Классификация проводников.

Мы относим сверхпроводники и полупроводники к проводникам, хотя это вопрос весьма спорный, так как они обладают особыми свойствами. Однако общим свойством для всех проводников является то, что в них имеются свободные носители заряда, поэтому заряды, возникающие во внешнем электростатическом поле, могут быть легко отделены друг от друга и перемещаться внутри проводника.

44. К проводниковым материалам с высокой проводимостью относятся медь, алюминий и некоторые сплавы (латунь, фосфористая бронза и др.). Они широко используются для изготовления катушек электрических машин, аппаратов и приборов. К таким материалам предъявляются требования возможно меньшего удельного сопротивления и возможно большей механической прочности. Для различных случаев применения эти требования в той или иной степени уточняются. Например, для катушек машин и аппаратов выгоднее иметь меньшее удельное сопротивление даже за счет некоторого снижения механической прочности. Для воздушных же проводов контактной сети и линий электропередачи важно иметь определенную механическую прочность на разрыв.

Наименьшим удельным сопротивлением обладает чистый металл. Любые примеси повышают удельное сопротивление. Примесь другого металла, имеющего меньшее удельное сопротивление, чем основной, повышает его сопротивление. Это объясняется искажением кристаллической решетки основного металла даже небольшим количеством примеси. Кристаллическая решетка металлов искажается не только введением примесей, но и в результате механических деформаций. В связи с этим обработка металла, приводящая к пластической деформации, вызывает увеличение его удельного сопротивления. В частности, это имеет место в процессе изготовления проводов при прокатке и волочении.

Медь и латунь применяют для изготовления проводов и различных токопроводящих деталей электрических машин и аппаратов. Медные провода и шины получают прокаткой и протяжкой, при этом медь приобретает высокую механическую прочность и твердость (медь марки МП). Такую твердотянутую медь используют для изготовления коллекторных пластин, неизолированных проводов, распределительных шин и пр. При термической обработке твердотянутой меди (отжиге при температуре 330—350 °С) получают мягкую медь марки ММ, обладающую большой гибкостью и способностью сильно вытягиваться; электропроводность ее также увеличивается. Мягкую медь используют для изготовления изолированных проводов, кабелей и пр.

В качестве проводниковых материалов применяют также различные бронзы, представляющие собой сплавы меди с другими металлами. Все бронзы имеют не только более высокую механическую прочность, чем медь, но и большее удельное сопротивление. Для изготовления контактных проводов и коллекторных пластин применяют преимущественно кадмиевые бронзы, для пружин, щеткодержателей, скользящих контактов, ножей рубильников — бериллиевые бронзы. Латунь (сплав меди с цинком) имеет также по сравнению с медью высокую механическую прочность, прочность против истирания, но вместе с тем и значительно более высокое удельное сопротивление. Латунь хорошо штампуется, вытягивается, паяется и сваривается.

Вторым по значению в электротехнике проводниковым материалом является алюминий. Из него изготовляют провода, некоторые детали электрических машин и аппаратов. Так же, как и медь, он при протяжке и других видах холодной обработки получается довольно твердым, а после отжига становится мягким. Плотность алюминия около 2,6 г/см3, примерно в 3,5 раза меньше меди (ее плотность 8,9 г/см). Для увеличения прочности, и,.улучшения механических свойств к алюминию иногда прибавляют медь, магний, марганец и кремний. Таким путем получают различные алюминиевые сплавы — силумин, дюралюминий и пр.

По твердости различают две марки алюминия: AT — алюминий твердый неотожженный и AM — алюминий мягкий отожженный. Соединение алюминиевых проводов и других деталей производят обычно сваркой или заклепками, так как из-за высокой температуры плавления окиси алюминия, покрывающей поверхность алюминиевых деталей (примерно 2000 °С), и быстрого окисления зачищенной поверхности пайка алюминия обычным способом затруднена.

45. Проводниковые материалы с высоким сопротивлением бывают металлические, получившие наибольшее распространение, и неметаллические. Металлические проводниковые материалы можно разделить на три группы: 1 — для точных электроизмерительных приборов и образцовых резисторов; 2 — для резисторов и реостатов; 3 — имеющие высокую рабочую температуру и предназначенные для нагревательных приборов и нагрузочных реостатов.

Основным материалом 1-й группы является медно-марганцевый сплав — манганин. Манганин изготовляется двух марок: МНМцЗ-12 (3% Ni, 12% Mn, 85 % Си) и МНМцАЖЗ-12-0,3-0,3 (3 % Ni, 12 % Mn, 0,3 % А1, 0,3 % Fe, 84,4 % Си). Из первого сплава изготовляют твердую и мягкую (отожженную) проволоку, из второго — только мягкую.

К материалам 2-й группы относится константан (40 % Ni, 60 % Си). Удельное сопротивление мягкой константановой проволоки 0,465*10-6, а твердой 0,49*10-6 См*м. Его температурный коэффициент сопротивления близок к нулю.

К материалам 3-й группы относятся сплавы никеля, хрома и железа (нихром); хрома, алюминия и железа (фехраль). Проволока из этих сплавов делится по применению на марки Н (для нагревательных приборов) и С (для реостатов).

В электронной аппаратуре широко применяют металлопленочные резисторы МЛТ, С2-22 и др. Токопроводящим элементом этих резисторов является тонкий слой сплава с высоким удельным сопротивлением, нанесенный на поверхность керамического стержня и покрытый защитным слоем эмали.

46. Материалы для скользящих контактов (коллекторные пластины электрических машин) должны обладать низкими значениями удельного сопротивления и падения напряжения на контактах, высокими значениями минимального тока и стойкости к истиранию (износостойкостью), электрической эрозии и коррозии. Скользящие контакты, в свою очередь, можно разделить на металлические и электротехнические угольные.

Для изготовления пружинных металлических скользящих контактов (применяемые в основном в переключателях, потенциометрах, реостатах) используют специальные сорта бронз: кадмиевые, бериллиевые и хромистые (БрКд1, БрБ2 и др.), обладающие высокой упругостью, стойкостью к истиранию и низким значением удельного сопротивления. Например сплав Сu—Cd (Cd~l%), образует твердый раствор, который в три раза более стоек к истиранию, чем медь. Для изготовления скользящих контактов применяют также латуни (например, ЛС59-1, ЛМц58-2). Металлические скользящие контакты имеют наиболее высокую стойкость к истиранию в паре с электротехническими угольными материалами.

Электротехнические угольные материалы обладают относительно высокой электро- и теплопроводностью (уступая металлам), очень низким коэффициентом трения, высокой химической стойкостью, многие из них — высокой нагревостойкостью (большей, чем у металлов). Эти материалы широко используют для изготовления угольных электродов различного применения, щеток для электрических машин и автотрансформаторов, угольных порошков для микрофонов и т.д. Щетки выпускают следующих марок: УГ (угольно-графитные), Г (графитные), ЭГ (электрографитированные), М и МГ (медно-графитные). Основным сырьем для производства электроугольных изделий являются природный графит и сажи. Для получения монолитного изделия графит и сажу смешивают со связующим веществом — каменноугольной смолой (побочный продукт коксования каменного угля) или жидким стеклом, прессуют и подвергают обжигу при температуре 2200—2500°С. Этот процесс называют графитированием. В результате графитирования увеличивается размер кристаллитов, повышается электропроводность и снижается твердость.

Природный графит — мягкое кристаллическое вещество темно-серого цвета, представляющее собой одну из двух аллотропных форм Углерода; имеет слоистое строение. В направлении слоев электропроводность носит металлический характер. Для поликристаллических образцов удельное сопротивление ρ_v ≈ 8 мкОм•м, ТКρ = -1•10^-3К^-1. Отдельные чешуйки графита легко отделяются и скользят по его поверхности, образуя сухую смазку. Известен искусственный графит, получаемый путем термической перекристаллизации углей при температуре 2200—2500°С.

Сажи представляют собой угольный порошок высокой степени дисперсности (частицы сферической формы достигают 10—300 нм); они имеют более мелкокристаллическую структуру, чем графит (их иногда называют коллоидным углеродом). Графитовая структура в сажах еще не вполне сформирована. Сажи получают при неполном сгорании многих органических веществ.

Разрывные контакты

Для изготовления слаботочных разрывных контактов используют благородные и тугоплавкие металлы.

Из благородных металлов используют серебро, золото, платину и различные сплавы на их основе, например сплавы систем: золото-серебро (Аu—Ag), платина-рутений (Pt—Ru), платина-родий (Pt—Rh), серебро-кадмий (Ag—Cd), серебро-палладий (Ag—Pd), серебро-магний-никель (Ag—Mg—Ni) и др. Золото и платину в чистом виде используют для изготовления прецизионных контактов. Золото в основном используют в виде сплавов с серебром Ag, платиной Pt, никелем Ni, цирконием Zr; платину — в виде сплавов с иридием Ir, никелем Ni, серебром Ag и золотом Аu.

Из тугоплавких металлов применяют вольфрам W и молибден Мо. Достоинством вольфрама является его высокая стойкость к дугообразованию и практическое отсутствие свариваемости. (Дугообразование характеризуется минимальными значениями тока и напряжения, при которых возникает дуговой разряд). Однако у вольфрама сравнительно толстая оксидная пленка и поэтому требуется высокое контактное давление. Недостатком молибдена является образование оксидных пленок, которые имеют рыхлую структуру и могут внезапно полностью нарушать контактную проводимость. У вольфрама, легированного молибденом, повышены твердость и удельное сопротивление и понижены Т_пл и коррозионная стойкость.

Для изготовления разрывных контактов также широко используют медь, сплавы и биметаллы на ее основе.

В производстве сильноточных разрывных контактов широко применяют композиционные материалы, представляющие собой смесь двух фаз, одна из которых обеспечивает высокую электро- и теплопроводность контактов, другая — в виде тугоплавких включений придает контактам стойкость к механическому износу, электрической эрозии и свариванию. Сильноточные разрывные контакты из композиционных материалов получают методом порошковой металлургии. В качестве контактных материалов хорошо себя зарекомендовали композиции на основе меди и серебра: серебро—оксид кадмия, серебро—оксид меди, медь—графит, серебро—никель, серебро—графит. Применяют также тройные композиции: серебро-никель—графит, серебро—вольфрам—никель. В этих композициях медная и серебряная фазы обеспечивают электро- и теплопроводность контактам, а включения из оксида кадмия и оксида меди, а также вольфрама, никеля и графита повышают износо- и термостойкость и препятствуют свариванию контактов. В качестве электроконтактных композиций в мощных высоковольтных масляных и воздушных выключателях нашли применение Сu—W, в высоковольтных масляных выключателях Сu—Мо, в вакуумных камерах Сu—Bi—В, Сr—Сu—W, Fe—Сu—Bi. Для изготовления сильноточных разрывных контактов, эксплуатируемых при повышенных напряжениях и контактных давлениях, используют также твердую медь, что существенно удешевляет электротехнические устройства.

47. К неметаллическим проводникам относятся электроугольные изделия, жидкие и твёрдые электролиты.