Site Loader
Posted on 03.03.1986

Содержание

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 шахтной печи. 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 электропроводность металлов 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.

Электропроводность медных сплавов

Сплав

Состояние (О — отожженная, Т-твердотянутая)

Электропроводность (%)

Чистая медь

О

101

Т

98

Оловянная бронза (0.75 %)

О

55-60

Т

50-55

Кадмиевая бронза (0.9 %)

О

95

Т

83-90

Алюминиевая бронза (2,5 % А1, 2 % Sn)

О

15-18

Т

15-18

Фосфористая бронза (7 % Sn, 0,1 % Ρ)

О

10-15

Т

10-15

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

Удельная электропроводность меди — 59 500 000 См/м. Этот показатель, как уже упоминалось, верен, однако только при температуре +20 оС. 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 = π2 / 3 (k/e)2T, 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 СССР проводка изготавливалась в основном из дешевого алюминия. Новым требованиям ее эксплуатационные характеристики, к сожалению, уже не соответствуют. Поэтому сегодня в быту и в промышленности очень часто алюминиевые провода меняются на медные. Основным преимуществом последних, помимо тугоплавкости, является то, что при окислительном процессе их токопроводящие свойства не уменьшаются.

Часто при модернизации электросетей алюминиевые и медные провода приходится соединять. Делать это напрямую нельзя. Собственно, электропроводность алюминия и меди различается не слишком сильно. Но только у самих этих металлов. Окислительные же пленки у алюминия и меди свойства имеют неодинаковые. Из-за этого значительно снижается проводимость в месте соединения. Окислительная пленка у алюминия отличается гораздо большим сопротивлением, чем у меди. Поэтому соединение этих двух разновидностей проводников должно производиться исключительно через специальные переходники. Это могут быть, к примеру, зажимы, содержащие пасту, защищающую металлы от появления окиси. Данный вариант переходников обычно используется при соединении проводов на улице. В помещениях чаще применяются ответвительные сжимы. В их конструкцию входит специальная пластина, исключающая прямой контакт между алюминием и медью. При отсутствии таких проводников в бытовых условиях вместо скручивания проводов напрямую рекомендуется использовать шайбу и гайку в качестве промежуточного «мостика».

Физические свойства

Таким образом, мы выяснили, какая электропроводность у меди. Показатель этот может меняться в зависимости от входящих в состав этого металла примесей. Однако востребованность меди в промышленности определяется и другими ее полезными физическими свойствами, получить информацию о которых можно из представленной ниже таблицы.

Физические характеристики Cu

Параметр

Значение

Решетка

Гранецентрированная кубическая, а=3.6074 Å

Атомный радиус

1,28 Å

Удельная теплоемкость

385,48 дж/(кг·К) при +20 оС

Теплопроводность

394,279 вт/(м·К) при +20 оС

Электрическое сопротивление

1,68·10-8 Ом·м

Коэффициент линейного расширения

17,0·10-6

Твердость

350 Мн/м2

Предел прочности при растяжении

220 Мн/м2

Химические свойства

По таким характеристикам медь, электропроводность и теплопроводность которой очень высокие, занимает промежуточное положение между элементами первой триады восьмой группы и щелочными первой группы таблицы Менделеева. К основным ее химическим свойствам относят:

Наиболее характерным для меди является двухвалентное состояние. Сходства с щелочными металлами она не имеет практически никакого. Химическая активность ее также невелика. В присутствии СО2 или же влаги на поверхности меди образуется зеленая карбонатная пленка. Все соли меди являются ядовитыми веществами. В одно- и двухвалентном состоянии этот металл образует очень устойчивые комплексные соединения. Наибольшее значение для промышленности имеют аммиачные.

Сфера использования

Высокая тепло- и электропроводность меди определяет ее широкое применение в самых разных отраслях промышленности. Конечно же, чаще всего этот металл используется в электротехнике. Однако это далеко не единственная сфера его применения. Помимо всего прочего, медь может использоваться:

Для изготовления разного рода ювелирных изделий используется в основном сплав меди с золотом. Это позволяет увеличить стойкость украшений к деформациям и истиранию. В архитектуре медь может использоваться при облицовке кровель и фасадов. Основным преимуществом такой отделки является долговечность. К примеру, листами именно этого металла обшита крыша широко известной архитектурной достопримечательности — католического собора в немецком городе Хильдесхайме. Медная кровля этого здания надежно защищает его внутреннее пространство вот уже почти 700 лет.

Инженерные коммуникации

Основными преимуществами медных водопроводов также являются долговечность и надежность. Кроме того, этот металл способен придавать воде особые уникальные свойства, делая ее полезной для организма. Для сборки газопроводов и систем отопления медные трубы также подходят идеально — в основном благодаря своей коррозийной стойкости и пластичности. При аварийном повышении давления такие магистрали способны выдерживать гораздо большую нагрузку, чем стальные. Единственным недостатком медных трубопроводов является их дороговизна.

Медь или Сu(29)

Медь — металл розово-красного цвета, относится к группе тяжелых металлов, является отличным проводником тепла и электрического тока. Электропроводность меди в 1,7 раза выше, чем у алюминия, и в 6 раз выше, чем у железа.

Медь. Она имеет характерный красноватый цвет, в природе встречается в виде сернистых соединений, в окислах и очень редко в чистом виде. Медь маркируют буквой М. В зависимости от чистоты меди (ГОСТ 859-2001). Самая чистая медь — содержит 99,99% меди и 0,01% примесей. Благодаря высокой пластичности медь хорошо обрабатывается давлением в холодном и горячем состоянии. Она обладает хорошей электропроводностью. Из нее изготовляют проводники электрического тока — провода и кабели.

Химические свойства меди

Медь — малоактивный металл, который не взаимодействует с водой, растворами щелочей, соляной и разбавленной серной кислотой. Однако, медь растворяется в сильных окислителях (например, азотной и концентрированной серной).

Медь обладает достаточно высокой стойкостью к коррозии. Однако, во влажной атмосфере, содержащей углекислый газ, поверхность металла покрывается зеленоватым налетом (патиной).

Основные физические свойства меди

Температура плавления °C

1084

Температура кипения °C

2560

Плотность, γ при 20°C, кг/м³

8890

Удельная теплоемкость при постоянном давлении, Ср при 20°C, кДж/(кг•Дж)

385

Температурный коэффициент линейного расширения, а•106 от 20 до 100°C, К-1

16,8

Удельное электрическое сопротивление, р при 20°C, мкОм•м

0,01724

Теплопроводность λ при 20°C, Вт/(м•К)

390

Удельная электрическая проводимость, ω при 20°C, МОм/м

58

Механические свойства меди

Свойства

Состояние

Деформированное

Отожженное 

Предел прочности на разрыв, σ МПа

340 — 450

220 — 245

Относительное удлинение после разрыва, δ ψ%

4 — 6

45 — 55

Относительное сужение, после разрыва, %

40 — 60

65 — 80

Твердость по Бринеллю, НВ

90 — 110

35 — 55

При отрицательных температурах медь имеет более высокие прочностные свойства и более высокую пластичность, чем при температуре 20°С. Признаков холодноломкости техническая медь не имеет. С понижением температуры увеличивается предел текучести меди и резко возрастает сопротивление пластической деформации.

Применение меди

Такие свойства меди, как электропроводность и теплопроводность, обусло- вили основную область применения меди — электротехническая промыш- ленность, в частности, для изготовления проводов, электродов и т. д. Для этой цели применяется чистый металл (99,98-99,999%), прошедший электролитическое рафинирование. 

Медь обладает многочисленными уникальными свойствами: устойчивостью к коррозии, хорошей технологичностью, достаточно долгим сроком службы, прекрасно сочетается с деревом, природным камнем, кирпичом и стеклом. Благодаря своим уникальным свойствам, с древнейших времен этот металл используется в строительстве: для кровли, украшения фасадов зданий и т. д. Срок службы медных строительных конструкций исчисляется сотнями лет. Кроме этого, из меди изготовлены детали химической аппаратуры и инструмент для работы с взрывоопасными или легковоспламеняющимися веществами.

 

Очень важная область применения меди — производство сплавов. Один из самых полезных и наиболее употребляемых сплавов — латунь (или желтая медь). Ее главные составные части: медь и цинк. Добавки других элементов позволяют получать латуни с самыми разнообразными свойствами. Латунь тверже меди, она ковкая и вязкая, потому легко прокатывается в тонкие листы или выштамповывается в самые разнообразные формы. Одна беда: она со временем чернеет. 

С древнейших времен известна бронза. Интересно, что бронза более легкоплавка по сравнению с медью, но по своей твердости превосходит отдельно взятые чистые медь и олово. Если еще 30-40 лет назад бронзой называли только сплавы меди с оловом, то сегодня уже известны алюминиевые, свинцовые, кремниевые, марганцевые, бериллиевые, кадмиевые, хромовые, циркониевые бронзы.

Медные сплавы, так же как и чистая медь, с давних пор используются для производства различных орудий, посуды, применяются в архитектуре и искусстве. 

Медные чеканки и бронзовые статуи украшали жилище людей с древних времен. До наших дней сохранились изделия из бронзы мастеров Древнего Египта, Греции, Китая. Большими мастерами в области бронзового литья были японцы. Гигантская фигура Будды в храме Тодайдзи, созданная в VIII веке, весит более 400 тонн. Чтобы отлить такую статую, требовалось поистине выдающееся мастерство.

  1. Алюминий, свойства, применение.

Алюминий. Алюминий — мягкий металл белого цвета. Он добывается путем электролиза из алюминиевой руды — бокситов и хорошо поддается прокатке и ковке. Особенностями алюминия являются легкость, хорошая электропроводность (60% электропроводности меди) и высокая коррозийная стойкость.

По ГОСТ 3549-55 алюминий выпускается нескольких марок. Самой высокой по чистоте является марка АВ0000, содержащая 99,996% алюминия. Из алюминия изготовляют провода, кабели, змеевики (испарители) в холодильниках и т. д. Окислы алюминия безвредны.

   Алюминий характеризуется высокой электро- и теплопроводностью, коррозионной стойкостью, пластичностью, морозостойкостью. Важнейшим свойством алюминия является его  малая плотность (примерно 2.70 г/куб.см).  Температура плавления алюминия около 660 С.

       Физико-химические, механические и технологические свойства алюминия очень сильно зависят от вида и количества примесей, ухудшая большинство свойств чистого металла.  Основными естественными примесями в алюминии являются железо и кремний.  Железо, например, присутствуя в виде самостоятельной фазы Fe-Al,  снижает электропроводность и коррозионную стойкость, ухудшает пластичность, но несколько повышает прочность алюминия.

        В зависимости от степени очистки первичный алюминий разделяют на алюминий  высокой и технической чистоты (ГОСТ 11069-2001). К техническому алюминию относятся также марки с маркировкой АД, АД1, АД0, АД00 (ГОСТ 4784-97).  Технический алюминий всех марок получают электролизом криолит-глиноземных расплавов. Алюминий высокой чистоты получают дополнительной очисткой технического алюминия. Особенности свойств алюминия высокой и особой чистоты рассмотрены в книгах

лектропроводность

.

       Важнейшее свойство алюминия – высокая электропроводность, по которой он уступает только серебру, меди и золоту. Сочетание высокой электропроводности с малой плотностью позволяет алюминию конкурировать с  медью в сфере кабельно-проводниковой продукции.

       На электропроводность алюминия кроме железа и кремния сильно влияет хром, марганец, титан. Поэтому в алюминии, предназначенном для изготовления проводников тока, регламентируется содержание ещё нескольких примесей. Так, в алюминии марки А5Е при допускаемом содержании железа 0.35%, а кремния  0.12%, сумма примесей Cr+V+Ti+Mn не должна превышать всего лишь 0.01%.

     Электропроводность зависит от состояния материала. Длительный отжиг при 350 С улучшает проводимость, а нагартовка  проводимость ухудшает.

     Величина удельного электрического сопротивления при температуре 20 С составляет  Ом*мм2/м или мкОм*м :

0. 0277  –  отожженная проволока из алюминия марки А7Е

0.0280 –  отожженная проволока из алюминия марки А5Е

0.0290 – после прессования, без термообработки из алюминия марки АД0

     Таким образом удельное электросопротивление проводников из алюминия примерно в 1.5 раза выше электросопротивления медных проводников. Соответственно электропроводность (величина обратная удельному сопротивлению)  алюминия составляет 60-65% от электропроводности меди. Электропроводность алюминия растет с уменьшением количества примесей.

      Температурный коэффициент электросопротивления алюминия (0.004) приблизительно такой же, как у меди.

       Теплопроводность

      Теплопроводность алюминия при 20 С составляет примерно 0.50 кал/см*с*С и возрастает с увеличением чистоты металла. По теплопроводности алюминий уступает только серебру и меди (примерно 0.90), втрое превышая теплопроводность малоуглеродистой стали. Это свойство определяет применение алюминия в радиаторах охлаждения и теплообменниках.

 

      Другие физические свойства.

     Алюминий имеет очень высокую удельную теплоемкость (примерно 0.22 кал/г*С). Это значительно больше, чем для большинства металлов (у меди – 0.09). Удельная теплота плавления также очень высока (примерно 93 кал/г). Для сравнения – у меди и железа эта величина составляет примерно 41-49 кал/г.

     Отражательная способность алюминия сильно зависит от его чистоты. Для алюминиевой фольги чистотой 99.2% коэфициент отражения белого света равен 75%, а для фольги с содержанием алюминия 99.5% отражаемость составляет уже 84%.

        Коррозионные свойства алюминия.

       Сам по себе алюминий является очень химически активным металлом. С этим связано его применение в алюмотермии и в производстве ВВ. Однако на воздухе алюминий покрывается тонкой (около микрона), пленкой окиси алюминия. Обладая высокой прочностью и химической инертностью, она защищает алюминий от дальнейшего окисления и определяет его высокие антикоррозионные свойства во многих средах.

ехнологические свойства. 

      Высокая пластичность алюминия позволяет производить фольгу (толщиной до 0.004 мм),  изделия глубокой вытяжкой, использовать его для заклепок.

      Алюминий технической чистоты при высоких температурах проявляет хрупкость.

      Обрабатываемость резанием очень низкая.

      Температура рекристаллизационного отжига 350-400 С, температура отпуска – 150 С.

      Свариваемость.

      Трудности сварки алюминия обусловлены 1) наличием прочной инертной окисной пленки, 2) высокой теплопроводности.

      Тем не менее алюминий считается хорошо свариваемым металлом. Сварной шов имеет прочность основного металла (в отожженном состоянии) и такие же коррозионные свойства. Подробно о сварке алюминия см., например, www.weldingsite.com.ua.

 

       Применение.

      Из-за низкой прочности алюминий применяется только для ненагруженных элементов конструкций, когда важна высокая электро- или теплопроводность, коррозионная стойкость, пластичность или свариваемость. Соединение деталей осуществляется сваркой или заклепками. Технический алюминий применяется как для литья, так и для производства проката.

  1. Сплавы на основе меди, марки, применение.

В настоящее время считается, что бронзовому веку предшествовал период, когда оружие и инструменты человек делал из меди. В то же время из употребления не исчезли еще кремниевые орудия, поэтому его называют каменно-медным веком.

Трудно установить точно, когда именно люди начали добывать и обрабатывать металлы. Можно лишь предположить, какие из металлов первыми нашли применение. Очевидно, это были металлы, которые в природе встречаются в виде самородков. К таким наиболее распространенным металлам относятся медь и золото. Скорее всего, золото и было первым металлом, который люди начали использовать. Однако из-за низких механических свойств изготовлять орудия труда или оружие было нецелесообразно. Поэтому, очевидно, первые мелкие изделия, такие как наконечники для стрел и копий, выковывали из найденных самородков меди. Было обнаружено, что при холодной ковке медь не только принимает нужную форму, но и становится тверже. Затем люди открыли, что упрочненный ковкой металл можно снова сделать мягким, нагрев его на огне. В дальнейшем люди научились плавить медь и отливать ее в определенные формы. 

Однако медь при всех своих достоинствах имела существенный недостаток – медные орудия труда и инструменты быстро затуплялись. Даже в холодноупрочненном состоянии свойства меди были не настолько высоки, чтобы заменить изделия из камня.  

Решающую роль в этом направлении сыграли сплавы меди с другими элементами (бронзы). Основными преимуществами сплавов по сравнению с медью были их лучшие литейные свойства, значительно более высокие твердость и прочность, более сильное упрочнение при холодной деформации.

Наиболее распространенными леги­ру­ющими элементами в меди являются цинк, алюминий, олово, железо, кремний, мар­га­нец, бериллий, никель, которые существен­но повышают ее прочностные свойства. На рис. 66 показано влияние некоторых ле­гирующих элементов на предел прочности меди sв, МПа. Легирующие элементы, по­вы­шая прочность, практически не снижают, а некоторые из них (алюминий, цинк, олово) даже повышают пластичность.

Медные сплавы, как и сплавы на основе алюминия, подразделяются на де­фор­ми­ру­емые и литейные, термически неупрочняемые. Однако наиболее часто медные спла­вы делят на латуни и бронзы (рис. 67).

Латунями называются сплавы на основе меди, в которых главным легирующим элементом является цинк. Бронзы – все сплавы меди (кроме латуней) с легирующими элементами.

Обозначение медных сплавов. Медные сплавы маркируются по химическому составу. Для этого используются буквы (табл. 12), обозначающие легирующие элементы и числа, показывающие количество элементов в массовых процентах (мас. %).

Таблица 12

 

Электропроводность металлов | PHYWE