5.1.2 Провідникові матеріали

В залежності від питомого електричного опору та застосування провідникові матеріали поділяють на такі групи:

1. метали та сплави з високою провідністю;

2. припої;

3. надпровідники;

4. контактні матеріали;

5. сплави з підвищеним електричним опором;

6. сплави для термопар [5].

5.1.2.1 Метали та сплави з високою провідністю

Провідникові метали крім високої електричної провідності (малий електричний опір: не більше ніж 0,1 мкОмм) повинні мати достатню міцність, пластичність, яка визначає технологічність, а також корозійну стійкість в атмосферних умовах і в деяких випадках високу зносостійкість. Крім того, метал повинен добре зварюватися та піддаватися паянню для отримання надійного з’єднання та електропровідності.

Практичне застосування мають хімічно чисті метали: Cu, Al, Fe. Ці метали володіють високою електропровідністю при мінімальному вмісті домішок і дефектів кристалічної ґратки. У зв’язку з цим такі метали (табл. 5.1) використовують в технічно чистому вигляді та, для досягнення максимальної електропровідності, в відпаленому стані [5].

Таблиця 5.1 – Електричні властивості металів при 20С [5]

Властивості	Ag	Cu	Au	Al	Fe	Sn	Zn	W
, мкОмм , С-1	0,006 0,004	0,017 0,004	0,022 0,004	0,028 0,004	0,098 0,006	0,120 0,004	0,059 0,004	0,055 0,005

Мідь – провідниковий матеріал. Перевагами міді, що забезпечують їй широке застосування як провідникового матеріалу, такі:

• незначний питомий опір (серед усіх металів лише срібло має менший питомій опір, ніж мідь);

• достатньо висока механічна міцність;

• задовільна корозійна стійкість (навіть в умовах високої вологості мідь окислюється на повітрі повільніше, ніж, наприклад, залізо; інтенсивне окислення міді відбувається тільки при підвищених температурах);

• добра оброблюваність – мідь прокатується в листи, стрічки та протягується в дріт, товщина якого може бути доведена до тисячних часток міліметра;

• легкість у проведенні операцій паяння та зварювання.

Найбільш шкідливою домішкою в міді є кисень, який погіршує її провідність. Найбільш чиста безкиснева мідь М00б має сумарний вміст домішок 0,01 %, М0б – 0,03 % і М1 – 0,1 %. Мідь вказаних марок використовують у вигляді прокату: дроту різних діаметрів, шин, смуг та прутків.

Найбільшою електропровідністю володіє безкиснева мідь М00б. Електричний опір такої міді близький до значення, наведеного в табл. 5.1.

Прокат з міді М1 постачається або у відпаленому, або нагартованому стані. Відпалена мідь має більш високу провідність, нагартована – більшу міцність (табл. 5.2). Механічні властивості міді залежать від діаметру дроту. Малим діаметрам відповідає більша міцність і менша пластичність як в нагартованому, так і у відпаленому станах. Відпалену мідь використовують для обмотувальних дротів і кабельних виробів, нагартовану мідь – для підвісних струмонесівних і контактних дротів, колекторних пластин [5].

Сплави міді знаходять широке використання завдяки кращим у порівнянні з міддю механічним властивостям (_В  400 МПа). Найважливішими серед сплавів міді є бронзи (сплави міді з оловом або з іншими металами), серед них найкращі – берилієва та кадмієва. Берилієві бронзи застосовують для виготовлення струмопровідних пружин, щіткоутримувачів, контактів, що ковзають, електродів, тощо, кадмієві бронзи – для виготовлення контактів, тролейних дротів і колекторних пластин. Вони володіють великим опором зношуванню, їх робочі температури досягають 250 С. Сплави міді з цинком (латуні) мають суттєво гірші електричні властивості. З берилієвої бронзи БрБ2 (1,8…2,1 % Ве) виготовляють тягнуті прутки в м’якому та твердому станах і пресовані [7].

Таблиця 5.2 – Механічні властивості і питомий електричний опір міді і алюмінію [5]

Властивості	Мідь		Алюміній
	відпалена	нагартована	відпалений	нагартований
, мкОмм	0,0175	0,0182	0,0295	0,0295
В, МПа	250 – 280	340 – 390	60	130
, %	20 - 30	0,5 – 2,0	28	5

Алюміній високої чистоти АД0ч, із загальним вмістом домішок 0,02 %, і алюміній технічної чистоти АД000, АД00, АД0, в якому домішок відповідно 0,2; 0,3; 0,5 %, використовують в електротехніці. Всі домішки, також як і в міді, знижують провідність алюмінію, яка є дещо нижчою, ніж у міді (див. табл. 5.1).

Алюміній високої чистоти володіє доброю пластичністю, тому з нього виготовляють конденсаторну фольгу завтовшки 6…7 мкм. Технічно чистий алюміній використовують у вигляді дроту у виробництві кабелів і струмонесівних дротів.

Алюміній поступається міді за електропровідністю та міцністю, але він значно легший, більш розповсюджений в природі. При заміні мідного дроту на алюмінієвий останній повинен мати діаметр в 1,3 рази більше, але його маса і в цьому випадку буде в 2 рази меншою. Також, як і мідь, алюміній використовують або в відпаленому, або нагартованому стані (див. табл. 5.2).

Для струмонесівних дротів повітряних ліній електропередач з великими відстанями між опорами використовують алюмінієві сплави (Al–Mg–Si), які є більш міцними, ніж чистий алюміній.

Легування алюмінію магнієм і кремнієм в незначних кількостях (менше за 1 % кожного) дещо погіршує електропровідність, але зміцнює сплав, практично не знижує пластичність і корозійну стійкість: _В=350 МПа при =0,032 мкОмм.

Алюміній володіє високою корозійною стійкістю внаслідок утворення на його поверхні захисної оксидної плівки Al₂O₃. Ця плівка ускладнює паяння алюмінієвих дротів звичайними методами. Потрібний спеціальний припой або ультразвукові паяльники. Місця контакту алюмінієвого дроту з мідним слід покривати лаком для захисту від атмосферної корозії. У вологій атмосфері алюміній у контакті з міддю швидко руйнується внаслідок електрохімічної корозії [5].

Залізо значно поступається міді та алюмінію в провідності, але має більшу міцність, що в деяких випадках виправдовує його застосування як провідникового матеріалу. В таких випадках використовують низьковуглецеві якісні сталі з вмістом вуглецю 0,1…0,15 %, а також сталі звичайної якості, які забезпечують достатньо високу міцність _В=300…700 МПа і з них виготовляють шини, трамвайні рейки, рейки метро і залізничних колій з електричною тягою. Величина перерізу дроту визначається не електропровідністю, а механічною міцністю матеріалу [5].

Біметалевий дріт (сталевий дріт, який покритий міддю) використовують для передачі змінних струмів високої частоти. Така конструкція дозволяє зменшити електричні втрати, пов’язані з феромагнітизмом заліза, і витрати дефіцитної міді. Провідність забезпечує метал зовнішнього шару, а серцевина зі сталі сприймає силове навантаження. Покриття створюється гальванічним способом або плакуванням. Зовнішній мідний шар охороняє залізо від атмосферної корозії.

Біметалевий дріт використовують в лініях зв’язку та електропередачі. Крім цього, із біметалевого матеріалу виготовляють шини для розподільних пристроїв, різні струмопровідні частини електричних апаратів [5].