14 Как соединять медные и алюминиевые провода

Для электропроводки в квартире в настоящее время господствует повсеместное применение медных проводов. Сегодня можно встретить алюминиевую электропроводку только в тех местах, где нет выбора кабельной продукции или в условиях дефицита бюджета. Ведь еще каких-то 10 лет назад все новые дома сдавались с алюминиевыми проводами и медь использовали только прагматичные состоятельные люди и, разве что, эстеты. Кроме новых квартир, чаще всего приходится выполнять ремонт электропроводки в домах старого жилого фонда и появляется задача стыковки медных и алюминиевых проводов.

Что же особенного в соединении медных и алюминиевых проводников между собой? И какие подводные камни могут встретиться на этом пути? Казалось бы, что за проблема? Соединять как обычно и не забивать себе голову. Однако, с такими соединениями все не так просто. Все правила категорически ЗАПРЕЩАЮТ непосредственный контакт медных и алюминиевых проводов.

Почему нельзя обычным способом соединять медь и алюминий

Проблема кроется в свойствах этих металлов. Алюминий является более активным металлом нежели медь. В результате чего на поверхности алюминия в нормальных условиях в быстрое время образуется оксидная пленка. Эта пленка имеет худшие электопроводные свойства в отличие от чистого алюминия. В связи с этим, электрический контакт становится хуже, по сравнению с медью, оксидная пленка на которой практически не сказывается на качестве контакта. Проявляется явление электрохимической несовместимости металлов.

Получается что при соединении медных и алюминиевых проводов, электрический контакт происходит между их оксидными пленками. Контакт получается некачественный, который будет нагреваться со всеми вытекающими последствиями. При попадании влаги начинается процесс электролиза, который разрушает контакт и превращает соединение в потенциальный источник пожара. При таком контакте первым разрушается алюминий, при ежедневном нагреве и остывании появляются трещины и раковины, под воздействием влаги соединение покрывается окислами, солями, изоляция также начинает разрушаться, образуются токопроводящая копоть и со временем контакт нарушается или приводит к пожару. Сухой контакт будет разрушаться медленно, годами, а при попадании влаги, может произойти авария за считанные недели даже при незначительных токах.

В истории были прецеденты, когда медно-алюминивые соединения спокойно исправно служили свою службу, но такие примеры скорее исключения, чем правило. Такое возможно при парниковых условиях эксплуатации и незначительных токах.

Как правильно соединять медные и алюминиевые проводники

Что же делать когда соединять разнородные металлы действительно нужно? Остается только два пути: соединять через другой металл или устранять образование разрушающей оксидной пленки. В первом случае используются самые различные соединители:

• клеммные колодки без непосредственного соприкосновения разнородных проводников,

• защитный слой из третьего металла

• шайбы

• специальные наконечники.

Для соединения меди и алюминия используются специальные пасты, которые и защищают контакт от окисления и попадания влаги, препятствуют последующему разрушению контакта.

Если для дружбы этих двух металлов нужен третий, то можно один из них залудить. Например луженый медный многожильный провод прекрасно выполнит поставленную задачу при соединении с одножильным алюминиевым.

Для конкретной задачи подключения к алюминиевому стояку в подъездном щитке используются ответвительные зажимы (сжимы) с проколами или без, так называемые "орешки". В них есть промежуточная пластина исключающая непосредственный контакт. Есть экземпляры как с пастой, так и без нее. Для более бытовых задач можно использовать клеммные колодки с перегородками или разными гнездами для проводников из меди и алюминия. Можно даже использовать обычное болтовое соединение, главное не забыть проложить между медным и алюминиевым проводом шайбу, оцинкованную или из нержавейки.

Удачно сочетают в себе нужные нам свойства - клеммы Wago. У них отдельные зажимы для каждого провода и специальные пасты для соединения с алюминиевыми проводами. Такие клеммы Wago отличаются от чисто медных клемм цветом - они серо-черные. Для применения в домашних условиях, при ремонте старой электропроводки, рекомендуем вам присмотреться именно к ним.

Если все же придется решать задачу соединения медного и алюминиевого проводов, ни в коем случае не заделывайте на глухо место соединения, например, в стену. Оставляйте такой контакт под присмотром или обеспечьте доступ для профилактического подтягивания контакта или аварийного ремонта, иначе придется ломать стену и переклеивать обои.

Соединение алюминиевого и медного проводов при устройстве новой или ремонте старой электропроводки дело хлопотное и очень ответственное. Соблюдая нехитрые правила можно с блеском решить поставленную задачу.

15Материалы с большим удельным сопротивлением К таким материалам относятся сплавы, имеющие при нормаль­ных условиях удельное электрическое сопротивление не менее 0,3 мкОм·м. Эти материалы достаточно широко применяются при изготовлении различных электроизмерительных и электронагре­вательных приборов, образцовых сопротивлений, реостатов и т.д.

Для изготовления электроизмерительных приборов, образцовых сопротивлений и реостатов применяются, как правило, сплавы, отличающиеся высокой стабильностью удельного сопротивления во времени и малым температурным коэффициентом сопротивле­ния. К числу таких материалов относятся манганин, константан и нихром. Манганин - это медно-никелевый сплав, содержащий в среднем 2,5... 3,5% никеля (с кобальтом), 11,5... 13,5% марганца, 85,0... 89,0% меди. Легирование марганцем, а также проведение специальной термообработки при температуре 400 °С позволяет стабилизировать удельное сопротивление манга­нина в интервале температур от -100 до +100°С. Манганин имеет очень малое значение термоЭДС в паре с медью, высокую стабиль­ность удельного сопротивления во времени, что позволяет широ­ко использовать его при изготовлении резисторов и электроизме­рительных приборов самых высоких классов точности. Константан содержит те же компоненты, что и манганин, но в иных соотношениях: никель (с кобальтом) 39... 41%, марганец 1 ...2%, медь 56,1 ...59,1%. Его удельное электрическое сопротивление не зависит от температуры. Нихромы - сплавы на основе железа, содержащие в зависимос­ти от марки 15...25% хрома, 55...78% никеля, 1,5%марганца. Они в основном применяются для изготовления электронагревательных элементов, так как обладают хорошей стойкостью при высокой температуре в воздушной среде, что обусловлено близкими значе­ниями температурных коэффициентов линейного расширения этих сплавов и их оксидных пленок. Среди сплавов с высоким сопротивлением, которые (кроме них­рома) широко используются для изготовления различных нагрева­тельных элементов, необходимо отметить жаростойкие сплавы фехрали и хромали. Они относятся к системе Fe-Cr-Al и содер­жат в своем составе 0,7% марганца, 0,6% никеля, 12... 15% хрома, 3,5...5,5% алюминия и остальное - железо. Эти сплавы отличают­ся высокой стойкостью к химическому разрушению поверхности под воздействием различных газообразных сред при высоких тем­пературах. ^ Свойства сверхпроводников и криопроводников. Согласно современной теории, явление сверхпроводимости ме­таллов можно объяснить следующим образом. При температурах, близких к абсолютному нулю, меняется характер взаимодействия электронов между собой и атомной решеткой, так что становится возможным притягивание одноименно заряженных электронов и образование так называемых электронных (куперовских) пар. По­скольку куперовские пары в состоянии сверхпроводимости обла­дают большой энергией связи, обмена энергетическими импульса­ми между ними и решеткой нет. При этом сопротивление металла становится равным нулю. С увеличением температуры некоторая часть электронов термически возбуждается и переходит в одиноч­ное состояние, характерное для обычных металлов. При достиже­нии критической температуры Т_кр все куперовские пары распада­ются и состояние сверхпроводимости исчезает. Аналогичный результат наблюдается при определенном значе­нии магнитного поля (критической напряженности Н_кр или крити­ческой индукции В_кр), которое может быть создано собственным током и посторонними источниками. Критическая температура и критическая напряженность магнитного поля являются взаимосвя­занными величинами (для чистых металлов): где Н_кр - критическая напряженность магнитного поля при абсо­лютном нуле; Т₀ - критическая температура при отсутствии маг­нитного поля. Следовательно, если идеальный сверхпроводник поместить в магнитное поле, то некоторой температуре Т_кр1 < Т₀ будет соответ­ствовать определенное значение критической напряженности маг­нитного поля Н_кр1. При Н > Н_кр1 и температуре Т_кр1 , сверхпроводя-щее состояние исчезает. Известно 35 сверхпроводниковых металлов и более 1000 сверх­проводниковых сплавов и химических соединений различных элементов. Установлены также сверхпроводящие свойства у некото­рых полупроводников, например антимонида индия InSb, серы, ксенона и пр. Для многих проводниковых материалов, таких как серебро, медь, золото, платина, даже при очень низких температу­рах достичь сверхпроводящего состояния пока не удалось. По физико-химическим свойствам элементарные сверхпровод­ники (чистые металлы) можно разделить на мягкие (Hg, Sn, Pb, In) и жесткие (Та, Ti, Zr, Nb). Для мягких сверхпроводников характерны низкие температуры плавления и отсутствие внутренних механических напряжений, жесткие сверхпроводники отличаются наличием значительных внутренних напряжений. С позиций термодинамики сверхпроводниковые материалы при­нято делить на сверхпроводники I, II и III родов. Для сверхпроводников I рода характерны скачкообразное из­менение удельной теплоемкости и определенная температура пе­рехода в сверхпроводящее состояние, которое может разрушиться уже при малых критических температурах и напряженности маг­нитного поля примерно 1 кА/м, что затрудняет их использование. У таких материалов наблюдается эффект Майснера-Оксенфельда, заключающийся в том, что при переходе образца в сверхпрово­дящее состояние магнитное поле выталкивается из него, т.е. он ста­новится идеальным диамагнетиком. Сверхпроводники II рода отличаются тем, что переход в сверхпроводящее состояние у них осуществляется не скачком, а посте­пенно. Для них характерны два критических значения магнитной индукции при температуре Т_кр < Т₀. Если магнитная индукция во внешнем поле начинает превышать значение нижней критичес­кой индукции, то происходит частичное проникновение магнит­ного поля во всю толщину сверхпроводящего образца. При этом под действием силы Лоренца электроны в сверхпроводнике на­чинают двигаться по окружностям, образуя так называемые вих­ри. Внутри вихря скорость вращения возрастает по мере приближе­ния к оси до тех пор, пока не достигнет критического значения и не произойдет «срыв» сверхпроводимости. По мере увеличения внешнего магнитного поля количество вихрей возрастает, а рас­стояние между ними сокращается. Когда оно становится соизме­римым с размером куперовской пары, весь объем переходит в нормальное состояние и магнитное поле полностью проникнет в образец. К сверхпроводникам II рода из чистых металлов можно отнес­ти ниобий Nb, ванадий V и технеций Те. Сверхпроводники III рода включают в себя неидеальные сверх­проводники II рода (жесткие сверхпроводники). Для них характер­но наличие крупных неоднородностей, возникающих при выделе­нии другой фазы или пластичном деформировании. Дефекты струк­туры могут служить узлами закрепления вихрей (явление пининга), что значительно повышает допустимые токи. К сверхпроводникам III рода относятся в основном сплавы и химические соединения. ^ Высокотемпературные сверхпроводники. В 1986 г. было обнару­жено, что такие вещества, как La_2-хM_хCuO₄, (M = Ва, Sr), переходят в сверхпроводящее состояние при температуре, близкой к темпе­ратуре жидкого азота. Позже в сплавах YВa₂Cu₃O₇ переход в сверх­проводящее состояние происходил при температуре -173°С и выше. Такие вещества, названные высокотемпературными сверхпроводни­ками, обладают структурой типа перовскита (природный минерал CaTiO₃) и представляют собой керамику с характерным располо­жением атомов. Получают такие материалы в процессе спекания тонкоизмельченной смеси оксидов иттрия, меди с карбонатом бора. Полученный таким способом образец сверхпроводящей керамики состоит из двух фаз (соединений). Одна фаза содержит ионы иттрия, бария и меди в соотношении 2:1:1. Другая фаза содер­жит большее количество меди. Соотношение иттрия, бария и меди в ней 1:2:3. Именно эта фаза и обладает сверхпроводящими свой­ствами. Сверхпроводящие свойства системы Y-Ba-Cu-0 зависят от со­отношения двухвалентной и трехвалентной меди Сu²⁺ /Сu³⁺, изме­няя это соотношение можно регулировать сверхпроводящие свой­ства. Получены сверхпроводники, имеющие температуру перехо­да до -163 °С и плотность тока в сверхпроводящем состоянии до 10⁴ А/см², что меньше, чем для металлических «тра­диционных» сверхпроводников. Разрабатываются новые материалы, обладающие большей плот­ностью тока и более высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние. Перспективными в этом отношении являются так называемые висмутовые системы с химической формулой Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_х, температура перехода которых достигает -158°С. Сверхпроводниковые материалы исполь­зуют для создания сверхсильных магнитных полей в достаточно большой области пространства; для изготовления обмоток элек­трических машин и трансформаторов, обладающих малой мас­сой и размерами, но очень высоким КПД, сверхпроводящих ка­белей для мощных линий передачи энергии, волноводов с очень малым затуханием, мощных накопителей электрической энергии, устройств памяти и управления. Эффект Майснера-Оксенфельда, наблюдаемый в сверхпроводниках, используется для создания опор без трения и вращающихся электрических машин с КПД, равным почти 100%. Явление сверхпроводящего подвеса применяется в гироскопах и в поездах сверхскоростной же­лезной дороги и т. д. Криопроводники. К их числу относятся материалы, которые при сильном охлаждении (ниже -173°С) приобретают высокую элект­рическую проводимость, но не переходят в сверхпроводящее со­стояние. Это объясняется тем, что при низкой температуре удель­ное сопротивление проводника обусловлено, как правило, нали­чием примесей и физическими дефектами решетки. Поскольку составляющая удельного сопротивления, обусловленная рассеива­нием энергии за счет тепловых колебаний решетки, пренебрежимо мала, для криопроводников необходимо применять хорошо ото­жженный металл высокой чистоты, который обладает минималь­ным удельным сопротивлением в рабочем диапазоне температур от -240 до -190 °С. Минимальным сопротивлением при температуре жидкого азота, самого дешевого хладагента, обладает бериллий, однако он отличается плохой технологичностью, дорог и высокотоксичен. Более доступен и технологичен алюминий в качестве криопроводящего материала (алюминий марки А999, содержащий примесей не более 0,001% при температуре жидкого гелия имеет удельное сопротивление не более 1…2·10^-6мкОм·м). ^