Проводниковые материалы

Введение 

В зависимости  от характера действия на тела электрического поля их можно разделить на проводники, диэлектрики и полупроводники. Свойства тел и поведение их в электрическом  поле определяются строением и расположением  атомов в телах. В состав атомов входят электрически заряженные частицы: положительные - протоны, отрицательные - электроны. В нормальном состоянии атом электрически нейтрален, так как число протонов, входящих в состав ядра атома, равно числу электронов, вращающихся вокруг ядра и образующих «электронные оболочки» атома. Электроны внешней валентной оболочки определяют электропроводность вещества. Энергетические уровни внешних валентных электронов образуют валентную, или заполненную зону. В этой зоне электроны находятся в устойчивом связанном состоянии. Чтобы освободить какой-либо электрон этой зоны, необходимо затратить некоторую энергию. Следовательно, электроны, находящиеся в свободном состоянии, занимают более высокие энергетические уровни. Зона более высоких энергетических уровней, расположенная выше валентной зоны и отделенная от нее запрещенной зоной, объединяет незаполненные, или свободные, энергетические уровни и называется зоной проводимости или зоной возбуждения. Чтобы электрон перенести из валентной зоны в зону проводимости, необходимо ему сообщить извне энергию. Ширина запретной зоны, которую должен преодолеть электрон, чтобы перейти из устойчивого состояния в свободное состояние (в зону проводимости), является одним из главных критериев разделения тел на проводники, полупроводники и диэлектрики. 

1. Проводниковые  материалы 
 

1.1. Общие сведения 
 

В качестве проводников  электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы. К проводниковым материалам в электротехнике относятся металлы, их сплавы, контактные металлокерамические композиции и электротехнический уголь. Важнейшими практически применяемыми в электротехнике твердыми проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы, характеризующиеся электронной проводимостью; основной параметр для них - удельное электрическое сопротивление в функции температуры. 

Диапазон удельных сопротивлений металлических проводников  весьма узок и составляет от 0,016 мкОм_м  для серебра до 1,6 мкОм_м для  жаростойких железохромоалюминиевых сплавов. Электрическое сопротивление графита с увеличением температуры проходит через минимум с последующим постепенным повышением. 

По роду применения проводниковые материалы подразделяются на группы: 

проводники с  высокой проводимостью - металлы  для проводов линий электропередачи и для изготовления кабелей, обмоточных и монтажных проводов для обмоток трансформаторов, электрических машин, аппаратуры и пр.; 

конструкционные материалы - бронзы, латуни, алюминиевые  сплавы и т.д., применяемые для  изготовления различных токоведущих частей; 

сплавы высокого сопротивления - предназначаемые для  изготовления дополнительных сопротивлений  к измерительным приборам, образцовых сопротивлений и магазинов сопротивлений, реостатов и элементов нагревательных приборов, а также сплавы для термопар, компенсационных проводов и т.п.; 

контактные материалы - применяемые для пар неразъемных, разрывных и скользящих контактов; 

материалы для  пайки всех видов проводниковых  материалов. 

Механизм прохождения  тока в металлах обусловлен движением (дрейфом) свободных электронов под воздействием электрического поля; поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода. 

Электрическое сопротивление проводников 

Электрическое сопротивление обусловлено тем, что свободные электроны при дрейфе взаимодействуют с положительными ионами кристаллической решетки металла. При повышении температуры учащаются соударения электронов с ионами, поэтому сопротивление проводников зависит от температуры. Сопротивление проводников зависит от материала проводника, т.е. строение его кристаллической решетки. Для однородного цилиндрического проводника длиной l и площадью поперечного сечения S сопротивление определяется по формуле 

R = ?_l/S (1.) 

где ?=RS/l - удельное сопротивление проводника (сопротивление однородного цилиндрического проводника, имеющего единичную длину и единичную площадь поперечного сечения). 

Единица сопротивления - Ом. 

1 Ом: Ом - сопротивление  проводника, по которому при напряжении 1 В течет ток 1 Ом=1 В/А. 

Величина ?=1/?, обратная удельному сопротивлению, называется удельной электрической проводимостью  проводника. 

Единица электрической  проводимости - сименс (См). 

Сименс - электрическая  проводимость проводника сопротивлением 1 Ом, т.е. 1 См=1 Ом??. Из формулы (1.1) следует, что единицей удельного сопротивления является Ом-метр (Ом _м).  

Таблица 1.1 Удельное сопротивление наиболее распространенных проводников 

Материал ?, 10? Ом•м Характеристика материала  

Серебро 1,6 Наилучший  проводник 

Медь 1,7 Применяется наиболее часто 

Алюминий 2,9 Применяется  часто 

Железо 9,8 Применяется  редко  
 
 

Удельное электрическое  сопротивление проводника зависит  не только от рода вещества, но и от его состояния. Зависимость удельного  сопротивления ? от температуры выражается формулой 

? = ?0 (1+ ?t), (1.2) 

где ?0 - удельное сопротивление при 0°C; t - температура (по шкале Цельсия); ? - температурный  коэффициент сопротивления, характеризующий  относительное изменение сопротивления  проводника при нагревании его на 1°C или 1 K: 

? = (?-?0)/?0t. (1.3) 

Температурные коэффициенты сопротивления веществ  различны при разных температурах. Однако для многих металлов изменение ? с температурой не очень велико. Для всех чистых металлов ? ? 1/273 K?? (или  °C??). 

Зависимость сопротивления металлов от температуры положена в основу устройства термометров сопротивления. Они используются как при очень высоких, так и при очень низких температурах, когда применение жидкостных термометров невозможно. 

Из понятия  о проводимости проводника следует, что чем меньше сопротивление проводника, тем больше его проводимость. При нагревании чистых металлов их сопротивление увеличивается, а при охлаждении - уменьшается.  

В 1911 г. Голландский  физик Камерлинг-Оннес провел опыты  с ртутью, которую можно получить в чистом виде. Он столкнулся с новым, совершенно неожиданным явлением. Удельное сопротивление ртути при температуре 4,2 K (около -269°C) резко упало до такой малой величины, что его практически стало невозможно измерить. Это явление обращения электрического сопротивления в нуль Камерлинг-Оннес назвал сверхпроводимостью. 

В настоящее  время сверхпроводимость обнаружена у более чем 25 металлических элементов, большого числа сплавов, некоторых  полупроводников и полимеров. Температура Tкр перехода проводника в сверхпроводящее состояние для чистых металлов лежит в пределах от 0,14 K для иридия до 9,22 K для ниобия.  

Движение электронов в металле, находящемся в состоянии  сверхпроводимости, является до такой  степени упорядоченным, что электроны, перемещаясь по проводнику, почти не испытывают соударений с атомами и ионами решетки. Полное объяснение явления сверхпроводимости можно дать с позиций квантовой механики. 

Кроме чисто  электротехнических свойств, для проведения необходимой технологической обработки и обеспечения заданных сроков службы в эксплуатации, проводниковые материалы должны обладать достаточной нагревостойкостью, механической прочностью пластичностью. 
 

1.2. Медь 
 

Чистая медь по электрической проводимости занимает следующее место после серебра, обладающего из всех известных проводников наивысшей проводимостью. Высокая проводимость и стойкость к атмосферной коррозии в сочетании с высокой пластичностью делают медь основным материалом для проводов. 

На воздухе  медные провода окисляются медленно, покрываясь тонким слоем окиси CuO, препятствующим дальнейшему окислению меди. Коррозию меди вызывают сернистый газ SO2, сероводород H2S, аммиак NH3, окись азота NO, пары азотной кислоты и некоторые другие реактивы. 

Проводниковую медь получают из слитков путем гальванической очистки ее в электролитических ваннах. Примеси даже в ничтожных количествах, резко снижают электропроводность меди, делая ее малопригодной для проводников тока, поэтому в качестве электротехнической меди применяют лишь две ее марки МО и М1. 

Почти все изделия  из проводниковой меди изготавливаются  путем проката, прессования и  волочения. Так, волочением могут быть изготовлены провода диаметром  до 0,005 мм, ленты толщиной до 0,1 мм и  медная фольга толщиной до 0,008 мм. 

Проводниковая медь применяется как в отожженном после холодной обработки виде (мягкая медь марки ММ), так и без отжига (твердая медь марки МТ). 

При температурах термообработки выше 900°C вследствие интенсивного роста зерна механические свойства мели резко ухудшаются. 

В целях повышения предела ползучести и термической устойчивости медь легируют серебром в пределах 0,07 - 0,15%, а также магнием, кадмием, цирконием и другими элементами. 

Медь с присадкой  серебра применяется для обмоток  быстроходных и нагревостойких машин  большой мощности, а медь, легированная различными элементами, используется в коллекторах и контактных кольцах сильно нагруженных машин. 

1.3. Латуни 
 

Сплавы меди с цинком, называемые латунями, широко используются в электротехнике. Цинк растворяется в меди в пределах до 39%. 

В различных  марках латуни содержание цинка может  доходить до 43%. Латуни, содержащие до 39% цинка, имеют однофазную структуру  твердого раствора и называются ?-латунями. Эти латуни обладают наибольшей пластичностью, поэтому из них изготавливают детали горячей или холодной прокаткой и волочением: листы, ленты, проволоку. Без нагрева из листовой латуни методом глубокой вытяжки и штамповкой можно изготовить детали сложной конфигурации. 

Латуни с содержанием  цинка свыше 39% называют ?+?-латунями или двухфазными и применяют главным образом для фасонных отливок. 

Двухфазные латуни являются более твердыми и хрупкими и обрабатываются давлением только в горячем состоянии. 

Присадка к  латуням олова, никеля и марганца повышает механические свойства и антикоррозионную устойчивость, а добавки алюминия в композиции с железом, никелем и марганцем сообщают латуням кроме улучшения механических свойств и коррозионной стойкости высокую твердость. Однако присутствие в латунях алюминия затрудняет пайку, а проведение пайки мягкими припоями становится практически невозможным. 

Латуни марок  Л68 и Л63 вследствие высокой пластичности хорошо штампуются и допускают гибку, легко паяются всеми видами припоев. В электромашиностроении широко применяются для различных токоведущих частей; 

латуни марок  ЛС59-1 и ЛМЦ58-2 применяются для  изготовления роторных клеток электрических  двигателей и для токоведущих  деталей, изготовленных резанием и  штамповкой в горячем состоянии; хорошо паяются различными припоями; 

латунь ЛА67-2,5 применяется для литых токоведущих деталей повышенной механической прочности и твердости, не требующих пайки мягкими припоями; 

латуни ЛК80-3Л  и ЛС59-1Л широко применяются для  литых токоведущих деталей электрической  аппаратуры, для щеткодержателей  и для заливки роторов асинхронных двигателей. Хорошо воспринимают пайку различными припоями. 

1.4. Проводниковые  бронзы 
 

Проводниковые бронзы относятся к медным сплавам, необходимость применения которых  в основном вызвана недостаточной  в ряде случаев механической прочностью и термической устойчивостью чистой меди.