Меню

Как свинец пропускает ток

Свинец и его свойства

СвинецСвинец — очень мягкий металл светло-серого цвета, обладающий высокой пластичностью и коррозионной стойкостью к многим реагентам (серной и соляной разбавленным кислотам, аммиаку и некоторым другим).

Благодаря большой пластичности, гибкости и сравнительно невысокой температуре плавления (327°С) свинец широко применяется для изготовления защитных оболочек электрических кабелей. Гибкая свинцовая оболочка предохраняет кабель от проникновения в него влаги и других агентов, снижающих качество изоляции.

cdbywjdsй припойСвинец используется также для получения мягких оловянной свинцовых припоев (марки ПОС-30, ПОС-40, ПОС-61 и др.) а также в производстве легкоплавких вставок предохранителей и пластин для кислотных аккумуляторов.

Характерным свойством свинца является поглощение им рентгеновских лучей, поэтому свинец применяют в качестве защитных экранов в рентгеновских установках.

Свинец имеет следующие характеристики: плотность 11,35 г/см2, предел прочности при растяжении 0,8 — 2,3 кг/см2, относительное удлинение 30 — 40 %, удельное сопротивление 0,207 — 0,222 ом х мм2/м, температурный коэффициент сопротивления 0,00387- 0,00411 1/°С.

Свинец выпускается шести сортов, отличающихся между собой содержанием примесей (железа, меди, висмута, магния, мышьяка и др.).

СвинецНедостатками свинца являются: слабая стойкость к вибрациям, что обусловлено его крупнокристаллическим строением, и низкая коррозионная стойкость по отношению к гниющим органическим веществам, а также к растворам извести, бетона и некоторым другим.

Кабели со свинцовой оболочкой не рекомендуется прокладывать по эстакадам мостов, вблизи дорог и в других местах, где возможны сотрясения и вибрации, вызывающие разрушения свинца.

Чтобы повысить вибрационную стойкость и механическую прочность свинца, в него вводят различные присадки: сурьму, медь, кадмий и др.

СвинецСвинец, пары от расплавленного свинца и различные соединения свинца ядовиты. Работа с расплавленным свинцом должна производиться в специальных хорошо вентилируемых камерах.

Свинец и его соединения (окись свинца Р b О, свинцовый сурик Р b 3 O4 и др.) могут проникать внутрь организма через кожный покров при соприкосновениях со свинцовыми изделиями. Поэтому после работы со свинцом необходимо тщательно вымыть руки. Работать со свинцом рекомендуется в предохранительных перчатках.

Свинец является дефицитным металлом и в производстве кабелей он заменяется алюминием или синтетическими материалами (поливинилхлоридом, полиэтиленом), из которых изготовляют защитные оболочки кабелей.

Источник

Свинцовая пайка при сборке батарей свинцово-кислотного типа

Недавно, в книге издания 1937 года «Аккумуляторные батареи / Д.В. Вайнела (перевод с английского)», наткнулся на инструкцию по пайке свинцовых деталей при сборке свинцового аккумулятора. Не удержался, чтобы не добавить на сайт. Добавлено в оригинальном виде.

Пайка применяется с целью осуществления надежного механического и электрического соединения между пластинами и баретками, а также между полюсными выводами и соединениями (прим. ред. – речь идет о заключительной стадии сборки свинцового аккумулятора).

Пайка производится помощью светильного газа с кислородом, ацетилена с воздухом, водорода со сжатым воздухом или же электрическим способом.

Фиг.1 Прибор для защиты газовой магистрали, когда кончик горелки засорен. Кислород, подающийся под более высоким давлением, чем светильный газ, не может пройти через предохранительный клапан, в противном случае пламя проскакивает к счетчику и вызывает взрыв

Для газовой пайки всего удобнее пользоваться светильным газом с кислородом. Газ берется из питающей магистрали, а кислород – из запасного хранилища. Необходимо правильно регулировать горелку, чтобы, предупредить возможность взрывов. Если отверстие горелки засорилось, то кислород, благодаря своему более высокому давлению потечет в газопровод со светильным газом, в результате чего может последовать взрыв. Чтобы избежать этого, необходимы предохранительные приспособления либо у магистрали, либо у каждой горелки. Фиг.1 изображает простое приспособление, примененное на одной из электростанций для предохранения сразу нескольких горелок. Подобные же приспособления можно найти, в продаже. Давление кислорода при пользовании им со светильным газом должно быть около 1,8-2,3 кг/см 2 . Редукционный вентиль у кислородного резервуара делается обычно типа диафрагмы и снабжается у выходной стороны манометром для указания давления. Устройство вентиля таково, что можно поддерживать практически постоянное давление и при пользовании несколькими горелками. Давление кислорода должно быть установлено сначала приближенно помощью вентиля на баллоне при частично открытом редукционном вентиле. После этого давление устанавливается более точно путем открывания или закрывания редукционного вентиля. Некоторые вентили конструируются так, что если винт из установленного положения повернуть вправо, то вентиль открывается, т. е. давление начинает увеличиваться. Это служит иногда причиной ошибок, так как вентиль считают открытым, тогда как в действительности он закрыт. Пользоваться следует восстановительным пламенем, чтобы не вызвать окисления свинца. Паять следует кончиком внутреннего голубоватого пламени, производя кругообразные движения, перемещая пламя от центра полюсного вывода к бокам и кверху. Сперва должна быть расплавлена верхушка полюсного вывода, затем она спаивается со стенкой отверстия в соединении, после чего в отверстие наплавляется с паяльной полоски столько сплава, чтобы он заполнил все отверстие в соединении. По окончании пайки поверхность зачищают напильником и корчеткой. Все части должны быть тщательно очищены от грязи и посторонних веществ, так как абсолютная чистота есть непременное условие успешной работы элемента. Фиг.2 иллюстрирует выше¬описанный процесс пайки.

Фиг.2 Пайка свинца пламенем светильного газа и кислорода. Элемент должен быть продут, пробки сняты и батарея покрыта влажным сукном. Кислородный баллон должен иметь редукционный вентиль, давление у горелки не должно превышать 2 1/4 кг

Оборудование для пайки электрической дугой состоит из угледержателя с подводящим кабелем, зажима и угольного стержня около 6 мм в диаметре. Батарея, с которой предстоит работать, используется обычно как источник тока. В зависимости от состояния заряда требуется для этого от двух до четырех элементов. Фиг.3 иллюстрирует этот способ пайки. Кабель присоединяется к одному из междуэлементных соединений батареи с таким расчетом, чтобы обеспечить требуемое напряжение; в случае надобности несколько элементов отбрасывается. Необходимо следить за тем, чтобы был хороший контакт между соединением и зажимом. Угольный стержень должен быть на конце заострен и должен выходить из зажима примерно на 5 см. Уголь должен быть доведен до яркого свечения путем соприкосновения с полюсным выводом, подвергающимся пайке. В дальнейшем процесс идет точно так же, как это было описано для случая газовой пайки. Уголь перемещается вращательным движением от центра полюсного вывода наружу, не вызывая дуги. Угольный держатель в случае надобности охлаждается погружением его вместе с углем в ведро с водой. Спустя некоторое время уголь может перестать правильно работать благодаря налету окиси свинца, которую можно удалить напильником или соскрести ножом. Работающий должен для защиты глаз надеть темные предохранительные очки. Если батарея не может быть использована в качестве источника тока, то можно воспользоваться 6-в стартерной батареей. В этом случае одна из ее клемм соединяется с зажимом угледержателя, а другая – с соединением, которое запаивается.

Читайте также:  Мост переменного тока р5084

Фиг.3 Пайка свинца электрической дугой. Ремонтируемая батарея используется как источник тока, требующееся напряжение от 4 до 8 в; рабочий должен надевать темные очки, батарея должна быть покрыта влажным сукном, как, показано на фиг. 2

Недавно был выпущен на рынок прибор для свинцовой пайки, работающий переменным током. Небольшой переносный трансформатор преобразует 110-в ток в ток требуемого напряжения. Уголь большого диаметра заканчивается тонким острием, позволяющим пользоваться теплотой дуги в любой точке по желанию. Переменный ток может быть без вреда пропущен через элемент.

Если пайка сделана хорошо, то металл одной части сплавляется с металлом другой. Этим обеспечивается механическая прочность и хорошая электрическая проводимость. В случае неудовлетворительной спайки при исследовании под микроскопом видны пустоты или же присутствие шлаков. Фиг.4 представляет микрофотографию двух спаянных кусков свинцово-сурьмянистого сплава, изображающую полное соединение вдоль линии спайки. С правой стороны сплав содержит 8% сурьмы, с левой – 4%.

Фиг.4 Пример спайки свинца. Четырехпроцентный сплав был припаян к восьмипроцентному

Источник

Как свинец пропускает ток

Войти

Авторизуясь в LiveJournal с помощью стороннего сервиса вы принимаете условия Пользовательского соглашения LiveJournal

  • Свежие записи
  • Архив
  • Друзья
  • Личная информация
  • Memories

Сверхпроводимость

Чудо сверхпроводимости (авт. Валерий Старощук)

Немного теории

Уже первые опыты с электричеством показали, что серебро, медь и алюминий хорошо проводят электрический ток, а фарфор, стекло, резина и шелк его практически не проводят. Соответственно, из первых материалов люди стали делать проводники, а из вторых – изоляцию для проводов и защиту от поражения электрическим током. На фото вы видите современный сетевой двужильный провод. Каждая жила состоит из семи медных проволочек заключенных в пластиковую изоляцию. Учитывая, что провод работает при опасном напряжении 220В, две изолированные жилы покрыты еще одним общим слоем пластиковой изоляции.

01

Когда по проводнику проходит электрический ток, он разогревается. Это свойство используют в нагревательных приборах, таких как утюг, чайник, в электробатареях, а также в лампах накаливания. На фото вы видите вольфрамовую нить, которая так разогрелась под действием тока, что начала излучать свет.

02

Сейчас все чаще применяют энергосберегающие люминесцентные лампы, но и в них есть маленькая нить накала для излучения электронов.

Если по проводнику идет ток, он не только нагревается, но и создает вокруг себя магнитное поле. Это свойство первым заметил и описал в 1820 году датский ученый Ганс Христиан Эрстед. На фото вы видите, как под действием магнитного поля железные опилки выстраиваются вокруг медного проводника с током.

03

Магнитное поле тока используют в работе электродвигателя, генератора и электромагнита.

Итак, если по проводнику идет ток, то энергия источника тока превращается в тепловую и энергию электромагнитного поля. Иногда это нужно и полезно, а иногда просто вредно. Например, зачем нам нагревание и магнитное поле провода, которым мы подключили утюг к розетке? Греются также провода, по которым электрический ток от электростанции идет к нашим домам. Чтобы уменьшить эти потери энергии, сопротивление проводника стараются сделать как можно меньше.

Так как электрическое сопротивление образца сильно зависит от материала, из которого он сделан, температуры и геометрических размеров, решили измерять удельное сопротивление, то есть сопротивление образца из данного материала длиной 1м, площадью поперечного сечения 1мм 2 при 20 0 С. Например, удельное сопротивление меди равно r = 0,0125 Ом·мм 2 /м. Это значит, что если вы возьмете проводник из меди (Cu) длинной 1 м и площадью сечения 1мм 2 , то его сопротивление электрическому току будет 0,0125 Ом. Сопротивление дает возможность узнать, какой ток пройдет по проводнику для данного напряжения. Например, если напряжение на концах нашего образца будет равно 0,1В, то через него пойдет ток I = U/R= 0,1/0,0125 = 8A. Для наглядности представим электроны в виде бегущих синих человечков.

04

Тогда при токе 8А за одну секунду их забежит в проводник 5·10 19 (50 миллиард миллиардов!). Это почти в 70 миллиардов раз больше, чем людей на планете Земля. Обратите внимание, что выбежит из проводника их за секунду столько же. Договорились, что направление тока определяют по движению положительно заряженных частиц. Но в металлах ток проводят отрицательные электроны, поэтому направление тока показано противоположно скорости электронов. В проводнике находятся положительные ионы меди, с которыми наши электроны-человечки играются, хватая руками. Ведь между отрицательными электронами и положительными ионами существуют силы притяжения. Забрать ион с собой человечку-электрону не удастся, так как ионы намного тяжелее электронов и крепко связаны силами между собой в кристаллической решетке. А вот раскачать ионы нашим «человечкам» будет под силу. При этом электроны теряют свою скорость, а значит и энергию движения, а проводник соответственно нагревается.

Читайте также:  Электродвигатель постоянного тока 60в

История открытия

05

Голландский ученый Хейке Камерлинг Оннес (Heike Kammerlingh Onnes) (на фото справа) решил первым в мире достичь в своих экспериментах абсолютный ноль по шкале Кельвина (примерно минус 273 градуса по Цельсию). Как вы знаете, в природе не существует температуры ниже. Сорокалетний ученый, используя свои связи с голландскими промышленниками в 1893 году начинает строительство в Лейденском университете одной из лучших лабораторий в мире, которую оснастил самым современным оборудованием. Первый успех пришел 10 июля 1908 года, когда удалось получить жидкий гелий при 5К (это минус 268 градусов Цельсия!). Через 2 года напряженного труда они получают температуру 1К! И тут ученый понимает, что это предел, который можно достичь на данном оборудовании, поэтому принимается решение изменить направление научной работы. Теперь все силы были направлены на изучение физических свойств разных материалов при низких температурах. Естественно, один из пунктов программы включал измерение удельного электрического сопротивления материала. Многие ученые того времени высказывали предположение, что при очень низких температурах металлы должны стать диэлектриками. Якобы свободные электроны настолько замедлят свое движение, что «приклеятся» к ионам и не смогут переносить электричество. Но физика – наука, прежде всего экспериментальная! Опыты Хейке Камерлинг Оннеса показали, что у платины с понижением температуры сопротивление не растет, а падает, и после 4К остается постоянным. Ученый сделал предположение, что сопротивление должно стремиться к нулю, потому что ионы прекращают колебательное движение и «не мешают» двигаться свободным электронам. Понимая, что в платине есть малые примеси, он решил проверить ртуть, самый очищенный металл, который у него был.

8 апреля 1911 года группа Хейке Камерлинг Оннес, с ассистентами Корнелисом Дорсманом (Cornelis Dorsman) и Гиллесом Хольстом (Gilles Holst) проверяли работу нового криостастата (устройство для поддержания низких температур в данном объеме). Сначала думали только заправить жидким гелием, но потом установили газовый термометр и два образца из золота и ртути, чтобы измерить их удельное сопротивление. Измерив сопротивление металлов при 4,3К, решили уменьшить давление в криостате над гелием. Гелий начал быстро испаряться, и температура упала до 3К. Эксперимент длился уже 9 часов! При повторном измерении сопротивление ртути оказалось равным нулю! Так была открыта сверхпроводимость!

На фото вы видите историческую запись ученого, сделанную в тот день. В рамку взята голландская фраза Kwik nagenoeg nul — «Сопротивление ртути практически нулевое» (3 К). Следующее предложение Herhaald met goud означает «Повторено с золотом».

06

Критическая температура перехода ртути в сверхпроводящее состояние в тот день не была определена, да такой задачи и не ставилось. Ее выяснили в следующем эксперименте, проведенном 11 мая. Камерлинг-Оннес тогда пришел к выводу, что ртуть делается сверхпроводником при охлаждении до 4,2 К.

07

В дальнейшем открытия пошли одно за другим. В 1912 году открыли еще два сверхпроводника – свинец и олово. В 1914 понимают, что сильное магнитное поле разрушает сверхпроводимость. В том же году проводят эффектный эксперимент со сверхпроводящим кольцом из свинца. В нем кратковременно индуцировали ток, а потом наблюдали его циркуляцию на протяжении нескольких часов без малейшего затухания. Само кольцо становится магнитом.

В 1919 году из Лейдена пришла весть, что сверхпроводниками становятся также таллий и уран.

Объяснение сверхпроводимости

Объяснить явление сверхпроводимости с точки зрения классической электродинамики невозможно. Только с развитием квантовой физики в 1957 году (спустя 46 лет после открытия!) три американских физика — Бардин, Купер и Шриффер, объяснили сверхпроводимость спариванием электронов, то есть образованием куперовских пар, которое осуществляется за счет обмена колебаниями кристаллической ячейки – фононами.

Чтобы понять, как образуются куперовские пары, рассмотрим очень упрощенную модель прохождения тока в сверхпроводнике.

Красными кружками обозначены положительные ионы кристаллической решетки.

08

Когда электрон А под действием электрического поля движется в пространстве решетки, он немного искривляет её. В результате концентрация положительных ионов за ним возрастает. Скопление положительных ионов притягивает отрицательный электрон В с силой F. В результате энергия, которую потратил электрон А на прохождение ионной кристаллической решетки, передается через колебания решетки электрону В. Получается, что электроны А и В связаны между собой через ионную решетку, образуют пару и вместе не тратят энергии при движении. Сопротивление току в этом случае равно нулю.

Применение сверхпроводников

Современная наука уже получила материалы, которые обладают сверхпроводимостью при 165К (минус 107 0 С). Если будут получены материалы обладающие сверхпроводимостью при комнатной температуре, это будет огромный скачок в развитии человечества. Ведь одну треть электроэнергии мы тратим во время её передачи от источника потребителю. Пока же сверхпроводники приходится охлаждать жидким азотом.

С другой стороны, без них уже трудно представить работу Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе, и строительство термоядерного реактора ITER в Кадараше.

Сверхпроводимость характеризуется также эффектом Мейснера, заключающемся в полном вытеснении магнитного поля из объема сверхпроводника. В результате образец, как видно на фото, зависает над магнитом.

09

На основе этого явления уже созданы поезда на магнитной подушке, которые могут разгоняться до скорости 500 км/ч.

10

Мощные магниты на сверхпроводниках используют в медицине при создании томографов, использующем принцип ядерно-магнитного резонанса (ЯМР). Сканирование тканей человека позволяет врачам увидеть на экране компьютера срез внутренностей, не оперируя больного. Такой метод позволяет быстро поставить правильный диагноз, а значит быстрее вылечить пациента.

Читайте также:  Расчет тока шагового напряжения

Современная квантовая теория сверхпроводимости принципиально не ограничивает значение температуры, при которой наблюдается этот эффект. Значит дело за созданием новых материалов и соединений, которые, возможно, в скором будущем откроете вы.

Источник



Луч упал на кристалл.

Займемся тем, что приготовим полупроводник. Один раз вам это уже удалось — когда вы превратили алюминиевую ложку в выпрямитель тока. Теперь опыт не менее интересный, и с теоретическими пояснениями. Ставить его лучше в химическом кружке или в школьной лаборатории, И не потому, что опыт опасный: просто дома у вас скорее всего нет требуемых веществ.

Сначала — предварительный опыт. Приготовьте раствор нитрата или ацетата свинца и пропустите через негo сероводород (работайте под тягой!). Выпавший осадок сульфида свинца PbS высушите и проверьте, как он проводит электричество. Оказывается, это самый обычный изолятор. Так причем же здесь полупроводники?

Не будем спешить с выводами, а поставим следующий, основной опыт. Для него придется приготовить равные количества, скажем, по 15 мл, 3%-ного раствора тиокарбамида NH2C(S)NH2 и 6%-ного раствора ацетата свинца. Вылейте оба раствора в небольшой стакан. С помощью пинцета внесите в раствор стеклянную пластинку и держите ее вертикально (либо закрепите в таком положении). Надев резиновые перчатки, налейте в стакан почти доверху концентрированный раствор щелочи (осторожно!) и очень аккуратно размешайте стеклянной палочкой, стараясь не задевать ею пластинку. Слегка подогрейте раствор — так, чтобы появился пар; помешивание продолжайте. Минут через десять стеклянную пластинку аккуратно выньте, вымойте под струей воды и высушите.

И в этом случае вы получили сульфид свинца — так в чем же разница?

Во втором опыте реакция идет медленно, и осадок выпадает не сразу. Если вы наблюдали за раствором, то заметили, что сначала он помутнел и стал почти как молоко, и лишь потом потемнел,— это промежуточные соединения, разлагаясь, образовали черный сульфид свинца. И он оседает на стекле в виде тонкой черной пленки, которая состоит из очень маленьких, различимых только под микроскопом кристаллов. Поэтому пленка кажется очень гладкой, почти зеркальной.

Присоедините к пленке два электрических контакта и пропустите ток. Если сульфид свинца из предыдущего опыта вел себя как диэлектрик, то теперь он проводит ток! Включите в цепь амперметр, измерьте ток и подсчитайте сопротивление: оно окажется выше, чем у металлов, но не столь уж большим, чтобы служить препятствием для прохождения тока.

Поднесите к пластинке зажженную лампу совсем близко и снова включите ток. Вы сразу обнаружите, что сопротивление сульфида свинца резко упало. Примерно так же будет вести себя черная пленка, если ее просто нагреть. Но если при освещении и нагревании проводимость увеличивается, значит, мы имеем дело с полупроводником!

Отчего же у сульфида свинца такое свойство? Мы записали его формулу как PbS , однако истинный состав кристаллов этого вещества не вполне ей соответствует. Некоторые соединения, среди которых и сульфид свинца, не подчиняются закону постоянства состава. И все они — полупроводники. (Это же, между прочим, относится и к оксиду алюминия, выпрямлявшему переменный ток.)

В кристалле PbS порядок расположения частиц должен, казалось бы, строго повторяться. Но нередко благодаря тому, что концентрации растворов, из которых кристаллы получены, колеблются, порядок нарушается. Сказывается влияние температуры, других внешних причин. Как бы то ни было, в реальном кристалле соотношение атомов серы и свинца не точно 1:1. Отклонения от этого отношения очень невелики, всего около 0,0005. Но и этого достаточно, чтобы свойства существенно изменились.

Атомы свинца и серы связаны в кристалле двумя электронами: свинец отдает их сере. Ну а когда соотношение 1:1 нарушается? Если рядом с атомом свинца нет атома серы, электроны окажутся свободными — они-то и будут служить носителями тока. А таких случаев совсем не так мало, как может показаться. Конечно, отношение 1,0005:1 почти равно единице, но если вспомнить, как много атомов в кристалле, то эта незначительная разница уже не покажется вам такой пустячной.

Состав сульфида свинца можно регулировать. Нужно это затем, чтобы изменять его проводимость. Когда атомов серы в кристалле становится больше, то проводимость падает, а когда их меньше, то образуется больше свободных электронов, и проводимость растет. Словом, меняя соотношение атомов серы и свинца, можно получить требуемую проводимость. Опыт этот поставить непросто; если вы не рискнете проводить эксперимент, поверьте на слово, что он получается.

Возьмите кварцевую трубку и поместите в нее лодочку с сульфидом свинца. С другой стороны введите в трубку такую же лодочку со свинцом и очень сильно нагрейте трубку, чтобы свинец начал испаряться. Сульфид в этом случае будет поглощать пары, он обогатится свинцом, н его электропроводность значительно повысится.

Осталось лишь ответить на вопрос, отчего сульфид свинца так чувствителен к освещению. Световые кванты сообщают энергию электронам, причем в каждом конкретном случае наиболее эффективны лучи с определенной длиной волны. Для сульфида свинца — это инфракрасное тепловое излучение. Поэтому-то мы и советовали вам поднести лампу поближе к пленке.

Между прочим, в приемниках инфракрасного излучения и используют обычно прекрасный полупроводник — сульфид свинца.

О. Ольгин. «Опыты без взрывов»
М., «Химия», 1986

Источник