XXII. Проводниковые материалы

1. Как можно классифицировать проводниковые материалы?

Общепринятая классификация проводниковых материалов отсутствует. Будем рассматривать следующие группы проводниковых материалов:

1. материалы высокой проводимости;

2. материалы с высоким удельным сопротивлением для резисторов и точных приборов;

3. жаростойкие материалы;

4. контактные материалы;

5. сверхпроводники и криопроводники

2. Какие свойства меди обусловливают ее широкое применение в электронной тех-нике? Что такое ''водородная болезнь'' меди?

Примерно половина производимой меди в настоящее время используется в

радиотехнике и электротехнической промышленности. Это связано с ее хорошей

проводимостью и относительно высокой коррозионной стойкостью. К меди, идущей

на изготовление электрических проводов, часто добавляют в небольшом

количестве кадмий, который не снижает электропроводимость меди, но повышает

ее прочность на разрыв.

Образование несплошностей в меди при ее нагреве в среде, содержащей водород (например, в продуктах неполного сгорания жидкого топлива). Водородная болезнь наблюдается только при нагреве такой меди, в которой находится закись меди (Cu₂O), при этом происходит диффузия водорода в медь, и протекает реакция восстановления меди Cu₂O + H₂ ^→ 2Cu + H₂O. Образующиеся при этом пары влаги создают высокое давление внутри детали, вызывая ее коробление и растрескивание

3. Какими преимуществами и недостатками по сравнению с медью обладает алюминий как проводниковый материал? Возможность соединения

Оксиды, хлориды, сульфиды или недрагоценные металлы, более проводящие на меди, чем алюминии. Этот факт делает очистку и защиту соединителей для алюминия более важной. Некоторые считают соединения меди с алюминием несовместимыми.  Также под вопросом  сопряжение соединений между алюминием трансформаторов и медным проводом присоединения.

Коэффициент расширения

При изменении температуры алюминий расширяется почти на треть больше, чем медь. Это расширение, наряду с пластичным характером алюминия, вызывает некоторые проблемы для ненадлежаще установленных болтовых соединений. Чтобы избежать ослабления соединения, необходимо его подпружинивание. Используя либо чашевидные или прижимные шайбы можно обеспечить необходимую эластичность при сочленении, без сжатия алюминия. При использовании надлежащей арматуры алюминиевые соединения, могут быть равными по качеству медным.

Теплопроводность

Некоторые утверждают, что поскольку,  теплопроводность меди выше, чем алюминия то это оказывает влияние на снижение хот-спот температуры обмотки трансформатора. Это верно только тогда, когда проводники обмоток из меди и алюминия  одинакового размера, геометрии и дизайна. Следовательно, для любого силового трансформатора заданного размера, тепловые характеристики теплопроводности алюминия могут быть очень близки меди. Для алюминиевых обмоток для достижения той же самой электропроводности как у меди, она должна быть примерно на 66% больше по площади поперечного сечения.. Производители трансформаторов проектируют и проверяют их с учетом  хот-спот особенностей их конструкции и использую площадь поверхности охлаждения, геометрию обмоток, воздуховоды, и форму проводников для получения приемлемых хот-спот градиентов, независимо от материала намотки. 

Электрическая проводимость

Часто аргументы указывают на неполноценность проводимости алюминия, мотивируя это тем, что алюминий имеет только 61% от проводимости меди, что приводит к более высоким потерям в алюминиевых обмотках трансформаторов. Проектировщики всегда обеспокоены температурой обмоток.  Чтобы удержать температуру в данном классе изоляции, трансформаторы с алюминиевыми обмотками разрабатывают с  проводниками большей площади поперечного сечения чем медь. В среднем, это приводит к потерям энергии для алюминия одинаковым с медью. Таким образом,  силовые трансформаторы аналогичной конструкции с тем же самым нагревом имеют примерно эквивалентные потери независимо от материала проводника. Производители трансформаторов ограничивают выбор доступных размеров проводников. Из-за этого некоторые проекты в алюминии могут получить более низкие потери чем в меди просто, потому что ограничен выбор размера провода. В других проектах медь более эффективна. Немногие, если таковые вообще имеются, производители трансформаторов сухого типа для низкого напряжения изменяют основные размеры сердечника при переходе от алюминия к меди, так что потери в сердечнике остаются примерно одинаковыми, независимо от обмоточного материала. Если одинаковой эффективности можно добиться путем изменения размеров намоточного провода и основные потери остаются теми же, нет никаких практических оснований ожидать, что один дизайн трансформатора, более эффективен, чем другие. Разница в стоимости между медью и алюминием часто позволяет обеспечить  алюминиевые проводники большего сечения, что приводит к снижению потерь холостого хода при меньших затратах, чем если бы были использованы медные проводники.

Предел прочности на разрыв

Более низкая прочность на растяжение и предел текучести алюминия вызывала некоторое беспокойство по поводу его использования   при циклических нагрузках. Нагрузки с большими токовыми бросками,  которые создают приводы постоянного тока и некоторые другие потребители, приводят к появлению электромагнитных сил, которые могут вызвать движение проводников и смещение обмотки. Как показано в таблице 2, алюминий имеет только 38% от предела прочности меди. Тем не менее, в таблице сравнение основано на равных площадях поперечного сечения. Как отмечалось ранее, чтобы обеспечить равный рейтинг   трансформаторам с алюминиевыми обмотками необходимо иметь обмотки площадью поперечного сечения на 66% больше, чем трансформаторам с медными обмотками. Использование больших размеров проводников приводит к показателям алюминиевой обмотки  почти равным медной. Способность трансформатора противостоять долговременным механическим воздействиям бросков нагрузки больше зависит от соответствующего баланса обмотки и крепления соединительных проводов чем от выбора проводника. Не обнаружено существенной разницы между медными или алюминиевыми обмотками трансформаторов низкого напряжения в механических повреждениях при испытаниях