2017-12-14
844
Мідь. Переваги міді, що забезпечують їй широке застосування як провідникового матеріалу, такі:
1) мала питомий опір (з усіх матеріалів тільки срібло маєдещо менший питомий опір, ніж мідь);
2) достатньо висока механічна міцність;
3) задовільна в більшості випадків стійкість по відношенню докорозії (мідь окислюється на повітрі навіть в умовах високої вологостізначно повільніше, ніж, наприклад, залізо, інтенсивне окислення мідівідбувається тільки при підвищених температурах);
4) хороша оброблюваність (мідь прокатується в листи, стрічки тапростягається в дріт, товщина якої може бути доведена до тисячнихчасток міліметра);
5) відносна легкість пайки та зварювання.
Мідь отримують найчастіше шляхом переробки сульфідних руд. Післядекількох плавок руди і випалення з інтенсивним дуттям мідь, призначенадля електротехніки, обов'язково проходить процес електролітичної очищення.
Отримані після електролізу катодні пластини міді переплавляють в болванкимасою 80-90 кг, які прокочують і простягають у вироби потрібноїпоперечного перерізу. При виготовленні дроту болванки спершу піддаютьгарячої прокатки в так звану катанку діаметром 6,5-7,2 мм; потімкатанку протравлюють в слабкому розчині сірчаної кислоти, щоб видалити з їїповерхні оксид міді СuО, що утворюється при нагріванні, а потім вжепростягають без підігріву в дріт потрібних діаметрів - до 0,03-0,02 мм.
Стандартна мідь, у відсотках по відношенню до питомої провідностіякої іноді висловлюють питомі провідності металів і сплавів, ввідпаленого сост?? яніі при 20 ° С має питому провідність 58 мСм/м, тобто
(= 0,017241 мкОм (м. Тверду мідь вживають там, де треба забезпечитиособливо високу механічну міцність, твердість і опірністьстирання (для контактних проводів, для шин розподільних пристроїв,для колекторних пластин електричних машин та ін). М'які мідь у виглядідротів круглого і прямокутного перерізу застосовують головним чином уякості струмопровідних жил кабелів і обмотувальних проводів, де важливагнучкість і пластичність (не повинна пружинити при згині), а не міцність.
Мідь є порівняно дорогим і дефіцитним матеріалом. Тому вонамає витрачатися дуже економно. Відходи міді на електротехнічнихпідприємствах необхідно ретельно збирати; важливо не змішувати їх з іншимиметалами, а також з менш чистою (не електротехнічної) міддю, щобможна було ці відходи переплавити і знову використовувати якелектротехнічної міді. Мідь як провідникової матеріал все ширшезамінюється іншими металами, особливо алюмінієм.
Сплави міді. В окремих випадках крім чистої міді в якостіпровідникового матеріалу застосовуються її сплави з оловом, кремнієм,фосфором, берилієм, хромом, магнієм, кадмієм. Такі сплави, що носятьназва бронз, при правильно підібраному складі мають значно більшевисокі механічні властивості, ніж чиста мідь: (р бронз може бути
800-1200 МПа і більше. Бронзи широко застосовують для виготовленняструмопровідних пружин і т. п. Введення в мідь кадмію при порівняно маломузниження питомої провідності значно підвищує механічну міцністьі твердість. Кадмієво бронзу застосовують для контактних проводів іколекторних пластин особливо відповідального призначення. Ще більшоюмеханічною міцністю володіє берилієвий бронза ((р-до 1350 МПа).
Сплав міді з цинком - латунь - має досить високим відноснимподовженням перед розривом при підвищеному в порівнянні з чистою міддюмежі міцності при розтягу. Це дає латуні технологічніпереваги перед міддю при обробці штампуванням, глибокою витяжкою і т.п. Відповідно до цього латунь застосовують в електротехніці для виготовленнявсіляких струмопровідних деталей.
Алюміній є другим за значенням (після міді) провідниковіматеріалом. Це найважливіший представник так званих легких металів (т.тобто металів з щільністю менше 5 мг/м 3); щільність литого алюмінію близько
2,6, а Прокачаний -2,7 мг/м 3. Таким чином, алюміній приблизно в
3,5 рази легше міді. Температурний коефіцієнт розширення, питоматеплоємність і теплота плавлення алюмінію більше, ніж міді. Внаслідоквисоких значень питомої теплоємності та теплоти плавлення для нагріванняалюмінію до температури плавлення і перекладу в розплавлене станпотрібна велика витрата теплоти, ніж для нагрівання і розплавлення такого жкількості міді, хоча температура плавлення алюмінію нижче, ніж міді.
Алюміній має зниженими в порівнянні з міддю властивостями - якмеханічними, так і електричними. При однакових перетині і довжиніелектричний опір алюмінієвого проводу більше, ніж мідного, в
0,028: 0,0172 = 1,63 рази. Отже, щоб отримати алюмінієвийдріт такого ж електричного опору, як і мідний, потрібно взятийого перетин в 1,63 рази більшим, тобто діаметр повинен бути в (1,3 разибільше діаметру мідного дроту. Звідси зрозуміло, що якщо обмеженігабарити, то заміна міді алюмінієм утруднена. Якщо ж порівняти за масоюдва відрізка алюмінієвого та мідного проводів однієї довжини і одного і того жопору, то виявиться, що алюмінієвий дріт хоча і товщі мідного, алелегше його приблизно в два рази:
8,9/(2,7 (1,63) (2.
Тому для виготовлення проводів однієї і тієї ж провідності при данійдовжині алюміній вигідніше міді в тому випадку, якщо тонна алюмінію дорожче тонниміді не більш ніж у два рази. Дуже важливо, що алюміній менш дефіцитний,ніж мідь.
Для електротехнічних цілей використовують алюміній, що містить не більше 0,5
% Домішок, марки А1. Ще більш чистий алюміній марки АВОО (не більше 0,03%домішок) застосовують для виготовлення алюмінієвої фольги, електродів ікорпусів оксидних конденсаторів. Алюміній найвищої чистоти АВОООО маєвміст домішок, що не перевищує 0,004%. Різні домішки в різніймірі знижують питому провідність (алюмінія. Добавки Ni, Si, Zn або Feпри утриманні їх 0,5% знижують y відпаленого алюмінію не більше ніж на 2-3
%. Помітніше дію надають домішки Сu, Ag і Mg, при тому жмасовому зміст знижують v алюмінію на 5-10%. Дуже сильно знижують (алюмінію добавки Ti і Мп.
Прокатка, протяжка і отжиг алюмінію аналогічні відповідним операціямнад міддю. З алюмінію може прокочується тонка (до 6-7 мкм) фольга,яке застосовується як електродів паперових і плівкових конденсаторів.
Алюміній дуже активно окислюється і покривається тонкою плівкою оксидноїз великим електричним опором. Ця плівка оберігає від алюмінійподальшої корозії, але створює велике перехідний опір у місцяхконтакту алюмінієвих проводів і робить неможливою пайку алюмінію звичайнимиметодами. Для пайки алюмінію застосовуються спеціальні пасти-припої абовикористовуються ультразвукові паяльники. У місцях контакту алюмінію і мідіможлива гальванічна корозія. Якщо область контакту піддаєтьсядії вологи, то виникає місцева гальванічна пара з досить високимзначенням ЕРС, причому полярність цієї пари така, що на зовнішнійповерхні контакту струм йде від алюмінію до міді і алюмінієвий провідникможе бути сильно зруйнований корозією. Тому місця з'єднання міднихпровідників з алюмінієвими повинні ретельно захищатися від зволоження
(покриттям лаками і тому подібними способами).
Іноді, наприклад, для заміни свинцю в захисних кабельних про
лочка, використовується алюміній з вмістом домішок не більше
0,01% (замість 0,5% для звичайного провідникового алюмінію).
Такий особливо чистий алюміній порівняно зі звичайним більш м'який
і пластичний і до того ж має підвищену стійкість по відношенню докорозії.
Алюмінієві сплави мають підвищену механічну міцність.
Прикладом такого сплаву є альдрей що містить 0,3-0,5% Mg, 0,4 -
0,7% Si і 0,2-0,3% Fe (решта Аl). Високі механічні властивостіальдрей набуває після особливої обробки (гарту катанки-охолодження вводі при температурі 510-550 ° С волочіння і наступна витримка притемпературі близько 150 ° С). У альдрее утворюється з'єднання Mg2Si, якеповідомляє високі механічні властивості сплаву; при вказаній вище тепловоїобробці досягається виділення MgoSi з твердого розчину і переведення його втонкодисперсні стан.
Рис. 3-1. Залежність повного перетину сталевоалюмінієвий дроти марки АС
(крива 1), перетину сталевого сердечника (крива 2) і активного електричного опору (при частоті 50 Гц) одиниці довжини дроту
(крива 3) від зовнішнього діаметра дроту D
сталевоалюмінієвий дріт, широко застосовуваний в лініях електропередачі,являють собою сердечник, почтом і з сталевих жив і оповитий зовніалюмінієвої дротом. У проводах такого типу механічна міцністьвизначається головним чином сталевим серцевиною, а електричнапровідність - алюмінієм. Збільшений зовнішній діаметр сталевоалюмінієвийпроводи в порівнянні з мідним на лініях передачі високої напругиє перевагою, тому що зменшується небезпека виникнення коронивнаслідок зниження напруженості електричного поля на поверхнідроти. На рис. 3-1 наведені деякі характеристики сталевоалюмінієвийдроти марки АС.
Залізо (сталь) як найбільш дешевий і доступний метал, що володіє до тогож високою механічною міцністю, представляє великий інтерес длявикористання в якості провідникового матеріалу. Однак навіть чистезалізо має значно більш високу порівняно з міддю та алюмініємпитомий опір ((близько 0,1 мкОм-м); значення (сталі, тобтозаліза з домішкою вуглецю та інших елементів, ще вище.
При пер Ємен струмі в стали як у феромагнітному матеріалі помітнопозначається поверхневий ефект, тому відповідно до відомимизаконами електротехніки активний опір сталевих провідниківзмінному струму вище, ніж постійному струму. Крім того, при змінномуструмі в сталевих провідниках з'являються втрати потужності на гістерезис. Уяк провідникового матеріалу звичайно застосовується м'яка сталь звмістом вуглецю 0,10-0,15%, що має межу міцності при розтягу
(р = 700-750 МПа, відносне подовження перед розривом (l/l = 5 -8% іпитому провідність (, в б-7 разів меншу в порівнянні з міддю. Такусталь використовують як матеріал для проводів повітряних ліній припередачі невеликих потужностей. У подібних випадках застосування сталі можевиявитися достаточновигодним, тому що при малій силі струму перетин дротувизначається не електричним опором, а його механічноїміцністю.
Сталь як провідникової матеріал використовується також у вигляді шин, рейоктрамваїв, електричних залізниць (включаючи «третя рейка» метро) іпр. Для сердечників сталевоалюмінієвий проводів повітряних лінійелектропередачі (див. вище) застосовується особливо міцна сталевадріт, що має ар = 1200-1500 МПа і (l/l = 4-5%. Звичайна стальмає малу стійкістю до корозії: навіть при нормальній температурі,особливо в умовах підвищеної вологості, вона швидко іржавіє; при підвищеннітемператури швидкість корозії різко зростає. Томуповерхню сталевих проводів повинна бути захищена шаром більш стійкогоматеріалу. Звичайно для цієї мети застосовують покриття цинком. Безперервністьшару цинку перевіряється опусканням зразка дроти в 20%-ий розчинмідного купоросу, при цьому на оголеної стали в місцях дефектів оцинкуваннявідкладається мідь у вигляді червоних плям, помітних на загальних сіруватомутлі оцинкованої поверхні дроту. Залізо має високий температурнийкоефіцієнт питомого опору. Тому тонку залізну дріт,вміщену для захисту від окислення в балон, заповнений воднем або іншимхімічним неактивним газом, можна застосовувати в бареттерах, тобто вприладах, що використовують залежність опору від сили струму, нагріваючоговміщену в них зволікання, для підтримання сталості сили струму приколиваннях напруги.
Біметал. У деяких випадках для зменшення витрат кольорових металів упровідникових конструкціях вигідно застосовувати так званий провідниковоїбіметал. Це сталь, покрита зовні шаром міді, причому обидва метализ'єднані один з одним міцно і безперервно по всій поверхні їхдотику. Для виготовлення біметалу застосовують два способи: гарячий
(сталеву болванку ставлять у форму, а проміжок між болванкою і стінкамиформи заливають розплавленої міддю; отриману після охолодженнябіметалеву болванку піддають прокатці і протяжці) і холодний, абоелектролітичний. Холодний спосіб забезпечує рівномірність товщинимідного покриття, але вимагає значного витрат електроенергії; крімтого, при холодному способі не забезпечується настільки міцне зчеплення шаруміді зі сталлю, як при гарячому способі.
Рис. 3-2. Шари десятиразового ослаблення для різних матеріалів в залежності від енергії квантів випромінювання
Біметал має механічні та електричні властивості, проміжні міжвластивостями суцільного мідного і суцільного сталевого провідника того жперетину; міцність біметалу більше, ніж міді, але електричнапровідність менше. Розташування міді в зовнішньому шарі, а стали всерединіконструкції, а не навпаки, дуже важливо: з одного боку, при змінномуструмі досягається більш висока провідність всього проводу, в цілому, здругий - мідь захищає розташовану під нею сталь від корозії.
Біметалева дріт випускається зовнішнім діаметром від 1 до 4 ммвмістом міді не менше 50% повної маси дроту. Значення Стор (зрозрахунку на повне перетин дроту) повинно бути не менше 550-700 МПа, а
(l/l не більше 2%. Опір 1 км біметалічною дроту постійногоструму (при 20 ° С) в залежності від діаметру від 60 (при 1 мм) до 4 Ом/км (при
4 мм).
Таку дріт застосовують для ліній зв'язку, ліній електропередачі і т. п.
З провідникового біметалу виготовляються шини для розподільнихпристроїв, смуги для рубильників і різні струмопровідні частиниелектричних апаратів.
Захисні властивості сталі від випромінювань високої енергії наведено на рис. 3 -
2.
Біметал (від бі... і метал), металевий матеріал, що складається з 2 шарів різнорідних металів або сплавів (наприклад, сталь і алюміній, сталь і ніобій, алюміній і титан, титан і молібден і ін.). Застосовують для підвищення міцності і жаростійкості конструкцій, зниження їх маси з метою економії дорогих і дефіцитних металів або як матеріал із спеціальними властивостями. Наприклад, в електро- і радіотехніці поширення Б. обумовлено тим, що щільність змінного струму падає від периферії провідника до його середини, тому інколи доцільно поверхня дроту з дешевшого матеріалу (сталь, алюміній) покривати хорошим провідником (мідь, срібло). Вживання Б. у приладобудуванні засновано на використанні різних значень температурних коефіцієнтів розширення металів, з яких складаються біметалічні пластини. У машинобудуванні з Би. виготовляють деталі машин і механізмів (наприклад, втулки підшипників).
Би. виготовляють головним чином одночасним плющенням (або пресуванням) двох заготовок різних металів (або сплавів). Поширені також заливка легкоплавкого металу по тугоплавкому і занурення тугоплавкого металу в розплавлений легкоплавкий метал. При гальванічному способі шар коштовнішого металу наносять електролітично. Твердіші — дорогі і дефіцитні — сплави наплавляють на сталь електронагрівом (при виробництві ріжучого інструменту, штампів і пр.).
Надпровідники
У 1911 р. нідерландський фізик X. Камерлінг-Оннес, незадовго перед тим (в
1908 р.) вперше отримав рідкий гелій (гелій був останнім газом,який до того ще не вдавалося перевести у рідкий стан), досліджувавелектропровідність металів при «гелієвих» температурах (температураскраплення гелію при нормальному тиску близько 4,2 К; ще нижчітемператури можуть бути отримані при випаровуванні рідкого гелію). При цьому
Камерлінг-Оннес зробив вражаюче відкриття: він виявив, що приохолодженні до температури, приблизно рівною температурі скраплення гелію,опір кільця з замороженої ртуті раптово, різким стрибком падаєдо надзвичайно малого, що не піддається виміру, значення.
Таке явище, тобто наявність у речовини практично нескінченної питомоїпровідності, було названо надпровідністю, температура Тс, приохолодженні до якої речовина переходить в сверхнроводящее стан, --температурою надпровідного переходу, а речовини, що переходять унадпровідні стан, - надпровідниках.
Перехід в надпровідний стан є оборотним; при підвищеннітемператури до значення Тс надпровідність порушується і речовинапереходить в нормальний стан з кінцевим значенням питомої провідності
(.
Рис. 4-1. Загальний вигляд діаграми стану надпровідників першого роду
В даний час відомо вже 35 сверхпроводнікових металів і понад тисячу сверхпроводнікових сплавів і хімічних сполук різних елементів. У той же час багато речовин, у тому числі і такі, що володіють дуже малими значеннями (при нормальній температурі метали, як срібло, мідь, золото, платина та інші, при найбільш низьких досягнутих в даний час температурах (близько міллікельвіна) перевести в надпровідний стан не вдалося.
Явище надпровідності пов'язано з тим, що електричний струм, одного разунаведений у понад провідником контурі, буде тривалий час (роками)циркулювати по цьому контуру без помітного зменшення своєї сили, ідо того ж без будь-якого підведення енергії ззовні (звичайно, якщо не враховуватинеминучого витрати енергії на роботу охолоджуючого пристрою, щоповинна підтримувати температуру надпровідного контуру нижче значення Тс,характерного для даного сверхпроводнікового матеріалу); такийнадпровідний контур створює в навколишньому просторі магнітне поле,подібно до постійного магніту. Тому обтічний електричним струмом понадпроводить соленоїд повинен являти собою сверхпроводніковийелектромагніт, який не потребує живлення від джерела струму. Однакпочаткові спроби виготовити практично придатний сверхпроводніковийелектромагніт, що створює в навколишньому просторі магнітне поле здосить високими напруженістю Н і магнітною індукцією В, закінчилисяневдачею. Виявилося, що надпровідність порушується не тільки припідвищення температури до значень, що перевищують Тс, але і при виникненніна поверхні надпровідників магнітного поля з магнітною індукцією,перевищує індукцію переходу В0 (у першому наближенні, принаймні длячистих сверхпроводнікових металів, байдуже, створюється чи індукція ндструмом, що йде по самому надпровідників, або ж стороннім джереломмагнітного поля). Це пояснюється діаграмою стану надпровідників,що на рис. 4-1. Кожному значенню температури Т даного матеріалу,що знаходиться в понад провідником стані, відповідає своє значенняіндукції переходу нд Найбільша можлива температура переходу Тс
(критична температура) даного сверхпроводнікового матеріалу досягаєтьсяпри нікчемно малої магнітної індукції, тобто для сверхпроводніковогоелектромагніту - при досить малій силі струму, що йде через обмотку цьогоелектромагніту. Відповідно і найбільше можливе значення Вс0магнітної індукції переходу (критична магнітна індукція) відповідаєтемпературі надпровідників, мізерновідрізняється від нуля Кельвіна.
Рис. 4-2. Діаграми стану надпровідників II роду - станніда ніобію
Nb3Sn (криві 1 і 2) і надпровідників I роду - свинцю рь (крива 3)
У 50-х роках нашого століття були відкриті нові надпровідники,що представляють собою вже не чисті метали, а сплави або хімічніз'єднання. Ці надпровідники на відміну від чистих понад провідниковихметалів (надпровідників I роду), названі надпровідниках II роду,мають низку особливостей. Перехід з нормального в понад проводитьстан при охолодженні у них відбувається не стрибком (як унадпровідників I роду), а поступово; у них існує проміжнестан між нижнім ВС1 і верхнім BС2 значеннями критичної магнітноїіндукції переходу для значень температур Т = 0, але відносна магнітна проникність надпровідників (r> 0; привпливі на надпровідник змінної напруги в ньому спостерігаютьсядеякі втрати енергії і т. п. Крім того, властивості надпровідників IIроду у великій мірі залежать від технологічного режиму виготовлення і т.п. З чистих металів до надпровідників II роду відносяться лише ніобій Nb,ванадій V і технецій Тс.
На рис. 4-2 представлена діаграма стану типового надпровідників IIроду - інтерметалевих з'єднання, стан-Ніда ніобію Nb3Sn. Крива 1дає значення BС01, крива 2-значення ВC02; заштрихована областьпроміжного стану. Для зіставлення тут же наведена діаграмастану для типового надпровідників I роду-свинцю Рb.
Кріопроводнікі. Крім явища надпровідності, в сучаснійелектротехніку все ширше використовується явище кріопроводімості, тобтодосягнення металами досить малого значення питомого опору прикріогенних температурах (але без переходу в надпровідний стан).
Метали, що володіють такою властивістю, називаються кріопроводнікамі.
Очевидно, що фізична сутність кріопроводімості не подібний з фізичноїсутністю явища надпровідності. Кріопроводімость - окремий випадокнормальної електропровідності металів в умовах кріогенних температур.
Досить мале, але все ж таки кінцеве значення (кріопроводніков обмежуєдопустиму щільність струму в них, хоча ця щільність може бути все-такинабагато вище, ніж у звичайних металевих провідниках при нормальній абоз високою температурою. Кріопроводнікі, у яких при зміні температурив широкому діапазоні р. змінюється плавно, без стрибків, не можуть використовуватисяв пристроях, дія яких заснована на тригерній ефектівиникнення і порушення надпровідності (наприклад, в сверхпроводніковихзапам'ятовуючих пристроях).
Застосування кріопроводніков замість надпровідників в електричнихмашинах, апаратах та інших електротехнічних пристроях може мати своїпереваги. Використання в якості холодоагенту рідкого водню аборідкого азоту (замість рідкого гелію, який значно дорожче за іншіх
