Проводниковые материалы

В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы. Важнейшими практически применяемыми в электротехнике твердыми проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы.

Из металлических проводниковых материалов могут быть выделены металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление  при нормальной температуре не более 0,05 мкОм·м, и сплавы высокого сопротивления, имеющие р при нормальной температуре не менее 0,3 мкОм-м.

Металлы высокой проводимости используются для проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов и т.п.

Металлы и сплавы высокого электросопротивления, применяются для изготовления резисторов, электронагревательных приборов и т.п.

Особый интерес представляют собой материалы, обладающие нулевым и чрезвычайно малым удельным сопротивлением при весьма низких (криогенных) температурах — сверхпроводники и криопроводники.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряженность поля превзойдет некоторое критическое значение, обеспечивающее начало фото- и ударной ионизации, то газ стать проводником с электронной и ионной электропроводностью. Сильно ионизированный газ представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы.

Механизм прохождения тока в металлах - как в твердом, так и в жидком состоянии - обусловлен движением свободных электронов под воздействием электрического поля, поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью, или проводниками первого рода. Проводниками второго рода с ионной проводимостью, или электролитами, являются растворы (в частности, водные) кислот, щелочей и солей.

Материалы высокой проводимости

Проводниковые материалы, кроме высокой электрической проводимости, должны иметь достаточную прочность, пластичность, коррозионную стойкость в атмосферных условиях и в некоторых случаях высокую износостойкость. Кроме того, металл должен хорошо свариваться и подвергаться пайке для получения соединения высокой надежности, как по прочности, так и по электрической проводимости.

Практическое применение имеют химически чистые металлы: Cu, Al, Fe, Ag, Pt, Au и др. Эти металлы обладают высокой электрической проводимостью при минимальном содержании примесей и дефектов кристаллической решетки. В связи с этим для достижения максимальной электрической проводимости такие металлы используют в технически чистом виде и в отожженном состоянии.

Медь используют в виде проката различного сортамента: проволоки различных диаметров, шин, полос и прутков. Отожженную медь используют для обмоточных проводов и кабельных изделий, нагартованную, т.е. упрочненную холодной пластической деформацией, медь - для подвесных токонесущих и контактных проводов, коллекторных пластин. Для изделий, от которых требуется прочность выше 400 МПа, используют латуни и бронзы с Cd и Be. Они при некоторой потере электрической проводимости обеспечивают более высокие прочность и износостойкость, чем у меди.

Алюминий - серебристо-белый блестящий металл с низким удельным сопротивлением. Алюминий высокой чистоты обладает хорошей пластичностью и может быть прокатан на тонкие листы и фольги, например, конденсаторную фольгу толщиной 6-7 мкм. В виде проволоки технически чистый алюминий используют в производстве кабелей и токонесущих проводов. Алюминий уступает меди в электрической проводимости и прочности, но он значительно легче, больше распространен в природе и потому значительно дешевле. Кроме того алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью вследствие образования на поверхности защитной оксидной пленки А1₂Оз.

Для токонесущих проводов воздушных линий электропередач с большими расстояниями между опорами используют алюминиевые сплавы повышенной механической прочности типа альдрей (0,3-0,5 % Mg, 0,4-0,7 % Si, 0,2-0,3 % Fe и Al - остальное).

Сталеалюминиевый провод, широко применяемый в линиях электропередач, представляет собой сердечник, свитый из стальных жил и обвитый снаружи алюминиевой проволокой.

Платина - белый металл, весьма стойкий к химическим реагентам, в том числе и к кислороду, с низким электросопротивлением, =0,098 мкОм·м Платину применяют для изготовления термопар, рассчитанных на рабочие температуры до 1600°С, а также для подвесок подвижных систем в электрометрах и других чувствительных приборах.

Золото - блестящий металл желтого цвета, обладающий высокой пластичностью. Золото используют как контактный материал в электронной технике, для покрытий внутренних поверхностей волноводов и резонаторов СВЧ.

Биметаллический провод (стальной провод, покрытый медью) используют при передаче переменных токов повышенной частоты.

В качестве твердых неметаллических проводниковых материалов используют материалы на основе углерода (электротехнические угольные изделия, сокращенно - электроугольные изделия). Из угля изготовляют щетки электрических машин, электроды для прожекторов, электроды для дуговых электрических печей и электролитических ванн, аноды гальванических элементов. Угольные порошки используют в микрофонах для создания сопротивления, изменяющегося от звукового давления. Из угля делают высокоомные резисторы, разрядники для телефонных сетей; угольные изделия применяют в электровакуумной технике.

Для некоторых устройств и аппаратов требуются проводниковые материалы, которые могли бы достаточно надежно работать при температурах 1500-2000 и даже до 3000 ºС и даже выше. Такие материалы необходимы, например, для нагревательных элементов высокотемпературных электрических печей, электродов магнитогидродинамических (МГД) генераторов. В МГД-генераторах условия работы проводниковых материалов еще более усложняются из-за соприкосновения материала с плазмой. Надежных и экономичных материалов, способных длительно противостоять таким температурам, да еще в присутствии агрессивных паров калия, пока не создано. В настоящее время используют электроды из расплавленной платины, заключенной в керамический кожух. Но они при очень высокой стоимости обладают низкой стойкостью.

Лекция 15