ЕТМ_т_студ / ЕТМ_лк_pdf / ЕТМ_лк5-Провідникові матеріали

Л е к ц і я 5

ПРОВІДНИКОВІ МАТЕРІАЛИ

План лекції.

1Класифікація провідникових матеріалів.

2Властивості та характеристики провідникових матеріалів.

3Матеріали високої провідності.

3.1Срібло.

3.2Мідь.

3.3Алюміній.

3.4Сплави міді та алюмінію.

4Матеріали високого опору.

4.1Класифікація матеріалів високого опору.

4.2Сплави для вимірювальних приладів.

4.3Сплави для реостатів.

4.4Сплави для нагрівальних приладів.

5Провідникові вироби.

5.1Обмотувальні проводи.

5.2Установочні та монтажні проводи.

5.3Кабелі.

5.4Ізольовані провода для повітряних ліній електропередачі.

5.4Проводи для ліній електропередачі

Література: 1. ст. 120-165; 2. ст. 76 – 95; 3. ст. 218-265; 4. ст. 51 - 65; 5.ст

111-132, 248-266. 6. ст.224-244

1 Класифікація провідникових матеріалів

Провідники – це тіла, або речовини які здатні добре проводити елект-

ричний струм, вони володіють підвищеною електропровідністю ( 105 См/м).

Висока електропровідність провідникових матеріалів обумовлена на-

явністю великої кількості вільних електронів. Якщо провідник помістити в

61

електричне поле, то під дією поля електрони набувають прискорення, яке пропорційне напруженості цього поля. Внаслідок цього виникає упорядкова-

ний направлений рух електронів в провіднику – електричний струм.

За агрегатним станом провідникові матеріали класифікують на:

–тверді: метали, сплави металів, електровугільні та вугільно-

графітні вироби;

–рідкі: електроліти (розчини кислот, солей та лугів), розплави со-

лей та лугів, розплавлені метали;

–газоподібні: іонізований газ (плазма).

За значенням питомого електричного опору металеві провідникові

матеріали розділяють на дві групи:

–метали високої провідності у яких 0,05 10-6Ом м (срібло,

мідь, золото, алюміній, берилій, магній, натрій);

–та на метали і сплави високого опору 0,3 10-6Ом м ( манга-

нін, константан, ніхром, фехраль та ін.).

Окремою групою виділяють надпровідники та кріопровідники.

Надпровідники – це провідникові матеріали, які володіють властивістю переходити у надпровідниковий стан ( 0) при їх охолодженні до дуже низької (критичної ) температури.

До надпровідників за вказаних умов (при відповідних низьких тем-

пературах) відносяться: іридій (- 272, 86 0С), алюміній (- 271, 8 0С), олово

(- 269,3 0С), ртуть (- 268,8 0С), свинець (- 265, 8 0С) та ін.

Деякі матеріали можуть досягати при досить низьких температурах

(-1730С і нижче) дуже низького значення , яке в сотні та тисячі разів ме-

нше ніж при звичайних умовах – це кріопровідники. До кріопровідників відносять берилій, алюміній, мідь, срібло, золото та ін.

Матеріали високої провідності використовують для виготовлення обмоток електричних машин та реле, струмопровідних жил проводів та кабелів, контактів, вставок запобіжників та ін.

62

Матеріали з високим електричним опором застосовують для виго-

товлення елементів нагрівачів, реостатів, точних вимірювальних приладів,

резисторів, термопар.

Кріопровідники використовують для виготовлення струмоведучих жил проводів та кабелів, які працюють при температурах –173…–252 0С.

В металах механізм електропровідності обумовлений направленим рухом вільних електронів під дією електричного поля, тому їх прийнято називати провідниками з електронною провідністю, або провідниками

першого роду.

Провідниками другого роду є розчини та розплави кислот, лугів та со-

лей з іонною будовою молекул. При проходженні струму через них електричні заряди переносяться разом із частками молекул (іонами), при цьому змінюєть-

ся склад електролітів і на електродах виділяються продукти гідролізу.

2 Властивості та характеристики провідникових матеріалів

До основних характеристик, що описують властивості провіднико-

вих матеріалів відносяться:

–питома провідність , См/м;

–питомий опір , Ом м;

–температурний коефіцієнт питомого опору ТК , або , К-1;

–питома теплоємність c, Дж/кг К;

–термоелектрорушійна сила, мкВ ;

–робота виходу електронів із металу А, е В;

–границя міцності при розриві р, МПа;

–температурний коефіцієнт лінійного видовження ТКl, К-1;

–відносне видовження при розриві l/l, %.

Питома провідність металевих провідників, яка виражається в си-

менсах на метр (См/м) згідно із класичною теорією металів виражається так:

	q2 n
	0	,	(5.1)
	2mvТ

63

де q – заряд електрона (1,6 10-19 Кл);

n0 – число вільних електронів в одиниці об’єму металу;

–середня довжина вільного пробігу електрона між двома співударяннями із сусідніми вузлами кристалічної решітки;

m – маса електрона;

vT – середня швидкість теплового руху вільного електрона в металі.

Для різних провідникових матеріалів значення n0 та vT при заданій температурі майже не відрізняються.

Значення питомої провідності в основному залежить від серед-

ньої довжини вільного пробігу електронів , яка в свою чергу залежить від структури провідника. Чисті метали з правильною кристалічною решіт-

кою мають значно більшу провідність в порівнянні з металами, які мають домішки.

Питомим опором провідника називається величина обернена питомій провідності:

	1	.	(5.2)

Для провідника, довжиною l з постійним перерізом S, який має опір R питомий опір, який виражається в омах помножених на метр (Ом м)

визначається за формулою:

	RS	.	(5.3)
	l

Питомий опір провідникових матеріалів залежить від наявності до-

мішок, впливу магнітного поля, деформації матеріалу (волочіння дроту,

спресовування) та від температури.

Температурний коефіцієнт питомого опору металів (ТК ).

Кількість носіїв заряду в металевому провіднику при підвищенні температури залишається практично незмінною. Але внаслідок коливання вузлів кристалічної решітки із ростом температури з’являється все більше перешкод на шляху направленого руху вільних електронів під дією елект-

64

ричного поля, тобто зменшується довжина вільного пробігу електрона , і

як наслідок зменшується питома провідність металу.

1 d . (5.4)

dT

При зміні температури в незначних діапазонах для визначення се-

реднього температурного коефіцієнту на практиці користуються виразом:

			1		( 2	1 )	,	(5.5)
			1		( T2	T1 )

де 1 та 2 – питомий опір провідникового матеріалу, відповідно при температурах Т1 та Т2.

Тоді, використовуючи , визначене для певного проміжку температур можна досить точно визначити значення 2 для будь-якої температури Т2:

2 1 1 T2 T1 .

(5.6)

Для провідникових матеріалів знаходиться в межах 10-3…10-6 К-1.

Термоелектрорушійна сила. Між двома різними провідниками при їх стиканні виникає контактна різниця потенціалів, обумовлена різни-

цею значень роботи виходу електронів із різних металів (Рисунок 5.1).

1

Тх

mV

2

ТГ

Рисунок 5.1 – Схема термопари Якщо температури “спаїв” однакові, то в замкнутому колі сума різ-

ниці потенціалів дорівнює нулю. А коли температури різні, між провідни-

ками виникає термо-ЕРС, яка визначається за формулою:

E U1 2 U2 1 C( T1 T2 ),

(5.7)

де С – коефіцієнт термоЕРС, що характеризує пару провідників, мкВ/К.

65

Два ізольовані провідника, з’єднані між собою за допомогою паян-

ня, або зварювання, називаються термопарою і застосовуються для вимі-

рювання температури. В термопарах використовують провідники, які ма-

ють великий та стабільний коефіцієнт термоЕРС.

3 Матеріали високої провідності

3.1 Срібло

Срібло (Ag) – метал білого кольору, дуже дефіцитний, відноситься

до металів з високою електропровідністю. Срібло має мінімальний пито-

мий опір серед усіх провідникових матеріалів = 0,016 10-6 Ом м. Відпо-

відно до вимог ДСТУ 6836-80 електротехнічне срібло марок Ср 999…999,9

повинно мати домішок не більше 0,1 %. Температура плавлення срібла

Тпл = 961 0С, густина D = 10500 кг/м3. Механічні характеристики срібла:

границя міцності при розриві = 200 МПа; твердість за Брінеллем

HB = 25 Н/м2; відносне видовження при розриві l/l = 50%.

Срібло достатньо широко використовується в електротехніці та ра-

діоелектроніці. Срібло застосовують при виготовленні різноманітних кон-

тактів, для виготовлення електродів керамічних та слюдяних конденсато-

рів, для захисту мідних проводів, що працюють при температурах вищих

250 0С, при виготовленні радіочастотних кабелів, воно входить до складу твердих припоїв.

3.2 Мідь

Мідь – метал червонуватого кольору, як і срібло дуже дефіцитний.

Мідь одержують шляхом переробки сульфідних руд. Після кількох плавок руди та випалювання з інтенсивним продуванням мідь проходить процес електролітичного очищення. Одержані в результаті електролізу катодні пластини міді переплавляють в зливки вагою 80 – 90 кг, які прокатують та протягують у вироби необхідного перерізу.

66

Основні переваги міді:

–малий питомий опір (0,017∙10-6 Ом∙м – для м’якої міді, та

0,018 ∙ 10-6 Ом∙м для твердої міді);

–достатньо висока механічна міцність ( =260…280 МПа для м’якої та 360...390 МПа для твердої міді);

–висока пластичність ( l/l = 2,5…5% для твердої, і 18…35% для м’якої міді);

–достатня стійкість до корозії;

–добре обробляється, прокатується у листи та стрічки, протягу-

ється в дріт;

–відносна легкість паяння та зварювання.

Температура плавлення міді Тпл = 10830С, густина D = 8940 кг/м3.

Згідно із стандартами мідь за хімічним складом розділяють на

11 марок. Найменший питомий опір має хімічно чиста мідь. Наявність до-

мішок в міді знижує як її механічні властивості, так і значно знижує її еле-

ктропровідність. Найбільш небажаними домішками є свинець, вісмут та кисень.

В якості провідникового матеріалу використовують мідь марок М1

та М0. Мідь марки М1 має в своєму складі 99,9 % міді та 0,1% домішок, в

тому числі не більше 0,08 % кисню. Присутність кисню знижує механічні властивості міді. Більш високі механічні властивості має мідь марки М0,

яка містить не більше 0,05 % домішок, втому числі не більше 0,02 %

кисню.

В сухому та вологому повітрі, прісній воді при температурі 200С

мідь практично не окислюється. В присутності вологи та вуглекислого газу на поверхні міді утворюється зелена плівка (карбонат міді). Корозії міді також сприяють сірчистий газ, сірчистий водень, аміак та окис азоту.

При нагріванні міді вище 2250С розпочинається її активне окислення.

67

Механічні та електричні характеристики провідникової міді в значній мірі залежать від її стану. За станом мідь розділяють на тверду (не відпалену) та м’яку (відпалену).

Тверду мідь (МТ) одержують при холодному протягуванні, вона має високу границю міцності при розтягуванні, підвищену твердість (НВ = 65…120 Н/м2) і пружність, але вона має меншу електропровідність.

Якщо мідь піддати відпалюванню (нагріти до температури 200…500 0С без доступу повітря і поступово охолодити) то одержимо м’яку мідь марки ММ. М’яка мідь більш пластична, має велике відносне видовження при розриві, більшу питому провідність, але вона має меншу твердість (НВ = 35 Н/м2) та меншу границю міцності при розтягуванні.

Тверду мідь застосовують там, де необхідно забезпечити значну механічну міцність, твердість та опір до стирання: для контактних проводів, для шин розподільчих пристроїв, для колекторних пластин електричних машин, струмоведучих жил кабелів.

М’яку мідь у вигляді дротів круглого та прямокутного перерізу застосовують головним чином у вигляді струмопровідних жил обмотувальних, монтажних та установочних проводів, кабелів, для виготовлення фольги.

3.3 Алюміній

Алюміній – метал білого кольору, який займає друге місце за зна-

ченням, після міді, серед провідникових матеріалів і найбільш поширений в природі.

Алюміній відноситься до групи легких металів, його густина

D = 2600 – 2700 кг/м3. Як і мідь, алюміній може бути м’який (відпалений) та твердий (не відпалений) відповідно марок АМ та АТ. Прокатування, протягу-

вання та відпалювання алюмінію аналогічні відповідним операціям з міддю.

Питомий опір алюмінію = 0,029∙10-6 Ом∙м. Температура плавлен-

ня Тпл = 6570С. Границя міцності при розриванні для м’якого алюмінію –

= 80 МПа, для твердого 160...170 МПа. Відносне видовження при розриві

l/l = 1,5…2,0 % для АТ, – 10…18 % для АМ.

68

Для електротехнічних виробів використовується алюміній, що міс-

тить не більше 0,5 % домішок. Ще більш чистий алюміній (не більше

0,03% домішок) використовують для виготовлення алюмінієвої фольги,

електродів та корпусів електролітичних конденсаторів. Домішки суттєво погіршують питому електропровідність алюмінію та його механічні влас-

тивості (особливо титан).

Алюміній активно окислюється на повітрі і покривається оксидною плівкою з великим питомим електричним опором. Ця плівка оберігає алю-

міній від подальшої корозії, але вона створює великий перехідний опір в мі-

сцях з’єднань і утруднює паяння алюмінію. В місцях з’єднання алюмінію з міддю, особливо при підвищеній вологості, можлива гальванічна корозія.

Сірководень, аміак, сірчистий газ майже не впливають на швид-

кість корозії алюмінію.

Основна область застосування алюмінію – це виготовлення прово-

дів повітряних ліній електропередач та струмопровідних жил кабелів. Та-

кож із алюмінію виготовляють проводи для обмоток електричних машин,

монтажні проводи, виготовляють обмотки (стержні) роторів асинхронних двигунів із короткозамкнутим ротором. Алюміній застосовують для виго-

товлення шин розподільчих пристроїв, оболонок кабелів та ін.

3.4 Сплави міді та алюмінію

Бронзи – це сплави міді з оловом, фосфором, берилієм, кремнієм,

алюмінієм, хромом, кадмієм, магнієм.

Бронзи мають значно вищі механічні властивості ніж чиста мідь,

але їх електропровідність менша ніж у міді. Границя міцності при розриві

( ) для них знаходиться в межах 400...1350 МПа (берилієва бронза). Вве-

дення до складу бронзи кадмію, при незначному зменшенні питомої елект-

ропровідності ( = 0,02∙ 10-6 Ом∙м) веде до підвищення твердості та міцно-

сті (до = 1050 МПа).

69

Кадмієву бронзу застосовують для контактних проводів та колек-

торних пластин. Також бронзи широко використовують для виготовлення струмопровідних пружин, тримачів щіток.

Латунь – це сплав міді з цинком до (43%). Інколи до складу латуні вводять алюміній, нікель та марганець. Латунь дуже пластичний сплав і має підвищені механічні властивості у порівнянні із міддю. Із латуні виго-

товляють різноманітні струмопровідні деталі: обойми для щіток, фасонні болти, гайки, шайби.

Альдрей – сплав алюмінію (98...99 %), заліза (0,3%), кремнію

(0,2…0,3%), магнію (0,3…0,5%).

Альдрей має високі механічні властивості в порівнянні з алюміні-

єм, цих властивостей він набуває в результаті спеціальної термічної оброб-

ки. Густина альдрею D = 2700 кг/м3, границя міцності = 350 МПа; пито-

мий опір = 3,17∙10-8 Ом∙м. Застосовують альдрей для виготовлення про-

водів ліній електропередач.

Силумін – сплав алюмінію з кремнієм (5…14 %). З силуміну виго-

товляють корпуси та підшипникові щити мікро електромашин та асинх-

ронних двигунів потужністю до 4 кВт, корпуса повітряних конденсаторів.

4 Матеріали високого опору

4.1 Класифікація матеріалів високого опору

Сплави високого опору за застосуванням розділяються на три гру-

пи: сплави для вимірювальних приладів; сплави для реостатів; сплави для електронагрівальних приладів.

Перша група сплавів має високий питомий опір, малий ТК , малу термоЕРС відносно міді та високу стабільність питомого опору в часі.

Друга група сплавів окрім великого значення питомого опору по-

винна мати підвищену нагрівостійкість (до 200 0С).

70