МАТЕРІАЛИ З ВИСОКОЮ ЕЛЕКТРИЧНОЮ ПРОВІДНІСТЮ

Використовуються для виготовлення обмоток електромашин, апаратів, ліній передач електроструму, До них висувають наступні вимоги:

– якомога менший питомий опір;

– якомога менший температурний коефіцієнт питомого опору;

– висока механічна міцність ( при розтягуванні), гнучкість, низька крихкість;

– властивість легко оброблятись прокаткою та волочінням;

– добре зварюватись та сплавлятись, створювати надійне з’єднання з малим електричним опором;

– корозостійкість.

Мідь

Переваги:

– малий питомий опір (менший тільки в срібла);

– висока механічна міцність;

– корозостійкість (падає при підвищенні температури);

– добре обробляється (витягується до 0,001 долі мм);

– відносно легко паяється та зварюється.

Отримують в результаті переробки сульфідних руд з подальшим процесом електролізу (відкладається на катоді). При холодній протяжці отримують тверду мідь (її застосовують там, де треба висока механічна міцність – контактні проводи, шини, колекторні пластини). Якщо мідь піддати нагріванню до декілька сот градусів з наступним охолодженням – отримують м’яку мідь ( застосовують там, де потрібна гнучкість, пластичність – обмоткові проводи).

Сплави міді:

бронза – сплав міді з оловом, кремнієм, алюмінієм, кадмієм, берилієм, свинцем. Для неї характерна мала усадка (0,6...0,8%), підвищена твердість (порівняно з міддю), великий опір тертю, пружність і антикорозійність. Застосовують для виготовлення втулок, шестерень, пружин і т.д. В електротехніці використовують кадмієву та кадмієво - олов’янисту бронзу (за властивостями наближається до провідникової міді). Властивості деяких видів бронзи:

безолов’яниста – високі механічні та технологічні властивості;

алюмінієвиста – високі механічна та корозійна стійкість;

свинцевиста – високий коефіцієнт тертя;

кремениста – висока пластичність, ливарні властивості;

берилієва – висока міцність, твердість, пружність (використовують для виготовлення колекторних пластин);

кадмієва – механічна міцність, твердість (виготовляють контактні проводи, колекторні пластини електромашин спецпризначення);

фосфориста – для струмоведучих пружин та твердих припоїв.

латунь – сплав міді з цинком (до 45%) – має високу пластичність (більшу ніж у міді). Дешевша за мідь, але має більший електроопір. Піддається корозії у вологій атмосфері. Для запобігання цього вводять алюміній, нікель, марганець.

Алюміній

Є другим за значенням (після міді) провідником. Відноситься до легких металів (це метали з густиною менше 5 мг/см³) – 2,7 мг/см³ ( в 3,5 рази менше міді). Температурний коефіцієнт розширення, питома теплоємкість, теплота плавлення алюмінію більше міді (але температура плавлення алюмінію менше температури плавлення міді) Порівняно з міддю має менші механічні та електричні властивості (проводи в 1,63 рази за перерізом більші ніж мідні, але в 2 рази легші мідних). Алюміній менше дефіцитний ніж мідь.

Алюміній активно окислюється і покривається оксидною плівкою з великим електричним опором, яка створює великий перехідний опір і унеможливлює пайку звичайними методами. Якщо на контакт мідь-алюміній діє волога, то виникає гальванічна пара, що породжує електрорушійну силу і викликає руйнівну корозію.

На питому електропровідність алюмінію особливо діють домішки титану та марганцю, менше – мідь, срібло, магній, найменше – цинк, залізо, нікель, кремній.

Сплави алюмінію – мають малу питому вагу, високі механічні властивості, добрі ливарні якості, легко обробляються різанням і штампуванням, стійкі проти корозії.

алдрей ( кількість домішок 0,3...0,5% магнію, 0,4...0,7% кремнію, 0,2...0,3% заліза) – практично зберігає легкість чистого алюмінію, досить близький за провідністю, за механічною міцністю наближається до твердотягнутої міді. Застосовується для виготовлення проводів ліній електропередач;

силумін (5...14% кремнію) – виготовляють корпуси електромашин потужністю до 4 кВт.

Залізо і сталь. Біметалеві проводи.

Залізо доступний метал, але r » 0,1 мкОм×м. Чисте залізо використовується в лабораторних дослідженнях. На практиці застосовують залізо з вмістом вуглецю – сталь.

При змінному струмі в сталі, як у феромагнітного матеріалі, виявляється поверхневий ефект, тому активний опір при змінному струмі більший ніж при постійному. Крім того додаються втрати потужності на гістерезис. Для провідників застосовується м’яка сталь (0,1...0,15% вуглецю) – питома електропровідність в 6...7 раз менша міді. Застосовують для виготовлення проводів ліній передач невеликої потужності.

Сталь застосовують як провідник у вигляді шин, рейок трамваїв, метро.

Для підвищення корозостійкості стальні вироби покривають цинком.

Біметал – сталь вкрита шаром міді. Застосовують два способи виготовлення:

– гарячий – стальну болванку ставлять у форму і проміжок між ними заливають розплавленою міддю. Для отримання потрібного виробу заготовку протягують або прокатують;

– холодний (електролітичний) – стальну заготовку під час електролізу протягують через ванну з мідним купоросом.

Другий спосіб дає рівномірне покриття, але не забезпечує міцність зчеплення та вимагає значних витрат електроенергії.

Механічні та електричні властивості біметалів є проміжними між властивостями мідних та стальних провідників. Застосовують для ліній зв’язку, ліній електропередач, для шин, рубильників, конструкційних деталей електроапаратів.

Термічні біметали – дві зварені між собою пластинки різних металів. При нагріванні вигинаються. Застосовують при виготовлені теплових реле, вимикачів, термометрів.

Застосування металевих провідників

Нікель – має феромагнітні властивості. Використовується як компонент для магнітних сплавів. У чистому вигляді використовується у вакуумній техніці, для декоративного покриття, іноді – для нагрівальних елементів.

Вольфрам – важкий, твердий метал. Має найвищу температуру плавлення – 3380⁰С. Використовують для ниток ламп, електродів, підігрівачів, пружин в електричних лампах, для контактів.

Молібден – близький за властивостями до вольфраму. Використовують для отримання жаростійких сплавів, анодів радіоламп, нагрівачів.

Ртуть – при нагріванні легко окислюється. Застосовують для ртутних ламп, контактів реле, термометрів. Дуже отруйна.

Свинець – м’який, пластичний, не стійкий до вібрації, має високий питомий опір. Стійкий проти води, сірчаної та соляної кислот, але руйнується азотною та оцтовою кислотами, в присутності вапна та гниючих органічних речовин. Використовується для захисних оболонок кабелів, для плавких запобіжників, пластин акумуляторів, для захисних екранів від радіації. Отруйний.

Олово – сріблясто-білий метал з кристалічною будовою. При згинанні палички олова вона тріщить (тертя кристалів). М’який, тягучий (можна отримати тонку фольгу). Слабо окислюється в повітрі та в кислотах. Використовується як захисне покриття, для обкладинок конденсаторів.

Золото – має високу пластичність. Використовують як контактний матеріал для корозостійкого покриття, електродів фотоелементів.

Срібло – має високу провідність. Застосовують для контактів, для нанесення на діелектрик як електроди. Недолік: понижена хімічна стійкість.

Платина – хімічно стійкий, пластичний, температуростійкий (до1600⁰С), але має не високу твердість. Використовують для термопар, розтяжок електровимірювальних приладів. Сплави з ітрієм стійкі до окислення на зношення, допускають велику частоту вмикань, але дорогі і використовують в особливих випадках.

Паладій – використовують в електровакуумних техніці для поглинання водню. В з’єднаннях з сріблом застосовують для контактів.

Надпровідники та кріопровідники

Надпровідність була відкрита в 1911р. Нідерландським фізиком Х. Камерлінг – Оннесом після отримання рідкого гелію (4,2 ⁰К). Опір кільця ртуті впав до надмалого значення (температура надпровідного переходу) Явище зворотне. Струм раз наведений буде безкінечно циркулювати і буде створювати навколо себе магнітне поле як постійний магніт. Але якщо на поверхні надпровідника з’явиться магнітне поле з магнітною індукцією більше індукції переходу, то явище зникає. В 1933 р. Німецькі фізики В. Майснер, Р. Оксенфельд встановили, що зовнішнє магнітне поле не може проникнути в надпровідникове тіло (властивість діамагнетиків). В 1935 р. В.К.Аркадьєв відкрив ефект “плаваючого магніту” – магніт відштовхувався і зависав в повітрі над чашкою, що знаходиться в надпровідниковому стані. В 50-х роках відкриті надпровідники із сплавів металів або хімічних з’єднань – надпровідники ІІ роду. У них порівняно висока температура переходу. З’являються нові роботи по керамічним надпровідникам. Алюміній може приймати надпровідний стан при нагріванні: надтонка плівка спеціальним чином оброблена втрачає електричний опір до певної температури, при подальшому нагріванні електричний опір знову з’являється.

Кріопровідники. Метали досягають малого питомого опору при кріогенних температурах (без переходу в надпровідниковий стан) – кріопровідність (гіперпровідність). Природа явища не схожа з надпровідністю, а є частковим випадком нормальної електропровідності металів в умовах кріотемператур.