Электрическая проводимость металлов таблица. Электрическая проводимость меди. Медь: характеристика
Во многих отраслях современной промышленности очень широко используется такой материал, как медь. Электропроводность у этого металла очень высокая. Этим и объясняется целесообразность его применения прежде всего в электротехнике. Из меди получаются проводники с отличными эксплуатационными характеристиками. Конечно же, используется этот металл не только в электротехнике, но и в других отраслях промышленности. Объясняется его востребованность в том числе и такими его качествами, как стойкость к коррозионным разрушениям в ряде агрессивных сред, тугоплавкость, пластичность и т.д.
Историческая справка
Медь является металлом, известным человеку с глубокой древности. Объясняется раннее знакомство людей с эти материалом прежде всего его широкой распространенностью в природе в виде самородков. Многие ученые считают, что именно медь была первым металлом, восстановленным человеком из кислородных соединений. Когда-то горные породы просто нагревали на костре и резко остужали, в результате чего они растрескивались. Позднее восстановление меди начали производить на кострах с добавлением угля и поддувом мехами. Совершенствование этого способа в конечном итоге привело к созданию Еще позже этот металл начали получать методом окислительной плавки руд.
Медь: электропроводность материала
В спокойном состоянии все свободные электроны любого металла вращаются вокруг ядра. При подключении внешнего источника воздействия они выстраиваются в определенной последовательности и становятся носителями тока. Степень способности металла пропускать сквозь себя последний и называется электропроводностью. Единицей ее измерения в Международной СИ является сименс, определяемый как 1 См = 1 Ом -1 .
Электропроводность меди очень высока. По этому показателю она превосходит все известные на сегодня неблагородные металлы. Лучше нее ток пропускает только серебро. Показатель электропроводности меди составляет 57х104 см -1 при температуре в +20 °С. Благодаря такому своему свойству этот металл на данный момент является самым распространенным проводником из всех используемых в производственных и бытовых целях.
Медь отлично выдерживает постоянные электрические нагрузки и к тому же отличается надежностью и долговечностью. Помимо всего прочего, этот металл характеризуется и высокой температурой плавления (1083,4 °С). А это, в свою очередь, позволяет меди долгое время работать в нагретом состоянии. По распространенности в качестве проводника тока конкурировать с этим металлом может только алюминий.
Влияние примесей на электропроводность меди
Конечно же, в наше время для выплавки этого красного металла используются гораздо более совершенные методики, чем в древности. Однако и сегодня получить совершенно чистый Cu практически невозможно. В меди всегда присутствуют разного рода примеси. Это могут быть, к примеру, кремний, железо или бериллий. Между тем, чем больше примесей в меди, тем меньше показатель ее электропроводности. Для изготовления проводов, к примеру, подходит только достаточно чистый металл. Согласно нормативам, для этой цели можно использовать медь с количеством примесей, не превышающем 0.1 %.
Очень часто в этом металле содержится определенный процент серы, мышьяка и сурьмы. Первое вещество значительно снижает пластичность материала. Электропроводность меди и серы сильно различается. Ток эта примесь совершенно не проводит. То есть является хорошим изолятором. Однако на электропроводность меди сера не влияет практически никак. То же самое касается и теплопроводности. С сурьмой и мышьяком наблюдается обратная картина. Эти элементы электропроводность меди способны снижать значительно.
Сплавы
Разного рода добавки могут использоваться и специально для повышения прочности такого пластичного материала, как медь. Электропроводность ее они также снижают. Но зато их применение позволяет значительно продлить срок службы разного рода изделий.
Чаще всего в качестве повышающей прочность меди добавки используется Cd (0.9 %). В результате получается кадмиевая бронза. Ее проводимость составляет 90 % от проводимости меди. Иногда вместо кадмия в качестве добавки используют также алюминий. Проводимость этого металла составляет 65 % от этого же показателя меди. Для повышения прочности проводов в виде добавки могут применяться и другие материалы и вещества — олово, фосфор, хром, бериллий. В результате получается бронза определенной марки. Соединение меди с цинком называется латунью.
Характеристики сплавов
Зависеть может не только от количества имеющихся в них примесей, но и от других показателей. К примеру с повышением температуры нагрева способность меди пропускать сквозь себя ток снижается. Оказывает влияние на электропроводность такой проволоки даже способ ее изготовления. В быту и на производстве могут использоваться как мягкие отожженные медные проводники, так и твердотянутые. У первой разновидности способность пропускать сквозь себя ток выше.
Однако больше всего влияют, конечно же, используемые добавки и их количество на электропроводность меди. Таблица ниже представляет читателю исчерпывающую информацию относительно способности пропускать ток наиболее распространенных сплавов этого металла.
Сплав | Состояние (О — отожженная, Т-твердотянутая) | Электропроводность (%) |
Чистая медь | ||
Оловянная бронза (0.75 %) | ||
Кадмиевая бронза (0.9 %) | ||
Алюминиевая бронза (2,5 % А1, 2 % Sn) | ||
Фосфористая бронза (7 % Sn, 0,1 % Ρ) | ||
Электропроводность латуни и меди сравнима. Однако у первого металла этот показатель, конечно же, немного ниже. Но при этом он и выше, чем у бронз. В качестве проводника латунь используется довольно-таки широко. Ток она пропускает хуже меди, но при этом и стоит дешевле. Чаще всего из латуни делают контакты, зажимы и различные детали для радиоаппаратуры.
Медные сплавы высокого сопротивления
Такие проводниковые материалы применяют в основном при изготовлении резисторов, реостатов, измерительных приборов и электронагревательных устройств. Чаще всего для этой цели используются медные сплавы константан и манганин. Удельное сопротивление первого (86 % Cu, 12 % Mn, 2 % Ni) составляет 0.42-0.48 мкОм/м, а второго (60 % Cu, 40 % Ni) — 0.48-0.52 мкОм/м.
Связь с коэффициентом теплопроводности
Меди — 59 500 000 См/м. Этот показатель, как уже упоминалось, верен, однако только при температуре +20 о С. Между коэффициентом теплопроводности любого металла и удельной проводимостью существует определенная связь. Устанавливает его закон Видемана — Франца. Выполняется он для металлов при высоких температурах и выражается в такой формуле: K/γ = π 2 / 3 (k/e) 2 T, где y — удельная проводимость, k — постоянная Больцмана, e — элементарный заряд.
Разумеется, существует подобная связь и у такого металла, как медь. Теплопроводность и электропроводность у нее очень высокие. На втором месте после серебра она находится по обоим этим показателям.
Соединение медных и алюминиевых проводов
В последнее время в быту и промышленности начало использоваться электрооборудование все более высокой мощности. Во времена С
Удельная электрическая проводимость меди. Электрическая проводимость меди. Медь: характеристика
Во многих отраслях современной промышленности очень широко используется такой материал, как медь. Электропроводность у этого металла очень высокая. Этим и объясняется целесообразность его применения прежде всего в электротехнике. Из меди получаются проводники с отличными эксплуатационными характеристиками. Конечно же, используется этот металл не только в электротехнике, но и в других отраслях промышленности. Объясняется его востребованность в том числе и такими его качествами, как стойкость к коррозионным разрушениям в ряде агрессивных сред, тугоплавкость, пластичность и т.д.
Историческая справка
Медь является металлом, известным человеку с глубокой древности. Объясняется раннее знакомство людей с эти материалом прежде всего его широкой распространенностью в природе в виде самородков. Многие ученые считают, что именно медь была первым металлом, восстановленным человеком из кислородных соединений. Когда-то горные породы просто нагревали на костре и резко остужали, в результате чего они растрескивались. Позднее восстановление меди начали производить на кострах с добавлением угля и поддувом мехами. Совершенствование этого способа в конечном итоге привело к созданию Еще позже этот металл начали получать методом окислительной плавки руд.
Медь: электропроводность материала
В спокойном состоянии все свободные электроны любого металла вращаются вокруг ядра. При подключении внешнего источника воздействия они выстраиваются в определенной последовательности и становятся носителями тока. Степень способности металла пропускать сквозь себя последний и называется электропроводностью. Единицей ее измерения в Международной СИ является сименс, определяемый как 1 См = 1 Ом -1 .
Электропроводность меди очень высока. По этому показателю она превосходит все известные на сегодня неблагородные металлы. Лучше нее ток пропускает только серебро. Показатель электропроводности меди составляет 57х104 см -1 при температуре в +20 °С. Благодаря такому своему свойству этот металл на данный момент является самым распространенным проводником из всех используемых в производственных и бытовых целях.
Медь отлично выдерживает постоянные электрические нагрузки и к тому же отличается надежностью и долговечностью. Помимо всего прочего, этот металл характеризуется и высокой температурой плавления (1083,4 °С). А это, в свою очередь, позволяет меди долгое время работать в нагретом состоянии. По распространенности в качестве проводника тока конкурировать с этим металлом может только алюминий.
Влияние примесей на электропроводность меди
Конечно же, в наше время для выплавки этого красного металла используются гораздо более совершенные методики, чем в древности. Однако и сегодня получить совершенно чистый Cu практически невозможно. В меди всегда присутствуют разного рода примеси. Это могут быть, к примеру, кремний, железо или бериллий. Между тем, чем больше примесей в меди, тем меньше показатель ее электропроводности. Для изготовления проводов, к примеру, подходит только достаточно чистый металл. Согласно нормативам, для этой цели можно использовать медь с количеством примесей, не превышающем 0.1 %.
Очень часто в этом металле содержится определенный процент серы, мышьяка и сурьмы. Первое вещество значительно снижает пластичность материала. Электропроводность меди и серы сильно различается. Ток эта примесь совершенно не проводит. То есть является хорошим изолятором. Однако на электропроводность меди сера не влияет практически никак. То же самое касается и теплопроводности. С сурьмой и мышьяком наблюдается обратная картина. Эти элементы электропроводность меди способны снижать значительно.
Сплавы
Разного рода добавки могут использоваться и специально для повышения прочности такого пластичного материала, как медь. Электропроводность ее они также снижают. Но зато их применение позволяет значительно продлить срок службы разного рода изделий.
Чаще всего в качестве повышающей прочность меди добавки используется Cd (0.9 %). В результате получается кадмиевая бронза. Ее проводимость составляет 90 % от проводимости меди. Иногда вместо кадмия в качестве добавки используют также алюминий. Проводимость этого металла составляет 65 % от этого же показателя меди. Для повышения прочности проводов в виде добавки могут применяться и другие материалы и вещества — олово, фосфор, хром, бериллий. В результате получается бронза определенной марки. Соединение меди с цинком называется латунью.
Характеристики сплавов
Зависеть может не только от количества имеющихся в них примесей, но и от других показателей. К примеру с повышением температуры нагрева способность меди пропускать сквозь себя ток снижается. Оказывает влияние на электропроводность такой проволоки даже способ ее изготовления. В быту и на производстве могут использоваться как мягкие отожженные медные проводники, так и твердотянутые. У первой разновидности способность пропускать сквозь себя ток выше.
Однако больше всего влияют, конечно же, используемые добавки и их количество на электропроводность меди. Таблица ниже представляет читателю исчерпывающую информацию относительно способности пропускать ток наиболее распространенных сплавов этого металла.
Сплав | Состояние (О — отожженная, Т-твердотянутая) | Электропроводность (%) |
Чистая медь | ||
Оловянная бронза (0.75 %) | ||
Кадмиевая бронза (0.9 %) | ||
Алюминиевая бронза (2,5 % А1, 2 % Sn) | ||
Фосфористая бронза (7 % Sn, 0,1 % Ρ) | ||
Электропроводность латуни и меди сравнима. Однако у первого металла этот показатель, конечно же, немного ниже. Но при этом он и выше, чем у бронз. В качестве проводника латунь используется довольно-таки широко. Ток она пропускает хуже меди, но при этом и стоит дешевле. Чаще всего из латуни делают контакты, зажимы и различные детали для радиоаппаратуры.
Медные сплавы высокого сопротивления
Такие проводниковые материалы применяют в основном при изготовлении резисторов, реостатов, измерительных приборов и электронагревательных устройств. Чаще всего для этой цели используются медные сплавы константан и манганин. Удельное сопротивление первого (86 % Cu, 12 % Mn, 2 % Ni) составляет 0.42-0.48 мкОм/м, а второго (60 % Cu, 40 % Ni) — 0.48-0.52 мкОм/м.
Связь с коэффициентом теплопроводности
Меди — 59 500 000 См/м. Этот показатель, как уже упоминалось, верен, однако только при температуре +20 о С. Между коэффициентом теплопроводности любого металла и удельной проводимостью существует опре
Медь
Вычисление сопротивления
Сопротивление проводникового материалла (например медных проводов)
Сопротивление R медного провода в длине l возможно высчитать следующей формулой
если
R — сопротивление проводникового материалла (ом)
l — длина провода в метрах
ρ — электрическое удельное сопротивление материалла
A — площадь поперечного сечения
π — математическое число
d — номинальный диаметр провода в миллиметрах
Электрическое удельное сопротивление ρ
Электрическое удельное сопротивление описывает в какой мере этот материал сопротивляется электрическому току. Низкое сопротивление указывает что материал легко пропускает электрический заряд. У меди электрическое сопротивление от 0.0171 Ohm • mm²/m это сопротивление является одним из лучших проводников для электрического тока (после чистого серебра).
Проводимость γ
Электрическая проводимость или определенная проводимость является материальной мерой возможности проводимости электрического тока. Проводимость противоположна электрическому сопротивлению. У отоженной медной проволоки минимальная проводимость от 58 S*m/mm², что эквивалентно 100% IACS (Международная Стандартная отоженная медь), актуальный размер типичной катушки 58,5-59 S*m/mm²
Температурный коэффициент электрического сопротивления
Электрическое сопротивление зависит от температуры проволоки. Эту связь между сопротивлением и температурой выражает коэффициент термического сопротивления α. Для расчета сопротивления моточного изделия или проволоки при температуре T можно воспользоваться следующей формулой:
где
α — температурный коэффициент сопротивления
RT — сопротивление моточного изделия при температуре T
R20 — сопротивление моточного изделия при температуре 20°C
электропроводность, свойства, особенности и применение
Во многих отраслях современной промышленности очень широко используется такой материал, как медь. Электропроводность у этого металла очень высокая. Этим и объясняется целесообразность его применения прежде всего в электротехнике. Из меди получаются проводники с отличными эксплуатационными характеристиками. Конечно же, используется этот металл не только в электротехнике, но и в других отраслях промышленности. Объясняется его востребованность в том числе и такими его качествами, как стойкость к коррозионным разрушениям в ряде агрессивных сред, тугоплавкость, пластичность и т.д.
Историческая справка
Медь является металлом, известным человеку с глубокой древности. Объясняется раннее знакомство людей с эти материалом прежде всего его широкой распространенностью в природе в виде самородков. Многие ученые считают, что именно медь была первым металлом, восстановленным человеком из кислородных соединений. Когда-то горные породы просто нагревали на костре и резко остужали, в результате чего они растрескивались. Позднее восстановление меди начали производить на кострах с добавлением угля и поддувом мехами. Совершенствование этого способа в конечном итоге привело к созданию Еще позже этот металл начали получать методом окислительной плавки руд.
Медь: электропроводность материала
В спокойном состоянии все свободные электроны любого металла вращаются вокруг ядра. При подключении внешнего источника воздействия они выстраиваются в определенной последовательности и становятся носителями тока. Степень способности металла пропускать сквозь себя последний и называется электропроводностью. Единицей ее измерения в Международной СИ является сименс, определяемый как 1 См = 1 Ом -1 .
Электропроводность меди очень высока. По этому показателю она превосходит все известные на сегодня неблагородные металлы. Лучше нее ток пропускает только серебро. Показатель электропроводности меди составляет 57х104 см -1 при температуре в +20 °С. Благодаря такому своему свойству этот металл на данный момент является самым распространенным проводником из всех используемых в производственных и бытовых целях.
Медь отлично выдерживает постоянные электрические нагрузки и к тому же отличается надежностью и долговечностью. Помимо всего прочего, этот металл характеризуется и высокой температурой плавления (1083,4 °С). А это, в свою очередь, позволяет меди долгое время работать в нагретом состоянии. По распространенности в качестве проводника тока конкурировать с этим металлом может только алюминий.
Влияние примесей на электропроводность меди
Конечно же, в наше время для выплавки этого красного металла используются гораздо более совершенные методики, чем в древности. Однако и сегодня получить совершенно чистый Cu практически невозможно. В меди всегда присутствуют разного рода примеси. Это могут быть, к примеру, кремний, железо или бериллий. Между тем, чем больше примесей в меди, тем меньше показатель ее электропроводности. Для изготовления проводов, к примеру, подходит только достаточно чистый металл. Согласно нормативам, для этой цели можно использовать медь с количеством примесей, не превышающем 0.1 %.
Очень часто в этом металле содержится определенный процент серы, мышьяка и сурьмы. Первое вещество значительно снижает пластичность материала. Электропроводность меди и серы сильно различается. Ток эта примесь совершенно не проводит. То есть является хорошим изолятором. Однако на электропроводность меди сера не влияет практически никак. То же самое касается и теплопроводности. С сурьмой и мышьяком наблюдается обратная картина. Эти элементы электропроводность меди способны снижать значительно.
Сплавы
Разного рода добавки могут использоваться и специально для повышения прочности такого пластичного материала, как медь. Электропроводность ее они также снижают. Но зато их применение позволяет значительно продлить срок службы разного рода изделий.
Чаще всего в качестве повышающей прочность меди добавки используется Cd (0.9 %). В результате получается кадмиевая бронза. Ее проводимость составляет 90 % от проводимости меди. Иногда вместо кадмия в качестве добавки используют также алюминий. Проводимость этого металла составляет 65 % от этого же показателя меди. Для повышения прочности проводов в виде добавки могут применяться и другие материалы и вещества — олово, фосфор, хром, бериллий. В результате получается бронза определенной марки. Соединение меди с цинком называется латунью.
Характеристики сплавов
Зависеть может не только от количества имеющихся в них примесей, но и от других показателей.
Электрическая проводимость меди
Электрическая проводимость меди напрямую зависит от наличия в этом металле разнообразных примесей. Даже в случае добавления к нему небольшого количества мышьяка, сурьмы происходит резное падение величины электрической проводимости. Но не оказывает существенного влияния на эту физическую величину свинец, теллур, селен, мышьяк.
Особенности понятия
Электрическая проводимость меди ненамного меньше, чем у серебра, что делает этот металл востребованным в современной электротехнике.
Данная физическая величина является характеристикой способности вещества проводить электрический ток. Она связана с удельным электрическим сопротивлением металла прямо пропорциональной зависимостью.
Электрическое сопротивление меди в Ом⋅мм2/м составляет при температуре 20 градусов 0,017. По числовому значению это лишь незначительно меньше, чем у серебра.
Электрическая проводимость меди является величиной, обратной сопротивляемости, применяется для характеристики электротехнических свойств данного металла. Для ее измерения используют сименсы, соответствующие 1/Ом.
Получение меди
Поскольку медь проводит электричество, существует несколько способов изготовления данного металла. Полупроводниковую медь в настоящее время получают при гальванической очистке слитков в специальных электролитических ваннах. Большая часть медных изделий, применяемых в электротехнической промышленности, производится путем проката, волочения, прессовки.
При волочении создают провода, имеющие диаметр не больше 0,005 мм, тонкую фольгу, ленту до 0,1 мм.
Медная проводка востребована не только при возведении многоквартирных домов и офисных помещений, но и в частном строительстве.
Интересные сведения
Данный металл часто встречается в природе в виде крупных самородков. Еще в древние времена люди изготавливали из него украшения, посуду, оружие. Востребованность меди объясняется легкостью ее обработки, а также распространенностью в природе.
Первоначально процесс выделения металла из его соединений был достаточно примитивным, заключался в нагревании медной руды над костром, последующем резком охлаждении. Такая обработка приводила к растрескиванию кусков руды, что позволяло людям извлекать сам металл.
По мере совершенствования технологических процессов обработки металлических руд в костры стали подавать воздух, чтобы повышать температуру нагревания природного соединения. Постепенно процесс начали осуществлять в специальных конструкциях, которые стали прототипами современных шахтных печей.
Результаты археологических раскопок свидетельствую о том, что изделия из меди использовались уже в 10 тысячелетии до нашей эры.
Природные соединения
Медные провода для проводки в настоящее время изготавливают из нескольких видов руд, распространенных в природе. Например, в составе борнита — около 65 процентов металла, в халькозине – до 80 %, а в медном колчедане (халькопирите) количество меди не превышает 30 процентов.
Физические свойства
Высокая электрическая проводимость меди является одним из важнейших свойств данного металла. Его окраска меняется от бледно-розового оттенка до насыщенного красного цвета. Медь является переходным материалом, обладающим высокой тепло- и электропроводностью.
Линейное термическое расширение этого металла составляет 0,00000017 единицы. Медные изделия имеют при растяжении предел прочности 22 кг⋅с/мм2. Удельный вес металла — 8,94 г/см3, твердость по шкале Бринелля — 35 кгс/мм2. Среди важных физических характеристик данного металла следует отметить модуль упругости, составляющий 132 000 мН/м2.
Уникальными являются и магнитные свойства этого металла, являющегося полностью диамагнитным веществом.
Температурный коэффициент сопротивления меди при комнатной температуре равен 4,3 α (10-3/K).
Удельная проводимость, ковкость сделали данный металл востребованным в изготовлении различных элементов для электротехники. Схожими физическими характеристиками обладает алюминий, поэтому он является сырьем для создания кабелей, проводов в современном электротехническом производстве.
Химические свойства
Сопротивление меди, способность данного металла проводить электрический ток объясняются особенностями строения атома этого химического элемента. Медь располагается в побочной подгруппе первой группы таблицы Менделеева, является d-элементом.
Сопротивление меди связано с электронами, располагающимися на внешнем энергетическом уровне. Особенности строения объясняют и специфику химических свойств данного металла. При незначительной влажности медь является достаточно инертным веществом, не проявляет высокой химической активности.
При эксплуатации медных изделий в условиях высокой влажности и присутствия углекислого газа происходит окисление металла.
На поверхности изделия появляется зеленоватая пленка карбоната и гидроксида меди (2), а также разнообразные сернистые соединения. Данную пленку называют патиной, она помогает защищать изделие от последующего химического разрушения.
При повышении температурного значения происходит образование медной окалины (оксида), что негативно отражается на электрической проводимости.
Медь легко вступает во взаимодействие с элементами, относящимися к подгруппе галогенов.
Если внести в металл пары серы, наблюдается воспламенение. Медь инертна к азоту, водороду, углероду даже при повышенных температурных значениях.
Интерес с технической точки зрения представляет взаимодействие этого металла с солями железа, приводящими к его восстановлению. Это химическое свойство позволяет снимать с изделий медное напыление.
Медь образует разнообразные комплексные соединения, которые отличаются высокой стойкостью.
Области использования
Применение данного металла связано с его высокой электрической проводимостью. Например, из него выпускают кабель. Медь имеет небольшое сопротивление, уникальные магнитные свойства, легкую механическую обрабатываемость, поэтому востребована в инженерных коммуникациях и административных зданиях. Способность проводить тепло позволяет применять этот материал для создания тепловых трубок, систем охлаждения и отопления воздуха.
Именно медь – материал, который незаменим при производстве кулеров, используемых для понижения температуры персональных компьютеров. Металлические конструкции, которые содержат медные элементы, имеют незначительный вес, отличные декоративные свойства, поэтому подходят и для применения в архитектуре, и для изготовления разнообразных декоративных элементов в интерьере, и для создания электрических проводов.
Особенности проводников
Для того чтобы понять суть электрической проводимости, остановимся на характеристике проводников. К ним относятся материалы, способные проводить электрический ток. Медь относится к проводникам первого рода, поскольку при повышении температуры наблюдается снижение электрической проводимости. На качество проводникового материала влияют механические, тепловые, электрические свойства. Для такого металла, как медь, все эти показатели имеют неплохие значения, что делает металл востребованным в различных сферах электротехники.
Пластичность меди, легкость ее обработки, хорошая вязкость, химическая стойкость позволяют создавать из данного металла разные виды изделий для технических нужд.
Разновидности
Для изготовления черновой меди применяют электролитическое восстановление металла из раствора медного купороса. Чистый металл необходим для радио- и электротехники. В зависимости от процентного содержания примесей, выделяют марки: М0 и М1. В первом случае количественное содержание чистого металла составляет 99,95 процента, для второго варианта – 99,9 процента.
Среди основных физических свойств, которыми характеризуются данные марки меди, отметим:
- плотность 8900 кг/м3;
- температура плавления 1083 °С;
- высокая механическая прочность;
- отличная обрабатываемость;
- высокое удельное сопротивление 1,7241⋅10-8 Ом⋅м.
При введении примесей в состав чистого металла существенно увеличивается величина удельного сопротивления, при этом снижается электрическая проводимость.
Например, в случае введения 0,5 % алюминия и никеля удельное сопротивление возрастает на 40 процентов.
Заключение
Медь отличается от других проводников тока высокой электрической проводимостью, низким показателем сопротивления, что делает ее востребованной в современном электротехническом производстве.
Токопроводящие проводниковые жилы, кабели, фольгированный гетинакс для печатных устройств, листы, полосы, проволока — это далеко не полный перечень тех изделий, которые создают из меди.
Помимо широкого использования самого металла применение находят и ее основные сплавы. К примеру, кадмиевая бронза используется для создания коллекторных пластин и электрических контактов.
Фосфористая бронза нужна для производства пружин в аппаратах и электронных приборах. Смесь меди с бериллием позволяет создавать зажимы, скользящие контакты, токоведущие пружины.
Оловянистую бронзу называют телефонной, поскольку именно из нее создают проволоку, используемую для телефонного кабеля.
Из медно-цинковых сплавов производят полосы и листы. Данный материал имеет большее удельное электрическое сопротивление, поэтому сплав обладает большой прочностью.
Среди многочисленных сфер применения меди особое значение представляет электротехническая промышленность. Из этого металла создают электрические провода разного диаметра, размера, подходящие для изготовления современных электрических и радиоприборов высочайшей точности. Для повышения электрической проводимости инженеры следят за чистотой металла, не допускают проникновения дополнительных примесей.
Электрическая проводимость меди. Медь: характеристика
Образование 5 августа 2017Электрическая проводимость меди напрямую зависит от наличия в этом металле разнообразных примесей. Даже в случае добавления к нему небольшого количества мышьяка, сурьмы происходит резное падение величины электрической проводимости. Но не оказывает существенного влияния на эту физическую величину свинец, теллур, селен, мышьяк.
Особенности понятия
Электрическая проводимость меди ненамного меньше, чем у серебра, что делает этот металл востребованным в современной электротехнике.
Данная физическая величина является характеристикой способности вещества проводить электрический ток. Она связана с удельным электрическим сопротивлением металла прямо пропорциональной зависимостью.
Электрическое сопротивление меди в Ом⋅мм2/м составляет при температуре 20 градусов 0,017. По числовому значению это лишь незначительно меньше, чем у серебра.
Электрическая проводимость меди является величиной, обратной сопротивляемости, применяется для характеристики электротехнических свойств данного металла. Для ее измерения используют сименсы, соответствующие 1/Ом.
Получение меди
Поскольку медь проводит электричество, существует несколько способов изготовления данного металла. Полупроводниковую медь в настоящее время получают при гальванической очистке слитков в специальных электролитических ваннах. Большая часть медных изделий, применяемых в электротехнической промышленности, производится путем проката, волочения, прессовки.
При волочении создают провода, имеющие диаметр не больше 0,005 мм, тонкую фольгу, ленту до 0,1 мм.
Медная проводка востребована не только при возведении многоквартирных домов и офисных помещений, но и в частном строительстве.
Интересные сведения
Данный металл часто встречается в природе в виде крупных самородков. Еще в древние времена люди изготавливали из него украшения, посуду, оружие. Востребованность меди объясняется легкостью ее обработки, а также распространенностью в природе.
Первоначально процесс выделения металла из его соединений был достаточно примитивным, заключался в нагревании медной руды над костром, последующем резком охлаждении. Такая обработка приводила к растрескиванию кусков руды, что позволяло людям извлекать сам металл.
По мере совершенствования технологических процессов обработки металлических руд в костры стали подавать воздух, чтобы повышать температуру нагревания природного соединения. Постепенно процесс начали осуществлять в специальных конструкциях, которые стали прототипами современных шахтных печей.
Результаты археологических раскопок свидетельствую о том, что изделия из меди использовались уже в 10 тысячелетии до нашей эры.
Природные соединения
Медные провода для проводки в настоящее время изготавливают из нескольких видов руд, распространенных в природе. Например, в составе борнита — около 65 процентов металла, в халькозине – до 80 %, а в медном колчедане (халькопирите) количество меди не превышает 30 процентов.
Физические свойства
Высокая электрическая проводимость меди является одним из важнейших свойств данного металла. Его окраска меняется от бледно-розового оттенка до насыщенного красного цвета. Медь является переходным материалом, обладающим высокой тепло- и электропроводностью.
Линейное термическое расширение этого металла составляет 0,00000017 единицы. Медные изделия имеют при растяжении предел прочности 22 кг⋅с/мм2. Удельный вес металла — 8,94 г/см3, твердость по шкале Бринелля — 35 кгс/мм2. Среди важных физических характеристик данного металла следует отметить модуль упругости, составляющий 132 000 мН/м2.
Уникальными являются и магнитные свойства этого металла, являющегося полностью диамагнитным веществом.
Температурный коэффициент сопротивления меди при комнатной температуре равен 4,3 α (10-3/K).
Удельная проводимость, ковкость сделали данный металл востребованным в изготовлении различных элементов для электротехники. Схожими физическими характеристиками обладает алюминий, поэтому он является сырьем для создания кабелей, проводов в современном электротехническом производстве.
Химические свойства
Сопротивление меди, способность данного металла проводить электрический ток объясняются особенностями строения атома этого химического элемента. Медь располагается в побочной подгруппе первой группы таблицы Менделеева, является d-элементом.
Сопротивление меди связано с электронами, располагающимися на внешнем энергетическом уровне. Особенности строения объясняют и специфику химических свойств данного металла. При незначительной влажности медь является достаточно инертным веществом, не проявляет высокой химической активности.
При эксплуатации медных изделий в условиях высокой влажности и присутствия углекислого газа происходит окисление металла.
На поверхности изделия появляется зеленоватая пленка карбоната и гидроксида меди (2), а также разнообразные сернистые соединения. Данную пленку называют патиной, она помогает защищать изделие от последующего химического разрушения.
При повышении температурного значения происходит образование медной окалины (оксида), что негативно отражается на электрической проводимости.
Медь легко вступает во взаимодействие с элементами, относящимися к подгруппе галогенов.
Если внести в металл пары серы, наблюдается воспламенение. Медь инертна к азоту, водороду, углероду даже при повышенных температурных значениях.
Интерес с технической точки зрения представляет взаимодействие этого металла с солями железа, приводящими к его восстановлению. Это химическое свойство позволяет снимать с изделий медное напыление.
Медь образует разнообразные комплексные соединения, которые отличаются высокой стойкостью.
Области использования
Применение данного металла связано с его высокой электрической проводимостью. Например, из него выпускают кабель. Медь имеет небольшое сопротивление, уникальные магнитные свойства, легкую механическую обрабатываемость, поэтому востребована в инженерных коммуникациях и административных зданиях. Способность проводить тепло позволяет применять этот материал для создания тепловых трубок, систем охлаждения и отопления воздуха.
Именно медь – материал, который незаменим при производстве кулеров, используемых для понижения температуры персональных компьютеров. Металлические конструкции, которые содержат медные элементы, имеют незначительный вес, отличные декоративные свойства, поэтому подходят и для применения в архитектуре, и для изготовления разнообразных декоративных элементов в интерьере, и для создания электрических проводов.
Особенности проводников
Для того чтобы понять суть электрической проводимости, остановимся на характеристике проводников. К ним относятся материалы, способные проводить электрический ток. Медь относится к проводникам первого рода, поскольку при повышении температуры наблюдается снижение электрической проводимости. На качество проводникового материала влияют механические, тепловые, электрические свойства. Для такого металла, как медь, все эти показатели имеют неплохие значения, что делает металл востребованным в различных сферах электротехники.
Пластичность меди, легкость ее обработки, хорошая вязкость, химическая стойкость позволяют создавать из данного металла разные виды изделий для технических нужд.
Разновидности
Для изготовления черновой меди применяют электролитическое восстановление металла из раствора медного купороса. Чистый металл необходим для радио- и электротехники. В зависимости от процентного содержания примесей, выделяют марки: М0 и М1. В первом случае количественное содержание чистого металла составляет 99,95 процента, для второго варианта – 99,9 процента.
Среди основных физических свойств, которыми характеризуются данные марки меди, отметим:
- плотность 8900 кг/м3;
- температура плавления 1083 °С;
- высокая механическая прочность;
- отличная обрабатываемость;
- высокое удельное сопротивление 1,7241⋅10-8 Ом⋅м.
При введении примесей в состав чистого металла существенно увеличивается величина удельного сопротивления, при этом снижается электрическая проводимость.
Например, в случае введения 0,5 % алюминия и никеля удельное сопротивление возрастает на 40 процентов.
Заключение
Медь отличается от других проводников тока высокой электрической проводимостью, низким показателем сопротивления, что делает ее востребованной в современном электротехническом производстве.
Токопроводящие проводниковые жилы, кабели, фольгированный гетинакс для печатных устройств, листы, полосы, проволока — это далеко не полный перечень тех изделий, которые создают из меди.
Помимо широкого использования самого металла применение находят и ее основные сплавы. К примеру, кадмиевая бронза используется для создания коллекторных пластин и электрических контактов.
Фосфористая бронза нужна для производства пружин в аппаратах и электронных приборах. Смесь меди с бериллием позволяет создавать зажимы, скользящие контакты, токоведущие пружины.
Оловянистую бронзу называют телефонной, поскольку именно из нее создают проволоку, используемую для телефонного кабеля.
Из медно-цинковых сплавов производят полосы и листы. Данный материал имеет большее удельное электрическое сопротивление, поэтому сплав обладает большой прочностью.
Среди многочисленных сфер применения меди особое значение представляет электротехническая промышленность. Из этого металла создают электрические провода разного диаметра, размера, подходящие для изготовления современных электрических и радиоприборов высочайшей точности. Для повышения электрической проводимости инженеры следят за чистотой металла, не допускают проникновения дополнительных примесей.
Источник: fb.ruПроводниковые материалы: медь, алюминий, бронза, латунь.
Проводниковые материалы
1. Общие сведения
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 весьма узок и составляет от 0,016 мкОм×м для серебра до 1,6 мкОм×м для жаростойких железохромоалюминиевых сплавов.
Электрическое сопротивление графита с увеличением температуры проходит через минимум с последующим постепенным повышением.
По роду применения проводниковые материалы подразделяются на группы:
· проводники с высокой проводимостью — металлы для проводов линий электропередачи 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.
2. Медь
Чистая медь по электрической проводимости занимает следующее 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 окиси CuO, препятствующим дальнейшему окислению меди. Коррозию меди вызывают сернистый газ SO2, сероводород h3S, аммиак Nh4, окись азота NO, пары азотной кислоты и некоторые другие реактивы.
Проводниковую медь получают из слитков путем гальванической очистки ее в электролитических ваннах. Примеси даже в ничтожных количествах, резко снижают электропроводность меди, делая ее малопригодной для проводников тока, поэтому в качестве электротехнической меди применяют лишь две ее марки М0 и М1.
Почти все изделия из проводниковой меди изготавливаются 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 °C 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 и 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.
3. Латуни
Сплавы меди с цинком, называемые латунями, широко используются в электротехнике. Цинк растворяется в меди в пределах до 39%.
В различных марках латуни содержание цинка может доходить до 43%. Латуни, содержащие до 39% цинка, имеют однофазную структуру твердого раствора и называются a-латунями. Эти латуни обладают наибольшей пластичностью, поэтому 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 a+b-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.
· латуни марок Л68 и Л63 вследствие высокой пластичности хорошо штампуются и допускают гибку, легко паяются всеми видами припоев. В электромашиностроении широко применяются 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 применяется для литых токоведущих деталей повышенной механической прочности и твердости, не требующих пайки мягкими припоями;
· латуни ЛК80-3Л и ЛС59-1Л широко применяются для литых токоведущих деталей электрической аппаратуры, для щеткодержателей и для заливки роторов асинхронных двигателей. Хорошо воспринимают пайку различными припоями.
4. Проводниковые бронзы
Проводниковые бронзы относятся к медным сплавам, необходимость применения которых в основном вызвана недостаточной в ряде случаев 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 числа 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 °C, 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: токоведущие пружины, отдельные виды щеткодержателей, скользящие контакты в различных приборах, штепсельные разъемы и т.п.;
· 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, где основными легирующими элементами являются Al, Mn, Fe, Pb, Ni.
5. Алюминий
Характерными свойствами чистого алюминия является его малый удельный вес, низкая температура плавления, высокая тепловая и электрическая проводимость, высокая пластичность, очень большая скрытая теплота плавления и прочная, хотя и очень тонкая пленка окиси, 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, чем у меди, 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 окиси 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, являющихся благородными по электрохимическому ряду 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 путем.
Длительные испытания проводов из алюминия показали, что они в отношении устойчивости против коррозии не уступают медным.
Таблица 1. Основные характеристики проводниковых материалов
Материал | Плотность, кг/м3·103 | Температура плавления, °C | Удельное электрическое сопротивление при 20 °C, Ом×м·10–6 | Средний температурный коэффициент сопротивления от 0 до 100 °C, 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 | 3·10–2 | Провода, кабели, шины |
Олово | 7,3 | 232 | 0,114—0,120 | 4,4·10–3 | Припои для лужения и пайки в сплаве со свинцом |
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 и аппаратов |
Сталь | 7,8 | 1400 | 0,103—0,137 | 62·10–2 | Шины заземления |
Таблица 2. Сопротивление металлов или сплавов по сравнению с медью
Металл или сплав | Сопротивление по сравнению с медью | Металл или сплав | Сопротивление по сравнению с медью |
Серебро | 0,9 | Олово | 8,5 |
Медь | 1,0 | Сталь | 12 |
Хром | 1,6 | Свинец | 13 |
Алюминий | 1,67 | Нейзильбер | 17 |
Магний | 2,8 | Никелин | 25 |
Молибден | 2,9 | Манганин | 26 |
Вольфрам | 3,6 | Реотан | 28 |
Цинк | 3,7 | Константан | 29 |
Латунь | 4,5 | Чугун | 30 |
Платина | 5,5 | Ртуть | 60 |
Кобальт | 6,0 | Нихром | 60 |
Никель | 6,5 | Уголь | 15000 |
Железо | 7,7 |
Таблица 3. Изменение сопротивления медных проводов при нагревании (сопротивление при 15 °C принято за единицу)
Температура, °C (десятки) | Температура, °C (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 |
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 температурах нагрева. Например, для подсчета сопротивления при температуре 44 °C надо по вертикали взять температуру 40 °C и по горизонтали поправку на 4 °C: получается изменение сопротивления в 1,116 раза. | ||||||||||
