МАТЕРІАЛИ ВИСОКОЇ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ПРОВІДНОСТІ.

1. Характеристика матеріалів високої провідності.

2. Матеріали високої провідності, їх властивості і галузь застосування.

А) срібло

Б) мідь

В) алюміній.

3. Біметалічні і сталеалюмінієві провода. Їх властивості і застосування.

4. Надпровідники і кріопровідники: хімічний склад, властивості, застосування.

 

1. До матеріалів цього типу пред’являються такі вимоги:

- мінімальне значення питомого електричного опору;

- достатньо високі механічні властивості (головним чином межа міцності при розтягуванні і відносне подовження при розриві);

- здатність легко оброблюватися, що необхідно для виготовлення проводів малого і середнього перетину;

- здатність утворювати контакти з малим перехідним опором при паянні, зварюванні й інших методах з¢єднання проводів;

- корозійна стійкість.

Основною вимогою є максимальна питома провідність.

Найбільш розповсюдженими сучасними матеріалами високої провідності, які застосовують у електротехніці і радіоелектроніці, є кольорові метали (мідь, алюміній, цинк, олово, магній, свинець) і чорні метали (залізо), які використовуються у чистому вигляді. Ще ширше використовують сплави цих металів, так як вони мають кращі властивості і більш дешевші у порівнянні з чистими металами. Однак кольорові метали та їх сплави економічно доцільно використовувати у тих випадках, коли необхідні властивості виробів неможливо отримати, використовуючи чорні метали, чавун і сталь.

Для покращення властивостей кольорові метали підлягають термічній обробці – відпалу, гарту. Відпал впливає на м¢якість матеріалу і зменшує напругу у відливаннях. Гарт підвищує механічні властивості.

 

2. Серед матеріалів високої провідності найширше розповсюдження отримали срібло, мідь і алюміній.

А). Срібло - метал білого кольору, один з найдефіцитніших матеріалів. Воно має мінімальний питомий опір при нормальній температурі (r=0,016 мкОм м). Механічні характеристики срібла невисокі: твердість за Бринеллем складає всього 25, межа міцності при розриві не перевищує 200 МПа, відносне подовження при розриві досягає 50%. У порівнянні з іншими благородними металами (золото, платина) срібло має знижену хімічну стійкість, має тенденцію дифундувати в матеріал підложки, на який воно нанесено. В умовах високої вологості і при підвищених температурах процес дифузії срібла в матеріал підложки значно посилюється.

Срібло широко використовується в електротехніці і електроніці, а саме: при виробництві радіочастотних кабелів, що працюють у діапазоні високих частот, для захисту мідних провідників від окислення при температурах вище 250°С, для виготовлення електродів у виробництві керамічних і слюдяних конденсаторів, при виготовленні і застосуванні контактів і т.д.

Останнім часом споживання срібла перевищує виробництво первинного металу і заповнення його дефіциту за рахунок вторинного, необхідно дотримувати суворі заходи з економії.

Б) Мідь- метал червоного кольору, теж дуже дефіцитний. Отримав широке розповсюдження як провідниковий матеріал оскільки має: малий питомий опір, достатньо високу механічну міцність до корозії навіть в умовах підвищеної вологості, добру оброблюваність (легко прокатується в дріт малого діаметра), добру здатність до паяння і зварювання. В нормальних атмосферних умовах мідь достатньо стійка проти корозії, оскільки її хімічна активність невелика. Незначна корозія спостерігається тільки в соляній воді. При нагріванні міді до температури 200°С йде повільне її окислення з утворенням захисної плівки оксиду міді. Інтенсивне окислення міді починається при температурі вище 250°С.

Якнайменший питомий опір має хімічно чиста мідь. Наявність домішок у міді негативно впливає не тільки на механічні і технологічні властивості, але і значно знижує електропровідність. Найбільш небажаними домішками є вісмут і свинець, які майже нерозчинні в міді, це призводить до того, що мідь при обробці тиском при температурі 850-1150°С розтріскується, зменшується пластичність і при низьких температурах стає крихкою. Дуже шкідливо присутність у складі міді кисню, який сприяє утворенню оксиду і закису міді, що викликає підвищення питомого опору.

Мідь за хімічним складом поділяють на декілька марок: М1, М00к, М0к, М0ку, М00б, М0б, М1б, М1к, М1ф, М1р, к, ку - катодна мідь, б - безкиснева, у - катодна переплавлена, р і ф - розкислююча, цифри 00, 0 і 1 відображають вміст міді. Максимальний вміст міді мають марки М00к і М00б.

Мідь у вигляді проводів різного перетину і форми застосовується для виготовлення струмопровідних жил кабелів різного призначення, обмотувальних, монтажних проводів, у виробництві хвилеводів і т.д., стрічкова мідь широко використовується при екрануванні кабелів зв'язку і радіочастотних кабелів, так само з міді виготовляються контактні провода, шини розподільчих пристроїв, пластин колекторів електричних машин і т.д.

Оскільки в даний час мідь є порівняно дорогим і дефіцитним матеріалом, витрачання її ведеться дуже економно і при нагоді її замінюють на інші, менш дефіцитні.

У ряді випадків використовують сплави міді з невеликим вмістом легуючих компонентів.

При правильно підібраному складі бронзи мають значно більш високі механічні властивості, ніж чиста мідь. Тому більш складні деталі відливають з бронзи.

Кадмієву бронзу МК (0,9% кадмій, інше мідь) використовують для контактних проводів і колекторних пластин особливо відповідального значення, а також зварні електроди при контактних методах зварювання.

Маючи ще більшу, чим кадмієва бронза, механічну міцність, твердість і стійкість до механічного спрацювання, берилієва бронза не змінює своїх властивостей до температури приблизно 250^оС. Вона знаходить застосування при виготовленні відповідальних струмоведучих пружин для електричних приладів, щіткотримачів і ковзних контактів.

Фосфориста бронза відрізняється низькою електропровідністю. Із неї виготовляють мало відповідальні струмопровідні пружини в електроприладах.

Латуні – це мідні сплави, в яких основним легуючим елементом є цинк (до 43%). З них виготовляють контакти реле, екрани контурів, пластини повітряних конденсаторів змінної ємності, ковпачки радіотехнічних ламп.

В) Алюміній- метал, що займає друге місце (після міді) серед провідникових матеріалів і найпоширеніший у природі. Питомий опір провідникового алюмінію не перевищує 0,0289 мкОм м.

Алюміній, маючи велику спорідненість до повітря, легко окислюється на повітрі, покриваючись при цьому міцною оксидною плівкою, яка захищає метал від подальшого окислення і обумовлює його високу корозійну стійкість. На нього не діє водяний пар, прісна і морська вода. В звичайних умовах алюміній слабко реагує з концентрованою азотною кислотою. Проте при нагріванні він розчиняється в розбавленій сірчаній і азотній кислотах. Легко розчиняється в лугах, утворюючи при цьому алюмінати з виділенням водню.

У зв'язку з тим, що оксидна плівка має електроізоляційні властивості, в місці контакту дротів створюється достатньо великий перехідний опір, який утруднює паяння алюмінію звичайними методами. Для цієї мети доводиться використовувати спеціальні припої і паяльники (ультразвукові) або застосовувати холодне зварювання, тобто пластичне обтискання проводів у місці контакту.

return false">ссылка скрыта

Присутність домішок у складі алюмінію, серед яких найбільш часто зустрічаються залізо, кремній, мідь, цинк і титан, істотно знижують його питому провідність, впливають на механічні характеристики і обумовлюють його застосування.

Відповідно до кількісного вмісту контрольованих домішок промисловість випускає алюміній трьох марок: особливої чистоти (не більше 0,001%), високої чистоти (не більше 0,05%) і технічної чистоти (не більше 1,0%). Марка алюмінію починається з букви А, потім йде цифра, що визначає відсотковий вміст алюмінію. Так, наприклад, алюміній марки А97 містить 99,97% алюмінію, інше - контрольовані домішки. Для електротехнічної мети використовують спеціальні марки алюмінію А5Е і А7Е, в яких зміст заліза, кремнію знаходиться в певному співвідношенні, а вміст титана, ванадію, хрому і марганцю понижений до тисячних часток відсотка.

Провідниковий алюміній використовується для виготовлення струмопровідних жил обмотувальних, монтажних і установочних проводів, а також неізольованих проводів для повітряних ліній електропередачі, пресованих жил кабелів різного призначення.

Сплави алюмінію відрізняються легкістю і підвищеною механічною міцністю в порівнянні з алюмінієм. До складу алюмінієвих сплавів, крім алюмінію, можуть входити марганець, цинк, магній, мідь, залізо і кремній, причому вміст заліза і кремнію у складі сплаву не повинен перевищувати 0,7 і 0,3% відповідно.

Магналій застосовується для виготовлення стрілок різних електрорадіотехнічних приладів. Силуміни (група ливарних сплавів) містять кремній, мідь і марганець і використовуються для корпусів повітряних конденсаторів. Дюраль належить до деформованих сплавів алюмінію з міддю, магнієм і марганцем. Алдрей (0,3%-0,5% міді, 0,4-0,7 кремнію, 0,2-0,3 заліза, інше алюміній) практично зберігає легкість алюмінію і досить близький до нього за питомим опором, у той же час за механічною міцністю наближається до твердотягнутої міді. Його використовують для виготовлення проводів малонавантажених ліній електропередач.

 

2. Для зменшення витрати кольорових металів у провідникових конструкціях вигідно застосовувати провідниковий біметал. Це сталь, покрита зовні шаром міді, причому обидва метали сполучені один з одним міцно і безперервно по всій поверхні. Для виготовлення застосовують два способи: гарячий, коли сталеву болванку ставлять у форму, а проміжок між болванкою і стінками форми заливають розплавленою міддю; отриману після охолоджування біметалічну болванку піддають прокатці і протяжці і холодний, або електролітичний, коли мідь осаджують електролітично на сталевий провід, що пропускається через ванну з купоросом.

Біметал має механічні і електричні властивості. проміжні між властивостями суцільного мідного і суцільного сталевого провідника того ж перетину: міцність більш, ніж у міді, але електропровідність менше. Розташування міді в зовнішньому шарі, а сталі всередині, а не навпаки дуже важливо: з одного боку, при змінному струмі досягається більш висока провідність всього дроту в цілому, з іншою - мідь захищає розташовану під нею сталь від корозії.

Біметалічний дріт випускається зовнішнім діаметром від 1 до 4 мм із вмістом міді не менше 50% і застосовується для ліній електропередачі, для виготовлення шин для розподільних пристроїв, смуги для рубильників і різних струмопровідних частин електроапаратів.

Сталеалюміневий провід широко застосовується в лініях електропередачі. Це сердечник, звитий із сталевих жил і обвитий зовні алюмінієвим дротом. В цих дротах механічна міцність визначається сталевим сердечником, а електропровідність - алюмінієм.

 

3. У 1911 році голландський вчений Хамерлінг-Омменс знайшов, що при охолоджуванні до температури 4,2 К опір кільця із замороженої ртуті раптово різким стрибком падає до надзвичайно малого (практично невимірного) значення. Це зникнення електричного опору, тобто появи практично нескінченної питомої провідності матеріалу, було названо надпровідністю,а температура при охолоджуванні, при якій відбувається перехід речовини в надпровідний стан - температурою надпровідникового переходу.

Явище надпровідності металів можна пояснити таким чином. При температурах, близьких до абсолютного нуля, міняється характер взаємодії електронів між собою і атомними гратками, так що стає можливим притягання однойменно заряджених електронів і утворення так званих електронних (куперовських) пар. Оскільки куперовські пари в стані надпровідності мають велику енергію зв'язку, обміну енергетичними імпульсами між ними і гратками не спостерігається. При цьому опір металу стає практично рівним нулю. Із збільшенням температури деяка частина електронів термічно збуджується і переходить в одиночний стан, характерний для звичайних металів. Досягши критичної температури (Тк), всі куперовські пари розпадаються і стан надпровідності зникає. Аналогічний результат спостерігається при певному значенні магнітного поля (критичної напруженості Нкр або критичної індукції Вкр), яке може бути створене як власним струмом, так і сторонніми джерелами. Критична температура і критична напруженість магнітного поля є взаємозв'язаними величинами.

Окрім ртуті були знайдені й інші матеріали (не тільки чисті метали, але і різні хімічні з'єднання), здатні при охолоджуванні до достатньо низької температури переходити в надпровідний стан і отримали назву надпровідників. У даний час відомі 35 надпровідникових металів і більше тисячі надпровідникових сплавів і хімічних з'єднань різних з'єднань різних елементів. Встановлені так само надпровідні властивості у деяких напівпровідників. У той же час для багатьох провідникових матеріалів, таких як срібло, мідь, золото, платина та ін., навіть при дуже низьких температурах досягти надпровідного стану поки не вдалося. Деякі з надпровідникових матеріалів, що представляють практичний інтерес, представлені в таблиці 4.1.

За фізико-хімічними властивостями елементарні надпровідники (чисті метали) прийнято ділити на дві групи: «жорсткі» - Ta, Ti, Zr, Nb і «м'які» - Hg, Sn, Pb, In. Для м'яких надпровідників характерні низькі температури плавлення і відсутність внутрішніх механічних напруг, тоді як жорсткі надпровідники відрізняються наявністю значних внутрішніх напруг.

Надпровідникові матеріали отримали достатньо широке застосування в різних областях науки і техніки. Їх використовують для створення надсильних магнітних полів у достатньо великій області простору; для виготовлення обмоток електричних машин і трансформаторів, що мають малу масу і габарити, але дуже високий ККД; надпровідних кабелів для могутніх ліній передачі енергії: хвилеводів з дуже малим загасанням; могутніх накопичувачів електричної енергії; пристроїв пам'яті і керування.

 

Таблиця 4.1 – Надпровідникові матеріали.

 

Надпровідники	Критична температура °С	Критична індукція, Тл
Елементарні: іридій алюміній олово індій ртуть тантал ванадій свинець ніобій З'єднання: галлід ванадію станіт ніобія	-272,86 -271,80 -269,30 -269,60 -268,80 -268,50 -267,70 -265,80 -263,60   -259,00 -255,00	0,002 0,010 0,031 0,030 0.046 0.083 0.130 0.080 0.195   50.00 22.00

 

До числа кріопровідниківналежатьматеріали, які при глибокому охолоджуванні (нижче -173°С) набувають високої електричної провідності, але не переходять у надпровідний стан. Це пояснюється тим, що при низькій температурі питомий опір провідника обумовлений, як правило, наявністю домішок і фізичними дефектами граток. Оскільки складова питомого опору, обумовлена розсіюванням енергії за рахунок теплових коливань граток, дуже мала, для кріопровідників необхідно застосовувати добре відгартований метал високої чистоти, який має мінімальний питомий опір у робочому діапазоні температур від -240 до -190°С.

Кріопровідники застосовуються в основному для виготовлення струмопровідних жил кабелів і дротів, що працюють при температурах рідких водню (-252,6°С), Неону (-245,7°С) і азоту (-195,6°С).