Введение
На сегодняшний день в качестве проводников электрического тока используются твердые тела, жидкости и даже при определенных условиях газы. Наиболее практически применяемыми в электротехнике твердыми веществами являются металлы и их сплавы. Из металлических проводниковых материалов можно выделить две группы: с высокой проводимостью – при удельном сопротивлении не более 0,05 мкОм×м, и с большим сопротивлением – удельное сопротивление которых не менее 0,3 мкОм×м. Стоит отметить тот факт, что металлы с высокой проводимостью используются для проводов, кабелей, обмоток, электрических машин, трансформаторов и т.п. А металлы с высоким сопротивлением находят свое применение для изготовления резисторов, электронагревательных приборов, нитей ламп накаливания и т.п. Не упустим тот момент, что механизм прохождения тока в металлах обусловлен движением свободных электронов под воздействием электрического поля, поэтому металлы называют проводниками первого рода, т.е. с электронной проводимостью. Проводниками же второго рода являются электролиты, т.е. с ионной проводимостью.
Свойства проводников
Выделим важнейшие характеристики проводниковых материалов и кратко ознакомимся с ними.
1) Удельная проводимость «g» и обратная ей величина – удельное сопротивление «r». Проводимость определяется формулой: g=nqv, где n – количество электронов, q – заряд, v – подвижность. Так же выделим формулу для удельного сопротивления: r=RS/L, R – сопротивление проводника, S – сечение, L – длинна.
2) Температурный коэффициент удельного сопротивления – ТКr. С помощью данной характеристики мы можем установить, что, чем выше температура, тем выше удельное сопротивление.
3) ЭДС (контактная разность потенциалов). Данная характеристика заключается в том, что взяв два металлических проводника, у которых разные параметры проводимости и сопротивления, между ними возникает разность потенциалов. Стоит отметить, что если температура «спаев» одинакова, то сумма разности потенциалов в замкнутой цепи будет равна нулю, но иначе дело обстоит, когда один из спаев имеет другую температуру по отношению к другому, тогда возникает термо-ЭДС.
4) Температурный коэффициент линейного расширения проводников. Данная величина интересна тем, что при рассмотрении работы различных сопряженных материалов в той или иной конструкции, т.е. возможность растрескивания или нарушения вакуум-плотного соединения со стеклами, керамикой или при изменении температуры и т.п.
5) Удельное сопротивление сплавов. Сразу отметим тот факт, что примеси и нарушение правильной структуры металлов влияют на увеличения их удельного сопротивления. Значительное возрастание величины «r» наблюдается при сплавлении двух металлов в том случае, если они образуют друг с другом твердый раствор, т.е. совместно кристаллизуются, это когда атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого.
6) Теплопроводность металлов. Носителями тепловой энергии являются электроны, которые определяют электропроводность материала.
Материалы высокой проводимости
В данной главе подробно рассмотрим наиболее применяемые на практике проводники – медь и алюминий, а так же их сплавы с другими металлами. Но сперва выделим материалы: золото и серебро, они обладают очень высокими параметрами проводимости, но из-за своей дороговизны не находят широкого применения в производстве, в основном встретить данные металлы можно в контактах.
Медь. Металл красного цвета, порядковый номер в таблице Менделеева – 29, температура плавления равна 1083 градуса по шкале Цельсия, величина «r» = 0,017 мкОм×м. В чистом виде, данный материал получают электролизом. Медь имеет широкое применение в качестве проводникового материала благодаря следующим факторам: малое удельное сопротивление, высокая механическая прочность, стойкость к коррозии, хорошая обрабатываемость (прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может достигать до тысячной доли миллиметра), относительная легкость пайки и сварки. Стоит отметить, что медь бывает твердой и мягкой. Выделим тот факт, что твердая медь используется там, где необходимо обеспечить высокую механическую твердость, прочность и сопротивляемость истиранию (для контактных проводов, коллекторных пластин электрических машин, шин распределительных устройств). Мягкая медь, в свою очередь, используется в качестве токопроводящих жил, кабелей и обмоточных проводов, там, где важна гибкость и пластичность.
К сожалению, медь является сравнительно дорогим и дефицитным материалом, как проводник она все чаще заменяется другими металлами, в особенности алюминием.
Сплавы меди. Выделим тот факт, что в качестве проводниковых материалов используются сплавы меди с оловом, кремнием, хромом, магнием, кадмием. Данные сплавы, носящие название – бронз, при правильно подобранном составе имеют значительно высокие показатели механических свойств, чем чистая медь. Интересно, что бронзы широко используются для изготовления токопроводящих пружин. Введение в медь кадмия при сравнительно малом снижении удельной проводимости значительно повышает механическую прочность и твердость. Данную бронзу используют для контактных проводов, коллекторных пластин. Обратим свое внимание на сплав меди с цинком – латунь, которая обладает интересным качеством: высоким удлинением перед разрывом при повышенном по сравнению с чистой медью пределе прочности при растяжении. Латунь применяется в электротехнике для изготовления токопроводящих деталей.
Алюминий – металл серебристо серого цвета, 13-й номер в таблице Менделеева, температура плавления 660 градусов по Цельсию, величина удельного сопротивления равна 0,028 мкОм×м. Данный материал обладает пониженными свойствами – как механическими, так и электрическими, по сравнению с медью. При одинаковых сечении и длине электрическое сопротивление алюминиевого провода будет больше, чем медного. Следовательно, чтобы получить алюминиевый провод такого же электрического сопротивления, как и медный, нужно взять его сечение в 1,63 раза большим, так же диаметр должен быть в 1,3 раза больше диаметра медного провода. Отсюда понятно, что если ограничены габариты, то замена меди алюминием затруднена. Если же сравнить по массе два отрезка алюминиевого и медного проводов одной длины и одного и того же сопротивления, то окажется, что алюминиевый провод хотя и толще медного, но легче его приблизительно в два раза, в чем и заключается преимущество серебристого металла. Исходя из совокупности выше перечисленных фактов получается, что для изготовления проводов одной и той же проводимости при определенной длине алюминий выгоднее меди в том случае, если цена тонны алюминия дороже тонны меди не более, чем в два раза. Стоит отметить, что алюминий менее дефицитен, чем медь.
Интересен тот факт, что для электротехнических целей используют алюминий, содержащий не более 0,5% примесей. Более чистый алюминий с маркировкой АВ00 применяют для создания алюминиевой фольги, электродов, корпусов оксидных конденсаторов. Выделим то, что примеси в различной степени снижают проводимость. Весьма интересно, что алюминий активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой, которая создает большое сопротивление, эта пленка предохраняет металл от коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта.
Алюминиевые сплавы обладают очень высокой механической прочность. Например, сплав «альдрей», который получает своё свойство благодаря закалке-катанке. Сталеалюминиевый провод, широко применяемый в линиях электропередачи, который представляет из себя сердечник, свитый и из стальных жил обвитый снаружи алюминиевой проволокой. В проводах такого типа механическая прочность определяется стальным сердечником, а электрическая проводимость — алюминием. Увеличенный наружный диаметр сталеалюминиевого провода по сравнению с медным на линиях передачи высокого напряжения является преимуществом, потому что уменьшается опасность возникновения короны вследствие снижения напряженности электрического поля на поверхности провода.
Нельзя обойти стороной и такой сплав, как дюралюминий. Данный материал – высокопрочный сплав на основе алюминия с добавками меди, магния и марганца, который получают с помощью определенной термообработки. Дюралюминий – основной материал в авиации, космонавтике и других областях, где принципиальную роль играет минимальная масса конструкции.