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.