Общая характеристика проводниковых материалов

В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы. Важнейшими практически при­меняемыми в электротехнике твердыми проводниковыми материа­лами являются металлы и их сплавы.

Из металлических проводниковых материалов могут быть выде­лены металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротив­ление р при нормальной температуре не более 0,05 мкОмм, и сплавы высокого сопротивления, имеющие р при нормальной температуре не менее 0,3 мкОм-м. Металлы высокой проводимости используются для проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электриче­ских машин и трансформаторов и т. п. Металлы и сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления резисторов, электро­нагревательных приборов, нитей ламп накаливания и т. п.

Особый интерес представляют собой обладающие чрезвычайно малым удельным сопротивлением при весьма низких (криогенных) температурах материалы —сверхпроводники и криопроводники; они будут рассмотрены ниже.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и раз­личные электролиты. Для большинства металлов температура плавления высока только ртуть, имею­щая температуру плавления около минус 39 °С, может быть исполь­зована в качестве жидкого металлического проводника при нормаль­ной температуре. Другие металлы являются жидкими проводниками при повышенных температурах.

Механизм прохождения тока в металлах — как в твердом, так и в жидком состоянии — обусловлен движением (дрейфом) свободных электронов под воздействием электрического поля

Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких на-пряженностях электрического поля не являются проводниками. Од­нако, если напряженность поля превзойдет некоторое критическое значение, обеспечивающее начало ударной и фотоионизации, то газ может стать проводником с электронной и ионной электропроводностью.

Свойства проводников. К важнейшим параметрам, характери­зующим свойства проводниковых материалов, относятся: 1) удельная проводимость или обратная ей величина — удельное сопротивление р, 2) температурный коэффициент удельного сопротивления ТКр или альфа_р, 3) коэффициент теплопроводности у_т; 4) контактная раз­ность потенциалов и термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС), 5) работа выхода электронов из металла, 6) предел прочности при растяжении сигма_р и относительное удлинение перед разрывом l/l.

45. Проводниковые материалы с высокой удельной проводимостью.

К наиболее широко распространенным материалам высокой про­водимости следует отнести медь и алюминий.

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.

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 бронз, при правильно подобранном составе имеют значительно более высокие механические свойства, чем чистая медь: <т_р бронз может быть 800—1200 МПа и более. Бронзы широко применяют для изготовления токопроводящих пру­жин и т. п.

Это важнейший представитель так называемых легких металлов (т. е. металлов с плотностью менее 5 Мг/м³); плот­ность литого алюминия около 2,6, а прокатанного—2,7Мг/м³. Таким образом, алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди. Температурный коэффициент расширения удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем меди. Вследствие высоких значений удельной теплоемкости и теплоты пла­вления для нагрева алюминия до температуры плавления и пере­вода в расплавленное состояние требуется большая затрата теплоты,
чем для нагрева и расплавления такого же количества меди, хотя температура плавления алюминия ниже, чем меди. Алюминий обладает пониженными по сравнению с медью свойст­вами — как механическими, так и электрическими. Алюминиевые сплавы обладают повышенной механической прочностью.

46 провод. мат-лы с ↑ уд. сопротивлением. Наибольшее применение имеют метал-ие сплавы. Сплавами ↑сопр. наз. проводн. мат-лы, у кот. знач-е ρ в норм. усл-х сост.не < 0,3мкОм м Классиф-ют по разным признакам, например, по области применения: 1) для точных (прецизионных) электроизм-ых приборов и образцовых сопр-ий (медномарганцевый сплав – манганин); 2) для резисторов (реостатов) различных назначений; 3) с высокой рабочей температурой для нагреват-ых приборов и нагрузочных реостатов (высокая рабочая температура- может быть удовлетв-но при достаточно высокой темпер-ре плавления материала и полном отсутствии окисления или окислении с образованием тугоплавких нелетучих, напористых окислов, предохран-их от дальнейшего окисления. Неокисл-ся материалом с высокой темпер. плавления (1770 С) является платина, а так же сплавы никеля, хрома и железа. Ко всем матер-ам этого типа примен-ся след-ие треб-ия: большое знач-ие удельного сопрот-ия, достаточные мех-ая проч-ть и технологичность, обеспечив-ая возможность получения проводок необходимых сечений и изгот-ия соответ-их изд-ий. Для мат-ов, примен-ся в произ-ве точных электроиз-ых приборов и образцовых сопрот-ий, важную роль играет стабильность сопрот-ия во времени (отсутствие явления старения) и при температурных колебаниях.