Руководство по материалам электротехники для всех. Тепловое расширение

Руководство по материалам электротехники для всех. Тепловое расширение

Все тела при нагревании расширяются, и металлы не исключение. Для любого материала есть характеристика, такая как «коэффициент теплового расширения тел», который показывает, во сколько раз увеличится размер тела, при нагреве на 1 градус Цельсия. (В различных диапазонах температур значение теплового коэффициента расширения может различаться, кроме того для некоторых анизотропных материалов коэффициент может различаться в разных плоскостях. Для упрощения не будем учитывать эту разницу, воспользовавшись усредненными значениями) Вот небольшая табличка:Из этой таблички видно, что соединение из двух материалов при нагревании будет расширяться по разному, провоцируя внутренние напряжения и деформации. Иногда это полезное свойство — оно используется в биметаллических пластинках в терморегуляторах, такие пластинки при нагреве изгибаются и разрывают контакт. Но в деле создания надежного электрического соединения такая разница в величине теплового расширения может ослабить контакт. Если соединение не обладает упругими свойствами, то спустя нескольких циклов нагрева и охлаждения, можно обнаружить что вместо плотного тугого контакта проводник болтается.Если соединения разных материалов не избежать, то нужно помнить, что такое соединение потенциально может ослабнуть при изменениях температуры, и должно быть обслуживаемым и контролируемым. Замуровать соединение медного и алюминиевого проводника в стенке под слоем штукатурки — плохая идея.

Вольфрам проводник. Примеры применения

В виде покрытий проводников в СВЧ технике. Ток высокой частоты, из-затечет по поверхности проводника, а не в его толще, поэтому тонкое покрытие волновода серебром дает бОльший прирост проводимости, чем покрытие серебром проводника для постоянного тока. В сплавах контактных групп. Контакты силовых, сигнальных реле, рубильников, выключателей чаще всего изготовлены из сплава с содержанием серебра. Переходное сопротивление такого контакта получается ниже медного, он меньше подвержен окислению. Так как контакт обычно миниатюрен, стоимость этой малой добавки серебра к стоимости изделия незначительно. Хотя при утилизации большого количества реле, стоимость серебра делаетработу бокорезами по отделению контактов в кучку для последующего аффинажа. Контакты силового реле на 16 Ампер. Согласно документации производителя
контакты содержат серебро и кадмий. Различные реле. Верхнее реле имеет даже посеребренный корпус с характерной патиной. Содержание драгметаллов в изделиях, выпущенных в СССР было указано в паспортах на изделия. В качестве присадки в припоях. Качественные припои (как твёрдые так и мягкие) часто содержат серебро. Проводящие покрытия на диэлектриках. Например, для получения контактной площадки на керамике, на неё наносится суспензия из серебряных частиц с последующим запеканием в печи (метод «вжигания»). Компонент электропроводящих клеев и красок. Электропроводящие чернила частосодержат суспензию серебряных частиц. По мере высыхания таких чернил, растворительиспаряется, частицы в растворе оказываются всё ближе, слипаясь и создавая проводящиемостики, по которым может протекать ток. Хорошеес рецептом по созданию такихчернил.

Алюминий проводник. Почему алюминий

Проводники из алюминия хотя и не обладают высокими эксплуатационными характеристиками, зато они:

• дешевые, по сравнению с медью;
• имеют малый вес. Так, алюминиевый провод в 3 раза легче медного;
• универсальные в применении — диапазон рабочих температур достаточно широк от –50 ⁰С до +50 ⁰С;
• стойкие к высокой влажности — до 98%;
• стойкие к коррозионным повреждениям. Хотя и здесь кроются нюансы: поверхность любого алюминиевого изделия на воздухе моментально поддается окислению и ее сразу же покрывает пленочка, защищающая провод от дальнейшего окисления.

Казалось бы продукцию из алюминия применять выгоднее, чем медную. Но она обладает и рядом отрицательных качеств. Так, недостатками проводников из алюминия считаются низкий показатель механической прочности материала, а соединение таких проводов вызывает проблемы в прохождении тока по ним. Кроме того:

• удельная проводимость алюминия не достаточно высокая — 0.0271 Ом×мм²/м;
• алюминий подвержен окислению, а его пленка, которая появляется после него, плохо проводит электрический ток. Но и здесь скрывается подвох: эта пленочка состоит из частиц верхнего слоя самого проводника, которая отделяется от общей структуры и тем самым уменьшает его диаметр. В результате этого увеличивается первоначальное сопротивление, характерное для алюминиевого провода;
• по причине повышения сопротивления пленки на алюминиевой проводке в местах, где соединяются отдельные ее части, увеличивается переходное сопротивление, из-за чего проводка нагревается. Поэтому если срок службы используемых алюминиевых проводов превышен, то это может привести к возгоранию;
• алюминий не эластичен и очень хрупкий. Причем хрупкость увеличивается после перегревания.

Применять алюминиевые провода или медные —  зависит от задач и приоритетов.

Проводимость золота и меди. Металлы высокой электропроводности широкого применения

,°С, плотность Мг/м3 и удельное электрическое сопротивление ρ, нОм·м) основных металлов электротехники приведены в таблице 2.1.

– Температура плавления, плотность и удельное электрическое сопротивление основных металлов электротехники

Химическая стойкость меди достаточно высока. Даже в условиях высокой влажности медь окисляется на воздухе значительно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах.

Медь удобно обрабатывать, она легко прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до нескольких микрон (мкм). Медь удобно паять, слабая оксидная плёнка на поверхности меди легко разрушается флюсами, для пайки можно использовать как мягкие, так и твёрдые припои.

В качестве проводникового материала используют медь М1 и М0. Маркировка произведена по содержанию примесей в основном металле (соответственно не более 0,1 % и не более 0,05 %).

Латуни содержат до 43 % цинка по массе и маркируются по количеству содержащейся в них меди; Л68 и т. п. Латуни прочнее, чем медь, и устойчивее к коррозии, поэтому широко применяются для изготовления штырей и гнёзд разъёмных контактов, а также в качестве твёрдого припоя для пайки меди – ПМЦ (припой медно-цинковый).

Почему провода не делают из железа. Проводниковые железо и сталь

В природе железо находится в различных соединениях с кислородом ( F еО, F е₂ O ₃и др.). Выделить химически чистое железо из этих соединений чрезвычайно трудно. По электрическим и магнитным свойствам к химически чистому железу приближается железо, очищенное от примесей электролитическим способом ( электролитическое железо ). Общее количество примесей в электролитическом железе не превышает 0,03%.

Основными примесями в железе являются: кислород (О ₂ ), азот (N₂), углерод (С), сера ( S ), фосфор (Р), кремний ( Si ), марганец (М n ) и некоторые другие. Большинство примесей попадают в железо из руды и топлива.

Кремний и марганец специально вводятся в железо в качестве раскислителей. Они легко соединяются с кислородом и образуют окислы, которые в расплавленном железе (стали) всплывают на поверхность в виде шлака и удаляются. Этим улучшают механические свойства сталей, но, оставаясь в небольшом количестве в стали, они снижают ее электропроводность.

Сера и фосфор - вредные примеси . Попадая в железо и сталь из руды и топлива, они вызывают хрупкость сталей. Газы (азот и кислород) - тоже вредные примеси, так как они ухудшают электрические и магнитные свойства железа и сталей .

Примесью, резко снижающей электропроводность железа, является углерод. Сплавы железа с углеродом называются сталями. Кроме углерода, в сталях содержатся другие элементы, вводимые специально с целью получения тех или иных свойств (легирующие элементы).

Техническими сортами железа являются малоуглеродистые стали, содержание углерода в которых составляет от 0,01 до 0,1%. В конструкционных сталях углерод содержится в количестве от 0,07 до 0,7%, а в инструментальных и других специальных (легированных) сталях - от 0,7 до 1,7%.

Железо и сталь - наиболее дешевые и доступные проводниковые материалы, обладающие высокой механической прочностью при растяжении, но их применение ограничивается следующими недостатками.

Железо и сталь имеют низкую коррозионную стойкость, т. е. они легко окисляются на воздухе - ржавеют. Кроме того, обладают повышенным удельным сопротивлением (р = 0,13 - 0,14 ом х мм2/м) по сравнению с медью и алюминием. Электрическое сопротивление у железа и стали на переменном токе сильно возрастает, поскольку железо и сталь являются магнитными материалами . Поэтому ток в большей степени вытесняется из средней части провода к его поверхности ( поверхностный эффект ).

Для снижения этого эффекта и величины электрического сопротивления переменному току стараются применять стали с возможно меньшей величиной магнитной проницаемости.

Для изготовления стальной проволоки применяют сталь с содержанием углерода от 0,10 до 0,15%, обладающую следующими свойствами: плотностью 7,8 г/см3, температурой плавления 1392 - 1400^оС, пределом прочности при растяжении 55 - 70 кг/мм2, относительным удлинением 4 - 5 %, удельным сопротивлением 0,135 - 146 ом хмм2/м, температурным коэффициентом сопротивления α = +0,0057 1/°С.

Для защиты от атмосферной коррозии стальные провода покрывают тонким слоем меди или цинка (0,016 - 0,020 мм).

Стальную проволоку и шины применяют также в качестве сердечников в биметаллических проводниках , обеспечивающих значительную экономию проводниковой меди. Биметаллические проводники применяют в электрических аппаратах ( рубильники , контакторы и др.).

Рис. 1. Поперечное сечение биметалического провода

Рис. 2. Поперечное сечение биметаллического провода сталеалюминиевого провода: 1 - алюминиевая проволока, 2 - стальная проволока

Стальная оцинкованная проволока с большой механической прочностью при растяжении (130 - 170 кг/мм2) используется в качестве сердечников в сталеалюминиевых проводах для повышения их механической прочности на разрыв.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное:

Медь проводник. Медь

Чистая медь по электрической проводимости занимает следующее место после серебра, обладающего из всех известных проводников наивысшей проводимостью. Высокая проводимость и стойкость к атмосферной коррозии в сочетании с высокой пластичностью делают медь основным материалом для проводов.

На воздухе медные провода окисляются медленно, покрываясь тонким слоем окиси CuO, препятствующим дальнейшему окислению меди. Коррозию меди вызывают сернистый газ SO2, сероводород H2S, аммиак NH3, окись азота NO, пары азотной кислоты и некоторые другие реактивы.

Проводниковую медь получают из слитков путем гальванической очистки ее в электролитических ваннах. Примеси даже в ничтожных количествах, резко снижают электропроводность меди, делая ее малопригодной для проводников тока, поэтому в качестве электротехнической меди применяют лишь две ее марки М0 и М1.

Почти все изделия из проводниковой меди изготавливаются путем проката, прессования и волочения. Так, волочением могут быть изготовлены провода диаметром до 0,005 мм, ленты толщиной до 0,1 мм и медная фольга толщиной до 0,008 мм.

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

При температурах термообработки выше 900 °C вследствие интенсивного роста зерна механические свойства меди резко ухудшаются.

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

Медь с присадкой серебра применяется для обмоток быстроходных и нагревостойких машин большой мощности, а медь, легированная различными элементами, используется в коллекторах и контактных кольцах сильно нагруженных машин.

Особенности и применение в электронной технике металлов. Материалы электронной техники

Определение 1

Электронная устройство — это электронное изделие, которое состоит из отдельных функциональных узлов, выполняющих определенные операции.

Материалы, используемые в производстве электронной техники делятся на активные и пассивные. Пассивные применяются для изготовления элементов, которые не участвуют в процессе преобразования информации (резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы и т.п.), а активные используются для изготовления диодов, транзисторов, лазеров и т.п., то есть элементов, задействованных в преобразовании информации. Одной из основных классификаций материалов для электронной техники является классификация по их поведению в электрическом поле, согласно которой они делятся на:

• Диэлектрики.
• Полупроводники.
• Проводники.

Ярко выраженным свойством проводниковых материалов является хорошая электропроводность. Они делятся на металлы, сплавы металлов, неметаллические проводниковые материалы. К металлам, используемым в электронной технике относятся тугоплавкие металлы (хром, рений, вольфрам), металлы со средним значением температуры (железо, никель), благородные металлы (золото, серебро) и металлы, обладающие высокой удельной проводимостью (алюминий, медь). Сплавы металлов подразделяются на припои (медно-оцинкованные, твердые и мягкие), сверхпроводящие и сплавы высокого сопротивления (манганин, константан). К неметаллическим проводниковым материалам, широко используемым в производстве электронной техники, относятся материалы на основе окислов, углеродистые материалы (графит) композиционные проводящие материалы (керметы и контактолы).

Контактолы представляют собой маловязкие и пастообразные композиции, которые используются в качестве краски или токопроводящего клея. В этих композициях связующим элементом являются синтетические смолы, а токопроводящим наполнителем — мелкодисперсные порошки металлов (серебро, палладий и т.п.). Керметы — это металлодиэлектрические композиции, у которых связующее вещество неорганическое. Они обладают высоким поверхностным сопротивлением и используются для изготовления тонкопленочных резисторов.

Полупроводниковые материалы по проводимости находятся между диэлектриками и проводниками. Их проводимость зависит от вида и концентрации примесей, а электрическое сопротивление от состава и строения. Они делятся на органические, к которым относятся нафталин, антрацен и др., и неорганические: стеклообразные (оксидные стекла), керамические (ферриты и т.п.), простые полупроводники и химические соединения (бинарные, окислы металлов и т.п.).

К диэлектрикам относятся материалы, которые обладают незначительной электрической проводимостью. Основным свойством данных материалов является способность к поляризации и возможность существования электростатического поля. Поляризация представляет собой процесс упорядочения электрических зарядов, связанных между собой. Пассивные свойства диэлектриков при изготовлении диэлектриков конденсаторов, а также в качестве электроизоляционных материалов, а активные в преобразующих элементах.

Электропроводность железа и алюминия. Степень электропроводности разных металлов и сплавов

Развитием электронной теории электропроводности металлов занимался немецкий физик Пауль Друде. Именно благодаря его исследованиям стало известно о сопротивлении, наблюдаемом при прохождении электрического тока через проводник. В результате удалось разделить вещества на группы, исходя из степени их проводимости.

Данная информация необходима, например, чтобы выбрать наиболее подходящий металл для производства кабеля, обладающего определенным набором свойств. Ошибка в этом случае чревата перегревом под действием тока избыточного напряжения и последующим возгоранием.

Серебро – это металл, обладающий самой высокой электропроводностью. При +20 °C этот показатель равен 63,3×104 см-1. Тем не менее, производство серебряной проводки является нерентабельным, поскольку речь идет о достаточно редком металле. В большинстве случаев он идет на изготовление ювелирных изделий, украшений, монет.

Среди неблагородных цветных металлов самая высокая электропроводность характеризует медь – она составляет 57×104 см-1 при +20 °C. Помимо этого, медь хорошо справляется с постоянными электрическими нагрузками, долговечна, надежна, имеет высокую температуру плавления, поэтому может долго работать в нагретом состоянии. Все названные свойства позволяют активно применять данный металл для бытовых целей и на производстве.

Не реже меди используется алюминий, ведь по электропроводности он уступает только серебру, меди и золоту. Его температура плавления практически в два раза ниже, чем у меди, из-за чего алюминий не может выдерживать предельные нагрузки. По этой причине его применяют в сетях с невысоким напряжением. Узнать электропроводность остальных металлов можно в соответствующей таблице.

По проводимости любой сплав значительно уступает чистому металлу, что объясняется слиянием структурной сетки, вызывающим нарушение нормального функционирования электронов. Так, медные провода изготавливают только из металла с максимальной долей примесей 0,1 % или даже 0,05 %, если речь идет об отдельных разновидностях кабеля.

Приведенные показатели – это удельная электропроводность металлов, которая представляет собой отношение плотности тока к величине электрического поля в проводнике.

Электропроводность меди и олова. Таблица удельных сопротивлений проводников

Материал проводника	Удельное сопротивление ρ в
Серебро Медь Золото Латунь Алюминий Натрий Иридий Вольфрам Цинк Молибден Никель Бронза Железо Сталь Олово Свинец Никелин (сплав меди, никеля и цинка) Манганин (сплав меди, никеля и марганца) Константан (сплав меди, никеля и алюминия) Титан Ртуть Нихром (сплав никеля, хрома, железа и марганца) Фехраль Висмут Хромаль	0,015 0,0175 0,023 0,025. 0,108 0,028 0,047 0,0474 0,05 0,054 0,059 0,087 0,095. 0,1 0,1 0,103. 0,137 0,12 0,22 0,42 0,43. 0,51 0,5 0,6 0,94 1,05. 1,4 1,15. 1,35 1,2 1,3. 1,5

Из таблицы видно, что железная проволока длиной 1 м и сечением 1 мм 2 обладает сопротивлением 0,13 Ом. Чтобы получить 1 Ом сопротивления нужно взять 7,7 м такой проволоки. Наименьшим удельным сопротивлением обладает серебро. 1 Ом сопротивления можно получить, если взять 62,5 м серебряной проволоки сечением 1 мм 2 . Серебро – лучший проводник, но стоимость серебра исключает возможность его массового применения. После серебра в таблице идет медь: 1 м медной проволоки сечением 1 мм 2 обладает сопротивлением 0,0175 Ом. Чтобы получить сопротивление в 1 Ом, нужно взять 57 м такой проволоки.

Химически чистая, полученная путем рафинирования, медь нашла себе повсеместное применение в электротехнике для изготовления проводов, кабелей, обмоток электрических машин и аппаратов. Широко применяют также в качестве проводников алюминий и железо.

Сопротивление проводника можно определить по формуле:

где r – сопротивление проводника в омах; ρ – удельное сопротивление проводника; l – длина проводника в м; S – сечение проводника в мм 2 .

Пример 1. Определить сопротивление 200 м железной проволоки сечением 5 мм 2 .

Пример 2. Вычислить сопротивление 2 км алюминиевой проволоки сечением 2,5 мм 2 .

Из формулы сопротивления легко можно определить длину, удельное сопротивление и сечение проводника.

Пример 3. Для радиоприемника необходимо намотать сопротивление в 30 Ом из никелиновой проволоки сечением 0,21 мм 2 . Определить необходимую длину проволоки.

Пример 4. Определить сечение 20 м нихромовой проволоки, если сопротивление ее равно 25 Ом.

Пример 5. Проволока сечением 0,5 мм 2 и длиной 40 м имеет сопротивление 16 Ом. Определить материал проволоки.

Материал проводника характеризует его удельное сопротивление.

По таблице удельных сопротивлений находим, что таким сопротивлением обладает свинец.

Выше было указано, что сопротивление проводников зависит от температуры. Проделаем следующий опыт. Намотаем в виде спирали несколько метров тонкой металлической проволоки и включим эту спираль в цепь аккумулятора. Для измерения тока в цепь включаем амперметр. При нагревании спирали в пламени горелки можно заметить, что показания амперметра будут уменьшаться. Это показывает, что с нагревом сопротивление металлической проволоки увеличивается.