3.3. Проводниковые материалы

Основными проводниковыми материалами являются металлы, углеродистые материалы, растворы и расплавы электролитов. Тип электропроводности металлических проводников электронный (металлический), они проводники первого рода.

Механизм прохождения электрического тока в растворах и расплавах электролитов обусловлен направленным движением катионов и анионов, поэтому тип электропроводности электролитов ионный, и они проводники второго рода. Прохождение тока через электролит связано с переносом ионов растворенного или расплавленного вещества и выделением их на электродах. В результате состав электролита изменяется. Электролиты широко используются в гальванотехнике и при очистке металлов (рафинировании).

Количественно электропроводность проводников оценивается удельной электропроводностью γ или обратной ей величиной – удельным электросопротивлением – ρ; ρ = 1/γ. В системе СИ удельная электропроводность γ измеряется в Ом/м, а удельное электрическое сопротивление ρ – в Омм. Для измерения ρ иногда используют внесистемную единицу Оммм²/м:

Наибольшее распространение в технике получили твердые металлические проводники. Высокая электро – и теплопроводность металлических проводников обусловлена большой концентрацией n электронов проводимости.

У серебра n = 5,910²⁸, у меди n = 8,510²⁸. Удельное электросопротивление металлических проводников изменяется в узком интервале.

Металлические проводники подразделяются на пять групп:

металлы высокой проводимости (серебро, медь, золото, алюминий и др.) и их сплавы, имеющие удельное электросопротивление не более 0,1 мкОм·м, они используются для изготовления проводов, кабелей, токопроводящих шин, обмоток трансформаторов и т. п.;

сверхпроводники – это чистые металлы (ртуть, свинец, алюминий), сплавы, например, ниобий – титан, ванадий – галлий и др., обладающие при температурах, близких к абсолютному нулю, очень малым удельным сопротивлением;

криопроводники – это металлы высокой проводимости (медь, алюминий, бериллий) которые при криогенных температурах (ниже – 195С) приобретают высокую удельную электропроводность;

сплавы высокого сопротивления – это сплавы образующие твердые растворы (константан, нихромы и др.). Они используются для изготовления электронагревательных элементов, реостатов, резисторов и т.п., и имеют высокое удельное электросопротивление (не менее 0,3 мкОм·м);

контактные материалы – это металлы, сплавы, угольные материалы, композиционные материалы и другие, используемые в скользящих и разрывных контактах в различных электрических цепях.

3.3.1. Проводниковые материалы высокой проводимости

Материалы этой группы имеют минимальное удельное электросопротивление, высокие механические свойства, коррозионную стойкость, легко обрабатываются. Наиболее распространенными являются: медь, алюминий, серебро, их сплавы, а также стали.

3.3.1.1. Медь и ее сплавы. Медь – металл красновато-розового цвета в природе встречается в самородном состоянии. Содержание в земной коре около 0,01 %. Температура плавления 1083С, плотность 8,94 г/см³, решетка ГЦК, полиморфизмом не обладает. Основные свойства меди приведены в табл. 2.

Таблица 2

Основные свойства меди

Свойства	Марка меди
	МТ	ММ
Удельное сопротивление p, мкОм·м	0,0177 – 0,0180	0,01724
Предел прочности при растяжении Gв, МПа	250 – 300	200 – 280
Относительное удлинение δ, %	0,5 – 5,0	18 – 50
Относительное сужение Ψ, %	55	75
Твердость по Бринеллю, НВ	65 – 120	35 – 38

Медь легко протягивается в проволоку малого диаметра (до 10 мкм), легко прокатывается в листы, ленту и фольгу (до 5 мкм), сваривается всеми видами сварки, хорошо паяется и полируется. Недостатками меди являются ее высокая стоимость, большая литейная усадка, горячеломкость, плохая обрабатываемость резанием.

Медь имеет высокую коррозионную стойкость в пресной и морской воде, атмосферных условиях, но окисляется в сернистых газах и аммиаке. Марганец, не снижая пластичности, повышает коррозионную стойкость меди (марка ММц–1). Нагрев выше 185С вызывает окисление поверхности меди с образованием пленки окисла черного, а затем красного цвета. На воздухе в присутствии влаги и углекислого газа на поверхности меди образуется зеленый налет основного карбоната меди (карбонат – гидроксид меди).

Из медной руды получают сырую (черновую) медь, содержащую до 3 % примесей, которые значительно снижают ее электропроводность. Поэтому медь, предназначенную для электротехнических целей рафинируют (очищают), а затем переплавляют в слитки, которые подвергают горячей прокатке. Для получения проволоки из слитков получают катанку, ее протягивают через фильеры волочильных досок и получают проволоку заданного профиля и размеров.

Волочением получают твердую нагартованную (твердотянутую) медь (МТ). Наклеп повышает твердость и прочность меди, возрастает удельное электросопротивление, снижается пластичность (табл. 2).

Медь марки МТ применяют там, где требуется высокая прочность, твердость и сопротивляемость истиранию. Например, для контактных проводов электрифицированного транспорта, коллекторных пластин электрических машин, шин для распределительных устройств и т. п.

Рекристаллизационный отжиг для снятия наклепа проводят при температуре 550 – 650С. В результате отжига механические свойства изменяются гораздо сильнее, чем удельное сопротивление меди. Отжигом получают мягкую (отожженную) медь (ММ), которая пластична и имеет электропроводность на 3 – 5 % выше, чем (МТ). Отожженная медь служит электротехническим стандартом, по отношению к которому выражают в процентах при температуре 20С удельную проводимость металлов и сплавов.

Мягкую медь в виде проволоки различного диаметра и профиля используют в качестве токопроводящих жил (одно- и многожильных) кабелей, монтажных и обмоточных проводов и т. д., где важны гибкость и пластичность, а прочность не имеет решающего значения. Круглую проволоку из меди МТ и ММ изготавливают диаметром от 0,02 до 10 мм.

Висмут, свинец и сера – самые вредные примеси меди вызывающие ее красноломкость и хладноломкость.

Электропроводность меди зависит не только от концентрации примеси, но и от ее природы. Например, 0,5 % кадмия (Cd), цинка (Zn) или серебра (Ag) снижают электропроводность меди на 5 %, а бериллий (Be), железо (Fe), кремний (Si), или фосфор (P) – на 55 % и более.

Медь, по степени чистоты, выпускается несколькими марками, основные из них приведены в табл. 3.

Таблица 3

Основные марки меди

Марка	Содержание Сu, % не менее	Марка	Содержание Сu, % не менее
М00 б	99,99	М1 р	99,90
М00	99,96	М2	99,70
М0 б	99,97	М2 р	99,70
М0	99,95	М3	99,50
М1 б	99,95	М3 р	99,50
М1 у	99,90	М4	99,00
М1	99,90

Буква «б» означает «безкислородная», с повышенной прочностью; «р» – медь раскислена фосфором, с пониженным содержанием кислорода; «у» – медь катодная переплавленная.

В бескилородной меди допускается содержание кислорода не более 0,001 %. Большее содержание кислорода приводит к «водородной болезни». При нагревании меди в атмосфере водорода он взаимодействует с кислородом и образуются пары воды, которые скапливаются в микропорах меди, создают высокое давление, что вызывает разрушение (растрескивание).

Еще более чистой медью является вакуумная медь, удельное сопротивление которой практически такое же, как у серебра.

В случаях, когда необходимы повышенные механические свойства и нет жестких требований по электропроводности, вместо меди, в качестве проводникового материала, используют ее сплавы – латуни и бронзы.

3.3.1.2. Латуни – это сплавы системы