Матеріали високої електропровідності

До найбільш поширених матеріалів високої провідності належать мідь, алюміній та їхні, сплави.

МІДЬ. Широке застосування міді як провідного матеріалу пов’язане з певними її перевагами порівняно з іншими провідниковими матеріалами.

Завдяки малому питомому опорові (лише срібло має менше його значення), доволі високій механічній міцності, задовільній стійкості до окислення

й легкості паяння та зварювання, мідь має широке застосування в техніці.

Мідь здобувають шляхом переплавлення сульфідних руд з

обов’язковим процесом електролітичного очищення. Мідні болванки ва-

гою до 90 кг гарячим прокатуванням переробляють на катанку діаметром 7,2 мм, а потім холодним протягуванням переробляють на дріт потрібних діаметрів аж до 0,002 мм.

Мідь у техніці застосовується двох марок: М1 (99,9 % чистої міді; 0,1 % домішок, в тому числі кисню не більше за 0,08 %); М0 – містить лише 0,05% домішок, в тому числі кисню не більше 0,02%.

При холодному оброблянні здобувають твердо тягнуту мідь МТ, яка має підвищену міцність при розтягуванні й підвищене значення питомого опору. Якщо мідь МТ нагріти до сотень градусів із подальшим її охолодженням за відсутності повітря (відпал), то дістають мідь марки ММ. Мідь ММ є пластична, має невелику міцність, підвищений коефіцієнт довжини перед розриванням і більш високу питому провідність. Вплив відпалу на механічні та електричні параметри міді наведено на рис. 2.11.

CТАНДАРТНА МІДЬ у стані відпалу за 20°С має питому провідність 58МСм/м, тобто ρ = 0,017241 мкОм м. Нормативні властивості МТ і ММ (а також для порівняння алюмінієвого дроту АТ і АМ) наведені в таблиці 2.1.

Мідь МТ застосовують там, де потрібна висока механічна міцність, твердість і протистояння стиранню (для контактних проводів, для колекторних пластин). Мідь ММ іде на виготовлення обмоткових та кабельних провідників, де потрібні гнучкість та пластичність.

Мідь – дорогий і дефіцитний матеріал, тому її все частіше замінюють на алюміній.

СПЛАВИ МІДІ. Для дістання провідникових матеріалів з підвищеними механічними показниками до міді додають різні домішки. Такі сплави називають бронзами чи латунями. Вводячи в мідь кадмій чи берилій, дістають кадмієву чи берилієву бронзи з високим значенням δρ до 1200 МПа і 1350 МПа відповідно названим типам бронз, з яких виробляють струмопровідні пружини, контактні проводи та інше.

ЛАТУНЬ – це сплав міді з цинком з високим відносним подовженням, який використовують для виробництва різних деталей шляхом штампування і для виготовлення струмопровідних деталей.

АЛЮМІНІЙ – це другий після міді провідниковий матеріал, який приблизно в 3,5 рази легше за мідь. Він має в 1,63 рази більше значення питомого опору і для виготовлення алюмінієвого проводу з електричним опором, що він дорівнював би мідному, його діаметр повинен бути в разів більше за діаметр мідного проводу. Таким чином, якщо габарити не мають суттєвого значення, то заміна міді на алюміній дає виграш у масі вдвічі. Тому для виготовлення проводів однакової електропровідності за заданої довжині алюміній буде вигідніше за мідь, якщо тона алюмінію дорожче за тону міді не більше, ніж у два рази.

В електротехніці використовують алюміній з домішками не більше за 0,5% марки А1. Більш чистий алюміній (домішки до 0,03%) марки АВ00, використовують для виготовлення фольги та корпусів оксидних конденсаторів.

Прокатування, протягування та витягування алюмінію мають такий самий вплив, як і при виготовленні міді. З алюмінію прокатують тонку фольгу (до 6 – 7 мкм), з якої виготовляють електроди паперових та плівкових конденсаторів. Властивості твердого й м‘якого алюмінієвого дроту наведено в таблиці 2.1.

Алюміній в повітряних умовах окислюється й покривається тонкою оксидною плівкою з підвищеним електричним опором, яка захищає його від подальшої корозії і називається оксидною ізоляцією. Такі плівки можна виробити штучно – шляхом термічного обробляння.

Якість оксидної ізоляції оцінюють об’ємним коефіцієнтом оксидування, який дорівнює відношенню об‘єму оксиду до об’єму металу, який увійшов до оксиду.

, (1)

де М – молекулярна маса оксиду; ρ_M – густина металу; n – кількість атомів металу, які увійшли до молекули оксиду; А – атомна маса металу, ρ₀ – густина оксиду.

При k > 1 шар оксиду на металі має суцільне покриття, а якщо k < 1, то суцільне покриття дістати неможливо.

Наприклад, для алюмінію Al₂O₃ маємо: А = 26,97; ρ_M = 2,7 Mr/м³; М = 101,91; n = 1; ρ₀ = 3,2 Mr/м³, тобто за формулою (1) k = 1,6.

Завдяки оксидній плівці збільшується перехідний опір в точках контакту алюмінієвих дротів, це робить неможливим їхнє спаювання у звичайних умовах. Тому для паяння алюмінію застосовують спеціальні пасти – припої або спеціальні ультразвукові паяльники. В точках з’єднання алюмінію й міді можлива гальванічна корозія. Якщо на область контакту впливає вологість, то виникає гальванічна пара з високим значенням ЕРС, причому полярність цієї пари така, що струм тече від алюмінію до міді, а алюміній руйнується корозією.

АЛЮМІНІЄВІ СПЛАВИ мають підвищену механічну міцність, наприклад, АЛЬДРЕЙ (його складові 0,5% Mg; 0,7 Si; 0,3 Fe останнє Al). Після спеціальної термічного обробляння у альдреї виникає сполука Mg₂Si, яка додає сплавові високої механічної характеристики, а саме: густина 2,7 Mr/м³; σ_ρ = 350 МПа; Δ l / l = 6,5 %; α_ρ = 23·10^-6 к^-1; ρ = 0,0317 мкОм·м; α_ρ = 0,0036 к^-1. Отже, альдрей має легкість алюмінію і приблизно його електропровідність, а за механічною міцністю наближається до твердотягнутої міді.

СТАЛЕАЛЮМІНІЄВИЙ ПРОВІД використовують у лініях електропередач. Він має таку конструкцію. Осердя звитих сталевих проводів зверху обвивається алюмінієвим дротом. Таким чином, механічна міцність визначається стальним осердям, а електрична провідність визначається алюмінієм.

ЗАЛІЗО (СТАЛЬ) – найбільш поширений і дешевий провідниковий матеріал, до того ж підвищеної механічної міцності і з підвищеним питомим опором в порівняно з міддю (ρ близько 0,1 мкОм·м).

Відносно недоліків сталі слід зауважити, що вона має малу стійкість до корозії, і тому її поверхню покривають більш стійким матеріалом, наприклад, цинком.

За змінного струму в сталі спостерігається поверхневий ефект (скін ефект), завдяки якому активний опір сталевих провідників збільшується порівняно з постійним струмом, тому що з підвищенням частоти струму останній виштовхується на поверхню проводу. Крім того, за змінного струму в сталевих провідниках збільшуються втрати міцності на гістерезис. В техніці використовують м‘яку сталь з домішками вуглецю до 0,15%, яка має межу міцності при розтягуванні σ_ρ=700–750 МПа, відносне збільшен-ня довжини перед розриванням Δ l / l = 5–8 разів меншу порівняно з міддю.

БІМЕТАЛ використовують для зменшення витрат кольорових металів в провідниках, коли стальний провід покривають тонким шаром міді за доброго з‘єднання міді та сталі по всій довжині проводу.

Для виготовлення біметалу існує два способи: гарячий та холодний.

Сутність гарячого способу полягає в тому, що стальну болванку вставляють у центр форми, а потім у існуючу порожнину форми заливають розплавлену мідь. Після охолодження біметалевої болванки її прокатують до потрібного діаметра, а потім способом холодного волочіння виготовляють біметалевий дріт потрібного діаметра.

Холодний (електролітичний) спосіб полягає в тім, що на стальний дріт, який пропускають через ванну з розчином мідного купоросу, мідь рівномірно осідає. Це більш дорогий спосіб, тому що потребує значних витрат електроенергії і він не забезпечує доброго зчеплення міді та сталі.

Біметал має механічні та електричні характеристики, проміжні поміж характеристиками чистого мідного і чисто стального провідників такого самого перерізу, але механічна міцність біметалу більша ніж у міді, а електрична провідність, навпаки у біметалу менша, ніж у міді. Поверхневий шар міді за підвищених частот змінного струму збільшує електропровідність, тому що струм виштовхується на поверхню проводу, а електропровідність міді більша ніж у сталі. Крім того, мідь захищає сталь від корозії.

Біметалевий дріт випускається із зовнішнім діаметром від 1 до 4 мм, причому мідь становить не менше 50% повної маси дроту. Розривне зусилля (на повний переріз дроту) від 550 … 700 МПа, а підвищення довжини до моменту розриву Δ l / l не більше 2%. Опір 1 км біметалевого дроту постійному струмові (при 20° С) в залежності від діаметру становить 60 Ом/км (при 1 мм) до 4 Ом/км (при 4 мм). Такий дріт використовують на будівництві ліній зв’язку, ліній електропередачі.