Метали високої провідності

Фізичні процеси в провідниках та їх властивості

За механізмом протікання струму провідники поділяють на провідники першого роду, в яких струм обумовлений дрейфом вільних електронів (метали в твердому і рідкому стані), і провідники другого роду – електроліти, у котрих струм пов’язаний з переносом заряду іонами (розчини кислот, лугів, солей).

Основна причина провідності металічних провідників полягає в русі великої кількості вільних електронів (“електронного газу”), що підтверджує ряд експериментальних результатів:

1) спостерігається прямий зв’язок між електропровідністю та теплопровідністю;

2) при тривалому проходженні струму через коло, складене лише з металічних провідників, не спостерігається проникнення атомів одного металу в інший;

3) при нагріванні металу до високих температур спостерігається емісія електронів з поверхні;

4) поява ЕРС на кінцях провідника, що швидко рухався, і різко зупиненого;

5) зміна питомого опору провідника в магнітному полі в результаті викривлення траєкторії електронів.

До цієї групи матеріалів належать мідь та її сплави, алюміній та його сплави, срібло, золото та деякі інші метали.

Мідь (Cu) знайшла широке застосування в електрорадіотехніці завдяки таким своїм перевагам:

1) малому питомому опору (r = 0,0172 мкОм×м);

2) достатньо високим механічним властивостям (міцності, пластичності);

3) задовільній корозійній стійкості;

4) хорошій технологічності; мідь прокочується в листи і стрічку та протягується в провід;

5) відносній легкості паяння та зварювання.

Найчастіше мідь отримують переробкою сульфідної руди. Електротехнічна мідь обов’язково проходить електролітичне очищення. Після нього мідь переплавляють, прокочують і протягують, одержуючи вироби потрібного поперечного перерізу.

Властивості міді досить чутливі до вмісту домішок. Тому як провідниковий матеріал використовують мідь марки М1 (99,9% Cu, кисень не більше 0,08%) та марки М0 (99,95% Cu, кисень не більше 0,02%).

Залежно від технології переробки отримують мідь тверду або м’яку. Першу отримують холодним протягуванням, друга додатково піддається відпалу.

Тверда мідь використовується там, де важлива висока механічна міцність, твердість та опір стиранню: контактні проводи та колекторні пластини, шини розподільчих пристроїв тощо.

М’яка мідь застосовується як обмоткові проводи та струмопровідні жили кабелів, коли важливі гнучкість та пластичність.

У вакуумних приладах, зокрема потужних електронних лампах, використовується мідь особливо високої чистоти (безкиснева мідь).

Однак механічні властивості чистої міді в деяких випадках не задовольняють вимоги до виробів з неї. Тому тоді використовують сплави міді з невеликим вмістом легуючих домішок: Sn, Si, P, Be, Cr, Mg, Cd, та інші. Ці сплави називаються бронзами; при правильному виборі складу вони мають значно кращі механічні властивості, ніж чиста мідь.

Введення в мідь кадмію при порівняно малому зниженні питомої провідності g істотно підвищує механічну міцність і твердість. Кадмієву бронзу застосовують для контактних проводів та колекторних пластин для електричних машин спеціального призначення. Ще вища механічна міцність (sр – до 1350 МПа) у берилієвої бронзи.

Сплав міді з цинком – латунь – визначається більшим відносним подовженням при розтязі порівняно з міддю, що забезпечує йому технологічні переваги при обробці тиском. Застосовується для виготовлення різних струмопровідних деталей.

Мідь – порівняно дорогий і дефіцитний матеріал, тому повинна витрачатися дуже економно. Наскільки можливо, мідь замінюється іншими металами, найчастіше алюмінієм.

Алюміній (Al) – другий за значенням (після міді) провідниковий матеріал. Належить до так званих легких металів (приблизно в 3,5 рази легше міді).

Питомий опір r алюмінію (див. табл.2.1) приблизно в 1,63 рази більше r міді. Однак якщо порівняти за масою два відрізки алюмінію і мідного проводів однієї довжини і однакового опору, то виявиться, що алюмінієвий провід приблизно вдвічі легший за мідний. Дуже важливо й те, що алюміній менш дефіцитний, ніж мідь.

Як провідниковий матеріал використовують алюміній, що містить не більше 0,5% домішок. В радіоелектроніці застосовують алюміній вищої чистоти (не більше 0,03% домішок).

Алюміній добре протягується (можна одержати тонку фольгу до 5-7мкм). Дуже активно окисляється на повітрі, покривається тонкою оксидною плівкою, яка захищає матеріал від подальшої корозії. Ця ж плівка значно ускладнює паяння алюмінієвих провідників звичайними методами – доводиться використовувати спеціальні флюси, припої та інструменти.

Алюміній використовують для виготовлення проводів, захисних кабельних оболонок, корпусів приладів, екранів тощо. Для повітряних ліній електропередач застосовують альдрей (сплав з домішками Mg, Si, Fe), який зберігаючи легкість алюмінію і незначно відрізняючись від нього провідністю, за механічною міцністю наближається до твердої міді.

Залізо (сталь) як найдешевший метал, до того ж досить міцний, в ряді випадків використовують як провідниковий матеріал. Однак навіть чисте залізо має значно вищий порівняно з міддю та алюмінієм питомий опір (r»0,1мкОм м); значення r сталі, тобто заліза з домішкою вуглецю та інших елементів, ще вище.

На змінному струмі стальні провідники мають активний опір вищий, ніж на постійному через сильний, як у магнітного матеріалу, поверхневий ефект.

До того ж на змінному струмі з’являються втрати на гістерезис. Звичайна сталь не стійка до корозії, вона швидко ржавіє, тому поверхня стальних провідників і елементів апаратури повинна бути захищена шаром стійкого матеріалу, наприклад, цинку.

Застосовують сталь як провід для повітряних ліній передач невеликої потужності, як серцевину сталеалюмінієвих провідників ліній електропередач, як елемент системи живлення електрифікованих залізниць та трамваю (рейки, включно з контактною в метро). В електрорадіоприладах використовують для виготовлення магнітних екранів та конструкційних елементів (каркаси, шасі, корпуси тощо).

Срібло – білий, блискучий метал з найвищою серед металів тепло - та електропровідністю, стійкий проти окислення при нормальній температурі. Застосовується для виготовлення контактів, розрахованих на невеликі струми; для обкладок керамічних та слюдяних конденсаторів.

Золото – метал жовтого кольору, стійкий до дії хімічних реагентів. Використовується для гальванічного покриття відповідальних контактів елементів радіотехнічних приладів та у виробництві мікросхем.

Дата добавления: 2014-01-13