связаны его высокие электроизоляционные свойства. Основными параметрами полистирола есть: r=1014-1015 Ом×м, нагревостойкость 70-80 °С, холодостойкость –60 °С, предел прочности при растяжении 35-60 МПа, плотность 1,05 Мг/м3. Температура размягчения полистирола составляет +(70-85) °С. Относительная диэлектрическая проницаемость полистирола 2,4…2,6. Недостатками его являются: хрупкость при пониженных температурах, склонность к постепенному образованию поверхностных трещин, малая стойкость к действию растворителей (в частности, жидких углеводородов) и невысокая нагревостойкость.

Полимеризация стирола приводит к образованию длинных цепей, построенных из звеньев - СН(С6Н5)СН2 -; отдельные цепи практически не связаны между собой поперечными связями. Хотя можно получать и изотактические цепи, в которых все бензольные кольца расположены на одной стороне цепи, такой полимер слишком хрупок для большинства практических целей. Поэтому в промышленности получают в основном атактический полистирол, в молекулах которого бензольные кольца ориентированы хаотично. В силу прочности связей между бензольными кольцами полимерной цепи и обусловленных ими затруднений при движении одной цепи относительно другой полистирол менее гибок, чем полиэтилен. Впрочем, эластичный полистирол можно получить с помощью пластификаторов. Нерегулярный характер структуры полимерных цепей и неупорядоченность их упаковки в твердом полимере обусловливают высокую прозрачность  чистого полистирола. Бензольные кольца придают полистиролу чувствительность к действию ультрафиолетового или другого высокоэнергетического излучения, поэтому обычно в полистирол вводят добавки антиоксидантов. Такие добавки особенно необходимы, если полистирол предназначен для изготовления креплений для ламп дневного света, так как последние частично генерируют и ультрафиолетовое излучение. Если полистирол  не защищен антиоксидантами, то уже на солнечном свету он быстро желтеет и разрушается. В промышленности полистирол применяют для изготовления каркасов высокочастотной изоляции, благодаря малому значению угла диэлектрических потерь. Ударопрочный полистирол применяют для изготовления каркасов индуктивности катушек, оснований и изоляторов для изоляции приборов, корпусов радиоприемников, телевизоров.

Задача № 2. (диэлектрический материал)

Рассчитать емкость плоского конденсатора и допустимое пробивное напряжение, где в качестве диэлектрика используется полистирол с геометрическими размерами 0,5х5х5 мм.

Решение:

Емкость плоского конденсатора рассчитывается по формуле:

– диэлектрическая постоянная (0,0885);

–       относительная диэлектрическая постоянная полистирола (2,55);

      S – площадь параллельных пластин (0,25 см2);

    d – толщина диэлектрика (0,05 см).

Подставляя исходные данные в формулу, получим:

Допустимое пробивное напряжение рассчитывается по формуле:

Где Рреактдоп=0,5Вт – допустимая реактивная мощность;

f=10000Гц – частота переменного тока;

С- емкость конденсатора,Ф.

Подставляя исходные данные в формулу получим:

Задание 3.Основные физико-химические свойства железа и низкоуглеродистой стали, общие сведения о методе получения, основные области применения.

Низкоуглеродистая сталь -  это сталь с содержанием углерода менее 0,1%, выплавляющаяся в электрических или мартеновских печах. Выпускается в виде листов толщиной 0,2-4 мм, марок Э, ЭА, ЭАА, ЭП355, ЭП620.

В наибольшей степени ухудшают магнитные свойства материала примеси углерода и серы. Их содержание не должно превышать сотых долей процента. Сталь поступает от предприятия – изготовителя в не отожженном состоянии с посредственными магнитными свойствами. Высокие магнитные свойства (проницаемость индукция насыщения и др.) материал приобретает в результате специальной термообработки, которая заключается в медленном нагреве до 900 °С, длительной выдержке (2-4 часа) и медленном охлаждении (не более 40 °С в час) до 600 °С. Для предохранения от окисления материал весь цикл термообработки находится либо в защитной среде, предохраняющей металл от окисления, либо в активной среде (азот + водород), обеспечивающей дополнительную очистку стали от примесей. В результате термообработки, кроме очистки материала происходит увеличение размеров отдельных кристаллических зерен, сокращение числа зерен в единице объема и вследствие этого улучшение магнитных свойств материала.

Магнитные свойства сталей этих марок после термообработки характеризуются следующими параметрами:

mмах=3500-4500, Нс=64-96 А/м, b2,5=1,65.

Этот материал отличается низкой стоимостью, технологичностью, легко обрабатывается и штампуется, обладает в то же время сравнительно высокими магнитными свойствами в постоянных магнитных полях. В переменных магнитных полях из-за низкого электрического сопротивления порядка 0,1 мкОм×м в этих сталях возникают большие потери на вихревые токи, особенно при больших значениях индукции. Это ограничивает применение листовых низкоуглеродистых сталей на низких частотах преимущественно областью слабых магнитных полей. Из них изготавливают, например, сердечники трансформаторов, детали реле, элементы магнитных электрических и индукционных приборов.

Задача № 3. (магнитный материал)

Рассчитать индуктивность катушки с числом витков 50 и размерами сердечника диаметром 5 мм и высотой 10 мм, выполненного из железа или углеродистой стали.

Решение:  Индуктивность катушки с заданными параметрами сердечника из заданного материала рассчитывается по формуле:

Где      -магнитная постоянная (12,6),

      - начальная магнитная проницаемость материала (600),

W - количество витков (50),

Sc- площадь сечения магнитного материала (см2),

lc- средняя длина магнитных силовых линий.

Для расчета площади сечения воспользуемся формулой

Где D – диаметр сердечника в сантиметрах.

lc » hсерд – высота сердечника (1 см)

Подставив данные в формулу, получим:

Задание 4. Зонная теория собственного полупроводника.

Полупроводники, в известном смысле, занимают промежуточное положение между традиционными проводниками и диэлектриками. С точки зрения зонной теории собственные полупроводники могут рассматриваться как диэлектрики с очень узкой запрещенной зоной. Наиболее распространенными представителями собственных полупроводников являются кристаллы кремния и германия. При сверх низких температурах такие кристаллы проявляют диэлектрические свойства, поскольку электроны оказываются неспособными преодолеть узкую запрещенную зону, отделяющую их от зоны проводимости. Однако, даже комнатных температур оказывается достаточно для того, чтобы указанный энергетический барьер оказался преодолимым для электронов. В результате частицы, перешедшие в следующую разрешенную зону (зону проводимости) приобретают способность ускоряться электрическим полем и, следовательно, переносить ток.

При переходе электрона в зону проводимости из заполненной зоны (валентной зоны) в зону проводимости в первой остается незаполненное место, которое легко может занять какой-либо электрон из той же зоны. В результате образовавшаяся вакансия приобретает возможность перемещаться в пределах валентной зоны. Ее поведение во многом напоминает поведение частицы с положительным зарядом.

Для упрощения описания ансамбля из большого числа электронов в почти заполненной валентной зоне часто оказывается более удобным следить за имеющимися вакансиями, рассматривая их как некоторые гипотетические частицы - дырки (простым гидромеханическим аналогом дырки может служить пузырек в стакане с газированным напитком). Не являющиеся реальными объектами природы дырки, часто обладают весьма экзотическими свойствами. Так их эффективная масса не обязательно должна выражаться положительным числом, а зачастую оказывается тензорной величиной. Наряду с фотонами дырки представляют собой квазичастицы, вводимые в теорию на основе аналогий с формулами, описывающими поведение реальных объектов. Подобно положительным частицам дырки ускоряются электрическим полем и вносят свой вклад в проводимость полупроводниковых кристаллов.

  Отметим, что электроны проводимости так же являются квазичастицами. С точки зрения квантовой механики все электроны кристалла являются принципиально неразличимыми, что делает бессмысленными попытки ответа на вопрос, какой именно электрон перешел в зону проводимости. Электрический ток в кристалле обусловлен весьма сложным поведением всех без исключения имеющихся в нем электронов. Однако описывающие это поведение уравнения обнаруживают близкое сходство с уравнениями движения лишь очень небольшого числа заряженных частиц - электронов и дырок.

  Наряду с полупроводниками с собственной проводимостью существуют примесные полупроводники. Последние получают внедрением в кристаллы собственных полупроводников (состоящих из атомов четырехвалентных элементов) примесей из трех или пяти валентных атомов (донорные и акцепторные примеси соответственно). Из-за малых концентраций атомов примесей их энергетически уровня в зоны не расщепляются. В результате оказывающиеся на примесных уровнях электроны и дырки не обладают подвижностью. С точки зрения энергетической схемы не участвующий в образовании валентных связей пятый электрон атома донорной примеси оказывается на уровне в непосредственной близости от зоны проводимости и легко переходит в эту зону. Образующаяся при этом дырка оказывается локализованной вблизи атома примеси. Т.о. в примесных полупроводниках донорного типа преимущественно реализуется электроный характер проводимости. В полупроводниках с акцепторной примесью ситуация оказывается точно противоположной. Атом третьей группы захватывает недостающий для образования химической связи электрон у четырехвалентных соседей. В результате в валентной зоне возникают подвижные дырки, являющиеся носителями зарядов в таких системах.

  При контакте примесных полупроводников с электронной и дырочной проводимостью возникает пограничный слой, обладающий выпрямительными свойствами - т.н. p-n - переход. В настоящее время полупроводниковые выпрямители практически вытеснили их электровакуумные аналоги.

  Два p-n - перехода, разделенных узким полупроводниковым промежутком с примесной проводимостью образуют транзистор - простейшую полупроводниковую структуру, обладающую усилительными свойствами.

Список использованной литературы:

1.     Н.П. Богородицкий, В.В. Пасынков, Б.М. Тареев. Электротехнические материалы, 1977г.;

2.     Р.М.Терещук, К.М. Терещук, С.А. Седов. Полупроводниковые Приемно-усилительные устройства. Справочник радиолюбителя, 1989г.;

3.     П. Эткинс. Молекулы, 1991г.;

4. Н.Н. Калинин и др. Электрорадиоматериалы, 1981г.