MATERIAŁY A PRĄD. Prąd

Transkrypt

1 MATERIAŁY A PRĄD CZĘŚĆPIERWSZA: WIADOMOŚCI WSTĘPNE METALE Prąd Wypadkowy ładunek (q) na jednostkę czasu (t) przepływający przez przekrój przewodnika. I= q/t I imaginary surface

2 Prąd jednostka ładunku SI: Coulomb (C) (6 x10 18 elektronów!) jednostka natężenia prądu SI: Amper (A= C/s) Prąd 1 ampera jest równoważny 1 C ładunku przepływającego przez przekrój przewodnika w ciągu 1 s. jony Na + w słonej wodzie Prąd E I Elektrony w miedzianym drucie E I

3 Prędkość unoszenia (V d ) Prędkość kierunkowego ruchu nośników ładunku S e - Conductor e - e - e - e - e - e - e - e - e - e e - e- - e - e- e - e - e- e - e e - e - - e - e- e V d V d = I/nSe n: ilość nośników ładunku na jednostkę objętości (koncentracja) Przykłady V d n w metalu wynosi około e - cm -3 Typowe V d to kilka cm na sekundę Uwaga: średnia prędkość elektronów w metalu w temperaturze pokojowej: kilka * 10 8 cms -1! Większość drutów stopiłoby się przy prędkości V d rzędu 100 cms -1

4 -V Zależność między V i I I nieomowa np dioda omowa np rezystor V -I V I V = R I Oporność właściwa (ρ) R l S R 1/S l lub R = ρ l/s jednostki ρ ohm m (Ωm) ρ zależy od rodzaju materiału i temperatury

5 Oporność/przewodność odwrotność oporności to przewodność: σ 1 ρ ρ 1 σ Geometria i opór mm 5 mm 5 mm 5 mm 5 mm l 1 = 5 A 1 = 10 x 5 l 1 /A 1 = 5/50 = 0.1 l 2 = 10 A 2 = 5 x 5 l 2 /A 2 = 10/25 = 0.25 R 2 = R 1 l 2 /A 2 x A 1 /l 1 10 mm = 4 R 1

6 Przewodniki i izolatory metal minimalna przewodność σ min ~ 10 3 Ω -1 cm -1 izolator Przewodnictwo niektórych materiałów w 300 K

7 Przewodnictwo niektórych materiałów w 300 K Od czego zależy, czy materiał przewodzi prąd? 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.

8 Przewodniki prądu to zazwyczaj metale i stopy. Mają mały opór elektryczny

9 Skąd się bierze opór metalu? e - e - e - e e - - e - e- e - e- e - e - e - e- e - e - e - e - e - e - Idealny metal: R=0 e - e - e - e Co przeszkadza elektronom w ich kierunkowym ruchu w polu elektrycznym? Atomy? Nie! Drgania atomów, atomy inne niż powinny być, atomy nie tam, gdzie powinny być. Wszystkie odchylenia od idealnego uporządkowania. Skąd się bierze opór metalu? 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. a) Kryształ idealny b) Kryształ ogrzany do wysokiej temperatury c) Kryształ zawierający domieszki

10 Oporność metalu rośnie wraz z temperaturą ρ Τ ρ w 0 o C = ρ 0 ρ(τ) = ρ 0 (1 + α Τ) Oporność metalu rośnie wraz z temperaturą 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.

11 Przykłady 20 o C Przykład: oporność Cu w 400 o C i -100 o C

12 W szerszym zakresie temperatur: ρ = ρ 0 [1+ α(τ Τ 0 )] Ta zależność obowiązuje w zakresie około kilkudziesięciu stopni. W szerokim zakresie: ρ = ρ 0 [1 + α 1 (Τ Τ 0 ) + α 2 (Τ Τ 0 ) 2 + α 3 (Τ Τ 0 ) ] Oporność metalu rośnie wraz z zawartością defektów 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.

13 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Oporność metalu rośnie wraz z zawartością defektów Oporność metalu rośnie wraz z zawartością defektów

14 Czasami oporność jest równa ZERU 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Szczególne właściwości metali inne niż przewodnictwo elektryczne, Ale pośrednio związane z ich przewodzeniem prądu (czyli z elektronami swobodnymi).

15 Właściwości sprężyste Około 30% wartości modułu sprężystości wynika ze ściśliwości gazu elektronowego (czyli, innymi słowy, z zakazu Pauliego). Kolor i metaliczny połysk Począwszy od niskich częstotliwości aż do nadfioletu współczynnik odbicia metalu wynosi prawie 1. Kolor wszystkich metali jest praktycznie jednakowy: szary;

16 Kolor i metaliczny połysk puste T = 0K E F pełne Schemat pasmowy metalu gdziee F jest energią Fermiego Kolor i metaliczny połysk Taki układ pasm energetycznych oznacza, że promieniowanie elektromagnetyczne o prawie każdej energii może być absorbowane przez elektrony;

17 Kolor i metaliczny połysk Ponieważ elektronów jest bardzo dużo, to światło jest absorbowane w cienkiej, przypowierzchniowej warstwie o grubości rzędu 0.1µm Co się dzieje dalej?? Następuje powrót do stanu podstawowego: elektron emituje foton Kolor i metaliczny połysk Energia fotonu wyemitowanego jest taka sama jak energia fotonu pochłoniętego. Zatem, metale bardzo dobrze odbijają światło około 95%.

18 Kolor i metaliczny połysk Właśnie dlatego metale są srebrzyste: ponieważ działają jak zwierciadło (począwszy od niskich częstotliwości aż do nadfioletu ). Metale są przezroczyste dla promieniowania o bardzo dużej częstotliwości (X- & γ) gdy bezwładność elektronu jest już za duża, żeby oddziaływać z takim promieniowaniem. Zastosowania (niektóre) właściwości elektrycznych metali

19 REZYSTORY REZYSTORY Typowe: z końcówkami chipy Warstwy węglowe +/-5% GENERAL PURPOSE Warstwy metalowe Grube warstwy +/-1% HIGHER PERFORMANCE Warstwy Tlenków metali +/-1% +/-5% GENERAL PURPOSE Cienkie warstwy >2W HIGH POWER HIGH POWER Drutowe <+/-1% SPECIAL 37 REZYSTORY symbol Pierwsze trzy kolorowe paski oznaczają cyfry, czwarty mnożnik, a piąty tolerancję

20 REZYSTORY =789 x10 4 Ω Rezystory to nie wszystko: Wszelkiego rodzaju przewody, styki, elementy grzejne,..

21 Przewody powinny mieć też inne pożądane właściwości: Mechaniczne (szczególnie kable napowietrzne): wytrzymałość na rozciąganie, pełzanie oraz odpowiednia granica plastyczności; Dobre przewodnictwo nigdy nie idzie w parze z wytrzymałością: KOMPROMIS. Przewody Przewody Przewody powinny mieć też inne pożądane właściwości: Cieplne: wysoka przewodność cieplna, wysoka temperatura topnienia, wysoka dopuszczalna temperatura pracy; Technologiczne: możliwość lutowania, spawania,.. Chemiczne: mała aktywność chemiczna, odporność na korozję; Cena.

22 Przewody: przykłady Instalacja w domu: druty miedziane lub aluminiowe; Linie napowietrzne: nieosłonięte przewody z miedzi, aluminium i stali; Linie napowietrzne wysokiego napięcia: Linki stalowoaluminiowe z rdzeniem stalowym; Przykład: przewody podwodne Hydrokable : aż do 3KV i żyłowy (1 mm 2 ), izolowany poliuretanem

23 Przykład: linia przesyłowa Zaprojektuj linię przesyłową o długości 1500 m przez którą może płynąć prąd 50 A przy stratach energii nie większych niż W Moc tracona: Przekrój drutu: Przykład: linia przesyłowa Każdy z metali nadaje się do budowy linii przesyłowej. Cena najprawdopodobniej zadecydowałaby o wyborze Al. Dodatkowy czynnik, który należy rozważyć, czy ten drut nie zerwie się pod własnym ciężarem pomiędzy słupami.

24 A może przewody o zerowym oporze? Przewody nadprzewodzące

25 Przewody nadprzewodzące Jedna z metod wytwarzania kabli nadprzewodzących (BSCCO). Ta metoda jest jedyną, która pozwala wytwarzać długie przewody. Można ją stosować tylko do nadprzewodników bizmutowych.

26 Korzyści ze stosowania kabli zimnych Elementy grzejne Elementy grzejne powinny mieć duży opór (ale nie za duży): 2 U P = UI = = R RI 2

27 Elementy grzejne Bardzo ważna jest ich obojętność i odporność chemiczna w wysokich temperaturach; Wytrzymałość na szoki termiczne; Metalowe elementy grzejne: często NiCr Bardzo często: ceramiki Kanthal Obecnie element grzejny w większości urządzeń domowych (od 50 do 1350ºC). Jest to stop żelaza (około 70%), chromu (21-24%), aluminium (4-5%) i kobaltu (2-3%).

28 Ni-Cr Opór stopu niklu z chromem znacząco rośnie wraz z zawartością chromu. Optymalnie: 20% chromu daje dobry opór oraz własności mechaniczne (kowalność i wytrzymałość) niezbędne do tego, żeby można było wytwarzać drut oporowy. Z tych stopów często wykonuje się grzałki urządzeń elektrotermicznych. MoSi 2 Przewodzący krzemek, odporny na utlenianie dzięki temu, że powstaje na jego powierzchni stabilna warstwa SiO 2. Może pracować do 1800 o C Jest jednak bardzo kruchy poniżej 1000 o C Większość komercyjnych elementów grzejnych z MoSi 2 są to, w rzeczywistości tzw cermetale składające się z cząstek MoSi 2 połączonych fazą szklistą Al.-Si-O (ok. 20%). Wytwarza się go metodą prasowania proszków w wysokiej temperaturze (Hot pressing).

29 MoSi 2 Jego oporność zależy od temperatury: Elementy grzejne z włóknami węglowymi Thermion: tkanina z włókien węglowych pokrytych niklem. Ma bardzo dobrą odporność na korozję, a jego opór może być różna ( w zależności od wymiarów włókien). Grubość jest w zakresie mm. Stosuje się go np. w lotnictwie (rozmrażanie skrzydeł samolotów).

30 PNB/PG PBN/PG : drukowane elementy grzejne wykorzystują PBN (pyrolityczny azotek boru) jako izolujące podłoże, natomiast PG (pyrolityczny grafit) jako element oporowy. Ta kombinacja daje bardzo dobre własności. PNB/PG Temperatura pracy do 1800 C. Bardzo dobrze działa w próżni. Chemicznie obojętne. Nie szkodzą mu roztopione metale. Długi czas życia. Można wytworzyć kontrolowany gradient temperatury. Szeroki zakres oporności. Bardzo mała bezwładność termiczna - szybkie.

31 SiC Sility: to, co można zobaczyć gołym okiem w naszych piecach. Kontakty Niezmiernie ważna rzecz. Zły kontakt między dwoma przewodnikami oznacza wydzielanie się dużej ilości ciepła: W miejscu połączenia; Również w dość dalekim otoczeniu połączenia (druty są przewodnikami ciepła);

32 Opór to nie wszystko Każdy kawałek przewodnika, oprócz oporu omowego ma jeszcze pojemność i indukcyjność. Przewodzące polimery Ogólnie mówiąc, polimery zazwyczaj nie przewodzą prądu. Niektóre jednak przewodzą (najczęściej są to półprzewodniki). Najlepiej poznane polimery przewodzące bazują na polianilinie, politiofenie, polipyrrolu i poliacetylenie. Podobnie do zwykłych półprzewodników domieszkowanie zwiększa przewodnictwo. Przewodność właściwa polimerów przewodzących jest rzędu 10-6 to 10-2 Siemensów/cm

33 Polimery przewodzące Polimery o pojedynczych i podwójnych wiązaniach wzdłuż łańcucha (sp 2 -hybridised carbons). Elektrony p muszą być zdelokalizowane i rozciągać się na cały łańcuch. Przewodzące polimery Elektrony podwójnych wiązań mogą łatwo przemieszczać się wzdłuż łańcuchów.

34 Przykład: polianilina Nawet niedomieszkowana przewodzi. Domieszkowanie może zwiększyć przewodność o kilka rzędów wielkości. Właściwości PAni jest to organiczny metal. PAni przezroczysta w cienkich warstwach, a zielona w stanie przewodzenia. Robi się żółta w warunkach redukujących, a niebieska w utleniających. Nie rozpuszcza się w typowych rozpuszczalnikach;

35 Zastosowania Jako przewodnik; W elektromagnetycznych ekranach chroniących układy elektroniczne; Można by ją zastosować jako inteligentną szybę (wykorzystując jej optyczne właściwości). Nawiasem mówiąc: co powoduje porażenie prądem? Natężenie prądu, czy napięcie?

36 0.001 A A A A A Ledwo odczuwalny Bolesny Skurcze mięśni Utrata kontroli nad mięśniami Jeżeli prąd płynie dłużej niż 1 s skutek może być śmiertelny. Jaki człowiek ma opór? Suche ręce: 100 kω i więcej; mokre ręce: nawet 1 kω. Literatura Donald R. Askeland, Pradeep P. Phulé Robert Loss, School of Physical Sciences Department of Applied Physics.