План викладу матеріалу розділу

1	Метали високої провідності
2	Сплави на основі металів високої провідності
3	Особливості опору сплавів
4	Використання заліза в якості провідника

До групи металів високої провідності належать мідь та її сплави, алюміній та його сплави, срібло, золото та деякі інші метали. Як відомо, кращим провідником є|з'являється| срібло. Його питомий опір дорівнює 0,016 Ом*м, у|біля| електротехнічної міді — 0,0175 (всього на 9,4% більше), латунь — 0,025—0,06, алюміній — 0,028, золото — 0,025, олово — 0,115.

М ідь знайшла широке застосування в електрорадіотехніці завдяки таким своїм перевагам:

- малому питомому опору;

- достатньо високим механічним властивостям (міцності, пластичності);

- задовільній корозійній стійкості;

- хорошій технологічності; мідь прокочується в листи і стрічку та протягується в провід;

- легкості паяння та зварювання.

Іноді мідь в природі зустрічається в чистому вигляді рис.1. Найчастіше мідь отримують переробкою сульфідної руди рис.2.

Залежно від технології переробки отримують мідь тверду або м’яку. Першу отримують холодним протягуванням рис.3, друга додатково піддається відпалу.

Т верда мідь використовується там, де важлива висока механічна міцність та твердість: контактні проводи та колекторні пластини, шини розподільчих пристроїв і клемних єлементів. Електротехнічна мідь обов’язково проходить електролітичне очищення. Після нього мідь переплавляють, прокочують і протягують, одержуючи вироби потрібного поперечного перерізу (рис.4). Мідь широко використовується як доріжковий провідник друкованих плат електронної техніки (рис.5).

Рис.3. Мідна стрічка

Рис.4. Електротехнічні вироби з міді Рис.5. Друкована плата

Мідь досить чутлива до вмісту домішок (рис.6). Тому як провідниковий матеріал використовують мідь марки М1 (99,9% Cu, кисень не більше 0,08%) та марки М0 (99,95% Cu, кисень не більше 0,02%).

Рис.6. Вплив домішок на електропровідність міді

М’яка мідь застосовується як обмоткові проводи та струмопровідні жили кабелів, коли важливі гнучкість та пластичність рис.7, рис.8.

Рис.7. Будова коаксіального кабелю Рис.8. Багатожильний кабель

У вакуумних приладах, зокрема у потужних електронних лампах, використовується мідь особливо високої чистоти (безкиснева мідь).

В техніці використовують залежність питомого опору міді від температури (рис.9) для виготовлення широкої номенклатури давачів температури (рис.10).

Рис.9. Залежність опору від температури Рис.10. Давачі температури

З авдякі високої теплопровідності мідь використовується для виготовлення радіаторів напівпровідникових приладів (рис.11).

Механічні властивості чистої міді в деяких випадках не задовольняють вимогам до виробів з неї. Тому тоді використовують сплави міді з невеликим вмістом легуючих домішок: Sn, Si, P, Be, Cr, Mg, Cd, та інші. Ці сплави називаються бронзами; при правильному виборі складу вони мають значно кращі механічні властивості, ніж чиста мідь.

В ведення в мідь кадмію при порівняно малому зниженні питомої провідності істотно підвищує механічну міцність і твердість. Кадмієву бронзу застосовують для контактних проводів та колекторних пластин для електричних машин спеціального призначення. Ще вища механічна міцність (_р – до 1350 МПа) у берилієвої бронзи (рис.12).

Сплав міді з цинком – латунь – визначається більшим відносним подовженням при розтязі порівняно з міддю, що забезпечує йому технологічні переваги при обробці тиском. Застосовується для виготовлення різних струмопровідних деталей (рис.13) .

Рис.12. Берилієва бронза в годиннику

Рис.13. Вироби з латуні

Мідь – порівняно дорогий і дефіцитний матеріал, тому повинна витрачатися дуже економно. Наскільки можливо, мідь замінюється іншими металами, найчастіше алюмінієм.

А люміній другий за значенням (після міді) провідниковий матеріал. Належить до так званих легких металів (приблизно в 3,5 рази легше міді). Питомий опір  алюмінію приблизно в 1,63 рази більше  міді. Однак якщо порівняти за масою два відрізки алюмінієвого і мідного проводів однієї довжини і однакового опору, то виявиться, що алюмінієвий провід приблизно вдвічі легший за мідний. Дуже важливо й те, що алюміній менш дефіцитний, ніж мідь.

Алюміній дуже активно окисляється на повітрі, покривається тонкою оксидною плівкою, яка захищає матеріал від подальшої корозії. Ця ж плівка значно ускладнює паяння алюмінієвих провідників звичайними методами – доводиться використовувати спеціальні флюси, припої та інструменти. В природі алюміній зустрічаєтся у вигляді з’єднань рис.14-17.

Рис.14. Боксид Рис.15. Корунд Рис.16 Рубін Рис.17. Сапфір

Завдяки дешевизні і низький питомий вазі, алюміній широко використовують у виробництві електронних приладів. У інтегральних схемах алюміній застосовується в якості омічних контактів і для утворення бар'єрів Шоткі.

Як провідниковий матеріал використовують алюміній, що містить не більше 0,5% домішок. Алюміній високої чистоти А97 (не більше 0,03% домішок) застосовують для виготовлення алюмінієвої фольги , електродів і корпусів електролітичних конденсаторів.

У алюмінію особливої чистоти А999 домішки не перевищують 0,001%. Чистоту його контролюють за значенням залишкового питомого опору при температурі рідкого гелію.

Різні домішки|нечистоти| в різному ступені|мірі| знижують питому провідність| алюмінію (рис. 18). Добавки таких домішок|нечистот|, як нікель, крем­ній|, цинк, залізо, миш'як, сурма, свинець і вісмут, в кількості|у кількості| 0,5% знижують питому провідність алюмінію|випалює|, не більше ніж на 2—3%. Помітнішу дію надають|роблять| домішки|нечистоти| міді, срібла і магнію, що знижують її на 5—10%. Дуже сильно знижують питому провідність алюмінію добавки ванадію, титану і марганцю. На рис.19 зображена кристалічна решітка алюмінію.

Рис.18. Залежність провідності від домішок Рис.19. Модель кристалу Al

Алюміній добре протягується (можна одержати тонку фольгу до 5-7мкм ( рис.20). Ця фольга широко використовуеться в електронній промисловості.

Рис.20. Алюмінієва фольга

Наприклад для виготовлення паперових (рис.21.) та електролітичних конденсаторів (рис.22 - 23).

Рис.21. Паперовий Рис.22. Схема електролітичного Рис.23. Електролітичні

Конденсатор конденсатора конденсатори

1-метал (анод)

2-шар оксиду

3-метал(катод)

А люміній використовують для виготовлення дротів рис.24, кабелів рис.25, захисних кабельних оболонок, корпусів приладів, екранів, радіаторів мікропроцесорів рис.26 та інших напівпровідникових приладів рис.27. Для повітряних ліній електропередач застосовують альдрей (сплав з домішками Mg, Si, Fe), який зберігаючи легкість алюмінію і незначно відрізняючись від нього провідністю, за механічною міцністю наближається до твердої міді.

Рис. 24. Дріт з алюмінію

Рис.25. Алюміньовий кабель Рис.26. Радіатор мікропроцесора

Рис.27. Радіатори для напівпровідникових приладів

Срібло білий , блискучий метал (рис.28) з найвищою серед металів тепло - та електропровідністю, стійкий проти окислення при нормальній температурі.

Застосовується для виготовлення обкладок керамічних та слюдяних конденсаторів ( рис.29), високочастотних кабелів, захисту мідних провідників від окислення, в електричних контактах (рис.30), де воно використовується в сплавах з міддю, нікелем або кадмієм, в припоях Пср-10, Пср-25 і ін.

Срібло Ср999-999.9 повинно мати домішок не більше 0.1%. Питомий електричний опір =0.015 мкОм ^. м.

Рис.28. Срібло Рис.29. Керамічні конденсатори Рис.30. Контакт покритий сріблом

Механічні характеристики срібла невисокі: твердість по Брінелю - 25 (трохи більше золота), межа міцності при розриві не більш 200 МПа, відносне подовження при розриві ~50%. В порівнянні із золотом і платиною має знижену хімічну стійкість. Часто застосування срібла обмежується його здатністю дифундувати в матеріали підкладки.

Залізо як найдешевший метал, до того ж досить міцний, в ряді випадків використовують як провідниковий матеріал. Для отримання металу використовуються оксиди і гідроксиди заліза: магнетит і гематит. Крім того, промислове значення мають карбонат — сидерит і сульфід — пірит.(рис.31).

Рис.31. Залізна руда: а - аглосидерит, б - магнетит, в - пірит

Навіть чисте залізо має значно вищий порівняно з міддю та алюмінієм питомий опір (0,1мкОм м); значення  сталі, тобто заліза з домішкою вуглецю та інших елементів, ще вище. Домішки зменшують електропровідність сталі за рахунок спотворення кристалічної решітки рис. 32.

Рис.32. Залежність питомого опору заліза від домішок

На змінному струмі стальні провідники мають активний опір вищий, ніж на постійному через сильний, як у магнітного матеріалу, поверхневий ефект. До того ж на змінному струмі з’являються втрати на гістерезис. Звичайна сталь не стійка до корозії, вона швидко ржавіє, тому поверхня стальних провідників і елементів апаратури повинна бути захищена шаром стійкого матеріалу, наприклад, цинку.

Застосовують сталь для повітряних ліній електропередач, якщо передаються невеликі потужності і основну роль грає не питомий опір дроту, а його механічна міцність, як серцевину сталеалюмінієвих провідників ліній електропередач, як елемент системи живлення електрифікованих залізниць та трамваю (рейки, включно з контактною в метро). В електрорадіоприладах використовують для виготовлення магнітних екранів та конструкційних елементів (каркаси, шасі, корпуси тощо).

Контрольні питання

1. Основні властивості металів високої провідності вкажіть області застосування.

2. Властивості м’якої та твердої міді вкажіть області їх застосування.

3. Дайте порівняну характеристику властивостей міді і алюмінію.

4. В чому техніко-економічна доцільність заміни міді алюмінієм?

5. Опишіть мідні та алюмінієві сплави, їх призначення та властивості.

Лекція 4