Проводниковые материалы.

В зависимости от удельного электрического сопротивления и применения проводниковые материалы подразделяют на следующие группы:

• Металлы и сплавы высокой проводимости;
• Припои;
• Сверхпроводники;
• Контактные материалы;
• Сплавы с повышенным электрическим сопротивлением.

Металлы и сплавы высокой проводимости.

Требования. Кроме высокой электрической проводимости (малое электрическое сопротивление) эти материалы должны иметь: достаточную прочность, пластичность, которая определяет технологичность, а также коррозионную стойкость в атмосферных условиях и в некоторых случаях высокую износостойкость. Кроме того, металл должен хорошо свариваться и подвергаться пайке для получения соединений высокой надёжности и электрической проводимости.

Практическое применение имеют химически чистые металлы: Cu, Al, Fe.

^ Электрические свойства металлов при 20^оС.

м едь – проводниковый материал. ГОСТ 859-78. Наиболее чистая бескислородная медь М00б, М0б, М1.

Наиболее вредная примесь в меди – кислород. Он ухудшает проводимость, вызывает растрескивание и понижает прочность. Медь указанных марок используют в виде проката: проволок разных диаметров, шин, полос и прутков.
Прокат из меди М1 поставляется либо в отожжённом, либо в нагартованном состоянии.
Отожжённая медь имеет более высокую проводимость и используется для обмоточных проводов и кабельных изделий.
Нагартованная медь имеет большую прочность и используется для подвесных токонесущих и контактных проводов, коллекторных пластин.
Для изделий, от которых требуется прочность выше 400 МПа, используется латуни и бронзы с кадмием и бериллием, обеспечивающими большие прочность и износостойкость, чем медь, при некоторой потере электрической проводимости.

Алюминий – высокой чистоты АД0ч, в котором общее содержание примесей составляет 0,02%, и алюминий технической чистоты АД000, АД00, АД0, в котором примесей соответственно 0,2; 0,3; 0,5%, используют в электротехнике ГОСТ 4784-74.
Алюминий уступает меди в электрической проводимости и прочности, но он значительно легче, больше распространён в природе. При замене медного провода алюминиевым последний должен иметь диаметр в 1,3 раза больше, но масса его и в этом случае будет в 2 раза меньше.
Алюминий используют в отожжённом или нагартованном состоянии. Легирование алюминия Mg и Si в небольших количествах (менее 1% каждого) несколько ухудшает электрическую проводимость, но упрочняет сплав, практически не ухудшая пластичность и коррозионную стойкость: σ_в = 350МПа при ρ = 0,032 мкОм _* м.
Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью вследствие образования на поверхности оксидной плёнки Al₂O₃. Но эта плёнка затрудняет пайку, требуются специальные припои. Места контакта алюминиевого провода с медным покрывают лаком для защиты от атмосферной коррозии.

железо – значительно уступает меди и алюминию по проводимости, но имеет большую прочность, что в некоторых случаях оправдывает его применение как проводникового материала.
Используют низкоуглеродистые качественные стали (С < 0,15%), а также стали обыкновенного качества. Эти стали идут на изготовление шин, трамвайных рельсов, рельсов метро и железнодорожных дорог с электрической тягой. Сечение провода определяется не электрической проводимостью, а механической прочностью материала.

Биметаллический провод (стальной провод, покрытый медью) используют при передаче переменных токов повышенной частоты. Такая конструкция позволяет уменьшить электрические потери, связанные с ферромагнетизмом железа, и расход дефицитной меди. Проводимость определяет металл наружного слоя, так как токи повышенной частоты вследствие скин-эффекта (анг. skin – кожа) распространяются по наружному слою провода. Сердцевина из стали воспринимает силовую нагрузку. Наружный медный слой предохраняет железо от атмосферной коррозии.
Биметаллический провод используют в линиях связи и электропередачи. Изготовляют шины для распределительных устройств, различные токопроводящие части электрических аппаратов.

Припои. Сплавы, используемые при пайке металлов высокой проводимости, - припои должны обеспечивать небольшое переходное сопротивление (сопротивление контакта).

Различают припои двух типов:

• Для низкотемпературной пайки (Т_пл. < 400^оС)
• Для высокотемпературной пайки.

Требования к припоям:

• Припой должен иметь более низкую температуру плавления, чем металл, подвергающий пайке;
• Он должен хорошо смачивать металл;
• Температурные коэффициенты линейного расширения металла и припоя должны быть равны.

Для низкотемпературной пайки применяют оловянно-свинцовые и оловянно-цинковые припои ГОСТ 21931-76.
Марки ПОС-61 (сплав эвтектического типа, 61%Sn и 39%Pb); ПОС-18, ПОС-30, ПОС-40, ПОС-50.
ПОЦ-90 (90%Sn и 10%Zn); ПОЦ-70, ПОЦ-60, ПОЦ-40.
Для высокотемпературной пайки применяют медно-цинковые и медно-фосфористые припои ГОСТ 21737-78.
Марки ПМЦ-36 (цифра указывает содержание меди), ПМЦ-48, ПМЦ-54,
ПМФ7 (цифра указывает содержание фосфора). Можно пайку вести без флюса.

Припои, содержащие серебро (Ag), очень технологичны, так как обладают хорошей растворимостью и смачиваемостью; пригодны для пайки любых металлов и сплавов, обеспечивают соединения с хорошими механическими свойствами и имеют невысокое переходное сопротивление.
Марки ПСр-72, ПСр-61, ПСр-45, ПСр-10 (цифра указывает содержание серебра).

Сверхпроводники. Особую группу материалов высокой электрической проводимости представляют сверхпроводники.
С понижением температуры электрическое сопротивление (ρ) всех металлов монотонно падает. Есть металлы и сплавы, у которых электрическое сопротивление при критической температуре резко падает до нуля – материал становится сверхпроводником. Сверхпроводимость обнаружена у 30 элементов и около 1000 сплавов.
Переход металла в сверхпроводящее состояние связывают с фазовым превращением. Сверхпроводящее состояние разрушается не только в результате нагрева, но также в сильных магнитных полях и при пропускании электрического тока большой силы.

Из всех элементов, способных переходить в сверхпроводящее состояние, ниобий (Nb) имеет самую высокую критическую температуру перехода (9,17^оК или -263,83^оС).
Практическое использование нашли сверхпроводящие сплавы с высоким содержанием ниобия: 65БТ, 35БТ (ГОСТ 10994-74). Цифры показывают содержание Nb, остальное Ti, Zr.
Оба сплава применяют для обмоток мощных генераторов, магнитов большой мощности (например, поезда на магнитной подушке), туннельных диодов [гр. di дважды + (электр)oд] – электронный прибор с двумя электродами – катодом и анодом.

Контактные материалы.
Электрические контакты подразделяются на разрывные, скользящие и неподвижные. Основное требование для всех контактов – малое переходное электрическое сопротивление.
Разрывные контакты. Эти контакты предназначены для периодического замыкания и размыкания цепи и работают в наиболее трудных условиях. В процессе работы разрывных контактов возникает искра или электрическая дуга, что вызывает коррозию и электроэрозионный износ. В результате происходит окисление контакта. Это повышает переходное электрическое сопротивление, вызывает разогрев и сваривание (или прилипание) контакта.
Требования: материал для разрывных контактов должен иметь не большое переходное электрическое сопротивление, но и хорошее сопротивление коррозии и электроэрозионному изнашиванию.
В зависимости от электрической мощности разрывные контакты подразделяют на слабонагруженные, изготовляют из благородных металлов: золота, серебра, платины, палладия и их сплавов, и высоконагруженные, изготовляют из вольфрама, молибдена, их сплавов и порошковых композиций.
Скользящие контакты. К материалам для этих контактов предъявляются те же требования, что и для разрывных. Но основное требование – высокое сопротивление свариванию. Для этих контактов применяют композиции из порошков меди или серебра с небольшой добавкой графита, препятствующего свариванию (МГ3, МГ%, СГ3, СГ5). Цифра в марках указывает на содержание графита в процентах.
Неподвижные контакты. Эти контакты должны иметь низкое значение переходного электрического сопротивления, быть стабильным при небольших контактных усилиях. Поэтому для зажимных контактов выбирают коррозионно-стойкий материал, не образующий оксидных плёнок высокого электрического сопротивления на контактной поверхности. Это медь,латуньцинк.

Сплавы с повышенным электрическим сопротивлением.
Их используют для прецизионных { [< фр. рrecision точность] – отличающийся высокой точностью} элементов сопротивления и нагревательных элементов электрических приборов и печей.
Сплавы высокого сопротивления должны обладать малым температурным коэффициентом электрического сопротивления, а также высокой жаростойкостью, что особенно важно для нагревательных элементов.
В большинстве случаев сплавы используют в виде лент или проволоки, а поэтому они должны обладать хорошей пластичностью. Все сплавы с повышенным сопротивлением в зависимости от рабочей температуры делят на три группы:

• Рабочая температура не выше 500^оС. Используют для изготовления прецизионных элементов сопротивления. К ним относятся – медные сплавы, легированные Ni и Mn. ГОСТ 492-73. МНМц 40-1,5 – константан (Ni – 40%, Mn – 1,5%, остальное Cu). МНМц 3-12 – манганин. Общим недостатком медных сплавов является их склонность к окислению при нагреве, что изменяет переходное электрическое сопротивление. Поэтому часто используют сплавы на основе серебра, палладия, золота, платины.
• Рабочая температура не выше 1200^оС. Используют для элементов сопротивления и нагревательных элементов. Это сплавы на основе Fe и Ni. ГОСТ 10994-74. Х23Ю5 – хромаль (Cr – 23%, Al – 5%, остальное Fe). Х20Н80 – нихром. Сплавы на основе железа используют для реостатов и нагревательных элементов в мощных электронагревательных установках и промышленных печах.
• Рабочая температура выше 1200^оС (в вакуумных печах). Используют сплавы на основе тугоплавких металлов W, Mo, Ta. Для изготовления нагревателей электрических печей (до 1500^оС) применяют также керамические материалы.

1. Полупроводниковые материалы.

К полупроводниковым относятся материалы, обладающие удельным электрическим сопротивлением в пределах 10^-5 – 10⁸Ом ^. м. К таким материалам относятся 12 элементов (бор, алмаз, кремний, германий, олово, фосфор, мышьяк, сурьма, сера, селен, теллур, иод), представляющие простые полупроводники, а также многие химические соединения (карбид кремния – SiC, антимониды – ZnSb (цинк-сурьма), арсениды – GaS, сульфиды – ZnS, CdS, оксиды – ZnO, FeO).
Из простых полупроводников наиболее распространены германий и кремний.

Диэлектрики.

Важнейшими твёрдыми диэлектриками являются керамика, полимеры, стекло. В них преобладает ионный или ковалентный тип связи, нет свободных носителей зарядов. Их удельное электрическое сопротивление равно 10¹²-10²⁰ Ом ^. м. электрические свойства диэлектриков определяют область его применения: при этом принимаются во внимание механические свойства материала, его химическая стойкость и другие параметры.
Электрическая прочность диэлектрика характеризуется сопротивлением пробою. Пробой – это необратимое разрушение твёрдого диэлектрика под действием поля и потеря изолирующих свойств. Электрической прочностью или пробивной напряжённостью Е_пр называется отношение пробивного напряжения U_пр к толщине диэлектрика в месте пробоя.
Различают три вида пробоя:

• Электрический;
• Тепловой;
• Электрохимический.

Электрический пробой возникает вследствие ударной ионизации нарастающей лавиной электронов. Пробой наступает почти мгновенно (10^-7-10^-8 с) под действием поля большой напряжённости (свыше 1000 МВ/ м) независимо от нагрева диэлектрика. Обычно диэлектрик пробивается при включении напряжения или при его резком скачке.
Тепловой пробой наступает при комбинированном воздействии поля и нагрева, причём пробивная напряжённость Е_пр из-за повышения температуры диэлектрика снижается. Чем лучше отвод теплоты в окружающую среду, тем ниже температура диэлектрика и выше Е_пр. тепловой пробой ускоряется при повышении частоты (так как при этом возрастают потери) и замедления теплоотвода.
Электрохимический пробой наступает при длительном действии поля, сопровождающимся необратимыми изменениями в структуре диэлектрика и понижением его электрической прочности.

По химическому составу диэлектрики разделяют на органические и неорганические. К органическим относятся: полимеры, резина, шёлк; к неорганическим – слюда, керамика, стекло.

По электрическим свойствам диэлектрики подразделяют на низкочастотные (электротехнические) и высокочастотные (радиотехнические).

Требования, предъявляемые к диэлектрикам:

• Нагревостойкость – способность без ущерба для свойств выдерживать нагрев в течение длительного времени. Имеется семь классов (ГОСТ 8865-70).
• Гигроскопичность и влагопроницаемость. Образование токопроводящих плёнок на поверхности и в толще изделий понижает изолирующую способность и может закончится пробоем.
• Прочность диэлектриков. Особенности их механических свойств являются дополнительным критерием выбора материалов. Керамика, стекло – наиболее прочные диэлектрики, но они хрупкие.
• Стабильность структуры и свойств диэлектриков, что определяет сроки их эксплуатации. Наибольшую стабильность имеет керамика, в стёклах под влиянием поля мигрируют ионы щелочных металлов и образуются электропроводящие мостики.

Ответить на контрольные вопросы:

1. На какие группы делятся полупроводниковые материалы?

2. Какими свойствами должны обладать металлы и сплавы высокой проводимости? Какие металлы к ним относятся?

3. Что такое сверхпроводники?

4. Что такое припой? Виды припоев.

5. Какие бывают контактные материалы?

6. Какими свойствами должны обладать сплавы с повышенным электрическим сопротивлением?

7. Какие материалы относятся к полупроводникам?

8. Какие материалы относят к диэлектрикам? Требования, предъявляемые к диэлектрикам?