Проводниковые материалы их свойства и использование в электротехнике

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

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

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

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

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:

Таблица сопротивления 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.

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

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:

Поправочные коэффициенты для расчета электрического сопротивле­ния в зависимости от температуры:

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:

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.

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.

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

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

Класс 2

Класс 3

Классы 4,5,6