166372 (Класифікація та основні властивості провідникових матеріалів), страница 2

k – постійна Больцмана; е – заряд електрона.

Якщо температура «зпаїв» однакова, то сума різниці потенціалів в замкнутому колі дорівнює нулю. Якщо «зпаї» мають різну температуру Т₁ та Т₂ то між ними виникає термоелектрорушійна сила (термо-е.р.с.).

або U = ψ (T₁ – T₂), де ψ – стала для даної пари провідників – коефіцієнт термо-е.р.с.

Термо-е.р.с. – пропорційна різниці температур зпаїв. Термопари використовують для вимірювання температури, при цьому використовуються провідники, які мають високий та стабільний коефіцієнт термо-е.р.с.

Навпаки, обмотки вимірювальних приладів та резисторів виконують з провідників з якомога меншим коефіцієнтом термо-е.р.с.

Температурний коефіцієнт лінійного розширення провідників

Цей коефіцієнт визначається за відомою вже формулою:

Він є необхідним для аналізу роботи різних спряжених матеріалів у тій або іншій конструкції (порушення герметичності та погіршення якості з’єднання провідників з напівпровідниками та діелектриками). Він також є необхідним для розрахунку температурного коефіцієнта електричного опору дроту.

ТК_R = α_R =α_ρ – α_l

Для чистих металів α_l << α _ρ і для них α_R ≈ α _ρ, однак для сплавів формула має практичне значення. Значення α_l металів зростає при підвищенні температури і наближенні її до температури плавлення. Як правило, при нормальній температурі легкоплавкі метали мають відносно високі значення α_l, а тугоплавкі – відносно низькі.

Механічні властивості провідників характеризують:

міцністю при розтягуванні σ_р;

відносним подовженням перед розривом ∆ℓ/ℓ;

крихкістю;

твердістю.

Механічні властивості металевих провідників в

більшій степені залежать від механічної та термічної їх обробки, від наявності в них домішок тощо. Вплив відпалювання приводить до суттєвого зменшення σ_р та зростання ∆ℓ/ℓ.

Прості матеріали високої провідності та їх сплави

До матеріалів високої провідності відносяться мідь, алюміній, срібло, золото, платина, з них найбільш розповсюдженими в радіоелектронній та електротехнічній апаратурі є мідь та алюміній.

Мідь: метал жовто-червоного кольору.

Переваги міді:

Найменший, після срібла, питомий опір, ρ = 0,017 [мк Ом ּм];

достатньо висока механічна міцність;

задовільна стійкість до корозії (інтенсивне окислення відбувається тільки при підвищених температурах);

висока технологічність в обробці (з міді прокатуються листи, стрічки і протягуються дроти товщиною долів міліметра);

відносна легкість пайки та зварювання.

Отримання міді: здійснюється шляхом переробки сульфідних руд. Після декількох плавок руди та відпалювань з інтенсивним обдуванням, мідь очищують електролітичним шляхом. Отримані при цьому катодні пластини переплавляють в заготовки масою 80–90 [кг], які прокатують та протягують до необхідного поперечного перерізу. Для виготовлення дроту, спочатку шляхом гарячого прокатування, виготовляють «катанку» діаметром 6,5÷7,2 [мм], яку протравлюють в слабкому розчині сірчаної кислоти для зняття з її поверхні оксиду міді СuO, що виникає при нагріванні, а потім протягують без підігріву в проволоку потрібного діаметру до 0,03÷0,02 [мм].

Марки міді:

В якості провідникового матеріалу використовують мідь марок М1 та М0.

Склад міді:

марки М0 – 99,95% міді (Cu), 0,05% домішок, в яких кисень не повинен перевищувати 0,02%;

марки М1 – 99,9% міді (Cu), 0,1% домішок, в яких кисень не повинен перевищувати 0,08%. Присутність кисню погіршує механічні властивості міді.

При холодному протягуванні отримують тверду мідь (МТ), яка має високу межу міцності при розтягуванні, мале подовження перед розривом, твердість та пружність при вигинанні. Дріт з твердої міді здатний пружинити.

При випалюванні міді (здійснюється її підігрів до декількох сотень градусів з наступним охолодженням) отримують м’яку мідь (ММ). Відпалювання міді виконують в спеціальних печах без доступу повітря, з метою уникнення процесу окислення. М’яка мідь характеризується пластичністю, малими твердістю та міцністю, але для неї є характерним велике подовження перед розривом та більш високу питому провідність.

Сплави міді з оловом, кремнієм, фосфором, берилієм, хромом, магнієм, кадмієм – називаються бронзами. Бронзи мають більш кращі механічні властивості ніж чиста мідь. Бронзу використовують для створення пружинних контактів. Введення в мідь кадмію значно підвищує її міцність та твердість, при незначному зменшенні питомої провідності. Кадмієву бронзу використовують для виготовлення колекторних пластин. Ще більшою міцністю володіє берилієва бронза.

Сплав міді з цинком носить назву латуні, яка характеризується достатньо високим відносним подовженням при підвищеній, у порівнянні з чистою міддю, межі міцності при розтягуванні. Деталі з латуні, більш краще ніж з міді штампуються та витягуються.

Алюміній – другий за значенням після міді провідниковий матеріал. Відноситься до легких металів (питома щільність алюмінію становить 2,6 [Мг/м³], а прокатаного 2,7 [Мг/м³]). Алюміній в 3,5 рази легший ніж мідь. Температурний коефіцієнт розширення, питома теплоємність та теплота плавлення алюмінію більші ніж у міді, а температура плавлення навпаки менше. Алюміній має нижчі в порівнянні з міддю механічні та електричні характеристики. Його питомий опір ρ=0,028 [мкОм·м] в 1,63 рази більший ніж у міді ρ=0,0172 [мкОм·м]. Тому поперечний переріз дроту з алюмінію повинен бути в 1,63 рази більший, ніж у дроту з міді, для забезпечення однакового з ним електричного опору, тобто діаметр алюмінієвого дроту повинен бути в рази більший ніж у мідного. Тому якщо в конструкції існують габаритні обмеження, краще застосовувати мідний дріт. Однак при однакових довжині та електричному опорі алюмінієвий дріт в 2 рази легший за мідний. Тому для виготовлення дротів однієї і тієї ж провідності при даній довжині, алюміній буде вигідніше міді в тому випадку, якщо тонна алюмінію дорожче тонни міді не більше ніж у два рази. Алюміній менш дефіцитний за мідь.

В електротехніці використовують алюміній марки А1, що містить ≤ 5% домішок. Для виготовлення алюмінієвої фольги, електродів та корпусів оксидних конденсаторів, використовують алюміній марки АВОО кількість домішок в якому ≤0,03%. Алюміній марки АВОООО містить домішок ≤ 0,004%. Наявність домішок зменшує питому електричну провідність алюмінію. Прокатування, протягування та відпалювання алюмінію аналогічні операціям над міддю. З алюмінію є можливість, прокатуванням, отримати фольгу товщиною 6÷7 [мкм], яка використовується в якості електродів паперових та плівкових конденсаторів.

Алюміній активно окислюється, вкриваючись тонкою оксидною плівкою, з великим електричним опором. Ця плівка захищає алюміній від подальшої корозії, але створює великий перехідний опір в місцях контакту алюмінієвих дротів і унеможливлює пайку алюмінію звичайними методами. Для пайки алюмінію використовують спеціальні пасти – припої або ультразвукові паяльники. В місці з’єднання алюмінію та міді виникає гальванічна корозія. У разі зіткнення місця контакту з вологою, виникає місцева гальванічна пара з доволі високим значенням ЕРС, причому полярність цієї пари є такою, що на зовнішній поверхні контакту струм протікає від алюмінію до міді, в результаті чого алюміній піддається значній корозії. Тому місця з’єднання мідних провідників з алюмінієвими повинні бути якісно захищені від вологи.

Алюмінієві сплави – мають підвищену механічну міцність.

Альдрей: 0,3÷0,5% магнію (Мg), 0,4÷0,7% кремнію (Si), 0,2÷0,3% заліза (Fe), решта алюміній (Аl). Високі механічні якості альдрей отримує після особливої обробки (закалювання катанки – охолодження у воді при температурі 510÷550⁰С, волочіння та витримка при температурі близько 150 ⁰С). В альдреї утворюються з’єднання Мg₂Si, яке забезпечує високі механічні властивості сплаву. У вигляді дроту альдрей має:

щільність – 2,7 [Мг/м³];

межу міцності при розтягуванні – σ_ρ = 350 [Мпа];

відносне подовження перед розривом – ∆ℓ/ℓ=6,5%;

температурний коефіцієнт лінійного розширення провідника – α_L=23·10^–6 [K ^–1];

питомий опір – ρ = 0,0317 [мк Ом ·м];

температурний коефіцієнт питомого опору – α_ρ= 0,0036 [K ^–1].

Альдрей є легшим за алюміній та близьким до нього за питомим опором, при цьому за механічними властивостями він більш наближений до твердотягнутої міді.

Сталеалюмінієвий дріт – широко використовується в електротехніці для побудови ліній електропередач. Це скручений стальний дріт з алюмінієвими жилами. Механічні властивості забезпечує сталь, а електричні алюміній. В цьому дроті, при високих напругах, небезпека виникнення коронного розряду є меншою ніж у мідному, завдяки меншій величині напруженості електричного поля на його поверхні, яка визначається більшим зовнішнім діаметром.

Залізо (сталь) – найбільш дешевий та доступний провідний матеріал, з високою механічною міцністю, однак навіть чисте залізо у порівнянні з міддю та алюмінієм характеризується великим питомим опором ρ = 0,1 [мкОм ·м]. У сталі за рахунок вуглецю опір є ще більшим. У якості провідникового матеріалу, як правило застосовують м’яку сталь із вмістом вуглецю 0,1÷0,15%. Для неї є характерними наступні параметри:

межа міцності при розтягуванні – σ_ρ=700÷750 [Мпа];

відносне подовження перед розривом – ∆ℓ/ℓ=5÷8%;

питома провідність (_γ) в 6–7 разів менша ніж у міді.

Сталь використовують для виготовлення проводів повітряних ліній, з метою передачі невеликих потужностей. При малій силі струму, товщина визначається не його опором, а механічною стійкістю. Сталь не стійка до корозії тому її покривають цинком. Залізо має високий температурний коефіцієнт питомого ТКρ тому тонку проволоку розміщують в балоні з воднем від окислення і використовують для стабілізації струму (Баретер). Крім того залізо використовують для виготовлення токоведучих рельсів.