Краткие теоретические сведения. Сравнительная характеристика проводниковых материалов высокой проводимости

Сравнительная характеристика проводниковых материалов высокой проводимости

Практическое занятие №4

Порядок выполнения

1. Пользуясь справочными данными, заполнить таблицу 4, указав достоинства, недостатки и область применения твердых неорганических диэлектриков.

2. Проранжировать данные материалы по массе, начиная с наиболее легкого.

Контрольные вопросы

1. Какие диэлектрики относятся к неорганическим?

2. Каковы основные механические свойства диэлектриков.

3. Какими свойствами обладает слюда и материалы на ее основе и где они применяются?

4. Какой из данных материалов обладает самой высокой механической прочностью?

5. Чем отличаются активные диэлектрики от обычных?

Рекомендуемая литература: (1) стр.190 – 196; (2) стр.177 – 181.

Цель работы: систематизировать знания о свойствах материалов высокой проводимости

Задачи:

- изучить основные физико-химические, механические и электрические характеристики проводниковых материалов высокой проводимости;

- заполнить таблицу основных характеристик данных материалов;

- проранжировать данные материалы по электрической проводимости и температуре плавления.

Проводниковые материалы подразделяют на следующие группы:

1) металлы и сплавы высокой проводимости; 2) припои; 3) сверхпроводники; 4)контактные материалы; 5) сплавы с повышенным электрическим сопротивлением.

Металлы и сплавы высокой проводимости кроме малого электрического сопротивления должны иметь достаточную прочность, пластичность, которая определяет технологичность, а также коррозионную стойкость в атмосферных условиях и в некоторых случаях высокую износостойкость. Кроме того, металл должен хорошо свариваться и подвергаться пайке для получения соединения высокой надежности и электрической проводимости.

Практическое применениеимеют химически чистые металлы: медь (Си), алюминий (А1), железо (Fe).

Эти металлы обладают высокой электрической проводимостью при минимальном содержании примесей и дефектов кристаллической решетки. В связи с этим такие металлы используют в технически чистом видеи, для достижения максимальной электрической проводимости, в отожженном состоянии.

Наиболее чистая бескислородная медь имеет суммарное содержание примесей от 0,01 % до 0,1%. Наиболее вредная примесь в меди — кислород. Помимо ухудшения проводимости кислород при отжиге полуфабрикатов и изделий из чистой меди в водороде вызывает растрескивание и потерю прочности, поэтому содержание кислорода в меди строго ограничено.

Наибольшей электрической проводимостью обладает бескислородная медь, которую получают переплавом электролитически очищенной меди в вакууме или переработкой катодной меди методами порошковой металлургии. Она используется в виде проката: проволок разных диаметров, шин, полос и прутков. Механические свойства меди зависят от диаметра провода. Малым диаметрам соответствуют большая прочность и меньшая пластичность. Медь используют для обмоточных проводов, кабельных изделий, подвесных токонесущих и контактных проводов, коллекторных пластин.

Для изделий, от которых требуется прочность выше 400 МПа, используются латуни и бронзы с кадмием и бериллием, обеспечивающими большие прочность и износостойкость, чем медь, при некоторой потере электрической проводимости.

В алюминии высокой чистоты и технической чистоты примеси составляют от 0,02% до 0,5%. Все примеси, так же как и в меди, снижают проводимость алюминия, которая несколько ниже, чем у меди. Алюминий высокой чистоты обладает хорошей пластичностью, поэтому из него изготовляют конденсаторную фольгу толщиной 6-7 мкм. Технически чистый алюминий используют в виде проволоки в производстве кабелей и токонесущих проводов.

Алюминий уступает меди в электрической проводимости и прочности, но он значительно легче, больше распространен в природе. При замене медного провода алюминиевым последний должен иметь диаметр в 1,3 раза больше, но масса его и в этом случае будет в 2 раза меньше. Так же, как и медь, алюминий используют или в отожженном, или нагартованном состоянии.

Для токонесущих проводов воздушных линий электропередачи с большими расстояниями между опорами используют алюминиевые сплавы (Al-Mg-Si) более прочные, чем чистый алюминий.

Легирование алюминия магнием и кремнием в небольших количествах (менее 1% каждого) несколько ухудшает электрическую проводимость, но упрочняет сплав, практически не ухудшая пластичность и коррозионную стойкость. Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью вследствие образования на поверхности защитной оксидной пленки АlОз. Эта пленка затрудняет пайку алюминиевых проводов обычными методами. Необходим специальный припой или ультразвуковые паяльники. Места контакта алюминиевого провода с медным следует покрывать лаком для защиты от атмосферной коррозии. Во влажной атмосфере алюминий в контакте с медью быстро разрушается вследствие электрохимической коррозии.

Железо значительно уступает меди и алюминию по проводимости, но имеет большую прочность, что в некоторых случаях оправдывает его применение как проводникового материала. В таких случаях используют качественные низкоуглеродистые стали с содержанием углерода 0,1-0,15%,а такжестали обыкновенного качества. Эти стали обеспечивают достаточно высокую прочность и идут на изготовление шин, трамвайных рельсов, рельсов метро и железных дорог с электрической тягой. Сечение провода определяетсяне электрической проводимостью, а механической прочностью материала.

Биметаллический провод (стальной провод, покрытый медью) используют при передаче переменных токов повышенной частоты. Такая конструкция позволяет уменьшить электрические потери, связанные с ферромагнетизмом железа, и расход дефицитной меди. Проводимость определяет металл наружного слоя, так как токи повышенной частоты вследствие скин-эффекта распространяются по наружному слою провода. Сердцевина из стали воспринимает силовую нагрузку. Покрытие создается гальваническим способом или плакированием. Наружный медный слой предохраняет железо от атмосферной коррозии.

Биметаллический провод используют в линиях связи и электропередачи. Кроме этого, из биметаллического материала изготовляют шины для распределительных устройств, различные токопроводящие части электрических аппаратов.

Таблица 5 - Основные проводниковые материалы высокой проводимости

Свойства	Чистые металлы	Сплавы
Медь	Алюминий	Серебро	Бронза	Латунь
Состав
Плотность, (кг/м^3)
Температура плавления, (^оC)
Относительное удлинение при разрыве, %
Предел прочности при растяжении σр, (Н/м^2)
Удельное электрическое сопротивление, (Ом·м)
Достоинства
Недостатки
Область применения

Дата добавления: 2014-12-16