Проводниковые материалы

Электроэнергетический факультет
Кафедра электроснабжения и
эксплуатации электрооборудования
Учебная дисциплина
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ТЕМА № 2
Проводниковые материалы
ЛЕКЦИЯ № 2
Свойства проводниковых материалов
Учебные цели
1. Знать свойства и характеристики
меди и алюминия.
2. Знать свойства сверхпроводящих
проводников.
3. Знать свойства сплавов высокого
электрического сопротивления.
Учебные вопросы
Введение
1. Проводниковые медь и алюминий.
2. Сверхпроводящие проводники.
3. Сплавы высокого сопротивления.
Заключение
Список рекомендуемой литературы
1. Привалов Е.Е. Электроматериаловедение:
Пособие. СтГАУ, АГРУС, 2012. – 196с.
2. Привалов Е.Е. , Гальвас А.В.
Электротехнические материалы: Пособие.
СтГАУ, АГРУС, 2011. – 192с.
3. Привалов Е.Е. Электроматериаловедение:
Лабораторный практикум. Тесты. СтГАУ,
АГРУС, 2012. – 196с.
4. Справочники по ЭТМ в 3 томах /Под ред.
Ю.В. Корицкого – М.: Энергоатомиздат
Т.1,1986 – 308с.;Т.2,1987. – 296с.; Т.3,1988 –
728с.
Введение
Наиболее распространены металлы:
проводниковые материалы с высокой
проводимостью – медь и алюминий, а также их
сплавы (удельное сопротивление при Т = 200С
менее 0,1 мкОм м).
Классификации проводниковых материалов
по составу, свойствам и техническому назначению
показана на рисунке 1.
Рисунок 1 – Классификация проводниковых
материалов
1. Проводниковые медь и алюминий
Медь - основной проводниковый материал.
Основные достоинства меди :
1. Малое сопротивление ρ = 0,017241 мкОм∙м при
Т = 20о С.
2. Высокая механическая прочность.
3. Стойкость к коррозии (в условиях высокой
влажности окисляется на воздухе медленнее,
чем железо).
4. Интенсивное окисление меди происходит при
повышенных температурах (рисунок 2).
5. Хорошая обрабатываемость (легко
прокатывается ленты и протягивается в
проволоку).
6. Относительная легкость пайки и сварки.
Недостатки Сu:
1. Высокая стоимость.
2. Атмосферная коррозия с образованием окисных
и сульфидных пленок.
3. Влияние водорода на механические свойства
(водородная болезнь).
Рисунок 2 – Зависимость скорости окисления
проводников (U ) от температуры ( Т ) для
железа, вольфрама, меди, хрома и никеля
Производство Сu.
Производят путем переработки сульфидных
руд (плавка и обжиг с интенсивным дутьем) с
последующей электролитической очисткой от
примесей. Пластины Сu переплавляют в
стандартные болванки.
Выполняют прокатку и протяжку в типовую
электропроводку и изделия для ЭУ.
Отжиг Сu производят в печах без доступа
воздуха, чтобы избежать окисления. Влияние
отжига на свойства Сu показано рисунке 3.
Рисунок 3 – Зависимости предела прочности при
растяжении, относительного удлинения при
разрыве и удельного сопротивления Сu от
температуры отжига
Стандартная медь при Т = 20°С, имеет
удельные электрические:
• проводимость γ=58МОм/м;
•сопротивление ρ=0,017241мкОм∙м.
Марки Сu. Проводниковая медь - M1 и МО.
M1 содержит 99,90% Сu, а в общем количестве
примесей (0,1%) кислорода не более 0,08%.
Если более 0,1% кислорода, Сu разрушается
при обработке давлением.
Лучшими механическими свойствами
обладает марка МО (99,95% Сu и не более 0,05%
примесей - не свыше 0,02% кислорода).
Свойства Сu.
Медь чувствительна к примесям. Сильное
влияние на свойства меди оказывают примеси Be,
As, Fe, Si или Р, снижающие удельную
проводимость на 60%.
Присадки металлов повышают механическую
прочность и твердость Сu, как в холоднотянутом,
так и отожженном состояниях (рисунок 4).
Рисунок 4 – Зависимость предела прочности при
растяжении сплавов Сu в холоднотянутом (А) и
в отожженном (Б) состояниях от примесей
Из-за окисления медь непригодна для
слаботочных контактов автоматики ЭУ.
При размыкании контакта образуется
электрическая дуга и окись Cu диссоциирует,
открывая поверхность.
Происходит отслаивание и термическое
разложение окисной пленки, а также сильный
износ Cu контактов.
Медь применяют для изготовления элементов
электропроводки, обмоток трансформаторов,
электрических машин и т.п.
Медь твердая (МТ) обладает высокой
механической прочностью, твердостью и
сопротивляемостью к истиранию поверхности.
Из МТ изготавливают контактные провода,
коллекторные пластины электрических машин
постоянного тока.
Медь мягкая (ММ) обладает хорошей
гибкостью и пластичностью.
ММ применяют в качестве внутренней
проводки, монтажных проводов, шнуров.
Сравнение свойств алюминия и меди
Достоинства Al. Удельное сопротивление Al в 1,6
раза больше удельного сопротивления Cu, но Al в
3,5 раза легче Cu .
При одинаковых сопротивлении и длине Al
провода в 2 раза легче Cu, несмотря на большее
поперечное сечение. К тому же Al распространен в
природе и имеет меньшую стоимость.
Недостаток Al - низкая механическая прочность.
Отожженный Al в 3 раза менее прочен на разрыв,
чем отожженная Cu.
Из Al получают тонкую (6 - 7 мкм) фольгу
для обкладок в бумажных конденсаторах.
При Т = - 196°С по величине удельного
сопротивления Al почти сравнивается с Cu.
Поверхность Al окисляется и покрывается
прочной пленкой окиси с большим удельным
сопротивлением.
Пленка предохраняет Al от коррозии и создает
большое сопротивление в местах контакта Al
проводов, что делает невозможным пайку Al
обычными методами.
Для пайки Al применяют специальные пастыприпои и используют ультразвуковые паяльники.
Тонкая оксидная изоляция Al стойкая к нагреву и
прочная (катушки без дополнительной изоляции).
Недостатки оксидной изоляции - плохая
гибкость и гигроскопичность.
Защита от коррозии в местах контакта Al и
Cu обязательна (при увлажнении контакта
образуется гальваническая пара с большой ЭДС).
Полярность пары - на внешней поверхности
ток направлен от Al к Cu, поэтому Al разрушается
коррозией. Для защиты от коррозии контакты
покрывают лаками.
2. Сверхпроводящие металлы и сплавы
Известно, что если в кольце из сверхпроводника
индуцировать ток, то он долго не затухает.
Удельное сопротивление в сверхпроводящем
состоянии составляет 10-25 Ом∙м, что в 1017 раз
меньше сопротивления меди при 200С.
Явление сверхпроводимости.
У ряда ЭТМ при Т ≈ 0К наблюдается резкое
уменьшение удельного электрического
сопротивления. Это явление получило название
сверхпроводимости.
Физическая природа сверхпроводимости (СП).
Явление СП в веществах обосновано
квантовыми представлениями (теория СП
разработана в 1957г. американскими учеными
Бардиным, Купером и Шриффером - БКШ).
По теории БКШ явление СП возникает, когда
электроны попарно притягиваются друг к другу в
среде с (+) ионами в узлах кристаллической
решетки. Притягиваются только электроны,
которые находятся в зоне проводимости.
Электроны образуют в куперовские пары, где
решающую роль играет взаимодействие всех пар
электронов с фононами проводника.
Обменное фононное взаимодействие вызывает
силы притяжения между электронами, которые
превосходят силы кулоновского отталкивания.
Обмен фононами происходит непрерывно.
В упрощенном виде обменное фононное
взаимодействие проиллюстрировано схемой на
рисунке 7.
Рисунок 7 – Схема образования куперовских пар в
сверхпроводящем металле
Электрон 1 поляризует кристаллическую
решетку и притягивает к себе ближайшие ионы.
Электрон 2 притягиваться областью с
избыточным (+) зарядом. При взаимодействии с
кристаллической решеткой между электронами 1
и 2 возникают силы притяжения. Они становится
партнерами и образуют куперовскую пару.
Пары электронов образуют электронный
конденсат. Особенность пар - импульсная
упорядоченность.
При Т ≈ 0К , все пары электронов, которые не
обмениваются энергией с решеткой, скользят
сквозь нее без потерь.
Магнитные свойства. Особенность СП:
внешнее магнитное поле (МП) не проникает в
толщу проводника, затухая в тончайшем верхнем
слое. Силовые линии МП огибают СП, т.к. в
поверхностном слое, при внесении проводника в
поле, возникает особый круговой незатухающий
электрический ток.
Таким образом, СП это диамагнетики с
проницаемостью μ = 0 выталкиваются из МП.
Применяя эффект выталкивания из МП
можно удерживать грузы над землей или дает
возможность магниту скользить без трения над
кольцом из СП материала (скоростной поезд).
Сверхпроводящие материалы.
Известно, что СП обладают 26 металлов.
СП имеют Т ниже 4,0 К (-277,40С), поэтому их
применение в обычных ЭУ затруднено.
13 элементов проявляют такие свойства только
при высоких давлениях. Это полупроводники кремний, германий, селен.
СП не найдена у золота, меди и серебра (малое
сопротивление вызывает слабое взаимодействие
свободных электронов с кристаллической
решеткой).
СП нет в ЭТМ обладающих ферро- или
антиферромагнетизмом (железо, сталь).
Производство. Выпускают в виде проволоки и
ленты, из-за технологических трудностей, плохих
механических свойств, низкой теплопроводности
и сложной структуры.
В энергетике СП используют в качестве:
1. Индуктивных накопителей энергии для
покрытия пиковых мощностей в масштабах
крупных энергосистем страны.
2. Генераторов со СП обмотками возбуждения без
больших сердечников из стали (в 5 - 7 раз
меньше масса и габариты).
3. Мощных трансформаторов крупных
энергосистем (десятки-сотни мегаватт).
3. Сплавы высокого сопротивления (СВС)
СВС - материалы, у которых удельное
сопротивление ρ, в нормальных условиях,
составляют не менее 0,3 мкОм м.
Из СВС производят элементы образцовых
резисторов, электрических измерительных и
нагревательных приборов и устройств.
Проводники в электронагревательных
приборах должны длительно работать на воздухе
при температурах порядка 1000°С.
СВС на медной основе - манганин и константан.
Манганин - сплав на основе меди для
электроизмерительных приборов и образцовых
резисторов. Вытягивают в тонкую проволоку до
диаметра 0,02мм и ленту толщиной до 1мм и
шириной до 300мм.
Константан - сплав меди и никеля.
Протягивают в проволоку и прокатывают в ленту.
Изготавливают нагревательные элементы и
реостаты (рабочая температура не превышает 400
- 450°С).
Нихромы – нагревательные элементы
электрических печей, плиток и паяльников
(делают проволоку диаметром более 0,02мм).
Стойкость сплава к окислению на воздухе
при высоких температурах.
Срок службы нагревательного элемента
увеличивают, располагая спираль в инертной
среде, предохраняющую проводник от
механических воздействий и затрудняющую
доступ кислорода.
Сплавы для термопар
Применяют сплавы:
1. Копель (56% Сu и 44% Ni).
2. Алюмель (95% Ni, остаток - Al, Si и Мn).
3. Хромель (90% Ni и 10% Сг).
4. Платинородий (90% Pt и 10% Rh).
Термопары для измерения температуры:
• Платинородий - Pt до 1600°С;
• Сu - константан (Сu – копель) до 350°С;
• Fe - константан, Fe - копель (хромель – копель)
до 600°С;
•хромель - алюмель до 900 - 1000°С.
Из эксплуатируемых в ЭУ термопар
наибольшую термо - э. д. с. имеет термопара
«хромель – копель». Термопары устойчиво
работает в окислительной среде.
Причины нестабильной работы:
• загрязнения примесями из атмосферы;
• летучесть компонентов;
• резкие перегибы и деформации, которые вносят
внутренние напряжения и создают физическую
неоднородность.