Какие материалы относятся к проводникам

Проводни́к — вещество, среда, материал, хорошо проводящие электрический ток [1] [2] .

В проводнике имеется большое число свободных носителей заряда, то есть заряженных частиц, которые могут свободно перемещаться внутри объёма проводника и под действием приложенного к проводнику электрического напряжения создают ток проводимости [3] . Благодаря большому числу свободных носителей заряда и их высокой подвижности значение удельной электропроводности проводников велико.

С точки зрения электродинамики проводник — среда с большим на рассматриваемой частоте значением тангенса угла диэлектрических потерь (tgδ >> 1) [4] , в такой среде сила тока проводимости много больше силы тока смещения. При этом под идеальным проводником (сверхпроводником) понимают среду с бесконечно большим значением tgδ, прочие проводники называют реальными или проводниками с потерями.

Проводниками называют также части электрических цепей — соединительные провода [5] , металлические шины и др.

Среди наиболее распространённых твёрдых проводников известны металлы, полуметаллы, углерод (в виде угля и графита). Пример проводящих жидкостей при нормальных условиях — ртуть, электролиты, при высоких температурах — расплавы металлов. Пример проводящих газов — ионизированный газ (плазма). Некоторые вещества, при нормальных условиях являющиеся изоляторами, при внешних воздействиях могут переходить в проводящее состояние, а именно проводимость полупроводников может сильно варьироваться при изменении температуры, освещённости, легировании и т. п.

Микроскопическое описание проводников связано с электронной теорией металлов. Наиболее простая модель описания проводимости известна с начала прошлого века и была развита Друде.

Проводники, в которых преобладает электронная проводимость, обусловленная движением электронов, относят к проводникам первого рода. К проводникам второго рода относят проводники с ионной проводимостью (электролиты).

Основным показателем, характеризующим проводниковые материалы, является электропроводность. Способность проводникового материала оказывать сопротивление прохождению тока оценивается удельным электрическим сопротивлением. Наибольшей проводимостью обладают чистые металлы, образующие группу материалов высокой проводимости. Другую группу проводниковых материалов составляют сплавы высокого сопротивления.

Проводники высокой проводимости обладают удельным электрическим сопротивлением не более 0,05 мкОмм. Их применяют для изготовления обмоток электрических машин и трансформаторов, монтажных и установочных электрических проводов и кабелей. К проводникам высокой проводимости относятся медь, алюминий, железо, серебро, молибден и др.

Медь — основной проводниковый материал. По электропроводности она уступает лишь серебру. В качестве проводникового материала используют медь марок Ml и МО.

Медь марки Ml содержит до 0,1 % примесей, МО — не более 0,05 %. Медную проволоку получают горячей прокаткой медных болванок в катанку с последующим протягиванием без подогрева. В результате холодной протяжки получается твердая медь (МТ), обладающая высокой прочностью, твердостью и упругостью. Твердую медь марки МТ применяют, когда необходимо обеспечить высокую прочность и сопротивление истиранию: контактные провода, коллекторные пластины электрических машин, токоведущие жилы кабелей и проводов.

После отжига с последующим охлаждением получают мягкую медь с проводимостью на 3—5 % выше, чем у твердой. Мягкая отожженная медь применяется в основном для изготовления изолированных обмоточных и монтажных проводов, в тех случаях, когда важна гибкость и пластичность, а прочность не имеет большого значения.

Для изделий повышенной прочности и износостойкости применяются сплавы меди — латуни и бронзы с кадмием и бериллием. Удельное электрическое сопротивление латуни больше, чем меди. Из нее изготовляют проводниковые детали резисторов, конденсаторов, катушек и др. Кадмиевые бронзы используются для изготовления контактов и коллекторных пластин, бериллиевые бронзы — для токоведущих пружин, щеткодержателей, скользящих контактов; электродов и зажимов.

Для электрифицированных железных дорог применяют медные, бронзовые и низколегированные контактные провода. Медные контактные провода производятся из твердотянутой меди с удельным электрическим сопротивлением 0,018 мкОмм. Бронзовые контактные провода по сравнению с медными и низколегированными более прочные и износостойкие. Однако они обладают меньшей проводимостью, что увеличивает потери электроэнергии в контактной сети. Для снижения потерь электроэнергии в состав бронзы вводят легирующие элементы (цирконий, кадмий, магний, никель, цинк и др.), повышающие износостойкость проводов и оказывающие незначительное влияние на их проводимость. В низколегированных контактных проводах в качестве легирующих компонентов применяют олово, магний, цирконий, кремний и др. Низколегированные контактные провода меньше разупрочняются под действием нагрева тяговыми токами и растягивающих нагрузок, чем медные. Они могут длительно работать при температуре нагрева ПО °С, оказывают более высокое сопротивление разрыву.

Медные и в небольшом количестве бронзовые проволоки применяются для изготовления неизолированных проводов несущих тросов цепных контактных подвесок, там, где требуется большая электропроводимость троса.

Алюминий — главный заменитель меди в качестве проводникового материала, но его электрическое сопротивление больше, чем меди. Поэтому сечение алюминиевого провода больше медного. Алюминий применяется в качестве проводов в воздушных линиях электропередач и кабельных изделиях; для изготовления конденсаторной фольги, пластин воздушных конденсаторов, а также для изготовления обмоток вращающихся электрических машин с малой тепловой нагрузкой на обмотки и др.

Алюминиевый провод легче медного в 3,3 раза, устойчивый против коррозии: благодаря пленке оксидов неизолированные алюминиевые провода могут длительно работать на открытом воздухе. При холодном деформировании алюминий становится довольно твердым, а после отжига — мягким. Выпускают алюминиевую проволоку следующих марок: АТП — твердая повышенной прочности; АТ — твердая; АПТ — полутвердая; AM — мягкая. По мере снижения твердости проволоки уменьшается предел ее прочности при растяжении. На воздухе алюминий окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет алюминий от коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта проводов и делает невозможной пайку алюминия обычными методами. Однако при небольших напряжениях оксидная пленка алюминия может служить естественной межвитковой изоляцией. Оксидная изоляция получила широкое применение в производстве электролитических конденсаторов и микросхем.

При необходимости обеспечения большей прочности используются сплавы алюминия с добавками магния и кремния.

Главным проводниковым сплавом на основе алюминия является альдрей, содержащий 0,5 % магния, 0,7 % кремния, 0,3 % железа. У альдрея механическая прочность примерно равна прочности меди, а по легкости он соответствует алюминию.

Проводниковое железо — это низкоуглеродистые (до 0,15 % углерода) качественные стали, а также стали обыкновенного качества, из них изготовляют токопроводящие шины и электроды для печей. Стальная проволока применяется в качестве сердечников биметаллических проводов для повышения их прочности (стальной провод, покрытый медью). Из сталемедных и сталеалюминиевых проводов производят несущие тросы контактных подвесок контактной сети. Такие провода используются в тех случаях, когда большая проводимость несущего троса не требуется.

Серебро имеет самое низкое удельное сопротивление, используется в качестве электрических контактов в электрических аппаратах и в составе припоев.

Вольфрам и молибден применяются при изготовлении электровакуумных приборов. Тугоплавкость и высокая твердость вольфрама позволяет использовать его для изготовления размыкающих контактов в электрических аппаратах.

Сплавы высокого сопротивления должны выдерживать высокую температуру, не окисляясь и не расплавляясь. Они обладают удельным электрическим сопротивлением не менее 0,3 мкОмм. Сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления реостатов, термопар, электронагревательных приборов, электрических печей сопротивления.

Сплавы высокого сопротивления можно разделить на сплавы для проволочных резисторов (манганин, константан) и для электронагревательных элементов (нихром, фехраль, хромаль).

Манганин — это сплав на основе меди, содержащий 12 % Мп и 3 % Ni. Манганин — пластичный материал, после прокатки и волочения получают проволоку диаметром до 0,02 мм. Его электрическое сопротивление очень мало зависит от температуры. При температуре плюс 60 °С манганиновая проволока окисляется, ее применяют в стеклянной изоляции, которая отличается высокими электроизоляционными свойствами, нагрево- и влагостойкостью, но пониженной гибкостью.

Константан — сплав меди с никелем (40 % никеля). Констан- тан имеет низкий коэффициент температурного сопротивления. При нагревании до температуры 900 °С константан окисляется с образованием оксидной изолирующей пленки. Это позволяет применять константан для изготовления реостатов и резисторов без межвитковой изоляции. Манганин и константан не могут длительно работать при высоких температурах, так как начинают интенсивно окисляться. Поэтому изделия, работающие при температурах 800—1200 °С, изготовляются из нихромов, фехралей, хрома- лей. Нагревостойкость проволоки и лент из этих сплавов обеспечивается благодаря введению в состав сплавов металлов, которые при нагреве на воздухе образуют сплошную поверхностную оксидную пленку. Эта пленка надежно защищает сплавы от воздействия кислорода воздуха.

Нихром состоит из никеля и хрома (например, Х20Н80). Иногда в состав нихрома вводят железо для улучшения обрабатываемости сплава и снижения его стоимости. Однако железо легко окисляется и снижает нагревостойкость сплава.

Хром придает высокую тугоплавкость оксидным поверхностным пленкам. При резких сменах температуры происходит растрескивание оксидных пленок, в результате чего кислород воздуха проникает в трещины и продолжает процесс окисления. Поэтому при многократном кратковременном включении электронагревательных элементов из нихрома он перегорает быстрее, чем в случае непрерывной работы при той же температуре. Для увеличения срока службы трубчатых нагревательных элементов нихромовую проволоку помещают в трубки из стойкого к окислению металла и заполняют их диэлектрическим порошком с высокой теплопроводностью. Такие нагревательные элементы применяют в электрических кипятильниках, комбинированных котлах систем отопления пассажирских вагонов, которые могут работать длительное время.

Фехраль (например, Х13Ю4) и хромаль (например, 0X23 Ю5) — хромоалюминиевые сплавы. Они дешевле нихрома, более твердые и хрупкие, обладают высокими жаростойкостью и электрическим сопротивлением. Чем выше содержание в сплавах хрома, алюминия, тем выше окалиностойкость и рабочая температура нагревательного элемента. Из них получают проволоку большого диаметра и ленты с большим поперечным сечением. Их используют в электронагревательных устройствах большой мощности и промышленных электрических печах.

По агрегатному состоянию.

Газы при низких значения напряжённости электрического поля не являются проводниками. При высоких значениях напряжённости электрического поля, начинается ударная ионизация – носители заряда электроны и ионы. При сильной ионизации и равенстве в единице объеме электронной и ионов – плазма.

Применение: газоразрядные приборы.

а) Электролиты (водные растворы кислот, щёлочей, солей) – носители заряда ионы вещества, при этом состав электролита постепенно изменяется, и на электродах выделяются продукты электролиза.

Применение: электролитические конденсаторы, покрытие металлов слоем другого металла (гальваностегия), получение копий с предметов (гальванопластика), очистка металлов (рафинирование).

б) Расплавленные металлы (имеют высокую температуру, ртуть Hg tплавHg=-39 0 С и галлий Ga tплавGa=29,7 0 С) – носители заряда электроны.

Применение: в литейном производстве, ртутные лампы, галлий в полупроводниковой технике (легирующий элемент для германия), низкотемпературные припои.

Металлы и сплавы – носители заряда электроны.

Применение: токопроводящие части электрических машин, аппаратов и сетей.

По удельному электрическому сопротивлению.

Высокой проводимости (ρ≤0,05 мкОм∙м).

Применение: контакты, электроды конденсаторов, радиочастотные кабели.

Применение: жилы проводов и кабелей.

Применение: контакты, электроды, фотоэлементы.

Применение: провода для ЛЭП, жилы проводов и кабелей.

Применение: провода ЛЭП не большой мощности.

е) Металлический натрий Na.

Применение: провода и кабели в полиэтиленовой оболочке.

Высокого сопротивления (ρ≥0,3 мкОм∙м).

а) Манганин сплав Cu – Mn – Ni.

Применение: образцовые резисторы.

б) Константан сплав Cu – Ni – Mn.

Применение: реостаты и электронагревательные приборы.

в) Сплавы на основе железа (нихромы Fe – Ni – Cr, фехрали Fe – Cr – Al).

Применение: электронагревательные элементы.

Сверхпроводники (ρ=0) при температурах близких к абсолютному нулю по шкале Кельвина -273,15 0 С.

Алюминий Al, олово Sn, свинец Pb.

Криопроводники (ρ≈0) при температурах ниже -173 0 С, но не переходя в сверхпроводящее состоянии.

Алюминий Al, медь Cu, бериллий Be.

Применение: провода ЛЭП большой мощности, жилы кабелей, электрические машины, трансформаторы.

Электропроводность проводниковых материалов Электропроводность твёрдых проводников.

Металлы и сплавы являются кристаллическими телами. Кристаллическое строение характеризуется закономерным (упорядоченным) расположением атомов в пространстве, связанных с соседними при помощи валентных электронов, которые могут перемещать. Если соединить атомы линиями, то получиться пространственная кристаллическая решётка.

Электроны в металле, при отсутствии внешнего электрического поля, совершают хаотическое движение, а ионы в узлах кристаллической решётки совершают тепловые колебания. Под действием внешнего электрического поля электроны приобретают направленное движение, причём энергия, которую электрическое поле затрачивает на перемещение электронов, переходит в запас самих электронов. Когда на пути электронов оказывается ион, происходит столкновение, это и естьсопротивление проводника. Во время столкновений электроны отдают энергию ионам и начинают новый разбег и т.д. Ион, получив от электрона энергию, начинает колебаться с большей амплитудой, поэтому увеличивается температура проводника.

Удельная проводимость металлов и сплавов

где q – заряд электрона;

n – число электронов в единице объёма;

µ – подвижность электрона;

λ – средняя длина свободного пробега электрона между двумя соударениями с узлами решётки;

m – масса электрона;

υт – средняя скорость теплового движения свободного электрона.

Оцените статью
Добавить комментарий