1.2 Классификация проводниковых материалов
В качестве проводниковых материалов могут использоваться твердые тела, жидкости, а при соответствующих условиях и газы. Среди твердых проводниковых материалов наиболее часто в электротехнике применяются металлы и их сплавы, так называемые проводники первого рода.
По удельному электрическому сопротивлению с металлические проводниковые материалы делятся на две основные группы:
1) металлы высокой проводимости: ρ при t = 20 °C составляет не более 0,05 мкОм·м;
2) материалы и сплавы высокого удельного сопротивления, имеющие при тех же условиях ρ не менее 0,3 мкОм ·м.
К первой группе относятся преимущественно чистые металлы (медь, алюминий, серебро и др.), применяемые для изготовления обмоточных и монтажных проводов, шнуров, жил кабелей различного напряжения, шин, распределительных устройств, обмоток трансформаторов и электрических машин (электродвигатели, стартеры, генераторы).
Проводниковые материалы второй группы – это сплавы на основе меди, никеля, железа, хрома и других металлов. Эти материалы используются для изготовления резисторов, электронагревательных приборов, нитей ламп накаливания.
Среди металлов высокой проводимости наиболее широкое распространение получили серебро, медь и алюминий.
Примеры значений ρ, ТКr, ТКе и коэффициента теплопроводности λ для некоторых металлов приведены в таблице 1.1
Таблица 1 - Физико-механические свойства основных металлов
Металл |
ρ, мкОм*м |
ТК ρ, 10-4 К-1 |
ТКе, 10-6 К-1 |
λ, Вт/(м×К) |
Серебро Медь Алюминий Вольфрам Железо Свинец |
0,016 0,017 0,028 0,055 0,098 0,21 |
40 43 42 46 60 37 |
19 17 24 44 11 29 |
415 390 209 168 73 35 |
Среди всех проводниковых материалов серебро обладает минимальным удельным электрическим сопротивлением. Серебро, имеющее марку Ср-999.9, должно содержать не более 0,01 % примесей. Механические характеристики серебра не высоки. Серебро и сплавы на основе серебра применяются в электротехнике и электронике, при производстве радиочастотных кабелей, работающих в диапазоне высоких частот, при изготовлении и применении контактов, для изготовления электродов, в производстве керамических и слюдяных конденсаторов.
Медь считается важнейшим проводниковым материалом благодаря своим ценным техническим свойствам: малому удельному электрическому сопротивлению, достаточно высокой механической прочности, удовлетворительной стойкостью к воздействию окружающей среды (тонкий слой оксида меди, которым она покрывается на воздухе, препятствует дальнейшему проникновению кислорода воздуха в медь), хорошей обрабатываемостью (легко прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку малого диаметра от 0,02 до 10 мм), хорошей способностью к пайке и сварке. Наличие примесей меди отрицательно влияет не только на её механические и технологические свойства, но и снижает ее электропроводность.
Механические свойства проводниковой меди зависят от ее состояния. Отожженная, мягкая медь (марка ММ) менее прочна, но более пластична, чем твердотянутая (марка МТ), подвергнутая деформации в холодном состоянии. Заметное влияние на механические свойства проводниковой меди оказывает температура. При нагревании (особенно выше 200 0С) в результате процесса рекристаллизации механические характеристики и удельное электрическое сопротивление резко изменяются.
На электропроводность всех металлических проводников оказывает влияние их механическая обработка (прокатка, волочение и др.), вызывающая остаточную деформацию кристаллов. Это могут быть вакансии, дислокации, атомы в междуузлиях. Искажение кристаллической решетки приводит к увеличению удельного электрического сопротивления. Устранить данное явление позволяет отжиг, в ходе которого металл или сплав сначала нагревается до высокой температуры, а затем медленно охлаждается. В результате процесса рекристаллизации происходит восстановление искаженной структуры, «залечиваются» дефекты и удельное электрическое сопротивление уменьшается, но механическая прочность снижается. Чтобы повысить механическую прочность и твердость металлических проводников, прибегают к холодной прокатке их или волочению металла без нагревания его.
Твердотянутые металлы и сплавы прочнее и тверже отожженных, но зато последние пластичнее. Сплавы более прочны, тверды и упруги по сравнению с чистыми металлами. По сравнению с чистыми металлами сплавы отличаются повышенной твердостью, большей механической прочностью при растяжении sр, меньшим относительным удлинением (lр). Кроме того, сплавы в меньшей степени окисляются на воздухе.
Сплав – это сложное вещество, получаемое путем сплавления нескольких простых веществ, называемых компонентами сплава. В металлическом сплаве основным компонентом (более 50%) является металл.
Удельное электрическое сопротивления сплавов определяется, в основном, наличием примесей и нарушением кристаллической решетки входящих в сплав металлов. Для понимания природы сплавов и их свойств представлены диаграммы состояний двойных сплавов. На этих диаграммах отражено изменение структуры и фазового состава сплавов данных компонентов в зависимости от их концентрации и температуры.
Сплавы, как и чистые металлы, построены из зерен, поэтому, в зависимости от природы сплавляемых компонентов, в сплавах могут наблюдаться следующие фазы:
– смесь зерен чистых компонентов. В этом случае компоненты не вступают друг с другом ни в какое взаимодействие;
– твердые растворы одного компонента в другом. В этом случае кристаллические решетки в зернах построены из атомов обоих компонентов, из которых один является растворителем, а другой – растворимым;
– химические соединения компонентов сплава друг с другом. Для них присуща кристаллическая решетка, отличная от решеток исходных компонентов.
При образовании твердых растворов компоненты в зависимости от своей природы могут растворяться друг в друге ограниченно или неограниченно.
При ограниченной растворимости в решетке одного компонента может раствориться лишь некоторое, зависящее от температуры количество атомов другого компонента; остальное количество взятого для сплава компонента либо само становится растворителем и образует зерна со своей решеткой, либо вступает со вторым компонентом в химическое соединение.
В случае образования механических смесей компоненты А и В взаимно растворяются только в жидком состоянии. В твердом состоянии, ниже линии CDE сплавы этой системы состоят из зерен чистых компонентов (А+В), не растворяются и не вступают в химическое взаимодействие. Механические и электрические свойства таких сплавов зависят от свойств компонентов и их относительных количеств в каждом сплаве и изменяются по линейному закону (рисунок 1.3,а). В этом случае при сплавлении двух металлов наблюдается раздельная кристаллизация.
а – раздельная кристаллизация; б – твердый раствор с неограниченной растворимостью компонентов; в – твердый раствор с ограниченной растворимостью компонентов
Рисунок 1.3 – Основные типы диаграмм состояний и характер изменения свойств в зависимости от концентрации В
При неограниченной взаимной растворимости компонентов в твердом состоянии получается диаграмма состояний, изображенная на рисунке 3, б. Это объясняется тем, что при образовании твердого раствора атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого. При этом сохраняется кристаллическая решетка металла-растворителя, сохраняется лишь постоянная решетки, но атомы компонент распределяются по узлам решетки беспорядочно. Наличие атомов разных сортов лишает решетку идеальной периодичности и приводит к рассеянию электронов: сопротивление сплава сильно возрастает. В данном случае образуется непрерывный ряд сплавов – твердых растворов α переменной концентрации. Чем больше разница валентностей растворителя и растворенного металла, тем больше прирост сопротивления.
При ограниченной растворимости сплавляемых компонентов диаграмма состояний изображена на рисунке 3, в. В этом случае в твердом состоянии (ниже линии ACDEB) наблюдаются три структурно-фазовые области: области ограниченных растворов (α и β) и между ними область механических смесей этих растворов (α + β).×В некоторых случаях, при определенном соотношении компоненты сплава образуют друг с другом химические соединения – интерметаллиды. Интерметаллические соединения имеют собственную формулу химического состава, свою кристаллическую решетку, в которой атомы отдельных компонент строго чередуются друг с другом. На кривых зависимость r от состава у таких соединений наблюдаются сингулярные точки, между такими точками график r функцию от состава представляет собой плавную кривую (рисунок 1.4).
1 – чистый металл Mq; 2–5 – интерметаллиды; 6 – чистый металл Zn
Рисунок 4 – Зависимость удельного электрического сопротивления сплавов от % состава компонентов