Klasifikace materiálů podle jejich schopnosti vést elektrický proud.

Mezi vodivé materiály v elektrotechnice patří kovy, jejich slitiny, kontaktní kovokeramické kompozice a elektrický uhlík. Kovové látky jsou vodiče prvního druhu a vyznačují se elektronickou vodivostí; Hlavním parametrem je pro ně měrný elektrický odpor jako funkce teploty.

Rozsah měrných odporů kovových vodičů je velmi úzký a pohybuje se od 0,016 μOhm×m u stříbra do 1,6 μOhm×m u žáruvzdorných slitin železa, chromu a hliníku.

Elektrický odpor grafitu prochází minimem s rostoucí teplotou, následuje postupný nárůst.

Podle typu aplikace se vodivé materiály dělí do skupin:

· vodiče s vysokou vodivostí — kovy pro dráty vedení pro přenos energie a pro výrobu kabelů, navíjecích a instalačních drátů pro vinutí transformátorů, elektrické stroje, zařízení, indukční cívky atd.;

· stavební materiály — bronz, mosaz, slitiny hliníku atd., používané k výrobě různých částí pod proudem;

· vysoce odolné slitiny — určené k výrobě přídavných odporů pro měřicí přístroje, standardní odporové a odporové skříně, reostaty a prvky topných zařízení, jakož i slitiny pro termočlánky, kompenzační dráty atd.;

· kontaktní materiály — používá se pro dvojice trvalých, vypínacích a posuvných kontaktů;

· materiály pro pájení všechny druhy vodivých materiálů.

Vodivé materiály musí mít kromě čistě elektrických vlastností pro provedení potřebného technologického zpracování a zajištění stanovené životnosti v provozu dostatečnou tepelnou odolnost, mechanickou pevnost a plasticitu.

2. Měď

Z hlediska elektrické vodivosti se čistá měď řadí hned vedle stříbra, které má nejvyšší vodivost ze všech známých vodičů. Vysoká vodivost a odolnost vůči atmosférické korozi v kombinaci s vysokou tažností činí z mědi hlavní materiál pro dráty.

Na vzduchu měděné dráty pomalu oxidují a pokrývají se tenkou vrstvou oxidu CuO, která brání další oxidaci mědi. Korozi mědi způsobuje oxid siřičitý SO2, sirovodík H2S, amoniak NH3, oxid dusíku NO, páry kyseliny dusičné a některá další činidla.

Vodičová měď se získává z ingotů galvanickým čištěním v elektrolytických lázních. Dokonce i stopová množství nečistot prudce snižují elektrickou vodivost mědi, což ji činí nevhodnou pro proudové vodiče, a proto se jako elektrická měď používají pouze dva druhy mědi, M0 a M1.

Téměř všechny výrobky z vodivé mědi se vyrábějí válcováním, lisováním a tažením. Tažením tak lze vyrábět dráty do průměru 0,005 mm, pásky do tloušťky 0,1 mm a měděnou fólii do tloušťky 0,008 mm.

Vodičová měď se používá jak v žíhané formě po zpracování za studena (měkká měď jakost MM), tak bez žíhání (tvrdá měď jakost MT).

Při teplotách tepelného zpracování nad 900 °C dochází vlivem intenzivního růstu zrn k prudkému zhoršení mechanických vlastností mědi.

Pro zvýšení meze tečení a tepelné stability je měď legována stříbrem v rozsahu 0,07-0,15%, dále hořčíkem, kadmem, zirkonem a dalšími prvky.

Měď se stříbrnou příměsí se používá pro vinutí rychloběžných a žáruvzdorných vysokovýkonných strojů a měď legovaná různými prvky se používá v komutátorech a sběracích kroužcích silně zatěžovaných strojů.

3. Mosaz

Slitiny mědi a zinku, nazývané mosaz, jsou široce používány v elektrotechnice. Zinek se rozpouští v mědi na úroveň až 39 %.

V různých značkách mosazi může obsah zinku dosahovat až 43 %. Mosaz obsahující až 39 % zinku má jednofázovou strukturu pevného roztoku a nazývá se a-mosaz. Tyto mosazi mají největší tažnost, proto se z nich vyrábějí díly válcováním za tepla nebo za studena a tažením: plechy, pásy, drát. Bez ohřevu lze z mosazného plechu pomocí hlubokého tažení a lisování vyrábět díly složitých konfigurací.

Mosazi s obsahem zinku nad 39 % se nazývají a+b-mosaz nebo dvoufázové a používají se především na tvarové odlitky.

Dvoufázová mosaz je tvrdší a křehčí a lze ji lisovat pouze za tepla.

Přídavek cínu, niklu a manganu do mosazi zvyšuje mechanické vlastnosti a antikorozní odolnost a přídavek hliníku ve složení se železem, niklem a manganem dodává mosazi kromě zlepšení mechanických vlastností a odolnosti proti korozi vysokou tvrdost. . Přítomnost hliníku v mosazích však ztěžuje pájení a pájení měkkými pájkami se stává téměř nemožným.

· mosaz třídy L68 a L63 Díky vysoké tažnosti se snadno lisují a lze je snadno pájet všemi druhy pájek. V elektrotechnice jsou široce používány pro různé živé části;

· mosaz jakosti LS59-1 a LMTs58-2 používá se pro výrobu rotorových (veverkových) klecí elektromotorů a pro díly pod proudem vyrobené řezáním a lisováním za tepla; dobře pájené různými pájkami;

· mosaz LA67-2,5 používá se pro odlévané díly pod proudem se zvýšenou mechanickou pevností a tvrdostí, které nevyžadují pájení měkkými pájkami;

· mosaz LK80-3L a LS59-1L široce používané pro lité části elektrických zařízení pod proudem, pro držáky kartáčů a pro odlévání rotorů asynchronních motorů. Dobře přijímají pájení různými pájkami.

4. Vodičové bronzy

Vodičové bronzy jsou slitiny mědi, jejichž potřeba je způsobena především nedostatečnou mechanickou pevností a v některých případech tepelnou stabilitou čisté mědi.

Obecný sortiment bronzů je poměrně rozsáhlý, ale pouze několik druhů bronzu má vysokou elektrickou vodivost.

· kadmiový bronz odkazuje na nejběžnější vodičové bronzy. Kadmium bronz má ze všech druhů nejvyšší elektrickou vodivost. Díky své zvýšené otěruvzdornosti a vyšší tepelné odolnosti je tento bronz široce používán pro výrobu trolejových drátů a kolektorových desek;

· beryliový bronz se týká slitin, které získávají pevnost v důsledku stárnutí. Má vysoké elastické vlastnosti, stabilní při zahřátí na 250 °C a elektrickou vodivost 2-2,5krát větší než vodivost jiných druhů univerzálních bronzů. Tento bronz našel široké uplatnění pro výrobu různých pružinových částí, které současně působí jako proudový vodič, například: proudové pružiny, určité typy držáků kartáčů, posuvné kontakty v různých zařízeních, konektory atd.;

· Fosforový bronz má vysokou pevnost a dobré pružinové vlastnosti díky své nízké elektrické vodivosti se používá k výrobě pružinových dílů s nízkou proudovou hustotou;

Odlévané proudovodné díly jsou vyrobeny z různých jakostí strojírenských litých bronzů s vodivostí v rozsahu 8-15 % vodivosti čisté mědi. Charakteristickým znakem bronzů je malá smrštivost ve srovnání s litinou a ocelí a vysoké slévárenské vlastnosti, proto se používají pro odlévání různých proudových dílů složitých konfigurací určených pro elektrické stroje a přístroje.

Všechny značky litých bronzů lze rozdělit na cínové a bezcínové, kde hlavní legující prvky jsou Al, Mn, Fe, Pb, Ni.

5. Hliník

Charakteristickými vlastnostmi čistého hliníku jsou jeho nízká měrná hmotnost, nízký bod tání, vysoká tepelná a elektrická vodivost, vysoká plasticita, velmi vysoké latentní teplo tání a silný, i když velmi tenký oxidový film, který pokrývá povrch kovu a chrání jej před pronikáním kyslíku dovnitř.

Nízká hustota činí hliník základem pro lehké konstrukční materiály; Vysoká plasticita umožňuje zpracovávat hliník všemi druhy tlaku a vyrábět plechy, tyče, dráty, trubky, tenké fólie, lisované díly s hlubokým tažením atd.

Dobrá elektrická vodivost zajišťuje široké uplatnění hliníku v elektrotechnice. Protože hustota hliníku je 3,3krát nižší než hustota mědi a měrný odpor je pouze 1,7krát vyšší než u mědi, má hliník na jednotku hmotnosti dvojnásobnou vodivost než měď.

Silný oxidový film rychle pokryje čerstvý řez kovu již při pokojové teplotě a poskytuje hliníku vysokou odolnost proti korozi v atmosférických podmínkách.

Oxid siřičitý, sirovodík, čpavek a další plyny přítomné v ovzduší průmyslových oblastí nemají znatelný vliv na rychlost koroze hliníku. Vliv vodní páry na hliník je také nevýznamný. Při kontaktu s většinou kovů a slitin, které jsou ušlechtilé v elektrochemické řadě potenciálů, slouží hliník jako anoda a následně bude postupovat jeho koroze v elektrolytech.

Aby se zabránilo tvorbě galvanických párů ve vlhké atmosféře, je spojení hliníku s jinými kovy utěsněno lakováním nebo jinými prostředky.

Dlouhodobé testy hliníkových drátů ukázaly, že z hlediska odolnosti proti korozi nejsou horší než dráty měděné.

Tabulka 1. Hlavní charakteristiky vodivých materiálů

Hustota, kg/m3 ·10

Měrný elektrický odpor při 20 °C, Ohm×m·10 –6

Průměrný teplotní koeficient odporu od 0 do 100 °C, 1/st

Dráty, kabely, sběrnice, vodiče rotorů nakrátko, skříně a ložiskové štíty malých elektrických strojů

Kadmiový bronz – kontakty, fosforový bronz – pružiny

Když se v našem životě objevila elektřina, málokdo věděl o jejích vlastnostech a parametrech a jako vodiče se používaly různé materiály, bylo patrné, že při stejné hodnotě napětí zdroje proudu byla na spotřebiči jiná hodnota napětí. Bylo jasné, že je to ovlivněno typem materiálu použitého jako vodič. Když vědci začali tento problém zkoumat, došli k závěru, že nosiči náboje v materiálu jsou elektrony. A schopnost vést elektrický proud je dána přítomností volných elektronů v materiálu. Bylo zjištěno, že některé materiály mají velké množství těchto elektronů, zatímco jiné je nemají vůbec. Existují tedy materiály, které vedou elektřinu dobře, a některé, které ne.
Na základě výše uvedeného byly všechny materiály rozděleny do tří skupin:

Každá ze skupin našla široké uplatnění v elektrotechnice.

Vodiče

Průvodci jsou materiály, které dobře vedou elektrický proud, používají se k výrobě drátů, kabelových výrobků, kontaktních skupin, vinutí, pneumatik, vodičů a drah. Naprostá většina elektrických přístrojů a přístrojů je vyrobena na bázi vodivých materiálů. Navíc řeknu, že celá elektroenergetika by bez těchto látek nemohla existovat. Skupina vodičů zahrnuje všechny kovy, některé kapaliny a plyny.

Za zmínku také stojí, že mezi vodiči jsou supravodiče, jejichž odpor je téměř nulový, takové materiály jsou velmi vzácné a drahé. A vodiče s vysokým odporem – wolfram, molybden, nichrom atd. Takové materiály se používají k výrobě odporů, topných článků a spirál osvětlovacích lamp.

Ale lví podíl na elektrickém poli mají obyčejné vodiče: měď, stříbro, hliník, ocel a různé slitiny těchto kovů. Tyto materiály našly nejširší a nejrozsáhlejší využití v elektrotechnice, zejména měď a hliník, protože jsou relativně levné a jejich použití jako vodičů elektrického proudu je nejvhodnější. Dokonce i měď je ve svém použití omezená, používá se jako vodiče pro navíjení, vícežilové kabely a mnohem méně běžné měděné přípojnice; Ale hliník je považován za krále mezi elektrickými vodiči, i když má vyšší měrný odpor než měď, ale to je kompenzováno jeho velmi nízkou cenou a odolností proti korozi. Je široce používán v napájecích zdrojích, kabelových výrobcích, venkovních vedeních, přípojnicích, obecných vodičích atd.

Polovodiče

Polovodiče, něco mezi vodiči a polovodiče. Jejich hlavním rysem je jejich závislost na vedení elektrického proudu na vnějších podmínkách. Klíčovou podmínkou je přítomnost různých nečistot v materiálu, které poskytují schopnost vést elektrický proud. Také s určitým uspořádáním dvou polovodičových materiálů. Na základě těchto materiálů bylo nyní vyrobeno mnoho polovodičových součástek: diody, LED, tranzistory, semistory, tyristory, stabistory, různé mikroobvody. Polovodičům a zařízením na nich založeným se věnuje celá věda: elektronické inženýrství. Všechny počítače, mobilní zařízení. Co mohu říci, téměř všechna naše zařízení obsahují polovodičové prvky.

Mezi polovodičové materiály patří: křemík, germanium, grafit, grafen, indium atd.

Dielektrika

No a poslední skupina materiálů je dielektrika, látky, které nejsou schopny vést elektrický proud. Mezi takové materiály patří: dřevo, papír, vzduch, olej, keramika, sklo, plasty, polyethylen, polyvinylchlorid, pryž atd. Dielektrika jsou díky svým vlastnostem široce používána. Používají se jako izolační materiál. Chrání kontakt dvou živých částí a zabraňují přímému kontaktu člověka s těmito částmi. Role dielektrik v elektrotechnice je neméně důležitá než role vodičů, protože zajišťují stabilní a bezpečný provoz všech elektrických a elektronických zařízení. Všechna dielektrika mají limit, do kterého nejsou schopny vést elektrický proud, tomu se říká průrazné napětí. Toto je indikátor, kdy dielektrikum začíná procházet elektrický proud, přičemž se uvolňuje teplo a samotné dielektrikum je zničeno. Tato hodnota průrazného napětí je pro každý dielektrický materiál jiná a je uvedena v referenčních materiálech. Čím vyšší je, tím lépe, tím spolehlivější je dielektrikum považováno.

Parametr charakterizující schopnost vést elektrický proud je rezistivita R, měrná jednotka [Ohm] a vodivost, reciproční odpor. Čím vyšší je tento parametr, tím hůře materiál vede elektrický proud. U vodičů se pohybuje od několika desetin do stovek ohmů. V dielektriku dosahuje odpor desítek milionů ohmů.

Všechny tři druhy materiálů jsou široce používány v energetice a elektrotechnice. A také jsou spolu úzce propojeny.