Проводниковые материалы

Основным показателем, характеризующим проводниковые материалы, является электропроводность. В практических условиях удобнее оценивать проводниковые материалы по величине их электрического сопротивления.

На проводимость металла неблагоприятно влияют примеси: чем содержание их больше, тем меньше проводимость металла. Такие примеси, как марганец и алюминий, сильно снижают проводимость меди, а серебро, золото и цинк - в значительной степени. На удельную проводимость оказывает влияние пластическая деформация в холодном состоянии (наклеп). С увеличением степени деформации проводимость металла несколько снижается. При устранении наклепа рекристаллизационным отжигом проводимость восстанавливается.

В связи с этим отличают мягкие (отожженные) проводниковые металлы (в марках материалов обозначаются буквой М) и твердые (неотожженные), обозначаемые буквой Т. Наибольшей проводимостью обладают чистые металлы. Они составляют группу металлов высокой проводимости. Другую группу проводниковых материалов составляют сплавы высокого электрического сопротивления.

Проводниковые металлы с малым удельным сопротивлением. К металлам, имеющим малое удельное сопротивление относятся: медь, алюминий, железо, серебро, вольфрам, никель и некоторые другие.

Медь является основным проводниковым материалом. Она, кроме малого удельного сопротивления, имеет достаточно высокую механическую прочность, которая зависит от степени наклепа, высокую пластичность, по­зволяющую получать прокаткой тонкие листы и ленту, а протяжкой - тонкую проволоку диаметром до 0,01 мм, удовлетворительную стойкость против коррозии, относительную легкость пайки и сварки.

В качестве проводникового материала используют медь марок M1 и М0, содержащие соответственно примесей до 0,1% и до 0,05%.

Твердую (наклепанную) медь применяют для проводов контактной сети, для шин распределительных устройств, для пластин коллекторов электрических машин и пр.

Мягкую (отожженную) медь в виде проволоки круглого и прямоугольного сечения применяют в качестве токопроводящих жил кабелей и обмоточных проводов.

Сплавы меди (бронзы) имеют более высокие механические свойства, чем медь. Их используют для изготовления контактных проводов, коллекторных пластин и других токопроводящих деталей, например пружин. В качестве проводникового материала других сплавов применяют кадмиевую, кадмиево-оловянистую и бериллиевую бронзы.

Алюминий является основным заменителем меди в качестве проводникового материала, так как обладает достаточно высокой электропроводностью. Электрическое сопротивление алюминия невелико, однако оно в 1,6 раза больше, чем у меди. Поэтому при одинаковой длине и общем сопротивлении сечение алюминиевого провода должно быть в 1,6 раза больше сечения медного провода. Следовательно, если имеется ограничение изделия по габаритам (например, при изготовлении обмоток электрических машин), то применение алюминиевых проводников создаст затруднения.

Алюминий широко применяется по экономическим соображениям в качестве проводникового материала в воздушных линиях электропередач, что вызвано тем, что при одинаковом электрическом сопротивлении, он почти в 2 раза легче меди. Кроме того он устойчив против коррозии, но имеет небольшую прочность.

Железо, точнее сталь как проводниковый материал применяется редко, так как имеет высокое удельное электрическое сопротивление. Стальная проволока используется главным образом в качестве сердечников биметаллических проводов (рис.1). Стальная оцинкованная проволока высокой прочности используется в качестве сердечников сталеалюминиевых проводов для повышения их механической прочности.

Проводники постоянного тока изготовляют из армкожелеза, содержащего не более 0,03 % С.

Серебро среди всех металлов имеет самое низкое удельное электриче­ское сопротивление, поэтому оно применяется для изготовления электрических контактов в электрических аппаратах и как составная часть прочных припоев.

Рисунок 1 - Поперечное сечение биметаллического провода

Платина весьма устойчива против коррозии и не растворяется в ряде кислот. Введение в платину 3-6% иридия или 5-12% родия повышает сопротивление платины окислению при температуре 1000°С и выше. Термопары из платиновой и платинородиевой проволоки применяют для измерения температур до 1500°С, из платины и ее сплавов изготовляют контакты.

Вольфрам и молибден используют при изготовлении электровакуумных приборов. Они идут на изготовление спиралей накала, поддерживающих крючков, катодов. Тугоплавкость и высокая твердость позволяют применять вольфрам и сплавы вольфрама с молибденом для изготовления размыкающих контактов в электрических аппаратах. В электровакуумной технике применяют и другие тугоплавкие металлы: никель, тантал, ниобий и др.

Ртуть сохраняет свое жидкое состояние до -39°С. Она стойка к окислению. Медь, цинк, свинец, никель, олово, серебро и золото растворяются в ртути. Ртуть применяют в качестве жидких контактов в специальных реле, выключателях и ртутных выпрямителях.

Проводниковые материалы с большим удельным сопротивлением должны обладать стойкостью к окислению при высокой температуре, малым температурным коэффициентом сопротивления. К ним относятся медно-никелевые, никелевые и жаропрочные сплавы. Медно-никелевые электротехнические сплавы - это манганин и константан.

Манганин (МНМц 3-12) содержит около 3% никеля и 12% марганца, остальное - медь. Он обладает высоким электросопротивлением при малом температурном коэффициенте сопротивления. Манганиновую проволоку применяют для обмоток катушек сопротивления различных приборов, работающих до 100°С, а также используют в измерительных приборах.

Константан (МНМц 40-1,5) содержит около 40 % никеля и 1,5% мар­ганца, остальное - медь. Применяется в виде проволоки для термопар и рео­статов высокого сопротивления, работающих до 500°С.

Никелевые сплавы с марганцем (НМц 2,5 и НМц 5) применяют для изготовления автомобильных свечей и радиоламп. Жаростойкие сплавы используют в электронагревательных приборах и печах сопротивления с рабочей температурой до 1200 °С. К ним относятся: хромоникелевые сплавы (нихромы) - Х20Н80, сплавы на основе никеля, хрома и железа (ферронихромы) - Х15Н60, Х25Н20; тройные сплавы железа, хрома, алюминия (фехрали, хромали) - Х13Ю4, Х17Ю5. Перечисленные сплавы представляют собой твердые растворы. При нагревании на их поверхности образуется плотная защитная пленка (Сг₂О₃) и закиси никеля, которая надежно предохраняет сплав от окисления.