Удельное сопротивление сплавов
Как уже
указывалось, примеси и нарушения
правильной структуры металлов ведут к
увеличению их удельного сопротивления.
Значительное возрастание ρ наблюдается
при сплавлении двух металлов в том
случае если они образуют друг с другом
твердый раствор, т. е. создают при
отвердевании совместную кристаллизацию
и атомы одного металла входят в
кристаллическую решетку другого.
Зависимость удельного сопротивления
сплава двух металлов, образующих друг
с другом твердый раствор, от изменения
содержания каждого из них в пределах
от О до 100% представлена на рис. 7—3,а
Кривая ρ имеет
максимум, соответствующий некоторому
определенному соотношению между
содержанием компонентов в сплаве. Обычно
при этом наблюдается определенная
закономерность, и в изменении αρ:
относительно высокими значениями
температурного коэффициента удельного
сопротивления обладают чистые металлы
, а у сплавов αρ меньше и даже может
приобретать небольшие отрицательные
значения (рис. 7-3, 6). Такое изменение ρ и
αρ от содержания компонентов сплава
можно объяснить тем, что вследствие его
более сложной структуры по сравнению
с чистыми металлами его уже нельзя
уподоблять классическому металлу, т.
е. изменение удельной проводимости γ
сплава обусловливается не только
изменением подвижности носителей, но
в некоторых случаях и частичным
возрастанием концентрации носителей
при повышении температуры. Сплав, у
которого уменьшение подвижности с
ростом температуры компенсируется
возрастанием концентрации носителей,
будет иметь нулевой температурный
коэффициент удельного сопротивления.
На кривых зависимости
удельного сопротивления от состава для
некоторых систем двух различных металлов
можно наблюдать и весьма резкие отклонения
от рассмотренной выше закономерности.
Так, Н. С.
Курнаков открыл, что в тех случаях когда
при определенном соотношении между
компонентами они образуют друг с другом
явно выраженные химические соединения
(интерметаллиды), на кривых р (а так-же
и αρ) и в функции состава наблюдаются
изломы (рис.7-4). Исследования А. Ф. Иоффе
показали, что многие интерметаллиды
являются не веществами с металлическим
характером электропроводности, а
электронными полупроводниками.
Если же сплав
двух металлов создает раздельную
кристаллизацию и структура застывшего
сплава представляет собой смесь
кристаллов каждого из компонентов (т.
е. если эти металлы не образуют, твердого
раствора и искаже ние кристаллической
решетки каждого компонента не имеет
места), то удельная проводимость γ сплава
меняется с изменением состава
приблизительно линейно , т.е определяется
арифметическим правилом смешения.
СПЛАВЫ
ВЫСОКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЛЯ РЕЗИСТОРОВ
И
НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ
ПРИБОРОВ
При использовании
сплавов для электроизмерительных
приборов и образцовых резисторов, помимо
высокого удельного сопротивления р,
требуются также высокая стабильность
р во времени, малый температурный
коэффициент удельного сопротивления
αρ и малый коэффициент термо — э. д. с. в
паре данного сплава с медью. Сплавы для
электронагревательных элементов должны
длительно работать на воздухе при
высоких температурах (иногда до 1000°С и
даже выше). Кроме того, во многих случаях
требуется технологичность сплавов —
возможность изготовления из них гибкой
проволоки, иногда весьма тонкой (диаметром
порядка сотых долей миллиметра). Наконец,
желательно, чтобы сплавы, используемые
для приборов, производимых в больших
количествах — реостатов, электроплиток,
электрических чайников, паяльников
и.т.п. — были дешевыми и по возможности
не содержали дефицитных компонентов.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
Таблица удельных сопротивлений проводников. Таблица удельных сопротивлений металлов. Зависимость сопротивления металлов от температуры. Температурный коэффициент электрического сопротивления металлов α.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Зависимость сопротивления металлов от температуры. Температурный коэффициент сопротивления металлов.
Нажмите на изображение чтобы увеличить.
Электрическое сопротивление
Электрическое сопротивление, одно из составляющих закона Ома, выражается в омах (Ом). Следует заметить, что электрическое сопротивление и удельное сопротивление — это не одно и то же. Удельное сопротивление является свойством материала, в то время как электрическое сопротивление — это свойство объекта.
Электрическое сопротивление резистора определяется сочетанием формы и удельным сопротивлением материала, из которого он сделан.
Например, проволочный резистор, изготовленный из длинной и тонкой проволоки имеет большее сопротивление, нежели резистор, сделанный из короткой и толстой проволоки того же металла.
В тоже время проволочный резистор, изготовленный из материала с высоким удельным сопротивлением, обладает большим электрическим сопротивлением, чем резистор, сделанный из материала с низким удельным сопротивлением. И все это не смотря на то, что оба резистора сделаны из проволоки одинаковой длины и диаметра.
В качестве наглядности можно провести аналогию с гидравлической системой, где вода прокачивается через трубы.
- Чем длиннее и тоньше труба, тем больше будет оказано сопротивление воде.
- Труба, заполненная песком, будет больше оказывать сопротивление воде, нежели труба без песка
Сопротивление провода
Величина сопротивления провода зависит от трех параметров: удельного сопротивления металла, длины и диаметра самого провода. Формула для расчета сопротивления провода:
где:
R — сопротивление провода (Ом)
ρ — удельное сопротивление металла (Ом.m)
L — длина провода (м)
А — площадь поперечного сечения провода (м2)
В качестве примера рассмотрим проволочный резистор из нихрома с удельным сопротивлением 1.10×10-6 Ом.м. Проволока имеет длину 1500 мм и диаметр 0,5 мм. На основе этих трех параметров рассчитаем сопротивление провода из нихрома:
R=1,1*10-6*(1,5/0,000000196) = 8,4 Ом
Нихром и константан часто используют в качестве материала для сопротивлений. Ниже в таблице вы можете посмотреть удельное сопротивление некоторых наиболее часто используемых металлов.
Свойства резистивных материалов
Удельное сопротивление металла зависит от температуры. Их значения приводится, как правило, для комнатной температуры (20°С). Изменение удельного сопротивления в результате изменения температуры характеризуется температурным коэффициентом.
Например, в термисторах (терморезисторах) это свойство используется для измерения температуры. С другой стороны, в точной электронике, это довольно нежелательный эффект.
Металлопленочные резисторы имеют отличные свойства температурной стабильности. Это достигается не только за счет низкого удельного сопротивления материала, но и за счет механической конструкции самого резистора.
Много различных материалов и сплавов используются в производстве резисторов. Нихром (сплав никеля и хрома), из-за его высокого удельного сопротивления и устойчивости к окислению при высоких температурах, часто используют в качестве материала для изготовления проволочных резисторов. Недостатком его является то, что его невозможно паять. Константан, еще один популярный материал, легко поддается пайке и имеет более низкий температурный коэффициент.
Источники: joyta.ru, dpva.ru
Материал из справочника: Корякин-Черняк С.Л., Шустов М.А., Партала О.Н. «Электротехнический справочник»
2.1. Электрические свойства металлов и их сплавов
Проводниками электрического тока могут быть твердые тела, жидкости и даже газы. Твердыми проводниками являются металлы, металлические сплавы и некоторые модификации углерода. К жидким проводникам относят расплавленные металлы и электролиты. Как правило, температура плавления металлов высока, за исключением ртути, у которой она составляет −39 °С. Температуру плавления, близкую к комнатной температуре (29,8 °С), имеет галлий. Другие металлы являются жидкими проводниками лишь при повышенных или высоких температурах. Механизм прохождения тока по металлам в твердом и жидком состояниях обусловлен движением свободных электронов, вследствие чего их называют проводниками с электронной электропроводностью.
К основным характеристикам проводников относят их удельное электрическое сопротивление и температурный коэффициент сопротивления.
Удельное электрическое сопротивление проводника — сопротивление провода длиной 1 м при площади поперечного сечения 1 мм2 и температуре 20 °С.
Температурный коэффициент сопротивления — коэффициент, равный относительному изменению сопротивления при изменении температуры на 1 градус.
2.2. Черные металлы
При изготовлении и ремонте электрического оборудования широко используют черные и цветные металлы и различные сплавы. Черные металлы (чугун, сталь) применяют как конструкционные материалы для станин электрических машин, баков, кожухов трансформаторов, оснований, цоколей, электрических аппаратов и других узлов и деталей.
Специальные электротехнические стали необходимы для изготовления магнитопроводов, трансформаторов и сердечников электрических машин и аппаратов. Промышленность выпускает ряд марок листовой электротехнической стали, различающихся магнитными и электрическими свойствами. Свойства стали можно менять за счет изменения содержания основного легирующего элемента — кремния, а также применением специальных технологических приемов.
Обычно сталь с низким содержанием кремния имеет меньшую магнитную проницаемость и большие удельные потери. Но она отличается большей величиной магнитного насыщения.
Стали с низким содержанием кремния выгодно применять для работы на постоянном токе и переменном токе низкой частоты при высоких значениях индукции.
Стали с высоким содержанием кремния применяются в тех случаях, когда важно иметь малые потери гистерезиса и вихревых токов или высокую магнитную проницаемость в слабых и средних полях.
Параметры тонкой электротехнической стали приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1 Свойства тонкой электротехнической стали
|
Марка |
Толщина, мм |
Магнитная индукция, кГс, при напряженности магнитного поля, а/см, не менее |
полные удельные потери, вт/кг, не более |
Назначение |
||||
|
25 |
50 |
100 |
300 |
10/50 |
15/30 |
|||
|
Э-11 |
1 |
15,3 |
16,3 |
17,6 |
20,0 |
5,8 |
13,4 |
Сердечники полюсов и статорных пакетов для электрических машин малой мощности |
|
Э-11 |
0,5 |
15,3 |
16,4 |
17,6 |
20,0 |
3,3 |
7,7 |
|
|
Э-12 |
0,5 |
15,0 |
16,2 |
17,5 |
19,8 |
3,2 |
7,5 |
|
|
Э-21 |
0,5 |
14,8 |
15,9 |
17,3 |
19,5 |
2,5 |
6,1 |
Якоря электродвигателей постоянного тока |
|
Э-31 |
0,5 |
14,6 |
15,7 |
17,2 |
19,4 |
2,0 |
4,4 |
Турбо-гидрогенераторы малой мощности, крупные многополюсные и быстроходные электродвигатели |
|
Э-31 |
0,35 |
14,6 |
15,7 |
17,1 |
19,2 |
1,6 |
3,6 |
Примечание. Полные удельные потери приведены для максимальных значений индукции 10 и 15 кГс и частоте 50 Гц.
Широкое распространение в технике получили холоднокатаные текстурованные стали, обладающие в направлении проката более высокой проницаемостью в слабых полях и более низкими потерями по сравнению с обычными горячекатаными сталями.
Листовые электротехнические стали очень чувствительны к деформации. Резка, штамповка и другие технологические операции значительно ухудшают магнитные свойства стали вблизи мест наклепа. Поэтому изделия с небольшой шириной пластин (меньше 30–40 мм) должны после штамповки или резки отжигаться в неокисляющей среде (или, по крайней мере, без доступа воздуха) по режиму: отжиг 2 часа при 750–800 °С с последующим медленным охлаждением (50–60 °С/ч) до 400 °С.
2.3. Сплавы, используемые в магнитопроводах
Сплавы высокой магнитной проницаемости, или пермаллои, обладают магнитной проницаемостью в 10–100 раз более высокой, чем листовая электротехническая сталь. Эти сплавы намагничиваются до насыщения в малых магнитных полях.
В результате деформации магнитные свойства этих сплавов могут ухудшаться в десятки раз. Поэтому пермаллои обычно поставляются заказчику в виде лент непосредственно после холодной прокатки. После изготовления деталей они должны быть подвергнуты отжигу, в результате которого могут быть получены требуемые магнитные свойства.
Материалы магнитопроводов рассмотрены в табл. 2.2.
Таблица 2.2 Материалы магнитопроводов, из свойства и области использования
|
Марка |
Основные свойства |
Назначение |
|
45Н 50Н |
Сплавы с повышенной магнитной проницаемостью, обладающие высоким значением индукции насыщения |
Сердечники силовых трансформаторов, дросселей, реле и деталей магнитных цепей, работающих при повышенных значениях индукции без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием |
|
50НП 65НП 34НКМП |
Сплавы с повышенной магнитной проницаемостью, обладающие прямоугольной петлей гистерезиса |
Сердечники магнитных усилителей, коммутирующих дросселей, выпрямительных установок, элементов вычислительных и счетно-решающих машин и т. д. |
|
50НХС |
Сплав с повышенной магнитной проницаемостью и высоким удельным электрическим сопротивлением |
Сердечники импульсных трансформаторов и аппаратуры связи звуковых и высоких частот, работающие без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием |
|
79НМ 80НХС 76НХД |
Сплавы с высокой магнитной проницаемостью в слабых полях |
Сердечники малогабаритных трансформаторов, дросселей, реле, магнитные экраны толщиной 0,02 мм, сердечники импульсных трансформаторов, магнитных усилителей и бесконтактных реле |
2.4. Металлопрокат
Параметры стали угловой равнополочной приведены в табл. 2.3.
Таблица 2.3 Сталь угловая равнополочная
|
номер профиля |
Ширина полки, мм |
Масса 1 м длины профиля, кг, при толщине полки, мм |
|||||
|
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
||
|
2,0 |
20 |
0,89 |
1,15 |
– |
– |
– |
– |
|
2,5 |
25 |
1,12 |
1,46 |
– |
– |
– |
– |
|
2,8 |
28 |
1,27 |
– |
– |
– |
– |
– |
|
3,2 |
32 |
1,46 |
1,91 |
– |
– |
– |
– |
|
3,6 |
36 |
1,65 |
2,16 |
– |
– |
– |
– |
|
4,0 |
40 |
1,85 |
2,42 |
2,98 |
– |
– |
– |
|
номер профиля |
Ширина полки, мм |
Масса 1 м длины профиля, кг, при толщине полки, мм |
|||||
|
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
||
|
4,5 |
45 |
2,08 |
2,73 |
3,37 |
– |
– |
– |
|
5,0 |
50 |
2,32 |
3,05 |
3,77 |
– |
– |
– |
|
5,6 |
56 |
– |
3,44 |
4,25 |
– |
– |
– |
|
6,0 |
60 |
– |
– |
4,58 |
– |
– |
– |
|
6,3 |
63 |
– |
3,90 |
4,81 |
5,72 |
– |
– |
|
7,0 |
70 |
– |
– |
5,38 |
6,39 |
7,39 |
– |
|
7,5 |
75 |
– |
– |
– |
7,36 |
8,51 |
9,65 |
Параметры стали швеллерной приведены в табл. 2.4.
Таблица 2.4 Сталь швеллерная
|
номер швеллера |
размеры, мм |
Масса 1 м, кг |
|||
|
высота швеллера |
Ширина полки |
толщина стенки |
толщина полки |
||
|
5 |
50 |
32 |
4,4 |
7,0 |
4,84 |
|
6,5 |
65 |
36 |
4,4 |
7,2 |
5,90 |
|
8 |
80 |
40 |
4,5 |
7,4 |
7,05 |
|
10 |
100 |
46 |
4,5 |
7,6 |
8,59 |
|
12 |
120 |
52 |
4,8 |
7,8 |
10,40 |
|
14 |
140 |
58 |
4,9 |
8,1 |
12,30 |
|
14а |
140 |
62 |
4,9 |
8,7 |
13,30 |
|
16 |
160 |
64 |
5,0 |
8,4 |
14,20 |
|
16а |
160 |
68 |
5,0 |
9,0 |
15,30 |
|
18 |
180 |
70 |
5,1 |
8,7 |
16,30 |
|
18а |
180 |
74 |
5,1 |
9,3 |
17,40 |
|
20 |
200 |
76 |
5,2 |
9,0 |
18,40 |
Параметры стали листовой тонкой приведены в табл. 2.5.
Таблица 2.5 Сталь листовая тонкая
|
стандартные размеры |
толщина листа, мм |
|||
|
1,0 |
1,5 |
2,0 |
3,0 |
|
|
Ширина листа, мм |
710–1100 |
710–1250 |
710–1250 |
710–1400 |
|
Строительная длина, м |
1,42–2 |
1,42–2,5 |
1,42–2,5 |
1,42–2,8 |
|
Вес 1 м2, кг |
8 |
12 |
16 |
24 |
Параметры стальной полосы приведены в табл. 2.6.
Таблица 2.6 Полоса стальная
|
стандартные размеры |
толщина листа, мм |
|||||||
|
4 |
5 |
4 |
5 |
4 |
5 |
4 |
5 |
|
|
Ширина, мм |
25 |
25 |
30 |
30 |
35 |
35 |
40 |
40 |
|
Вес 1 м2, кг |
0,785 |
0,98 |
0,94 |
1,18 |
1,10 |
1,37 |
1,25 |
1,57 |
Параметры стальной ленты приведены в табл. 2.7.
Таблица 2.7 Лента стальная
|
стандартные размеры |
холоднокатаная |
Горячекатаная |
||||||||||
|
Толщина, мм |
1 |
1 |
1 |
1,5 |
1,5 |
2 |
1,5 |
2 |
2 |
3 |
2 |
3 |
|
Ширина, мм |
10 |
15 |
20 |
20 |
25 |
25 |
30 |
30 |
35 |
35 |
40 |
40 |
|
Вес, кг |
0,08 |
0,12 |
0,16 |
0,24 |
0,29 |
0,39 |
0,35 |
0,47 |
0,55 |
0,82 |
0,68 |
0,94 |
Параметры стальной проволоки приведены в табл. 2.8.
Таблица 2.8 Проволока стальная
|
стандартные размеры |
диаметр проволоки, мм |
||||||
|
0,7 |
1,0 |
1,4 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
|
Площадь сечения, мм2 |
0,385 |
0,785 |
1,540 |
7,068 |
12,656 |
19,635 |
28,276 |
|
Вес 1 м, кг |
0,003 |
0,006 |
0,012 |
0,055 |
0,098 |
0,154 |
0,222 |
Параметры стали листовой горячекатаной приведены в табл. 2.9.
Таблица 2.9 Сталь листовая горячекатаная
|
толщина листа, мм |
длина листа при ширине, мм |
|||||||
|
600 |
650 |
700 |
800 |
900 |
1000 |
1250 |
1400 |
|
|
0,5 |
1200 |
1400 |
1420 |
– |
– |
– |
– |
– |
|
1 |
2000 |
2000 |
1420 |
1600 |
1800 |
2000 |
– |
– |
|
2 |
2000 |
|||||||
|
4 |
– |
– |
6000 |
Параметры стальных труб приведены в табл. 2.10.
Таблица 2.10 Трубы стальные
|
условный проход, мм |
резьба, дюйм |
водогазопроводные |
Электросварные прямошовные |
|||||||||||
|
наружный диаметр, мм |
легкие |
обыкновенные |
усиленные |
под накатку резьбы |
наружный диаметр, мм |
толщина стенки, мм |
Масса 1 м, кг |
|||||||
|
толщина стенки, мм |
Масса 1м, кг |
толщина стенки, мм |
Масса 1м, кг |
толщина стенки, мм |
Масса 1м, кг |
наружный диаметр, мм |
толщина стенки, мм |
Масса 1 м, кг |
||||||
|
15 |
0,5 |
21,3 |
2,35 |
1,10 |
– |
– |
– |
– |
20 |
2,5 |
1,08 |
20 |
1,6 |
0,726 |
|
15 |
0,5 |
21,3 |
2,5 |
1,16 |
2,8 |
1,2 |
3,2 |
1,4 |
– |
– |
– |
20 |
1,8 |
0,808 |
|
20 |
0,75 |
26,8 |
2,35 |
1,42 |
– |
– |
– |
– |
26 |
2,5 |
1,45 |
26 |
1,8 |
1,07 |
|
20 |
0,75 |
26,8 |
2,5 |
1,50 |
2,8 |
1,66 |
3,2 |
1,86 |
– |
– |
– |
26 |
2,0 |
1,18 |
|
25 |
1 |
33,5 |
2,8 |
2,12 |
3,2 |
2,39 |
4,0 |
2,91 |
32 |
2,8 |
2,02 |
33 |
2,0 |
1,53 |
|
32 |
1,25 |
42,3 |
2,8 |
2,12 |
3,2 |
3,09 |
4,0 |
3,78 |
41 |
2,8 |
2,64 |
42 |
2,0 |
1,97 |
|
условный проход, мм |
резьба, дюйм |
водогазопроводные |
Электросварные прямошовные |
|||||||||||
|
наружный диаметр, мм |
легкие |
обыкновенные |
усиленные |
под накатку резьбы |
наружный диаметр, мм |
толщина стенки, мм |
Масса 1 м, кг |
|||||||
|
толщина стенки, мм |
Масса 1м, кг |
толщина стенки, мм |
Масса 1м, кг |
толщина стенки, мм |
Масса 1м, кг |
наружный диаметр, мм |
толщина стенки, мм |
Масса 1 м, кг |
||||||
|
40 |
1,5 |
48,0 |
3,0 |
3,33 |
3,5 |
3,84 |
4,0 |
4,34 |
47 |
3,0 |
3,26 |
48 |
2,0 |
2,27 |
|
50 |
2 |
60,0 |
3,0 |
4,22 |
3,5 |
4,88 |
4,5 |
6,16 |
59 |
3,0 |
4,14 |
60 |
2,5 |
3,55 |
|
65 |
2,5 |
75,5 |
3,2 |
5,71 |
4,0 |
7,05 |
4,5 |
7,88 |
74 |
3,2 |
5,59 |
73 |
2,5 |
4,35 |
|
80 |
3 |
88,5 |
3,5 |
7,34 |
4,0 |
7,05 |
4,5 |
9,32 |
– |
– |
– |
89 |
2,5 |
5,33 |
|
90 |
3,5 |
101,3 |
3,5 |
8,44 |
4,0 |
9,6 |
4,5 |
10,74 |
– |
– |
– |
102 |
2,8 |
6,85 |
|
100 |
4 |
114,0 |
4,0 |
10,85 |
4,5 |
12,5 |
5,0 |
13,44 |
– |
– |
– |
114 |
2,8 |
7,68 |
2.5. Проводниковые материалы
Классификация
К проводниковым материалам в электротехнике относятся металлы, их сплавы, контактные металлокерамические композиции и электротехнический уголь.
Металлические вещества являются проводниками первого рода и характеризуются электронной проводимостью; основной параметр для них — удельное электрическое сопротивление в функции температуры.
Диапазон удельных сопротивлений металлических проводников составляет от 0,016 мкОм·м для серебра до 1,6 мкОм·м для жаростойких железохромоалюминиевых сплавов.
По роду применения проводниковые материалы подразделяются на группы:
— проводники с высокой проводимостью — металлы для проводов линий электропередач и для изготовления кабелей, обмоточных и монтажных проводов для обмоток трансформаторов, электрических машин, аппаратуры, катушек индуктивности и пр.;
— конструкционные материалы — бронзы, латуни, алюминиевые сплавы и т. д., применяемые для изготовления различных токоведущих частей;
— сплавы высокого сопротивления — предназначаемые для изготовления дополнительных сопротивлений к измерительным приборам, образцовых сопротивлений и магазинов сопротивлений, реостатов и элементов нагревательных приборов, а также сплавы для термопар, компенсационных проводов и т. п.;
— контактные материалы — применяемые для пар неразъемных, разрывных и скользящих контактов;
— материалы для пайки всех видов проводниковых материалов. Кроме чисто электротехнических свойств, для проведения необходимой технологической обработки и обеспечения заданных сроков службы в эксплуатации проводниковые материалы должны обладать достаточной нагревостойкостью, механической прочностью и пластичностью.
Медь
Чистая медь по электрической проводимости занимает второе 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 СuO, препятствующим дальнейшему окислению меди. Коррозию меди вызывают SО2, Н2S, NН3, NO, пары HNO3 и другие реактивы.
Проводниковую медь получают из слитков путем гальванической очистки в электролитических ваннах. Примеси даже в ничтожных количествах резко cнижают электропроводность меди, поэтому в качестве электротехнической меди применяют лишь две ее марки: М0 и М1.
Почти все изделия из проводниковой меди изготавливают 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 °С 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, 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.
Латуни
Сплавы меди с цинком (от 5 до 45 %), называемые латунями, широко используются в электротехнике. Латуни, содержащие до 39 % цинка, имеют однофазную структуру твердого раствора, обладают наибольшей пластичностью. Из них изготавливают детали горячей или холодной прокаткой и волочением: листы, ленты, проволоку. Без нагрева из листовой латуни методом глубокой вытяжки и штамповкой можно изготовить детали сложной конфигурации.
Латуни с содержанием цинка свыше 39 % называют α+β-латунями или
двухфазными и применяют, главным образом, для фасонных отливок.
Двухфазные латуни являются более твердыми и хрупкими и обрабатываются давлением только в горячем состоянии.
Присадка к латуням олова, никеля и марганца повышает механические свойства и антикоррозионную устойчивость, а добавки алюминия в композиции с железом, никелем и марганцем сообщают латуням, кроме улучшения механических свойств и коррозионной стойкости, высокую твердость. Однако присутствие в латунях алюминия затрудняет пайку, а проведение пайки мягкими припоями становится практически невозможным.
Особенности:
— латуни марок Л68 и Л63 вследствие высокой пластичности хорошо штампуются и допускают гибку, легко паяются всеми видами припоев. В электромашиностроении широко используются для различных токоведущих частей;
— латуни марок ЛС59-1 и ЛМЦ58-2 применяются для изготовления роторных (беличьих) клеток электрических двигателей и для токоведущих деталей, изготовленных резанием и штамповкой в горячем состоянии; хорошо паяются различными припоями;
— латунь ЛА67-2,5 пригодна для литых токоведущих деталей повышенной механической прочности и твердости, не требующих пайки мягкими припоями;
— латуни ЛК80-ЗЛ и ЛС59-1Л широко используется для литых токоведущих деталей электрической аппаратуры, для щеткодержателей и для заливки роторов асинхронных двигателей. Хорошо воспринимают пайку различными припоями.
Бронзы
Бронзы относятся к двойным или многокомпонентным сплавам на основе меди, где основным легирующим компонентом является Sn, Be, Mn, Al и т. п. Необходимость легирования вызвана недостаточной механической прочностью и термической устойчивостью чистой меди.
Общая номенклатура бронз весьма обширна, но высокой электропроводностью обладают лишь немногие марки бронз:
— кадмиевая бронза относится к наиболее распространенным проводниковым бронзам. Из всех марок кадмиевая бронза обладает наивысшей электрической проводимостью. Вследствие повышенного сопротивления истиранию и более высокой нагревостойкости эта бронза широко применяется для изготовления троллейных проводов и коллекторных пластин;
— бериллиевая бронза относится к сплавам, приобретающим прочность в результате старения. Она обладает высокими упругими свойствами, устойчивыми при нагревании до 250 °С, и электрической проводимостью в 2–2,5 раза большей, чем проводимость других марок бронз общего назначения. Эта бронза нашла широкое применение для изготовления различных пружинных деталей, выполняющих одновременно и роль проводника тока, например токоведущих пружин, отдельных видов щеткодержателей, скользящих контактов в различных приборах, штепсельных разъемов;
— фосфористая бронза обладает высокой прочностью и хорошими пружинными свойствами, из-за малой электропроводности применяется для изготовления пружинных деталей с низкими плотностями тока.
Литые токоведущие детали изготовляются из различных марок машиностроительных литьевых бронз с проводимостью в пределах 8–15 % проводимости чистой меди. Характерной особенностью бронз является малая усадка по сравнению с чугуном и сталью и высокие литейные свойства, поэтому они применяются для отливки различных токоведущих деталей сложной конфигурации, предназначенных для электрических машин и аппаратов.
Все марки литьевых бронз можно подразделить на оловянные и безоловянные.
Алюминий
Характерными свойствами чистого алюминия являются:
— малый удельный вес;
— низкая температура плавления;
— высокая тепловая и электрическая проводимость;
— высокая пластичность;
— очень большая скрытая теплота плавления;
— прочная, хотя и очень тонкая пленка оксида, покрывающая поверхность металла и защищающая его от проникновения кислорода внутрь.
Малая плотность делает алюминий основой легких конструкционных материалов; большая пластичность позволяет применять к алюминию все виды обработки давлением и получать из него листы, прутки, проволоку, трубы, тончайшую фольгу, штампованные детали с глубокой вытяжкой и др.
Хорошая электрическая проводимость обеспечивает широкое применение алюминия в электротехнике. Так как плотность алюминия в 3,3 раза ниже, а удельное сопротивление лишь в 1,7 раза выше, чем у меди, то алюминий на единицу массы имеет вдвое более высокую проводимость, чем медь.
Прочная пленка оксида быстро покрывает свежий срез металла уже при комнатной температуре, обеспечивая алюминию высокую устойчивость против коррозии в атмосферных условиях.
Сернистый газ, сероводород, аммиак и другие газы, находящиеся в воздухе промышленных районов, не оказывают заметного влияния на скорость коррозии алюминия. Действие водяного пара на алюминий также незначительно. В контакте с большинством металлов и сплавов, стоящими выше в ряду электрохимических потенциалов, алюминий служит анодом и, следовательно, коррозия его в электролитах будет прогрессировать.
Чтобы избежать образования гальванопар во влажной атмосфере, место соединения алюминия с другими металлами герметизируется лакировкой или другим способом.
Длительные испытания проводов из алюминия показали, что они в отношении устойчивости против коррозии не уступают медным.
Основные характеристики проводниковых материалов приведены в
табл. 2.11.
Таблица 2.11 Основные характеристики проводниковых материалов
|
Материал |
плотность, ×103 кг/м3 |
температура плавления, °с |
удельное электрическое сопротивление при 20 °с, ×10–6 ом·м |
средний температурный коэффициент сопротивления от 0 до 100 °с, 1/град |
примечание |
|
Алюминий |
2,7 |
660 |
0,026–0,028 |
4·10-3 |
Провода, кабели, шины, проводники короткозамкнутых роторов, корпуса и подшипниковые щиты малых электромашин |
|
Бронза |
8,3–8,9 |
885–1050 |
0,021–0,052 |
4·10-3 |
Кадмиевая бронза — контакты, фосфористая — пружины |
|
Латунь |
8,4–8,7 |
900–960 |
0,03–0,08 |
2·10-3 |
Контакты, зажимы |
|
Медь |
8,7–8,9 |
1080 |
0,0175–0,0182 |
3·10-3 |
Провода, кабели, шины |
|
Олово |
7,3 |
232 |
0,114–0,120 |
4,4·10-3 |
Припои для лужения и пайки в сплаве со свинцом |
Таблица 2.11 (продолжение)
|
Материал |
плотность, ×103 кг/м3 |
температура плавления, °с |
удельное электрическое сопротивление при 20 °с, ×10-6 ом·м |
средний температурный коэффициент сопротивления от 0 до 100 °с, 1/град |
примечание |
|
Свинец |
11,34 |
327 |
0,217–0,222 |
3,8·10-3 |
Защитная обложка кабелей, вставки предохранителей, пластины аккумуляторов, припои в сплаве с оловом для лужения и пайки |
|
Серебро |
10,5 |
960 |
0,0160–0,0162 |
3,6·10-3 |
Контакты электроприборов аппаратов |
|
Сталь |
7,8 |
1400 |
0,103–0,137 |
6,2·10-3 |
Шины заземления |
Сопротивление металлов и сплавов по сравнению с медью приведено в табл. 2.12.
Таблица 2.12 Сопротивление металлов и сплавов по сравнению с медью, отн. ед., при 20 °С
|
Металл / сплав |
Сопротивление по сравнению с медью |
|
Олово |
8,5 |
|
Сталь |
12 |
|
Свинец |
13 |
|
Нейзильбер |
17 |
|
Никелин |
25 |
|
Манганин |
26 |
|
Реотан |
28 |
|
Константан |
29 |
|
Чугун |
30 |
|
Ртуть |
60 |
|
Нихром |
60 |
|
Уголь |
15000 |
|
Металл / сплав |
Сопротивление по сравнению с медью |
|
Серебро |
0,9 |
|
Медь |
1,0 |
|
Хром |
1,6 |
|
Алюминий |
1,67 |
|
Магний |
2,8 |
|
Молибден |
2,9 |
|
Вольфрам |
3,6 |
|
Цинк |
3,7 |
|
Латунь |
4,5 |
|
Платина |
5,5 |
|
Кобальт |
6,0 |
|
Никель |
6,5 |
|
Железо |
7,7 |
Температурная зависимость электрического сопротивления медных проводов приведена в табл. 2.13.
Таблица 2.13 Изменение электрического сопротивления медных проводов от температуры (сопротивление при 15 °С принято за единицу)
|
Температура, °с (десятки) |
Температура, °с (единицы) |
|||||||||
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
|
0 |
0,940 |
0,944 |
0,948 |
0,952 |
0,956 |
0,960 |
0,964 |
0,968 |
0,972 |
0,976 |
|
10 |
0,980 |
0,984 |
0,988 |
0,992 |
0,996 |
1,000 |
1,004 |
1,008 |
1,012 |
1,016 |
|
20 |
1,020 |
1,024 |
1,028 |
1,032 |
1,036 |
1,040 |
1,044 |
1,048 |
1,052 |
1,056 |
|
30 |
1,060 |
1,064 |
1,068 |
1,072 |
1,076 |
1,080 |
1,084 |
1,088 |
1,092 |
1,096 |
|
40 |
1,100 |
1,104 |
1,108 |
1,112 |
1,116 |
1,120 |
1,124 |
1,128 |
1,132 |
1,136 |
|
50 |
1,140 |
1,144 |
1,148 |
1,152 |
1,156 |
1,160 |
1,164 |
1,168 |
1,172 |
1,176 |
|
60 |
1,180 |
1,184 |
1,188 |
1,192 |
1,196 |
1,200 |
1,204 |
1,208 |
1,212 |
1,216 |
|
Температура, °с (десятки) |
Температура, °с (единицы) |
|||||||||
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
|
70 |
1,220 |
1,224 |
1,228 |
1,232 |
1,236 |
1,240 |
1,244 |
1,248 |
1,252 |
1,256 |
|
80 |
1,260 |
1,264 |
1,268 |
1,272 |
1,276 |
1,280 |
1,284 |
1,288 |
1,292 |
1,296 |
|
90 |
1,300 |
1,304 |
1,308 |
1,312 |
1,316 |
1,320 |
1,324 |
1,328 |
1,332 |
1,336 |
|
100 |
1,340 |
1,344 |
1,348 |
1,352 |
1,356 |
1,360 |
1,364 |
1,368 |
1,372 |
1,376 |
Примечание. Таблица служит для пересчета сопротивлений при изменении температуры.
Например, для определения изменения сопротивления при температуре 44 °С надо по вертикали взять температуру 40 °С и по горизонтали поправку на 4 °С: получается изменение сопротивления в 1,116 раза.
2.6. Сплавы для катушек сопротивлений и измерительных приборов
Основным и лучшим представителем этих сплавов является медномарганцевый сплав — манганин — термостабильный сплав на основе меди (около 85 %) с добавкой марганца (11,5–13,5 %) и никеля (2,5–3,5 %). Характеризуется чрезвычайно малым изменением электрического сопротивления в области комнатных температур.
Манганин отличается высоким удельным сопротивлением при малом температурном коэффициенте сопротивления, низкой термоЭДС в паре с медью, высокой стабильностью сопротивления во времени, высокой пластичностью и сопротивлением коррозии. Применяется для изготовления точных образцовых сопротивлений.
В целях сохранения постоянства свойств сопротивлений их рабочая температура не должна превышать 60 °С. Для стабильности свойств манганина во времени он подвергается специальной низкотемпературной термической обработке с последующим длительным вылеживанием при комнатной температуре; изготавливается манганин в виде проволоки и ленты.
Менее прецизионным сплавом, чем манганин, является медно- никелевый сплав — константан, который характеризуется очень малым температурным коэффициентом сопротивления, устойчивостью против коррозии, удовлетворительной жаростойкостью и высокими механическими свойствами.
Недостатком константана при применении его для изготовления образцовых сопротивлений является высокая термоЭДС в паре с медью, в связи с чем он нашел широкое применение при изготовлении термопар для измерения температур до 900 °С.
Для изготовления реостатов и других электротехнических приборов иногда применяют сплав, содержащий медь, никель и цинк — нейзильбер. Этот сплав дешевле, чем константан, однако проволока из нейзильбера вследствие содержания цинка после нагревания ее до 200–250 °С становится хрупкой.
2.7. Жаростойкие сплавы для нагревательных приборов
Жаростойкие сплавы помимо высокого удельного сопротивления и малого температурного коэффициента сопротивления должны обладать высоким пределом рабочей температуры, хорошо обрабатываться и быть достаточно механически прочными во всем диапазоне рабочих температур. В настоящее время выпускаются окалиностойкие деформируемые жаростойкие сплавы девяти различных марок, которые можно подразделить на сплавы на основе хрома и никеля, называемые нихромами, и на жаростойкие сплавы на основе хрома.
Свойства и назначение жаростойких сплавов высокого омического сопротивления приведены в табл. 2.14.
Свойства и назначение жаростойких сплавов
высокого омического сопротивления Таблица 2.14
|
Марка сплава |
размер: диаметр или толщина, мм |
удельное электрическое сопротивление при 20 °с, мком / м |
рабочая температура нагревательного элемента, °с |
характеристика окалиностойкости и жаростойкости |
преимущественные области применения |
|
|
предельная |
оптимальная |
|||||
|
Х25Н20 |
Все размеры |
0,83–0,96 |
1000 |
900 |
Окалиностойки в окислительной атмосфере, водороде, вакууме. Неустойчивы в атмосфере, содержащей серу и сернистые соединения, более жаропрочные, чем алюминиевые сплавы |
Проволока для промышленных, лабораторных печей и бытовых приборов |
|
Х15Н60 |
0,1–0,5 |
1,06–1,16 |
1000 |
950 |
Проволока и ленты для промышленных и лабораторных печей, электрических аппаратов теплового действия, реостатов и бытовых приборов |
|
|
Х15Н60Н |
0,51 |
1,07–1,17 |
1100 |
950 |
||
|
Х20Н80 |
0,1–0,5 0,51–3 |
1,03–1,13 1,04–1,14 |
1100 |
1050 |
Проволока и ленты для промышленных и лабораторных печей, электрических аппаратов теплового действия, реостатов, сопротивлений; микропроволока для бытовых приборов |
|
Марка сплава |
размер: диаметр или толщина, мм |
удельное электрическое сопротивление при 20 °с, мком / м |
рабочая температура нагревательного элемента, °с |
характеристика окалиностойкости и жаростойкости |
преимущественные области применения |
|
|
предельная |
оптимальная |
|||||
|
Х20Н80Н |
3,1–10,0 |
1,06–1,16 |
1200 |
1050 |
Окалиностойки в окислительной атмосфере и в атмосфере, содержащей серу и сернистые соединения. Склонны к провисанию при высоких температурах |
|
|
Х13Ю4 |
0,2–10,0 |
1,18–1,34 |
1000 |
900 |
Проволока и ленты для реостатов, нагревательных элементов бытовых приборов, аппаратов |
|
|
ОХ23Ю5 |
0,2–10,0 |
1,29–1,45 |
1200 |
1150 |
Проволока и ленты для промышленных и лабораторных печей, бытовых приборов, аппаратов, реостатов и свечей зажигания |
|
|
ОX23НЮА |
0,2–10,0 |
1,3–1,4 |
1200 |
1175 |
То же, но с большим сроком службы |
|
|
ОХ27НЮА |
0,2–10,0 |
1,37–1,47 |
1300 |
1250 |
Проволока и ленты для высокотемпературных промышленных и лабораторных печей |
Поправочные коэффициенты для расчета электрического сопротивления жаростойких сплавов в зависимости от температуры приведены в табл. 2.15.
Таблица 2.15 Поправочные коэффициенты для расчета электрического сопротивления жаростойких сплавов в зависимости от температуры
|
Марка сплава |
Температура нагрева, °с |
||||||||||||
|
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
600 |
700 |
800 |
900 |
1000 |
1100 |
1200 |
1300 |
|
|
Х15Н60 Х15Н60Н |
1,013 |
1,029 |
1,046 |
1,062 |
1,074 |
1,083 |
1,083 |
1,089 |
1,097 |
1,105 |
– |
– |
– |
|
Х20Н80 Х20Н80Н |
1,006 |
1,016 |
1,024 |
1,031 |
1,035 |
1,025 |
1,019 |
1,017 |
1,021 |
1,028 |
1,038 |
– |
– |
|
Х13Н14 |
1,004 |
1,013 |
1,025 |
1,041 |
1,062 |
1,090 |
1,114 |
1,126 |
1,135 |
– |
– |
– |
– |
|
ОХ23Ю5А ОХ23ЮА |
1,002 |
1,007 |
1,013 |
1,022 |
1,036 |
1,056 |
1,063 |
1,067 |
1,072 |
1,076 |
1,079 |
1,080 |
– |
|
ОХ27Ю5А |
1,002 |
1,005 |
1,010 |
1,015 |
1,025 |
1,030 |
1,033 |
1,035 |
1,040 |
1,040 |
1,041 |
1,043 |
1,045 |
|
ХН60Н |
– |
0,984 |
1,000 |
1,022 |
1,040 |
1,021 |
1,012 |
1,008 |
1,013 |
1,015 |
1,031 |
– |
– |
|
ХН70Н |
1,004 |
– |
– |
– |
1,051 |
1,052 |
1,035 |
1,015 |
1,015 |
1,016 |
1,021 |
1,028 |
– |
Основные характеристики сплавов с большим удельным сопротивлением приведены в табл. 2.16.
Таблица 2.16 Основные характеристики сплавов с большим удельным сопротивлением
|
Материал |
плотность, 103кг/м3 |
Температура плавления, °с |
наибольшая рабочая температура, °с |
удельное электрическое сопротивление при 20°с, 10-6Ом·м |
температурный коэффициент сопротивления при 20 °с, 1/град |
применение |
|
Нихром |
– |
1360 |
1000 |
1,1 |
1,7·10-4 |
Лабораторные и промышленные печи с рабочей температурой до 900 °С |
|
Фехраль |
7,6 |
1450 |
850 |
1,2 |
5·10-4 |
Бытовые электронагревательные приборы и промышленные электропечи с рабочей температурой до 650 °С |
|
Константан |
8,8 |
1270 |
450–500 |
0,5 |
(0,2–5)·10-3 |
Реостаты и резисторы приборов низкого качества точности. Нагревательные элементы с температурой до 450 °С |
|
Манганин |
8,3 |
940 |
250–300 |
0,46 |
±(3–6)·10-3 |
Эталонные и образцовые сопротивления, магазины сопротивлений и сопротивления приборов высокой точности |
|
Нейзильбер |
8,4 |
1050 |
200–250 |
0,35 |
2,9·10-6 |
Реостаты |
Термоэлектродвижущая сила различных металлов приведена в табл. 2.17.
Таблица 2.17 Термоэлектродвижущая сила различных металлов
|
Металл |
ТермоЭДС, мВ |
|
Железо |
+ 1,75 |
|
Молибден |
+ 1,24 |
|
Кадмий |
+0,90 |
|
Цинк |
+0,76 |
|
Серебро |
+0,76 |
|
Медь |
+0,74 |
|
Иридий |
+0,67 |
|
Олово |
+0,42 |
|
Магний |
+0,42 |
|
Алюминий |
+0,39 |
|
Уголь |
+0,25 |
|
Ртуть |
+0,01 |
|
Платина |
+0,00 |
|
Натрий |
-0,21 |
|
Кобальт |
-1,75 |
|
Никель |
-1,76 |
|
Константан |
-3,33 |
|
Свинец |
-5,85 |
|
Висмут |
-6,86 |
Примечание. Значения указаны при разности температур 100 °С по отношению к платине. Знак «+» указывает, что в месте спая ток направлен от данного металла к платине. Разность значений для любой пары дает действующую электродвижущую силу.
Приближенные значения токов плавления проволоки из различных металлов приведены в табл. 2.18.
Таблица 2.18 Приближенные значения токов плавления проволоки из разных металлов
|
Материал |
плотность, 103кг/м3 |
Температура плавления, °с |
наибольшая рабочая температура, °с |
удельное электрическое сопротивление при 20 °с, 10-6Ом·м |
температурный коэффициент сопротивления при 20 °с, 1/град |
применение |
|
Нихром |
||||||
|
плавящий ток, а |
диаметр, мм |
|||||
|
Медь |
алюминий |
никелин |
сталь |
олово |
свинец |
|
|
1 |
0,039 |
0,066 |
0,065 |
0,132 |
0,183 |
0,210 |
|
2 |
0,069 |
0,104 |
0,125 |
0,189 |
0,285 |
0,325 |
|
3 |
0,107 |
0,137 |
0,185 |
0,245 |
0,380 |
0,425 |
|
5 |
0,180 |
0,193 |
0,25 |
0,345 |
0,53 |
0,60 |
|
7 |
0,203 |
0,250 |
0,32 |
0,45 |
0,66 |
0,78 |
|
10 |
0,250 |
0,305 |
0,39 |
0,55 |
0,85 |
0,95 |
|
15 |
0,32 |
0,400 |
0,52 |
0,72 |
1,02 |
1,25 |
|
20 |
0,39 |
0,485 |
0,62 |
0,87 |
1,35 |
1,52 |
|
25 |
0,46 |
0,560 |
0,73 |
1,00 |
1,56 |
1,98 |
|
30 |
0,52 |
0,640 |
0,81 |
1,15 |
1,77 |
2,20 |
|
35 |
0,58 |
0,700 |
0,91 |
1,26 |
1,95 |
2,44 |
|
40 |
0,63 |
0,77 |
0,99 |
1,38 |
2,14 |
2,44 |
|
45 |
0,68 |
0,83 |
1,08 |
1,50 |
2,30 |
2,65 |
|
50 |
0,73 |
0,89 |
1,15 |
1,60 |
2,45 |
2,78 |
|
60 |
0,82 |
1,00 |
1,30 |
1,80 |
2,80 |
3,15 |
|
70 |
0,91 |
1,10 |
1,43 |
2,00 |
3,10 |
3,50 |
|
80 |
1,00 |
1,22 |
1,57 |
2,20 |
3,40 |
3,80 |
|
90 |
1,08 |
1,32 |
1,69 |
2,38 |
3,65 |
4,10 |
|
100 |
1,15 |
1,42 |
1,82 |
2,55 |
3,90 |
4,40 |
|
120 |
1,31 |
1,60 |
2,05 |
2,85 |
4,45 |
5,00 |
|
160 |
1,59 |
1,94 |
2,28 |
3,20 |
4,90 |
5,50 |
|
180 |
1,72 |
2,10 |
2,69 |
3,70 |
5,80 |
6,50 |
|
200 |
1,84 |
2,25 |
2,89 |
4,05 |
6,20 |
7,00 |
|
225 |
1,99 |
2,45 |
3,15 |
4,40 |
6,75 |
7,60 |
|
250 |
2,14 |
2,60 |
3,35 |
4,70 |
7,25 |
8,10 |
|
275 |
2,20 |
2,80 |
3,55 |
5,00 |
7,70 |
8,70 |
|
300 |
2,40 |
2,95 |
3,78 |
5,30 |
8,20 |
9,20 |
Примечание. Длина проволоки 5–10 см (в зависимости от диаметра).
2.8. Контактные материалы
По роду работы различают три типа контактов: неподвижные, коммутирующие и скользящие.
Неподвижные контакты — зажимы, болтовые и винтовые соединения, скрутки, паяные и сваренные контакты. Качество зажимных контактов определяется их переходным сопротивлением, возникающим в местах непосредственного контакта. Улучшение поверхности и защита контактов от коррозии достигается путем пайки, сварки или покрытия коррозионно-устойчивыми хорошо проводящими металлами.
На воздухе при температурах до 75 °С все проводниковые металлы дают достаточно устойчивые переходные сопротивления. Важнейшим условием при этом является обеспечение необходимых удельных давлений на контактную поверхность.
Общей закономерностью для всех видов непаяных контактов является при прочих равных условиях обратная зависимость переходного сопротивления от силы сжатия контактов. С повышением температуры за счет ускорения процесса коррозии переходное сопротивление резко возрастает, поэтому медные, алюминиевые и стальные контакты покрывают коррозионно-устойчивыми металлами.
При температуре 100–120 °С хорошо работают луженые, посеребренные или кадмированные контакты. Контакты из стали обязательно цинкуют или кадмируют.
Шинные контакты (обычно в виде полос), особенно при применении алюминия, рекомендуется зачищать стеклянной шкуркой под слоем вазелина; для меди и стали необходимо лужение оловянно-свинцовым припоем или чистым оловом.
Коммутирующие контакты — материалы разрывных электрических контактов — должны иметь малое удельное сопротивление и достаточно низкое и особенно стабильное переходное сопротивление, высокую стойкость против окисления, сваривания и эрозии, хорошую износоустойчивость и ряд технологических свойств.
Для изготовления маломощных разрывных контактов, применяемых главным образом в слаботочной технике, используют:
— металлы платиновой группы;
— золото и его сплавы;
— серебро и его сплавы;
— вольфрам, молибден и их сплавы.
Из электроосаждаемых контактов в виде тонких гальванических покрытий, работающих в отсутствии дуги, следует отметить серебро, золото, платину, палладий и особенно родий, сочетающий сравнительно низкое удельное сопротивление и очень высокую твердость.
Для изготовления мощных разрывных, а также прецизионных контактов в современной технике применяют различные металлокерамические композиции, так как использование металлов и их сплавов не дает удовлетворительных результатов. Металлокерамические контакты на основе гетерогенной композиции металлов или сплавов с неметаллами (керамикой) изготавливают из ультрадисперсных порошков металлов методом прессования из смеси заданного состава в форме уже готового изделия с последующим спеканием прессовок, повторным прессованием и отжигом.
Все марки контактов из металлокерамических композиций можно разбить на группы.
Контакты из композиций «серебро-оксид кадмия» широко используют в технике низковольтного аппаратостроения, отличаются надежностью при повышенных токовых нагрузках и умеренных нажатиях на
контакт. Обладают высокой износоустойчивостью, низким и стабильным переходным сопротивлением и повышенной дугостойкостью, но уступают в последнем случае контактам из композиций с присадками вольфрама. Выпускаются для пайки и сварки с подслоем серебра.
Контакты из композиций «серебро-оксид меди» обладают низким и устойчивым переходным сопротивлением, высокой электрической износоустойчивостью и сопротивлением привариванию. При высоких токовых нагрузках они более предпочтительны, чем контакты «серебро-оксид кадмия». Выпускаются для пайки и сварки с подслоем серебра.
Контакты из композиций «серебро-никель» устойчивы к электрическому износу, обладают низким и устойчивым переходным сопротивлением и применяются в низковольтной аппаратуре постоянного и переменного тока с умеренными нагрузками. Уступают контактам типа «сереброоксид кадмия» и «серебро-оксид меди» по сопротивлению привариванию, но более стойки, чем чистое серебро. Допускают пайку и сварку без подслоя серебра.
Контакты из композиций «серебро-никель-графит». Присадка графита повышает дугостойкость и сопротивление привариванию и позволяет применять эти контакты в низковольтной аппаратуре со значительными нагрузками, а также в воздушных автоматических выключателях, обычно в паре с контактами «серебро-никель».
Контакты из композиций «серебро-графит» обладают высокой дугостойкостью, сопротивлением привариванию и устойчивостью к механическому истиранию. Электрическая стойкость и механическая прочность относительно невелики. Применяются в паре с контактами «сереброникель».
Контакты из композиций «серебро-вольфрам» высокоустойчивы к оплавлению, однако обладают повышенным переходным сопротивлением, возрастающим с увеличением присадки вольфрама. Применяются в воздушных высоковольтных выключателях в виде накладок на поверхности медных контактов.
Контакты из композиций «серебро-кадмий-никель» обладают более высокой электрической прочностью, чем контакты из серебра, и характеризуются особо стабильным и низким переходным сопротивлением. Применяются для высоковольтных схем.
Контакты из композиций «медь-вольфрам» обладают высоким сопротивлением износу, привариванию и окислению при больших токовых нагрузках. В связи с повышенным переходным сопротивлением нашли применение в высоковольтных, преимущественно в масляных выключателях, в условиях сильного дугообразования.
Контакты из композиций «медь-графит» применяются для контактов, размыкающих токи в 30–80 кА. Для исключения приваривания контакты изготавливают пористыми; они обладают невысокой прочностью, рассчитываются на небольшое число отключений и изготавливаются с медным подслоем.
2.9. Токопроводящие жилы
Медные (М) и алюминиевые (А) токопроводящие жилы, используемые при изготовлении кабельной продукции, стандартизованы в соответствии с ГОСТ 22483-77 и полностью соответствуют рекомендациям МЭК (публ. 228, 1968). Жилы разделяются на 6 классов и могут иметь от одной до нескольких десятков проволок. Для кабельных изделий стационарной прокладки используются жилы 1 и 2 классов, жилы 3–6 классов используются для кабельных изделий повышенной гибкости.
Жилы могут быть круглыми или фасонными (К или Ф), уплотненными и неуплотненными, а алюминиевые жилы, кроме того, — с металлическим покрытием (МП) или без МП (БМП). Круглые медные жилы имеют сечения до 150 мм2, круглые алюминиевые — до 300 мм2.
Сведения о жилах 1–6 классов приведены в табл. 2.19–2.22.
Таблица 2.19 Медные и алюминиевые жилы класса 1
|
площадь сечения жилы, мм2 |
Минимальное число проволок |
Электрическое сопротивление постоянному току 1 км жилы при 20 °с, ом |
|||
|
М |
а |
М (к или ф) |
а (к или ф) Мп или БМп |
||
|
нелуженая |
луженая |
||||
|
0,50 |
1 |
– |
36,0 |
36,7 |
– |
|
0,75 |
1 |
– |
24,5 |
24,8 |
– |
|
1,0 |
1 |
– |
18,1 |
18,2 |
– |
|
1,5 |
1 |
1 |
12,1 |
12,2 |
18,1 |
|
2,5 |
1 |
1 |
7,41 |
7,56 |
12,1 |
|
4,0 |
1 |
1 |
4,61 |
4,70 |
7,41 |
|
6,0 |
1 |
1 |
3,08 |
3,11 |
5,11 |
|
10 |
1 |
1 |
1,83 |
1,84 |
3,08 |
|
16 |
1 |
1 |
1,15 |
1,16 |
1,91 |
|
25 |
1 |
1 |
0,727 |
– |
1,20 |
|
35 |
1 |
1 |
0,524 |
– |
0,868 |
|
50 |
1 |
1 |
0,387 |
– |
0,641 |
|
70 |
1 |
1 |
0,268 |
– |
0,443 |
|
95 |
1 |
1 |
0,193 |
– |
0,320 |
|
120 |
1 |
1 |
0,153 |
– |
0,253 |
|
150 |
1 |
1 |
0,124 |
– |
0,206 |
|
185 |
35 |
1 |
0,099 |
– |
0,164 |
|
210 |
35 |
1 |
0,0754 |
– |
0,125 |
|
300 |
35 |
1 |
0,0601 |
– |
0,100 |
|
400 |
35 |
35 |
0,0470 |
– |
0,0778 |
|
площадь сечения жилы, мм2 |
Минимальное число проволок |
Электрическое сопротивление постоянному току 1 км жилы при 20 °с, ом |
|||
|
М |
а |
М (к или ф) |
а (к или ф) Мп или БМп |
||
|
нелуженая |
луженая |
||||
|
500 |
35 |
35 |
0,0366 |
– |
0,0605 |
|
625 |
59 |
59 |
0,0283 |
– |
0,0469 |
|
800 |
59 |
59 |
0,0221 |
– |
0,0367 |
|
1000 |
59 |
59 |
0,0176 |
– |
0,0291 |
Таблица 2.20 Медные и алюминиевые жилы класса 2
|
номинальное сечение жилы, мм2 |
Минимальное число проволок |
Электрическое сопротивление постоянному току 1 км жилы при 20 °с, ом |
|||||||
|
круглая жила |
фасонная жила |
||||||||
|
неуплотненная |
уплотненная |
Медь |
алюминий |
||||||
|
М |
а |
М |
а |
М |
а |
луженая |
нелуженая |
Мп и БМп |
|
|
0,50 |
7 |
– |
– |
– |
– |
– |
36,0 |
36,7 |
– |
|
0,75 |
7 |
– |
– |
– |
– |
– |
24,5 |
24,8 |
– |
|
1,0 |
7 |
7 |
– |
– |
– |
– |
18,1 |
18,2 |
35,4 |
|
1,5 |
7 |
7 |
6 |
– |
– |
– |
12,1 |
12,2 |
22,7 |
|
2,5 |
7 |
7 |
6 |
– |
– |
– |
7,41 |
7,56 |
12,4 |
|
4,0 |
7 |
7 |
6 |
– |
– |
– |
4,61 |
4,70 |
7,41 |
|
6,0 |
7 |
7 |
6 |
– |
– |
– |
3,08 |
3,11 |
5,11 |
|
10 |
7 |
7 |
6 |
– |
– |
– |
1,83 |
1,84 |
3,08 |
|
16 |
7 |
7 |
6 |
6 |
– |
– |
1,15 |
1,16 |
1,91 |
|
25 |
7 |
7 |
6 |
6 |
6 |
6 |
0,727 |
0,734 |
1,20 |
|
35 |
7 |
7 |
6 |
6 |
6 |
6 |
0,524 |
0,529 |
0,868 |
|
50 |
19 |
19 |
6 |
6 |
6 |
6 |
0,387 |
0,391 |
0,641 |
|
70 |
19 |
19 |
12 |
12 |
12 |
12 |
0,268 |
0,270 |
0,443 |
|
95 |
19 |
19 |
15 |
15 |
15 |
15 |
0,193 |
0,195 |
0,320 |
|
120 |
37 |
37 |
18 |
15 |
18 |
15 |
0,153 |
0,154 |
0,253 |
|
150 |
37 |
37 |
18 |
15 |
18 |
15 |
0,124 |
0,126 |
0,206 |
|
185 |
37 |
37 |
30 |
30 |
30 |
30 |
0,0991 |
0,100 |
0,164 |
|
240 |
61 |
61 |
34 |
30 |
34 |
30 |
0,0754 |
0,0762 |
0,125 |
|
300 |
61 |
61 |
34 |
30 |
34 |
30 |
0,0601 |
0,0607 |
0,100 |
|
400 |
61 |
61 |
53 |
53 |
53 |
53 |
0,0470 |
0,0475 |
0,0778 |
|
500 |
61 |
61 |
53 |
53 |
53 |
53 |
0,0366 |
0,0369 |
0,0605 |
|
625 |
91 |
91 |
53 |
53 |
53 |
53 |
0,0283 |
0,0286 |
0,0469 |
|
630 |
91 |
91 |
53 |
53 |
53 |
53 |
0,0280 |
0,0283 |
0,0462 |
|
800 |
91 |
91 |
53 |
53 |
– |
– |
0,0221 |
0,0284 |
0,0367 |
|
1000 |
91 |
91 |
53 |
53 |
– |
– |
0,0176 |
0,0177 |
0,0291 |
Таблица 2.21 Медные и алюминиевые жилы класса 3
|
номинальное сечение жилы, мм2 |
диаметр проволоки, мм, не более |
Электрическое сопротивление постоянному току 1 км жилы при 20 °с, ом |
||
|
Медь |
алюминий |
|||
|
нелуженая |
луженая |
БМп или с Мп |
||
|
0,50 |
0,33 |
39,6 |
40,7 |
– |
|
0,75 |
0,38 |
25,5 |
26,0 |
– |
|
1,00 |
0,43 |
21,8 |
22,3 |
– |
|
1,2 |
0,45 |
17,3 |
17,6 |
28,8 |
|
1,5 |
0,53 |
14,0 |
14,3 |
23,4 |
|
2,0 |
0,61 |
9,71 |
9,90 |
16,2 |
|
2,5 |
0,69 |
7,49 |
7,63 |
12,5 |
|
3 |
0,79 |
5,84 |
5,95 |
9,76 |
|
4 |
0,87 |
4,79 |
4,88 |
8,00 |
|
5 |
0,59 |
3,83 |
3,91 |
– |
|
6 |
0,65 |
3,11 |
3,17 |
5,20 |
|
8 |
0,87 |
2,40 |
2,45 |
– |
|
10 |
0,82 |
1,99 |
2,03 |
3,33 |
|
16 |
0,65 |
1,21 |
1,24 |
2,02 |
|
25 |
0,82 |
0,809 |
0,824 |
1,35 |
|
36 |
0,69 |
0,551 |
0,562 |
0,921 |
|
50 |
0,69 |
0,394 |
0,402 |
0,658 |
|
70 |
0,69 |
0,277 |
0,283 |
0,470 |
|
95 |
0,82 |
0,203 |
0,207 |
0,338 |
|
120 |
0,79 |
0,158 |
0,161 |
0,264 |
|
150 |
0,87 |
0,130 |
0,132 |
0,211 |
|
185 |
0,87 |
0,105 |
0,107 |
0,175 |
|
240 |
0,87 |
0,0798 |
0,0814 |
0,134 |
|
300 |
0,87 |
0,0654 |
0,0665 |
0,109 |
|
400 |
0,87 |
0,0499 |
0,0509 |
0,0835 |
|
500 |
0,87 |
0,0393 |
0,0401 |
0,0657 |
Таблица 2.22 Медные жилы классов 4, 5 и 6
|
номинальное сечение жилы, мм2 |
диаметр проволоки, мм, не более |
Электрическое сопротивление постоянному току 1 км жилы при 20 °с, ом |
|||||||||
|
нелуженая |
луженая |
||||||||||
|
4 |
5 |
6 |
4 |
5 |
6 |
4 |
5 |
6 |
4 |
5 |
6 |
|
0,05 |
– |
– |
0,11 |
– |
– |
366,6 |
– |
– |
383,7 |
– |
– |
|
0,08 |
– |
– |
0,13 |
– |
– |
247,5 |
– |
– |
254,6 |
– |
– |
|
0,12 |
– |
– |
0,16 |
– |
– |
165,3 |
– |
– |
170,3 |
– |
– |
|
0,20 |
– |
– |
0,21 |
– |
– |
89,1 |
– |
– |
91,7 |
– |
– |
|
0,35 |
– |
– |
0,27 |
– |
– |
57,0 |
– |
– |
58,7 |
– |
– |
|
0,50 |
0,50 |
0,50 |
0,31 |
0,21 |
0,16 |
40,5 |
39,0 |
39,0 |
41,7 |
40,1 |
40,1 |
|
0,75 |
0,75 |
0,75 |
0,31 |
0,21 |
0,16 |
25,2 |
26,0 |
26,0 |
25,9 |
26,7 |
26,7 |
|
1,0 |
1,0 |
1,0 |
0,31 |
0,21 |
0,16 |
19,8 |
19,5 |
19,5 |
20,4 |
20,0 |
20,0 |
|
1,2 |
– |
– |
0,41 |
– |
– |
16,0 |
– |
– |
16,5 |
– |
– |
|
1,5 |
1,5 |
1,5 |
0,41 |
0,26 |
0,16 |
13,2 |
13,3 |
13,3 |
13,6 |
13,7 |
13,7 |
|
номинальное сечение жилы, мм2 |
диаметр проволоки, мм, не более |
Электрическое сопротивление постоянному току 1 км жилы при 20 °с, ом |
|||||||||
|
нелуженая |
луженая |
||||||||||
|
4 |
5 |
6 |
4 |
5 |
6 |
4 |
5 |
6 |
4 |
5 |
6 |
|
2,0 |
– |
– |
0,43 |
– |
– |
9,97 |
– |
– |
10,3 |
– |
– |
|
2,5 |
2,5 |
2,5 |
0,43 |
0,26 |
0,16 |
8,05 |
7,98 |
7,98 |
8,20 |
8,21 |
8,21 |
|
3,0 |
– |
– |
0,53 |
– |
– |
6,52 |
– |
– |
6,65 |
– |
– |
|
4,0 |
4,0 |
4,0 |
0,53 |
0,31 |
0,16 |
4,89 |
4,95 |
4,95 |
4,99 |
5,09 |
5,09 |
|
5,0 |
– |
– |
0,53 |
– |
– |
3,82 |
– |
– |
3,90 |
– |
– |
|
6,0 |
6,0 |
6,0 |
0,53 |
0,31 |
0,21 |
3,28 |
3,30 |
3,30 |
3,35 |
3,39 |
3,39 |
|
8,0 |
– |
– |
0,53 |
– |
– |
2,45 |
– |
– |
2,49 |
– |
– |
|
10 |
10 |
10 |
0,53 |
0,41 |
0,21 |
2,00 |
1,91 |
1,91 |
2,04 |
1,95 |
1,95 |
|
16 |
16 |
16 |
0,53 |
0,41 |
0,21 |
1,21 |
1,21 |
1,21 |
1,24 |
1,24 |
1,24 |
|
25 |
25 |
25 |
0,53 |
0,41 |
0,21 |
0,776 |
0,78 |
0,78 |
0,792 |
0,795 |
0,795 |
|
35 |
35 |
35 |
0,59 |
0,41 |
0,21 |
0,547 |
0,554 |
0,554 |
0,558 |
0,565 |
0,565 |
|
50 |
50 |
50 |
0,59 |
0,41 |
0,31 |
0,393 |
0,386 |
0,386 |
0,401 |
0,393 |
0,393 |
|
70 |
70 |
70 |
0,59 |
0,51 |
0,31 |
0,281 |
0,272 |
0,272 |
0,286 |
0,277 |
0,277 |
|
95 |
95 |
95 |
0,59 |
0,51 |
0,31 |
0,201 |
0,206 |
0,206 |
0,205 |
0,210 |
0,210 |
|
120 |
120 |
120 |
0,69 |
0,51 |
0,31 |
0,162 |
0,161 |
0,161 |
0,165 |
0,164 |
0,164 |
|
150 |
150 |
150 |
0,69 |
0,51 |
0,31 |
0,129 |
0,129 |
0,129 |
0,132 |
0,132 |
0,132 |
|
185 |
185 |
185 |
0,69 |
0,51 |
0,41 |
0,104 |
0,106 |
0,106 |
0,106 |
0,108 |
0,108 |
|
240 |
240 |
240 |
0,69 |
0,51 |
0,41 |
0,081 |
0,080 |
0,080 |
0,082 |
0,082 |
0,082 |
|
300 |
300 |
300 |
0,69 |
0,51 |
0,41 |
0,065 |
0,064 |
0,064 |
0,066 |
0,065 |
0,065 |
|
400 |
400 |
– |
0,69 |
0,51 |
– |
0,048 |
0,049 |
– |
0,049 |
0,049 |
– |
|
– |
500 |
– |
– |
0,61 |
– |
– |
0,038 |
– |
– |
0,039 |
– |
|
– |
630 |
– |
– |
0,61 |
– |
– |
0,029 |
– |
– |
0,029 |
– |
Приведенная ниже таблица удельного электрического сопротивления содержит значения удельного сопротивления для многих веществ, широко используемых в электрике и электронике. В частности, она включает в себя удельное сопротивление меди, алюминия, нихрома, стали, никеля и так далее.
Удельное электрическое сопротивление особенно важно, поскольку оно определяет электрические характеристики и, следовательно, пригодность материала для использования во многих электрических компонентах. Например, можно увидеть, что удельное сопротивление меди, удельное сопротивление алюминия, а также нихрома, никеля, серебра, золота и т.д. определяет, где эти металлы используются.
Для того чтобы сравнить способность различных материалов проводить электрический ток, используются показатели удельного сопротивления.
Что означают показатели удельного сопротивления?
Для того чтобы иметь возможность сравнивать удельное сопротивление различных материалов, от таких изделий, как медь и алюминий, до других металлов и веществ, включая висмут, латунь и даже полупроводники, необходимо использовать стандартное измерение.
Единица измерения удельного сопротивления в Международной системе единиц (СИ) — Ом·м.
Единица измерения удельного сопротивления в системе СИ равна такому удельному сопротивлению вещества, при котором однородный проводник длиной 1 м с площадью поперечного сечения 1 м2, изготовленный из этого вещества, имеет сопротивление, равное 1 Ом. Соответственно, удельное сопротивление произвольного вещества, выраженное в единицах СИ, численно равно сопротивлению участка электрической цепи, выполненного из данного вещества, длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м2
[1]
Таблица удельного сопротивления для распространенных проводников
В таблице ниже приведены показатели удельного сопротивления для различных материалов, в частности металлов, используемых для электропроводности.
Показатели удельного сопротивления приведены для таких «популярных» материалов, как медь, алюминий, нихром, сталь, свинец, золото и других.
| Материал | Удельное сопротивление, ρ, при 20 °C (Ом·м) |
Источник |
|---|---|---|
| Латунь | ~0.6 — 0.9 x 10-7 | |
| Серебро | 1.59×10−8 | [3][4] |
| Медь | 1.68×10−8 | [5][6] |
| Обожжённая медь | 1.72×10−8 | [7] |
| Золото | 2.44×10−8 | [3] |
| Алюминий | 2.65×10−8 | [3] |
| Кальций | 3.36×10−8 | |
| Вольфрам | 5.60×10−8 | [3] |
| Цинк | 5.90×10−8 | |
| Кобальт | 6.24×10−8 | |
| Никель | 6.99×10−8 | |
| Рутений | 7.10×10−8 | |
| Литий | 9.28×10−8 | |
| Железо | 9.70×10−8 | [3] |
| Платина | 1.06×10−7 | [3] |
| Олово | 1.09×10−7 | |
| Тантал | 1.3×10−7 | |
| Галлий | 1.40×10−7 | |
| Ниобий | 1.40×10−7 | [8] |
| Углеродистая сталь (1010) | 1.43×10−7 | [9] |
| Свинец | 2.20×10−7 | [2][3] |
| Галинстан | 2.89×10−7 | [10] |
| Титан | 4.20×10−7 | |
| Электротехническая сталь | 4.60×10−7 | [11] |
| Манганин (сплав) | 4.82×10−7 | [2] |
| Константан (сплав) | 4.90×10−7 | [2] |
| Нержавеющая сталь | 6.90×10−7 | |
| Ртуть | 9.80×10−7 | [2] |
| Марганец | 1.44×10−6 | |
| Нихром (сплав) | 1.10×10−6 | [2][3] |
| Углерод (аморфный) | 5×10−4 — 8×10−4 | [3] |
| Углерод (графит) параллельно-базальная плоскость | 2.5×10−6 — 5.0×10−6 | |
| Углерод (графит) перпендикулярно-базальная плоскость | 3×10−3 | |
| Арсенид галлия | 10−3 to 108 | |
| Германий | 4.6×10−1 | [3][4] |
| Морская вода | 2.1×10−1 | |
| Вода в плавательном бассейне | 3.3×10−1 — 4.0×10−1 | |
| Питьевая вода | 2×101 — 2×103 | |
| Кремний | 2.3×103 | [2][3] |
| Древесина (влажная) | 103 — 104 | |
| Деионизированная вода | 1.8×105 | |
| Стекло | 1011 — 1015 | [3][4] |
| Углерод (алмаз) | 1012 | |
| Твердая резина | 1013 | [3] |
| Воздух | 109 — 1015 | |
| Древесина (сухая) | 1014 — 1016 | |
| Сера | 1015 | [3] |
| Плавленый кварц | 7.5×1017 | [3] |
| ПЭТ | 1021 | |
| Тефлон | 1023 — 1025 |
Видно, что удельное сопротивление меди и удельное сопротивление латуни оба низкие, и с учетом их стоимости, относительно серебра и золота, они становятся экономически эффективными материалами для использования для многих проводов. Удельное сопротивление меди и простота ее использования привели к тому, что она также используется крайне часто в качестве материала для проводников на печатных платах.
Изредка алюминий и особенно медь используются из-за их низкого удельного сопротивления. Большинство проводов, используемых в наши дни для межсоединений, изготовлены из меди, поскольку она обеспечивает низкий уровень удельного сопротивления при приемлемой стоимости.
Удельное сопротивление золота также важно, поскольку золото используется в некоторых критических областях, несмотря на его стоимость. Часто золотое покрытие встречается на высококачественных слаботочных разъемах, где оно обеспечивает самое низкое сопротивление контактов. Золотое покрытие очень тонкое, но даже в этом случае оно способно обеспечить требуемые характеристики разъемов.
Серебро имеет очень низкий уровень удельного сопротивления, но оно не так широко используется из-за его стоимости и из-за того, что оно тускнеет, что может привести к более высокому сопротивлению контактов.
Однако оно используется в некоторых катушках для радиопередатчиков, где низкое удельное электрическое сопротивление серебра снижает потери. При использовании в таких целях серебро обычно наносилось только на существующий медный провод. Покрытие провода серебром позволило значительно снизить затраты по сравнению с цельным серебряным проводом без существенного снижения производительности.
Другие материалы в таблице удельного электрического сопротивления могут не иметь такого очевидного применения. Тантал фигурирует в таблице, поскольку используется в конденсаторах — никель и палладий используются в торцевых соединениях многих компонентов поверхностного монтажа, таких как конденсаторы.
Кварц находит свое основное применение в качестве пьезоэлектрического резонансного элемента. Кварцевые кристаллы используются в качестве частотоопределяющих элементов во многих осцилляторах, где высокое значение Q позволяет создавать очень стабильные по частоте схемы. Аналогичным образом они используются в высокоэффективных фильтрах. Кварц имеет очень высокий уровень удельного сопротивления и не является хорошим проводником электричества, то есть его относят к категории диэлектрикам.
Список использованной литературы
- Деньгуб В. М., Смирнов В. Г. Единицы величин. Словарь-справочник. — М.: Издательство стандартов, 1990. — С. 93. — 240 с.
- Giancoli, Douglas C., Physics, 4th Ed, Prentice Hall, (1995).
- Raymond A. Serway (1998). Principles of Physics (2nd ed.). Fort Worth, Texas; London: Saunders College.
- David Griffiths (1999) [1981]. «7 Electrodynamics». In Alison Reeves (ed.). Introduction to Electrodynamics (3rd ed.). Upper Saddle River, New Jersey.
- Matula, R.A. (1979). «Electrical resistivity of copper, gold, palladium, and silver». Journal of Physical and Chemical Reference Data.
- Douglas Giancoli (2009) [1984]. «25 Electric Currents and Resistance». In Jocelyn Phillips (ed.). Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics (4th ed.). Upper Saddle River, New Jersey.
- «Copper wire tables». United States National Bureau of Standards. Retrieved 3 February 2014.
- https://www.plansee.com/en/materials/niobium.html
- AISI 1010 Steel, cold drawn. Matweb
- Karcher, Ch.; Kocourek, V. (December 2007). «Free-surface instabilities during electromagnetic shaping of liquid metals».
- «JFE steel» (PDF). Retrieved 2012-10-20.
Удельное сопротивление
Удельное сопротивление
Удельное электрическое сопротивление – это величина, определяющая электросопротивление эталонного образца материала. Для обозначения этой величины используется греческая буква «р». Формула для расчета:
Читайте также: Как рассчитать вес листа оцинкованного
p=(R*S)/l.
Эта величина измеряется в Ом*м. Найти её можно в справочниках, в таблицах удельного сопротивления или в сети интернет.
Свободные электроны по металлу двигаются внутри кристаллической решётки. На сопротивление этому движению и удельное сопротивление проводника влияют три фактора:
- Материал. У разных металлов различная плотность атомов и количество свободных электронов;
- Примеси. В чистых металлах кристаллическая решётка более упорядоченная, поэтому сопротивление ниже, чем в сплавах;
- Температура. Атомы не находятся на своих местах неподвижно, а колеблются. Чем выше температура, тем больше амплитуда колебаний, создающая помехи движению электронов, и выше сопротивление.
На следующем рисунке можно увидеть таблицу удельного сопротивления металлов.
Удельное сопротивление металлов
Почему возникает сопротивление
Электроны, сталкиваясь с заряженными атомами (ионами), из которых стоит кристаллическая решетка проводника, теряют скорость. Масса атома значительно превосходит массу электрона, поэтому их столкновение приводит к потере скорости (“торможению”) и изменению направления движения электрона. Таким образом возникает сопротивление протеканию (нарастанию) тока. Значит сопротивление — это физическая величина.
Столкновения электронов с атомами.
В чем измеряется
Согласно международной системе единиц, измеряется величина в омах, умноженных на метр. В некоторых случаях применяется единица ом, умноженная на миллиметр в квадрате, поделенная на метр. Это обозначение для проводника, имеющего метровую длину и миллиметровую площадь сечения в квадрате.
Единица измерения
Формула как найти
Согласно положению из любого учебного пособия по электродинамики, удельное сопротивление материала проводника формула равна пропорции общего сопротивления проводника на площадь поперечного сечения, поделенного на проводниковую длину. Важно понимать, что на конечный показатель будет влиять температура и степень материальной чистоты. К примеру, если в медь добавить немного марганца, то общий показатель будет увеличен в несколько раз.
Главная формула расчета
Интересно, что существует формула для неоднородного изотропного материала. Для этого нужно знать напряженность электрополя с плотностью электротока. Для нахождения нужно поделить первую величину на другую. В данном случае получится не константа, а скалярная величина.
Закон ома в дифференциальной форме
Есть другая, более сложная для понимания формула для неоднородного анизотропного материала. Зависит от тензорного координата.
Важно отметить, что связь сопротивления с проводимостью также выражается формулами. Существуют правила для нахождения изотропных и анизотропных материалов через тензорные компоненты. Они показаны ниже в схеме.
Связь с проводимостью, выраженная в физических соотношениях
От чего зависит
Сопротивляемость зависит от температуры. Она увеличивается, когда повышается столбик термометра. Это поясняется физиками так, что при росте температуры атомные колебания в кристаллической проводниковой решетке повышаются. Это препятствует тому, чтобы свободные электроны двигались.
Обратите внимание! Что касается полупроводников и диэлектриков, то там величина понижается из-за того, что увеличивается структура концентрации зарядных носителей.
Зависимость от температуры как основное свойство проводниковой сопротивляемости
Что означают показатели удельного сопротивления?
Для того чтобы иметь возможность сравнивать удельное сопротивление различных материалов, от таких изделий, как медь и алюминий, до других металлов и веществ, включая висмут, латунь и даже полупроводники, необходимо использовать стандартное измерение.
Единица измерения удельного сопротивления в Международной системе единиц (СИ) — Ом·м.
Единица измерения удельного сопротивления в системе СИ равна такому удельному сопротивлению вещества, при котором однородный проводник длиной 1 м с площадью поперечного сечения 1 м2, изготовленный из этого вещества, имеет сопротивление, равное 1 Ом. Соответственно, удельное сопротивление произвольного вещества, выраженное в единицах СИ, численно равно сопротивлению участка электрической цепи, выполненного из данного вещества, длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м2
Таблица удельного сопротивления для распространенных проводников
В таблице ниже приведены показатели удельного сопротивления для различных материалов, в частности металлов, используемых для электропроводности.
Показатели удельного сопротивления приведены для таких «популярных» материалов, как медь, алюминий, нихром, сталь, свинец, золото и других.
МатериалУдельное сопротивление, ρ,при 20 °C (Ом·м)Источник
| Латунь | ~0.6 — 0.9 x 10-7 | |
| Серебро | 1.59×10−8 | [3][4] |
| Медь | 1.68×10−8 | [5][6] |
| Обожжённая медь | 1.72×10−8 | [7] |
| Золото | 2.44×10−8 | [3] |
| Алюминий | 2.65×10−8 | [3] |
| Кальций | 3.36×10−8 | |
| Вольфрам | 5.60×10−8 | [3] |
| Цинк | 5.90×10−8 | |
| Кобальт | 6.24×10−8 | |
| Никель | 6.99×10−8 | |
| Рутений | 7.10×10−8 | |
| Литий | 9.28×10−8 | |
| Железо | 9.70×10−8 | [3] |
| Платина | 1.06×10−7 | [3] |
| Олово | 1.09×10−7 | |
| Тантал | 1.3×10−7 | |
| Галлий | 1.40×10−7 | |
| Ниобий | 1.40×10−7 | [8] |
| Углеродистая сталь (1010) | 1.43×10−7 | [9] |
| Свинец | 2.20×10−7 | [2][3] |
| Галинстан | 2.89×10−7 | [10] |
| Титан | 4.20×10−7 | |
| Электротехническая сталь | 4.60×10−7 | [11] |
| Манганин (сплав) | 4.82×10−7 | [2] |
| Константан (сплав) | 4.90×10−7 | [2] |
| Нержавеющая сталь | 6.90×10−7 | |
| Ртуть | 9.80×10−7 | [2] |
| Марганец | 1.44×10−6 | |
| Нихром (сплав) | 1.10×10−6 | [2][3] |
| Углерод (аморфный) | 5×10−4 — 8×10−4 | [3] |
| Углерод (графит) параллельно-базальная плоскость | 2.5×10−6 — 5.0×10−6 | |
| Углерод (графит) перпендикулярно-базальная плоскость | 3×10−3 | |
| Арсенид галлия | 10−3 to 108 | |
| Германий | 4.6×10−1 | [3][4] |
| Морская вода | 2.1×10−1 | |
| Вода в плавательном бассейне | 3.3×10−1 — 4.0×10−1 | |
| Питьевая вода | 2×101 — 2×103 | |
| Кремний | 2.3×103 | [2][3] |
| Древесина (влажная) | 103 — 104 | |
| Деионизированная вода | 1.8×105 | |
| Стекло | 1011 — 1015 | [3][4] |
| Углерод (алмаз) | 1012 | |
| Твердая резина | 1013 | [3] |
| Воздух | 109 — 1015 | |
| Древесина (сухая) | 1014 — 1016 | |
| Сера | 1015 | [3] |
| Плавленый кварц | 7.5×1017 | [3] |
| ПЭТ | 1021 | |
| Тефлон | 1023 — 1025 |
Видно, что удельное сопротивление меди и удельное сопротивление латуни оба низкие, и с учетом их стоимости, относительно серебра и золота, они становятся экономически эффективными материалами для использования для многих проводов. Удельное сопротивление меди и простота ее использования привели к тому, что она также используется крайне часто в качестве материала для проводников на печатных платах.
Изредка алюминий и особенно медь используются из-за их низкого удельного сопротивления. Большинство проводов, используемых в наши дни для межсоединений, изготовлены из меди, поскольку она обеспечивает низкий уровень удельного сопротивления при приемлемой стоимости.
Удельное сопротивление золота также важно, поскольку золото используется в некоторых критических областях, несмотря на его стоимость. Часто золотое покрытие встречается на высококачественных слаботочных разъемах, где оно обеспечивает самое низкое сопротивление контактов. Золотое покрытие очень тонкое, но даже в этом случае оно способно обеспечить требуемые характеристики разъемов.
Серебро имеет очень низкий уровень удельного сопротивления, но оно не так широко используется из-за его стоимости и из-за того, что оно тускнеет, что может привести к более высокому сопротивлению контактов.
Однако оно используется в некоторых катушках для радиопередатчиков, где низкое удельное электрическое сопротивление серебра снижает потери. При использовании в таких целях серебро обычно наносилось только на существующий медный провод. Покрытие провода серебром позволило значительно снизить затраты по сравнению с цельным серебряным проводом без существенного снижения производительности.
Другие материалы в таблице удельного электрического сопротивления могут не иметь такого очевидного применения. Тантал фигурирует в таблице, поскольку используется в конденсаторах — никель и палладий используются в торцевых соединениях многих компонентов поверхностного монтажа, таких как конденсаторы.
Кварц находит свое основное применение в качестве пьезоэлектрического резонансного элемента. Кварцевые кристаллы используются в качестве частотоопределяющих элементов во многих осцилляторах, где высокое значение Q позволяет создавать очень стабильные по частоте схемы. Аналогичным образом они используются в высокоэффективных фильтрах. Кварц имеет очень высокий уровень удельного сопротивления и не является хорошим проводником электричества, то есть его относят к категории диэлектрикам.
Понятие электрического сопротивления проводника
Классическое определение объясняет электрический ток движением «свободных» (валентных) электронов. Его обеспечивает созданное источником электрическое поле. Перемещение в металле затрудняют не только нормальные компоненты кристаллической решетки, но и дефектные участки, примеси, неоднородные области. В ходе столкновений с препятствиями за счет перехода импульса в тепловую энергию происходит повышение температуры.
Наглядный пример – нагрев воды кипятильником
В газах, электролитах и других материалах несколько отличная физика явления. Линейные зависимости наблюдаются в металлах и других проводниках. Базовые соотношения выражены известной формулой закона Ома:
R (электрическое сопротивление) = U (напряжение)/ I (сила тока).
Для удобства часто используют обратную величину, проводимость (G = 1/R). Она обозначает способность определенного материала пропускать ток с определенными потерями.
Для упрощения иногда применяют пример с водопроводом. Движущаяся жидкость – аналог тока. Давление – эквивалент напряжения. Уменьшением (увеличением) поперечного сечения или положением запорного устройства определяют условия перемещения. Подобным образом изменяют основные параметры электрических цепей с помощью сопротивления (R).
К сведению. Количество жидкости, проходящее за единицу времени через контрольное сечение трубы, – эквивалент электрической мощности.
Температурная зависимость ρ(Т)
Для большинства материалов проведены многочисленные эксперименты по измерению значений удельных сопротивлений. Данные по большинству проводников можно найти в справочных таблицах.
Удельное сопротивление металлов и сплавов, Ом*мм2/м
(при Т = 20С)
| Серебро | 0,016 | Бронза (сплав) | 0,1 |
| Медь | 0,017 | Олово | 0,12 |
| Золото | 0,024 | Сталь (сплав) | 0,12 |
| Алюминий | 0,028 | Свинец | 0,21 |
| Иридий | 0,047 | Никелин (сплав) | 0,42 |
| Молибден | 0,054 | Манганин (сплав) | 0,45 |
| Вольфрам | 0,055 | Константан (сплав) | 0,48 |
| Цинк | 0,06 | Титан | 0,58 |
| Латунь (сплав) | 0,071 | Ртуть | 0,958 |
| Никель | 0,087 | Нихром (сплав) | 1,1 |
| Платина | 0,1 | Висмут | 1,2 |
Чаще всего приводятся значения ρ при нормальной, то есть комнатной температуре 20С. Но оказалось, что при повышении температуры удельное сопротивление возрастает по линейному закону в соответствии с формулой:
$ ρ(Т) = ρ0 * (1 + α*T)$ (6),
где: ρ — удельное сопротивление проводника при температуре 0С, α — температурный коэффициент удельного сопротивления, который тоже имеет для каждого вещества свое, индивидуальное, значение. Из формулы (6) следует, что коэффициент α имеет размерность или .
В соответствии с законом Джоуля-Ленца при протекании электрического тока т выделяется тепло, а значит происходит рост температуры проводника. Кроме этого, в зависимости от области применения, электрические приборы могут работать как при пониженных (минусовых), так и при высоких температурах. Для точных расчетов электрических цепей необходимо учитывать зависимость ρ(Т). Величину α для конкретного материала можно узнать из справочной литературы.
Удельное электрическое сопротивление
Дальнейшие исследования позволили установить связь величины электрического сопротивления с его основными геометрическими размерами. Оказалось, что сопротивление проводника прямо пропорционально длине проводника L и обратно пропорционально площади поперечного сечения проводника S.
Эта функциональная связь хорошо описывается следующей формулой:
$ R = ρ *{ Lover S} $ (4)
Постоянная для каждого вещества величина ρ была названа удельным сопротивлением. Значение этого параметра зависит от плотности вещества, его кристаллической структуры, строения атомов и прочих внутренних характеристик вещества. Из формулы (4) можно получить формулу для расчета удельного сопротивления, если имеются экспериментальные значения для R, L и S:
$ ρ = R*{ Sover L } $ (5)
Для большинства известных веществ измерения были произведены и внесены в справочные таблицы электрических сопротивлений проводников.
Удельное сопротивление металлов, Ом*мм2/м
(при Т = 20С)
| Серебро | 0,016 | Бронза (сплав) | 0,1 |
| Медь | 0,017 | Олово | 0,12 |
| Золото | 0,024 | Сталь (сплав) | 0,12 |
| Алюминий | 0,028 | Свинец | 0,21 |
| Иридий | 0,047 | Никелин (сплав) | 0,42 |
| Молибден | 0,054 | Манганин (сплав) | 0,45 |
| Вольфрам | 0,055 | Константан (сплав) | 0,48 |
| Цинк | 0,06 | Титан | 0,58 |
| Латунь (сплав) | 0,071 | Ртуть | 0,958 |
| Никель | 0,087 | Нихром (сплав) | 1,1 |
| Платина | 0,1 | Висмут | 1,2 |
Экспериментально было обнаружено, что с понижением температуры сопротивление металлов уменьшается. При приближении к температуре абсолютного нуля, которая равна -273С, сопротивление некоторых металлов стремится к нулю. Это явление называется сверхпроводимостью. Атомы и молекулы как бы “замораживаются”, прекращают любое движение и не оказывают сопротивления потоку электронов.
Железо как проводник в электротехнике
Железо — самый распространенный в природе и технике металл (после водорода, который металлом тоже является). Он и самый дешевый, и имеет прекрасные прочностные характеристики, поэтому применяется повсюду как основа прочности различных конструкций.
В электротехнике в качестве проводника железо используется в виде стальных гибких проводов там, где нужна физическая прочность и гибкость, а нужное сопротивление может быть достигнуто за счет соответствующего сечения.
Имея таблицу удельных сопротивлений различных металлов и сплавов, можно посчитать сечения проводов, выполненных из разных проводников.
В качестве примера попробуем найти электрически эквивалентное сечение проводников из разных материалов: проволоки медной, вольфрамовой, никелиновой и железной. За исходную возьмем проволоку алюминиевую сечением 2,5 мм.
Нам нужно, чтобы на длине в 1 м сопротивление провода из всех этих металлов равнялось сопротивлению исходной. Сопротивление алюминия на 1 м длины и 2,5 мм сечения будет равно
, где R – сопротивление, ρ – удельное сопротивление металла из таблицы, S – площадь сечения, L – длина.
Подставив исходные значения, получим сопротивление метрового куска провода алюминия в омах.
После этого разрешим формулу относительно S
, будем подставлять значения из таблицы и получать площади сечений для разных металлов.
Итак,
Так как удельное сопротивление в таблице измерено на проводе длиной в 1 м, в микроомах на 1 мм2 сечения, то у нас и получилось оно в микроомах. Чтобы получить его в омах, нужно умножить значение на 10-6. Но число ом с 6 нулями после запятой нам получать совсем не обязательно, так как конечный результат все равно находим в мм2.
- Медь
- Вольфрам
- Никелин
- Железо
Как видим, сопротивление железа достаточно большое, проволока получается толстая.
Но существуют материалы, у которых оно еще больше, например, никелин или константан.
Почему у металлов самые низкие удельные сопротивления
Из приведенной таблицы видно, что самыми низкими значениями удельных сопротивлений обладают металлы: серебро, медь, золото, алюминий и др. Такое свойство металлов связано с большой концентрацией свободных электронов, “не привязанных” к конкретному атому, а блуждающих в пространстве кристаллической решетки. Напряжение, приложенное к концам проводника, создает электрическое поле, которое действует на электроны, заставляя их двигаться согласованно, в одном направлении.
Рис. 2. Электрический ток в металлах, свободные электроны.
Самым низким значением ρ обладает серебро — 0,016 Ом*мм2/м. Но для повсеместного, массового, использования в сетях электроснабжения и оборудовании этот металл не используется в виду слишком большой цены. Серебро применяется для создания самых ответственных контактов в специальных электротехнических устройствах. В следующей таблице приведены величины удельных сопротивлений металлов и сплавов, часто используемых металлов в электротехнике:
Таблица
Удельные сопротивления металлов, Ом*мм2/м
(при Т = 200С)
| Серебро | 0,016 | Бронза (сплав) | 0,1 |
| Медь | 0,017 | Олово | 0,12 |
| Золото | 0,024 | Сталь (сплав) | 0,12 |
| Алюминий | 0,028 | Свинец | 0,21 |
| Иридий | 0,047 | Никелин (сплав) | 0,42 |
| Молибден | 0,054 | Манганин (сплав) | 0,45 |
| Вольфрам | 0,055 | Константан (сплав) | 0,48 |
| Цинк | 0,06 | Титан | 0,58 |
| Латунь (сплав) | 0,071 | Ртуть | 0,958 |
| Никель | 0,087 | Нихром (сплав) | 1,1 |
| Платина | 0,1 | Висмут | 1,2 |
Наиболее популярными в электротехнике являются медь и алюминий. Медь и медные сплавы применяются для изготовления кабельной продукции и шунтов — деталей, ограничивающих большие токи через измерительные приборы.
Влияние температуры на удельное сопротивление
В справочниках значения ρ металлов приводятся при комнатной температуре 200С. Но эксперименты показали, что зависимость ρ(Т) имеет линейный характер и описывается формулой:
$ ρ(Т) = ρ0 * (1 + α*T)$ (3),
где: ρ0 — удельное сопротивление проводника при температуре 00С, α— температурный коэффициент сопротивления, который тоже имеет тоже индивидуален для каждого вещества. Значения α, полученные опытным путем, можно узнать из справочников. Ниже приведены значения α для некоторых металлов:
- Серебро — 0,0035;
- Медь — 0,004;
- Алюминий — 0,004;
- Железо — 0,0066;
- Платина — 0,0032;
- Вольфрам — 0,0045.
Таким образом, при повышении температуры сопротивление металлов растет. Это объясняется тем, что с ростом температуры увеличивается число дефектов в кристаллической решетке из-за более интенсивных тепловых колебаний ионов, тормозящих электронный ток.
Температурная зависимость удельного сопротивления металлов.
При приближении температуры металла к абсолютному нулю удельное сопротивление резко падает до нуля. Это явление называется сверхпроводимостью, а материалы, обнаруживающие такую способность, называются сверхпроводниками. Этот эффект открыл в 1911 г. голландский физик Камерлинг-Оннес. В его эксперименте удельное сопротивление ртути уменьшилось до нуля при 4,10К.
Свойства резистивных материалов
Удельное сопротивление металла зависит от температуры. Их значения приводится, как правило, для комнатной температуры (20°С). Изменение удельного сопротивления в результате изменения температуры характеризуется температурным коэффициентом.
Например, в термисторах (терморезисторах) это свойство используется для измерения температуры. С другой стороны, в точной электронике, это довольно нежелательный эффект.
Металлопленочные резисторы имеют отличные свойства температурной стабильности. Это достигается не только за счет низкого удельного сопротивления материала, но и за счет механической конструкции самого резистора.
Много различных материалов и сплавов используются в производстве резисторов. Нихром (сплав никеля и хрома), из-за его высокого удельного сопротивления и устойчивости к окислению при высоких температурах, часто используют в качестве материала для изготовления проволочных резисторов. Недостатком его является то, что его невозможно паять. Константан, еще один популярный материал, легко паяется и имеет более низкий температурный коэффициент.
Материалы высокой проводимости
К наиболее широкораспрстраненным материалам высокой проводимости следует отнести медь и алюминий (Сверхпроводящие материалы, имеющие типичное сопротивление в 10-20 раз ниже обычных проводящих материалов (металлов) рассматриваются в разделе Сверхпроводимость).
Медь
Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие:
- малое удельное сопротивление;
- достаточно высокая механическая прочность;
- удовлетворительная в большинстве случаев применения стойкость по отношению к коррозии;
- хорошая обрабатываемость: медь прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра;
- относительная легкость пайки и сварки.
Медь получают чаще всего путем переработки сульфидных руд. После ряда плавок руды и обжигов с интенсивным дутьем медь, предназначенная для электротехнических целей, обязательно проходит процесс электролитической очистки.
В качестве проводникового материала чаще всего используется медь марок М1 и М0. Медь марки М1 содержит 99.9% Cu, а в общем количестве примесей (0.1%) кислорода должно быть не более 0,08%. Присутствие в меди кислорода ухудшает ее механические свойства. Лучшими механическими свойствами обладает медь марки М0, в которой содержится не более 0.05% примесей, в том числе не свыше 0.02% кислорода.
Медь является сравнительно дорогим и дефицитным материалом, поэтому она все шире заменяется другими металлами, особенно алюминием.
В отдельных случаях применяются сплавы меди с оловом, кремнием, фосфором, бериллием, хромом, магнием, кадмием. Такие сплавы, носящие название бронз, при правильно подобранном составе имеют значительно более высокие механические свойства, чем чистая медь.
Алюминий
Алюминий является вторым по значению после меди проводниковым материалом. Это важнейший представитель так называемых легких металлов: плотность литого алюминия около 2.6, а прокатанного — 2.7 Мг/м3. Т.о., алюминий примерно в 3.5 раза легче меди. Температурный коэффициент расширения, удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем меди. Вследствие высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления для нагрева алюминия до температуры плавления и перевода в расплавленное состояние требуется большая затрата тепла, чем для нагрева и расплавления такого же количества меди, хотя температура плавления алюминия ниже, чем меди.
Алюминий обладает пониженными по сравнению с медью свойствами — как механическими, так и электрическими. При одинаковом сечении и длине электрическое сопротивление алюминиевого провода в 1.63 раза больше, чем медного. Весьма важно, что алюминий менее дефицитен, чем медь.
Для электротехнических целей используют алюминий, содержащий не более 0.5% примесей, марки А1. Еще более чистый алюминий марки АВ00 (не более 0.03% примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов электролитических конденсаторов. Алюминий наивысшей чистоты АВ0000 имеет содержание примесей не более 0ю004%. Добавки Ni, Si, Zn или Fe при содержании их 0.5% снижают γ отожженного алюминия не более, чем на 2-3%. Более заметное действие оказывают примеси Cu, Ag и Mg, при том же массовом содержании снижающие γ алюминия на 5-10%. Очень сильно снижают электропроводность алюминия Ti и Mn.
Алюминий весьма активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет металл от дальнейшей коррозии.
Алюминиевые сплавы обладают повышенной механической прочностью. Примером такого сплава является альдрей, содержащий 0.3-0.5% Mg, 0.4-0.7% Si и 0.2-0.3% Fe. В альдрее образуется соединение Mg2Si, которое сообщает высокие механические свойства сплаву.
Железо и сталь
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 стали, т.е. железа с примесью углерода и других элементов, еще выше. 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 поверхность стальных проводов должна быть защищена слоем более стойкого материала. Обычно для этой цели применяют покрытие цинком.
В ряде случаев для уменьшения расхода цветных металлов применяют так называемый биметалл. Это сталь, покрытая снаружи слоем меди, причем оба металла соединены друг с другом прочно и непрерывно.
Натрий
Весьма перспективным проводниковым материалом является металлический натрий. Натрий может быть получен электролизом расплавленного хлористого натрия NaCl в практически неограниченных количествах. Из сравнения свойств натрия со свойствами других проводниковых металлов видно, что удельное сопротивление натрия примерно в 2.8 раза больше ρ меди и в 1.7 раз больше ρ алюминия, но благодаря чрезвычайно малой плотности натрия (плотность его почти в 9 раз меньше плотности меди), провод из натрия при данной проводимости на единицу длины должен быть значительно легче, чем провод из любого другого металла. Однако натрий чрезвычайно активен химически (он интенсивно окисляется на воздухе, бурно реагирует с водой), почему натриевый провод должен быть защищен герметизирующей оболочкой. Оболочка должна придавать проводу необходимую механическую прочность, так как натрий весьма мягок и имеет малый предел прочности при деформациях.
Что такое сопротивление медного провода
В металлах ток образуется при появлении электрического поля. Оно «заставляет» двигаться электроны упорядоченно, в одном направлении. Электроны дальних орбит атома, слабо удерживаемые ядром, формируют ток.
Медные провода
При прохождении отрицательных частиц сквозь кристаллическую решетку молекул меди, они сталкиваются с атомами и другими электронами. Возникает препятствие или сопротивление направленному движению частиц.
Для оценки противодействия току была введена величина «электрическое сопротивление» или «электрический импеданс». Обозначается она буквой «R» или «r». Вычисляется сопротивление по формуле Георга Ома: R=, где U — разность потенциалов или напряжение, действующее на участке цепи, I — сила тока.
Понятие сопротивления
Важно! Чем выше значение импеданса металла, тем меньший ток проходит по нему, и именно медные проводники так широко распространены в электротехнике, благодаря этому свойству.
Исходя из формулы Ома, на величину тока влияет приложенное напряжение при постоянном R. Но резистентность медных проводов меняется, в зависимости от их физических характеристик и условий эксплуатации.
Что влияет на сопротивление медного провода
Электрический импеданс медного кабеля зависит от нескольких факторов:
- Удельного сопротивления;
- Площади сечения проволоки;
- Длины провода;
- Внешней температуры.
Последним пунктом можно пренебречь в условиях бытового использования кабеля. Заметное изменение импеданса происходит при температурах более 100°C.
Зависимость сопротивления
Удельное сопротивление в системе СИ обозначается буквой ρ. Оно определяется, как величина сопротивления проводника, имеющего сечение 1 м2 и длину 1 м, измеряется в Ом ∙ м2. Такая размерность неудобна в электротехнических расчетах, поэтому часто используется единица измерения Ом ∙ мм2.
Важно! Данный параметр является характеристикой вещества — меди. Он не зависит от формы или площади сечения. Чистота меди, наличие примесей, метод изготовления проволоки, температура проводника — факторы, влияющие на удельное сопротивление.
Зависимость параметра от температуры описывается следующей формулой: ρt= ρ20[1+ α(t−20°C)]. Здесь ρ20— удельное сопротивление меди при 20°C, α— эмпирически найденный коэффициент, от 0°Cдо 100°C для меди имеет значение, равное 0,004 °C-1, t — температура проводника.
Ниже приведена таблица значений ρ для разных металлов при температуре 20°C.
Таблица удельного сопротивления
Согласно таблице, медь имеет низкое удельное сопротивление, ниже только у серебра. Это обуславливает хорошую проводимость металла.
Чем толще провод, тем меньше его резистентность. Зависимость R проводника от сечения называется «обратно пропорциональной».
Важно! При увеличении поперечной площади кабеля, электронам легче проходить сквозь кристаллическую решетку. Поэтому, при увеличении нагрузки и возрастании плотности тока, следует увеличить площадь сечения.
Увеличение длины медного кабеля влечет рост его резистентности. Импеданс прямо пропорционален протяженности провода. Чем длиннее проводник, тем больше атомов встречаются на пути свободных электронов.
Выводы
Последним элементом, влияющим на резистентность меди, является температура среды. Чем она выше, тем большую амплитуду движения имеют атомы кристаллической решетки. Тем самым, они создают дополнительное препятствие для электронов, участвующих в направленном движении.
Важно! Если понизить температуру до абсолютного нуля, имеющего значение 0° Kили -273°C, то будет наблюдаться обратный эффект — явление сверхпроводимости. В этом состоянии вещество имеет нулевое сопротивление.
Температурная корреляция
Сравнение проводимости разных видов стали
Характеристики стали зависят от ее состава и температуры:
- Для углеродистых сплавов сопротивление довольно низкое: оно составляет 0,13-0,2 мкОм/м. Чем выше температура, тем больше значение;
- Низколегированные сплавы имеют более высокое сопротивление — 0,2-0,43 мкОм/м;
- Высоколегированные стали отличаются высоким сопротивлением — 0,3-0,86 мкОм/м;
- Благодаря высокому содержанию хрома сопротивление хромистых нержавеющих сплавов равняется 0,5-0,6 мкОм/м;
- Хромоникелевые аустенитные стали являются нержавеющими и благодаря никелю имеют высокую сопротивляемость — 0,7-0,9 мкОм/м.
Медь стоит на втором месте по степени электропроводимости: она отлично пропускает электрический ток и повсеместно используется при изготовлении проводов. Не реже применяют и алюминий: он слабее меди, но дешевле и легче.
Активное сопротивление проводов, кабелей и линий
Из-за того что переменный ток проходит неравномерно, то при одинаковых условиях тока переменного и постоянного R будет отличаться. Как уже было сказано, стальные электропровода имеют лучшее активное R по сравнению с проводниками из цветных металлов, которые имеют одинаковое R при любой силе тока.
Напротив, активное R электрокабелей из стали всегда зависит от электрического тока, поэтому удельную постоянную проводимость в этом случае никогда не используют. Активное R электрокабеля определяют с помощью формулы: R=l/у*s.
Суть явления
Это величина, характерная для проводника, имеющего длину 1 метр и площадь поперечного сечения 1 квадратный метр/миллиметр. Ее обозначают греческой буквой ρ. Разным материалам свойственны разные удельные сопротивления. Вместе с тем сопротивление проводника будет меняться в прямой пропорциональности к длине и в обратной к площади поперечного сечения. То есть чем больше длина проводника, тем оно выше, но чем больше толщина, тем оно ниже.
Длина
Предыдущая
РазноеЧто такое фазное и линейное напряжение?
Следующая
РазноеБлуждающие токи и способы борьбы с ними