Вольфрам — Википедия
| Вольфрам | |
|---|---|
| ← Тантал | Рений → | |
| Тугоплавкий прочный металл, стального цвета или белый | |
 | |
| Название, символ, номер | Вольфра́м / Wolframium (W), 74 |
| Атомная масса (молярная масса) | 183,84(1)[1] а. е. м. (г/моль) |
| Электронная конфигурация | [Xe] 4f14 5d4 6s2 |
| Радиус атома | 141 пм |
| Ковалентный радиус | 170 пм |
| Радиус иона | (+6e) 62 (+4e) 70 пм |
| Электроотрицательность | 2,3 (шкала Полинга) |
| Электродный потенциал | W ← W3+ 0,11 В W ← W6+ 0,68 В |
| Степени окисления | 6, 5, 4, 3, 2, 0 |
| Энергия ионизации (первый электрон) | 769,7 (7,98) кДж/моль (эВ) |
| Плотность (при н. у.) | 19,25[2] г/см³ |
| Температура плавления | 3695 K (3422 °C, 6192 °F)[2] |
| Температура кипения | 5828 K (5555 °C, 10031 °F)[2] |
| Уд. теплота плавления | 285,3 кДж/кг 52,31[3][4] кДж/моль |
| Уд. теплота испарения | 4482 кДж/кг 824 кДж/моль |
| Молярная теплоёмкость | 24,27[5] Дж/(K·моль) |
| Молярный объём | 9,53 см³/моль |
| Структура решётки | кубическая объёмноцентрированная |
| Параметры решётки | 3,160 Å |
| Температура Дебая | 310 K |
| Теплопроводность | (300 K) 162,8[6] Вт/(м·К) |
| Номер CAS | 7440-33-7 |
| 74 | Вольфрам |
| 4f145d | |
Вольфра́м — химический элемент с атомным номером 74 в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, обозначается символом W (лат. Wolframium). При нормальных условиях представляет собой твёрдый блестящий серебристо-серый переходный металл[5].
Вольфрам — самый тугоплавкий из металлов. Более высокую температуру плавления имеет только неметаллический элемент — углерод, но он существует в жидком виде только при высоких давлениях. При стандартных условиях вольфрам химически стоек.
Название Wolframium перешло на элемент с минерала вольфрамит, известного ещё в XVI в. под названием «волчья пена» — лат. spuma lupi или нем. Wolf Rahm
В английском и французском языках вольфрам называется tungsten (от швед. tung sten — «тяжёлый камень»). В 1781 году знаменитый шведский химик Карл Шееле, обрабатывая азотной кислотой минерал шеелит, получил жёлтый «тяжёлый камень» (триоксид вольфрама)[источник не указан 2551 день]. В 1783 году испанские химики братья Элюар сообщили о получении из саксонского минерала вольфрамита как растворимой в аммиаке жёлтой окиси нового металла, так и самого металла
Кларк вольфрама земной коры составляет (по Виноградову) 1,3 г/т (0,00013 % по содержанию в земной коре). Его среднее содержание в горных породах, г/т: ультраосновных — 0,1, основных — 0,7, средних — 1,2, кислых — 1,9.
Вольфрам встречается в природе главным образом в виде окисленных сложных соединений, образованных трёхокисью вольфрама WO3 с оксидами железа и марганца или кальция, а иногда свинца, меди, тория и редкоземельных элементов. Промышленное значение имеют вольфрамит (вольфрамат железа и марганца
Месторождения[править | править код]
Наиболее крупными запасами обладают Казахстан, Китай, Канада и США; известны также месторождения в Боливии, Португалии, России, Узбекистане и Южной Корее. Мировое производство вольфрама составляет 49—50 тысяч тонн в год, в том числе в Китае 41, России 3,5; Казахстане 0,7, Австрии 0,5. Основные экспортёры вольфрама: Китай, Южная Корея, Австрия. Главные импортёры: США, Япония, Германия, Великобритания.
Также есть месторождения вольфрама в Армении и других странах.
Вольфрамовый порошокПроцесс получения вольфрама проходит через подстадию выделения триоксида WO3 из рудных концентратов и последующем восстановлении до металлического порошка водородом при температуре ок. 700 °C. Из-за высокой температуры плавления вольфрама для получения компактной формы используются методы порошковой металлургии: полученный порошок прессуют, спекают в атмосфере водорода при температуре 1200—1300 °C, затем пропускают через него электрический ток. Металл нагревается до 3000 °C, при этом происходит спекание в монолитный материал. Для последующей очистки и получения монокристаллической формы используется зонная плавка.
Вольфрам — блестящий светло-серый металл, имеющий самые высокие доказанные температуры плавления и кипения (предполагается, что сиборгий ещё более тугоплавок, но пока что об этом твёрдо утверждать нельзя — время существования сиборгия очень мало). Температура плавления — 3695 K (3422 °C), кипит при 5828 K (5555 °C)[2]. Плотность чистого вольфрама составляет 19,25 г/см³[2]. Обладает парамагнитными свойствами (магнитная восприимчивость 0,32⋅10−9). Твёрдость по Бринеллю 488 кг/мм², удельное электрическое сопротивление при 20 °C — 55⋅10
Вольфрам является одним из наиболее тяжёлых, твёрдых и самых тугоплавких металлов[5]. В чистом виде представляет собой металл серебристо-белого цвета, похожий на платину, при температуре около 1600 °C хорошо поддаётся ковке и может быть вытянут в тонкую нить. Металл обладает высокой устойчивостью в вакууме[8].
Проявляет валентность от 2 до 6. Наиболее устойчив 6-валентный вольфрам. 3- и 2-валентные соединения вольфрама неустойчивы и практического значения не имеют.
Вольфрам имеет высокую коррозионную стойкость: при комнатной температуре не изменяется на воздухе; при температуре красного каления медленно окисляется в оксид вольфрама (VI). Вольфрам в ряду напряжений стоит сразу после водорода, и в соляной, разбавленной серной и плавиковой кислотах почти нерастворим. В азотной кислоте и царской водке окисляется с поверхности. Растворяется в перекиси водорода.
Легко растворяется в смеси азотной и плавиковой кислот[9]:
- 2W+4HNO3+10HF⟶WF6+WOF4+4NO↑+7h3O{\displaystyle {\mathsf {2W+4HNO_{3}+10HF\longrightarrow WF_{6}+WOF_{4}+4NO\uparrow +7H_{2}O}}}
Реагирует с расплавленными щелочами в присутствии окислителей[10]:
- 2W+4NaOH+3O2⟶2Na2WO4+2h3O{\displaystyle {\mathsf {2W+4NaOH+3O_{2}\longrightarrow 2Na_{2}WO_{4}+2H_{2}O}}}
- W+2NaOH+3NaNO3⟶Na2WO4+3NaNO2+h3O{\displaystyle {\mathsf {W+2NaOH+3NaNO_{3}\longrightarrow Na_{2}WO_{4}+3NaNO_{2}+H_{2}O}}}
Поначалу данные реакции идут медленно, однако при достижении 400 °C (500 °C для реакции с участием кислорода) вольфрам начинает саморазогреваться, и реакция протекает достаточно бурно, с образованием большого количества тепла.
Растворяется в смеси азотной и плавиковой кислоты, образуя гексафторвольфрамовую кислоту H2[WF6]. Из соединений вольфрама наибольшее значение имеют: триоксид вольфрама или вольфрамовый ангидрид, вольфраматы, перекисные соединения с общей формулой Me2WOX, а также соединения с галогенами, серой и углеродом. Вольфраматы склонны к образованию полимерных анионов, в том числе гетерополисоединений с включением других переходных металлов.
Главное применение вольфрама — как основа тугоплавких материалов в металлургии.
Металлический вольфрам[править | править код]
Нить накаливания- Тугоплавкость и пластичность вольфрама делают его незаменимым для нитей накаливания в осветительных приборах, а также в кинескопах и других вакуумных трубках.
- Благодаря высокой плотности вольфрам является основой тяжёлых сплавов, которые используются для противовесов, бронебойных сердечников подкалиберных и стреловидных оперенных снарядов артиллерийских орудий, сердечников бронебойных пуль и сверхскоростных роторов гироскопов для стабилизации полёта баллистических ракет (до 180 тыс. об/мин).
- Вольфрам используют в качестве электродов для аргонно-дуговой сварки.
- Сплавы вольфрама, ввиду его высокой температуры плавления, получают методом порошковой металлургии. Сплавы, содержащие вольфрам, отличаются жаропрочностью, кислотостойкостью, твердостью и устойчивостью к истиранию. Из них изготовляют хирургические инструменты (сплав «амалой»), танковую броню, оболочки торпед и снарядов, наиболее важные детали самолетов и двигателей, контейнеры для хранения радиоактивных веществ. Вольфрам — важный компонент лучших марок инструментальных сталей.
- Вольфрам применяется в высокотемпературных вакуумных печах сопротивления в качестве нагревательных элементов. Сплав вольфрама и рения применяется в таких печах в качестве термопары.
- Высокая плотность вольфрама делает его удобным для защиты от ионизирующего излучения. Несмотря на бо́льшую плотность по сравнению с традиционным и более дешёвым свинцом, защита из вольфрама оказывается менее тяжёлой при равных защитных свойствах[11] или более эффективной при равном весе[12]. Из-за тугоплавкости и твёрдости вольфрама, затрудняющих его обработку, в таких случаях используются более пластичные сплавы вольфрама с добавлением никеля, железа, меди и др.[13] либо взвесь порошкообразного вольфрама (или его соединений) в полимерной основе[14].
Соединения вольфрама[править | править код]
- Для механической обработки металлов и неметаллических конструкционных материалов в машиностроении (точение, фрезерование, строгание, долбление), бурения скважин, в горнодобывающей промышленности широко используются твёрдые сплавы и композитные материалы на основе карбида вольфрама (например, победит, состоящий из кристаллов WC в кобальтовой матрице; широко применяемые в России марки — ВК2, ВК4, ВК6, ВК8, ВК15, ВК25, Т5К10, Т15К6, Т30К4), а также смесей карбида вольфрама, карбида титана, карбида тантала (марки ТТ для особо тяжёлых условий обработки, например, долбление и строгание поковок из жаропрочных сталей и перфораторное ударно-поворотное бурение крепкого материала). Широко используется в качестве легирующего элемента (часто совместно с молибденом) в сталях и сплавах на основе железа. Высоколегированная сталь, относящаяся к классу «быстрорежущая», с маркировкой, начинающейся на букву Р, практически всегда содержит вольфрам.
- Сульфид вольфрама WS2 применяется как высокотемпературная (до 500 °C) смазка.
Другие сферы применения[править | править код]
Искусственный радионуклид 185W используется в качестве радиоактивной метки при исследованиях вещества. Стабильный 184W используется как компонент сплавов с ураном-235, применяемых в твердофазных ядерных ракетных двигателях, поскольку это единственный из распространённых изотопов вольфрама, имеющий низкое сечение захвата тепловых нейтронов (около 2 барн).
Рынок вольфрама[15][править | править код]
Цены на металлический вольфрам (содержание элемента порядка 99 %) на конец 2010 года составляли около 40—42 долларов США за килограмм, в мае 2011 года составляли около 53—55 долларов США за килограмм. Полуфабрикаты от 58 USD (прутки) до 168 (тонкая полоса). В 2014 году цены на вольфрам колебались в диапазоне от 55 до 57 USD.
Вольфрам не играет значительной биологической роли. У некоторых архебактерий и бактерий имеются ферменты, включающие вольфрам в своем активном центре. Существуют облигатно-зависимые от вольфрама формы архебактерий-гипертермофилов, обитающие вокруг глубоководных гидротермальных источников. Присутствие вольфрама в составе ферментов может рассматриваться как физиологический реликт раннего архея — существуют предположения, что вольфрам играл роль в ранних этапах возникновения жизни[16].
Пыль вольфрама, как и большинство других видов металлической пыли, раздражает органы дыхания.
Известны изотопы вольфрама с массовыми числами от 158 до 192 (количество протонов 74, нейтронов от 84 до 118), и более 10 ядерных изомеров.[17]
Природный вольфрам состоит из смеси пяти изотопов (180W — 0,12(1)%, 182W — 26,50(16) %, 183W — 14,31(4) %, 184W — 30,64(2) % и 186W — 28,43(19) %)[17]. В 2003 открыта[18] чрезвычайно слабая радиоактивность природного вольфрама (примерно два распада на грамм элемента в год), обусловленная α-активностью 180W, имеющего период полураспада 1,8⋅1018 лет[19].
- ↑ Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Vol. 85, no. 5. — P. 1047—1078. — DOI:10.1351/PAC-REP-13-03-02.
- ↑ 1 2 3 4 5 Tungsten: physical properties (англ.). WebElements. Дата обращения 17 августа 2013.
- ↑ CRC Handbook of Chemistry and Physics / D. R. Lide (Ed.). — 90th edition. — CRC Press; Taylor and Francis, 2009. — P. 6-134. — 2828 p. — ISBN 1420090844.
- ↑ См. обзор измерений в: Tolias P. (2017), «Analytical expressions for thermophysical properties of solid and liquid tungsten relevant for fusion applications», arΧiv:1703.06302
- ↑ 1 2 3 4 Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.). Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 418. — 623 с. — 100 000 экз.
- ↑ Теплофизические свойства вольфрама
- ↑ Большая советская энциклопедия Гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Сов. энцикл., 1969 – 1978
- ↑ Титан — металл будущего (рус.).
- ↑ Рипан Р., Четяну И. Неорганическая химия. Химия металлов. — М.: Мир, 1972. — Т. 2. — С. 347.
- ↑ Рипан Р., Четяну И. Неорганическая химия. Химия металлов. — М.: Мир, 1972. — Т. 2. — С. 348.
- ↑ Brian Wheeler. Tungsten Shielding Helps at Fukushima Daiichi (неопр.). Power Engineering Magazine (1 июля 2011).
- ↑ Murata Taisuke, Miwa Kenta, Matsubayashi Fumiyasu, Wagatsuma Kei, Akimoto Kenta, Fujibuchi Toshioh, Miyaji Noriaki, Takiguchi Tomohiro, Sasaki Masayuki, Koizumi Mitsuru. Optimal radiation shielding for beta and bremsstrahlung radiation emitted by 89Sr and 90Y: validation by empirical approach and Monte Carlo simulations // Annals of Nuclear Medicine. — 2014. — 10 мая (т. 28, № 7). — С. 617—622. — ISSN 0914-7187. — DOI:10.1007/s12149-014-0853-6. [исправить]
- ↑ Kobayashi S., Hosoda N., Takashima R. Tungsten alloys as radiation protection materials // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. — 1997. — Май (т. 390, № 3). — С. 426—430. — ISSN 0168-9002. — DOI:10.1016/S0168-9002(97)00392-6. [исправить]
- ↑ Soylu H. M., Yurt Lambrecht F., Ersöz O. A. Gamma radiation shielding efficiency of a new lead-free composite material // Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. — 2015. — 17 марта (т. 305, № 2). — С. 529—534. — ISSN 0236-5731. — DOI:10.1007/s10967-015-4051-3. [исправить]
- ↑ по данным «Цены на вольфрам»
- ↑ Федонкин М. А. Сужение геохимического базиса жизни и эвкариотизация биосферы: причинная связь // Палеонтологический журнал. — 2003. — № 6. — С. 33—40
- ↑ 1 2 Audi G., Kondev F. G., Wang M., Huang W. J., Naimi S. The Nubase2016 evaluation of nuclear properties (англ.) // Chinese Physics C. — 2017. — Vol. 41, iss. 3. — P. 030001-1—030001-138. — DOI:10.1088/1674-1137/41/3/030001. — Bibcode: 2017ChPhC..41c0001A.
- ↑ F. A. Danevich et al. α activity of natural tungsten isotopes (англ.) // Phys. Rev. C : journal. — 2003. — Vol. 67. — P. 014310. — DOI:10.1103/PhysRevC.67.014310.
- ↑ C. Cozzini et al. Detection of the natural α decay of tungsten (англ.) // Phys. Rev. C : journal. — 2004. — Vol. 70. — P. 064606. — DOI:10.1103/PhysRevC.70.064606.
| Электрическое сопротивление — это одна из самых важных характеристик нихрома. Оно определяется многими факторами, в частности электрическое сопротивление нихрома зависит от размеров проволоки или ленты, марки сплава. Общая формула для активного сопротивления имеет вид: R = ρ · l / S R — активное электрическое сопротивление (Ом), ρ — удельное электрическое сопротивление (Ом·мм), l — длина проводника (м), S — площадь сечения (мм2)
Чтобы рационализировать эту работу при использовании нихромовой спирали на напряжение 220 В, предлагаю воспользоваться данными приведенными в таблице, из расчета, что удельное сопротивление нихрома =(Ом · мм2 / м)C. С ее помощью можно быстро определить длину намотки виток к витку в зависимости от толщины нихромового провода и диаметра стержня, на который наматывается нихромовая спираль. Пересчитать длину спирали из нихрома на другое напряжение нетрудно, использовав простую математическую пропорцию.
Например, требуется определить длину нихромовой спирали на напряжение 380 В из провода толщиной 0,3 мм, стержень для намотки Ø 4 мм. Из таблицы видно, что длина такой спирали на напряжение 220 В будет равна 22 см. Составим простое соотношение: 220 В — 22 см380 В — Х см тогда: X = 380 · 22 / 220 = 38 см Намотав нихромовую спираль, подключите ее, не обрезая, к источнику напряжения и убедитесь в правильности намотки. У закрытых спиралей длину намотки увеличивают на 1/3 значения, приведенного в таблице. В данной таблице приведена теоретическая масса 1 метра нихромовой проволоки и ленты. Она изменяется в зависимости от размеров продукции.
| |||||||||||||||
Удельное сопротивление (при 20° C)
| Вещество | Уровень удельного сопротивления, мкОм • мм2/м |
|---|---|
| Алюминий | 0,028 |
| Вольфрам | 0,055 |
| Железо | 0,098 |
| Золото | 0,023 |
| Константан | 0,44−0,52 |
| Латунь | 0,025−0,06 |
| Манганин | 0,42−0,48 |
| Медь | 0,0175 |
| Молибден | 0,057 |
| Никелин | 0,39−0,45 |
| Никель | 0,100 |
| Олово | 0,115 |
| Ртуть | 0,958 |
| Свинец | 0,221 |
| Серебро | 0,016 |
| Тантал | 0,155 |
| Фехраль | 1,1−1,3 |
| Хром | 0,027 |
| Цинк | 0,059 |
| Вещество | К | Вещество | К |
|---|---|---|---|
| Алюминий | 0,0042 | Олово | 0,0042 |
| Вольфрам | 0,0048 | Платина | 0,004 |
| Константан | 0,2 | Ртуть | 0,0009 |
| Латунь | 0,001 | Свинец | 0,004 |
| Медь | 0,0043 | Серебро | 0,0036 |
| Манганин | 0,3 | Сталь | 0,006 |
| Молибден | 0,0033 | Тантал | 0,0031 |
| Никель | 0,005 | Хром | 0,006 |
| Никелин | 0,0001 | Фехраль | 0,0002 |
| Нихром | 0,0001 | Цинк | 0,004 |
Сплавы сопротивления
- Константан (58,8 Cu, 40 Ni, 1,2 Mn)
- Манганин (85 Cu, 12 Mn, 3 Ni)
- Нейзильбер (65 Cu, 20 Zn, 15 Ni)
- Никелин (54 Cu, 20 Zn, 26 Ni)
- Нихром (67,5 Ni, 15 Cr, 16 Fe, 1,5 Mn)
- Реонат (84Cu, 12Mn, 4 Zn)
- Фехраль (80 Fe, 14 Cr, 6 Al)
Удельное сопротивление нихрома
Рассмотрим электронную теорию данного явления. При движении по проводнику свободные электроны постоянно встречают на своем пути другие электроны и атомы. Взаимодействуя с ними, свободный электрон теряет часть своего заряда. Таким образом, электроны сталкиваются с сопротивлением со стороны материала проводника. Каждое тело имеет свою атомную структуру, которая оказывает электрическому току разное сопротивление. Единицей сопротивления принято считать Ом.
Сопротивление каждого отдельно взятого проводника (обозначается R или r.) зависит от свойств материала, из которого он изготовлен. Для точной характеристики электрического сопротивления того или иного материала было введено понятие — удельное сопротивление (нихрома, алюминия и т. д.). Удельным считается сопротивление проводника длиной до 1 м, сечение которого — 1 кв. мм. Этот показатель обозначается буквой p. Каждый материал, использующийся в производстве проводника, обладает своим удельным сопротивлением. Для примера рассмотрим удельное сопротивление нихрома и фехрали.
- Х15Н60 — 1.13 Ом* мм2/м
- Х23Ю5Т — 1.39 Ом* мм2/м
- Х20Н80 — 1.12 Ом* мм2/м
- ХН70Ю — 1.30 Ом* мм2/м
- ХН20ЮС — 1.02 Ом* мм2/м
Применение
Высокий уровень удельное сопротивления нихрома, фехрали позволяет использовать эти материалы в произвгоодстве нагревательных элементов. Самая распространенная продукция — нихромовая нить, лента, полоса Х15Н60 и Х20Н80, а также фехралевая проволока Х23Ю5Т. для приборов теплового действия, бытовых приборов и электронагревательных элементов промышленных печей.
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Удельное сопротивление и сверхпроводимость
Публикации по материалам Д. Джанколи. «Физика в двух томах» 1984 г. Том 2.
На опыте установлено, что сопротивление R металлического проводника прямо пропорционально его длине L и обратно пропорционально площади его поперечного сечения А:
R = ρL/А (26.4)
где коэффициент ρ называется удельным сопротивлением и служит характеристикой вещества, из которого изготовлен проводник. Это соответствует здравому смыслу: сопротивление толстого провода должно быть меньше, чем тонкого, поскольку в толстом проводе электроны могут перемещаться по большей площади. И можно ожидать роста сопротивления с увеличением длины проводника, так как увеличивается количество препятствий на пути потока электронов.
Типичные значения ρ для разных материалов приведены в первом столбце табл. 26.2. (Реальные значения зависят от чистоты вещества, термической обработки, температуры и других факторов.)
|
Таблица 26.2. Удельное сопротивление и температурный коэффициент сопротивления (ТКС) (при 20 °С) |
||
| Вещество | Удельное сопротивление ρ,Ом·м | ТКС α,°C-1 |
| Проводники | ||
| Серебро | 1,59·10-8 | 0,0061 |
| Медь | 1,68·10-8 | 0,0068 |
| Алюминий | 2,65·10-8 | 0,00429 |
| Вольфрам | 5,6·10-8 | 0,0045 |
| Железо | 9,71·10-8 | 0,00651 |
| Платина | 10,6·10-8 | 0,003927 |
| Ртуть | 98·10-8 | 0,0009 |
| Нихром (сплав Ni, Fe, Сг) | 100·10-8 | 0,0004 |
| Полупроводники 1) | ||
| Углерод (графит) | (3-60)·10-5 | -0,0005 |
| Германий | (1-500)·10-5 | -0,05 |
| Кремний | 0,1 — 60 | -0,07 |
| Диэлектрики | ||
| Стекло | 109 — 1012 | |
| Резина твердая | 1013 — 1015 | |
| 1) Реальные значения сильно зависят от наличия даже малого количества примесей. | ||
Самым низким удельным сопротивлением обладает серебро, которое оказывается, таким образом, наилучшим проводником; однако оно дорого. Немногим уступает серебру медь; ясно, почему провода чаще всего изготовляют из меди.
Удельное сопротивление алюминия выше, чем у меди, однако он имеет гораздо меньшую плотность, и в некоторых случаях ему отдают предпочтение (например, в линиях электропередач), поскольку сопротивление проводов из алюминия той же массы оказывается меньше, чем у медных. Часто пользуются величиной, обратной удельному сопротивлению:
σ = 1/ρ (26.5)
σ называемой удельной проводимостью. Удельная проводимость измеряется в единицах (Ом·м) -1.
Удельное сопротивление вещества зависит от температуры. Как правило, сопротивление металлов возрастает с температурой. Этому не следует удивляться: с повышением температуры атомы движутся быстрее, их расположение становится менее упорядоченным, и можно ожидать, что они будут сильнее мешать движению потока электронов. В узких диапазонах изменения температуры удельное сопротивление металла увеличивается с температурой практически линейно:
где ρT — удельное сопротивление при температуре Т, ρ0 — удельное сопротивление при стандартной температуре Т0, а α — температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Значения а приведены в табл. 26.2. Заметим, что у полупроводников ТКС может быть отрицательным. Это очевидно, поскольку с ростом температуры увеличивается число свободных электронов и они улучшают проводящие свойства вещества. Таким образом, сопротивление полупроводника с повышением температуры может уменьшаться (хотя и не всегда).
Значения а зависят от температуры, поэтому следует обращать внимание на диапазон температур, в пределах которого справедливо данное значение (например, по справочнику физических величин). Если диапазон изменения температуры окажется широким, то линейность будет нарушаться, и вместо (26.6) надо использовать выражение, содержащее члены, которые зависят от второй и третьей степеней температуры:
ρT = ρ0(1+αТ+ + βТ 2 + γТ 3),
где коэффициенты β и γ обычно очень малы (мы положили Т0 = 0°С), но при больших Т вклад этих членов становится существенным.
При очень низких температурах удельное сопротивление некоторых металлов, а также сплавов и соединений падает в пределах точности современных измерений до нуля. Это свойство называют сверхпроводимостью; впервые его наблюдал нидерландский физик Гейке Камер-линг-Оннес (1853-1926) в 1911 г. при охлаждении ртути ниже 4,2 К. При этой температуре электрическое сопротивление ртути внезапно падало до нуля.
Сверхпроводники переходят в сверхпроводящее состояние ниже температуры перехода, составляющей обычно несколько градусов Кельвина (чуть выше абсолютного нуля). Наблюдался электрический ток в сверхпроводящем кольце, который практически не ослабевал в отсутствие напряжения в течение нескольких лет.
В последние годы сверхпроводимость интенсивно исследуется с целью выяснить ее механизм и найти материалы, обладающие сверхпроводимостью при более высоких температурах, чтобы уменьшить стоимость и неудобства, обусловленные необходимостью охлаждения до очень низких температур. Первую успешную теорию сверхпроводимости создали Бардин, Купер и Шриффер в 1957 г. Сверхпроводники уже используются в больших магнитах, где магнитное поле создается электрическим током (см. гл. 28), что значительно снижает расход электроэнергии. Разумеется, для поддержания сверхпроводника при низкой температуре тоже затрачивается энергия.
Продолжение следует: Мощность.
Альтернативные статьи: Электрический ток, Закон Ома.
Замечания и предложения принимаются и приветствуются!
теплоемкость, теплопроводность и т. д.
Представлена плотность вольфрама, его теплопроводность и теплоемкость, а также другие теплофизические свойства при различных температурах — в интервале от 100 до 4000 К.
Вольфрам W — твердый и сложный в механической обработке металл с температурой плавления более 3400°C. По температуре плавления он занимает второе место после углерода (графита или алмаза).
Теплопроводность вольфрама достаточно высока и при комнатной температуре равна 163 Вт/(м·К), что превышает теплопроводность даже некоторых сплавов алюминия. Вольфрам достаточно тяжелый металл — плотность вольфрама составляет более 19 кг/м3 при комнатной температуре.
Удельная теплоемкость вольфрама имеет относительно не высокую величину, как и у других металлов с высокой плотностью. Теплоемкость вольфрама зависит от температуры и изменяется по данным таблицы в диапазоне от 87 до 270 Дж/(кг·град) для твердого металла.
Вольфрам имеет очень низкий коэффициент теплового расширения (КТлР), равный 4,43 ·10-6 1/град при комнатной температуре. Вольфрам не окисляется при обычной температуре, но при высоких температурах реагирует с кислородом, образуя триоксид вольфрама красного цвета.
Теплофизические свойства вольфрама, представленные в таблице, следующие: плотность d, теплоемкость Cp, температуропроводность a, коэффициент теплопроводности λ, удельное электрическое сопротивление ρ, функция Лоренца L/L0. Свойства вольфрама даны в зависимости от температуры — в интервале от 100 до 3695 К для твердого состояния этого металла, а также при температуре до 4000 К для расплавленного жидкого вольфрама.
Плотность вольфрама, его теплопроводность, теплоемкость и другие свойства
В таблице представлены теплопроводность и теплофизические свойства вольфрама W чистотой 99,9% в интервале температуры от 100 до 2700 К. Даны следующие свойства чистого вольфрама: плотность, удельная массовая теплоемкость, теплопроводность, коэффициент теплового расширения (КТР), удельное электрическое сопротивление. Плотность вольфрама при нагревании уменьшается из-за теплового расширения.
По данным таблицы видно, что при нагревании чистого вольфрама его теплопроводность уменьшается, теплоемкость увеличивается, а плотность почти не изменяет свое значение. Например, удельная теплоемкость вольфрама равна 134,4 Дж/(кг·град) при комнатной температуре, а при нагревании этого металла до 2100°C, теплоемкость возрастает до величины 175 Дж/(кг·град).
Источники:
- В. Е. Зиновьев. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах.
- Чиркин В. С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. М.: Атомиздат, 1967. — 474 с.
Удельное электрическое сопротивление — это… Что такое Удельное электрическое сопротивление?
Удельное электрическое сопротивление, или просто удельное сопротивление вещества характеризует его способность препятствовать прохождению электрического тока.
Единица измерения удельного сопротивления в Международной системе единиц (СИ) — Ом·м; также измеряется в Ом·см и Ом·мм²/м. Физический смысл удельного сопротивления в СИ: сопротивление однородного куска проводника длиной 1 м и площадью токоведущего сечения 1 м².
В технике часто применяется в миллион раз меньшая производная единица: Ом·мм²/м, равная 10−6 от 1 Ом·м: 1 Ом·м = 1·106 Ом·мм²/м. Физический смысл удельного сопротивления в технике: сопротивление однородного куска проводника длиной 1 м и площадью токоведущего сечения 1 кв.мм.
Величина удельного сопротивления обозначается греческой буквой .
Сопротивление проводника с удельным сопротивлением , длиной и площадью сечения может быть рассчитано по формуле
Обобщение понятия удельного сопротивления
Удельное сопротивление можно определить также для неоднородного материала, свойства которого меняются от точки к точке. В этом случае оно является не константой, а скалярной функцией — коэффициентом, связывающим напряжённость электрического поля и плотность тока в данной точке
Эта формула справедлива для неоднородного, но изотропного вещества. Вещество может быть и анизотропно (большинство кристаллов, намагниченная плазма и т. д.), то есть его свойства зависят от направления (вообще говоря, в нём векторы тока и напряжённости электрического поля в данной точке не сонаправлены). В этом случае удельное сопротивление является зависящим от координат тензором второго ранга:
Удельное электрическое сопротивление металлов и сплавов, применяемых в электротехнике
|
|
Значения даны при температуре t = 20° C. Сопротивления сплавов зависят от их точного состава и могут варьироваться.
Тонкие плёнки
Удельное сопротивление в тонких плёнках (когда толщина образца много меньше расстояния между контактами) характеризуется «удельным сопротивлением на квадрат», . В этом случае удельное сопротивление не зависит от линейных размеров образца если он имеет форму прямоугольника, а только от отношения (длины к ширине) L/W: , где R — измеренное сопротивление. В случае если форма образца отличается от прямоугольной используют метод ван дер Пау.