Электрические соединения, значения электрохимического потенциала металлов

Введение

Шутки гласят, что электротехника — это искусство контактов. И в этом искусстве существует два главных врага: отсутствие контакта там, где он нужен, и наличие контакта там, где он бесполезен.

Но почему так сложно создать надежный контакт между двумя произвольными металлами? Это связано с таинственными законами, которые управляют миром материалов. Некоторые металлы обладают удивительной способностью создавать надежные связи и работать практически безупречно, в то время как другие образуют контакты, которые могут подвести нас и вызвать неприятности.

Не забывайте, что «могут подвести» не означает, что обязательно произойдет отказ завтра на 100%. Вероятность отказа возрастет, но она все равно остается довольно низкой. Но даже 1% вероятности не является незначительной, особенно если речь идет о технике, ведь никто не хочет рисковать пожаром, даже если шансы на него малы.

Опыт использования различных устройств показал инженерам, что определенные сочетания металлов обеспечивают надежные контакты, в то время как другие могут быть менее надежными. Кроме того, следует помнить, что условия эксплуатации играют огромную роль. Если соединение находится в стабильных и сухих условиях, то оно может быть довольно надежным, даже если используются не самые идеальные металлы.

Электрохимическая коррозия

Электрохимическая коррозия является одной из первых и наиболее распространенных причин нарушения контактов между металлами.

Коррозия — это процесс разрушения металлических поверхностей под воздействием окружающей среды. Электрохимическая коррозия включает в себя химические реакции, в ходе которых металлы вступают в контакт с агрессивными средами, такими как влага, кислород, соли и другие химические соединения.

Процесс электрохимической коррозии можно объяснить следующим образом:

1. Анодная реакция: На поверхности металла образуется анод, где происходит окисление металла. В этой реакции металл отдает электроны и переходит в ионное состояние. Наиболее активные металлы (например, цинк) более склонны к анодным реакциям.
2. Катодная реакция: В окружающей среде существует катод, где происходит восстановление металла и электролитическое восстановление ионов металла. На этой стороне реакции ионы металла принимают электроны и образуют твердое вещество.
3. Электролитический мост: Для продолжения электрохимической реакции необходим электролитический мост, который позволяет ионам двигаться между анодом и катодом через электролит. Это может быть влага, соли или другие электролитически активные среды.

Как результат, металл может постепенно разрушаться и образовывать оксиды, соли и другие соединения, что приводит к ухудшению контакта. Электрохимическая коррозия особенно заметна в наружных условиях, где металлы подвергаются воздействию влаги и агрессивных химических веществ.

Для предотвращения электрохимической коррозии и сохранения надежности контактов, часто используют различные методы, включая использование покрытий, изоляцию, выбор коррозионно-стойких материалов и тщательное планирование при проектировании электронных устройств и систем.

Ряд электрохимической активности металлов

Ряд электрохимической активности металлов (ионная активность) представляет упорядоченный список металлов в порядке их активности в электрохимических реакциях. Металлы с более высокой активностью склонны к окислению, тогда как металлы с более низкой активностью менее склонны к окислению. Вот общепринятый ряд электрохимической активности металлов, начиная с самых активных и заканчивая наименее активными:

1. Литий (Li)
2. Калий (K)
3. Барий (Ba)
4. Кальций (Ca)
5. Натрий (Na)
6. Магний (Mg)
7. Алюминий (Al)
8. Цинк (Zn)
9. Железо (Fe)
10. Никель (Ni)
11. Свинец (Pb)
12. Водород (H)
13. Медь (Cu)
14. Меркурий (Hg)
15. Серебро (Ag)
16. Платина (Pt)
17. Золото (Au)

Значения электрохимического потенциала металлов

1. Литий (Li): -3.04 В
2. Калий (K): -2.92 В
3. Барий (Ba): -2.90 В
4. Кальций (Ca): -2.87 В
5. Натрий (Na): -2.71 В
6. Магний (Mg): -2.37 В
7. Алюминий (Al): -1.66 В
8. Цинк (Zn): -0.76 В
9. Железо (Fe): -0.44 В
10. Никель (Ni): -0.25 В
11. Свинец (Pb): -0.13 В
12. Водород (H): 0.00 В (стандартный водородный электрод — SHE)
13. Медь (Cu): +0.34 В
14. Меркурий (Hg): +0.79 В
15. Серебро (Ag): +0.80 В
16. Платина (Pt): +0.99 В
17. Золото (Au): +1.50 В
18. Цирконий (Zr): -1.53 В
19. Вольфрам (W): +0.68 В
20. Кадмий (Cd): -0.40 В
21. Молибден (Mo): +0.16 В
22. Титан (Ti): -1.63 В
23. Ванадий (V): -1.18 В
24. Хром (Cr): -0.74 В
25. Марганец (Mn): -1.18 В
26. Антимон (Sb): -0.15 В
27. Бисмут (Bi): -0.32 В
28. Уран (U): -1.38 В
29. Торий (Th): -1.32 В
30. Таллий (Tl): -0.34 В
31. Кобальт (Co): -0.28 В
32. Гафний (Hf): -1.71 В
33. Индий (In): -0.34 В
34. Селен (Se): +0.53 В
35. Цезий (Cs): -2.92 В
36. Скандий (Sc): -2.90 В
37. Кремний (Si): -0.31 В
38. Лантан (La): -2.37 В

Это явление можно объяснить следующим образом: когда два металла находятся в присутствии электролита, такого как вода или влажный воздух, металл с более низким электрохимическим потенциалом (левее в ряду активности) будет коррозионным. Чем больше разница в потенциалах между металлами, тем сильнее коррозия. Благодаря этому явлению были разработаны методы электрохимической защиты металлов, такие как оцинковка. Когда металл подвергается влаге, цинковое покрытие сначала разрушается, а затем начинается коррозия стали.

В случае электрических контактов не только то, какой металл будет подвергаться коррозии, а интенсивность процесса коррозии имеет решающее значение. В этом случае рассматривается потенциал 2,038 В, создаваемый парой алюминий-медь; это очень значительный потенциал, который может даже разрушить молекулы воды в процессе электролиза. Тем не менее, при разделении этих двух металлов пластинкой из цинка образуются две пары: цинк-алюминий с потенциалом 0,937 В и цинк-медь с потенциалом 1,101 В. Когда разница в потенциалах меньше, процесс коррозии будет менее интенсивным. Это помогает сохранить электрические контакты в лучшем состоянии на более длительный период времени.

Тепловое расширение

При нагревании, все материалы, включая металлы, претерпевают изменения в своих размерах. Это связано с явлением, называемым тепловым расширением. У каждого материала есть свой собственный коэффициент теплового расширения, который определяет, насколько изменится размер материала при нагреве на 1 градус Цельсия. Давайте рассмотрим небольшой список, который демонстрирует коэффициенты теплового расширения для различных материалов:

1. Алюминий (Al): 0.000022 /°C
2. Железо (Fe): 0.000012 /°C
3. Медь (Cu): 0.000016 /°C
4. Свинец (Pb): 0.000029 /°C
5. Серебро (Ag): 0.000019 /°C
6. Золото (Au): 0.000014 /°C
7. Никель (Ni): 0.000013 /°C
8. Магний (Mg): 0.000026 /°C
9. Цинк (Zn): 0.000022 /°C
10. Сталь (Fe): 0.000011 /°C
11. Титан (Ti): 0.000008 /°C
12. Вольфрам (W): 0.000004 /°C
13. Цирконий (Zr): 0.000006 /°C
14. Свинец (Pb): 0.000029 /°C
15. Нержавеющая сталь (304): 0.000016 /°C
16. Бериллий (Be): 0.000012 /°C
17. Кадмий (Cd): 0.000030 /°C
18. Хром (Cr): 0.000011 /°C
19. Марганец (Mn): 0.000022 /°C
20. Алюминий бронза (Cu-Al): 0.000018 /°C
21. Никель-хромовая сталь (Inconel): 0.000013 /°C
22. Медь-бериллий (Cu-Be): 0.000016 /°C
23. Латунь (Cu-Zn): 0.000019 /°C
24. Железосодержащий никель (Invar): 0.000001 /°C
25. Платина-родий (Pt-Rh): 0.000009 /°C

Из перечня видно, что при нагревании соединение из двух разных материалов будет расширяться с разной скоростью, что может вызвать внутренние напряжения и деформации. Иногда это свойство можно использовать в практических целях, как, например, в биметаллических пластинках, применяемых в терморегуляторах. При нагреве такие пластинки изгибаются и разрывают контакт, что может использоваться для регулирования температуры. Однако, при создании надежных электрических соединений различные коэффициенты теплового расширения могут привести к ослаблению контакта.

Если избежать соединения разных материалов невозможно, то необходимо помнить, что такие соединения могут потенциально ослабнуть при изменениях температуры. Они должны быть обслуживаемыми и контролируемыми. Например, замуровывать соединение медного и алюминиевого проводников в стенке под слоем штукатурки не является хорошей идеей, так как это может привести к потенциальным проблемам в будущем.

Ползучесть

Ползучесть металлов в электрических соединениях — это явление постепенной пластической деформации материала под воздействием длительной нагрузки, даже если нагрузка меньше предела текучести. В электротехнике этот процесс особенно важен, поскольку может существенно влиять на качество и долговечность соединений, а также на безопасность работы оборудования.

В условиях электрических соединений ползучесть наиболее часто наблюдается в материалах, подверженных тепловому воздействию, таким как медь и алюминий. Постоянное воздействие тока вызывает нагрев проводников, что, в сочетании с механическими напряжениями в местах зажимов или соединений, приводит к их постепенной деформации. В результате ослабляется механический контакт, что увеличивает переходное сопротивление. Это, в свою очередь, приводит к дополнительному нагреву, ускоряя процесс ползучести, что может привести к полному отказу соединения.

Алюминий, например, более склонен к ползучести, чем медь, из-за своих физических свойств. Это становится критическим фактором при использовании алюминиевых проводов в электрических системах. Чтобы компенсировать этот эффект, применяются специальные меры, такие как использование клемм и зажимов, способных компенсировать ослабление контакта за счёт пружинных механизмов. Кроме того, для алюминиевых соединений нередко используют специальные пасты, которые предотвращают окисление и улучшают контакт.

Ползучесть может также проявляться в припоях, используемых для пайки соединений. При длительном воздействии высоких температур соединение может потерять механическую прочность, что особенно критично в условиях вибраций или циклического нагрева и охлаждения.

Чтобы минимизировать влияние ползучести, в электротехнике используют следующие подходы: выбор материалов с низкой склонностью к ползучести (например, медь вместо алюминия), применение специальных конструктивных решений (пружинные зажимы или клеммы), использование паст и других защитных средств, а также правильное проектирование соединений с учётом ожидаемых тепловых и механических нагрузок.

Как соединять провода?

Соединение проводов — это целая наука, где каждый метод рождается из потребностей конкретной задачи, будь то прокладка домашней проводки, ремонт автомобильной электроники или монтаж высоковольтных линий.

Скрутка

Скрутка является самым простым методом соединения. Провода зачищаются и скручиваются между собой, после чего изолируются. Этот способ используется для временных соединений, однако не рекомендуется для постоянных, так как он ненадёжный и со временем контакт может ослабнуть.

Пайка

Пайка обеспечивает надёжное соединение. Провода сначала скручиваются, затем нагреваются паяльником, и в место соединения вводится припой, который затекает между жилами. После этого соединение обязательно изолируется. Этот метод обеспечивает долговечный контакт, но требует инструментов, таких как паяльник, припой и флюс.

Соединение с использованием клеммников

Клеммники позволяют зафиксировать провода с помощью винтов или зажимов. После зачистки провода вставляются в клеммник, где надежно фиксируются. Это удобно для распределительных коробок, но такие соединения занимают больше места по сравнению с другими методами.

Самозажимные соединения (Wago)

Современные клеммные колодки, такие как Wago, используют пружинные зажимы. Провода зачищаются и просто вставляются в гнёзда, где они автоматически фиксируются. Это быстро, удобно и подходит для многократного использования.

Гильзовка

Этот метод применяется для многожильных проводов. Провода зачищаются и помещаются в металлическую гильзу, которая затем обжимается пресс-клещами. Готовое соединение защищается термоусадочной трубкой, что обеспечивает дополнительную герметизацию.

Сварка

Сварка используется для максимально надёжных соединений. Концы проводов зачищаются, скручиваются и нагреваются до оплавления с помощью сварочного аппарата. После этого соединение изолируется. Этот способ требует специальных инструментов, но обеспечивает исключительную долговечность.

Электропроводящий клей

Этот метод применяется там, где невозможно или нежелательно использовать пайку. Концы проводов зачищаются, на соединение наносится специальный электропроводящий клей, который после высыхания обеспечивает электрический контакт. Метод подходит для ремонта плат или временных соединений.

Болтовое соединение

Для болтового соединения провода зачищаются, размещаются между шайбами и фиксируются гайкой или болтом. Такой метод применяется для проводов большого сечения. После фиксации соединение изолируется с помощью термоусадки или изоленты.

Термоусадочные муфты

Термоусадочные муфты применяются для герметизации соединений. На место контакта надевается термоусадочная трубка, которая нагревается феном или зажигалкой. При нагреве трубка сжимается, герметично обжимая соединение и защищая его от внешних воздействий.