Материалы для разрывных контактов

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 14Следующая ⇒

Разрывные контакты по величине коммутируемого тока подразделяют на слаботочные (токи от долей до единиц ампера) и сильноточные (токи от единиц до тысяч ампера). Для изготовления слаботочных разрывных контактов используют благородные и тугоплавкие металлы.

Из благородных металлов используют серебро, золото, платину и различные сплавы на их основе, например сплавы систем: золото-серебро (Аu–Ag), платина-рутений (Pt–Ru), платина-родий (Pt–Rh), серебро-кадмий (Ag–Cd), серебро-палладий (Ag–Pd), серебро-магний-никель (Ag–Mg–Ni). Контакты из серебра и его сплавов применяют в коммутирующих устройствах, работающих в бездуговом режиме. Их недостаток – возможность образования сульфидных пленок. Золото и платину в чистом виде используют для изготовления прецизионных контактов. Золото в основном используют в виде сплавов с серебром Ag, платиной Pt, никелем Ni, цирконием Zr; платину – в виде сплавов с иридием Ir, никелем Ni, серебром Ag и золотом Аu. У этих сплавов высокая твердость, хорошая эрозионная и коррозионная стойкость. Достоинством контактов на основе золота и платины является стойкость к образованию сернистых пленок, недостатком – склонность к дугообразованию.

Из тугоплавких металлов применяют вольфрам и молибден. Достоинством вольфрама является его высокая стойкость к дугообразованию и практическое отсутствие свариваемости. Однако у вольфрама сравнительно толстая оксидная пленка, поэтому требуется высокое контактное давление. Недостатком молибдена является образование оксидных пленок, которые имеют рыхлую структуру и могут внезапно полностью нарушать контактную проводимость. У вольфрама, легированного молибденом, повышены твердость и удельное сопротивление и понижены Т_пл и коррозионная стойкость.

Для изготовления разрывных контактов также широко используют медь, сплавы и биметаллы на ее основе.

В производстве сильноточных разрывных контактов широко применяют композиционные материалы, представляющие собой смесь двух фаз, одна из которых обеспечивает высокую электро- и теплопроводность контактов, другая – в виде тугоплавких включений придает контактам стойкость к механическому износу, электрической эрозии и свариванию. Сильноточные разрывные контакты из композиционных материалов получают методом порошковой металлургии. В качестве контактных материалов хорошо себя зарекомендовали композиции на основе меди и серебра: серебро–оксид кадмия, серебро–оксид меди, медь–графит, серебро–никель, серебро–графит. Применяют также тройные композиции: серебро–никель–графит, серебро–вольфрам–никель. В этих композициях медная и серебряная фазы обеспечивают электро- и теплопроводность контактам, а включения из оксида кадмия и оксида меди, а также вольфрама, никеля и графита повышают износо- и термостойкость и препятствуют свариванию контактов.

В качестве электроконтактных композиций в мощных высоковольтных масляных и воздушных выключателях нашли применение Сu–W, в высоковольтных масляных выключателях Сu–Мо, в вакуумных камерах Сr–Сu–W, Fe–Сu–Bi. В порядке уменьшения стойкости к свариванию материалы располагаются в следующем порядке: графит, вольфрам, композиции: W–Мо, W–Сu (Ag), карбид вольфрама– серебро (WC–Ag), Ag–Cd, металлокерамика Ag–CdO (CuO), Ag (Сu) – графит и т.д.

Для изготовления сильноточных разрывных контактов, эксплуатируемых при повышенных напряжениях и контактных давлениях, используют также твердую медь, что существенно удешевляет электротехнические устройства.

Примеры решения контрольных задач

Необходимые теоретические сведения и расчетные формулы

Характерная особенность проводников ‑ сильно выраженная электропроводность – обусловлена высокой концентрацией свободных носителей заряда. Их основные параметры: удельные электропроводность σ (См/м) и сопротивление ρ (Ом·м), температурный коэффициент сопротивления α_ρ (К^-1), скорость дрейфа V_д (м/с), подвижность µ (м²/(В·с), длина свободного пробега λ (м) носителей заряда. Они связаны следующими соотношениями:

(1.1)

(1.2)

(1.3)

где e – заряд электрона; n – концентрация носителей тока; Е – напряженность электрического поля.

Закон Ома в дифференциальной форме для плотности тока в проводнике

(1.4)

Энергия, выделяемая в проводнике при протекании по нему тока,

(1.5)

Из классической теории проводимости электронного газа

(1.6)

где V_T – тепловая скорость; λ_ср – средняя длина свободного пробега; m_e – масса носителей тока.

Квантово-механическая теория электропроводности металлов дает

(1.7)

Сопротивление протеканию электрического тока связано с рассеиванием носителей заряда на тепловых колебаниях атомов, дефектах структуры, примесях. При температурах, близких к 0 К, тепловые колебания практически отсутствуют, поэтому рассеивание электронов происходит только на структурных дефектах и примесях и удельное сопротивление металла можно представить в соответствии с правилом Маттисона в виде

(1.8)

где ρ_тепл(Т) – зависящее от температуры ρ бездефектного металла; ρ_деф и ρ_прим– вклад в ρ, обусловленный дефектами и примесями (ρ_ост).

Ряд металлов и сплавов при температуре ниже критической переходят в сверхпроводящее состояние. При этом их сопротивление скачком уменьшается на 12–18 порядков.

Для чистых непереходных металлов α_ρ =4·10^–4 K^–1. Переходные и ферромагнитные материалы имеют повышенное α_ρ (~10^–2 K^–1).

Согласно правилу Линде, изменение на 1 ат. % концентрации примеси увеличивает ρ_ост на ∆ρ_ост=b·(∆Z)², где ∆Z – разность валентностей основного металла и примеси, b – постоянный для данной пары коэффициент.

Глубина проникновения переменного электрического поля в проводник

(1.9)

где ω и f – соответственно угловая скорость и частота, µ – относительная магнитная проницаемость материала; µ₀ – магнитная постоянная
(4π·10^–7 Гн·м).

Задача 1

Проволока диаметром 4 мм и длиной 1000 м имеет при нормальной температуре сопротивление 2,25 Ом. Определите, из какого материала она изготовлена, и какое сопротивление она будет иметь при 150ºC.

Дано d=4 мм l=1000 м R=2,25 Ом T₀=20ºC T=150ºC

Решение

Определяем удельное сопротивление металлической проволоки

Рассчитанное сопротивление имеет алюминий. Температурный коэффициент алюминия

Находим сопротивление для заданной температуры

-? R-?

Задача 2

Определить время, в течение которого электрон пройдет расстояние l=1 км по медному проводу, если его ρ=0,017 мкОм·м , U=220 В. За какое время он прошел бы это расстояние, двигаясь без соударений?

Решение

Из закона Ома получаем

Концентрация электронов (1 электрон на атом) в меди:

где N_A‑ число Авогадро, d ‑ плотность материала, A ‑ атомная (или молярная) масса вещества.

Сравним эту величину с тепловой скоростью носителей.

Так как

То

Время дрейфа по проводнику:

При отсутствии столкновений электрон двигался бы равноускоренно под действием силы F=e·E , тогда

Задача 3

Требуется изготовить проволоку, которая выдерживает растяжение F =50 H без пластической деформации, причем ее сопротивление должно быть ≤0,02 Ом·м. Определить и сравнить наименьший допустимый диаметр проволоки. Какая экономически более выгодна, если цена алюминия в 1,5 раза ниже цены меди? (Для отожженных Сu и Al: σ_т(Си)=70 МПа; σ_т(Al)=35 МПа).

Решение

Наименьший , при котором отсутствует пластическая деформация,

Наименьший , при котором обеспечивается требуемое R при заданной l ,

Для меди

Выбираем 1,04 мм. Для алюминия

Выбираем 1,35 мм.

Выражение для расчета стоимости одного метра проволоки

Тогда

Задача 4

Определить температурный коэффициент линейного расширения ; и удлинение нихромовой проволоки, если известно, что при повышении температуры от 20 до 1000°С электрическое сопротивление проволоки изменяется от 50 до 56,6 Ом. Длина проволоки в холодном состоянии l=50 м. Температурный коэффициент удельного сопротивления нихрома принять равным 15·10^–5 К^–1.

Решение

По определению температурный коэффициент сопротивления проволоки:

Между температурным коэффициентом сопротивления проводника , удельного сопротивления материала и линейного расширения существует следующая зависимость:

Тогда

Отсюда удлинение нихромовой проволоки:

Контрольные задачи

Задача 1.

Два отрезка проволоки длинной по 5 м имеют одинаковое электрическое сопротивление. Насколько отличается по весу отрезок алюминиевой проволоки от медной, если сечение последней 6 мм²?

Задача 2.

Сопротивление манганинового провода при нормальных условиях 500 Ом, при температуре 280 ºС – 500,8 Ом. Определите температурный коэффициент манганина.

Задача3.

Длина свободного пробега электронов в меди при Т = 20ºС равна 35·10-6 мм, плотность меди d = 8950 кг/м3, атомная масса М = 63,54. Найти удельное сопротивление меди.

Задача 4.

Для отопления помещения используют электрокамин, включаемый в сеть напряжением 220 В. Помещение теряет в сутки 2∙103 МДж теплоты. Требуется поддерживать температуру в нем неизменной. Найти: а) сопротивление нагревательного элемента; б) длину нихромовой проволоки диаметром 1,8 мм, используемой для намотки спирали нагревательного элемента; в) мощность нагревателя. Удельное электрическое сопротивление нихрома 1,07 Ом·мм²/м.

Задача 5.

Из медной ленты шириной 1,7 см и толщиной 0,4 мм необходимо изготовить шунт сопротивлением 0,75 Ом. Какой длины должна быть медная лента, если удельное сопротивление меди 0,018 мкОм∙м?

Задача 6.

К алюминиевой проволоке длиной 60 м и диаметром 1 мм приложено напряжение 36 В. Сколько электронов пройдет через поперечное сечение проводника за 120 с, если удельное сопротивление алюминия равно 0,028 Ом·мм2/м?

Задача 7.

Катушка из манганиновой проволоки имеет сопротивление 17 Ом. Масса проволоки 0,3 кг. Определить длину и диаметр намотанной в один слой на катушку проволоки.

Задача 8.

На баллоне электрической лампы накаливания написано: 220 В, 99 Вт. Для измерения сопротивления нити накала в холодном состоянии на лампу подали напряжение 4 В, при этом сила тока была 42 мА. Оценить температуру накала нити лампы из вольфрама, работающей в номинальном режиме.

Задача 9.

Один спай термопары помещен в печь с температурой 520°С, другой находится при температуре 18°С. Вольтметр показывает при этом термоЭДС 1,97 мВ. Чему равна термоЭДС, если второй спай термопары поместить в сосуд: а) с тающим льдом; б) с кипящей водой? Относительную удельную термоЭДС во всем температурном диапазоне считать постоянной.

Задача 10.

При включении в электрическую цепь проводника диаметром 2 мм и длиной 1400 мм разность потенциалов на концах проводника составила 2,68 мВ при токе 0,56 А. Определить удельное сопротивление материала проводника.

Раздел 3. Электроизоляционные и диэлектрические материалы

Тема 7. Основные свойства диэлектриков

Диэлектрики – это вещества, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле.

Диэлектрическими материалами называют класс электротехнических материалов, предназначенных для использования их диэлектрических свойств – большого сопротивления прохождению электрического тока и способность поляризоваться.

По назначению диэлектрические материалы можно разделить на электроизоляционные материалы (пассивные) и активные диэлектрики.

Электроизоляционные материалы – это диэлектрические материалы, предназначенные для создания электрической изоляции токоведущих частей.

По агрегатному состоянию диэлектрические материалы подразделяют на твердые, жидкие и газообразные.

По химической основе диэлектрические материалы подразделяют на органические и неорганические.

Электрические характеристики

К основным электрическим характеристикам диэлектриков относятся диэлектрическая проницаемость, электропроводность, диэлектрические потери и электрическая прочность.

Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 1905; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!