4.7. Поверхностный эффект.

При воздействии на проводник переменного магнитного поля при увеличении частоты происходит возрастание его электрического сопротивления. Это явление обусловлено перераспределения плотности тока и вытеснения его на поверхность за счет действия вихревых токов рис.4.4

и выражается коэффициентом вихревых токов:

[1/м] (4.12)

где f - частота переменного электрического поля [Гц];

_а=·_о - абсолютная магнитная проницаемость вещества проводника [Гн/м];

G - удельная проводимость вещества проводника на постоянном токе [См/м].

Эффект действия вихревых токов при повышенных частотах получило название поверхностного или скин эффекта.

Действие вихревых токов можно выразить через эквивалентную глубину проникновения , характеризующую степень проникновения тока в объем проводника.

(4.13)

Глава 5. Классификация проводниковых материалов.

По характеру применения в технике проводниковые материалы разделяют на металлы и сплавы высокой проводимости, металлы и сплавы с высоким удельным сопротивлением, металлы и сплавы различного назначения.

5.1. Металлы и сплавы высокой проводимостью.

К металлам и сплавам высокой проводимости предъявляют следующие требования: минимальное значение _v; достаточно высокие механические свойства, главным образом предел прочности при растяжении _р и относительное удлинение при разрыве l/l; хорошая технологичность (способностью к пластическим деформациям, пайке, сварке); достаточно высокая стойкость к действию агрессивных сред. Материалы высокой проводимости применяют для изготовления обмоточных и монтажных проводов, различного вида токоведущих частей.

Наиболее распространенными материалами высокой проводимости в электротехнике являются: медь, алюминий, серебро и сплавы на их основе, а также железо и сплавы на его основе; в электронной технике также используют золото, платину, палладий.

Проводниковая медь является лучшим после серебра проводниковым материалом высокой проводимости. Широкое применение меди в качестве проводникового материала обусловлено рядом ценных свойств этого метала:

1. малое удельное электрическое сопротивление _v=0.017241 мкОм·м при 20⁰ С, что является электротехническим стандартом, по отношению к которому выражают _v других проводниковых материалов;

2. высокая механическая прочность;

3. удовлетворительная коррозионная стойкость;

4. хорошая технологичность.

Примеси других металлов (включая и серебро) резко снижают проводимость меди. Поэтому для основных марок проводниковой меди допускается содержание примесей не более 0.1% для марки М1 и 0.05% для марки М0.

Кроме того, содержание кислорода, существенно ухудшающего механические свойства меди, допускается не более 0.08% и 0.02% для соответствующих марок.

В электровакуумной технике применяют более чистую медь, не содержащую кислорода и летучих примесей (Zn, Pb, Bi); бескислородную медь марки М0. Она содержит не более 0,03% примесей. Еще более чистой является вакуумная медь марки МВ с содержанием примесей не более 0,01%.

Как проводниковый материал используют твердую медь марки МТ и мягкую медь марки ММ. Твердая (твердотянутая) медь при холодной прокатке (волочении) приобретает повышенную твердость, упругость, более высокий предел прочности растяжения, увеличивает величину _v. После отжига при температуре в несколько сотен градусов получают мягкую (отоженную) медь, которая пластична, имеет проводимость на (3-5)% выше чем у твердой меди, характеризуется большим удлинением при разрыве. К недостаткам отоженной меди следует отнести небольшую прочность и пониженную твердость.

Применение твердой и мягкой меди различно. Твердую медь применяют там, где требуется обеспечить высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость к истиранию: для изготовления коллекторных узлов электрических машин, контактных проводов, шин распределительных устройств и т.д.

Мягкую медь используют для изготовления обмоточных и монтажных проводов, токоведущих жил кабелей, где важны гибкость и пластичность, а прочность не имеет существенного значения.

Из специальных электровакуумных сортов меди изготавливают аноды мощных генераторных ламп, детали СВЧ-устройств. Медь достаточно дорогой и дефицитный материал.

В отдельных случаях помимо чистой меди в качестве проводниковых материалов используют ее сплавы: бронзы и латуни.

Бронзы—это медь с небольшим (до 10%) содержанием легирующих примесей: Sn, Si, P, Be, Cr, Mg, Ca и др. Она имеет более высокие механические свойства. Бронзы применяют при изготовлении токопроводящих пружинящих контактов и пружин точных приборов.

Латуни—это сплавы меди с цинком обладают достаточно высоким относительным удлинением при повышенном пределе прочности на растяжение по сравнению с чистой медью. Латунь применяют для изготовления различных токоведущих частей.

Проводниковый алюминий имеет удельное электрическое сопротивление 0,026 мкОм·м, т.е. оно в 1,63 раза выше _v меди. Но алюминий примерно в 3,5 раза легче меди. Следовательно, если сравнить по массе два отрезка алюминиевого и медного проводников одной и той же электропроводности, то окажется, что алюминиевый провод окажется легче медного примерно в два раза. Кроме того, преимущество алюминиевых проводов состоит в том, что они дешевые. Для электротехнических целей используют алюминий марки АЕ содержащий не более 0,5% примесей. Еще более чистый алюминий марки АВ00 содержит не более 0,03% примесей применяют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов электролитических конденсаторов. Алюминий наивысшей чистоты АВ000 используемый в полупроводниковом производстве содержит не более 0,001% примесей. Из алюминия прокатывается тонкая фольга (до 6-7 мкм), применяемая в качестве обкладок конденсаторов. Алюминий на воздухе активно окисляется и покрывается тонкой, плотной оксидной пленкой Al₂О₃ с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта.

Сплавы алюминия из них следует отметить сплавы содержащие магний (до 0,5%) и кремний (до 0,7%), железо (до 0,3%).

Серебро в нормальных условиях имеет самое малое удельное электрическое сопротивление (_v=0.016 мкОм·м) устойчиво к окислению. Высокое механические свойства серебра позволяют промышленно изготовить из него проводники различного диаметра вплоть до 15 мкм. Как проводник серебро используется в виде гальванических покрытий в проводниковых элементах ВЧ и СВЧ устройств. Особенностью серебра является его способность образовывать при выжигании или напылении прочные покрытия на диэлектрических материалах. Это свойство серебра широко используется при производстве малогабаритных конденсаторов. Однако необходимо учитывать, что при повышенных температурах и влажности атомы серебра способны мигрировать по поверхности и в объем диэлектрика, что может вызвать нарушение работы устройств. В чистом виде и в сплавах серебро широко используется как материал для изготовления различного рода контактов.

Железо (сталь)—наиболее дешевый и доступный материал, обладающий высокой механической прочностью, в ряде случаев используется в качестве проводникового материала. Даже чистое железо имеет более высокое по сравнению с медью и алюминием удельное электрическое сопротивление (_v=0.098 мкОм·м). Значение _v стали за счет наличия примесей еще выше. В переменных электрических полях в железе, как магнитном материале, сильно проявляется поверхностный эффект. Железо имеет высокий температурный коэффициент сопротивления (ТК=6·10^-3 К^-1). В связи с этим тонкая железная проволока, помещенная для защиты от окисления в баллон, заполненный водородом, применяется в барретерах (стабилизаторах тока).

Проводники из благородных металлов. Материалы этой группы (золото, платина, палладий) относятся к числу материалов с наибольшей химической стойкостью к агрессивным средам.

Золото обладает достаточно высокой электрической проводимостью (_v=0.024 мкОм·м) и исключительно высокой пластичностью, что позволяет получить фольгу толщиной 0.08 мкм. Это в 250 раз тоньше человеческого волоса. В электротехнике и электронной технике золото используют как контактный коррозионно устойчивый материал, для изготовление электродов фотоэлиментов, для вакуумного напыления пленочных микросхем.

Платина—светло-серый металл практически не взаимодействующий с кислородом и весьма стойкий к возникновению химически активных реагентов. Высокая пластичность платины позволяет получать из нее микропровод диаметром до 1 мкм и весьма тонкую фольгу. Сочетание ряда ценных свойств платины и ее сравнительно низкое удельное электрическое сопротивление (_v=0.105 мкОм·м) определяет ее широкое применение в электронной технике и приборостроении.

Платину в виде тонких нитей применяют для изготовления подвесок подвижных систем особо чувствительных приборов. Платину и особенно ее сплавы повышенной твердости используют как контактный материал. Платиносодержащие вещества применяют для вжигания контактных площадок, электродов, на керамических изделиях различного назначения. Платина дает вакуумно-плотные слои в точных измерительных и электровакуумных приборах.

Палладий по многим свойствам близок к платине и в ряде случаев служит ее заменителем. Величина _v=0.11 мкОм·м.