16.Проводниковые материалы.

Это материалы, обладающие электропроводностью. Важными проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы. Они делятся на следующие группы.

1) Металлы высокой проводимости (токоведущие части устройств, аппаратуры, провода, обмотки, монтажные детали); 2) сплавы высокого сопротивления (реостаты, доп сопротивления, нагревательные элементы); 3) контактные материалы (эл контакты); 4) конструкционные материалы для различного назначения; 5) материалы для пайки.

Основные свойства проводников. 1) удельная проводимость  или удельное сопротивление (обратная ее величина) .

Известно, что I=E, I – плотность тока, Е – напряженность эл поля, []=см*м , R – сопротивление проводника, S – поперечное сечение, l – длина проводника.

Диапазон значений удельного сопротивления проводников узок: от 0,016 для серебра и железо- хлор- до 10 мкОм*м – для алюминиевых сплавов.

2) Температурный коэффициент удельного сопротивления: , всегда положителен.

Коэффициент удельного сопротивления для чистых металлов в тв. состоянии близок к температурному коэффициенту линейного расширения идеальных газов.

Повышенным коэффициентом удельного сопротивления обладают ферромагнитные материалы.

3) Коэффициент теплопроводности _Т, _Т для металлов больше, чем у диэлектриков. При повышении Т, когда подвижность электронов уменьшается, и уменьшается удельная проводимость . Отношение коэффициента теплопроводности _Т к его удельной проводимости  должно увеличиваться законом Видемана-Франца-Лоренци: , Т – термодинамическая температура; L₀ – число Лоренца, равное 2,45*10^-8 В²/К². этот закон выполняется для всех металлов, исключение составляет Mg и Be.

4) Контактная разность потенциалов и термо-ЭДС.

При соприкосновение 2-х проводников между ними возникает контактная разность потенциалов. Это объясняется различными работами выхода электронов из металлов и разной концентрацией электронов у металлов

, где U_a, U_b - потенциалы металлов а и b, п_0а , n_0b – концентрации электронов, k – постоянная Больцмана.

Если температура спаев одинаковы, то сумма разности потенциалов равна нулю.

Если один спай имеет температуру Т₁, а другой - Т₂, в этом случае термо-ЭДС равна:

Контактная разность потенциалов: - постоянный коэффициент термо-ЭДС для пары проводников.

5) Работа выхода электрона из металла.

6) Предел прочности при растяжении _р и относительное удлинение перед разрывом

Температурный коэффициент линейного расширения . По этой формуле рассчитывают коэффициент линейного расширения и необходимо для расчета температурного коэффициента сопротивления провода .

Механические свойства характеризуются также хрупкостью и твердостью металла.

Материалы высокой проводимости. Первым металлом с наибольшей проводимостью является серебро. Его твердость невелика и оно легко деформируется. t_плав=960 С. При обычных температурах серебро окисляется медленно, а при повышенных – интенсивно. В присутствии сернистых соединений поверхность серебра покрывается слоем сернистого серебра, обладающего большим сопротивлением.

Серебро применяется. Для изготовления электродов керамических и слюдяных к-ров, для покрытия медных обмоточных проводов, катушек индуктивности высокой частоты, для токоведуших элементов печатных плат, а также в контактных слаботочных и сильноточных.

Следующий материал - медь – это второй металл после серебра. Ее проводимость зависит от чистоты. Примеси снижают проводимость. Преимущество меди: 1) малое удельное сопротивление; 2) высокая механическая прочность; 3) достаточно хорошая стойкость к коррозии. При коррозии медь покрывается тонкой пленкой окиси, которая предохраняет от дальнейшего окисления меди. Сильно коррозирует при окислении сероводородом, аммиаком и серной кислотой при t>150 C.

4) хорошая обрабатываемость (медь прокатывается в листы, ленту, проволоку разной толщины, фольгу). В виду большой вязкости меди особенно отожженной ее механическая обработка (точение, сверление) затруднена.

5) относительная легкость пайки и сварки.

В чистом виде медь имеет розово-красный цвет (красная) медь. Чем больше примесей, тем темнее медь. t_плав=1083 С. Примеси сильно влияют на электропроводность. Железо, кремний, фосфор снижают электропроводность на 60%. Примеси сильно влияют на физические свойства. Особенно вредит висмут, который делает медь ломкой, сера – хрупкой, мышьяк уменьшает вязкость. Медь получают переработкой сульфидных руд. Для электротехнических целей применяют электролитическую медь двух видов: тв. медь (ТМ), мягкую медь (ММ).

Медь по содержанию примеси делят на:

• безкислородную (МО)

• кислородосодержащую (М₁)

Тв. медь применяется для голых проводов связи, ЛЭП, коллекторные пластинки.

Медь МО содержит примеси не больше 0,05% , и в том числе и кислорода не более 0,02%.

В меди М₁ чистой меди 99,9%. Повышенное содержание в ней кислорода приводит к хрупкости. Мягкая медь применяется для обмоточных проводов, жил, кабелей.

Из МО изготавливают тонкую проволоку (микропроволоку и фольгу). Широкое применение находит не сама медь, а ее сплавы: латунь, бронза, нийзильбег, манганат, константан.

Латунь- сплав цинка (цинк от 20-55%). При меньшем содержании цинка латунь мягче, пластичнее, при большем – тверже и прочнее. Латунь, содержащая не более 25% цинка называется томпаком. Латунь окисляется на холоде и при нагреве меньше, чем медь. механическая прочность латуни больше, электропроводность составляется 25% от латуни в чистом виде.

Л-59(процент меди), ЛС-59-1 (процент свинца). Применяется для изготовления проволоки, листов, ленты, детали, требующей глубокой выдержки (экраны контура)

Бронза – сплав меди с оловом, кремнием, алюминием, кадмием, бирилием и др. легирующими электролитами. Бронза обладает лучшими литейными свойствами: малой усадкой, большой твердостью и механической прочностью и стойкостью к истиранию, по электрическая прочность больше, чем у меди. Применяют для проводов связи, антенных канатиков. В радиоэлектронике применяется кадмиевая, бериллиевая бронза. Бронза обозначается БрОФ7-0,2; 7% - олова, 0,2% - фосфора.

Кадмиевая бронза обладает хорошей электропроводностью, высокими механическими свойствами, особенно на износ. Нагрев до 250С не влияет на ее механические свойства. Бериллиевая бронза обладает высокой упругостью, механической прочностью, хорошей стойкостью к износу. Изготавливают: токонесущие пружины, зажимы, рубильники, выключатели.

Алюминий. Применяется как конструкционный материал. Он является одним из основных электротехнических материалов. Он менее дефицитен, обладает малым удельным весом, следовательно, чтобы получить алюминиевый провод с эл сопротивлением как у меди нужно увеличить в 3 раза диаметр. Алюминий серебристо-белого цвета, t_плав=675 С. На воздухе алюминий быстро окисляется, покрывается пленкой окисла, которая защищает его от дальнейшего окисления. Окислы алюминия безвредны. Алюминий растворяется в соляной кислоте. Выпускается в виде прутков, проволоки и фольги.

В зависимости от чистоты различают: 1) алюминий особой чистоты (А₉₉); 2) алюминий высокой чистоты (А₉₉₅); 3) алюминий технической частоты (технический алюминий).

3-й используется для трубопроводов, шин, конденсаторов, для корпусов часов, перегодки в комнатах и т.д.

2-й применяется для изготовления токоведущих и кабельных изделий

Альдрей – алюминиевый сплав с повышенной по сравнению с чистым алюминием прочностью, содержащий 0,3-0,5% -Mg, 0,4-0,7% - Si, 0,2-0,3 – Fe (прочнее алюминия). Высокие механические свойства альдрей приобретает после особой обработки (закалки катанки, охлаждения в воде от температуры 510-550 С, волочения и последующей выдержке при температуре п-ка 150 С. В альдрее образуется соединение Mg₂Si, которое придает сплаву высокие механические свойства. Т.О., альдрей сохраняя легкость чистого алюминия и будучи довольно близким к нему по удельной проводимости, в то же время по механической прочности сближается к твердотянутой меди.

Железо (сталь) Наиболее дешевый и доступный металл, обладающий к тому же высокой механической прочностью, используется в качестве проводникового материала. Однако железо имеет более высокое удельное сопротивление по сравнению с медью и алюминием.

Сталь как проводниковый материал используется также в виде шин, рельс, эл железных дорог и пр. Для сердечников стальалюминиевых проводов воздушных ЛЭП. Применяется особо прочная стальная проволока. Обычная сталь обладает малой стойкостью к коррозии даже при нормальной температуре она быстро ржавеет (особенно в условиях повышенной влажности), при увеличении температуры скорость коррозии резко возрастает. Поэтому поверхность стальных проводов должна быть защищена слоем более стойкого материала (например, цинком). Железо имеет высокий температурный коэффициент ТК_.