Тема 2.2 Материалы высокой проводимости

Важнейшими твердыми проводниковыми материалами в электромонтаже являются металлы и их сплавы, среди которых особую группу составляют металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление в нормальных условиях не более 0,1 мкОм·м.

Металлы высокой проводимости используют для проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов, контактов и т.п.

По классической электронной теории металлов в узлах кристаллической решетки размещены ионы, а внутри решетки находится электронный газ, состоящий из коллективизированных (свободных) электронов. Механизм прохождения тока в металлах обусловлен движением свободных электронов под действием электрического поля. Поэтому металлы называют проводниками с электронной проводимостью.

Наряду с высокой электрической проводимостью чистые металлы обладают хорошей пластичностью, ковкостью, высокой теплопроводностью. Сплавы обладают меньшей пластичностью, чем чистые металлы, но они более упруги и имеют более высокую механическую прочность.

Важными характеристиками проводников являются ТКЛР, разрушающее напряжение при растяжении, удлинение при разрыве, твердость, температура плавления, удельная теплоемкость и др.

Из проводниковых материалов с высокой тепло- и электро- проводностью самым замечательным материалом для проводов было серебро. Его удельное сопротивление при комнатной температуре составляет примерно 1,4·10^-8 Ом·м, теплопроводность 418 Вт/(м·К). Однако этот материал слишком дорог и редок, поэтому серебро используют только для ответственных контактов, т.к. оно не только идеальный проводник, но и не окисляется в процессе работы, значит, не ухудшаются свойства контакта со временем. Отметим, что другие, более привычные проводники, такие как медь или алюминий окисляются кислородом воздуха, превращаясь в непроводящие окислы, ухудшая или даже предотвращая омический контакт. Для проводов именно их и используют, потому что по электропроводности их можно поставить на 2-е и 3-е место после серебра.

К широко распространенным материалам с высокой проводимостью относят медь и алюминий.

Медь

Медь (не более 4,7·10^-3 % массы земной коры) – мягкий материал красноватого оттенка, удельное сопротивление при 20 ºС – 1,7·10^-8 Ом·м, температурный коэффициент сопротивления

-4,3·10^-3 1/К, плотность при 20 ºС – 8,89 т/м³ прочность при растяжении 200 МПа, теплопроводность ~ 400 Вт/(м·К), температура плавления 1083 ºС.

Достоинствами меди являются:

• малое удельное сопротивление;
• достаточно высокая механическая прочность;
• удовлетворительная стойкость к коррозии;
• хорошая технологичность (обрабатываемость);
• относительная легкость пайки и сварки.

Из меди изготовляют тонкую проволоку круглого и прямоугольного сечения. При холодной протяжке получают твердотянутую (твердую) медь МТ, которая имеет высокий предел прочности при растяжении, малое удлинение при разрыве, хорошую твердость и упругость при изгибе.

При отжиге меди получают мягкую (отожженную) медь ММ, которая обладает пластичностью, имеет меньшую, чем у МТ, твердость и небольшую прочность, но достаточно большое удлинение при разрыве и, что очень важно, более низкое удельное сопротивление.

Различают твердую МТ и мягкую ММ медь. Твердую медь используют для контактных проводов, шин распределительных устройств, коллекторных пластин электрических машин, а мягкую медь – в основном в качестве токопроводящих жил кабелей и проводов.

Медь является сравнительно дорогим и дефицитным материалом, поэтому ее надо расходовать не только экономно, но и заменять другими материалами. Чаще всего для замены меди используют алюминий.

Алюминий

При меньшем дефиците, чем медь, относительной доступности и дешевизне алюминий стал вторым по значению проводниковым материалом, поскольку обладает достаточно большой проводимостью и стойкостью к коррозии.

Алюминий (7,5 % массы земной коры) – это серебристо-белый металл, отличающийся малой твердостью и другими невысокими механическими свойствами. Удельное сопротивление при 20 ºС – 2,8·10^-8 Ом·м, плотность при 20 ºС – 2,7 т/м³, температурный коэффициент сопротивления 4·10^-3 1/К, теплопроводность ~ 200 Вт/(м·К), температура плавления 660 ºС, прочность при растяжении 80 МПа. Он относится к легким металлам (почти в 3,5 раза легче меди).

Поскольку сопротивление алюминиевого провода при одинаковых длине и сечении в 1,63 раза выше, чем медного, то для получения провода с таким же электрическим сопротивлением, как у меди, необходимо в 1,63 раза увеличивать его сечение (иначе говоря, брать более толстый алюминиевый провод). Практически это означает, что диаметр алюминиевого провода будет примерно в 1,3 раза больше медного, поэтому замена меди на алюминий не всегда возможна.

Из алюминия изготовляют тонкую фольгу, мягкую (АМ), полутвердую (АПТ) и твердую (АТ) проволоки, а также шины прямоугольного сечения. Кроме того, алюминий применяют для экранов, электродов и корпусов конденсаторов.

На воздухе алюминий очень быстро окисляется и покрывается тонкой пленкой оксида (Al₂O₃) с большим электрическим сопротивлением, противостоящей дальнейшему проникновению кислорода воздуха вглубь металла. В то же время пленка создает большие переходные сопротивления в местах контакта алюминиевых проводов и значительно затрудняет пайку алюминия обычными методами.

В местах контакта алюминия с другими металлами при их увлажнении возможна гальваническая коррозия, приводящая к его разрушению. Это вызвано тем, что при наличии воды или влаги возникает местная гальваническая пара с достаточно высоким значением эдс. Во избежание образования гальванических пар места контакта алюминия тщательно защищают от влаги, например, покрывают их лаками или герметиками.

Алюминиевые провода и токоведущие детали можно соединять горячей или холодной сваркой, а также пайкой с применением специальных припоев и флюсов.

Задача 2

Два отрезка проволоки длинной по 5 м имеют одинаковое электрическое сопротивление. На сколько отличается по весу отрезок алюминиевой проволоки от медной, если сечение последней 6 мм²?