Технологическая карта урока

Дисциплина: Материаловедение

Тема урока: Материалы с высокой проводимостью

Тип урока: урок открытия нового знания.

Прогнозируемые результаты

личностные:

·         учить проверять себя;

·         учить давать оценку своим действиям;

·         учить работать в группе, чувствовать свой вклад в общую работу;

метапредметные:

·         учить анализировать и выделять общее;

·         учить находить наиболее оптимальный алгоритм действий;

предметные:

·         вспомнить к каким свойством относится проводимость;

·         дать уточненное определение термина «проводимость»;

·         учить извлекать информацию из предложенных источников и анализировать ее;

·         учить четко формулируют свою позицию, способны к пониманию других.

Дидактические средства: таблица с заданиями, информация с материалам. презентация.

Оборудование: компьютер, проектор, электронная доска.

Приложение1- Таблица физических и химических свойств полупроводниковых материалов.

Приложение 2- Подборка информации по материалом обладающим высокой проводимостью.

Медь.

Медь является одним из самых распространенных материалов высокой проводимости. Она обладает следующими свойствами:

- малым удельным электрическим сопротивлением (из всех металлов только серебро имеет удельное электрическое сопротивление на несколько процентов меньше, чем у меди);

- высокой механической прочностью;

- удовлетворительной коррозионной стойкостью (даже в условиях высокой влажности воздуха медь окисляется значительно медленнее, чем, например, железо;

- интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах);

- хорошей паяемостью и свариваемостью;

- хорошей обрабатываемостью (медь прокатывается в листы и ленты и протягивается в проволоку).

Свойства медной проволоки приведены ниже.

При холодной протяжке получают твердую (твердотянутую) медь (МТ), которая обладает высоким пределом прочности при растяжении, твердостью и упругостью (при изгибе проволока из твердой меди несколько пружинит). Твердую медь применяют в тех случаях, когда необходимо обеспечить высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию: для контактных проводов, шин распределительных устройств, для коллекторных пластин электрических машин, изготовления волноводов, экранов, токопроводящих жил кабелей и проводов диаметром до 0,2 мм. После отжига до нескольких сотен градусов (медь рекристаллизуется при температуре примерно 270 °С) с последующим охлаждением получают мягкую (отожженную) медь (ММ). Мягкая медь имеет проводимость на 3...5% выше, чем у твердой меди.

Мягкая отожженная медь служит электротехническим стандартом, по отношению к которому удельную электрическую проводимость металлов и сплавов выражают при температуре окружающей среды 20 °С. Удельная электрическая проводимость такой меди равна 58 мкСм/м, соответственно ρ = 0,017241 мкОм*м при значении ТКρ = 4,3*10^-3К^-1.

Мягкая медь широко применяется для изготовления фольги и токопроводящих жил круглого и прямоугольного сечения в кабелях и обмоточных проводах, где важна гибкость и пластичность (отсутствие «пружинения» при изгибе), а прочность не имеет большого значения.

Из специальных электровакуумных сортов меди изготавливают аноды мощных генераторных ламп, детали СВЧ устройств: магнетронов, клистронов, некоторых типов волноводов и др.

Медь сравнительно дорогой и дефицитный материал, поэтому она должна расходоваться экономно. Отходы меди на электротехнических предприятиях необходимо собирать, не смешивая с другими металлами и менее чистой медью, чтобы их можно было переплавить и снова использовать. В ряде случаев медь как проводниковый материал заменяют другими металлами, чаще всего алюминием.

Бронзы.

Сплавы меди с примесями олова, алюминия, кремния, бериллия и других элементов, среди которых цинк не является основным легирующим элементом, называют бронзами.

При правильно подобранном составе бронзы имеют значительно более высокие механические свойства, чем чистая медь (значения предела прочности бронз могут доходить до 800.. .1200 МПа и более). Бронзы обладают малой объемной усадкой (0,6...0,8%) по сравнению с чугуном и сталью, у которых усадка достигает 1,5...2,5%. Поэтому наиболее сложные детали отливают из бронзы.

Бронзы маркируют буквами Бр (бронза), после которых ставят буквы, обозначающие вид и количество легирующих добавок. Например, бериллиевая бронза Бр.В2 (2% бериллия Be, остальное медь Cu); фосфористая бронза Бр.ОФ 6,5-0,15 (6,5% олова Sn, 0,15 фосфора P, остальное медь Cu).

Введение в медь кадмия дает существенное повышение механической прочности и твердости при сравнительно малом снижении удельной электрической проводимости γ.

Кадмиевую бронзу МК (0,9% кадмия Cd, остальное Cu) применяют для контактных проводов и коллекторных пластин особо ответственного назначения, а также сварочных электродов при контактных методах сварки.

Обладая еще большей, чем кадмиевая бронза, механической прочностью, твердостью и стойкостью к механическому износу (предел прочности при растяжении σ_ρ до 1350 МПа) бериллиевая бронза не изменяет своих свойств до температуры примерно 250°С. Она находит применение при изготовлении ответственных токоведущих пружин для электрических приборов, щеткодержателей, токоштепсельных и скользящих контактов.

 Фосфористая бронза Бр.ОФ 6,5-0,15 F,5% олова Sn, 0.15 фосфора Р, остальное медь Cu) отличается низкой электропроводностью. Из нее изготавливают различные малоответственные токоподводящие пружины в электроприборах.

Латуни.

Латуни представляют собой медные сплавы, в которых основным легирующим элементом является цинк (до 43%).

Основные свойства некоторых латуней приведены ниже.

Латуни прочнее, пластичнее меди, обладают достаточно высоким относительным удлинением при повышенном пределе прочности на растяжение по сравнению с чистой медью, они имеют пониженную стоимость, так как входящий в них цинк значительно дешевле меди. Иногда для повышения коррозионной стойкости в состав сплава в небольшом количестве вводят алюминий, никель, марганец.

Латуни хорошо штампуются и легко подвергаются глубокой вытяжке (контакты термобиметаллического реле, экраны контуров, пластины воздушных конденсаторов переменной емкости, колпачки радиотехнических ламп).

В обозначениях марок сложных латуней после буквы Л (обозначение латуни) ставятся буквы, которые указывают на наличие легирующих элементов (кроме меди), например ЛС59-1 (59% меди Cu, 1% свинца PЬ, остальное цинк Zn)

Алюминий.

Алюминий относится к так называемым легким металлам (плотность литого алюминия около 2600, прокатанного - 2700 кг/м3).

Алюминий обладает следующими особенностями:

- удельное электрическое сопротивление ρ алюминия (при содержании примесей не более 0,05%) в 1,63 раза больше, чем у меди, поэтому замена меди алюминием не всегда возможна, особенно в радиоэлектронике;

- алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди;

- из-за высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления алюминия нагревание алюминиевого провода до расплавления требует больших затрат энергии, чем нагревание и расплавление такого же количества меди;

- даже при одинаковой стоимости алюминия и меди в слитках стоимость алюминиевой проволоки почти вдвое ниже, однако использование алюминия для изолированных проводов в большинстве случаев менее выгодно из-за затрат на изоляцию;

- алюминий на воздухе активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением, которая предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов;

- алюминий менее дефицитен, чем медь;

- существенным недостатком алюминия как проводникового материала является низкая механическая прочность, для ее повышения алюминий подвергается механической обработке;

- прокатка, протяжка и отжиг алюминия аналогичны соответствующим операциям для меди;

- примеси значительно снижают проводимость алюминия.

Алюминий высокой степени чистоты (примесей не более 0,001...0,01%) марок А999 и А995 используют для изготовления анодной и катодной фольги электролитических конденсаторов и в микроэлектронике для получения тонких пленок. Менее чистый алюминий марок А97 и А95 (примесей не более 0,03 %) используют для корпусов электролитических конденсаторов, статорных и роторных пластин воздушных конденсаторов. Из алюминиевой фольги и ленты изготавливают экраны радиочастотных коаксиальных кабелей.

Промышленность выпускает алюминиевую проволоку следующих марок:

- АТП - твердая повышенной прочности,

- AT - твердая,

- АПТ - полутвердая,

- AM - мягкая.

Основные свойства алюминиевой проволоки приведены ниже.

По мере снижения твердости проволоки в 1,9.. .2,7 раза уменьшается предел ее прочности при растяжении. Максимальное значение предела прочности σ_р алюминиевого провода более чем в 2 раза ниже, чем соответствующие значения медного. Из-за низкой механической прочности правильная эксплуатация алюминиевых поводов сопряжена с выполнением следующих условий:

- их нельзя протаскивать по твердому грунту,

- скручивать медной проволокой,

- загрязнять поверхность.