|
2.4.
Материалы высокой проводимости
К
наиболее широкораспрстраненным материалам высокой проводимости следует
отнести медь и алюминий.
2.4.1.
Медь
Преимущества
меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала,
следующие:
- малое удельное
сопротивление;
- достаточно высокая
механическая прочность;
- удовлетворительная
в большинстве случаев применения стойкость по отношению к коррозии;
- хорошая обрабатываемость:
медь прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина
которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра;
- относительная легкость
пайки и сварки.
Медь
получают чаще всего путем переработки сульфидных руд. После ряда плавок
руды и обжигов с интенсивным дутьем медь, предназначенная для электротехнических
целей, обязательно проходит процесс электролитической очистки.
В
качестве проводникового материала чаще всего используется медь марок М1
и М0. Медь марки М1 содержит 99.9% Cu, а в общем количестве примесей (0.1%)
кислорода должно быть не более 0,08%. Присутствие в меди кислорода ухудшает
ее механические свойства. Лучшими механическими свойствами обладает медь
марки М0, в которой содержится не более 0.05% примесей, в том числе не
свыше 0.02% кислорода.
Медь
является сравнительно дорогим и дефицитным материалом, поэтому она все
шире заменяется другими металлами, особенно алюминием.
В
отдельных случаях применяются сплавы меди 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.
2.4.2.
Алюминий
Алюминий
является вторым по значению после меди проводниковым материалом. Это важнейший
представитель так называемых легких металлов: плотность литого алюминия
около 2.6, а прокатанного – 2.7 Мг/м3. Т.о., алюминий примерно
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 тепла, 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. При одинаковом сечении и длине электрическое сопротивление
алюминиевого провода в 1.63 раза больше, чем медного. Весьма важно, что
алюминий менее дефицитен, чем медь.
Для
электротехнических целей используют алюминий, содержащий не более 0.5%
примесей, марки А1. Еще более чистый алюминий марки АВ00 (не более 0.03%
примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и
корпусов электролитических конденсаторов. Алюминий наивысшей чистоты АВ0000
имеет содержание примесей не более 0ю004%. Добавки Ni, Si, Zn или Fe при
содержании их 0.5% снижают γ отожженного алюминия не более, чем на
2-3%. Более заметное действие оказывают примеси Cu, Ag и Mg, при том же
массовом содержании снижающие γ алюминия на 5-10%. Очень сильно снижают
электропроводность алюминия Ti и Mn.
Алюминий
весьма активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим
электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет металл от дальнейшей
коррозии.
Алюминиевые
сплавы обладают повышенной механической прочностью. Примером такого сплава
является альдрей, содержащий 0.3-0.5% Mg, 0.4-0.7% Si и
0.2-0.3% Fe. В альдрее образуется соединение Mg2Si, которое
сообщает высокие механические свойства сплаву.
2.4.3.
Железо
Железо
(сталь) как наиболее дешевый и доступный металл, обладающий к тому же
высокой механической прочностью, представляет большой интерес для использования
в качестве проводникового материала. Однако даже чистое железо имеет значительно
более высокое сравнительно с медью и алюминием удельное сопротивление;
ρ стали, т.е. железа с примесью углерода и других элементов, еще
выше. Обычная сталь обладает малой стойкостью коррозии: даже при нормальной
температуре, особенно в условиях повышенной влажности, она быстро ржавеет;
при повышении температуры скорость коррозии резко возрастает. Поэтому
поверхность стальных проводов должна быть защищена слоем более стойкого
материала. Обычно для этой цели применяют покрытие цинком.
В
ряде случаев для уменьшения расхода цветных металлов применяют так называемый
биметалл. Это сталь, покрытая снаружи слоем меди, причем
оба металла соединены друг с другом прочно и непрерывно.
2.4.4.
Натрий
Весьма
перспективным проводниковым материалом является металлический натрий.
Натрий может быть получен электролизом расплавленного хлористого натрия
NaCl в практически неограниченных количествах. Из сравнения свойств натрия
со свойствами других проводниковых металлов видно, что удельное сопротивление
натрия примерно в 2.8 раза больше ρ меди и в 1.7 раз больше ρ
алюминия, но благодаря чрезвычайно малой плотности натрия (плотность его
почти в 9 раз меньше плотности меди), провод из натрия при данной проводимости
на единицу длины должен быть значительно легче, чем провод из любого другого
металла. Однако натрий чрезвычайно активен химически (он интенсивно окисляется
на воздухе, бурно реагирует с водой), почему натриевый провод должен быть
защищен герметизирующей оболочкой. Оболочка должна придавать проводу необходимую
механическую прочность, так как натрий весьма мягок и имеет малый предел
прочности при деформациях.
2.5.
Сверхпроводники и криопроводники
Как
уже отмечалось, при понижении температуры удельное сопротивление металлов
падает. Представляет особый интерес вопрос об электропроводности металлов
при весьма низких температурах, приближающихся к абсолютному нулю. Исчезновение
электрического сопротивления, т.е. появление практически бесконечной электрической
проводимости материала, называется сверхпроводимостью, а
температура, при охлаждении до которой совершается переход вещества в
сверхпроводящее состояние – температурой сверхпроводникового перехода
Тс. Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым:
при повышении температуры до Тс сверхпроводимость разрушается
и материал переходит в нормальное состояние, приобретая конечное значение
удельной проводимости γ. В настоящее время известно 27 простых (чистых
металлов) и более тысячи сложных (сплавов и химических соединений).
В
то же время некоторые вещества, в том числе такие наилучшие проводниковые
материалы, как серебро и медь, при наиболее низких, достигнутых в настоящее
время температурах (порядка тысячных долей Кельвина; согласно третьему
закону термодинамики, абсолютный нуль температуры принципиально недостижим)
перевести в сверхпроводящее состояние не удалось. Интересно отметить,
что сверхпроводниками могут быть не только соединения и сплавы металлов,
обладающих сверхпроводимостью, но и соединения таких элементов с несверхпроводящими
и даже соединения, в состав молекул которых входят исключительно атомы
элементов, не являющихся сверхпроводящими.
Помимо
сверхпроводящих электромагнитов можно отметить возможности использования
сверхпроводников для создания электрических машин, трансформаторов и тому
подобных устройств малой массы и габаритов, но с высокими к.п.д.; линий
электропередачи весьма больших мощностей на дальние расстояния; волноводов
с особо малым затуханием; накопителей энергии и пр.
Помимо
явления сверхпроводимости в современной электротехнике все шире используется
явление криопроводимости , т.е. достижение некоторыми металлами
весьма малой удельной проводимости при криогенных температурах (но более
высоких, чем температура сверхпроводникового перехода, если данный металл
вообще принадлежит к сверхпроводникам. Материалы, обладающие особо благоприятными
свойствами для применения в качестве проводников в условиях криогеннных
температур, называются криопроводниками или гиперпроводниками.
Весьма
малое, но все же конечное значение удельного сопротивления криопроводника
при его рабочей температуре ограничивает допустимую плотность тока в нем,
хотя эта плотность может быть намного выше, чем в обычных проводниках.
Криопроводники, у которых при изменении температуры в широких пределах
удельное сопротивление изменяется плавно, без скачков, не могут использоваться
в ряде устройств, действие которых основано на триггерном эффекте появления
и разрушения сверхпроводимости. Однако применение криопроводников в электрических
машинах, аппаратах, кабелях и т.п. имеет и свои преимущества, притом весьма
существенные. Так, если в сверхпроводниковых устройствах в качестве охлаждающего
агента применяется жидкий гелий, рабочая температура криопроводников достигается
применением более высококипящих и дешевых хладоагентов: жидкого водорода
или даже жидкого азота. Это значительно упрощает и удешевляет выполнение
и эксплуатацию устройства. Кроме того, в сверхпроводниковом устройстве,
например электромагните, по обмотке которого проходит сильный ток, накапливается
большая энергия магнитного поля. Если из-за случайного повышения температуры
или магнитной индукции хотя бы на малом участке сверхпроводящего контура
сверхпроводимость будет разрушена, внезапно освободится большое количество
энергии, что может вызвать серьезную аварию. В случае же криопроводниковой
цепи повышение температуры вызовет лишь постепенное возрастание сопротивления
этой цепи без эффекта взрыва.
Во
всех случаях для получения криопроводниковых материалов требуется высокая
чистота металла и отсутствие наклепа. Вредное влияние примесей и наклепа
на ρ металлов при криогенных температурах сказывается намного сильнее,
чем при нормальных. Криопроводники могут с успехом использоваться для
обмоток электрических машин и трансформаторов, для токопроводящих жил
кабелей и т.п.
2.6.
Сплавы высокого сопротивления
Помимо
высокого сопротивления от таких материалов требуются высокая стабильность
ρ во времени, малый ТКρ и малый коэффициент термо-э.д.с. в паре
данного сплава с медью. Желательно, чтобы такие сплавы были дешевыми и
по возможности не содержали дефицитных компонентов.
2.6.1.
Манганин
Это
наиболее типичный и широко применяемый для образцовых резисторов сплав.
Примерный его состав: Cu- 85%, Mn- 12% и Ni- 3%; название происходит от
наличия в нем марганца; желтоватый цвет объясняется большим содержанием
меди. ρ манганина 0.42-0.48 мкОм∙м, коэффициент термо-э.д.с.
в паре с медью всего 1-2 мкВ/К, αρ весьма мал. Предельная
длительно допустимая рабочая температура не более 200°С.
2.6.2.
Константан
Сплав,
содержащий около 60% меди и 40% никеля; этот состав отвечает минимуму
αρ в системе Cu-Ni при довольно высоком значении
ρ. Название константан объясняется значительным постоянством ρ
при изменении температуры. Нагревостойкость константана выше, чем манганина,
а механические свойства близки. Существенным отличием последнего является
высокая термо-э.д.с. в паре с медью и с железом. Широкому применению константана
препятствует большое содержание дорогого и дефицитного никеля.
2.6.3.
Сплавы на основе железа
Сплавы
системы Fe – Ni – Cr называются нихромами или (при повышенном
содержании железа) ферронихромами; сплавы системы Fe – Cr
– Al называются фехралями и хромалями. Нихромы
весьма технологичны: их можно легко протягивать в тонкую проволоку или
ленту, они имеют высокую рабочую температуру. Однако, как и в костантане,
в них велико содержание никеля. Нихромы применяются в качестве электронагревательных
элементов.
Хромо-алюминиевые
сплавы намного дешевле нихромов, однако эти сплавы менее технологичны,
более тверды и хрупки. Они в основном используются для электронагревательных
устройств большой мощности.
|