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 — это физический процесс, при котором металлические материалы деформируются или искривляются со временем под воздействием постоянной механической нагрузки при высоких температурах. Этот процесс часто называют «металлической деформацией под нагрузкой». Ползучесть может привести к долгосрочным деформациям или разрушению материала, особенно при высоких температурах и приложении постоянной нагрузки.

Механизм ползучести обычно связан с двумя основными факторами: диффузией атомов внутри кристаллической структуры материала и пластической деформацией. Под воздействием температуры и нагрузки атомы в металле могут медленно перемещаться и выравниваться, что приводит к пластической деформации. Этот процесс особенно активен при повышенных температурах, близких к температуре плавления материала.

Инженеры и материаловеды обязаны учитывать ползучесть при проектировании и эксплуатации материалов и структур, особенно в приложениях, где металлы подвергаются высоким температурам и постоянным нагрузкам. Они разрабатывают специальные материалы и конструкции, способные сопротивляться ползучести, чтобы обеспечить долговечность и надежность в различных инженерных приложениях.

Как соединять провода?

Соединение проводов может осуществляться разными способами в зависимости от конкретных потребностей и условий. Вот несколько распространенных способов соединения проводов:

1. Скрутка (заворачивание): Этот метод заключается в том, что концы проводов скручиваются вместе силой рук. Это простой и доступный способ соединения проводов без использования специальных инструментов. Однако он менее надежен, чем другие методы, и провода могут разъединиться при механических воздействиях. После скрутки проводы обычно изолируются с помощью изоленты.
2. Пайка: Пайка — это метод соединения проводов с использованием паяльника и припоя. При этом происходит плавление припоя, который затем охлаждается и образует прочное металлическое соединение между проводами. Пайка обеспечивает надежный контакт и хорошую электрическую связь. После пайки, соединение следует изолировать с помощью термоусадочных трубок, изоленты или других материалов.
3. Зажимы для проводов: Это специальные устройства, которые позволяют легко и без использования инструментов соединить провода. Просто вставьте проводы в зажим и закрепите их. Зажимы обеспечивают надежное соединение и могут быть удобными в использовании, особенно при необходимости быстрого подключения или разъединения.
4. Разъемы: Разъемы представляют собой специальные устройства, которые обеспечивают возможность соединения и разъединения проводов. Они широко используются в электрике, электронике и многих других областях. Разъемы могут иметь разные типы и конфигурации в зависимости от конкретных потребностей.
5. Сварка: Сварка — это метод соединения проводов путем плавления концов проводов и создания прочного металлического соединения. Этот метод обеспечивает высокую надежность и может использоваться в специализированных приложениях, требующих высокой стойкости к механическим нагрузкам.
6. Сжимные соединения (кабельные гильзы): Сжимные соединения представляют собой гильзы или оболочки, которые устанавливаются на концы проводов и затем сжимаются с помощью специального инструмента. Этот метод обеспечивает герметичное и надежное соединение, часто используется в электротехнике и строительстве.
7. Беспаечные соединения (скручиваемые гайки): Скручиваемые гайки с внутренней металлической резьбой позволяют соединять провода, скручивая гайки на концах проводов. Этот метод удобен и не требует специализированных инструментов.

При выборе метода соединения проводов необходимо учитывать конкретные требования к надежности, условия эксплуатации и безопасность. Гарантируйте, что проводы правильно подключены и изолированы, чтобы избежать коротких замыканий и других проблем.