Электрические проводники играют ключевую роль в современной электротехнике, обеспечивая надежную передачу электрического тока в различных устройствах и системах. От древних времен, когда металлическая проволока использовалась исключительно для механических целей, до сегодняшнего дня, когда она стала неотъемлемой частью электрических сетей, материалы для проводников претерпели значительные изменения.
В этой статье мы рассмотрим основные типы проводниковых материалов, такие как медь и алюминий, их свойства, а также применение в электроустановках. Познакомимся с историей развития проводников и узнаем, какие факторы влияют на их электропроводность.
Что такое проводник
Проводник представляет собой электрический материал, предназначенный для проведения тока. Проводники широко используются для изготовления различных элементов электрических устройств, токопроводящих жил проводов и кабелей.
Из глубокой древности дошло до нас изготовление металлической проволоки. Тысячу лет назад (в X в.) научились протягивать ее через глазок — отверстие в волочильной доске. Но проволока долго служила лишь для механических целей.
В ней ценили прочность. Но лет 350 назад, когда начали изучать электрические явления, у металлической проволоки обнаружилось новое замечательное свойство — способность проводить электрические заряды. Так, в руках человека проволока стала электрическим проводом. Оказалось, что среди металлов особенно хорошей электропроводностью отличаются медь и алюминий (не считая драгоценных металлов).
Современные электрические провода и кабели делаются из очень чистой меди — до 99,93%, так как примеси увеличивают сопротивление току. Алюминий проводит ток несколько хуже. Поэтому провода из него приходится делать толще медных (при одинаковой величине тока).
Кстати, который из этих проводов окажется тяжелее: медный или алюминиевый?
Решим небольшую задачу. Удельное сопротивление меди 0,017, а алюминия 0,029. Значит, алюминий проводит ток в 1,7 раза хуже меди и во столько же раз провода из него приходится делать толще. Зато удельный вес меди 8,9 г/см3, а алюминия всего 2,7 г/см3 — в 3,3 раза меньше. Значит, алюминиевый провод, несмотря на свою большую толщину, все-таки будет в 3,3:2,7 — почти в 2 раза легче медного.
Проводниковые материалы в электроустановках
Классификация полупроводниковых материалов
Итак, в качестве токопроводящих частей в электроустановках применяют проводники из меди, алюминия, их сплавов и железа (стали).
Медь является одним из лучших токопроводящих материалов. Плотность меди при 20°С 8,95 г/см3, температура плавления 1083° С. Медь химически мало активна, но легко растворяется в азотной кислоте, а в разбавленной соляной и серной кислотах растворяется только в присутствии окислителей (кислорода). На воздухе медь быстро покрывается тонким слоем окиси темного цвета, но это окисление не проникает в глубь металла и служит защитой от дальнейшей коррозии. Медь хорошо поддается ковке и прокатке без нагрева.
Для изготовления электрических проводников применяется электролитическая медь в слитках, содержащих 99,93% чистой меди.
Электролитическая медь, благодаря своей высокой чистоте, обеспечивает отличную электропроводность и минимальное сопротивление, что делает её идеальной для использования в качестве материала для проводников. Кроме того, медь обладает хорошей теплопроводностью, что позволяет эффективно отводить тепло, возникающее при прохождении электрического тока.
Медные шины с трансформаторами тока в распределительном устройстве
Электропроводность меди сильно зависит от количества и рода примесей и в меньшей степени от механической и термической обработки. Удельное сопротивление меди при 20° С составляет 0,0172—0,018 ом х мм2/м.
Для изготовления проводников применяют мягкую, полутвердую или твердую медь с удельным весом соответственно 8,9, 8,95 и 8,96 г/см3.
Для изготовления деталей токоведущих частей широко используется медь в сплавах с другими металлами. Наибольшее применение получили следующие сплавы.
Латуни - сплав меди с цинком, с содержанием в сплаве не менее 50% меди, с присадкой других металлов. Удельное сопротивление латуни 0,031 - 0,079 ом х мм2/м. Различают латунь - томпак с содержанием меди более 72% (обладает высокой пластичностью, антикоррозионным и антифрикционными свойствами) и специальные латуни с присадкой алюминия, олова, свинца или марганца.
Латуни, обогащенные присадками, приобретают уникальные свойства, делающие их пригодными для специфических применений. Например, добавление алюминия увеличивает коррозионную стойкость и прочность, олово улучшает антикоррозионные свойства, свинец обеспечивает лучшую обрабатываемость, а марганец повышает прочность и износостойкость.
Бронзы - сплав меди с оловом с присадкой различных металлов. В зависимости от содержания в сплаве главного компонента бронзы называют оловянистыми, алюминиевыми, кремниевыми, фосфористыми, кадмиевыми. Удельное сопротивление бронзы 0,021 - 0,052 ом х мм2/м.
Латуни и бронзы отличаются хорошими механическими и физико-химическими свойствами. Они легко обрабатываются литьем и давлением, устойчивы против атмосферной коррозии.
Медь и алюминий - самые распространенные проводниковые материалы в электротехники
Алюминий - по своим качествам второй после меди токопроводящий материал. Температура плавления 659,8° С. Плотность алюминия при температуре 20° - 2,7 г/см3. Алюминий легко отливается и хорошо обрабатывается. При температуре 100 - 150° С алюминий ковок и пластичен (может быть прокатан в листы толщиной до 0,01 мм).
Электропроводность алюминия сильно зависит от примесей и мало от механической и тепловой обработки. Чем чище состав алюминия, тем выше его электропроводность и лучше противодействие химическим воздействиям. Обработка, прокатка и отжиг значительно влияют на механическую прочность алюминия. При холодной обработке алюминия увеличивается его твердость, упругость и прочность на растяжение. Удельное сопротивление алюминия при 20° С 0,026 - 0,029 ом х мм2/м.
При замене меди алюминием сечение проводника должно быть увеличено в отношении проводимостей, т. е. в 1,63 раза.
При равной проводимости алюминиевый проводник будет в 2 раза легче медного.
Для изготовления проводников применяют алюминий, содержащий не менее 98% чистого алюминия, кремния не более 0,3%, железа не более 0,2%
Для изготовления деталей токоведущих частей используют алюминиевые сплавы с другими металлами, например: Дюралюмины - сплав алюминия с медью и марганцем.
Силумин - легкий литейный сплав из алюминия с примесью кремния, магния, марганца.
Алюминиевые сплавы обладают хорошими литейными свойствами и высокой механической прочностью.
Наибольшее применение в электротехнике получили следующие алюминиевые сплавы:
Алюминиевый деформируемый сплав марки АД, имеющий алюминия не менее 98,8 и прочих примесей до 1,2.
Алюминиевый деформируемый сплав марки АД1, имеющий алюминия не менее 99,3 н прочих примесей до 0,7.
Алюминиевый деформируемый сплав марки АД31, имеющий алюминия 97,35 - 98,15 и прочих примесей 1,85 -2,65.
Сплавы марок АД и АД1 применяются для изготовления корпусов и плашек аппаратных зажимов. Из сплава марки АД31 изготовляют профили и шины, применяемые для электрических токопроводов.
Изделия из алюминиевых сплавов в результате термической обработки приобретают высокие пределы прочности н текучести (ползучести).
Подробнее смотрите здесь - Медь и алюминий в электротехнике
Железо - температура плавления 1539°С. Плотность железа - 7,87. Железо растворяется в кислотах, окисляется галогенами и кислородом.
В электротехнике применяют стали различных марок, например:
Углеродистые стали - ковкие сплавы железа с углеродом и с другими металлургическими примесями.
Удельное сопротивление углеродистых сталей 0,103 - 0,204 ом х мм2/м.
Легированные стали - сплавы с дополнительно вводимыми в углеродистую сталь присадками хрома, никеля и других элементов.
Стали обладают хорошими магнитными свойствами.
Сталеалюминиевые провода высоковольтных линий электропередачи
В качестве добавок в сплавы, а также для изготовления припоев и осуществления защитных покрытий токопроводящих металлов широко применяют:
Кадмий - ковкий металл. Температура плавления кадмия 321°С. Удельное сопротивление 0,1 ом х мм2/м. В электротехнике кадмий применяется для приготовления легкоплавких припоев и для защитных покрытий (кадмировання) поверхности металлов. По своим антикоррозийным свойствам кадмий близок к цинку, но кадмиевые покрытия менее пористы и наносятся более тонким слоем, чем цинковые.
Никель - температура плавления 1455°С. Удельное сопротивление никеля 0,068 - 0,072 ом х мм2/м. При обычной температуре не окисляется кислородом воздуха. Никель применяется в сплавах и для защитного покрытия (никелирования) поверхности металлов.
Олово - температура плавления 231,9°С. Удельное сопротивление олова 0,124 - 0,116 ом х мм2 /м. Олово применяется для пайки защитного покрытия (лужения) металлов в чистом виде и в виде сплавов с другими металлами.
Свинец - температура плавления 327,4°С. Удельное сопротивление 0,217 - 0,227 ом х мм2/м. Свинец применяется в сплавах с другими металлами как кислотоупорный материал. Добавляется в паяльные сплавы (припои).
Плавка вставка предохранителя из свинца (плавкие вставки предохранителей могут изготавливаться из меди, цинка, свинца или серебра)
Серебро - очень ковкий, тягучий металл. Температура плавления серебра 960,5°С. Серебро - лучший проводник тепла и электрического тока. Удельное сопротивление серебра 0,015 - 0,016 ом х мм2/м. Серебро применяется для защитного покрытия (серебрения) поверхности металлов.
Сурьма - блестящий хрупкий металл, температура плавления 631°С. Сурьма применяется в виде добавок в паяльные сплавы (припои).
Хром - твердый, блестящий металл. Температура плавления 1830°С. На воздухе при обычной температуре не изменяется. Удельное сопротивление хрома 0,026 ом х мм2/м. Хром применяется в сплавах и для защитного покрытия (хромирования) металлических поверхностей.
Цинк - температура плавления 419,4°С. Удельное сопротивление цинка 0,053 - 0,062 ом х мм2/м. Во влажном воздухе цинк окисляется, покрываясь слоем окиси, являющимся защитным по отношению к последующим химическим воздействиям. В электротехнике цинк применяется в качестве добавок в сплавы и припои, а также для защитного покрытия (цинкования) поверхностей металлических деталей.
Такие проводниковые материалы, как медь, серебро, алюминий, платина, золото, молибден, вольфрам и металлокерамика используются в контактах электрических аппаратов (смотрите - Какие материалы используются для изготовления контактов электрических аппаратов).
Проводники электрического тока, не являющиеся металлами, также можно найти в окружающей среде. К ним относится графит, аллотроп обычного углерода. Углерод сам по себе является изолятором.
Ионные жидкости и электролиты также являются проводниками, используемыми в батареях и топливных элементах. Они проводят ток за счет движения ионов, что отличается от электронной проводимости в металлах.
Вода, загрязненная и обогащенная солями, становится проводником благодаря ионной проводимости. Это свойство может привести к нежелательным коротким замыканиям, когда электрический ток находит путь через такую воду. Следовательно, важно обеспечить надежную изоляцию электрических компонентов, чтобы предотвратить такие инциденты.
Кабель с медными жилами, подключенный к клеммнику в электрошкафу
Материалы жил проводов и кабелей
В качестве материала для электропроводящих жил этих кабелей чаще всего используют алюминий и медь.
Поскольку алюминий имеет проводимость примерно на 60% меньше, чем у меди, для той же цели необходимо выбрать жилу большего сечения, и в результате кабель будет прочнее. Тем не менее, он значительно легче и дешевле медного кабеля того же размера.
Тем не менее, в последнее время от алюминиевых жил в проводах и каблях отказались, особенно в бытовых распределительных сетях, где алюминий зарекомендовал себя отрицательно из-за неудовлетворительных механических свойств. Он хрупкий и проводники легко рвутся, со временем окисляется и покрывается слоем непроводящего Al2O3, что увеличивает переходное сопротивление в клеммах.
Кроме того, при прохождении электрического тока он увеличивает свой объем и температуру, вследствие чего постепенно деформируется и расшатывается в зажимах. Поэтому алюминиевые контакты должны быть постоянно подтянуты.
В этом случае медь практически идеальна для производства электропроводящих жил, это второй после серебра проводящий металл в нормальных условиях, с очень хорошей обрабатываемостью и хорошей стойкостью к атмосферной коррозии.
Однако медь отрицательно реагирует с некоторыми компонентами изоляции (резина, сера) или другими металлами, например, в экранировании кабелей, и для этих случаев применения ее электролитически или горячим способом покрывают серебром или оловом в слой от 0,002 до 0,015 мм.
В кабельной промышленности применяют электролитически рафинированную тянуто-отожженную медь чистотой 99,95-99,99% с наибольшим удельным электрическим сопротивлением 17,24·10-9 Ом·м.
Кабели для различных напряжений различаются как по материалу, так и по технологии производства.
Подробно про провода и кабели: Основные электрические характеристики проводов и кабелей
Проводники и изоляторы
Металлический провод сыграл важнейшую роль в развитии электротехники. Но, чтобы проложить току хорошие пути, нужны не только хорошие проводники. Необходимы и такие материалы, которые, наоборот, плохо проводят электричество. Они называются изоляторами.
Дело в том, что пути электрического тока — провода — надо хорошо изолировать от всех окружающих предметов: от земли, воды, металлических и других проводящих тел, а также от людей.
Из неизолированных проводов электричество легко растекалось бы по окружающим проводящим предметам и уходило бы через них в землю. От этого терялась бы драгоценная энергия.
Для организма же человека ток представляет большую опасность. Вот почему электрические провода и кабели тщательно изолируют.
Их покрывают пластмассой, резиной, лаком, шелковыми и другими нитками, отделяют от стен и опор фарфоровыми изоляторами. И чем выше напряжение, тем лучше, надежнее должна быть изоляция проводников. Нужна, как говорят, большая электрическая прочность изоляции, иначе она будет пробита электрическим разрядом.
Из всего многообразия природных веществ электрики выделили две нужные им группы — хорошие проводники и хорошие изоляторы. Эти материалы — антагонисты — стали неразлучными союзниками, и лишь в их тесном единении была создана сеть окружающих нас каналов электрического тока.
Заключение
Основные материалы для проводников, медь выделяется высокой электропроводностью и химической стойкостью, а алюминий - легкостью и хорошей обрабатываемостью. Латуни и бронзы используются для деталей токоведущих частей благодаря своим механическим и физико-химическим свойствам. Важность изоляции проводников подчеркивается для предотвращения потерь энергии и обеспечения безопасности. Прогресс в материалах проводников способствует развитию электротехники, обеспечивая более эффективную и безопасную передачу электроэнергии.
Смотрите дальше - Электроизоляционные материалы и их перспективы