Электрическая проводимость алюминий: Серебро, Медь, Алюминий, Железо, Золото, Никель, Вольфрам, Ртуть. — Лазерная резка металла от "ТМК" Ярославль (Тутаев)

Содержание

Серебро, Медь, Алюминий, Железо, Золото, Никель, Вольфрам, Ртуть.

Автор: Серков Павел

1. Проводники: Серебро, Медь, Алюминий, Железо, Золото, Никель, Вольфрам, Ртуть.

2. Проводники: Углерод, нихромы, термостабильные сплавы, припои, прозрачные проводники.

3. Неорганические диэлектрики: Фарфор, стекло, слюда, керамики, асбест, элегаз и вода

4. Органические полусинтетические диэлектрики.

5. Синтетические диэлектрики на базе фенолформальдегидных смол.

6. Пластики. История использования пластиков.

7. Изоляционные ленты и трубки

Проводники

Двадцатый век — век пластмасс. До появления широкого спектра синтетических полимерных материалов, человек использовал в конструировании металлы и материалы природного происхождения — дерево, кожу и т.д. Сегодня мы завалены пластмассовыми изделиями, начиная от одноразовой посуды, заканчивая тяжелонагруженными деталями двигателей автомобилей. Пластмассы во многом превосходят металлы, но никогда не вытеснят их полностью, поэтому рассказ начнется с металлов. Металлам посвящены сотни книг, дисциплина, посвященная им, называется «металловедение».

Нас интересуют металлы с точки зрения электронной техники. Как проводники, как часть электронных приборов. Все остальные применения — например такие, как конструкционные материалы, в данное пособие пока не вошли.

Главное для электронной техники свойство металлов — это способность хорошо проводить электрический ток. Посмотрим на таблицу удельного сопротивления различных чистых металлов:

Металл	*Удельное сопротивление Оммм²/м**
Серебро	0,0159
Медь	0,0157
Золото	0,023
Алюминий	0,0244
Иридий	0,0474
Вольфрам	0,053
Молибден	0,054
Цинк	0,059
Никель	0,087
Железо	0,098
Платина	0,107
Олово	0,12
Свинец	0,192
Титан	0,417
Висмут	1,2

Видим лидеров нашего списка: Ag, Cu, Au, Al.

Серебро

Ag — Серебро. Драгоценный металл. {Понятие «драгоценный металл» означает в том числе особые условия по работе с металлом, устанавливаемые законодательством.}Серебро — самый дешевый из драгоценных металлов, но, тем не менее, слишком дорог, чтобы массово делать из него провода. На 5% лучшая электропроводность по сравнению смедью, при разнице в цене почти в 100 раз.

Примеры применения

В виде покрытий проводников в СВЧ технике. Ток высокой частоты, из-за скин-эффекта в большей части течет по поверхности проводника, а не в его толще, поэтому тонкое покрытие высокочастотного волновода серебром дает бОльший прирост проводимости, чем покрытие серебром проводника для постоянного тока.

Волновод для СВЧ излучения, покрытый изнутри слоем серебра.

В сплавах контактных групп. Контакты силовых, сигнальных реле, рубильников, выключателей чаще всего изготовлены из сплава с содержанием серебра. Переходное сопротивление такого контакта получается ниже медного, он меньше подвержен окислению. Так как контакт обычно миниатюрен, вклад этой малой добавки серебра в стоимость всего изделия незначителен. Хотя при утилизации большого количества реле, стоимость серебра делает целесообразным работу по отделению контактов в кучку для последующего аффинажа.

Согласно документации производителя контакты содержат серебро и кадмий.

Различные реле. Верхнее реле имеет даже посеребренный корпус с характерной патиной. Содержание драгметаллов в изделиях, выпущенных в СССР было указано в паспортах на изделия.

В качестве присадки в припоях. Качественные припои (как твёрдые так и мягкие) часто содержат серебро.

Проводящие покрытия на диэлектриках. Например, для получения контактной площадки на керамике, на неё наносится суспензия из серебряных частиц с последующим запеканием в печи (метод «вжигания»).

Компонент электропроводящих клеев и красок. Электропроводящие чернила часто содержат суспензию серебряных частиц. По мере высыхания таких чернил, растворитель испаряется, частицы в растворе оказываются всё ближе, слипаясь и создавая проводящие мостики, по которым может протекать ток. Хорошее видео с рецептом по созданию таких чернил.

Недостатки

Несмотря на то, что серебро благородный металл, оно окисляется в среде с содержанием серы:

4Ag,+,2H₂S,+,O₂,->,2Ag₂S,+,2H₂O

Образуется темный налет — «патина». Также источником серы может служить резина, поэтому провод в резиновой изоляции и посеребренные контакты — плохое сочетание.

Потемневшее серебро можно очистить химически. В отличии от чистки абразивными пастами (в том числе зубной пастой) это самый нежный способ чистки, не оставляющий царапин.

Медь

Cu — медь. Основной металл проводников тока. Обмотки электродвигателей, провода в изоляции, шины, гибкие проводники — чаще всего это именно медь. Медь нетрудно узнать по характерному красноватому цвету. Медь достаточно устойчива к коррозии.

Примеры применения

Провода. Основное применение меди в чистом виде. Любые добавки снижают электропроводность, поэтому сердцевина проводов обычно чистейшая медь.

Гибкие многожильные провода различного сечения.

Гибкие тоководы. Если проводники для стационарных устройств можно в принципе изготовить из любого металла, то гибкие проводники делают почти всегда только из меди, алюминий для этих целей слишком ломкий. Содержат множество тоненьких медных жилок.

Теплоотводы. Медь не только на 56\% лучше алюминия проводит ток, но ещё имеет почти вдвое лучшую теплопроводность. Из меди изготавливают тепловые трубки, радиаторы, теплораспределяющие пластины. Так как медь дороже алюминия, часто радиаторы делают составными, сердцевина из меди, а остальная часть из более дешевого алюминия.

Радиаторы охлаждения процессора. Центральный стержень изготовлен из меди,он хорошо отводит тепло от кристалла процессора, а алюминиевый радиатор сразвитым оребрением уже охлаждает сам стержень.

При изготовлении фольгированных печатных плат. Печатные платы, в любом электронном устройстве изготовлены из пластины диэлектрика, на который наклеена медная фольга. Все соединения между элементами печатной платы выполнены дорожками из медной фольги.

Техника сверхвысокого вакуума. Из металлов и сплавов только нержавеющая сталь и медь пригодны для камер сверхвысокого вакуума в таких приборах, как ускорители элементарных частиц или рентгеновские спектрометры. Все остальные металлы в вакууме слегка испаряются и портят вакуум.

Аноды рентгеновских трубок. В рентгеноструктурном анализе требуется монохроматическое рентгеновское излучение. Его источником зачастую является облучаемая электронами медь (спектральная линия Cu Kα), которая к тому же прекрасно отводит тепло. Если же требуется другое излучение (Co или Fe), его получают от маленького кусочка соответствующего металла на массивном медном теплоотводе. Такие аноды всегда охлаждаются проточной водой.

Интересные факты о меди

Алюминий

Al — Алюминий. «Крылатый металл» четвертый по проводимости после серебра, золота и меди. Алюминий хоть и проводит ток почти в полтора раза хуже меди, но он легче в 3,4 раза и в три раза дешевле. А если посчитать проводимость, то эквивалентный медному проводник из алюминия будет дешевле в 6,5 раз! Алюминий бы вытеснил медь как проводник везде, если бы не пара его противных свойств, но об этом в недостатках.

Чистый алюминий, как и чистое железо, в технике практически не применяется. Любой «алюминиевый» предмет состоит из какого-нибудь сплава алюминия. Сплавы могут содержать кремний, магний, медь, цинк и другие металлы. Их свойства отличаются очень сильно, и это необходимо учитывать при обработке. Ниже перечислены несколько самых распространенных марок алюминия: (Даны марки сплавов согласно номенклатуре Американской Алюминиевой Ассоциации (АА), Первая цифра — серия марок сплава, в зависимости от того, какой легирующей добавки больше, остальные цифры обычно не соотносятся с концентрацией и необходимо обращение к справочнику. )

1199. Чистый 99,99% алюминий. Бывает почти исключительно в виде фольги.

1050 и 1060. Чистый алюминий 99,5% и 99,6% соответственно. Из-за высокой теплопроводности иногда используется как материал для радиаторов. Мягок, легко гнется. Провода, пищевая фольга, посуда.

6061 и 6082. Сплавы: 6061: Si 0,6%, Mg 1,0%, Cu 0,28%, 6082: Si, Mg, Mn. Первый более распространен в США, второй — в Европе. Легко точить, фрезеровать. Наилучший материал для самоделок. Прочен. Легко поддается сварке, паяется твердыми припоями. Легко анодируется. Плохо гнется. Не годится для литья.

6060. Состав: Mg, Si. Более мягок, чем 6061 и 6082, при обработке резанием слегка «пластилиновый», за что его не любят токари. Распространен и дешев, других особых преимуществ не имеет. Дешевый алюминиевый профиль из непонятного сплава имеет хорошие шансы оказаться им.

5083. Сплав с магнием (>4% Mg). Отличная коррозионная стойкость, устойчив в морской воде. Один из лучших вариантов для деталей, работающих под дождем. Тоже может встретиться в магазине стройматериалов, наряду с другими подобными марками.

44400, он же «силумин». Сплав с большим процентом кремния (Si >8%). Литейный. Низкая температура плавления, при пайке твердыми припоями риск расплавить саму деталь. Хрупок, при изгибе ломается. На изломе видны характерные кристаллы.

7075. 2,1–2,9% Mg, 5,1–6,1% Zn, 1,2–1,6% Cu. Очень своеобразный сплав, отличается даже цветом (пленка окислов слегка золотистая). Неожиданно твердый для алюминия, по твердости сравним с мягкой сталью. Плохо анодируется. Не паяется вообще. Не предназначен для сварки. Не гнется и не куется вообще. Не годится для литья. Резанием обрабатывается отлично, прекрасно полируется. Хорош для ответственных деталей. Используется для винтов в велосипедах, в оружии (материал многих деталей винтовки M16).

Относительно невысокая температура плавления (660°С у чистого, меньше 600°С у литейных сплавов) алюминия делает возможным отливку деталей в песочные формы в условиях гаража/мастерской. Однако многие марки алюминия не годятся для литья.

Примеры применения

Провода. Алюминий дешев, поэтому толстые силовые кабели, СИП, ЛЭП выгодно делать из алюминия. В старых домах квартирная проводка сделана алюминиевым проводом (с 2001 года ПУЭ запрещает в квартирах использовать алюминиевый провод, только медный, см ниже. (Правила устройства электроустановок, 7-е издание, п. 7.1.34). Также алюминий не используется как проводник в ответственных применениях.

Слева старый алюминиевый провод. Справа алюминиевые кабели различного сечения, пригодные для укладки в грунт. В частности, кабелем справа был подключен к электроэнергии целый этаж здания. Кабель помимо наружной резиновой оболочки имеет бронирующую стальную ленту для защиты нижележащей изоляции от повреждений, к примеру, лопатой при раскопке.

Теплоотводы. Не только домашние батареи делают из алюминия, но и радиаторы у микросхем, процессоров.

Различные алюминиевые радиаторы.

Корпуса приборов. Корпус жёсткого диска в вашем компьютере отлит из алюминиевого сплава. Небольшая добавка кремния улучшает прочностные качества алюминия, сплав силумин: это корпуса жёстких дисков, бытовых приборов, редукторов и т. д. Анодированный алюминий (алюминий, у которого электрохимическим путем окисная

пленка на поверхности сделана потолще и прочнее) хорошо окрашивается и просто красив. Окисная пленка (Al₂O₃ — из того же вещества состоят драгоценные
камни рубины и сапфиры) достаточно твёрдая и износостойкая, но, к сожалению, алюминий под ней мягок, и при сильном воздействии ломается как лёд на воде.

Экраны. Электромагнитное экранирование часто делается из алюминиевой фольги или тонкой алюминиевой жести. Можете провести простой эксперимент, мобильный телефон завернутый в фольгу потеряет сеть — он будет заэкранирован.

Отражающее покрытие у зеркал. Тонкая пленка алюминия на стекле отражает 89% (значения примерные, точное значение зависит от длины волны и типа покрытия) падающего света (Серебро 98%, но на воздухе темнеет из-за сернистых соединений). Любой лазерный принтер содержит вращающееся зеркало, покрытое тонким слоем алюминия.

Зеркала от оптической системы планшетного сканера. Обратите внимание, оптические зеркала имеют металлизацию стекла снаружи, в отличии от привычных бытовых зеркал, где отражающее покрытие для защиты за стеклом. Бытовые зеркала дают двойное отражение — от поверхности стекла и от отражающего покрытия, что не так критично в быту, как защищенность отражающего покрытия.

Электроды обкладок конденсаторов. Алюминиевая фольга, разделенная слоем диэлектрика и туго свернутая в цилиндр — часть электрических конденсаторов (впрочем, для уменьшения габаритов конденсаторов фольгу заменяют алюминиевым напылением). Тот факт, что пленка оксида алюминия тонкая, прочная и не проводит ток, используется
в электролитических конденсаторах, обладающими огромными для своих габаритов электрическими емкостями.

Микропровод. Тончайшей проволокой из алюминия подключают кристаллы микросхемы к выводам корпуса. Также может использоваться медная и золотая проволока.

Недостатки

Алюминий — металл активный, но на воздухе покрывается оксидной пленкой, которая предохраняет металл от разрушения и скрывает его активную натуру. Если не дать алюминию формировать стабильную защитную пленку, например капелькой ртути, алюминий активно реагирует с водой. В щелочной среде алюминий растворяется, попробуйте залить алюминиевую фольгу средством для прочистки труб — реакция будет бурная, с выделением взрывоопасного водорода. Химическая активность алюминия, в паре с большой

разницей в электроотрицательности с медью делает невозможным прямое соединение проводов из этих двух металлов. В присутствии влаги (а она в воздухе есть почти всегда)
н

Удельное сопротивление проводников: таблица удельного сопротивления меди, алюминия и других металлов

Медно-никелевые термостойкие провода были созданы в результате научного исследования, ставящего цель получить проводник с очень высокой электропроводимостью из доступных металлов и с не сложной технологией производства.

Технология производства

Для получения сверхпроводника на медный провод в вакууме по всему периметру наносят токопроводящий слой, состоящий из сплава никеля и меди, с диффузией в поверхностный слой проволоки-основы.

Снаружи наносится защитный слой металла. После чего полученный провод проходит отжиг в вакууме в течение 30 — 180 мин при 850-950 o С. Для создания медно-никелевого провода применяется чистые (99,99) медь и никель.

Эффект повышенной проводимости образуется в состоящем из двух металлов слое сплава, который представляет собой тонкостенную токопроводящую трубку-прослойку. Благодаря диффузионному взаимодействию слоев металла, примыкающих к трубке прослойке с обеих сторон, поверхность получается почти идеальной.

Нанесение слоев провода происходит в вакуумном оборудовании для исключения окисления проводящего слоя. Следовательно длина зависит от возможностей вакуумного оборудования.

Чертеж медно-никелевого проводника

1 – медная или никелевая проволока основа
2 – токопроводящий слой из сплава меди и никеля. Толщина слоя делается достаточной для обеспечения неразрывности слоя
3 – защитный слой. Толщина выбирается достаточной для обеспечения защиты от механических воздействий

Расчет удельного сопротивления медно-никелевого провода

Высокая электропроводимость у меди и алюминия, а также у золота и серебра. В других металлах электропроводность существенно ниже.

Таблица удельного электрического сопротивления металлов
В связи с тем, что существует два типа электрических сопротивлений —
В связи с электромагнитными явлениями, возникающими в проводниках при прохождении через него переменного тока в них возникает два важных для их электротехнических свойств физических явления.

Два последних явления делают неэффективным применение проводников радиусом больше характерной глубины проникновения электрического тока в проводник. Эффективный диаметр проводников (2RБхар): 50Гц -7 Ом.

Используя микроомметры, можно определить качество электрических контактов, сопротивление электрических шин, обмоток трансформаторов, электродвигателей и генераторов, наличие дефектов и инородного металла в слитках (например, сопротивление слитка чистого золота вдвое ниже позолоченного слитка вольфрама).

Для расчета длины провода, его диаметра и необходимого электрического сопротивления, необходимо знать удельное сопротивление проводников ρ.
В международной системе единиц удельное сопротивление ρ выражается формулой:
Оно означает: электрическое сопротивление 1 метра провода (в Омах), сечением 1 мм 2 , при температуре 20 градусов по Цельсию.

Таблица удельных сопротивлений проводников

Материал проводника

Удельное сопротивление ρ в

Серебро Медь Золото Латунь Алюминий Натрий Иридий Вольфрам Цинк Молибден Никель Бронза Железо Сталь Олово Свинец Никелин (сплав меди, никеля и цинка) Манганин (сплав меди, никеля и марганца) Константан (сплав меди, никеля и алюминия) Титан Ртуть Нихром (сплав никеля, хрома, железа и марганца) Фехраль Висмут Хромаль

0,015 0,0175 0,023 0,025. 0,108 0,028 0,047 0,0474 0,05 0,054 0,059 0,087 0,095. 0,1 0,1 0,103. 0,137 0,12 0,22 0,42 0,43. 0,51 0,5 0,6 0,94 1,05. 1,4 1,15.

1,35 1,2 1,3. 1,5

Из таблицы видно, что железная проволока длиной 1 м и сечением 1 мм 2 обладает сопротивлением 0,13 Ом. Чтобы получить 1 Ом сопротивления нужно взять 7,7 м такой проволоки. Наименьшим удельным сопротивлением обладает серебро.

1 Ом сопротивления можно получить, если взять 62,5 м серебряной проволоки сечением 1 мм 2 . Серебро — лучший проводник, но стоимость серебра исключает возможность его массового применения. После серебра в таблице идет медь: 1 м медной проволоки сечением 1 мм 2 обладает сопротивлением 0,0175 Ом.

Чтобы получить сопротивление в 1 Ом, нужно взять 57 м такой проволоки.

Химически чистая, полученная путем рафинирования, медь нашла себе повсеместное применение в электротехнике для изготовления проводов, кабелей, обмоток электрических машин и аппаратов. Широко применяют также в качестве проводников алюминий и железо.

Сопротивление проводника можно определить по формуле:

где r — сопротивление проводника в омах; ρ — удельное сопротивление проводника; l — длина проводника в м; S — сечение проводника в мм 2 .

Пример 1. Определить сопротивление 200 м железной проволоки сечением 5 мм 2 .

Пример 2. Вычислить сопротивление 2 км алюминиевой проволоки сечением 2,5 мм 2 .

Из формулы сопротивления легко можно определить длину, удельное сопротивление и сечение проводника.

Пример 3. Для радиоприемника необходимо намотать сопротивление в 30 Ом из никелиновой проволоки сечением 0,21 мм 2 . Определить необходимую длину проволоки.

Пример 4. Определить сечение 20 м нихромовой проволоки, если сопротивление ее равно 25 Ом.

Пример 5. Проволока сечением 0,5 мм 2 и длиной 40 м имеет сопротивление 16 Ом. Определить материал проволоки.

Материал проводника характеризует его удельное сопротивление.

Сравнение медного и алюминиевого провода таблица. Выбор проводов и способа прокладки

При протекании тока по кабелю существуют потери энергии. Эти потери выражаются в виде нагрева самих проводов и вызваны сопротивлением электронов протеканию тока в проводах. Чем меньше внутреннее сопротивление кабеля, чем больше мощности по нему можно передать. Наименьшим сопротивлением обладает сверхпроводник, но на сегодняшний день по техническим условиям он не подходит. Следующим среди металлов с маленьким сопротивлением идет серебро, но оно дорогое, поэтому наиболее приемлемыми являются медь и алюминий.

Алюминий — легкий металл, дешевле меди, но ломкий и с более высоким внутренним сопротивлением. В советском союзе большинство внутридомовых сетей были протянуты алюминием, логика проектантов была понятна – дешево и раз все штукатурили и прятали в стены, то никаких проблем с дальнейшей эксплуатацией не было, о заземлении бытовых приборов вообще не задумывались.

С развитием электроники в дальнем зарубежье и до нас стали доходить приборы и аппараты, нуждающиеся в большой электрической мощности. При этом стали меняться нормы и правила прокладки сетей электроснабжения. Теперь мало кто выполняет электроснабжение дома алюминиевыми проводами. Все стремятся проложить толстый медный кабель, заштробить все в стены или упаковать всю электрику в стальные трубы. Вариантов много.

Суть выбора проводов в том, чтобы не переплатить и не потерять в благах, которые сулит удобство электроснабжения дома. Провода и кабели покрыты слоями изоляции. В проводах вокруг жилы металла идет пластиковое покрытие, а в кабелях вокруг нескольких сплетенных проводов идет слой защитной оболочки.

Ток, протекая по проводу, нагревает его. Температура плавления алюминия и меди большая. Например, медная проволока диаметром 1,16 мм плавится, если по ней пропустить ток 100 ампер, а вот провод диаметром 1,13 мм — только 15 ампер. Это объясняется тем, что пластиковая изоляция провода плавится при нагреве провода свыше 65°C. Следовательно, выбор сечения проводов и кабеля необходимо производить, исходя из температуры нагрева провода длительным током.

При выборе провода проще перейти от диаметра провода к величине квадратного сечения провода. Провод в своем сечении не обязательно является кругом, так же он может быть и квадратом и прямоугольником и даже треугольником. При треугольном сечении провода тяжело определить диаметр, поэтому принято считать провода как площадь поперечного сечения.

Площадь круглой жилы: S=п*r 2 =пd 2 /4

Площадь треугольной жилы при трех проводах в кабеле: S=п*r 2 /3

Площадь треугольной жилы при четырех проводах в кабеле: S=п*r 2 /4

Площадь квадратной жилы: S=a*а

Площадь прямоугольной жилы: S=a*b

где S — площадь;

r — радиус круглой жилы;

d — диаметр круглой жилы;

а — длина сечения жилы;

b — ширина сечения жилы;

Провода, проложенные вместе, греются и подогревают друг друга, поэтому для выбора провода или кабеля по таблице «Допустимые длительные токи для проводов и кабелей» выбираем тип провода или кабеля, находим соответствующую мощность (первая цифра) и ток (вторая цифра), находим сечение жилы провода или кабеля.

Ток не зависит от напряжения, а только от мощности потребителя. Поэтому, не имеет значения напряжение, которым питается потребитель. Только ток.

Не нужно учитывать провод, по которому при нормальном режиме работы оборудования ток не течет — провод заземления. Если в таблице значится ток при прокладке трех ПВ-1, то третий провод не провод заземления, а еще одна фаза или нуль. В таблицах приведены предельно допустимые мощность и токи. Мощность рассчитана для приборов работающих от 220 В (фаза и ноль). Нельзя превышать эти значения. Желательно оставлять небольшой запас по мощности — на всякий случай. Каждое соединение в щитке, в коробке является потребителем энергии, правда очень маленьким, но под него необходимо оставить запас.

В продаже встречаются кабели с маркировкой ГОСТ и ТУ. Обычно ГОСТ — нормальные сечения, т.е сечение соответствует площади, а вот ТУ — заниженного сечения, к примеру кабель ВВГ 3*6 ТУ имеет сечение жилы соответствующей кабелю ВВГ 3*4. Именно поэтому покупать провода лучше со штангенциркулем в руках.

Допустимые длительные токи для проводов и кабелей с медными жилами в зависимости от их количества при прокладке вместе

Сечение, кв.мм

чем отличаются и где применяются

Медные и алюминиевые силовые кабели: чем отличаются и где применяются

Что предпочтительнее — медный либо алюминиевый силовой кабель? Такой вопрос довольно часто поднимается и в кругу квалифицированных специалистов, и обыкновенных пользователей, планирующих заменить устаревшие силовые линии. Для того чтобы принять профессиональное решение, необходимо знать достоинства и недостатки, правила использования, а также базовые различия медной и алюминиевой коммутации.