ОПТОВОЛОКОННАЯ СВЯЗЬ

Особенности оптических систем связи.

Тема об оптоволоконной линии связи является весьма актуальной на данный момент времени. Многие фирмы создают телевизоры, телефоны, магнитофоны, компьютера и многое другое, то есть – бытовую технику, которая упрощают жизнь человека. Но для внедрения новых технологий нужно изменять или улучшать старое. В пример этому можно привести наши линии связи на коаксиальном (медном) кабеле. Их скорость мала, даже для передачи видео информации, из одного места в другое, удалённое на большое расстояния, она не годится. А волоконная оптика как раз то, что нам нужно - её скоростью передачи информации очень большая. Низкие потери при передаче сигнала позволяет прокладывать значительные по дальности участки кабеля без установки дополнительного оборудования. Имеет хорошую помехозащищенность, легкость прокладки и долгие сроки работы кабеля практически в любых условиях.

Волоконно-оптические линии связи - это вид связи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием "оптическое волокно". Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Основания так считать вытекают из ряда особенностей, присущих оптическим волноводам.

Физические особенности.

Широкополосность оптических сигналов, обусловленная чрезвычайно высокой несущей частотой. Это означает, что по оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка 1.1 Терабит/с. Говоря другими словами, по одному волокну можно передать одновременно 10 миллионов телефонных разговоров и миллион видеосигналов. Скорость передачи данных может быть увеличена за счет передачи информации сразу в двух направлениях, так как световые волны могут распространяться в одном волокне независимо друг от друга. Кроме того, в оптическом волокне могут распространяться световые сигналы двух разных поляризаций, что позволяет удвоить пропускную способность оптического канала связи. На сегодняшний день предел по плотности передаваемой информации по оптическому волокну не достигнут. Очень малое (по сравнению с другими средами) затухание светового сигнала в волокне. Лучшие образцы российского волокна имеют затухание 0.22 дБ/км на длине волны 1.55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов.

Технические особенности оптоволоконной связи

Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди. Оптические волокна имеют диаметр около 1 – 0,2 мм, то есть очень компактны и легки, что делает их перспективными для использования в авиации, приборостроении, в кабельной технике. Стеклянные волокна - не металл, при строительстве систем связи автоматически достигается гальваническая развязка сегментов. Применяя особо прочный пластик, на кабельных заводах изготавливают самонесущие подвесные кабели, не содержащие металла и тем самым безопасные в электрическом отношении. Такие кабели можно монтировать на мачтах существующих линий электропередач, как отдельно, так и встроенные в фазовый провод, экономя значительные средства на прокладку кабеля через реки и другие преграды.

Системы связи на основе оптических волокон устойчивы к электромагнитным помехам, а передаваемая по световодам информация защищена от несанкционированного доступа. Волоконно-оптические линии связи нельзя подслушать неразрушающим способом. Всякие воздействия на волокно могут быть зарегистрированы методом мониторинга (непрерывного контроля) целостности линии. Теоретически существуют способы обойти защиту путем мониторинга, но затраты на реализацию этих способов будут столь велики, что превзойдут стоимость перехваченной информации.

Для обнаружения перехватываемого сигнала понадобится перестраиваемый интерферометр Майкельсона специальной конструкции. Причем, видность интерференционной картины может быть ослаблена большим количеством сигналов, одновременно передаваемых по оптической системе связи. Можно распределить передаваемую информацию по множеству сигналов или передавать несколько шумовых сигналов, ухудшая этим условия перехвата информации. Потребуется значительный отбор мощности из волокна, чтобы несанкционированно принять оптический сигнал, а это вмешательство легко зарегистрировать системами мониторинга. Важное свойство оптического волокна - долговечность. Время жизни волокна, то есть сохранение им своих свойств в определенных пределах, превышает 25 лет, что позволяет проложить оптико-волоконный кабель один раз и, по мере необходимости, наращивать пропускную способность канала путем замены приемников и передатчиков на более быстродействующие. Есть в волоконной технологии и свои недостатки: при создании линии связи требуются активные высоконадежные элементы, преобразующие электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы. Необходимы также оптические коннекторы (соединители) с малыми оптическими потерями и большим ресурсом на подключение-отключение. Точность изготовления таких элементов линии должна соответствовать длине волны излучения, то есть погрешности должны быть порядка доли микрона. Поэтому производство таких компонентов оптических линий связи очень дорогостоящее. Другой недостаток заключается в том, что для монтажа оптических волокон требуется дорогостоящее технологическое оборудование. а) инструменты для оконцовки, б) коннекторы,

в) тестеры, г) муфты и спайс-касеты

Оптическое волокно

Промышленность многих стран освоила выпуск широкой номенклатуры изделий и компонентов ВОЛС. Следует заметить, что производство компонентов ВОЛС, в первую очередь оптического волокна, отличает высокая степень концентрации. Важнейший из компонентов ВОЛС - оптическое волокно. Для передачи сигналов применяются два вида волокна: одномодовое и многомодовое. Свое название волокна получили от способа распространения излучения в них. Волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления. В одномодовом волокне диаметр световодной жилы порядка 8-10 мкм, то есть, сравним с длиной световой волны. При такой геометрии в волокне может распространяться только один луч (одна мода). В многомодовом волокне размер световодной жилы порядка 50-60 мкм, что делает возможным распространение большого числа лучей (много мод). Оба типа волокна характеризуются двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией. Затухание обычно измеряется в дБ/км и определяется потерями на поглощение и на рассеяние излучения в оптическом волокне. Потери на поглощение зависят от чистоты материала, потери на рассеяние зависят от неоднородностей показателя преломления материала. Затухание зависит от длины волны излучения, вводимого в волокно. В настоящее время передачу сигналов по волокну осуществляют в трех диапазонах: 0.85 мкм, 1.3 мкм, 1.55 мкм, так как именно в этих диапазонах кварц имеет повышенную прозрачность.

Другой важнейший параметр оптического волокна - дисперсия. Дисперсия - это рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих оптического сигнала. Существуют три типа дисперсии: модовая, материальная и волноводная. Модовая дисперсия - присуща многомодовому волокну и обусловлена наличием большого числа мод, время распространения которых различно. Материальная дисперсия - обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны. Волноводная дисперсия - обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью скорости распространения моды от длины волны. Поскольку светодиод или лазер излучает некоторый спектр длин волн, дисперсия приводит к уширению импульсов при распространению по волокну и тем самым порождает искажения сигналов. При оценке пользуются термином "полоса пропускания" - это величина, обратная к величине уширения импульса при прохождении им по оптическому волокну расстояния в 1 км. Измеряется полоса пропускания в МГц*км. Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничение на дальность передачи и на верхнюю частоту передаваемых сигналов. Если при распространении света по многомодовому волокну, как правило, преобладает модовая дисперсия, то одномодовому волокну присущи только два последних типа дисперсии. Затухание и дисперсия у разных типов оптических волокон различны.

Одномодовые волокна обладают лучшими характеристиками по затуханию и по полосе пропускания, так как в них распространяется только один луч. Однако, одномодовые источники излучения в несколько раз дороже многомодовых. В одномодовое волокно труднее ввести излучение из-за малых размеров световодной жилы, по этой же причине одномодывое волокна сложно сращивать с малыми потерями. Оконцевание одномодовых кабелей оптическими разъемами также обходится дороже. Многомодовые волокна более удобны при монтаже, так как в них размер световодной жилы в несколько раз больше, чем в одномодовых волокнах. Многомодовый кабель проще оконцевать оптическими разъемами с малыми потерями (до 0,3 dB) в стыке. На многомодовое волокно расчитаны излучатели на длину волны 0,85 мкм - самые доступные и дешевые излучатели, выпускаемые в очень широком ассортименте. Но затухание на этой длине волны у многомодовых волокон находится в пределах 3-4 dB/км и не может быть существенно улучшено. Полоса пропускания у многомодовых волокон достигает 800 МГц*км, что приемлемо для локальных сетей связи, но не достаточно для магистральных линий.

Волоконно-оптический кабель

Вторым важнейшим компонентом, определяющим надежность и долговечность ВОЛС, является волоконно-оптический кабель (ВОК). На сегодня в мире несколько десятков фирм, производящих оптические кабели различного назначения. Наиболее известные из них: AT&T, General Cable Company (США); Siecor (ФРГ); BICC Cable (Великобритания); Les cables de Lion (Франция); Nokia (Финляндия); NTT, Sumitomo (Япония), Pirelli(Италия).

Определяющими параметрами при производстве ВОК являются условия эксплуатации и пропускная способность линии связи. По условиям эксплуатации кабели подразделяют на: монтажные, станционные, зоновые, магистральны. Первые два типа кабелей предназначены для прокладки внутри зданий и сооружений. Они компактны, легки и, как правило, имеют небольшую строительную длину. Кабели последних двух типов предназначены для прокладки в колодцах кабельных коммуникаций, в грунте, на опорах вдоль ЛЭП, под водой. Эти кабели имеют защиту от внешних воздействий и строительную длину более двух километров. Для обеспечения большой пропускной способности линии связи производятся ВОК, содержащие небольшое число (до 8) одномодовых волокон с малым затуханием, а кабели для распределительных сетей могут содержать до 144 волокон как одномодовых, так и многомодовых, в зависимости от расстояний между сегментами сети. При изготовлении ВОК в основном используются два подхода: конструкции со свободным перемещением элементов конструкции с жесткой связью между элементами По видам конструкций различают кабели повивной скрутки, пучковой скрутки, кабели с профильным сердечником, а также ленточные кабели. Существуют многочисленные комбинации конструкций ВОК, которые в сочетании большим ассортиментом применяемых материалов позволяют выбрать исполнение кабеля, наилучшим образом удовлетворяющее всем условиям проекта, в том числе - стоимостным.

Особый класс образуют кабели, встроенные в грозотрос. Отдельно рассмотрим способы сращивания строительных длин кабелей. Сращивание строительных длин оптических кабелей производится с использованием кабельных муфт специальной конструкции. Эти муфты имеют два или более кабельных ввода, приспособления для крепления силовых элементов кабелей и одну или несколько сплайс-пластин. Сплайс-пластина - это конструкция для укладки и закрепления сращиваемых волокон разных кабелей.

Строительство и наладка ВОЛС

ВОЛС внутри одного здания. В этом случае для связи применяется двухволоконный ОК (типа "Лапша"), который при необходимости может быть проложен в трубке под полом или вдоль стен в декоративных коробах. Все работы могут быть произведены самим заказчиком, если поставляемый кабель будет оконцован соответствующими коннекторами. ВОЛС между зданиями строится с прокладкой ВОК либо по колодцам кабельных коммуникаций, либо путем подвеса ВОК между опорами. В этом случае необходимо обеспечить сопряжение толстого многоволоконного кабеля с оптическими трансиверами. Для этого используют кабельные муфты, в которых производится разделка концов ВОК, идентификация волокон и оконцевание волокон коннекторами, соответствующими выбранным трансиверам. Эту работу можно выполнить несколькими способами.

Возможны и другие способы стыковки ВОК с оптическими трансиверами. У каждого способа есть свои достоинства и недостатки. В практике специалистов фирмы "ВИМКОМ ОПТИК" получил распространение третий способ, так как он экономичен, надежен, обеспечивает малые вносимые оптические потери за счет применения розеток и коннекторов с керамическими элементами, а также удобен для пользователей. Особо следует сказать о необходимости оптического кросс-коннектора. Он предназначен для установки на стене или любой вертикальной поверхности. Оптические кроссы фирмы АМП могут иметь емкость от 6 до 64 портов типа SC, FC или ST. Возможна комбинация портов различных типов внутри кросса.

Многоразовый механический соединитель оптических волокон КОРЛИНК (Corelink) предназначен для оперативного ремонта волоконно-оптических линий; для сращивания оптического кабеля, как в стационарных, так и в полевых условиях; для тестирования оптического волокна. КОРЛИНК используется для механического сращивания одномодовых и многомодовых волокон диаметром 125 мкм. Он позволяет многократно соединять оптические волокна с минимальными затратами и за минимальное время. КОРЛИНК может быть использован для соединения волокон с диаметром буферного покрытия 250мкм и 900мкм в любых сочетаниях. Прозрачный корпус позволяет визуально контролировать процесс монтажа. Кроме того, есть возможность более точной ориентации волокон для уменьшения потерь. Основные достоинства это простая и экономичная технология монтажа; малые габариты; быстрое и надежное соединение одномодовых и многомодовых волокон; многократное использование; малые потери. Вносимое затухание < 0,1dB Обратное отражение –55dB Рабочая температура –40 до 80° С

Габаритные размеры 51х7,6х3,3mm

Количество повторных циклов соединения не менее 10 Среднее время монтажа 30 секунд.

Для быстрого соединения волокон сейчас используются специально разработанные фирмой 3М механические "сплайсы" (splice). Это пластиковые устройства размерами 40x7x4 мм, состоящие из двух частей: корпуса и крышки. Внутри корпуса находится специальный желоб, в который с разных сторон вставляются соединяемые волокна. Затем надевается крышка, являющаяся одновременно замком. Особая конструкция "сплайса" надежно центрирует волокна. Получается герметичное и качественное соединение волокон с потерями на стыке ~ 0.1 dB. Такие "сплайсы" особенно удобны при быстром восстановлении повреждений ВОЛС. Время на соединение двух волокон не превышает 30 секунд после того как волокна подготовлены (снято защитное покрытие, сделан строго перпендикулярный скол). Монтаж ведется без применения клея и специального оборудования, что очень удобно при работе в труднодоступном месте (например, в кабельном колодце).

За последние годы разработано несколько способов сращивания оптических волокон. Универсальным считается способ сращивания волокон путем сварки на специальном аппарате. Такие аппараты производят фирмы: BICC(Великобритания), Ericsson (Швеция), Fujikura, Sumitomo(Япония). Высокая стоимость сварочных аппаратов стала причиной создания альтернативных технологий сращивания оптических волокон. Монтаж оптических линий связи фирма "ВИМКОМ ОПТИК" проводит с помощью сварочного аппарата фирмы "Sumitomo" type 35 SE. Этот аппарат позволяет сваривать любые типы волокон в ручном и автоматическом режиме, тестирует волокно перед сваркой, устанавливает оптимальные параметр работы, оценивает качество поверхностей волокон перед сваркой, измеряет потери в месте соединений волокон и, если это необходимо, дает команду повторить сварку.

Кроме этого аппарат защищает место сварки специальной гильзой и проверяет на прочность сварное соединение. Аппарат позволяет сваривать одномодовые и многомодовые волокна с потерями 0.01dB, что является превосходным результатом. В аппаратах других конструкций, например BICC, волокно изгибается, и в месте изгиба свариваемого волокна водится излучение лазера, которое регистрируется в месте изгиба второго свариваемого волокна фотоприемником. При таком способе измерений волокно подвергается чрезмерной деформации изгиба, что может привести к образованию трещин на этом участке волокна. Sumitomo проводит измерения неразрушающим способом на основе обработки видеоинформации по специально разработанным алгоритмам.

Для некоторых специальных применений оптические волокна выпускаются с особым покрытием оболочки или со сложным профилем показателя преломления на границе "жила-оболочка". В такие волокна очень трудно ввести зондирующее излучение в области изгиба. Для аппаратов Sumitomo работа со специальными волокнами не вызывает затруднений. Подобные аппараты довольно дороги, но мы работаем именно на таких аппаратах. Этим достигаются две цели: 1) высокое качество сварки, 2) высокая скорость работ, что немаловажно при выполнении ответственных заказов (срочная ликвидация аварии на магистральной линии связи).

В процессе монтажа ВОЛС осуществляется тестирование линии с помощью оптического рефлектометра. Модель 7920 Helios – это современный оптический рефлектометр, основанный на принципе открытой архитектуры. Прибор имеет промежуточные размеры между мини- и большими рефлектометрами, имеет встроенный дисковод 3,5” (формата MS-DOS) для хранения и последующей обработки результатов измерений, встроенный принтер, электролюминесцентный дисплей. Helios предназначен для работы, как в полевых, так и в лабораторных условиях на всех видах волоконно-оптических трасс. Helios обладает повышенным быстродействием и позволяет проводить все необходимые измерения при максимальном динамическом диапазоне менее чем за 1 минуту. Он автоматически подбирает параметры измерений

ФЕРРОМАГНЕТИЗМ

Природа ферромагнетизма

Возникновение магнитных свойству ферромагнетиков связано с их доменным строением. Домены - это области самопроизвольной намагниченности, возникающие даже в отсутствии внешнего магнитного поля, в которых магнитные моменты атомов ориентированы параллельно.

Атомы или ионы приобретают магнитный момент, как правило, если они имеют некомпенсированные спины электронов. Например, в атомах железа на внутренней 3d – оболочке имеется четыре некомпенсированных спина. Так как самопроизвольная намагниченность относится к внутриатомным явлениям, то ее природа может быть установлена только на основе квантово – механических понятий.

По Я.И.Френкелю и В. Гейзенбергу главную роль в возникновении ферромагнитного состоянию играют силы обменного взаимодействия между атомами, имеющие квантовый характер и по происхождению являющиеся электростатическими.

Рис.5.1 Зависимость интеграла обменной энергии А от отношения межатомного расстояния а к диаметру незаполненной электронной оболочки d

Энергию А, возникающую в результате обмена электронами обмена электронами родственных атомов, называют обменной энергией или интегралом обменной энергии. При положительном интегралом обменной энергии А на рисунке 5.1, что соответствует минимуму электростатической энергии, возникает параллельная ориентация спинов. При отрицательном знаке А энергетически выгодно антипараллельное расположение спинов. Численное значение и знак интеграла А зависит от степени перекрытия электронных оболочек, то есть зависит от расстояния между атомами.

На рисунке 5.1 показано изменение интеграла обменной энергии в функции от отношения межатомного расстояния к диаметру незаполненной электронной оболочки d. При а/d > 1,5 происходит переход от антиферромагнитного состояния к ферромагнитному. Эта зависимость позволила обнаружить ферромагнетизм у сплавов марганца с неферромагнитным висмутом, сурьмой, серой и т.д.

Хотя максимум обменного взаимодействия в металлах носит более сложный характер, чем это следует из теории Френкеля – Гейзенберга, данная теория позволяет качественно объяснить причину незаполненных внутренних электронных оболочек, радиус которых должен быть мал по сравнению с расстоянием между ядрами в решетке.

Доменная структура

Каждый реальный магнитный материал разделен по всему объему на множество замкнутых областей – доменов, в каждом из которых самопроизвольная намагниченность од6нородна и направлена по одной из осей легкой намагниченности.

Рис. 5.2. Стенка Блоха

Такое состояние энергетически выгодно и кристалл в целом немагнитен, так как магнитные моменты доменов ориентированны в пространстве равно вероятно. Между соседними доменами возникают граничные слои (стенки Блоха). Внутри доменных стенок векторы намагниченности плавно поворачиваются на рисунке 5.2. Объем доменов может колебаться в широких пределах от 10 до 10см³.

Ширина границ между антипараллельными доменами для железа 13·10м, то есть около 500 элементарных ячеек. Толщина границы зависит главным образом от соотношения энергий: обменной. Магнитной, анизотропии и магнитоупругой. Размеры самих доменов зависят от неметаллических включений, границ зерен, скоплений дислокаций и других неоднородностей. Обычно домены имеют правильную форму.

На рисунке 5.3 показана идеализированная доменная структура кристаллического ферромагнетика.

Доменная структура поликристалла приведены на рисунке 5.4.

В магнитных материалах, предназначенных для устройств записи и хранения информации, создаются изолированные цилиндрические магнитные домены (ЦМД). На Рис.5.4 показаны ЦМД в тонкой магнитной пленке. Емкость отдельного ЦМД - элемента может достигать бит. В отсутствии внешнего магнитного поля смещение в ЦМД – материалах доменная структура

Рис. 5.3. Идеализированная доменная структура кристаллического ферромагнетика

Структура ферромагнетиков

Ферромагнетики в основном кристаллизируются в трех типах решеток: кубической, пространственной, кубической объемно-центрированной и гексонольной, показанной на рисунке 5.5.

Зависимости В = f(Н) показывают, что кристаллы являются магнитоанизотропными. На рисунке эта зависимость показана для железа. Направления намагничивания указаны в квадратных скобках. При отсутствии внешнего поля векторы намагничивания располагаются в легком направлении. Площадь, заключенная между кривыми легкого и трудного намагничивания, пропорциональна энергии, которую требуется затратить для изменения направления намагничивания от легкого до трудного.

Рис. 5.4. Доменная структура поликристалла

Энергию естественной кристаллографической магнитной анизотропии –Е_к характеризуют константами кристаллографической магнитной анизотропии. Для кубического кристалла

,

где К₀, К₁, К₂ – константы кристаллографической магнитной анизотропии;

- направляющие косинусы вектора намагниченности по отношению к осям x, y, z ребер куба.

Магнитострикционная деформация

Это обратимое изменение формы и размеров образца при переходе ферромагнетика через точку Кюри при отсутствии внешнего поля (самопроизвольная магнитострикция) и при воздействии внешнего поля на ферромагнетик при <.

Сумму энергий кристаллографической магнитной анизотропии и магнитоупругой результате магнитострикции называют энергией магнитной анизотропии.

Рис.5.5. Анизотропия магнитных свойств железа

Магнитная проницаемость

В технике используется несколько десятков видов магнитной проницаемости в зависимости от конкретных применений магнитного материала.

Магнитная индукция и напряженность поля в изотропной среде связаны простым соотношением

,

где - абсолютная магнитная проницаемость, характеризующая магнитные свойства среды.

Сравнивая магнитное поле тока в проводе, расположенном в данной среде и в вакууме, установили, что в зависимости от свойств среды (материала) поле получается более интенсивным, чем в вакууме (парамагнитные материалы), или наоборот, менее интенсивным (диамагнитные материалы).

Таким образом, интенсивность магнитного поля, т.е. индукция В, зависит от среды, в которой существует поле.

Абсолютная магнитная проницаемость вакуума называется магнитной постоянной . В системе СИ для нее принято значение Ом·с/м.

Абсолютную магнитную проницаемость различных материалов и сред сравнивают с магнитной постоянной. Отношение абсолютной магнитной проницаемости какого-либо материала к магнитной постоянной называется магнитной проницаемостью (или относительной магнитной проницаемостью), так что

.

Магнитная проницаемость – отвлеченное число. Для диамагнитных материалов и сред <1, например, для меди =0,999995. Для парамагнитных материалов >1, например для воздуха =1,0000031. При технических расчетах магнитная проницаемость диамагнитных и парамагнитных материалов и сред принимается равной единице.

У ферромагнитных материалов, играющих исключительную роль в электротехнике, магнитная проницаемость достигает десятков тысяч и зависит от магнитных свойств материала, температуры, интенсивности магнитного поля, т.е. величины индукции или от величины напряженности магнитного поля.

Зависимость показана на рис.5.5 . Начальная и максимальная проницаемости являются частными случаями нормальной проницаемости

, .

При одновременном воздействии на магнитный материал постоянного и магнитных полей и обычно, при условии << вводят понятие дифференциальной проницаемости

.

Зависимость . Характер этой зависимости различен в слабых, средних и сильных полях. Для при наблюдается четко выраженный максимум, сглаживающийся при увеличении напряженности поля на рисунке 5.3. Возрастание объясняется тем, что при нагревании облегчается смещение доменных границ и поворот векторов намагниченности доменов. Главным образом из-за уменьшения констант магнитострикции и магнитной анизотропии. Уменьшение при высоких температурах связывается с резким уменьшением спонтанной намагниченности доменов.

Рис.5.6 Зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля Н

Зависимость . Характер этой зависимости различен в слабых, средних и сильных полях. Для при наблюдается четко выраженный максимум, сглаживающийся при увеличении напряженности поля на рисунке 5.3. Возрастание объясняется тем, что при нагревании облегчается смещение доменных границ и поворот векторов намагниченности доменов. Главным образом из-за уменьшения констант магнитострикции и магнитной анизотропии. Уменьшение при высоких температурах связывается с резким уменьшением спонтанной намагниченности доменов.

Потери в магнитных материалах

В переменных полях площадь петли гистерезиса увеличивается за счет потерь на гистерезис и дополнительных потерь . Такая петля называется динамической, а суммарные потери полными или суммарными. Потери на гистерезис, отнесенные к единице объема материала (удельные потери).

, Дж/м³.

При перемагничивании с частотой f (Гц)

, Вт/кг,

где - плотность материала, кг/м³.

<<<

- соответствует , - соответствует области насыщения

Рис.5.7 Зависимость магнитной проницаемости от температуры Т

Потери на вихревые токи для листового образца

,

где -амплитуда магнитной индукции, Тл; f - частота переменного тока, Гц; d - толщина листа, м; - плотность, кг/м³; - удельное электросопротивление, Ом·м

Дополнительные потери или потери на магнитную вязкость (магнитное последействие) обычно находят как разность между полными потерями и суммой потерь на гистерезис и вихревые токи

.

Магнитная вязкость зависит от времени действия магнитного поля. J при включении магнитного поля Н быстро достигает значения J₁, а затем со временем возрастает в соответствии с формулой

,

где J_no – намагниченность при t , - время релаксации.

На рисунке 5.4 показана зависимость напряженности магнитного поля и намагниченности от времени действия магнитного поля. В магнитотвердых материалах время магнитной релаксации может достигать нескольких минут. Такое явление называют сверхвязкостью.

Тангенс угла магнитных потерь используется в переменных полях. Его можно выразить через параметры эквивалентной схемы, показанной на рисунке 5.5.

Рис.5.8 Зависимость намагничивания J магнитного материала от времени действия магнитного поля t

Индуктивную катушку с сердечником из магнитного материала представляют в виде последовательной схемы из индуктивности L и активного сопротивления R. Пренебрегая собственной емкостью и сопротивлением обмотки катушки, получаем

.

Активная мощность

,

где ; -магнитная восприимчивость

Электрические свойства магнитных материалов

Удельное электрическое сопротивление металлических магнитных материалов зависит от состава и направления намагниченности по отношению к направлению движения электронов проводимости. Электрические свойства технических Fe, Co, Ni показаны в таблице 5.1.

Рис.5.9. Схема замещения а) и векторная диаграмма б) индуктивной катушки с сердечником из магнитного материала

Таблица 5.1. Характеристики некоторых материалов

Рис.5.10 Кристаллическая структура направления плоскости, перпендикулярной легкого и трудного намагничивания

В чистых монокристалличеких образцах металлов наблюдается значительная анизотропия электросопротивления. Так, в монокристаллах кобальта в направлении оси С r_с = 0,103 мкОм м, а в этой оси r_р= 0,055 мкОм м монокристалла кобальта по рисунку 5.6.

В ферритах по сравнению с металлическими ферромагнетиками удельное электрическое сопротивление много выше, сопоставимо с полупроводников и может меняться в широких пределах в зависимости от состава, типа элементов структуры, вида примесей. Так для феррита иттрия удельное сопротивление 10-10Ом·м, для феррита никеля 10- 10 Ом·м, для феррита лития 1-10 Ом·м. Энергия активации проводимости ферритов находится в пределах 0,2 - 2 эВ. В ферритах часто наблюдается поляронная (прыжковая) проводимость, обусловленная перескоком локализованных электронов из одного состояния в другое. Поляроны – квазичастицы, образованные локализованными на ионах электронами вместе с окружающим их полем поляризации. В случае поляронов мало радиуса энергия ионизации примесного центра 0,2-0,6 эВ.

Классификация магнитных материалов

Все вещества при рассмотрении магнитных свойств принято называть магнетиками, когда они способны под действием магнитного поля приобретать магнитный момент (намагничиваться).

По своим магнитным свойствам магнетики подразделяются на три основные группы: диамагнетики; парамагнетики; ферромагнетики.

Количественной характеристикой намагниченного состояния вещества служит векторная величина – намагниченность J.

Диамагнетиками называются вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении, противоположном направлению вектора магнитной индукции поля. К диамагнетикам относятся вещества, магнитные моменты атомов, молекул или ионов которых в отсутствие внешнего магнитного поля равны нулю. Диамагнетиками являются инертные газы, молекулярный водород и азот, цинк, медь, золото, висмут, парафин и многие другие органические и неорганические соединения.

В случае отсутствия магнитного поля диамагнетик немагнитен, поскольку в данном случае магнитные моменты электронов взаимно компенсируются, и суммарный магнитный момент атома равен нулю.

Наряду с диамагнитными веществами существуют и парамагнитные вещества, – вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле по направлению поля. У парамагнитных веществ при отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов не компенсируют друг друга, и атомы (молекулы) парамагнетиков всегда обладают магнитным моментом. Однако вследствие теплового движения молекул их магнитные моменты ориентированы беспорядочно, поэтому парамагнитные вещества магнитными свойствами не обладают. При внесении парамагнетиков во внешнее магнитное поле устанавливается преимущественная ориентация магнитных моментов атомов по полю (полной ориентации препятствует тепловое движение атомов). Таким образом, парамагнетик намагничивается, создавая собственное магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающее его. При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ориентация магнитных моментов вследствие теплового движения нарушается и парамагнетик размагничивается.

Особый класс магнетиков образуют вещества, способные обладать намагниченностью в отсутствии внешнего магнитного поля. По своему наиболее распространенному представлению (железо) их называют ферромагнетиками. Ферромагнетиками называются твердые вещества, обладающие при не слишком высоких температурах самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, изменения температуры. Ферромагнетики в отличие от слабомагнитных диа- и парамагнетиков являются сильномагнитными средами: внутреннее магнитное поле в них может в сотни и тысячи раз превосходить внешнее поле. Ферромагнитные материалы в большой или меньшей степени обладают магнитной анизотропией, т.е. свойством намагничиваться с различной степенью трудности в различных направлениях. Магнитные свойства ферромагнитных материалов сохраняются до тех пор, пока их температура не достигнет значения, называемого точкой Кюри. При температурах выше точки Кюри ферромагнетик ведет себя во внешнем магнитном поле как парамагнитное вещество. Он не только теряет свои ферромагнитные свойства, но у него изменяется теплоемкость, электропроводимость и некоторые другие физические характеристики. При намагничивании ферромагнетиков происходит небольшое изменение их линейных размеров, т.е. увеличение или уменьшение их длины с одновременным уменьшением или увеличением поперечного сечения. Это явление называется магнитострикцией, оно зависит от строения кристаллической решетки ферромагнетика. Ферромагнетики при температурах ниже точки Кюри обладают спонтанной намагниченностью независимо от наличия внешнего намагничивающего поля. Однако многие ферромагнитные материалы при температурах ниже точки Кюри не намагничены.

Процесс смешения границ доменов приводит к росту размеров тех доменов, которые самопроизвольно намагничены в направлениях, близких к направлению вектора H. Процесс вращения магнитных моментов доменов по направлению H играет основную роль только в области, близкой к насыщению (т.е. при H близких к H_s ).

Допустим, что кольцевой магнитопровод из ферромагнитного материала не намагничен и тока в витках катушки нет, т.е. B=0 и H=0 (начало координат на рис. 5.12). При постепенном увеличении намагничивающего тока, т.е. МДС (магнито - движущая сила), а следовательно, и напряженности поля от нуля до некоторого наибольшего значения

магнитная индукция увеличивается по кривой начального намагничивания (Оа) и достигает соответствующего максимального значения B_a. Если затем ток и напряженность поля уменьшаются, то и магнитная индукция уменьшается, при соответствующих значениях напряженности магнитная индукция несколько больше, чем при увеличении напряженности. Кривая изменения магнитной индукции (участок aб на рисунке 5.12) располагается выше кривой начального намагничивания. При нулевых значениях тока и напряженности поля магнитная индукция имеет некоторое значение B_r, называемое остаточной индукцией (отрезок Об на рисунке 5. 12).

Таким образом, магнитная индукция в ферромагнитном материале зависит не только от напряженности поля, но и от предшествующего состояния ферромагнетика. Это явление называется гистерезисом. Оно обусловлено как бы внутренним трением, возникающим при изменении ориентации магнитных моментов доменов.

При изменении направления намагничивающего тока, а, следовательно, и направления Рис.5.12 Кривая изменения напряженности поля и

магнитной индукции постепенном увеличении тока обратного направления напряженность поля достигает значения H_c, называемого коэрцитивной силой (отрезок Ов), при котором магнитная индукция B=0. При дальнейшем увеличении тока и напряженности поля магнитопровод намагничивается в противоположном направлении и при напряженности поля H_г = -H_a магнитная индукция достигнет значения B_г = -B_a. Затем при уменьшении тока и напряженности поля до нуля магнитная индукция B_д становится равной -B_б. Наконец, при следующем изменении направления тока и напряженности поля и увеличения ее до прежнего значения Н_а магнитная индукция увеличится также до прежнего значения B_a. Рассмотренный цикл перемагничивания ферромагнетика по кривой абвгдеа называется гистерезисным циклом (петлей гистерезиса).

Такая симметричная замкнутая петля гистерезиса по рисунку 5.12 получается в действительности только после нескольких перемагничиваний с увеличением тока до значения I_a. При первых циклах перемагничивания петля несимметричная и незамкнутая. Наибольшая замкнутая петля, которая может быть получена для данного ферромагнитного материала, называется предельной на рисунке 5. 13. При напряженности поля H > H_max получается уже безгистерезисный участок кривой B(H).

Если для данного ферромагнитного материала, выбирая различные наибольшие значения тока I_a, получить несколько симметричных петель гистерезиса и соединить вершины петель, то получим кривую, называемую основной кривой намагничивания, близкую к кривой начального намагничивания.

Периодическое перемагничивание связано с затратой энергии, которая, превращаясь в тепло, вызывает нагрев магнитопровода. Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, затраченной при одном цикле перемагничивания. Энергия, затраченная на процесс перемагничивания, называется потерями от гистерезиса. Мощность потерь на циклическое перемагничивание, выражаемая обычно в ваттах на килограмм, зависит от материала, максимальной магнитной индукции и числа циклов перемагничивания в секунду или, что тоже, частоты перемагничивания.

Ферромагнитные материалы делятся на две группы: магнитно-мягкие и магнитно-твердые.

а) Магнитно-мягкие материалы применяются в качестве магнитопроводов (сердечников) в устройствах и приборах, где магнитный поток постоянный (полюсные башмаки и сердечники измерительного механизма) или переменный (например, магнитопровод трансформатора). Они обладают низким значением коэрцитивной силы H_c (ниже 400А/м), высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями от гистерезиса. Намагничивание магнитно -мягких материалов происходит в основном за счет смещение междоменных границ, а в магнитно –твердых –за счет вращения вектора намагниченности (в магнитно –твердых материалах на основе редкоземельных элементов преобладают процессы смещения). К этой группе материалов относятся: техническое железо и низкоуглеродистые стали, листовые электротехнические стали, железоникелевые сплавы с высокой проницаемостью (пермаллои) и оксидные ферромагнетики – ферриты и оксиферы.

Пермаллои – это сплавы различного процентного содержания железа и никеля, а некоторые из них, кроме того, молибдена, хрома, кремния, алюминия. Ферритами называют ферромагнитные материалы, получаемые из смеси окислов железа, цинка и других элементов. При изготовлении магнитопроводов смесь размалывают, прессуют и отжигают при температуре около 1200 _­­⁰С; таким образом, получают магнитопроводы нужной формы. Ферриты обладают очень большим удельным сопротивлением, вследствие чего потери из-за вихревых токов чрезвычайно, малы и их можно применять при высокой частоте. Ферриты обладают значительной начальной магнитной проницаемостью, незначительной индукцией насыщения(0,18 – 0,32Тл) и малой коэрцитивной силой (8 – 80 А/м).

Магнитодиэлектрики – это материалы, получаемые из смеси мелкозернистого ферромагнитного порошка с диэлектриком (поливинилхлорид, полиэтилен). Смесь формуют, прессуют и запекают; в результате мельчайшие частицы ферромагнетика оказываются разделенными электроизолирующей пленкой из немагнитного материала.

Ферриты и магнитодиэлектрики широко применяются в качестве сердечников в аппаратуре проводной и радиосвязи, в магнитных усилителя, вычислительных машинах и в других областях техники.

Магнито - мягкие материалы намагничиваются в относительно слабых магнитных полях и обладают высокими значениями начальной µ_н и максимальной µ_max магнитных проницаемостей, малым значением коэрцитивной силы H_c . Значения B_max - максимальной магнитной индукции – соответствует намагниченности насыщения ферромагнетиков.

б) Для характеристики магнитно-твердых материалов используют обычно ту часть кривой гистерезиса, которая лежит во втором квадранте, а в первом изображают изменение удельной магнитной энергии от индукции. Как показано на рисунке 5.14. Магнитная энергия в воздушном зазоре постоянного магнита будет максимальна при некоторых значениях Н_Д и В_Д. Условие

Определяет наилучшее использование магнита и является важнейшим параметром, характеризующим качество материала. Множитель ½ иногда опускается. Коэффициент выпуклости

Характеризует форму кривой размагничивания – степени прямоугольности. Для магнитно – твердых материалов. Используемых в различных областях современной техники , , .

Рис.5.14 Зависимость магнитной энергии W от индукции В

Магнитно-твердые материалы предназначены для изготовления постоянных магнитов самого различного назначения. Эти материалы характеризуются большой коэрцитивной силой и большой остаточной индукцией. К магнитно-твердым материалам относятся: углеродистые, вольфрамовые, хромистые и кобальтовые стали.

5.9 Пермаллои

Пермаллои – железоникелевые сплавы с высокой проницаемостью в слабых полях. По составу выделяют низконикелевые (40-50%Ni) и высоконикелевые (72-80%). Такое подразделение обусловлено смещением магнитных электрических характеристик в зависимости от процентного содержания никеля. Обе группы пермаллоев для улучшения элктромагнитных свойств легируются различными элементами, например молибденом, хромом, медью и некоторыми другими элементами. Плавка осуществляется в вакууме или нейтральных газах. Тонкие листы и ленты выпускаются или штампуются холоднокатанными с последующим отжигом для получения высоких магнитных свойств. Поверхность ленты для навивки (при изготовлении тороидальных сердечников) и последующего отжига покрывается тонким слоем окислов кремния, магния или алюминия способом катафореза или осаждением из суспензии, жидкой фазой которой является легко испаряющаяся жидкость, например ацетон. В процессе сборки и эксплуатации сердечников из пермаллоя не допустимы механические напряжения (удары, рихтование, сдавливание обмоткой и другие) из-за ухудшения магнитных характеристик.

Высокие магнитные свойства пермаллоев, их способность легко намагничиваться объясняют близостью к нулю констант кристаллографической анизотропии и намагниченности насыщения, но это же приводит и к большей чувствительности магнитных свойств от внешних напряжений

Механические, магнитные и электрические свойства магнитомягких ферритов

Механические свойства, как и у керамики - твердость, хрупкость, недопустимость обработки резанием. При спекании - усадка от 10 до 20%. Хорошо шлифуются и полируются абразивными материалами, режутся алмазным инструментом. Наиболее широко в качестве магнитомягких ферритов применяют никель-цинковые и марганец - цинковые ферриты, представляющие собой твердые растворы замещения, образованные простыми ферритами NiFe₂O₄ и МnFe₂O₄ являющиеся ферромагнетиками, с немагнитным ZnFe₂O₄. В переменных полях для оценки допустимого частотного диапазона ферриты кроме µ характеризуются tgб- тангенсом угла магнитных потерь. Для ферритов потерями на вихревые токи и гистерезис в области слабых полей можно пренебречь.

При повышении частоты, начиная с некоторой, характерной для данной марки феррита, значения tgб возрастает более резко, при этом уменьшается µ_нач. Эту частоту называют критической f_кp. Частоту, при которой µ_нач уменьшается до 0.7 от ее значения f = 0 называют граничной – f_гр. Причина уменьшения и роста tgб связывается со сложными резонансными и релаксационными процессами. Зависимости µ и tgб от частоты в логарифмическом масштабе для разных марок никель-цинкового феррита показана на рисунке 5.15. Цифра в обозначении марки феррита означает величину начальной магнитной проницаемости µ_нач.

Магнитные и электрические свойства трех марок никель-цинковых ферритов приведены в таблице r ферритов в зависимости от химического состава и термической обработки изменяется от 10 до 10⁸ Ом м. Основной недостаток ферритов по сравнению с металлическими магнитными материалами - малое значение их магнитной проницаемости. Некоторые типы изделий из магнитомягких ферритов показаны на рисунке.

Рис.5.16 Типы изделий из магнитомягких материалов

Специальные магнитные материалы

Материалы с цилиндрическими магнитными доменами (ЦМД). применяемые для изготовления запоминающих устройств (ЗУ). Емкость отдельного устройства (типа) на ЦМД может составлять 10⁵ бит. Чем меньше Нc, тем выше быстродействие ЦМД - устройства. Обычно Нс должна быть не больше 10 А/м. Основные материалы с ЦМД устройства приведены в таблице 5.3.

Аморфные магнитомягкие материалы (АММ)

Аморфные магнигомягкие материалы (АММ) являются магнетиками с неупорядоченным расположением атомов, получаемом наиболее часто в результате быстрой закалки расплава со скоростью охлаждения 10⁴10⁶ град/с. Аморфные тонкие пленки с цилиндрическими магнитными доменами (ЦМД) можно получать катодным распылением или вакуумным напылением редкоземельных и переходных металлов. Металлические аморфные сплавы содержат 75-85% одного или нескольких переходных металлов (Fe, Co, Ni) и 15-25% стеклообразователя, в качестве которого используют бор. углерод, кремний, фосфор. По магнитным свойствам АММ близка к электротехническим сталям и пермаллоям. Наиболее перспективные сплавы - железоникелевые. высококобальтовые и высокожелезистые. Для получения оптимальных свойств применяют термомагнитную обработку, что позволяет повысить Bs и прямоугольность петли гистерезиса.

Таблица 5.3 Свойства материалов устройства с ЦМД

Магнитные свойства двух промышленных сплавов после термообработки показаны в таблице 5.4.

Таблица 5.4 Характеристики и магнитные свойства сплавов

АММ имеют повышенную твердость и коррозионную стойкость. Удельное сопротивление АММ в 3 - 5 раз больше, чем у кристаллических,

Применение: магнитные экраны, сердечники малогабаритных трансформаторов, магнитных усилителей, головки магнитозаписывающих устройств.

Магнитодиэлектрики

Как и ферриты являются высокочастотными магнитными материалами. По сравнению с ферритами имеют более стабильные свойства, но по ряду электромагнитных параметров уступают ферритам. Получаются по технологии аналогичной технологии пластмасс. МД состоят из мелкоизмельченного ферромагнетика, частицы которого изолированы и скреплены немагнитным материалом. В качестве ферромагнетика наиболее часто используют альсифер, карбонильное железо, пермаллой, в качестве связки как органические материалы такие как бакелит, полистирол, шеллак, так и неорганические - жидкое стекло, стеклоэмали и другие. Прессование изделий из МД - колец, сердечников и т.д. производится при давлениях (14 - 20) 10² МПа (14 - 20 Т/см²), чем выше давление, тем выше магнитная проницаемость.

Примеры магнитных характеристик промышленных магнитодиэлектриков показаны в таблице 5.5.

Таблица 5.5 Магнитные характеристики магнитодиэлектриков

Магнитотвердые материалы

Магнитотвердые материалы применяются в основном для изготовления постоянных магнитов многих устройств в электро- и радиотехнике, автоматике, приборостроении, электронике. По сравнению с электромагнитами постоянного тока имеют ряд преимуществ, главные из которых: повышенная работоспособность; экономия материалов и потребления энергии; экономическая и техническая выгода применения.

Для получения высокой коэрцитивной силы в магнитных материалах кроме выбора химического состава используют технологии, оптимизирующие кристаллическую структуру и затрудняющие процесс перемагничивания - это закалка сталей на мартенсит, дисперсионное твердение сплавов, создание высоких внутренних механических напряжений, посторонних включений при высокой магнитострикций и других. В результате затрудняются процессы смещения доменных границ. У высококоэрцитивных сплавов магнитная текстура создается путем их охлаждения в сильном магнитном поле.

Сплавы на основе железа - никеля - алюминия

Сплавы на основе железа никеля - алюминия применяют в основном легированные медью и кобальтом. Высококобальтовые сплавы с содержанием Со более 15% используют обычно с магнитной и кристаллической текстурой. Намагничивание этих сплавов происходит главным образом за счет процессов вращения векторов намагничивания. Эти сплавы отличаются высокой твердостью и хрупкостью, поэтому магниты из них изготавливают методом литья. Обрабатывается шлифовкой, в том числе с применением алмазного инструмента, ультразвука и др. Самые дешевые бескобальтовые сплавы ЮНД и другие, но магнитные свойства у них относительно низки. ЮНДК-15 и ЮНДК-18 магнитоизотропные сплавы с относительно высокими магнитными свойствами. Сплавы ЮНД с 24% Со имеют высокие магнитные свойства в направлении магнитной текстуры, полученной при термомагнитной обработке. ЮНДК-35Т5БА обладают наибольшей энергией W_max (W_max=35-40 кДж/м3). ЮНДК-40Т8 -титанистый сплав, применяемый в сильно разомкнутых системах. Имеет наиболее высокую коэрцитивную силу.

Металлокерамические магниты

Получают методами порошковой металлургии из сплавов Fe-Ni-AI-Co и из деформируемых сплавов Cu-Ni-Co, Cu-Ni-Fe, Fe-Co-Mo, Pt-Co и Ag-Mn-Al.

Механическая прочность их в 3-6 раз выше, чем у литых магнитов, но пористость в 3-5% снижает W_mav на 10-20%.

Магнитотвердые ферриты

Применяются главным образом феррит бария ВаО*6Fе2Оз, феррит кобальта CoO*Fe2O3 и феррит стронция SrО*6Fе2Оз. Высокая Н_с этих материалов связана с малым размером кристаллических зерен и сильной магнитокристаллической анизотропией. Магниты из ферритов можно использовать при высоких частотах, что связано с высоким удельным сопротивлением. У бариевых ферритов, например ρ=104 -107 Ом*м, Промышленность выпускает бариевые изотропные (БИ) и бариевые анизотропные (БА) магниты, получаемые прессованием в магнитном поле. Анизотропные магниты обладают более высокими магнитными свойствами (Wmax,Hс). По сравнению с литыми бариевые магниты имеют много большую Нс и малую B_s, отличаются высокой стабильностью при воздействии магнитных полей, различных механических воздействий, структурного старения. Стоимость магнитов из ферритов почти в 10 раз меньше, чем у магнитов из сплава ЮНДК-24. Недостатки - большая хрупкость и твердость, сильная зависимость магнитных свойств от температуры.

Сплавы на основе редкоземельных металлов (РЗМ)

Сплавы на основе РЗМ обладают очень высокими значениями Н_с и W_max. Наибольший интерес представляют соединения RCo5 и R2Co17, где R- редкоземельный металл. Для бинарных соединений этой группы W_max = 190 кДж/м³, для тройных сплавов типа R₂(Co_1-xFe_x), где х < 0.6 на основе самария и празеодима W_max= 240 кДж/м³ (теоретическое значение).

Магниты из этих сплавов получаются наиболее часто жидкофазным спеканием из порошков. Например, магниты на основе SmCo5 спекаются после прессования при температуре 1100 °С в течение 30 минут в атмосфере чистого аргона.

Классификация проводников

На современном этапе нет общепринятой классификации проводниковых материалов. Существует, правда, деление проводников по механизму прохождения тока. Если ток обусловлен дрейфом свободных электронов под воздействием электрического поля, то такие проводники называются проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода. Проводниками второго рода являются электролиты, прохождение тока через которые обусловлено ионной электропроводностью, а она, как известно, связана с переносом вещества в соответствии с законами Фарадея. Поэтому состав электролита постепенно меняется, а на электродах выделяются продукты электролиза.

Проводники с электронной электропроводностью, как известно, это металлы и сплавы металлов. Металлические проводники в физике, химии, технике классифицируют по разным признакам:

1) по составу ( чистые металлы и сплавы );

2) по значению проводимости (проводники высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление при 20 ос не более 0,05 мкОм м, и проводники высокого сопротивления, у которых значение удельного сопротивления при 20 ос не менее 0,3 мкОм м);

3) по положению в периодической системе элементов Д.И. Менделеева (щелочные металлы, благородные, щелочноземельные, многовалентные простые, актиниды, переходные и редкоземельные);

4) по особенностям строения электронных оболочек: нормальные и переходные металлы. К первой группе относятся металлы, используемые для проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов.

Ко второй группе принадлежат элементы 5 группы периодической системы элементов (висмут, сурьма, мышьяк), которые плохо проводят ток (их даже иногда называют полуметаллами). К этой же группе относятся металлы и сплавы высокого сопротивления, широко применяемые для изготовления резисторов, электронагревательных приборов. нитей ламп накаливания и т.д.

Третья группа включает щелочные металлы (натрий, калий и другие подгруппы 1а) и благородные, к которым в физике относятся только одновалентные металлы подгруппы 1б и т.д.

Четвертая группа. По мере увеличения порядкового номера химических элементов в периодической системе происходит заполнение электронных оболочек в последовательности, определяемой квантовомеханической теорией. Однако, при некоторых порядковых номерах энергии двух соседних оболочек оказываются очень близки, благодаря чему сначала заполняется не очередная, а последующая оболочка. Элементы с таким «сбоем» называются переходными. Они образуют в таблице Менделеева несколько рядов: от скандия до никеля иттрий - палладий, лантан - платина, а также редкоземельные или лантаноиды (от церия до лютеция). Остальные металлы называются нормальными.

Все газы и пары, в том числе пары металлов, при малых напряженно тях поля не являются проводниками. Однако если напряженность поля превысит некоторое критическое значение, при котором начинается фотонная и ударная ионизация, то газ становится проводником с электронной и ионной электропроводностью. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов числу положительных ионов в единице объема оказывается особой проводящей средой, так называемой плазмой.

Электропроводность металлов

При воздействии на металл электрического (или магнитного) поля (или разности температур ) в нем возникают потоки заряженных частиц и энергии. Явления возникновения этих потоков или токов принято называть кинетическими эффектами или явлениями переноса, иначе - транспортными эффектами, имея в виду воздействие стационарных полей на неподвижные проводники. В таком случае ток или поток пропорционален разности потенциалов (или разности температур), а коэффициент пропорциональности определяется только геометрическими размерами проводника и физическими свойствами самого металла. При единичных геометрических размерах этот коэффициент зависит только от свойств данного металла и является его фундаментальной физической характеристикой, которая носит название кинетического коэффициента. При нахождении проводника в переменном поле возникающие в нем токи зависят не только от геометрических размеров и кинетического коэффициента, но и от частоты переменного поля, формы проводника, взаимного расположения элементов электрической цепи. Сопротивление проводника при переменном токе существенно зависит от его частоты, обусловленной спинэффектом - вытеснением тока из центра проводника на периферию. Из многих возможных кинетических явлений наиболее известны в технике два: электропроводность - способность вещества проводить постоянный электрический ток под действием не изменяющегося во времени электрического поля, и теплопроводность - аналогично по отношению к разности температур и тепловому потоку. Оба эти явления выражаются ( количественно ) законами Ома и Фурье соответственно:

j = gE;    w = kT.

где j- плотность тока, А/м; g- кинетический коэффициент электрической проводимости (см. в разделе «Диэлектрики», где его название - удельная электрическая проводимость); Е - напряженность электрического поля В/м;  w - плотность теплового полтока; Т – разность температур; k – коэффициент теплопроводности.

         На практике обычно используют удельное электрическое сопротивление или просто удельное сопротивление, Ом м

r = 1 / g.

Однако, для проводников разрешается пользоваться внесистемной единицей измерения Ом мм²/м, или рекомендуется применять равную по размерности единицу СИ мкОм/м. Переход от одной единицы к другой в этом случае:        1 Ом м = 10⁶ мкОм м = 10⁶ Ом мм²/м. Сопротивление проводника произвольных размеров с постоянным поперечным сечением определятся:

R = rl / S,

где l – длина проводника, м; S – площадь проводника, м².

         Металлы обычно характеризуются как вещества пластичные с характерным «металлическим» блеском, хорошо проводящие электрический ток и теплоту. Для электропроводности металлов типичны: низкое значение удельного сопротивления при нормальной температуре, значительный рост сопротивления при повышении температуры, достаточно близкий к прямой пропорциональности; при понижении температуры до температуры, близких к абсолютному нулю, сопротивление металлов уменьшается до очень малых значений, составляющих для наиболее чистых металлов до 10^-3 или даже меньшую долю сопротивления при нормальных, + 20 ⁰С, температурах. Для них также характерно наличие связи между удельной электропроводностью и удельной теплопроводностью, которая описывается эмпирическим законом Видемана – Франца, как отношение k / g приближенно одинаково для разных материалов при одинаковой температуре. Частное от деления k / g на абсолютную температуру T (L0 = k / (gT)). называется числом Лоренца, является (для всех металлов) величиной мало отличающихся при всех температурах.

         Теория кинетических явлений в металлах может объяснить форму зависимостей кинетических коэффициентов от температуры, давления и других факторов, с ее помощью также можно вычислить и их значения. Для этого рассмотрим внутреннее строение металлов.

         Фундаментальная идея этого раздела физики возникла на рубеже 19 – 20 го столетия: атомы металла ионизированы, а отделившиеся от них валентные электроны свободны, т. е. принадлежат всему кристаллу. Ионы строго упорядочены, образуют правильную кристаллическую решетку; их взаимодействие с отрицательно заряженным облаком свободных электронов такое, что делает кристалл стабильным, устойчивым образованием. Наличие свободных электронов хорошо объясняет высокую электропроводность металлов, а их делокализация обеспечивает высокую пластичность. Значит, наиболее характерной особенностью внутреннего строения металлических проводников является наличие коллективизированных электронов, что подтверждает их электронное строение. В ее простейшей модели совокупность коллективизированных электронов объясняют как электронный газ, в котором частицы находятся в хаотическом тепловом движении. Равновесие устанавливается (если пренебречь столкновениями между электронами) за счет столкновения электронов с ионами. Поскольку тепловое движение полностью не упорядочено, то, несмотря на заряженность электронов, тока в цепи (макроскопического) не наблюдается. Если к проводнику приложить внешнее электрическое поле, то свободные электроны, получив ускорение, выстраиваются в упорядоченную составляющую, которая ориентирована вдоль поля. Поскольку ионы в узлах решетки неподвижны, упорядоченность в движении электронов проявится макроскопическим электрическим током. Удельная проводимость в этом случае может быть выражена с учетом средней длины свободного пробега l электрона в ускоряющем поле напряженностью Е:

l= е Е t / (2 m)  как  g= е² nl/ (2 mv_t),

где е - заряд электрона; n- число свободных электронов в единице объема металла; l - средняя длина свободного пробега электрона между двумя соударениями; m- масса электрона; v_t- средняя скорость теплового движения свободного электрона в металле.

С учетом положений квантовой механики

g= К п^2/3 / l ,

где К - числовой коэффициент.

Диапазон удельных сопротивлений металлических проводников при нормальной температуре занимает всего три порядка. Для различных металлов скорости хаотического теплового движения электронов при определенной температуре примерно одинаковы. Концентрации свободных электронов различаются незначительно, поэтому значение удельного сопротивления в основном зависит от средней длины свободного пробега электронов в данном проводнике, а она определяется структурой материала проводника. Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой имеют минимальные значения удельного сопротивления. Примеси, искажая решетку, приводят к увеличению удельного сопротивления

Температурный коэффициент удельного сопротивления или средний температурный коэффициент удельного сопротивления выразится

a = 1 / r (dr / dt);     a` = 1 / r (r₂ - r₁) / (T₂ – T₁),

где r₁ и r₂ – удельные сопротивления проводника при температурах Т₁ и Т₂ соответственно при Т₂ > T₁.

В технических справочниках обычно приводится величина a`, с помощью которой можно приближенно определить r при произвольной температуре Т:

r = r₁ (1 + a_r` (Т - Т₁)).

Это выражение дает точное значение удельного сопротивления р только для линейной зависимости r(Т). В остальных случаях этот метод является приближенным; он тем точнее, чем уже интервал температур, который использован для определения a_r`. Удельное сопротивление большинства металлов, увеличивающих свой объем при плавлении, уменьшает плотность. У металлов, уменьшающих свой объем при плавлении, удельное сопротивление уменьшается; к таким металлам относят галлий, сурьму и висмут.

Удельное сопротивление сплавов всегда больше, чем у чистых металлов. Особенно это заметно, если при сплавлении они образуют твердый раствор, т.е. совместно кристаллизуются при затвердевании и атомы одного металла входят в решетку другого. Если сплав двух металлов создает раздельную кристаллизацию и застывший раствор - смесь кристаллов каждой из составляющих, то удельная проводимость g такого сплава изменяется с изменением состава почти линейно. В твердых же растворах эта зависимость (от содержания каждого из металлов) не линейна и имеет максимум, соответствующий определенному соотношению компонентов сплава. Иногда при определенном соотношении между компонентами они образуют химические соединения (интерметаллиды), при этом они обладают не металлическим характером электропроводности, а являются электронными полупроводниками.

Температурный коэффициент линейного расширения проводников определяется так же, как и для диэлектриков по формуле

ТК_l= a(l) =  l/ l (dl/ dТ),                                 (3.1)

где ТК_l= a(l) - температурный коэффициент линейного расширении К^-1.

Этот коэффициент необходимо знать, чтобы иметь возможность оценить работу сопряженных материалов в различных конструкциях, а также исключить растрескивание или нарушение вакуумного соединения металла со стеклом или керамикой при изменении температуры. Кроме того, он входит в расчет температурного коэффициента электрического сопротивления проводов

ТК_R= a(R) = a(r) - a(l).

Для чистых металлов обычно a(r) » a(1), поэтому можно приближен. но считать, что a(R)~a(r), но для некоторых сплавов, имеющих малые значения a(r), следует пользоваться формулой (3.1).

ТермоЭДС проводников

ТермоЭДС возникает при соприкосновении двух различных проводников (или полупроводников), если температура их спаев неодинакова. Если два различных проводника соприкасаются, то между ними возникает контактная разность потенциалов. Для металлов А и В

U_cb - U_c+ К Т / е ln(n_0с / n_оb),

где U_с и U_b- потенциалы соприкасающихся металлов; концентрация электронов в соответствующих металлах; К - постоянная Болъцмана; Т - температура; е - абсолютная величина заряда электрона.

Если температура спаев металлов одинакова, то сумма разности потенциалов в замкнутой цепи равна нулю. Если же температура слоев различна (Т₂ и Т₁, например ), то в этом случае

U= К / е (Т₁ -Т₂) ln(n_c/ п_b).                                 (3.2)

На практике выражение (3.2) не всегда соблюдается, и зависимость термоЭДС от температуры может быть нелинейной. Провод, составленный из двух изолированных проволок разных металлов или сплавов, называется термопарой и используется для измерения температур. В таких случаях стараются использоватъ материалы, имеющие большой и стабильный коэффициент термоЭдС. для измерения высоких температур иногда приходится (особенно при измерении температур в агрессивных средах) применять термопары с меньшими коэффициентами термоЭдС, но выдерживающими высокие температуры и не окисляющиеся в агрессивных средах. Во многих случаях термопары приходится защищать металлическими или керамическими кожухами. Катушки измерительных приборов, добавочные резисторы и шунты в них приходится подбирать с минимальными коэффициентами термоЭдС относительно меди, чтобы избежать появления паразитных термоЭдС. которые могут вызвать дополнительные погрешности измерения.

         Сплавы для термопар имеют различные сочетания, в том числе один электрод может быть из чистого металла. Наиболее распространенными являются никелевые и медно-никелевые сплавы. Для температур в пределах 1000 – 1200 ⁰С используются термопары хромель – алюмель (ТХА), при более высоких температурах применяются электроды платина – платинородий; в этих сплавах родия составляет от 6,7 до 40,5 %. Марки таких термопар следующие: ПлРд-7, ПлРд-10, ПлРд-30, ПлРд-40.

Материалы высокой проводимости

Среди металлов высокой проводимости наиболее широко применяются медь и алюминий. Медь из-за малого удельного сопротивления (наименьшего среди металлов, исключая серебро) используют в качестве проводникового материала; кроме того, она обладает достаточно высокой механической прочностью, высокой коррозионной стойкостью и хорошей обрабатываемостью (прокат, волочение, ковка, а также пайка и сварка). Производство меди основано на переработке медных руд - оксидных и сульфидных соединений меди, хотя медь может встречаться в природе и в самородном состоянии.

По механической прочности различают медь твердую не отожженную - МТ и мягкую отожженную медь - ММ. По содержанию химических примесей медь подразделяется на марки по ГОСТ 859 - 78.Электрические характеристики меди следующие: удельная проводимость наиболее чистой электролитической меди при 20 ⁰С - 59,5 МСм/м; удельная проводимость отожженной стандартной меди при 20 - 58 МСм/м; удельное сопротивление стандартной меди при 20 ⁰С - 0,017241 мкОм м; температурный коэффициент удельного сопротивления при 0..150 °С a(r). 10 - 4,3 1/К; отношение удельного сопротивления расплавленной меди к сопротивлению твердой меди при tплавления - 2,07; термоЭдС относительно платины при температуре холодного спая О ⁰С - 0,14 мВ; работа выхода электронов - 4,07...4,61 кВ из металла; число Лоренца L₀. = 2,45.10-8 В²/К². При низких температурах удельное сопротивление меди становится весьма малым, однако сверхпроводимостью она не обладает. Число Лоренца не постоянно и при уменьшении температуры понижается, однако при Т < 100 ⁰К снова возрастает. В электротехнике медь применяется для изготовления проводников, шин распределительных устройств, токоведущих частей приборов и электрических аппаратов, анодов в гальванопластике. В электронной технике из меди изготавливают: аноды генераторных ламп (с принудительным охлаждением); стойки антикатодов трубок рентгеновского излучения; траверсы сеток приемно-усилительных ламп, все внешние токоподводящие вводы; проводящую часть печатных плат и т.д. Медь используется в спаях со стеклами, хотя у нее коэффициент линейного расширения больше, чем у стекол, н зато она обладает низким пределом текучести, мягкостью и высоким коэффициентом теплопроводности. Для впаивания в стекло медному электроду придается специальная форма в виде тонкого рантика (так называемые рантовые спаи). Для повышения механической прочности медь применяется в виде сплавов бронз и латуней.

При изготовлении конструкционных и проводящих частей приборов и аппаратов, (в том числе для щеткодержателей и коллекторных пластин) используют следующие бронзы: оловянные, обрабатываемые давлением (ГОСТ 5017 - 74); бронзы литейные (ГОСТ 613 - 79); бронзы безоловянные литейные (ГОСТ 493 - 79). Проводниковые бронзы применяются для изготовления контактов, троллейных проводов, зажимов и электродов. Латуни представляют собой медно-цинковые сплавы и так же, как и бронзы, обладают более высокой механической прочностью и повышенными значениями удельного электрического сопротивления. Латуни делятся на обрабатываемые давлением и литейные. Обычно они паяются мягкими и твердыми припоями и допускают электрическую и газовую сварку. Марки латуней, обрабатываемых давлением, определены ГОСТ 15527 -70, а литейных - ГОСТ 17711-80. Вторым по значению удельной электрической проводимости после меди при нормальной температуре является алюминий. При низких температурах он становится даже более проводящим, чем медь; это происходит при температуре около 70 ⁰К. Классы и марки первичного алюминия устанавливаются в зависимости от способа получения и его химического состава. Особо чистым является алюминий марки А999, в котором примеси составляют всего 0,001%, а чистого алюминия содержится не менее 99,999 %. существует четыре марки химически чистого алюминия, в которых количество каждой примеси нормируется, например, марка А995; чистого алюминия не менее 99,995 %, примеси (не более); железо 0,0015%, кремний - 0,0015 %, медь - 0,001 %, цинк 0,001 %, титан - 0,001 %. При этом общее количество примесей не должно превышать 0,00 5%. Технически чистого алюминия существует восемь марок. Наиболее распространен алюминий марки АЕ, который должен обеспечивать для изготовленной из него и отожженной при температуре 350 -  20 °С проволоки удельное электрическое сопротивление при температуре 20 ⁰С не более 0,028 мкОм м. Согласно ГОСТ 4784 - 74 ‚ Сплавы алюминиевые деформируемые имеются четыре марки сплавов, представляющих собой алюминий с нормируемым количеством примесей. Марки АДОС, АДО, Ад1 и Ад, в которых алюминия должно быть не менее 99,7%, 99,5%, 99,3% и 98,8% соответственно.

Электрические характеристики алюминия следующие: при 20 °С удель-ная проводимость чистого алюминия (отожженного при 320 °С в течение З ч ) составляет 38 МСм/м; удельное сопротивление р алюминия АБ 0,028 мкОм-м; температурный коэффициент удельного сопротивления при 0 …. 150 ⁰С a(r) 10^-3 = 4 1/К; отношение сопротивления расплавленного алюминия к сопротивлению твердого алюминия при температуре плавления - 1,64; работа выхода - 4,25 эВ; число Лоренца L0 = 2,1 10^-8 В²/К².

При нормальной температуре, одинаковых сечениях и длине электрическое сопротивление алюминиевого провода больше, чем медного, в 1,63 раза. Значит, чтобы получить алюминиевый провод такого же сопротивления, что и медный, нужно взять его сечение в 1,63 раза большим, т.е. его диаметр должен быть больше в 1,3 раза. При ограниченных размерах изделий замена в них меди на алюминий невозможна, но зато масса двух одинаковых по длине и электрическому сопротивлению медного и алюминиевого проводов показывает, что алюминиевый, хотя и толще медного, но весит примерно в 2 раза меньше.

В электротехнике алюминий заменил дорогостоящую медь. Он используется для изготовления электрических проводов, кабельных, тонкопленочных и других токопроводящих изделий, в качестве обмоток асинхронных двигателей, для производства сплавов, для изготовления конденсаторов и конденсаторной фольги, для электровакуумной техники (электроды в разрядниках, катоды в ионных рентгеновских трубках) и т.д.

Прокатка, протяжка и отжиг алюминия аналогичны этим операциям над медью; алюминий хорошо варится, но обычными методами не паяется. На воздухе он активно окисляется, покрываясь тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка, предохраняя алюминий от дальнейшей коррозии, создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых деталей и делает затруднительной их пайку. Для пайки алюминия обычно используют ультразвуковые паяльники, специальные припои. В местах контакта меди с алюминием, особенно под воздействием влаги, образуется местная гальваническая пара, причем полярность ее Такая что ток идет от алюминия к меди ( по внешней поверхности ), и алюминий разрушается коррозией. Для защиты от коррозии необходимо тщательно изолировать места соединения меди и алюминия (покрыватьлаком, например). Несмотря на то, что алюминий имеет низкую механическую прочность, его сплавы обладают повышенной механической прочностью.

Сплавы делятся на алюминиевые деформируемые (ГОСТ 4784-74) и алюминиевые литейные (ГОСТ 2685-75). Первые предназначены для изготовления гюлуфабрикатов (прутков, профилей, полос, листов, проволоки, панелей, труб, Штамповок и поковок ) методами холодной или горячей обработки. Вторые - для изготовления фасонных отливок.

К материалам высокой проводимости относится большая группа металлов, применяемых в электротехнике (с ними можно ознакомится в соответствующей литературе), но по массовости применения, они не идут ни в какое сравнение с алюминием и медью

Криопроводники и сверхпроводники

К криопроводникам и сверхпроводникам относятся металлы, работающие при очень низких (криогенных) температурах, приближающихся к абсолютному нулю. Явление сверхпроводимости было открыто В. Камерлинг-Оннесом в 191I г. Им было обнаружено, что при охлаждении до температуры сжижения гелия сопротивление замороженной ртути резким скачком падает практически до нуля, во всяком случае, до значения столь малого, что оно не поддается измерению. В настоящее время известно 35 таких металлов и большое количество сплавов и химических соединений, у которых при очень низких температурах удельная проводимость становится практически бесконечной величиной. Наличие у вещества такой проводимости называется СВЕРХПРОВОДИI1МОСТЬЮ, а температура, при которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние, называется температурой сверхпроводящего перехода (Т_с). Вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние, называются сверхпроводниками. Этот переход является обратимым: при повышении температуры до значения Т_с сверхпроводимость исчезает и вещество переходит снова в обычное состояние с конечным значением удельной электропроводности g. Современная теория сверхпроводников объясняет это явление взаимодействием электронов друг с другом через посредство кристаллической решетки и образование связанных пар электронов, т.е. куперовских пар. Из-за электростатического притяжения электрон слегка притягивает ближайший к себе ион, тот, в свою очередь подтягивает к себе другой электрон (находящийся по другую сторону нона). Эти два электрона имеют противоположные спины (и импульсы). Одновременно они отталкиваются, будучи одноименно заряженными. В некоторых металлах при весьма низких температурах притяжение через посредство решетки оказывается сильнее этого отталкивания, и электроны связываются попарно. Т.к. энергия связи электронов в паре невысока, то каждая такая пара существует ограниченное время. затем разрушается, однако в целом энергия электронной системы из-за этого процесса спаривания уменьшается и металл переходит в сверхпроводящее состояние. При этом электронные пары не испытывают рассеяния, что и приводит к почти полному исчезновению сопротивления. Ток, наведенный в замкнутом контуре из сверхпроводника, может существовать сколь угодно долго. При этом сверхпроводники представляют собой идеальные диамагнетики: магнитное поле, пронизывающее проводник при обычной температуре, выталкивается из него в сверхпроводящем состоянии при условии, что напряженность внешнего магнитного поля не превышает определенного критического значения Н_с. В противном случае сверхпроводящее состояние разрушится. В зависимости от характера перехода из сверхпроводящего состояния в обычное при увеличении магнитного поля различают сверхпроводники 1-го рода - свинец, ртуть, индий, олово, алюминий, у которых переход в нормальное состояние происходит скачком, и сверхпроводники 2-го рода, у которых этот переход происходит постепенно (ниобий, ванадий и технеций, а так же большое число сплавов и химических соединений). Явление сверхпроводимости обнаружено у некоторых веществ, не обладающих этим эффектом при нормальном давлении, при воздействии высокого гидростатического давления. Сверхпроводящие свойства отмечены у полупроводников, например у антимонида индия InSb, и даже у диэлектриков - серы и ксенона (таблица 3.1).

Таблица 3.1. Параметры сверхпроводников

Помимо сверхпроводимости в современной электротехнике используется КРИОПРОВОДИМОСТЬ, т.е. работа металла при криогенных температурах, когда удельное сопротивление становится очень мало, но является конечной величиной. Металлы, обладающие таким свойством, но без перехода в сверхпроводящее состояние, называются КРИОПРОПРОВОДНИКАМИ. для получения качественных криопроводников требуется высокая чистота металла. Как правило, используются металлы, имеющие при криогенных температурах (которые выше температур сверхпроводимости) наименьшее удельное сопротивление. К ним относятся: при температуре жидкого водорода - алюминий, а при температуре жидкого азота бериллий (20.3 и 77,4 К соответственно).

Материалы высокого сопротивления

К материалам высокого сопротивления относятся металлы и сплавы, используемые для электроизмерительных приборов, резисторов. У них помимо высокого удельного сопротивления должны быть высокая стабильность сопротивления во времени, малый температурный коэффициент удельного сопротивления, малая термоЭДС в паре с медью. Иногда они должны работать при высоких температурах, быть технологичными и по возможности не содержать дорогостоящих компонентов. Резистивные материалы должны иметь высокое удельное сопротивление. обладать высокой коррозиционной стойкостью, высокой стабильностью и малой термоЭДС в паре с медью. Очень важно, чтобы эти требования выполнялись, если материал предназначен для изготовления образцовых и добавочных резисторов и шунтов электроизмерительных приборов. для переменных низкоомных резисторов надо иметь весьма малое и стабильное (во времени) контактное сопротивление. В зависимости от назначения, условий эксплуатации, с учетом номинального сопротивления в качестве материалов для резисторов применяют металлы и сплавы с высоким удельным сопротивлением, а также оксиды металлов, углерод, композиционные материалы (иногда на основе благородных металлов - платины, палладия, золота и серебра). Конструктивно резисторы выполняются в виде объемных элементов, проволоки различных диаметров и пленки, осаждаемой на диэлектрическое основание (подложку). для пленок введен параметр - сопротивление квадрата, или сопротивление на квадрат (или удельное поверхностное сопротивление), численно равное сопротивлению участка пленки, длина которого равна его ширине, при протекании тока параллельно поверхности подложки. Сопротивление квадрата определяется по формуле

R_k = r / d,                                              (3.3)

где r- удельное объемное сопротивление пленки толщиной d.

Для резисторов и термопар наиболее распространенными являются сплавы типа манганина. Это сплавы на никелевой и медно-никелевой основе. Собственно манганин - наиболее распространенный сплав при изготовлении точных резисторов. Манганин марки МНМцЗ-12 содержит: марганца 11,5 - 13,5 %, никеля и кобальта 2,5 - 3,5 %, остальные % - медь. Обычно при повыщении стабильности характеристик его отжигают при температуре 400 °С в течение 2 ч в вакууме или в нейтральных газах ( аргон, азот ) с медленным охлаждением. Холоднотянутая проволока подвергается 10-часовому старению при температуре 140 ⁰С. Кроме того, требуется длительная выдержка манганина при комнатной температуре, примерно около 1 года. Основные свойства манганина этой марки таковы: при 20 ⁰С удельное сопротивление

r= 0,48 мкОм м: температурный коэффициент удельного сопротивления при той же температуре a_r = (5 - 30) 10^-6 1/К, термоЭДС относительно меди равна 1 мкВ 1/К +1: Т_плавл = 960 ⁰С, наибольшая допустимая рабочая температура (длительно ) ТР 300 ⁰С.

Константан также относится к этой группе сплавов, но в его составе марганца всего 1 – 2 % , никеля - 39 – 41 %, остальные %- медь. Марка константана - МНМц4О-1,5. Его основные свойства: r= 0,48 – 0,52мкОм м;      a_r = (5- 25 ) 10^-6 1/К; Т_раб = 450 ⁰С; термоЭДС в паре с медью достаточно высока и составляет 45 - 55 мкВ 1/К. что является недостатком при использовании его в измерительных схемах, но достоинством в термопарах.

Резисторы на основе кремния, как правило, тонкоплёночные. Для них использованы следующие марки сплавов: РС-4800, РС-370, РС3001, РС-1714, РС-1004, а также сплавы многокомпозиционные, состоящие из кремния, железа, хрома, никеля, алюминия и вольфрама (типа МЛТ). В обозначении марок буквы означают: РС резистивный сплав, две первые цифры - номинальное содержание основного легирующего компонента, две остальные - то же для второго компонента. Сплавы в виде порошков предназначены для изготовления методом испарения и конденсации в высоком вакууме тонкопленочных резисторов и других вспомогательных слоев в электронике. Резисторы из сплавов МЛТ получают термическим вакуумным испарением из вольфрамовых испарителей и путем конденсации пленок на диэлектрические подложки. Для увеличения удельного сопротивления сплавов в них часто вводят оксиды металлов. Для получения нужных свойств пленки после осаждения термообрабатывают. При толщине пленок от 0,1 до 1 мкм можно получить сопротивление квадрата от десятков Ом м до 35 кОм при a_r= (2,5 -± 4)-10^-4 1/К. В микросхемах распространен сплав МЛТ-ЗМ, у него сопротивление квадрата R= 200 -500 Ом.

Сплавы на основе железа, никеля, хрома и алюминия в основном применяются для электронагревательных элементов. Они относятся к жаростойким с высоким удельным сопротивлением и подразделяются на: никель-хромовые (нихромы); никель-хромовые, легированные алюминием, железохромоникелевые и железохромоалюминиевые (хромали). У всех этих сплавов характеристики зависят от их химического состава. Так, для нихрома марки Х20Н80 (хром - 15 – 18 %, никель - 55 – 61 %, марганец - 1,5 %, остальные % - железо) удельное сопротивление r = ( 1,1-1,2) мкОм м; r = (100 - 200) 10^-6 1/К; предельная Т_раб = 1000 ⁰С. Для хромали марки Х23Ю5 (хром- 22 -25 %, никель - 0,6 %, марганец - 0,7 %, алюминий - 4,5 - 5,5 % ) удельное сопротивление r= ( 1,3 - 1,5 ) мкОм м; a_r= 65 10^-6 1/К, а предельная Т_раб = 1200 ⁰С. Нихромы стойки к окислению на воздухе при высоких температурах, т.к. на их поверхности образуется защитная пленка оксидов СrО + NiО с температурным коэффициентом линейного расширения, близким к a_r= 1 сплава. Однако для этого слоя оксидов опасны термоудары, при этом пленка трескается, туда проникает кислород - происходит дополнительное окисление и срок службы сплава уменьшается. Железохромоалюминиевые сплавы всех марок становятся хрупкими в интервале температур от 450 до 500 ⁰C, что связано с выделением в структуре образований с повышенным содержанием хрома (порядка 80 %). Эта хрупкость может быть устранена нагревом сgлава до 750 - 800 °C с последующим охлаждением в воде.

Для всех сплавов агрессивными являются фосфорсодержащие среды, галоиды и сера, кроме железохромоалюминиевые сплавов, для которых газы, содержащие серу, допустимы.

Для жаростойких материалов и нагревательных элементов используют обычно карбиды и силициды тугоплавких металлов - ниобия, циркония, тантала и гафния. Из карбида ниобия методом порошковой металлургии изготавливают трубчатые, стержневые и Y-образные нагреватели длиной до 600 мм, наружным диаметром до 18 мм и толщиной стенки 2 - 3 мм. Печи с такими нагревателями работают в вакууме до 2500 ⁰С, а в аргоне - до 3000 °С. Карбид циркония работает примерно при таких же температурах. Точка плавления карбида ниобия минус 3760 °С, циркония - 3530 ⁰С, тантала - 3880 ⁰С, а гафния - 3890 ^ОС. При комнатных температурах карбиды инертны к щелочам и кислотам. Из неметаллических нагревателей, чаще всего используются селит и глобар из карбида кремния, которые являются полупроводниковыми соединениями. Их Т_раб = 1400 - 1500 ⁰С; при этой температуре срок службы таких нагревателей составляет около 1500 - 2000 ч. Силициды представляют собой соединения кремния в основном с металлами. Эти соединения широко используются в электротехнике, металлургии, космической, электронной в атомной технике. В электротермии наиболее популярен дисилицид молибдена (Мо - Si),который в изделиях может работать при 1700 ⁰С в окислительной среде. Элементы выполняются также методом порошковой металлургии. Свойства дисилицида молибдена: удельное сопротивление r= 0,2 мкОм м при 20 ⁰С; при 1600 ⁰С r= 0,8 мкОм м; температурный коэффициент линейного расширения a₁ = 8,25 10^-6 1/К. При работе в вакууме силициды молибдена диссоциируют, поэтому их использование ограничено и зависит от парциального давления кислорода.

Тензометры

Сплавы. применяемые в преобразователях деформации различных изделий под действием механических сил, называются тензометрическими. В основу работы тензопреобразователей принцип изменения сопротивления при деформации конструкции, на которую наклеен тензодатчик, Коэффициент тензочувствительности оценится

d = DR / R / DL / L.  или  d = 1 + Dr / (r E S) / F + 2 m,            (3.4)

где DR- изменение сопротивления R при изменении DL длины элемента L; Dr- изменение удельного сопротивления r материала тензодатчика под влиянием нагрузки F; S- площадь поперечного сечения проволоки преобразователя: Е - модуль IОнга; m- коэффициент Пуассона материала проволоки.

Наиболее часто длятензометров применяется проволока, наклеиваемая зигзагообразно на лаковую или бумажную основу (диаметр проволоки примерно 0,02 0,05 мм ). К концам проволоки пайкой или сваркой гюдсоединяются выводные проводники, как правило, медные. Сверху датчик лакируется. И приклеивается к изделию. Материалами для проволоки могут быть различные металлы и сплавы. например манганин, константан, нихром, никель, висмут, платиносеребряные или титаноалюминиевые сплавы, хотя они чаще применяется для изготовления пленочных тензометров (сплав АЛI9. Д20 и др.). Пленочные тензометры получают путем вакуумной возгонки материала и последующей его конденсацией на подложку. Часто применяются фольговые тензометры из весьма тонкой фольги толщиной 4 -12 мкм, на которой часть металла выбрана травлением таким образом, что оставшаяся часть образует так называемую “решетку’ - зигзагообразный тензометр.

Контактные материалы

В качестве контактных материалов используются чистые тугоплавкие металлы и различные сплавы, а также металлокерамические композиции. Наиболее ответственные контакты служат для периодического замыкания и размыкания электрических цепей, особенно сильно точных. По условиям работы контакты делят на неподвижные, разрывные или скользящие, к ним предъявляются разные требования, и, следовательно, используются разные материалы. По значению коммутируемого тока контакты делят на слаботочные - до единиц ампера и сильноточные - для токов от единиц до тысяч ампер. Контакт должен быть надежным соединением двух проводников, способных проводить электрический ток с малым и стабильным во времени электрическим сопротивлением.

Структура площади контакта состоит из: “площадок” с металлическим

контактом, сопротивление которых определяется суммарным сопротивлением металлов пары, образующих контакт, через который протекает ток без переходного сопротивления; контактных площадок, покрытых тонкими адгезионными пленками, пропускающими ток благодаря туннельному эффекту; площадок, покрытых пленками оксидов и сульфидов, являющимися изолирующими и не пропускающими электрический ток. Общая площадь контакта, опредёляемая как сумма этих площадок, оказывается значительно меныпе контактной поверхности, представляющей условную площадь контакта. При этом состояние поверхностей контактов непосредственно влияет на переходное сопротивление и нагрев контактов при прохождении через них тока. Переходное сопротивление многоточечного контакта, имеющего п контактирующих поверхностей первого вида, если они все нагружены до предела текучести материала контактов, определяется по формуле 

Rn = r / 2 (ps / (nF)1/2,                                    (3.5)

где r- удельное сопротивление материала контактов; s- предел текучести материала контактов при сжатии; n- число коyтактирующих поверхностей;   F- сила контактного cжатия.

Если контакты плоские, то их переходное сопротивление обратно пропорционально силе нажатия F.

Основные причины износа контактов при их эксплуатации зависят от условий эксплуатации. но сводятся к следующим эрозия контактов - нарушение формы рабочих поверхностей. перенос материала с одного контакта на другой, образование кратеров. наростов и даже заклинивание контактов; электрический износ контактов, обусловленный электрической дугой, искрением Контактов при размыкании и вибрацией контактов; механический износ, связанный не только с силой удара контактов, но и с контактным нажатием и частотой замыканий контакта; химический износ, на который влияют состав окружающей среды, ее влажность и температура на поверхности контактов; сваривание в отрыв в зависимости от силы контактного нажатия, вибрации и термического действия тока на контакты, усилие при размыкании сварившихся контактов и плохое прикрепление контактов к контактодержателю. В качестве материалов для слаботочных контактов обычно используются благородные и тугоплавкие металлы - серебро, платина, палладий, золото, вольфрам и их сплавы.

Большинство благородных металлов обычно применяют для контактов в виде гальванического покрытия (кроме серебра, которое может применяться в чистом виде). Твердость покрытий в этом случае существенно выше, чем у более толстых слоев металла. Например, для серебра твердость по Бринеллю составляет в толстом слое порядка 25, а в виде Гальванического покрытия может достигать 100. Гальванические покрытия более износостойки в электрическом поле. Толщина гальванопокрытия обычно колеблется в пределах от 1 мкм до нескольких десятков микрометров. Для сильноточных контактов обычно используются медь, серебро, их сплавы, а также композиционные материалы, получаемые методом порошковой металлургии, состоящие из компонентов, не обладающих взаимной диффузией и представляющих смесь обычно двух - трех фаз, одна из которых значительно более тугоплавкая, чем другая. Наиболее распространенные композиции - это серебро - оксид кадмия; серебро – никель; серебро - графит; серебро - никель - графит; серебро - вольфрам; серебро - оксид меди; медь - вольфрам; медь - графит. Серебро и медь обеспечивают высокую электра и теплопроводность, а тугоплавкая часть повышает износостойкость, термостойкость и сопротивление свариванию контактов В низковольтных аппаратах часто используется серебро - оксид кадмия; для высоковольтных (дугогасительных камер) - железо - медь - висмут и др.

Основные области применения контактных материалов:

серебро - реле, сигнальная аппаратура. телефонная и телеграфная аппаратура, магнитные пускатели, управление флуоресцентными лампами, контакты вспомогательных цепей контакторов и магнитных пускателей и пр.;

серебро медь - реле, телефонные реле, радиоапi1iаратура и т.д.;

серебро медь - никель - стенные выключатели, реле уличных сигналов, преобразователи тока, реле автоматики и настройки радио, авиационные легко- и средненагруженные реле, электромагнитные счетчики, автомобильные и железнодорожные сигнальные реле и пр.;

серебро - кадмий - реле, выключатели перегрузки и термостаты холодильников, стартеры, тепловые выключатели;

серебро - кадмий – никель; серебро - кадмий - индий - реле в диапазоне токов от десятых долей ампера до 30 А;

серебро - палладий - сигнальная аппаратура, телефонные реле и номеронабиратели, органы ТВ управления, выключатели и термостаты холодильников, контактные кольца и пр.;

 серебро - платина - радиоаппаратура, электромагнитные счетчики;

серебро - оксид циркония - выключатели, репе на токи от мАдо 100 А;

платина - иридий - прецизионные реле, работающие без дуги, часы, реле радиоэлектроники, морские и автомобильные регуляторы скорости, электробритвы, термостаты и нагреватели, сигнальные реле, телеграфные реле и пожарные сигнализаторы;

платина - родий - генераторы переменного тока (маломощные);

платина - никель - телефонная и телеграфная аппаратура;

золото - серебро, золото - серебро - платина - прецизионные реле, работающие без дуги, измерительные приборы, телефонная и телеграфная аппаратура, скользящие контакты потенциометров в слаботочной технике;

вольфрам - кассовые аппараты, прерыватели зажигания в автомобилях и тракторах, масло и бензиноизмерители, контрольные реле в авиа приборах, реле-регуляторы напряжения. часы, телетайпы, телеграфные реле, электробритвы, вакуумные низко и высоковольтные выключатели. электроды ртутных выключателей;

серебро - оксид меди - сильнонагруженные контакторы переменного и постоянного тока, автоматические предохранители, тепловозостроение;

серебро - вольфрам - магнитные пускатели и контакторы с большой

частотой включений, выключатели бытовых приборов. кнопки управления, высоковольтные выключатели, контакты мощных регулирующих трансформаторов, тяжелонагруженные реле, выключатели авиационного оборудования, стартеры, выпрямители тока и т. д.;

медь - вольфрам - мощные масляные и воздушные высоковольтные выключатели, малогабаритные высоковольтные выключатели, дверные выключатели морских судов, контакты к аппаратам стыковой сварки, мощные масляные выключатели дуговых печей и преобразователи тока;

медь - молибден - маломаслянные высоковольтные выключатели.

Этот ряд можнопродолжить, т.к. для замены контактов из сплавов благородных и просто дорогих металлов часто используются сплавы, в которых драгметаллы присутствуют в малых количествах (серебро - магний - никель, серебро - магний - никель - цирконий и ряд др.). Кроме того, в этом списке не указан ряд сплавов из благородных металлов. С ними можно познакомиться в соответствующей литературе.

Припои, флюсы и контактолы

Припои, флюсы, контактолы применяются для создания механически прочного, герметичного шва или постоянного электрического контакта с малым переходным сопротивлением. При пайке припои нагреваются до температуры плавления, в зависимости от которой их принято делить на две группы - мягкие и твердые. К мягким припоям - относятся припои с температурой плавления до 300 ⁰С, а к твердым - выше 300 ⁰С. Мягкие припои в основном являются оловянно-свинцовыми согласно ГОСТ 21931-76. Если в припое содержится 1 – 5 % сурьмы, то они называются сурьмянистыми. Наиболее распространенными из мягких припоев являются: ПОС-61, в котором 61 % Sn, остальные % - свинец (температура кристаллизации 190 ⁰С, удельное сопротивление r= 139 мкОм м ); ПОССу-61-0,5 - оловянно-свинцовый, малосурьмянистый, содержащий 61 % Sn, 5 % сурьмы, остальные % - свинец (температура кристаллизации 189 ⁰С. удельное сопротивление r= 0,140 мкОм м ); ПОСК-5О-18 - припой, содержащий 50 % Sn, 18 % кадмия, остальные % - свинец (температура кристаллизации 145 °С, удельное сопротивление r= 0,133 мкОм м). Эти припои применяются для лужения и пайки монтажных проводов (диаметром 0,05 - 0,08 мм), спиральных пружинок в электроизмерительных приборах, резисторов, конденсаторов, печатных схем и при производстве полупроводниковых приборов, для лужения и пайки пассивной части микросхем и других элементов, чувствительных к перегреву. Стандартными твердыми припоями являются медно-цинковые и серебряные. Первые должны удовлетворять ГОСТ 23 137-78, а вторые - ГОСТ 19738-74. Наиболее распространенными из них являются следующие: ПМЦ-36 - припой медно-цинковый, содержащий 36 % Сu, остальные % - цинк (температура кристаллизации 950 ⁰С, используется для пайки латуни с содержанием меди до 64 % );ПСР- 25 и до ПСР-70 - серебряные припои, содержащие от 25 до 70 % Аg, меди - от 40 до 26 %, цинка - от 35 до 4 % (температура их кристаллизации около 600 - 750 °С).

Для пайки алюминия применяют специальные припои. Из них наиболее распространены П425А (температура плавления 415 - 425 ⁰С), в составе которого 19 - 21 % М, 14 – 16 % Сu, 64 – 66 % Zn; ПСИЛО (силумин), состоящий из 90 – 87 % А1 + 10 – 13 % Si (температура плавления 577 ⁰С); АВИА-1 - сплав. в котором содержится 55%Sn, 20 % Сd, 22 % Zn, (температура плавления 200 ⁰С). При пайке алюминия низкотемпературными припоями (АВИА-1 и др.) его поверхность предварительно должна быть покрыта никелем. Фосфорные припои марки МФI и прочие с содержанием фосфора в сплаве (Сu- Р) от 8,5 до 10 %, имеющие температуру плавления 725 - 850 ⁰С, являются самофлюсующимися, т.е. пайка ими производится без применения флюса. Недостаток их - хрупкость шва. Стали не пригодны для пайки. Используются для пайки медных, латунных, бронзовых деталей, работающих в режимах малых статических нагрузок. Иногда в качестве припоев используют чистые металлы. Например, кадмий применяют для пайки и лужения никеля, чистое олово для лужения и пайки меди и ее сплавов, низкоуглеродистой стали и платины, а чистая медь - для пайки низкоуглеродистой стали и никеля.

В качестве флюсов используется очень большое количество материалов. Назначение флюсов - удалять загрязнение и оксиды с поверхности спаиваемых металлов, уменьшать поверхностное натяжение расплавленного припоя, защищать поверхность металла и припоя в процессе пайки от окисления. Флюсы подразделяются на несколько групп по различным признакам. Флюсы, применяемые при пайке мягкими припоями в основном с активными неорганическими веществами.

Активные флюсы. К ним относятся:

 канифоль (24 %), хлористый цинк (4 %), этиловый спирт(72 %) - для пайки черных, цветных и драгметаллов (остатки флюса необходимо удалять растворителем);

канифоль (16 %), хлористый цинк (4 %), вазелин технический (80 %), - при пайке черных и цветных металлов (шов прочный, но требует очень тщательной промывки) для изделий простой конфигурации;

хлористый цинк (1.4 %), глицерин (3 %), спирт этиловый (4 %), вода дистиллированная (91,6 %) - при пайке платины, ее сплавов и никеля, с последующей тщательной промывкой в воде;

флюс для пайки алюминия и его сплавов (хлористый барий – 4 %. хлористый калий – 29%, хлористый натрий – 19 %. фтористый кальций – 4% ) - пайка припоями марки АВИА-1 и АВИА-2.

При пайке твердыми припоями используют обычно несколько марок флюсов. Наиболее популярные из них:

Ф70А (температура плавления 370 ⁰С) предназначен для пайки алюминия, его сплавов, как между собой, так и с другими металлами (хлористый калий – 33 – 37 %. хлористый литий – 40 – 41 %. борофтористоводородный калий – 2 – 29 %);

Ф8ООСт (температура плавления 800 ⁰С) предназначен для пайки нержавеющих сталей, жаропрочных сплавов латунью и другими твердыми припоями (температура плавления 850 - 1100 ⁰С). Такой припой представляет собои буру (тетраборнокислый натрий 100 %).

Флюсы могут быть твердыми веществами (соли, оксиды, кислоты),пастами и растворамисолей и кислот. Очень частофлюсы изготавливаются на местах, поэтому и марки идут не по стандартам. В марках флюсов буквы означают: Ф - флюс, К - канифоль, Сп - спирт, П - гюлиэфирная смола, У - уксусная кислота, М - муравьиная кислота, -Х хлористые соли и т.д.

Контактолами(иначе электропроводящий клей) называются мало- низкие или пастообразные композиции из различных синтетических смол, используемые в качестве токопроводящих клеев и покрытий. Токопроводящим наполнителем являются мелкодисперсные горошки металлов или графита. для регулирования вязкости используют растворители. Полимерные связующие определяют низкую плотность, высокую прочность и эластичность, а также хорошие адгезионные свойства электропроводящих композиций. Электрические свойства определяются свойствами дисперсного наполнителя - его электропроводностью, концентрацией, формой и размером частиц, В настоящее время известно более 50 типов контактолов. Наиболее высокой проводимостью и стабильностью свойств обладают контактолы с содержанием серебра. Их используют для склеивания поверхностей серебра, меди, стекла, керамики. Если серебро предварительно обработано растворами жирных кислот, то такой клей используется для монтажа элементов радиоэлектроники, таких как ниточные резисторы, фоторезисторы и другие элементы. Некоторые виды клея, имеющие высокую термостойкость и большой срок службы, используются в производстве керамических конденсаторов и для монтажа интегральных схем. А контактол К-20 обладает максимальной для подобных материалов электропроводностью (r= 0,5 мкОм м). Марки и характеристики некоторых проводящих клеев приводятся ниже:

клей марки К-17: наполнитель - серебро, r= 1 - 2 мкОм м, температура отверждения 170 - 200 °С, максимальная рабочая температура - 200 ⁰С, срок службы 6 месяцев;

клей К-20: наполнитель тот же, температура отверждения 20 - 80 ⁰С, максимальная рабочая температура 80 ⁰С, срок службы 6 месяцев.

Неметаллические проводники

Неметаллические проводники,например, углеродистые материалы, широко используются в электротехнике. Из угля изготавливают электроды для прожекторов, аноды гальванических элементов, щетки электрических машин, высокоомные резисторы, разрядники для телефонных сетей, а угольные порошки используют в микрофонах и в производстве непроволочных резисторов. Щетки делают из графита, кокса, сажи, в качестве связки выступают каменноугольная и синтетические смолы. для повышения электропроводности в щетках часто используют порошкообразные металлы, медь с добавками свинца, олова и серебра. Углеродистые материалы, кроме сажи и графита, предварительно прокаливают для удаления летучих компонентов; после смешивания с металлическим порошком и связкой прессуют заготовки и затем вырезают щетки. Для прочности щетки спекают в неокислительной атмосфере при температуре около 1300 °С. Некоторые виды щеток подвергают графитизации при 2500 - 3000⁰С в неокислительной атмосфере, для перевода кокса и сажи в графит и удаления примесей. Заключительной операцией является пропитка щеток смолой или носком для повышения влагостойкости и снижения коэффициента трения. Повышение механической прочности щеток и увеличение электропроводности достигается за счет пропитки щеток расплавленными металлами.

Основные технические параметры щеток: удельное сопротивление, допустимая плотность тока, допустимая линейная скорость. Иногда учитывают также падение напряжения на щетках и удельное давление.

В настоящее время различают щетки угольно-графитовые (УГ), графитные (Г), электрографитированные (ЭГ) и медно-графитовые (М и МГ) с содержанием порошка меди, приведенные в таблице 3.2).

Таблица 3.2. Параметры электрических щеток

Электрические щетки применяют в электрических машинах различного назначения и мощности, в том числе и в быстроходных машинах с колъцами для подвода или съема тока.

КЛАССИФИКАЦИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СПОСОБОВ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

В современном машиностроении при изготовлении ответственных деталей применяются физико-химические способы размерной и упрочняющее-чистовой обработки. Эти способы дополняют, а иногда заменяют традиционные процессы резания. Постоянно растущие требования к качеству, надежности и долговечности изделий делают актуальными создание и применение новых методов обработки и упрочняющей технологии для повышения износостойкости, коррозионной стойкости, жаропрочности и других эксплуатационных характеристик.

Физико-химические способы имеют следующие достоинства и преимущества перед процессами резания:

1). Копирование формы инструмента сложной формы сразу по всей поверхности заготовки при его простом поступательном движении;

2). Обработка материалов ведется при практической независимости режимов обработки от твердости и вязкости материала;

3). Выполнение уникальных операций (обработка отверстий с криволинейной или спиральной осью, изготовление очень маленьких отверстий, узких и глубоких канавок;

4). Малые значения сил, действующих в процессе обработки, а при некоторых методах отсутствие механического контакта инструмента и заготовки;

5). Используется инструмент менее твердый и менее прочный, чем обрабатываемый материал;

6). Высокая производительность обработки при сравнительно высокой точности получения размеров;

7). Возможность механизации и автоматизации процесса физико-химической обработки, а также многостаночного обслуживания.

Однако физико-химические способы обработки более энергоемки, чем процессы резания. Основные физико-химические способы размерной и упрочняюще-чистовой обработки заготовок следующие:

1. Электроразрядные — электроэрозионный, электроконтактный и абразивно-эрозионный.

2. Электрохимические — электрохимикогидравлический и электрохимикомеханический.

3. Ультразвуковые — размерная ультразвуковая обработка и наложение ультразвуковых колебаний на режущий инструмент.

4. Лучевые — лазерный, электроннолучевой и плазменный.

5. Магнитноимпульсная — индукционная и электродинамическая.

6. Магнитноабразивная.

7. Комбинированные — анодно-механический, элетроэрозионно-химический, ультразвуковой-электрохимический и электролазерный.

В этих методах удаление припуска происходит путем электрической или химической эрозии. Они особенно эффективны при изготовлении таких изделий: штампы, пресс-формы, турбинные лопатки, камеры сгорания, фасонный твердосплавный инструмент, электронная аппаратура и др.

Технико-экономический эффект их применения тем выше, чем сложнее конфигурация обрабатываемых деталей: время изготовления обычных фасонных поверхностей снижается в 2 … 3 раза, сложных – в 5 … 10 раз. Большинство физико-химических методов разработано в СССР.

Основные особенности рабочих процессов физико-химических методов и процесса резания приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1. — Основные особенности рабочих процессов физико-химических методов и процесса резания

Введение. Разработчиками данного метода являются советские ученые Н.И.Лазаренко и Б.Р.Лазаренко. Поместив электроды в жидкий диэлектрик и размыкая электрическую цепь, ученые заметили, что жидкость мутнела уже после первых разрядов между контактами. Они установили: это происходит потому, что в жидкости появляются мельчайшие металлические шарики, которые возникают вследствие электрической эрозии электродов [1,2,3].

Ученые решили усилить эффект разрушения и попробовали применить электрические разряды для равномерного удаления металла (1943 г.). С этой целью они поместили электроды (инструмент 1 и заготовку 3) в жидкий диэлектрик 4, который охлаждая расплавленные частицы металла и не позволяя им оседать на противолежащий электрод (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 — Схема электроискрового станка

1 – электрод — инструмент; 2 – ванна; 3 – заготовка; 4 – диэлектрическая жидкость; 5 – пластина изолирующая.

В качестве генератора импульсов использовалась батарея конденсаторов (С), заряжаемых от источника постоянного тока; время зарядки конденсаторов регулировали реостатом (R). Так появилась первая в мире электроэрозионная установка. Электрод-инструмент 1 перемещали к заготовке 3. По мере их сближения возрастала напряженность поля в пространстве между заготовкой и инструментом. Это пространство называют межэлектродным промежутком (МЭП) или просто промежутком (зазором).

При достижении определенной напряженности поля на участке с минимальным расстоянием между поверхностями электродов (минимальным электродным зазором), возникал электрический разряд (протекал импульс) тока, под действием которого происходило разрушение участка заготовки. Продукты обработки попадали в диэлектрическую жидкость 4, где охлаждались, не достигая электрода-инструмента 1, и затем осаждались на дно ванны. Через некоторое время электрод-инструмент 1 прошил заготовку 3. Причем контур отверстия точно соответствовал профилю инструмента.

Так была изобретена электроэрозионная размерная обработка материалов (ЭЭО). Первоначально для осуществления ЭЭО применялись исключительно искровые разряды, создаваемые конденсатором в так называемом RC-генераторе. Поэтому новый процесс в то время называли электроискровой обработкой.

В начале 50-х годов XX столетия были разработаны специальные генераторы импульсов, благодаря которым обработку можно было проводить не только на коротких искровых разрядах, но и на более продолжительных искро-дуговых и дуговых разрядах. Чтобы отличить новые условия осуществления процесса, его стали называть электроимпульсной обработкой.

Рисунок 2.2 — Схема электроимпульсной установки

1 – электродвигатель; 2 – импульсный генератор; 3 – электрод — инструмент; 4 – заготовка; 5 – ванна для диэлектрической жидкости.

Этот метод основан на том, что полярный эффект при импульсах малой и средней продолжительности приводит к повышенной эрозии анода, что используется при электроискровой обработке. При импульсах большой продолжительности (дуговой разряд) значительно быстрее разрушается катод. Поэтому при электроимпульсной обработке применяют обратную полярность включения электродов и обрабатывают при действии униполярных импульсов, создаваемых электрическими машинами или электронным генератором. Продолжительность импульсов – 500 … 10000 мкс. Электрод — инструмент изнашивается значительно меньше, чем при электроискровой обработке. Производительность выше, так как мощность импульсов больше.

Метод наиболее целесообразно применять при предварительной обработке штампов, турбинных лопаток, фасонных отверстий в деталях из твердых, нержавеющих и жаропрочных сплавов. При электроимпульсной обработке съем металла в единицу времени в 8 … 10 раз больше, чем при электроискровой.

Для повышения точности и уменьшения шероховатости обрабатываемых поверхностей заготовок при ЭЭО был предложен метод высокочастотной электроискровой обработки. Он основан на использовании электрических импульсов малой энергии при частоте 100 …150кГц.

Рисунок 2.3 — Схема высокочастотной электроискровой обработки

1 – электрод — инструмент; 2 – заготовка; 3 – трансформатор; 4 – прерыватель; 5 – выпрямитель.

В данной схеме дугового разряда нет, так как электрод- инструмент 1 и заготовка 2 включены во вторичную цепь трансформатора. Производительность метода в 30 … 50 раз выше по сравнению с электроискровым при значительном увеличении точности и уменьшении шероховатости. Износ инструмента незначителен. Метод исключает структурные изменения и микротрещины в поверхностном слое материала обрабатываемой заготовки.

В настоящее время применяют несколько технологических схем электроэрозионной обработки.

1). Прошивание – удаление металла из полостей, углублений, отверстий, пазов, с наружных поверхностей (рисунок 2.1.). Прошиванием можно получать поверхности как с прямой, так и с криволинейной осью. Существует два варианта прошивания:

— прямое копирование, когда электрод-инструмент находится над заготовкой (рисунок 2.1.);

— обратное копирование, когда электрод-инструмент находится под заготовкой. Движение подачи здесь может осуществлять заготовка.

Рисунок 2.4 — Схема обратного копирования

1 – электрод — инструмент; 2 – заготовка; 3 – ванна; 4 – диэлектрик; 5 – продукты обработки.

Этот вариант облегчает удаление продуктов обработки и за счет сокращения числа боковых разрядов через частицы расплавленного металла в межэлектродном промежутке повысить точность обработки деталей.

Рисунок 2.5 — Схема электроэрозионного шлифования

1 – электрод — инструмент; 2 – заготовка; 3 – насадка.

Металлический электрод-инструмент 1 в форме диска совершает вращательное и поступательное движения к заготовке 2 со скоростью . Заготовка может вращаться навстречу или попутно. Жидкость подается поливом из насадка 3. Инструмент чугунный или медный диск. Обработку ведут на постоянном или переменном токе. Используемое напряжение – 10 … 40 В. Метод не обеспечивает высокой точности и низкой шероховатости, но высокопроизводителен вследствие использования больших электрических мощностей.

Данный метод также используется для обработки плоских поверхностей (рисунок 2.6.).

Рисунок 2.6 — Схема электроконтактной обработки плоской поверхности

1 – заготовка; 2 – инструмент; 3 – трансформатор.

Оно включает разделение заготовки на части – отрезание (инструмент – диск или пластина), получение непрямолинейного контура – вырезание, которое выполняется только непрофилированным электродом — инструментом – проволока диаметром 0,02 … 0,3 мм или стержня, которые могут перемещаться в различных направлениях со скоростью υ_u в любой части заготовки. Материал проволоки – латунь, медь, вольфрам, молибден. На рисунке 2.7. дана схема станка для выполнения вырезных работ.

Рисунок 2.7 — Схема копировально- вырезного электроэрозионного станка с ЧПУ

1 – катушка с проволокой; 2 – электропривод натяжения проволоки; 3 – генератор импульсов; 4 – инструмент — проволока; 5 – электропривод подачи проволоки; 6 – электропривод винта продольной подачи стола; 7 – устройство системы ЧПУ; 8 – считывающее устройство и программоноситель; 9 – стол; 10 – электропривод винта поперечной подачи стола.

Для устранения влияния износа электрода — инструмента на точность прорезаемых пазов проволоку или стержень перемещают (обычно перематыванием) вдоль оси с определенной скоростью. Разрезание (вырезание) выполняют в ванне с диэлектрической жидкостью.

4). Электроэрозионное упрочнение, включающее легирование и наращивание поверхности, обычно осуществляют на воздухе. Частицы расплавленного металла инструмента на воздухе не успевают остыть и оседают на поверхности заготовки, образуя на ней слой сплава, насыщенного легирующими элемента электрода-инструмента. Кроме того, нанесенный на заготовку слой закален до высокой твердости и имеет за счет этого повышенную износостойкость.

1. Общее описание процесса

Удаление металла с заготовки происходит в среде диэлектрика за счет микроразрядов, расплавляющих часть металла. Рассмотрим основные стадии протекания электроэрозионного процесса снятия припуска.

По мере сближения электрода-инструмента с заготовкой напряженность (Е) электрического поля возрастает обратно пропорционально расстоянию между электродами:

В/м (2.1)

Где U – разность потенциалов электрода — инструмента и заготовки, В;

S – зазор между электродами, м.

Наибольшая напряженность возникает на участке, где межэлектродный зазор минимален. Зазор зависит от высоты h_в местного или макровыступа на заготовке.

Если электроды сблизить до расстояния нескольких десятков мкм, то напряженность поля в районе выступа будет наибольшей, произойдет пробой межэлектродного промежутка в этой точке, возникает электрический разряд, через промежуток протекает ток, то есть имеет место направленное движение электронов. В электрическом поле, возникшем в межэлектродном зазоре, в направлении, обратном движению электронов, происходит перемещение более тяжелых частиц-ионов. Электроны, имеющие меньшую массу, быстро достигают положительно заряженной поверхности заготовки и нагревают металл, вызывая расплавление и испарение его в месте прохождения тока. В результате образуется углубление в форме сферической лунки радиусом R (рисунок 2.8.).

Рисунок 2.8 — Форма лунки

Вылетевшие из лунки частицы металла охлаждаются жидкостью, которая находится в зазоре, и застывает в виде шариков. В качестве жидкости используют различные диэлектрики: керосин плюс минеральное масло в соотношении 1:1; 1:2; дистиллированную воду. Поверхность приобретает форму с явно выраженными углублениями в виде лунок. Такие лунки формируют микрорельеф, характеризующий шероховатость поверхности. Поверхностный слой дна лунок испытывает воздействие термического цикла нагрева и быстрого охлаждения жидкостью. Свойства этого слоя отличны от свойств металла в глубине заготовки.

В электроискровом режиме большинство ионов, имеющих значительную массу, не успевают достичь отрицательно заряженного электрода и вызвать удаление материала с его поверхности. Съем металла происходит преимущественно с анода, который выбирают в качестве заготовки. Количество и активность ионов, достигающих поверхности инструмента, определяет интенсивность его износа. Очевидно, чем меньше будет износ инструмента, тем точнее можно получить деталь. Для этого стремятся сформировать импульс с меньшей длительностью, чтобы ионы не успевали достичь катода.

Полярность, при которой заготовка является анодом, называется прямой. Если увеличить длительность импульсов тока, то растет интенсивность съема металла с катода (инструмента) потоком ионов. Можно подобрать такое время протекания тока, при котором доля съема металла электронами составит лишь незначительную часть от общего объема удаленного с электродов материала. Поэтому здесь необходимо катодом выбрать заготовку.

Полярность, при которой анодом является инструмент, называется обратной. При электроимпульсном режиме — обратная полярность.

Полярность зависит не только от длительности импульса, но и от используемых в качестве электродов материалов. Для снижения износа инструмента (от воздействия потока электронов) его выполняют из материалов, слабо разрушающихся под действием искровых разрядов: графитовых, медно-графитовых композиций.

Количественной оценкой износа является относительный зазор. Это есть отношение массы (объема) съема металла с инструмента к массе (объему) снятого металла с заготовки.

Первой стадией эрозионного процесса является пробой межэлектродного промежутка в результате образования зоны с высокой напряженностью поля. Для диэлектрических жидкостей … напряженность (Е) поля в момент разряда достигает десятков мегавольт на метр. Под действием разряда происходит ионизация промежутка, через который между электродами начинает протекать электрический ток, то есть образуется канал проводимости — узкая цилиндрическая область, заполненная нагретым веществом (плазмой), содержащим ионы и электроны. Через канал проводимости протекает ток, при этом скорость нарастания его силы может достигать сотен килоампер в секунду. На границах канала происходит плавление металла, образуются лунку сферической формы.

Второй стадией является образование около канала проводимости газового пузыря из паров жидкости и металлов. Вследствие высокого давления (до 2∙10⁷ Па) канал проводимости стремится расшириться, сжимая окружающую его газовую фазу. Граница канала проводимости движется с высокой скоростью в радиальном направлении. Скорость расширения может достигать 150 … 200 м/с. На наружной границе образуется так называемый фронт уплотнения, в котором давление скачкообразно меняется от исходного в жидкости до высокого его значения на границе Р_ф.

Третьей стадией будет прекращение тока, отрыв ударной волны от газового пузыря и продолжение его расширения по инерции. Ударная волна гасится окружающей жидкостью.

Рисунок 2.9 — Схема электрического разряда между электродами

1 – катод; 2 – микропорция металла, выплавленная на поверхности катода; 3 – газовый пузырь; 4 – расплавленные частицы металла; 5 – рабочая жидкость – диэлектрик; 6 – анод.

В начале этой стадии в зазоре (0,01…0,05 мм) находятся жидкий металл 2 в углублениях электродов 1 и 6; газовый пузырь 3, внутри которого имеются пары 4 металлов заготовки и инструмента; жидкий диэлектрик 5. Когда газовый пузырь достигнет наибольшего размера, давление внутри него резко падает. Содержащийся в лунках расплавленный металл вскипает и выбрасывается в межэлектродный промежуток.

Не всякий импульс, вырабатываемый генератором, вызывает эрозию электродов: так как велик зазор; мало напряжение; вынос твердых частиц из зазора затруднен и процесс может прекратиться. (Поэтому в крупногабаритных заготовках применяется принудительное прокачивание диэлектрика).

1. Система очистки и подачи рабочей жидкости в электроэрозионном станке

Для повышения производительности, точности обработки и улучшения поверхности деталей целесообразно осуществлять прокачку рабочей жидкости через межэлектродный промежуток. Для этого предназначена гидравлическая система станка.

Рисунок 2.10 — Схема гидравлической системы станка

1 – бак; 2 – насос; 3 – манометры; 4 – фильтр; 5 – устройство для регулирования расхода рабочей жидкости; 6 – заслонка; 7 – преобразователь; 8 – ротаметр; 9, 10 – краны; 11 – полый электрод — инструмент; 12 – заготовка; 13 – рабочая ванна; 14 – сливное отверстие.

Рабочая среда из бака 1 подается насосом через фильтры 4 и устройство 5 регулирования расхода в рабочую зону. При этом возможны два варианта подачи рабочей среды: либо при открытом кране 9 через полый электрод-инструмент 11 в промежуток с заготовкой 12, либо через кран 10 непосредственно в рабочую ванну 13. Бак 1 состоит из нескольких секций для отстаивания рабочей среды. Секции разделены перегородками, через которые жидкость попадает методом перелива из одной секции в другую. Рабочая ванна 13 является частью силовой схемы станка — от ее жесткости зависит точность обработки деталей. В мелких станках ванна непосредственно крепится на столе, а рабочая жидкость периодически сливается в бак. В крупных станках ванна может подниматься и опускаться. Она всегда заполнена жидкостью.

Есть схемы с введением дополнительной емкости (по принципу сообщающихся сосудов), которая опускается и опорожняет рабочую ванну. Насос 2 чаще центробежного типа. Напор-5…10 м, производительность-2…180 л/мин. Если необходимо высокое давление, то используют шестеренные насосы (Р =0,5…250 МПа).

Фильтры 4 грубой и тонкой очистки стоят последовательно для задержки шлама:

— бумажные по несколько штук в пакете;

— намывные – со вспомогательными фильтрующими веществами – мелкопористые частицы с большой активной поверхностью;

— сетчатые;

— магнитные, центрифуги, сепараторы, гидроциклоны.

Устройство для регулирования расхода 5 рабочей среды. Оно выполнено в виде эжектора. При отведенной заслонке 6 жидкость отсасывается из межэлектродного промежутка, а при закрытой заслонке 6 она прокачивается через зазор. Таким образом, регулируя положение заслонки 6 преобразователем 7, можно изменять расход рабочей среды через межэлектродный зазор.

В настоящее время выпускаются агрегаты снабжения и очистки рабочей среды, cкомпонованные в одном корпусе. Они могут работать в автоматическом режиме по заданной программе или от адаптивной системы.

Введение. Честь открытия новых способов обработки принадлежит русским и советским ученым. Известный русский химик Е.И.Шпитальный в 1911г. разработал процесс электролитического полирования. В 1928 г. В.Н.Гусев применил этот процесс для размерной обработки станин крупных металлорежущих станков. Электролит не прокачивался. Катод-плиту на время убирали и ручным инструментом удаляли слой продуктов растворения. Процесс был трудоемким и медленным. В.Н.Гусев и Л.А.Рожков предложили уменьшить зазор между электродами до десятых долей мм, а электролит принудительно прокачивать через межэлектродный промежуток. Это было рождением нового вида обработки — размерной электрохимической обработки (ЭХО) – за счет анодного растворения металла.

Полученные в годы войны результаты по изучению основных физико-химических закономерностей процессов не утратили своего значения и до сего времени. В 1948г. была создана электрохимическая установка для изготовления отверстий в броневой стали. Тогда же были проведены первые опыты по обработке турбинных лопаток. Значительные успехи в развитии теории и совершенствовании технологии были достигнуты благодаря работам Ю.Н. Петрова, И.И .Мороза, Л.Б. Дмитриева и др. .

Существует несколько основных схем электрохимической обработки.

1). Обработка с неподвижными электродами.

По этой схеме получают местные облегчения в деталях, отверстия в листовых материалах, наносят информацию (порядковые номера, шифры изделий и др.), удаляют заусенцы.

Рисунок 3.1 — Схема обработки с неподвижными электродами

1 – электрод — инструмент; 2 – заготовка; 3 – диэлектрик.

Требуемая форма углубления или отверстия получается за счет нанесения на заготовку 2 слоя диэлектрика 3. Электрод-инструмент 1 не перемещается к обрабатываемой поверхности – межэлектродный зазор по мере съема металла с заготовкой 2 возрастает, а скорость прокачки электролита снижается. Процесс будет неустановившимся с нестационарным по времени режимов обработки.

2). Прошивание углублений, полостей и отверстий.

Рисунок 3.2. — Схема прошивания

1 – электрод-инструмент; 2 – заготовка.

При такой схеме электрод-инструмент 1 имеет одно рабочее движение — поступательное движение со скоростью к детали 2. Межэлектродный зазор (S) — постоянный, т.е. режим стационарный. Электролит прокачивается со скоростью .

По этой схеме изготовляют рабочие полости ковочных штампов, пресс — форм, прошивают отверстия, пазы, перья лопаток турбин, вырезают заготовки различного профиля.

К такой схеме относят и получение отверстий струйным методом.

Рисунок 3.3 — Схема прошивания струйным методом

1 - электрод-инструмент (токопровод); 2 – заготовка;

3 – диэлектрический корпус.

Электрод-инструмент состоит из токопровода 1, омываемого потоком электролита. Токопровод находится внутри корпуса 3 из диэлектрика. Электролит создает токопроводящий канал между токопроводом 1 и заготовкой 2.

В месте контакта жидкости с обрабатываемой поверхностью материал заготовки растворяется и образуется углубление. Процесс идет достаточно быстро только при высоких напряжениях (до нескольких сотен вольт). Так получают отверстия диаметром 1,5…2,0 мм и вырезают контуры деталей сложной формы.

3). Точение наружных и внутренних поверхностей.

Рисунок 3.4 — Схема точения наружных поверхностей

1 – электрод-инструмент; 2 – заготовка.

По такой схеме электрод-инструмент 1 выполняет роль резца, без контакта. В зазор S прокачивается электролит со скоростью _. При точении внутренней поверхности электрод-инструмент 1 перемещается вдоль заготовки 2 со скоростью .

Межэлектродный зазор S может поддерживаться диэлектрическими прокладками 3.

Рисунок 3.5 — Схема точения внутренних поверхностей

1 – электрод — инструмент; 2 – заготовка; 3 – прокладки диэлектрические.

4). Протягивание наружных и внутренних поверхностей в заготовках

Заготовки должны иметь предварительно обработанные поверхности, по которым можно базировать электрод-инструмент. Его устанавливают относительно заготовки с помощью диэлектрических прокладок. Электрод-инструмент продольно перемещается (иногда вращается).

По такой схеме выполняют чистовую обработку цилиндрических отверстий, нарезание резьбы, шлицев, винтовых канавок.

5). Разрезание заготовок

При разрезании заготовок используется профилированный инструмент (вращающийся диск) или непрофилированный-проволока.

Рисунок 3.6 — Схема разрезания профилированным инструментом

1 – электрод — инструмент (диск); 2 – заготовка.

При этой схеме зазор между инструментом-электродом и заготовкой должен быть постоянным.

Для выполнения в заготовках различных фигурных пазов, щелей особенно в нежестких материалах применяется непрофилированный инструмент-электрод в виде проволоки из латуни, меди или вольфрама.

Рисунок 3.7 — Схема разрезания непрофилированным инструментом

1 – инструмент — электрод (проволока); 2 – заготовка.

Для устранения влияния износа проволоки на точность обработки проволока непрерывно перематывается с катушки на катушку, что позволяет участвовать в работе все новым ее элементам.

6). Шлифование

При этом используется вращающийся металлический инструмент цилиндрической формы, который поступательно движется вдоль заготовки 2 со скоростью .

Рисунок 3.8 — Схема шлифования

1 – электрод — инструмент; 2 – заготовка.

Это окончательная операция при изготовлении пакетов пластин из магнитомягких материалов, когда при обработке недопустимы механические усилия, а также для изготовления деталей из вязких и прочных сплавов.

Законы электролиза М.Фарадея

Майкл Фарадей (1791 — 1867 г.г.)-английский физик, основоположник учения об электромагнитном поле. В 1831 г. он выявил законы электромагнитной индукции, а в 1833…1834 г.г. установил законы электролиза.

При ЭХО образующиеся при подключении обрабатываемой детали к положительному полюсу источника питания, положительно заряженные ионы металла отводятся от поверхности анода под действием электрического поля.

Электрическая ячейка состоит в основном из двух не контактирующих электродов, погруженных в электролит, между которыми имеется разность потенциалов.

Если условия электролиза выбраны правильно, прохождение тока через ячейку приводит к растворению материала анода со скоростью, определяемой согласно первому закону Фарадея:

— количество вещества, осажденного или растворенного при электролизе, пропорционально количеству пропущенного электричества

m=Q , г (3.1)

где m — масса материала, растворенного с анода, г;

— коэффициент пропорциональности (электрохимический эквивалент);

Q — количество электричества, пропущенное через электролит Кл (А∙с).

При использовании постоянного тока количество электричества находится из зависимости:

Q =

где I – сила тока, А;

– время его прохождения, с.

Тогда зависимость (3.1.) можно записать в виде

m = , г (3.2)

Электрохимический эквивалент () находится следующим образом

= , г/А∙с

где А — атомная масса элемента;

n — валентность металла;

F — число Фарадея, равное 96500 (это количество электричества, необходимое для растворения 1 грамма – эквивалента металла), Кл/г — экв. или 26,8 А∙ч/г-экв .

Числовые значения для различных элементов приводятся в справочных материалах.

Электрохимический эквивалент любого сплава можно найти через эквиваленты входящих в него элементов и через массовое содержание в % элемента k_i в сплаве.

(3.3)

Количества различных веществ, осажденных или растворенных одинаковым количеством электричества, пропорциональны их химическим эквивалентам.

Объединенный закон Фарадея гласит, что масса материала в граммах (m), осажденного или растворенного на электроде, пропорциональна произведению . Таким образом, обобщенный закон Фарадея можно записать так

m = I/26,8 ,г (3.4)

где — время протекания тока, ч.

Поскольку каждый компонент сплава имеет свой электрохимический эквивалент, то соответственно и свою скорость анодного растворения.

Для практических целей необходимо знать скорость линейного растворения, которая позволяет найти скорость подачи инструмента при изготовлении деталей.

Из уравнения (3.1) m = массу материала, растворенного с анода, можно записать через площадь обрабатываемого участка S и перемещение электрода — инструмента к детали:

m = , г. (3.5)

где — плотность материала, г/см³.

Силу тока можно выразить через площадь участка S и плотность тока j.

I=S∙j

Тогда уравнение (3.2) примет вид

, г. (3.6)

Если левую и правую части выражения (3.6) разделить на время , то отношение называется скоростью линейного растворения материала анода:

;

Таким образом , см/с (3.7)

Плотность тока j по закону Ома мажет быть выражена через напряжение U и удельную проводимость, без учета потерь напряжения на электродах и в токоподводящих цепях.

, А/см² (3.8) где — ход электрода, см.

С учетом формул (3.7) и (3.8) закон анодного растворения может быть записан в следующем виде:

, см³/с (3.9)

Если зазор не изменяется в процессе анодного растворения, то режим ЭХО стационарный. В формуле (3.9) учитывается действие только электрического поля. Не учитываются гидродинамические факторы, а именно принудительное удаление продуктов обработки принудительной прокачкой электролита.

Масса металла, растворимого с анода получается меньше, чем по формуле (3.2) закона Фарадея, так как количество электричества тратится на:

— побочные реакции на электродах; образование газов; вторичные реакции.

Эти потери учитываются коэффициентом — выходом по току, поэтому

, см³/c (3.10)

— зависит от плотности тока, материала заготовки, скорости прокачки, температуры и степени защелоченности электролита.

Электролит — хлорид натрия:

— для конструкционных и низколегированных сталей ;

— для жаропрочных сплавов ;

— для титановых сплавов ;

Электролит-нитрат натрия:

— для большинства сталей ;

— для алюминиевых сплавов ;

Для нормального протекания электрохимических реакций необходимо обеспечить интенсивный вынос продуктов обработки из межэлектродного промежутка (из зазора), поэтому электролит должен иметь определенную скорость.

Электролит может иметь ламинарный или турбулентный характер течения. Вынос продуктов при турбулентном течении – быстрее! Однако расчет ламинарного потока значительно проще, поэтому в технологических расчетах принимают течение ламинарным!

От состава электролита зависят его электропроводность и скорость растворения металла. Для получения высоких технологических показателей процесса необходимо, чтобы:

а) в электролите не протекали вовсе или протекали в минимальном количестве побочные реакции, снижающие выход по току;

б) растворение заготовки происходило только в зоне обработки;

в) на всех участках обрабатываемой поверхности протекал расчетный ток.

Таких универсальных электролитов не существует, поэтому при подборе состава электролита приходится в первую очередь учитывать те требования, которые являются определяющими для выполнения данной операции.

Для увеличения скорости растворения берут электролиты с большей удельной проводимостью, а для повышения точности лучше использовать электролит с пониженной проводимостью.

Электролиты подбирают в зависимости от обрабатываемого материала.

Требования при подборе электролита:

1) Содержащиеся в водном растворе электролита анионы (« — » — заряженные ионы) и катионы («+» — заряженные ионы) должны хорошо диссоциировать (разъединяться) при любых комбинациях.

2) Потенциал материала электрода — инструмента был более положительным, чем потенциал осаждения катионов. Это препятствует осаждению металлических катионов на электрод- инструмент.

Данное условие выполняется, если катионы электролита обладают большим отрицательным стандартным потенциалом.*

(* это потенциал, измеренный относительно нормального водородного электрода, на поверхности которого в стандартных условиях протекает обратимая реакция e).

3) Наличие в электролите активирующих анионов, разрушающих под действием тока поверхностные оксидные пленки. Это обеспечивает преимущественное протекание на аноде реакции растворения и высокую производительность.

4) Необходимо, чтобы сродство компонентов обрабатываемого сплава к анионам электролита и их сродство к кислороду были близки между собой. Это обеспечивает избирательность растворения сплава, высокое качество поверхности и точность обработки.

5) Соответствие концентрации анионов, имеющих близкое сродство к тому или иному компоненту обрабатываемого сплава, содержанию этого компонента в сплаве. Это позволяет достичь равномерного анодного растворения всей поверхности заготовки.

6) Обеспечение в ходе реакций в электролите перехода продуктов реакции анодного растворения в нерастворимое состояние. Это дает возможность постоянно удалять продукты обработки из раствора (например, отстоем, фильтрованием, центрифугированием) и поддерживать требуемый состав электролита.

7) Необходимо, чтобы электролит обладал невысокой вязкостью для облегчения прокачки и ускорения процессов тепло – и массопереноса в зазоре.

8) Электролит должен обладать невысокой коррозионной активностью к оборудованию, быть безвредным для здоровья, пожаро-и взрывобезопасным.

В качестве электролитов наиболее часто используют растворы неорганических солей: хлориды (калия хлорид); нитраты (азотнокислые соли, производные азотной кислоты – HNO₃ (калийная селитра KNO₃); сульфаты натрия и калия – соли серной кислоты.

В растворы могут вводиться добавки:

— буферные вещества для снижения защелачивания электролита (борная, лимонная, соляная кислоты);

— ингибиторы (от латинского – удерживаю) коррозии (нитрит натрия); производные азотистой кислоты – HNO₂;

— активирующие вещества, которые снижают пассивирующее действие оксидной пленки;

— поверхностно — активные вещества для снижения гидравлических потерь и устранения кавитации (моющая жидкость ОП — 7);

— коагуляторы – ускорители осаждения продуктов обработки (1…5 г/л полиакриламида).

Чаще используются следующие электролиты: 8…18% растворы хлорида натрия (NaCl) и 15…20% растворы нитрата натрия (Na₂SO₄).

Для каждого электролита удельная проводимость может быть самой различной в зависимости от его состава, концентрации, температуры.

Для хлорида натрия наибольшая удельная проводимость при концентрации – 250 г/л, а для нитрата натрия – 210 г/л.

С увеличением концентрации электролита удельная проводимость растет, достигает максимума, а затем снижается, так как сильнее проявляется взаимное притяжение ионов, которое снижает их подвижность и возможность переноса зарядов.

С повышением температуры возрастает подвижность ионов и растет удельная проводимость

, 1/ом∙см (3.1)

где — удельная электропроводность электролита при 18^°С, 1/ом∙см;

— температурный коэффициент сопротивления (=0,0225);

Т – фактическая температура электролита, °С.

В процессе ЭХО раствор необходимо подкислять до получения нейтрального состояния. Температура в помещении должна быть постоянной.

В результате реакции на обрабатываемой поверхности заготовки образуются продукты обработки, в том числе нерастворимые гидроксиды. Их концентрация в районе протекания анодного растворения в начальный момент превышает концентрацию в электролите. Количество продуктов будет зависеть от скорости анодного растворения.

(3.10)

Если электролит протекает со скоростью ниже некоторого критического значения (менее 1…2 м/с), то он не успевает вынести из зазора все продукты обработки и скорость анодного растворения через некоторое время после начала процесса снижается.

Поэтому в каждый момент времени требуется обеспечить условие

(3.12)

Превышение скорости выноса частиц () над скоростью их образования должно быть незначительным, иначе неоправданно увеличится мощность насосов для перекачки электролита.

Для каждого режима обработки должна быть своя скорость потока. Скорость растворения металла на разных участках различна, поэтому расчет ведут по максимальной скорости. Для нее определяют скорость электролита и находят требуемые напор и подачу насоса.

Средняя скорость электролита может изменяться в широких пределах (=5…40 м/с).

При таких скоростях критерий Рейнольдса Re может быть больше критического значения (Re2300). Тогда поток жидкости будет турбулентным и рассчитанные скорости течения будут несколько завышенными.

Если длина участка по направлению потока электролита достаточно велика, то необходимо, чтобы температура электролита в зазоре оставалась постоянной. Это позволяет поддерживать расчетную удельную проводимость, определяющую точность обработки и другие технологические показатели процесса.

Вся теплота при анодном растворении заготовки переходит в раствор, а нагрев за счет гидравлических потерь пренебрежимо мало. Тогда можно приравнять количество теплоты, выделившейся по закону Джоуля – Ленца при прохождении тока, количеству теплоты, перешедшей в электролит

I, Дж (3.13)

где С – удельная теплоемкость электролита, Дж/кг;