Проводниковые материалы их свойства и использование в электротехнике

Проводниковые материалы
Поделится:
Содержание

Определение

Проводниковые материалы — это вещества, способные проводить электрический ток благодаря наличию свободных электронов. Они используются в электротехнике для создания проводов, кабелей и других компонентов электрических цепей. Основными проводниковыми материалами являются медь, алюминий, никелин, сталь, олово и свинец.

Общие сведения

В электротехнике к проводящим материалам относят металлы, их сплавы, контактные металлокерамические композиции и электротехнический уголь.

Металлы, как проводники первого рода, обладают электронной проводимостью. Главным параметром для них служит удельное электрическое сопротивление, которое меняется в зависимости от температуры.

Диапазон удельного сопротивления металлических проводников довольно узкий: от 0,016 мкОм·м для серебра до 1,6 мкОм·м для жаростойких железохромоалюминиевых сплавов.

Электрическое сопротивление графита при повышении температуры сначала уменьшается, достигает минимума, а затем постепенно увеличивается.

Проводниковые материалы классифицируются по их применению на следующие группы:

  • высокопроводящие материалы — металлы, используемые для проводов линий электропередач, кабелей, обмоточных и монтажных проводов для обмоток трансформаторов, электрических машин, аппаратуры, катушек индуктивности и других устройств;
  • конструкционные материалы — бронзы, латуни, алюминиевые сплавы и другие, которые применяются для создания различных токоведущих частей;
  • сплавы с высоким сопротивлением — используются для изготовления дополнительных сопротивлений к измерительным приборам, обмоток сопротивлений, реостатов, нагревательных элементов, а также сплавов для термопар, компенсирующих проводов и прочих;
  • контактные материалы — применяются для пар незарезаемых, разрывных и скользящих контактов;
  • материалы для пайки — подходят для всех видов проводниковых материалов.

Кроме перечисленного, проводниковые материалы должны обладать необходимыми технологическими свойствами, обеспечивая заданные сроки эксплуатации. Они должны характеризоваться достаточной термостойкостью, механической прочностью и пластичностью.

Удельное сопротивление проводниковых материалов

Удельное сопротивление проводниковых материалов — это физическая величина, характеризующая способность материала проводить электрический ток. Чем меньше удельное сопротивление, тем лучше материал проводит ток. Удельное сопротивление обозначается греческой буквой ρ (ро) и измеряется в Ом·метрах (Ом·м).

Примеры удельного сопротивления некоторых материалов:

  1. Серебро (Ag)
    • Удельное сопротивление: 1.59 × 10^−8 Ом·м
    • Примечания: Серебро обладает наименьшим удельным сопротивлением среди всех металлов, что делает его отличным проводником. Однако из-за высокой стоимости оно редко используется в массовых применениях.
  2. Медь (Cu)
    • Удельное сопротивление: 1.68 × 10^−8 Ом·м
    • Примечания: Медь является наиболее распространенным материалом для проводников благодаря своему низкому удельному сопротивлению и относительно низкой стоимости.
  3. Алюминий (Al)
    • Удельное сопротивление: 2.82 × 10^−8 Ом·м
    • Примечания: Алюминий используется в электротехнике, особенно в высоковольтных линиях электропередачи, из-за его легкости и хорошей проводимости.
  4. Золото (Au)
    • Удельное сопротивление: 2.44 × 10^−8 Ом·м
    • Примечания: Золото обладает хорошей проводимостью и устойчивостью к коррозии, поэтому его используют в электронике, например, для покрытия контактов.
  5. Никель (Ni)
    • Удельное сопротивление: 6.99 × 10^−8 Ом·м
    • Примечания: Никель используется в сплавах и покрытиях для повышения прочности и устойчивости к коррозии.
  6. Железо (Fe)
    • Удельное сопротивление: 9.71 × 10^−8 Ом·м
    • Примечания: Железо используется в комбинации с другими металлами в различных сплавах, таких как сталь.
  7. Платина (Pt)
    • Удельное сопротивление: 10.6 × 10^−8 Ом·м
    • Примечания: Платина используется в лабораторном оборудовании и электронике благодаря своей стабильности и коррозионной стойкости.
  8. Олово (Sn)
    • Удельное сопротивление: 11.5 × 10^−8 Ом·м
    • Примечания: Олово часто используется в припоях для соединения электрических компонентов.
  9. Свинец (Pb)
    • Удельное сопротивление: 22.0 × 10^−8 Ом·м
    • Примечания: Свинец используется в аккумуляторах и для защиты от радиации.
  10. Нихром (сплав никеля и хрома)
    • Удельное сопротивление: 1.10 × 10^−6 Ом·м
    • Примечания: Нихром используется в нагревательных элементах благодаря своему высокому удельному сопротивлению и устойчивости к высоким температурам.

Факторы, влияющие на удельное сопротивление:

  • Температура: С повышением температуры удельное сопротивление большинства металлов увеличивается.
  • Чистота материала: Примеси и дефекты в кристаллической решетке увеличивают удельное сопротивление.
  • Форма и размеры проводника: Хотя удельное сопротивление — это характеристика материала, сопротивление проводника также зависит от его длины и площади поперечного сечения.

График удельного сопротивления

График удельного сопротивления

Медь

Медь

Чистая медь занимает второе место по электрической проводимости после серебра, обладая самой высокой проводимостью среди всех известных проводников. Ее высокая проводимость, сочетание с высокой пластичностью и устойчивость к атмосферной коррозии делают медь основным материалом для проводов.

На воздухе медные провода окисляются медленно, образуя тонкий слой окиси CuO, который предотвращает дальнейшее окисление меди. Коррозию меди вызывают сернистый газ SO₂, сероводород H₂S, аммиак NH₃, диоксид азота NO₂, пары азотной кислоты и некоторые другие реактивы.

Для получения проводниковой меди используют слитки, которые очищают гальваническим методом в электролитических ваннах. Примеси даже в малых количествах значительно снижают электропроводность меди, что делает ее непригодной для использования в проводниках тока. Поэтому в качестве электротехнической меди применяют только две марки: М0 и М1.

Почти все изделия из проводниковой меди производятся методом проката, прессования и волочения. Так, волочением изготавливают провода диаметром до 0,005 мм, ленты толщиной до 0,1 мм и медную фольгу толщиной до 0,008 мм.

Проводниковая медь используется как в отожженном виде после холодной обработки (мягкая медь марки ММ), так и без отжига (твердая медь марки МТ).

При температуре термообработки выше 900 °С происходит интенсивный рост зерна, и механические свойства меди значительно ухудшаются.

Для повышения предела ползучести и термической устойчивости медь легируют серебром в диапазоне 0,07—0,15 %, а также магнием, кадмием, цирконием и другими элементами.

Медь с добавлением серебра применяется для обмоток высокоскоростных и жаростойких машин большой мощности. Медь, легированная различными элементами, используется в коллекторах и контактных кольцах сильно нагруженных машин.

Латунь

Латунь

Сплавы меди с цинком, известные как латуни, активно используются в электротехнике. Цинк растворяется в меди до 39%.

Разные марки латуни могут содержать до 43% цинка. Латуни, содержащие до 39% цинка, имеют однофазную структуру твердого раствора и называются просто латунями. Они характеризуются высокой пластичностью, поэтому их применяют для изготовления деталей методом горячей или холодной прокатки и волочения: листов, лент, проволоки. Без нагрева из листовой латуни методом глубокой вытяжки и штамповки можно создавать детали сложной конфигурации.

Латуни с содержанием цинка выше 39% известны как α+β-латуни или двухфазные и используются в основном для фасонных отливок.

Двухфазные латуни тверже и хрупче, обрабатываются давлением только в горячем состоянии.

Присадки олова, никеля и марганца в латунь улучшают ее механические свойства и устойчивость к коррозии. Добавление алюминия вместе с железом, никелем и марганцем увеличивает механическую прочность и твердость, но делает пайку затруднительной, а использование мягких припоев практически невозможным.

Особенности:

  • латуни марок Л68 и Л63 благодаря высокой пластичности легко штампуются и гнутся, паяются всеми видами припоев. В машиностроении их используют для изготовления токоведущих частей;
  • латуни марок ЛС59-1 и ЛМЦ58-2 применяются для изготовления роторных клеток электрических двигателей и токоведущих деталей, изготавливаемых резанием и штамповкой в горячем состоянии; хорошо паяются различными припоями;
  • латунь ЛА67-2,5 используется для литых токоведущих деталей с повышенной механической прочностью и твердостью, не требующих пайки мягкими припоями;
  • латуни ЛК80-3Л и ЛС59-1Л широко применяются для литых токоведущих деталей электрической аппаратуры, щеткодержателей и заливки роторов асинхронных двигателей, легко паяются различными припоями.

Проводниковая бронза

Проводниковая бронза

Проводниковые бронзы относятся к медным сплавам, необходимость применения которых в основном обусловлена недостаточной в ряде случаев механической прочностью и термической устойчивостью чистой меди.

Обширная номенклатура бронз включает в себя множество марок, однако лишь некоторые из них обладают высокой электропроводностью:

  • кадмиевая бронза является одной из самых распространенных проводниковых бронз. Среди всех марок кадмиевая бронза выделяется наивысшей электрической проводимостью. Благодаря повышенному сопротивлению истиранию и высокой нагревостойкости, эта бронза широко используется для производства троллейных проводов и коллекторных пластин;
  • бериллиевая бронза относится к сплавам, которые приобретают прочность в результате старения. Она обладает высокими упругими свойствами, устойчивыми при нагреве до 250 °С, и электрической проводимостью в 2—2,5 раза большей, чем у других марок бронз общего назначения. Эта бронза активно используется для изготовления различных пружинных деталей, которые выполняют роль проводника тока, например, токоведущих пружин, различных видов щеткодержателей, скользящих контактов в разнообразных приборах и штепсельных разъемов;
  • фосфористая бронза характеризуется высокой прочностью и отличными пружинными свойствами. Из-за низкой электропроводности ее применяют для изготовления пружинных деталей, рассчитанных на малые плотности тока.

Литые токоведущие детали изготавливают из различных марок машиностроительных литейных бронз с проводимостью в диапазоне 8—15% от проводимости чистой меди. Бронзы отличаются малой усадкой по сравнению с чугуном и сталью и высокими литейными свойствами, что делает их подходящими для отливки различных токоведущих деталей сложной конфигурации для электрических машин и аппаратов.

Все литейные бронзы можно разделить на оловянные и безоловянные, основными легирующими элементами которых являются Al, Mn, Fe, Pb, Ni.

Алюминий

Алюминий

Основные свойства чистого алюминия включают:

  • малый удельный вес;
  • низкую температуру плавления;
  • высокую теплопроводность и электрическую проводимость;
  • высокую пластичность;
  • значительную скрытую теплоту плавления;
  • тонкую, но прочную оксидную пленку, которая покрывает поверхность металла и защищает его от проникновения кислорода.

Низкая плотность делает алюминий идеальным для легких конструкционных материалов. Благодаря своей высокой пластичности, алюминий подходит для всех видов обработки и может использоваться для производства листов, прутков, проволоки, труб, тонкой фольги, штампованных деталей с глубокой вытяжкой и других изделий.

Высокая электрическая проводимость алюминия обеспечивает его широкое использование в электротехнике. Плотность алюминия в 3,3 раза меньше, чем у меди, а удельное сопротивление лишь в 1,7 раза выше, чем у меди, что делает алюминий вдвое более проводящим на единицу массы, чем медь.

Прочная оксидная пленка быстро образуется на свежем срезе алюминия при комнатной температуре, обеспечивая высокую устойчивость к коррозии в атмосферных условиях.

Сернистый газ, сероводород, аммиак и другие газы, присутствующие в воздухе промышленных районов, не оказывают значительного влияния на скорость коррозии алюминия. Воздействие водяного пара на алюминий также минимально. Однако в контакте с солевыми растворами, алюминий, будучи катодом по отношению к электроположительным металлам, служит анодом, что ускоряет его коррозию в электролитах.

Чтобы предотвратить образование гальванопар во влажной атмосфере, места соединения алюминия с другими металлами необходимо герметизировать лаком или другим способом.

Длительные испытания алюминиевых проводов показали, что они по устойчивости к коррозии не уступают медным проводам.

Основные характеристики проводниковых материалов приведены в таблице ниже.

Свойства и использование различных материалов в электротехнике

Алюминий выделяется своей низкой плотностью, низкой температурой плавления и отличной электрической проводимостью. Это делает его подходящим для использования в проводах, кабелях, шинах и других электротехнических компонентах. Оксидная пленка, которая быстро образуется на поверхности алюминия, защищает его от коррозии. Удельное электрическое сопротивление алюминия при 20 °С составляет 0,026—0,028 ×10⁻⁸ Ом·м.

Бронзы, такие как кадмиевая и фосфористая, имеют плотность от 8,3 до 8,9 ×10³ кг/м³ и температуру плавления в диапазоне от 885 до 1050 °С. Их удельное электрическое сопротивление варьируется от 0,021 до 0,052 ×10⁻⁸ Ом·м, что делает их идеальными для изготовления контактов и пружин.

Латунь, имеющая плотность от 8,4 до 8,7 ×10³ кг/м³ и температуру плавления от 900 до 960 °С, характеризуется удельным электрическим сопротивлением от 0,03 до 0,08 ×10⁻⁸ Ом·м. Этот материал широко используется для создания контактов и зажимов.

Медь, обладающая выдающейся электропроводностью (удельное электрическое сопротивление 0,0175—0,0182 ×10⁻⁸ Ом·м) и температурой плавления 1080 °С, применяется в проводах, кабелях и шинах, обеспечивая надежность и эффективность.

Олово с плотностью 7,3 ×10³ кг/м³ и температурой плавления 232 °С, имеет удельное электрическое сопротивление от 0,114 до 0,120 ×10⁻⁸ Ом·м. Оно используется в качестве припоя для лужения и пайки.

Свинец, отличающийся высокой плотностью (11,34 ×10³ кг/м³) и температурой плавления 327 °С, обладает удельным электрическим сопротивлением 0,217—0,222 ×10⁻⁸ Ом·м. Он используется для защитной оболочки кабелей, вставок предохранителей и аккумуляторных пластин.

Серебро, благодаря своей высокой электропроводности (удельное сопротивление 0,0160—0,018 ×10⁻⁸ Ом·м) и температуре плавления 960 °С, применяется в контактах электроприборов.

Сталь с плотностью 7,8 ×10³ кг/м³ и температурой плавления 1400 °С, имеет удельное электрическое сопротивление от 0,103 до 0,137 ×10⁻⁸ Ом·м. Она используется для шины заземления, обеспечивая надежное соединение.

Таблица ниже иллюстрирует основные характеристики и области применения этих материалов:

МатериалПлотность, ×10³ кг/м³Температура плавления, °СУдельное электрическое сопротивление при 20 °С, ×10⁻⁸ Ом·мСредний температурный коэффициент сопротивления от 0 до 100 °С, 1/градПримечание
Алюминий2,76600,026—0,0284×10⁻³Используется для проводов, кабелей, шин, проводников короткозамкнутых роторов, корпусов и подшипниковых щитов малых электромашин
Бронза8,3—8,9885—10500,021—0,0524×10⁻³Кадмиевая бронза — контакты, фосфористая — пружины
Латунь8,4—8,7900—9600,03—0,082,1×10⁻³Применяется для изготовления контактов и зажимов
Медь8,7—8,910800,0175—0,01823×10⁻³Используется для проводов, кабелей и шин
Олово7,32320,114—0,1204,4×10⁻³Используется для припоя при лужении и пайке в сплаве со свинцом
Свинец11,343270,217—0,2223,8×10⁻³Используется для защитной оболочки кабелей, вставок предохранителей, аккумуляторных пластин и припоя в сплаве с оловом для лужения и пайки
Серебро10,59600,0160—0,0183,8×10⁻³Применяется для контактов электроприборов
Сталь7,814000,103—0,1375,2×10⁻³Используется для изготовления шин заземления

Таблица сопротивления различных материалов по сравнению с медью:

Металл / сплавСопротивление по сравнению с медью
Серебро0,9
Медь1,0
Хром1,6
Алюминий1,67
Магний2,8
Молибден2,9
Вольфрам3,6
Цинк3,7
Латунь4,5
Платина5,5
Кобальт6,0
Никель6,5
Железо7,7
Олово8,5
Сталь12
Свинец13
Нейзильбер17
Никелин25
Манганин26
Реотан28
Константан29
Чугун30
Ртуть60
Нихром60

График показывающий сопротивление различных материалов по сравнению с медью

График показывающий сопротивление различных материалов по сравнению с медью

Изменение электрического сопротивления при различных температурах

Эта таблица предоставляет данные для пересчета электрического сопротивления материалов в зависимости от их температуры. Значения в таблице выражены в относительных единицах по сравнению с сопротивлением при 0 °С.

Температура, °С (десятки)0123456789
00.9400.9440.9480.9520.9560.9600.9640.9680.9720.976
100.9800.9840.9880.9920.9961.0001.0041.0081.0121.016
201.0201.0241.0281.0321.0361.0401.0441.0481.0521.056
301.0601.0641.0681.0721.0761.0801.0841.0881.0921.096
401.1001.1041.1081.1121.1161.1201.1241.1281.1321.136
501.1401.1441.1481.1521.1561.1601.1641.1681.1721.176
601.1801.1841.1881.1921.1961.2001.2041.2081.2121.216
701.2201.2241.2281.2321.2361.2401.2441.2481.2521.256
801.2601.2641.2681.2721.2761.2801.2841.2881.2921.296
901.3001.3041.3081.3121.3161.3201.3241.3281.3321.336
1001.3401.3441.3481.3521.3561.3601.3641.3681.3721.376

Пример использования таблицы: Чтобы определить изменение сопротивления при температуре 44 °С, найдите значение для 40 °С в вертикальном столбце (1.100) и добавьте поправку на 4 °С из горизонтального ряда (0.016 для 4 °С). Таким образом, сопротивление увеличивается в 1.116 раза.

График зависимости сопротивлений от температуры

График зависимости сопротивлений от температуры

Сплавы для катушек сопротивлений и измерительных приборов

Основным и наиболее известным представителем этих сплавов является медно-марганцевый сплав — манганин.

Манганин характеризуется высоким удельным сопротивлением при низком температурном коэффициенте сопротивления, малой термоЭДС в паре с медью, высокой стабильностью сопротивления с течением времени, отличной пластичностью и устойчивостью к коррозии. Его используют для изготовления точных эталонных сопротивлений.

Для поддержания стабильности свойств сопротивлений рабочая температура не должна превышать 60 °С. Для обеспечения стабильности манганина его подвергают специальной низкотемпературной термической обработке с последующим длительным вылеживанием при комнатной температуре; манганин производится в виде проволоки и ленты.

Менее точным сплавом по сравнению с манганином является медно-никелевый сплав — константан. Он имеет очень низкий температурный коэффициент сопротивления, устойчивость к коррозии, хорошую жаростойкость и высокие механические свойства.

Недостатком константана при использовании его для эталонных сопротивлений является высокая термоЭДС в паре с медью, поэтому он широко применяется в термопарах для измерения температур до 900 °С.

Для изготовления реостатов и других электротехнических приборов иногда используют сплав, содержащий медь, никель и цинк — нейзильбер. Этот сплав дешевле, чем константан, однако проволока из нейзильбера становится хрупкой после нагрева до 200—250 °С из-за содержания цинка.

Жаростойкие сплавы

Жаропрочные сплавы, помимо обладания высоким удельным сопротивлением и низким температурным коэффициентом сопротивления, должны выдерживать высокие рабочие температуры, легко поддаваться обработке и сохранять механическую прочность во всем диапазоне рабочих температур.

В настоящее время производятся окалиностойкие деформируемые жаропрочные сплавы девяти различных марок, которые подразделяются на сплавы на основе хрома и никеля (известные как нихромы), а также жаростойкие сплавы на основе хрома.

Свойства и области применения жаропрочных сплавов с высоким омическим сопротивлением представлены в таблице ниже:

Марка сплаваРазмер: диаметр или толщина, ммУдельное электрическое сопротивление при 20 °С, мкОм/мРабочая температура нагревательного элемента, °СХарактеристика окалиностойкости и жаростойкостиПреимущественные области применения
Х25Н20Все размеры0,83—0,96предельная: 1000 оптимальная: 900Окалиностойкий в окислительной атмосфере. Окалиностойкий в окислительной атмосфере, водороде, вакууме. Неустойчив в атмосфере с серой и сернистыми соединениями, более жаропрочен, чем алюминиевые сплавы.Проволока для промышленных, лабораторных печей и бытовых приборов
Х15Н600,1—0,51,06—1,16предельная: 1000 оптимальная: 950Окалиностойкий в окислительной атмосфере. Окалиностойкий в окислительной атмосфере, водороде, вакууме. Неустойчив в атмосфере с серой и сернистыми соединениями, более жаропрочен, чем алюминиевые сплавы.Проволока и ленты для промышленных и лабораторных печей, электрических аппаратов теплового действия, реостатов и бытовых приборов
Х15Н60Н0,511,07—1,17предельная: 1100 оптимальная: 950Окалиностойкий в окислительной атмосфере. Окалиностойкий в окислительной атмосфере, водороде, вакууме. Неустойчив в атмосфере с серой и сернистыми соединениями, более жаропрочен, чем алюминиевые сплавы.Проволока и ленты для промышленных и лабораторных печей, электрических аппаратов теплового действия, реостатов и бытовых приборов
Х20Н800,1—0,5, 0,51—31,03—1,13, 1,04—1,14предельная: 1100 оптимальная: 1050Окалиностойкий в окислительной атмосфере. Окалиностойкий в окислительной атмосфере, водороде, вакууме. Неустойчив в атмосфере с серой и сернистыми соединениями, более жаропрочен, чем алюминиевые сплавы.Проволока и ленты для промышленных и лабораторных печей, электрических аппаратов теплового действия, реостатов, электросопротивлений; микропроволока для бытовых приборов
Х20Н80Н3,1—101,06—1,16предельная: 1200 оптимальная: 1050Окалиностойкий в окислительной атмосфере и в атмосфере, содержащей серу и сернистые соединения. Склонен к провисанию при высоких температурах.Проволока и ленты для реостатов, нагревательных элементов бытовых приборов, аппаратов
X13Ю40,2—10,01,18—1,34предельная: 1000 оптимальная: 900Окалиностойкий в окислительной атмосфере и в атмосфере, содержащей серу и сернистые соединения. Склонен к провисанию при высоких температурах.Проволока и ленты для промышленных и лабораторных печей, бытовых приборов, аппаратов, реостатов и свечей зажигания
ОХ23К050,2—101,29—1,45предельная: 1200 оптимальная: 1150Окалиностойкий в окислительной атмосфере и в атмосфере, содержащей серу и сернистые соединения. Склонен к провисанию при высоких температурах.Проволока и ленты для промышленных и лабораторных печей, бытовых приборов, аппаратов, реостатов и свечей зажигания
ОХ23КЮА0,2—101,3—1,4предельная: 1200 оптимальная: 1175Окалиностойкий в окислительной атмосфере и в атмосфере, содержащей серу и сернистые соединения. Склонен к провисанию при высоких температурах.Проволока и ленты для высокотемпературных промышленных и лабораторных печей
ОХ27КЮА0,2—101,37—1,47предельная: 1300 оптимальная: 1250Окалиностойкий в окислительной атмосфере и в атмосфере, содержащей серу и сернистые соединения. Склонен к провисанию при высоких температурах.Проволока и ленты для высокотемпературных промышленных и лабораторных печей

Поправочные коэффициенты для расчета электрического сопротивле­ния в зависимости от температуры:

Марка сплава100 °C200 °C300 °C400 °C500 °C600 °C700 °C800 °C900 °C1000 °C1100 °C1200 °C1300 °C
Х15Н601,0131,0291,0461,0621,0741,0931,0631,0891,0971,105
Х15Н60Н1,0131,0291,0461,0621,0741,0931,0631,0891,0971,105
Х20Н801,0061,0161,0241,0311,0351,0351,0191,0171,0211,0281,038
Х20Н80Н1,0061,0161,0241,0311,0351,0351,0191,0171,0211,0281,038
X13Н141,0041,0131,0251,0411,0621,0901,1141,1261,135
ОХ23К05А1,0021,0071,0131,0221,0361,0631,0671,0721,0761,0791,080
ОХ23КЮА1,0021,0071,0131,0221,0361,0631,0671,0721,0761,0791,080
ОХ27К05А1,0021,0051,0101,0151,0251,0351,0331,0351,0401,0411,0431,045
XH60H0,9841,0001,0221,0401,0061,0121,0061,0131,0151,031
XH70H1,0041,0161,0321,0351,0151,0211,028

Характеристика и использование жаропрочных сплавов

Жаропрочные сплавы с высоким омическим сопротивлением используются в различных областях промышленности благодаря своим уникальным свойствам. Эти сплавы обеспечивают высокую стабильность при работе при высоких температурах, обладают хорошей окалиностойкостью и жаростойкостью, что делает их идеальными для использования в условиях, требующих надежной работы в агрессивных средах и при высоких температурных нагрузках.

Характеристики сплавов с относительно большим удельным сопротивлением:

МатериалПлотность, 10³ кг/м³Температура плавления, °СНаибольшая рабочая температура, °СУдельное электрическое сопротивление при 20 °С, 10⁻⁶ Ом·мТемпературный коэффициент сопротивления при 20 °С, 1/градПрименение
Нихром8,2136010001,11,7×10⁻⁴Используется в лабораторных и промышленных печах с рабочей температурой до 900 °С
Фехраль7,614508501,25×10⁻⁴Применяется в бытовых электронагревательных приборах и промышленных электропечах с рабочей температурой до 650 °С
Константан8,81270450—5000,5(0,2—5)×10⁻³Используется для изготовления реостатов и резисторов приборов с низкой точностью, а также нагревательных элементов с температурой до 450 °С
Манганин8,3940250—3000,46±(3—6)×10⁻³Широко используется в эталонных и образцовых сопротивлениях, магазинах сопротивлений и сопротивлениях приборов высокой точности
Нейзильбер8,41050200—2500,352,9×10⁻³Применяется преимущественно для изготовления реостатов

Термоэлектродвижущая сила различных металлов

Эта таблица показывает термоэлектродвижущую силу (ТЭДС) различных металлов относительно платины при разнице температур 100 °С. Положительное значение указывает на направление тока от данного металла к платине, а отрицательное — в обратном направлении.

МеталлТермоЭДС (мкВ/°C)
Железо+1,75
Молибден+1,24
Кадмий+0,90
Цинк+0,76
Серебро+0,76
Медь+0,74
Иридий+0,67
Олово+0,42
Магний+0,42
Алюминий+0,39
Уголь+0,25
Ртуть+0,01
Платина+0,00
Натрий-0,21
Кобальт-1,75
Никель-1,76
Константан-3,33
Свинец-5,85
Висмут-6,86

Эти данные помогают определить эффективность различных металлов в термоэлектрических схемах, где важна способность материала генерировать электрическое напряжение при изменении температуры.

Приближенные значения токов плавления проволоки из разных металлов

Эта таблица предоставляет данные о приблизительных значениях токов плавления для проволоки из различных металлов, таких как медь, алюминий, никелин, сталь, олово и свинец. Значения приведены для различного диаметра проволоки и позволяют оценить параметры, необходимые для плавления проволоки при заданных условиях.

Ток плавления, AМедь (мм)Алюминий (мм)Никелин (мм)Сталь (мм)Олово (мм)Свинец (мм)
10,0390,0660,0650,1320,1830,210
20,0690,1040,1250,1890,2850,325
30,1040,1370,1850,2450,3800,425
50,1800,1930,250,3450,530,60
70,2030,2500,320,450,660,78
100,2590,3300,410,570,851,00
150,3190,4000,520,741,021,28
200,390,4850,620,871,351,52
250,460,5600,731,001,561,98
300,520,6400,811,151,722,20
350,580,7000,911,261,952,44
400,630,770,991,382,142,44
450,680,831,081,502,302,65
500,730,891,151,602,452,80
600,821,001,301,802,803,15
700,911,101,432,003,103,50
801,001,221,562,203,403,80
901,081,321,692,383,654,10
1001,151,421,822,553,904,40
1201,311,602,052,854,455,00
1401,591,942,393,355,105,50
1601,722,102,693,705,806,50
1801,842,252,894,056,207,00
2001,992,453,154,406,707,80
2252,142,603,354,707,258,10
2502,202,803,555,007,708,70
2752,402,953,785,308,209,20
3002,402,953,785,308,209,20

Эти данные могут быть использованы для проектирования и анализа электрических цепей, где важна безопасность и эффективность работы проволоки из различных металлов.

График зависимости диаметра от плавящего тока

График зависимости диаметра от плавящего тока

Контактные материалы

В зависимости от характера работы, контакты подразделяются на три категории: стационарные, коммутационные и скользящие.

Стационарные(неподвижные) контакты включают в себя зажимные механизмы, болтовые и винтовые соединения, скрутки, а также паяные и сварные контакты. Качество этих контактов определяется их переходным сопротивлением, которое возникает в местах прямого контакта. Для улучшения поверхности и защиты от коррозии применяются методы пайки, сварки или покрытия коррозионно-устойчивыми и хорошо проводящими металлами.

Типы и характеристики различных контактов

На воздухе при температурах до 75 °C все проводниковые металлы демонстрируют стабильное переходное сопротивление. Важным условием при этом является обеспечение необходимого давления на контактную поверхность.

Стационарные контакты

Закономерность: Для всех видов непаянных контактов характерна обратная зависимость переходного сопротивления от силы нажатия при прочих равных условиях. С увеличением температуры переходное сопротивление возрастает из-за ускоренной коррозии, поэтому медные, алюминиевые и стальные контакты покрывают коррозионно-устойчивыми металлами.

При температуре 100—120 °C хорошо работают луженые, посеребренные или кадмированные контакты. Стальные контакты обязательно цинкуют или кадмируют.

Шинные контакты (обычно в виде полос): Особенно при использовании алюминия, рекомендуется зачищать стеклянной шкуркой под слоем вазелина; для меди и стали необходимо лужение оловянно-свинцовым припоем или чистым оловом.

Коммутационные контакты

Особенности: Эти контакты должны иметь малое удельное сопротивление, стабильное переходное сопротивление, высокую стойкость к окислению, свариванию и эрозии, хорошую износоустойчивость и другие технологические свойства.

Для изготовления маломощных разрывных контактов, применяемых в основном в слаботочной технике, используют:

  • металлы платиновой группы;
  • золото и его сплавы;
  • серебро и его сплавы;
  • вольфрам, молибден и их сплавы.

Электроосаждаемые контакты: В виде тонких гальванических покрытий, работающих без дуги, следует отметить серебро, золото, платину, палладий и особенно родий, сочетающий низкое удельное сопротивление и высокую твердость.

Для изготовления мощных разрывных, а также прецизионных контактов применяются различные металлокерамические композиции, так как использование только металлов и их сплавов не всегда дает удовлетворительные результаты. Металлокерамические контакты изготавливаются из порошков металлов методом прессования смеси заданного состава с последующим спеканием и отжигом.

Все марки металлокерамических контактов можно разделить на группы.

Контакты из смеси «серебро — оксид кадмия»

Широко используются в низковольтных аппаратах, отличаются высокой надежностью при повышенных токовых нагрузках и умеренном давлении на контакт. Они обладают высокой износоустойчивостью, низким и стабильным переходным сопротивлением, а также устойчивостью к привариванию. Выпускаются для пайки и сварки с подслоем из серебра.

Контакты из смеси «серебро — оксид меди»

Обладают низким и стабильным переходным сопротивлением, высокой износостойкостью и сопротивлением привариванию. Более предпочтительны при высоких токовых нагрузках по сравнению с контактами типа «серебро — оксид кадмия». Производятся для пайки и сварки с подслоем из серебра.

Контакты из смеси «серебро — никель»

Эти контакты устойчивы к электрическому износу, имеют низкое и стабильное переходное сопротивление. Они применяются в низковольтной аппаратуре для постоянного и переменного тока с умеренными нагрузками. По сопротивлению привариванию уступают контактам типа «серебро — оксид кадмия» и «серебро — оксид меди», но превосходят чистое серебро. Допускают пайку и сварку без использования подслоя из серебра.

Контакты из смеси «серебро — никель — графит»

Добавление графита улучшает дугостойкость и сопротивление привариванию, что позволяет использовать эти контакты в низковольтной аппаратуре при значительных нагрузках. Также применяются в воздушных автоматических выключателях, обычно в паре с контактами типа «серебро — никель».

Контакты из смеси «серебро — графит»

Имеют высокую дугостойкость, устойчивость к привариванию и механическому истиранию. Хотя их электрическая и механическая прочность относительно невелика, они применяются в паре с контактами типа «серебро — никель».

Контакты из смеси «серебро — волфрам»

Обладают высокой устойчивостью к оплавлению, однако имеют повышенное переходное сопротивление, которое увеличивается с увеличением доли волфрама. Применяются в воздушных высоковольтных выключателях в виде накладок на медные контакты.

Контакты из смеси «серебро — кадмий — никель»

Отличаются высокой электрической прочностью и стабильным низким переходным сопротивлением. Используются в высоковольтных схемах.

Контакты из смеси «медь — волфрам»

Эти контакты характеризуются высоким сопротивлением износу, привариванию и окислению при больших токовых нагрузках. Благодаря повышенному переходному сопротивлению, они находят применение в высоковольтных масляных выключателях в условиях активного дугообразования.

Контакты из смеси «медь — графит»

Используются для контактов, размыкающих токи в диапазоне 30—80 кА. Для гарантии от приваривания изготавливаются асимметричными, с медным подслоем, что обеспечивает невысокую прочность и рассчитано на ограниченное число отключений.

Токопроводящие жилы

Медные (М) и алюминиевые (А) проводники, которые применяются при производстве кабельной продукции, стандартизированы по ГОСТ 22483-77 и полностью соответствуют рекомендациям МЭК (публикация 228, 1966). Эти проводники делятся на 6 классов и могут состоять из одной или нескольких десятков проволок. Для стационарной прокладки кабелей используются проводники классов 1 и 2, а для кабелей с повышенной гибкостью подходят проводники классов 3-6.

Проводники могут быть круглыми или фасонными (К или Ф), уплотненными и неуплотненными. Алюминиевые проводники, кроме того, могут быть с металлическим покрытием (МП) или без него (БМП). Круглые медные проводники могут иметь сечения до 150 мм², а круглые алюминиевые — до 300 мм².

Информация о проводниках классов 1-6 приведена в таблицах ниже:

Класс 1

Площадь сечения жилы, мм²Минимальное число проволок (M)Минимальное число проволок (A)M (нелуженая) ОмM (луженая) ОмA (МП или БМП) Ом
0.50136.036.7
0.75124.524.8
1.0118.118.2
1.5112.112.218.1
2.5117.417.5612.1
4.0114.614.707.41
6.0113.083.115.11
10111.831.843.08
16111.151.161.91
25110.7271.20
35110.5240.868
50110.3870.641
70110.2680.443
95110.1930.320
120110.1530.253
150110.1240.206
1853510.0990.164
2103510.07540.125
30035350.06010.100
40035350.04700.0778
50035350.03660.0605
62559590.02830.0469
80059590.02210.0367
100059590.01760.0291

Класс 2

Номинальное сечение жилы, мм²Круглая жила (неуплотненная M)Круглая жила (неуплотненная A)Круглая жила (уплотненная M)Круглая жила (уплотненная A)Фасонная жила (M)Фасонная жила (A)Медная жила (луженая) ОмМедная жила (неуплотненная) ОмАлюминиевая жила (МП и БМП) Ом
0.50736.036.7
0.75724.524.8
1.07718.118.235.4
1.577612.112.222.7
2.57767.417.5614.5
4.07764.614.707.41
6.07763.083.115.11
107761.831.843.08
1677661.151.161.91
257766660.7270.7341.20
357766660.5240.5290.868
50191966660.3870.3910.641
701919121212120.2680.2700.443
951919151515150.1930.1950.320
1203737181518150.1530.1540.253
1503737181518150.1240.1260.206
1853737303030300.09910.1000.164
2406161343034300.07540.07620.125
3006161343034300.06010.06070.100
4006161535353530.04700.04750.0778
5006161535353530.03660.03690.0605
6259191535353530.02830.02860.0462
6309191535353530.02800.02830.0462
8009191535353530.02210.02840.0367
10009191535353530.01760.01770.0291

Класс 3

Номинальное сечение жилы, мм²Диаметр проволоки, мм, не болееМедная жила (нелуженая) ОмМедная жила (луженая) ОмАлюминиевая жила (БМП или с МП) Ом
0.500.3339.640.7
0.750.3825.526.0
1.000.4321.822.3
1.200.4517.317.628.8
1.500.5314.014.323.4
2.000.619.719.9016.2
2.500.697.497.6312.5
3.000.795.845.959.75
4.000.874.794.888.00
5.000.593.833.91
6.000.653.113.175.20
8.000.872.402.45
10.000.821.992.033.33
16.000.651.211.242.02
25.000.820.8090.8241.35
35.000.690.5510.5620.921
50.000.690.3940.4020.658
70.000.690.2770.2830.470
95.000.820.2030.2070.338
120.000.790.1580.1610.264
150.000.870.1300.1320.211
185.000.870.1050.1070.175
240.000.870.07980.08140.134
300.000.870.06010.06650.109
400.000.870.04700.04990.0835
500.000.870.03930.04010.0657

Классы 4,5,6

Номинальное сечение жилы, мм²Диаметр проволоки, мм, не болееЭл. сопротивление постоянному току 1 км жилы при 20 °C, Ом НелуженаяЭл. сопротивление постоянному току 1 км жилы при 20 °C, Ом Луженая
0.050.11366.6383.7
0.080.13247.5254.6
0.120.16165.3170.3
0.200.2191.791.7
0.350.2757.056.7
0.500.3140.541.7
0.750.3125.225.9
1.00.3119.620.4
1.20.4116.016.5
1.50.4113.213.6
2.00.439.9710.3
2.50.438.058.20
3.00.536.526.65
4.00.534.894.99
5.00.533.823.90
6.00.533.283.35
8.00.532.452.49
100.531.912.04
160.531.211.24
250.530.7760.792
350.590.5470.558
500.590.3930.401
700.590.2810.286
950.590.2010.205
1200.690.1620.165
1500.690.1290.132
1850.690.1040.106
2400.690.0810.082
3000.690.0650.066
4000.690.0490.049
5000.610.038
6300.610.029
  • 09.06.2024