Проводники Свойства проводников

Для характеристики проводящих свойств различных материалов вводится понятие объемного удельного сопротивления , оно равно сопротивлению между гранями куба с ребром 1 м, изготовленного из данного материала. Так как провода электрических линий передач и катушек относительно длины, а сечение их относительно мало, но этой причине над удельным сопротивлением материалов для таких электротехнических устройств подразумевают сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм², т.е. удельное сопротивление в Ом·мм²/м.

Наблюдается зависимость удельного сопротивления, а, следовательно, и сопротивления проводника постоянному току от температуры.

Сопротивление проводника зависит не только от внешней температуры, но и от тока в нем. В простейшем случае это объясняется тем, что при увеличении тока растет скорость движения свободных электронов, увеличивается число их соударений с атомами кристаллической решетки и в конечном счете повышается температура проводника и, следовательно, увеличивается его сопротивление – температурный коэффициент сопротивления, равный относительному изменению сопротивлений при изменении температуры на 1 ^оС. Ниже приведены некоторые основные материалы с их удельным сопротивлением и температурным коэффициентом.

Между двумя различными проводниками при их сопротивлении возникает контактная разность потенциалов, которая обусловлена разностью значений работы выхода электронов из различных металлов. Если температуры "спаев" одинаковы, то в замкнутой цепи сумма разности потенциалов равна нулю. Когда же равенство температур не наблюдается, между проводниками возникает термо ЭДС.

Е=U_1-2+U_2-1

U_1-2; U_2-1 – потенциалы соприкасающихся материалов.

Зависимость термо ЕДС от разности температур спаев не всегда линейна и, следовательно, необходимо корректировать коэффициент, характеризующей соприкасающиеся проводники [МкВ/К].

Зависимость термо ЭДС от разности температур спаев может быть не строго линейной. Провод, составленный из двух изолированных друг от друга проволок из различных металлов или сплавов (термопара), может быть использован для измерения температур. В термопарах используются проводники, имеющие большой и стабильный коэффициент термо ЭДС. Наоборот, для обмоток измерительных приборов и эталонных резисторов стремятся применять проводниковые материалы и сплавы с возможно меньшим коэффициентом термо ЭДС, относительно меди, чтобы избежать появления в измерительных схемах паразитных термо ЭДС, которые могли бы вызвать ошибки при точных измерениях.

Медь

Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие:

1. малое удельное сопротивление (из всех материалов только серебро имеет несколько меньшее удельное сопротивление, чем медь);

2. достаточно высокая механическая прочность;

3. удовлетворительная в большинстве случаев стойкость по отношению к коррозии (медь окисляется на воздухе даже в условиях высокой влажности значительно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах;

4. хорошая обрабатываемость (медь прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра);

5. относительная легкость пайки и сварки.

Получение меди. Медь получают чаще всего путем переработки сульфидных руд. После нескольких плавок руды и обжигов с интенсивным дутьем медь, предназначенная для электротехники, обязательно проходит процесс электролитической очистки. Полученные после электролиза катодные пластины меди переплавляют в болванки массой 80-90 кг, которые прокатывают и протягивают в изделия, требующегося поперечного сечения. При изготовлении проволоки болванки сперва подвергают горячей прокатке в так называемую катанку диаметром 6,5 – 7,2 мм; затем катанку протравливают в слабом растворе серной кислоты, чтобы удалить с ее поверхности оксид меди СиО, образующийся при нагреве, а затем уже протягивают без подогрева в проволоку нужных диаметров – до 0,03 – 0,02 мм.

Марки меди. В России в качестве проводникового материала используется медь марок М1 и М0. Медь марки М1 содержит 99,9 % Си, а в общем количестве примесей (0.1 %) кислорода должно быть не более 0,08 %. Присутствие в меди кислорода ухудшает ее механические свойства.

Лучшими механическими свойствами обладает медь марки М0, в которой содержится не более 0,05 % примесей, в том числе не свыше 0,02 % кислорода. Из меди марки М0 может быть изготовлена тонкая проволока. При холодной протяжке получают твердую (твердотянутую) медь (МТ), которая благодаря влиянию наклепа имеет высокий предел прочности при растяжении и малое относительное удлинение перед разрывом, а также обладает твердостью и упругостью при изгибе; проволока из твердой меди несколько пружинит. Если же медь подвергать отжигу, т.е. нагреву до нескольких сот градусов с последующим охлаждением, то получится мягкая (отожженная) медь (ММ), которая сравнительно пластична, имеет малую твердость или небольшую прочность, но весьма большое удлинение перед разрывом и (в соответствии с рассмотренными выше общими закономерностями) более высокую удельную проводимость. Отжиг меди производят в специальных печах без доступа воздуха, чтобы избежать окисления.

Стандартная медь, в процентах по отношению к удельной проводимости которой иногда выражают удельные проводимости металлов и сплавов, в отожженном состоянии при 20 ^оС имеет удельную проводимость 58 МСм/м, т.е. =0,017241 мкОм·м. Удельная проводимость меди – параметр весьма чувствительный к наличию примесей.

Твердую медь употребляют там, где надо обеспечить особо высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию (для контактных проводов, для шин распределительных коллекторных пластин электрических машин и пр.). Мягкую медь в виде проволок круглого и прямоугольного сечения применяют главным образом в качестве токопроводящих жил кабелей и обмоточных проводов, где важна гибкость и пластичность (не должна пружинить при изгибе), а не прочность. Медь является сравнительно дорогим и дефицитным материалом. Поэтому она должна расходоваться весьма экономно. Отходы меди на электротехнических предприятиях необходимо тщательно собирать; важно не смешивать их с другими металлами, а также с менее чистой (не электротехнической) медью, чтобы можно было, эти отходы переплавить и вновь использовать в качестве электротехнической меди. Медь как проводниковый материал все шире заменяется другими металлами, в особенности алюминием.

Сплавы меди. В отдельных случаях помимо чистой меди в качестве проводникового материала применяются ее сплавы с оловом, кремнием, фосфором, бериллием, хромом, магнием, кадмием. Такие сплавы, носящие название бронза, при правильно подобранном составе имеют значительно более высокие механические свойства, чем чистая медь: бронзы может быть 800 – 1200 МПа и более. Бронзу широко применяют для изготовления токопроводящих пружин и т.п. Введение в медь кадмия при сравнительно малом снижении удельной проводимости значительно повышает механическую прочность и твердость. Кадмиевую бронзу применяют для контактных проводов и коллекторных пластин особо ответственного назначения. Еще большей механической прочностью обладает бериллиевая бронза ( – до 1350·МПа). Сплав меди с цинком – латунь – обладает достаточно высоким относительным удлинением перед разрывом при повышенном по сравнению с чистой медью пределе прочности при растяжении. Это дает латуни технологические преимущества перед медью при обработке штамповкой, глубокой вытяжкой и т.п.) В соответствии с этим латунь применяют в электротехнике для изготовления всевозможных токопроводящих деталей.