Проводниковые материалы Твердыми проводниками электрического тока являются металлы, металлические сплавы и некоторые модификации углерода. Среди металлических проводников различают: материалы, обладающие высокой проводимостью, которые используют для изготовления проводов, кабелей; проводящих соединений в микросхемах, обмоток трансформаторов, волноводов и т. д.; металлы и сплавы, обладающие высоким сопротивлением, которые применяют для изготовления электронагревательных приборов, резисторов, реостатов ламп накаливания и т. д.
Свойства проводниковых материалов. Основными электрическими параметрами проводниковых материалов являются
- удельная проводимость (или обратная ей величина — удельное сопротивление)
- температурный коэффициент удельного сопротивления.
Механические свойства проводников характеризуются пределом прочности при растяжении и относительным удлинением при разрыве. Общеизвестны такие физические параметры, как плотность, температура плавления и т. д.
Электропроводность серебра и как ее используют
Удельное сопротивление р проводника, имеющего постоянное поперечное сечение S к длину l, определяют по формуле p=RS/l и выражают в омах на метр (Ом-м). Для измерения удельного сопротивления проводников пользуются внесистемной единицей Ом-мм2/м (S измерено в мм2, l — в м); 1 Ом-м=106 Ом-мм2/м. Дольная от системной единицы 1 мкОм-м = 1 Ом-мм2/м. Будем выражать удельное сопротивление проводников в мкОм-м, при этом сохранятся привычные численные значения р.
Температурный коэффициент удельного сопротивления показывает, как изменяется сопротивление, равное 1 Ом, при изменении температуры на один градус. Физические параметры полупроводниковых материалов приведены в табл. 1.
Темпера, тура плавления, °С
Удельное сопротивление,
Температурный коэффициент
удельного сопротивления.
Работа выхода,
Удельное сопротивление тонких металлических пленок (толщина которых соизмерима с длиной свободного пробега электрона) больше удельного сопротивления исходного металла и зависит от толщины и способа получения пленок. Оценивают проводящие свойства тонких пленок по удельному поверхностному сопротивлению (сопротивлению квадрата ), равному сопротивлению участка пленки, длина которого равна его ширине при прохождении тока через две его противоположные грани параллельно поверхности подложки Rп =рб/б,где Рб — удельное (объемное) сопротивление пленки . Удельное сопротивление сплавов больше удельного сопротивления исходных компонентов. Увеличение р происходит при введении в металл неметаллических примесей, а также при сплавлении двух металлов, образующих твердый раствор, в котором атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого.
Технические проводниковые материалы подразделяют на
- материалы высокой проводимости,
- металлы и сплавы различного назначения,
- сплавы высокого сопротивления,
- проводящие модификации углерода и материалы на их основе.
Материалы высокой электрической проводимости. К наиболее распространенным материалам высокой электрической проводимости относят медь и алюминий (см. табл. 1).
Температура плавления золота, серебра и других металлов — слушать
Медь обладает малым удельным сопротивлением, высокой механической прочностью, удовлетворительной стойкостью к коррозии, легко паяется, сваривается и хорошо обрабатывается, что позволяет прокатывать ее в листы, ленту и вытягивать в проволоку.
В качестве проводникового материала используется медь марок Ml и МО. В марке Ml содержится 99,9 % чистой меди, а в общем количестве примесей (0,1 %) кислород составляет до 0,08 %« Лучшими механическими свойствами обладает вторая марка, в которой содержится 99,95% меди, а в составе примесей (0,05%) имеется до 0,02 % кислорода.
Лучшая бескислородная медь содержит 99,97 % чистого вещества, а вакуумная (выплавленная в вакуумных индукционных печах) — 99,99. %. Твердотянутую медь, полученную методом холодной протяжки, используют, когда необходима высокая механическая прочность, а мягкую (отожженную) — когда важна гибкость, например для изготовления монтажных проводов и шнуров. Электровакуумная медь идет на изготовление деталей электронных приборов. Медь используется также для изготовления фольгированного гетинакса, а в микроэлектронике — для получения токопроводящих пленок на подложках, обеспечивающих соединение между функциональными элементами схемы. Наиболее употребительные марки обмоточных проводов приведены в табл. 2.
Марка провода
Характеристика изоляции
Диаметр провода, мм
Эмалевая лакостойкая
Эмалевая с одинарным и двойным винифлексовым покрытием
Эмалевая лакостойкая с одним сло
ем хлопчатобумажной обмотки
То же, но с двумя слоями хлопчатобумажной обмотки
То же, но с одним слоем шелковой обмотки
Эмалевая лакостойкая с двумя слоями шелковой обмотки
Эмалевая лакостойкая с одним слоем обмотки из капрона
Эмалевая лакостойкая с двумя слоями обмотки из капрона
Эмалевая лакостойкая с обмоткой из длинноволокнистой бумаги
Один слой хлопчатобумажной обмотки
Два слоя хлопчатобумажной обмотки
Бронза — сплав меди с небольшим количеством олова, кремния, фосфора, хрома, кадмия или других материалов, обладающий более высокими механическими свойствами, чем медь. Широко применяется для изготовления токопроводящих пружин. Латунь — сплав меди с цинком и другими добавками, обладающий большим относительным удлинением, что важно при обработке штамповкой и глубокой вытяжке. Применяется для изготовления различных токопроводящих деталей.
Состав и свойства некоторых медных электротехнических сплаWow приведены в табл. 3.Таблица 3
Удельная проводимость, % к меди
Предел прочности, МПа
Относительное удлинение при разрыве, %
Кадмиевая бронза (0,9 % Cd)
Бронза (0,8 % Cd; 0,6 %
55 — 60 50—55
290 До 730
Фосфористая бронза (7 % Sn; 0,1 % Р)
Латунь (70 % Си; 30 % Zn)
Алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди. Для электротехнических целей используют алюминий технической чистоты АЕ, содержащий до 0,5 % примесей. Проволока, изготовленная из алю« миния АЕ и отожженная при температуре 350 °С, обладает удельным сопротивлением 0,028 мкОм*м. Алюминий высокой чистоты А97 (примесей до 0,03 %) используется для изготовления тонкой (до 6 мкм) фольги, электродов и корпусов электролитических конденсаторов.
Альдрей — сплав алюминия с магнием (0,3 — 0,5 %), кремнием (0,4 — 0,7%). и железом (0,2 — 0,3 %). Сохраняет легкость чистого алюминия (плотность 2,7 Мг/м3), обладает близким к нему удельным сопротивлением (0,0317 мкОм-м) и высокой (близкой к твердотянутой меди) механической прочностью.
Металлы и сплавы различного назначения. Ниже рассматривая ются металлы и сплавы, применяющиеся в электротехнике и радиоэлектронике. Исходя из температуры плавления, общности характеристик и области применения, различают тугоплавкие и благородные металлы, металлы со средней и низкой температурой плавления, припои и флюсы.
Тугоплавкие металлы обладают температурой плавления выше 1700 °С, химически устойчивы при низких и активны при высоких температурах, поэтому при повышенных температурах эксплуатируются в вакууме или атмосфере инертных газов. Тугоплавкими являются такие металлы, как вольфрам, молибден, тантал, ниобий, хром, ванадий, титан, цирконий. Основные физические свойства некоторых из них были приведены в табл. 1. Тугоплавкие металлы используются для изготовления нитей ламп накаливания, электродо в электронных ламп, пленочных резисторов в микросхемах, контактов, обладающих высокой устойчивостью к эрозии (электроизносу) и образованию электрической дуги. Помимо чистых тугоплавких металлов в электровакуумной технике для арматуры приборов применяют сплавы W+Mo, Mo+Re, Ta+Nb, Ta+W и др., обладающие требуемыми пластичностью, электрическими и термическими свойствами.
К благородным металлам относятнаиболее химически стойкие металлы (золото, серебро, платину).
Золото обладает высокой пластичностью (предел прочности при растяжении 150 МПа, относительное удлинение при разрыве около 40%) и используется в электронной технике для нанесения коррозионно-устойчивых покрытий на резонаторы СВЧ, внутренние поверхности волноводов, электроды ламп и др. Основные параметры золота были приведены в табл. 1.
Серебро — стойкий против окисления металл (при нормальной температуре), обладающий наименьшим удельным сопротивлением (см. табл. 1). Используется для изготовления электродов и контактов на небольшие токи, для непосредственного нанесения на диэлектрики, внутренние поверхности волноводов, а также в производстве керамических и слюдяных конденсаторов.
Платина — очень стойкий к химическим реагентам металл, хорошо поддается механический обработке, пластичен. Основные параметры плагины были приведены в табл. 1. Применяется для изготовления термопар, подвесок, подвижных систем электрометров и контактных сплавов.
Металлы со средним значением температуры плавления (железо, никель, кобальт), обладающие повышенным температурным коэффициентом удельного сопротивления (в 1,5 раза выше меди), ферромагнитны.
Железо (сталь) — наиболее дешевый металл, обладающий высокой механической прочностью и относительно высоким (по сравнению с медью) удельным сопротивлением (около 0,1 мкОм-м). Удельное сопротивление стали, содержащей примеси углерода и других элементов, возрастает
В качестве проводникового материала используется мягкая сталь, содержащая- 0,1 — 0,15 % углерода, имеющая предел прочности при растяжении 700 — 750 МПа, относительное удлинение при разрыве 5 — 8 % и удельную проводимость в 6 — 7 раз меньшую, чем меди. Основные параметры железа были приведены в табл. 1. Железо используют для изготовления корпусов электронных приборов, работающих при температуре до 500°С, при которой газовыделение невелико. Из алюминированного железа (покрытого тонкой пленкой алюминия) изготовляют аноды, экраны и другие детали электронных ламп.
Никель обладает плотностью, равной плотности меди, легко поддается механической обработке, устойчив к окислению. Основные свойства никеля были приведены в табл. 1. Применяется для изготовления арматуры электронных ламп, нагревательных элементов, в качестве компонента магнитных и проводниковых сплавов и защитных покрытий изделий из железа.
Сплавы для электровакуумных приборов созданы на основе металлов со средними значениями температуры плавления. Обладают такими температурными коэффициентами линейного расширения а1, при которых возможно сопряжение стекла с металлическими конструкциями электронных приборов.
Инвар Н-36 — сплав железа с 36 % никеля, обладает очень малым аг~10-6К-1 в диапазоне температуры от — 100 до + 100 °С, Платинит Н-47 — сплав железа с 47% никеля. Ковар — сплав железа с 29% никеля и 17% кобальта, обладает малым аi=4,8*10-6К-1 и примерно в 2 раза меньшим, чем инвар, удельным сопротивлением. Температура плавления 1450°С. Рассмотренные сплавы применяются для изготовления токоотводов электронных ламп, проходящих через стеклянные элементы.
Металлы с низкой (менее 500 °С) температурой плавления.
Свинец — мягкий, пластичный металл, обладающий невысокой прочностью (предел прочности при растяжении 16 МПа, относительное удлинение при разрыве 55 %), не стоек к вибрации; устойчив к действию воды, серной и соляной кислот и других реагентов; подвержен действию азотной и уксусной кислот, извести и гниющих органических веществ. Основные свойства свинца были приведены в табл. 1. Свинец и его сплавы используют для изготовления защитных (от влаги) оболочек кабелей, плавких вставок предохранителей, пластин кислотных аккумуляторов и в качестве материала, поглощающего рентгеновское излучение. Свинец и его соединения ядовиты.
Олово — мягкий, тягучий металл, не подвержен влиянию влаги, не окисляется на воздухе, разведенные кислоты действуют на него очень медленно. Основные свойства олова были приведены в табл. 1. Применяется в качестве защитных покрытий металлов (лужение), с примесью 15% свинца и 1% сурьмы — для получения оловянной фольги в производстве конденсаторов, входит в состав бронз и сплавов для пайки,
Ртуть — жидкий, химически стойкий металл, слабо взаимодействует с водородом и. азотом. Платина, серебро, золото, щелочные и щелочноземельные металлы, цинк, олово и алюминий растворяются в ртути, образуя амальгамы. Нерастворимы в ртути вольфрам, железо, тантал; слабо растворимы медь и никель. Ртуть и ее соединения очень ядовиты.
Основные свойства ртути были приведены в табл. 1. Ртуть применяется в качестве жидкого катода в ртутных выпрямителях, газоразрядных приборах, лампах дневного света и др.
Припои представляют собой специальные сплавы, используемые при пайке. Обычно припой имеет более низкую температуру плавления, чем соединяемые металлы. Различают мягкие и твердые припои с температурой плавления ТПЛ соответственно до 300 и более 300 °С.
Источник: audioakustika.ru
Раздел 2 Проводниковые материалы
Тема 2.1 Электротехнические характеристики проводниковых материалов «Проводниковые материалы высокой проводимости»
Металлические проводниковые материалы имеют поликристаллическое строение, т. е. состоят из множества мелких кристалликов. Большинство металлических проводников (серебро, медь, алюминий и др.) обладают большой проводимостью, т. е. малым удельным электрическим сопротивлением р = 0,0150÷0,0283 мкОм-м (1 мкОм·м=1 Ом-мм 2 /м). Это преимущественно чистые металлы, применяемые для изготовления проводов и кабелей. Наряду с проводниками большой проводимости требуются также проводниковые материалы, обладающие большим удельным сопротивлением р = 0,4÷2,0 мкОм·м, необходимые для изготовления образцовых резисторов, нагревательных приборов и др. Все металлические проводниковые материалы обладают электронной электропроводностью, т. е. ток проводимости в них представляет собой направленное перемещение свободных электронов.
С ростом температуры электрическое сопротивление металлических проводников возрастает. Это объясняется тем, что с ростом температуры тепловые колебания атомов проводника становятся более интенсивными. Электроны, перемещаясь, все чаще сталкиваются с атомами, встречая сопротивление. В силу этого температурный коэффициент удельного сопротивления всех проводников больше нуля.
Важнейшие проводниковые материалы большой проводимости — медь, бронза, алюминий.
Проводниковая медь — это очищенный от различных примесей металл красновато-оранжевого цвета, имеющий температуру плавления 1083 °С и температурный коэффициент линейного расширения 1,64÷10 -5 1/°С. Медь обладает хорошими механическими свойствами и пластичностью, что позволяет получить из нее проволоку диаметром до 0,01—0,02 мм, а также тонкие ленты. Проводниковая медь очень устойчива к атмосферной коррозии, чему способствует тонкий слой оксида (СuО), которым она покрывается на воздухе. Защитный слой оксида препятствует дальнейшему проникновению кислорода воздуха в медь.
Основные характеристики изделий из мягкой меди следующие: плотность 8900 кг/м 3 ; предел прочности при растяжении σР = 200÷239 МПа; относительное удлинение ер = 6÷35 %; ρ= 0,0172÷0,01724 мкОм·м, а из твердой — плотность 8960 кг/м 3 ; σр = 355÷408 МПа; ер = 0,5÷2 %; ρ= 0,0177÷0,0180 мкОм·м.
Проволока меньшего диаметра обладает большим разрушающим напряжением при растяжении и большим удельным электрическим сопротивлением. Провода очень малого диаметра (0,01 мм) и предназначенные для работы при повышенных температурах (выше 200 °С) изготовляют из проволоки из бескислородной меди, отличающейся наивысшей чистотой. Все марки меди имеют температурный коэффициент удельного сопротивления ТКρ= 0,0043 1/°С.
Бронзы — сплавы на основе меди, отличающиеся малой объемной усадкой (0,6—0,8 %) при литье (объемная усадка стали и чугуна 1,5—2,5 %).
Основные типы бронз представляют собой сплавы меди с оловом (оловянные бронзы), алюминием (алюминиевые), бериллием (бериллиевые) и другими легирующими элементами. Марки бронз обозначают буквами Бр. (бронза), за которыми следуют буквы и цифры, указывающие, какие легирующие элементы, и в каком количестве содержатся в данной бронзе.
Бронзы легко обрабатываются резанием, давлением и хорошо паяются. Ленты и проволоки из них служат для изготовления пружинящих контактов, токопроводящих пружин и других токопроводящих и конструкционных деталей.
Для упрочнения бронзовые детали термообрабатывают: закаляют, а затем отпускают при оптимальных температурах.
В отношении электропроводности бронзы уступают меди, но превосходят ее по механической прочности, упругости, сопротивлению истиранию и коррозионной стойкости.
Из проводниковых бронз изготовляют провода для линий электрического транспорта, пластины для коллекторов электрических машин, токопроводящие пружины и контактные упругие детали для электрических приборов.
Алюминий благодаря его сравнительно большой проводимости и стойкости к атмосферной коррозии является вторым после меди проводниковым материалом. Алюминий относится к группе легких металлов, поскольку его плотность равна 2700 кг/м 3 , т. е он в 3,3 раза легче меди. Алюминий — металл серебристо-белого цвета, имеет температуру плавления 658 °С, малую твердость и сравнительно небольшую механическую прочность при растяжении σр = 90÷147 МПа. Кроме того, обладает более высоким, чем медь, увеличенным коэффициентом температурного расширения (24·10 -6 °С), что является его недостатком.
На воздухе алюминий очень быстро покрывается тонкой пленкой оксида (А12Оз), который надежно защищает его от проникновения кислорода воздуха. Так как эта пленка обладает значительным электрическим сопротивлением, то в плохо зачищенных местах соединений алюминиевых проводов могут быть большие переходные сопротивления.
При увлажнении мест соединений алюминиевых проводов с проводами из других металлов могут образовываться гальванические пары. При этом алюминиевые провода разрушаются возникающими местными гальваническими токами. Чтобы избежать образования гальванических пар, места соединений тщательно зачищают от влаги (например, лакированием). Чем выше химическая чистота алюминия, тем лучше он сопротивляется коррозии.
Отечественной промышленностью выпускается проводниковый алюминий различной степени чистоты 13 марок. В марках алюминия высокой чистоты примесей (железо, кремний, цинк, титан и медь) содержится не более 0,005 %. Из такого алюминия изготовляют электроды электролитических конденсаторов, а также алюминиевую фольгу. Проволоку для проводов изготовляют из алюминия, содержащего не более 0,3 и 0,5 % (марки А7Е и А5Е). Выпускаются мягкая (AM), полутвердая (АПТ) и твердая (AT) алюминиевая проволока диаметром от 0,08 до 10 мм и шины прямоугольного сечения.
Изделия из мягкого алюминия имеют следующие основные характеристики: σр = 70÷100 МПа; ер = = 10÷25 %; ρ = 0,028 мкОм·м; из полутвердого алюминия — σр — 90÷140 МПа; ер≈3%; ρ —0,0283 мкОм·м, а из твердого — σр = 100 ÷180 МПа; ер==0,5÷2%; ρ = 0,0283 мкОм ·м. Температурный коэффициент удельного сопротивления всех марок алюминия принимают равным 0,00423 1/°С.
Алюминиевые провода и токопроводящие детали можно соединять друг с другом горячей или холодной сваркой, а также пайкой, но с применением специальных припоев и флюсов. Холодную сварку производят в специальных устройствах, в которых зачищенные поверхности алюминиевых деталей соприкасаются друг с другом при давлении примерно 1000 МПа. При этом происходит диффузия кристаллов одной из соединяемых деталей в другую, в результате чего они надежно соединяются. Листовой алюминий широко применяют для экранов.
Длительно допустимая температура проводникового алюминия при использовании его на воздухе не должна превышать 300 °С.
Серебро относится к группе благородных металлов, не окисляющихся на воздухе при комнатной температуре. Интенсивное окисление серебра начинается при температуре выше 200 °С. Как и все благородные металлы, серебро отличается высокой пластичностью, позволяющей получать фольгу и проволоку диаметром до 0,01 мм. Кроме того, серебро обладает наивысшей проводимостью.
Основные характеристики проводникового серебра следующие: плотность 10 500 кг/м 3 , температура плавления 960,5 °С, КТР= 19,3 -10 — 6 1/°С, т. е. немного больше, чем у меди; изделий из мягкого серебра — σр= 150÷180 МПа, ep = 45÷50 %, ρ = 0,015 мкОм-м, а из твердого серебра — σр = 203 МПа, ер = 46 %, р = 0,0160 мкОм-м, ТКρ= 0,00369 1/°С.
По сравнению с медью и алюминием серебро применяют ограниченно в сплавах с медью, никелем или кадмием — для контактов в реле и в других приборах на небольшие токи, а также в припоях ПСр 10, ПСр 25 и др.
Вольфрам относится к группе тугоплавких металлов и широко применяется в электротехническом производстве в качестве износостойкого материала для электрических контактов и деталей в электровакуумных приборах (нити ламп накаливания, электроды и др.).
Вольфрам — металл серого цвета, обладающий очень высокой температурой плавления и большой твердостью, получают методом порошковой металлургии. Для этого из частиц вольфрама (порошка) прессованием в стальных пресс-формах получают заготовки — стержни, которые подвергают спеканию при 1300 °С.
Спеченные вольфрамовые стержни имеют еще зернистое строение и хрупки, поэтому их нагревают до 3000 °С. Для получения механически прочного металла стержни подвергают многократной ковке и волочению с перемежающимися периодами отжига. В результате такой обработки вольфрам приобретает волокнистое строение, обеспечивающее ему высокую механическую прочность и пластичность.
Из вольфрама изготовляют проволоку диаметром до 0,01 мм. Окисление вольфрама на воздухе начинается при температуре от 400 °С и выше. В вакууме вольфрамовые детали могут работать при температуре до 2000 °С.
Основные характеристики вольфрама следующие: плотность 19 300 кг/м 3 , температура плавления 3380 °С; изделий из отожженного вольфрама — σр = 380÷500 МПа, ρ = 0,055 мкОм-м, а изделий из твердого вольфрама — σр≈1800 МПа; ρ = 0,0612 мкОм-м. Температурный коэффициент сопротивления ТКρ = = 0,0046 1/°С.
Ста л е а л ю м и н и е в ы й провод, широко применяемый в линиях электропередачи, представляет собой сердечник, свитый из стальных жил и обвитый снаружи алюминиевой проволокой. В проводах такого типа механическая прочность определяется главным образом стальным сердечником, а электрическая проводимость — алюминием. Увеличенный наружный диаметр сталеалюминевого, провода по сравнению с медным на линиях передачи высокого напряжения является преимуществом, так как уменьшает опасность возникновения короны вследствие снижения напряженности электрического поля на поверхности провода.
Железо (сталь) как наиболее дешевый и доступный металл, обладающий к тому же высокой механической прочностью, представляет большой интерес для использования в качестве проводникового материала. Однако даже чистое железо имеет значительно более высокое сравнительно с медью и алюминием удельное сопротивление ρ (порядка 0,1 мкОм-м).
Сталь как проводниковый материал используется также в виде шин, рельсов трамваев, электрических железных дорог (включая «третий рельс» метро) и пр.
Обычная сталь обладает малой стойкостью коррозии: даже при нормальной температуре, особенно в условиях повышенной влажности, она быстро ржавеет; при повышении температуры скорость коррозии резко возрастает,поэтому стальные провода должны быть защищены с поверхности слоем более стойкого материала. Обычно для этой цели применяют покрытие цинком. Непрерывность слоя цинка проверяется опусканием образца провода в 20%-ный раствор медного купороса; при этом на обнаженной стали в местах дефектов оцинковки откладывается медь в виде красных пятен, заметных на общем сероватом фоне оцинкованной поверхности провода. Железо имеет высокий температурный коэффициент удельного сопротивления . Поэтому тонкую железную проволоку, помещенную для защиты от окисления в баллон, заполненный водородом или иным химически неактивным газом, можно применять в бареттерах,
т.е. в приборах, использующих зависимость сопротивления от силы тока, нагревающего помещенную в них проволочку для целей поддержания постоянства силы тока при колебаниях напряжения.
Биметалл. В ряде случаев для уменьшения расхода цветных металлов в проводниковых конструкциях выгодно применять так называемый проводниковый биметалл (не смешивать с термическим биметаллом). Это сталь, покрытая снаружи слоем меди, причем оба металла соединены друг с другом прочно и непрерывно по всей поверхности их соприкосновения.
Для изготовления биметалла применяют два способа: горячий (стальную болванку ставят в форму, а промежуток между болванкой и стенками формы заливают расплавленной медью; полученную после охлаждения биметаллическую болванку подвергают прокатке и протяжке) и холодный, или электролитический (медь осаждают электролитически на стальную проволоку, пропускаемую через ванну с раствором медного купороса). Холодный способ обеспечивает большую равномерность толщины медного покрытия, но требует значительного расхода электроэнергии; кроме того, при холодном способе не обеспечивается столь прочное сцепление слоя меди со сталью, как при горячем способе.
Такую проволоку применяют для линий связи, линий электропередачи и т. п. Из проводникового биметалла изготовляются шины для распределительных устройств, полосы для рубильников и различные токопроводящие части электрических аппаратов.
Источник: studfile.net