2. Материалы с особыми электрическими свойствами: проводники электрического

тока и их особенности. Классификация проводниковых материалов. Металлы высокой проводимости (медь, алюминий, железо): получение, очистка, маркировка, применение. Припои. Сверхпроводники. Контактные материаы.

классификация проводниковых материалов:

·         материалы высокой проводимости;

·         материалы с высоким удельным сопротивлением для резисторов и точных приборов;

·         жаростойкие материалы;

·         контактные материалы;

·         сверхпроводники и криопроводники

Сверхпроводи́мость — свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении имитемпературы ниже определённого значения (критическая температура). соединениялантана, стронция, меди и кислорода (La—Sr—Cu—O) испытывают скачок проводимости практически до нуля при температуре 36 К. В начале марта 1987 года был впервые получен сверхпроводник при температуре, превышающей температуру кипения жидкого азота (77,4 К): было обнаружено, что таким свойством обладает соединение иттрия, бария, меди и кислорода(Y—Ba—Cu—O). По состоянию на 1 января 2006 года рекорд принадлежит керамическому соединению Hg—Ba—Ca—Cu—O(F), 

К проводникам или проводниковым материалам относятся материалы, хорошо проводящие электрический ток. Обычно, это металлы, но также используются некоторые жидкости и ионизированные газы.

По характеру температурной зависимости проводимости проводники делятся на два типа: проводники I рода и проводники II рода. У проводников I рода проводимость с ростом температуры уменьшается. К проводникам I рода относятся металлы. У проводников II рода проводимость с ростом температуры увеличивается. К проводникам II рода относятся жидкости (электролиты), ионизированные газы.

Проводники, применяемые в технике делятся на:

·           материалы высокой проводимости (Ag, Cu, Al);

·           высоконагревостойкие металлы (W, Mo, Ta, Nb, Ti, Zr, Re);

·           металлы и сплавы различного назначения (Ni, Hg);

·           щелочные металлы (Li, K, Na, Cs, F);

·           щелочноземельные металлы (Ca, Mg, Ba, Ra)

·           сплавы сопротивления;

·           контактные материалы;

·           металлы и сплавы электровакуумной техники (Pd);

·           припои и флюсы;

·           электроугольные изделия.

Медь

Широкое применение меди обусловлено ее высокой электропроводностью, хорошей теплопроводностью, химостойкостью, ковкостью, вязкостью, высокими механическими свойствами. Медь часто встречается в самородном состоянии. Легко подвергается механической обработке, т.к. обладает высокой пластичностью. Добывают медь из оксидных и сульфидных руд. Их обжигают, плавят и получают черновую медь, которую подвергают рафинированию электролитическим методом. Для этого из черновой меди изготовляют аноды и проводят электролиз CuSO₄.

Чистая медь, которая применяется в электро- и радиотехнике, по содержанию примесей разделяется на марки МО и М1. МО содержит 99,95% меди, М1 – 99,90%. Эти марки обладают свойствами:

· плотность – 8,9^.10³ кг/м³;

· температура плавления – 1083 °С;

· удельное сопротивление r - 1,7241^.10^-8 Ом×м;

· механическая прочность – высокая;

· обрабатываемость – хорошая.

Из меди изготовляют токопроводящие жилы проводов и кабелей, токопроводящие детали радиоаппаратуры, фольгированный гетинакс для печатных схем, проволоку, листы, ленты, полосы, тонкую фольгу.

 

Медные сплавы

Бронзы – сплавы меди с некоторыми металлами. Различают следующие бронзы: оловянные, алюминиевые, свинцовые, кремниевые, марганцевые, бериллиевые, кадмиевые и др.

Применение бронз:

·           кадмиевые – для контактов и коллекторных пластин;

·           фосфористая – для пружин в приборах и аппаратах;

·           бериллиевая – для токоведущих пружин, щеткодержателей, скользящих контактов, электродов, зажимов;

·           оловянистая – ее называют телефонной т.к. из нее изготовляют проволоку для телефонных кабелей.

Латуни – медно–цинковые сплавы. Из них изготовляют листы и полосы. Свойства латуни. Удельное сопротивление латуни больше удельного сопротивления меди r_лат > r_меди. Она способна удлиняться, сохраняя более высокую прочность, чем медь. Поэтому она находит широкое применение в качестве конструкционного и проводникового материала. Из нее изготовляют проводниковые детали резисторов, конденсаторов, катушек, монтажные элементы схем.

Алюминий

Стоит на II месте после Cu по применению в электро- и радиотехнике.

Плотность Al в 3,5 меньше плотности Cu и равна примерно (2,6 ¸ 2,7) 10³ кг/м³, удельное сопротивление r в 1,68 раза больше, чем у Cu, r = 2,85 10^-8 Ом×м. Примеси (Ti, Mn, Cu,Ag, Mg) в алюминии снижают электропроводность (примерно на 10%).

Для электротехники и радиотехники применяют алюминий с содержанием примесей не более 0,5%; для изготовления алюминиевой фольги для электролитических конденсаторов не более 0,05%.

Тепловые свойства алюминия

Температура, °С: плавления– 660 - 657; кипения -     2300 - 2500; отжига -       350 - 400; литья - 700 - 750.

Алюминий легко окисляется на воздухе:

4Al + 3O₂ ® 2Al₂O₃ и при действии серной и щавелевой кислот (H₂SO₄, H₂C₂O₄)

.

Оксидная пленка на поверхности алюминия защищает его от дальнейшего окисления (пассивация). Промышленное оксидирование алюминия создает антикоррозийное и электроизоляционное покрытие, которое часто сочетают с окраской и полировкой для улучшения внешнего вида. Пробивное напряжение таких покрытий доходит до 400 В, (U_пр = 400 В).

Но пленка Al₂O₃ затрудняет пайку и создает большое сопротивление в контактах. При действии влаги в местах контакта Al-Cu образуется гальванопара с высоким значением э.д.с.

анод  Al½H₂O; O₂½Cu  катод

j_a = -1,7 B   Aнод(+): Al⁰ - 3eˉ ® Al³⁺     Kатод(-): 2H₂O + O₂ + 4eˉ ® 4OHˉ   j_k = - 0,83 B

Al³⁺ + 3OH ® Al(OH)₃

При этом алюминиевый проводник разрушается.

Для проводов воздушных линий с большим натяжением и нагрузкой применяется алюминиевый сплав альдрей, который состоит:(98,5 ¸ 99%)Al + (0,3 ¸ 0,5%)Mg + (0,4 ¸ 0,7%)Si + (0,2 ¸ 0,3%)FeПовышение механической прочности достигается термообработкой, возрастает прочность на растяжение до 35 кг/мм² при удлинении 6,5 % и r = 3,17 10 Ом×мм²/м. Таким образом, альдрей по механической прочности примерно равен меди, а по легкости – алюминию.

Для передачи энергии применяются сталеалюминиевые провода, в котором центральные жилы стальные, а наружные – алюминиевые.