Где применяется электропроводность металлов

Средняя оценка: 4.7

Всего получено оценок: 114.

Обновлено 7 Сентября, 2020

Средняя оценка: 4.7

Всего получено оценок: 114.

Обновлено 7 Сентября, 2020

В 10 классе известно, что вещество, являющееся проводником, должно содержать много высокоподвижных носителей электрического заряда. Наилучшими проводниками в нормальных условиях являются металлы. Кратко рассмотрим механизм электронной проводимости металлов.

Вещества, обладающие металлической проводимостью, как правило, имеют во внешней электронной оболочке малое количество электронов, которые относительно слабо связаны ядром и внутренними электронными оболочками. Это и определяет особенности металлической кристаллической решетки.

В кристалле металла ионы с внутренними электронными оболочками образуют узлы решетки, как и в любом другом кристалле.

А электронные облака внешних валентных электронов перекрывают друг друга так, что они оказываются общими не только для двух ионов (как это бывает в ковалентной связи), а сразу для нескольких ионов.

В результате электроны могут свободно перемещаться между всеми этими ионами, попадая в поле действия более далеких ионов, и перемещаясь уже между ними.

То есть, электроны в кристаллической решетке металла движутся не строго по орбитам между соседними атомами (как в ковалентном кристалле), а образуют своего рода «электронный газ», распределенный по всему кристаллу.

Рис. 1. строение металлической кристаллической решетки.

Такое строение кристаллической решетки приводит к тому, что электроны очень легко способны перемещаться под действием внешнего электрического поля. То есть, металлы, имеют много свободных легких электронов и обладают большой проводимостью.

Доказательством существования свободных электронов явились опыты, проведенные в 1916г Т. Стюартом и Р.Толменом (позже выяснилось, что такие же опыты ставились и ранее Л. Мандельштамом и Н.Папалекси, но результат их не был опубликован).

Идея этих опытов состоит в том, что если внутри металла существуют свободные электроны, то при движении кристаллической решетки с ускорением электроны должны «отставать» от ионов. В результате на разных концах кристалла концентрация электронов должна быть разной, и порождать разность потенциалов.

Для опыта использовалась катушка, к которой был подключен чувствительный телефонный капсюль. Когда катушка колебалась вокруг продольной оси, в ней возникала электроинерционная разность потенциалов, и капсюль издавал звук.

Рис. 2. Опыт Мандельштама и Папалекси.

В 1900г П.Друде, основываясь на положениях молекулярно-кинетической теории, и рассматривая электроны в металле, как идеальный газ, создал классическую электронную теорию проводимости металлов. Первоначально эта теория не учитывала распределение скоростей электронов, учет этого распределения был выполнен в 1904г Х.Лоренцем.

Теория Друде-Лоренца смогла объяснить законы Ома, Джоуля-Ленца, механизм проводимости и зависимости сопротивления от температуры.

Однако, со временем стало появляться все больше данных, необъяснимых в рамках классичепской теории. В частности, имелись расхождения по температурному коэффициенту сопротивления, по значениям теплоемкости.

И уж совсем необъяснимым было явление сверхпродоимости, открытое в 1911г.

Все эти расхождения имеют квантовый характер, и поэтому объясняются в рамках более совершенной квантовой теории проводимости твердых тел (зонной теории проводимости).

Рис. 3. Зонная теория проводимости.

Высокая проводимость металлов обуславливается особенностями кристаллической решетки, в которой электронные облака соседних атомов сильно перекрываются друг с другом, поэтому электроны могут легко перемещаться между атомами, обеспечивая низкое электрическое сопротивление. Первоначально была разработана классическая теория проводимости Друде-Лоренца. В настоящее время она сменилась зонной теорией проводимости.

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

Средняя оценка: 4.7

Всего получено оценок: 114.

А какая ваша оценка?

Гость завершил

Тест «Налим»с результатом 8/10

Гость завершил

Тест «Ревизор»с результатом 13/17

Гость завершил

Тест «Муму»с результатом 12/14

Не подошло? Напиши в х, чего не хватает!

Применение электрического тока в металлах

Практически все металлы можно рассматривать, как проводники электрического тока. Это обусловлено их строением, представляющим собой кристаллическую пространственную решетку.

Узлы этой решетки совпадают с центрами положительных ионов, вокруг которых наблюдается хаотическое движение свободных электронов.

Этим объясняется явление проводимости, благодаря которому применение электрического тока в металлах получило наиболее широкое распространение.

Свойства металлов полностью зависят от их внутреннего строения. Твердое состояние металлов представляет собой кристаллическую решетку пространственного типа, где кристаллы расположены упорядоченно. Как уже было отмечено, между узлами кристаллической решетки наблюдается движение свободных электронов.

Абсолютное значение их отрицательных зарядов совпадает с положительным зарядом всех ионов, расположенных в узлах кристаллической решетки. Когда через проводник пропускается электрический ток, ионы остаются на своем месте. Происходит перемещение свободных электронов, одинаковых в любом веществе.

То, что в металлах существуют электроны, проводящие ток, было доказано очень давно. Прежде всего, эти полезные свойства используются при передаче электроэнергии от источника к потребителям.

В основе работы генераторов и электродвигателей также используются физические свойства металлов.

Они применяются и в нагревательных приборах всех типов, предназначенных для промышленного производства и домашних условий.

Таким образом, электрический ток в металлах является упорядоченным движением свободных электронов, на которые воздействует электрическое поле.

При его отсутствии, движение электронов становится хаотичным, подобно движению молекул жидкостей или газов.

Однако, при наличии в проводнике электрического поля, происходит смещение электронов к положительному полюсу источника тока, то есть их движение становится упорядоченным.

Токовая защита нулевой последовательности

Сами электроны в проводнике перемещаются с невысокой скоростью, в отличие от электрического поля, которое перемещается в проводнике со скоростью, приближающейся к скорости света. Именно эта величина служит показателем скорости распространения в проводнике электрического тока.

Металлы в электротехнике — Новости Беларуси

Металлы являются проводниками электрического тока. Этим они обязаны наличию свободных электронов, имеющих отрицательный заряд. Отметим, что свободными являются те электроны, которые не связаны с атомом и находятся в беспорядочном движении.

Под воздействием электрического поля, возникающего в проводнике при подключении к нему источника электрической энергии, свободные электроны устремляются к положительному заряду источника питания. В проводнике возникает электрический ток.

При этом электрический ток имеет скорость, близкую к скорости света (300 000 км/c), а электроны движутся со скоростью менее одного миллиметра в секунду. При своем движении электроны сталкиваются (взаимодействуют) с другими элементами атома и теряют свою энергию.

Это и есть электрическое сопротивление проводника.

Разные металлы имеют разную проводимость электрического тока. Лучшей проводимостью обладает серебро, за ним следуют: медь, золото, хром, алюминий и т.д. При охлаждении металлов их сопротивление электрическому току уменьшается и при достижении определенной температуры наступает их сверхпроводимость.

Благодаря своей электропроводности и нашли металлы широкое применение в электротехнике, где используются изготовленные из них провода, кабели и шинопроводы, а также детали различных промышленных и бытовых электроустановок.

Практически вся современная кабельно-проводниковая продукция производится из меди, алюминия и свинца. Золото и серебро, из-за своей дороговизны, применяются лишь в тех электроустановках, которые являются наиболее ответственными узлами. Драгметаллами в них покрываются электрические контакты, причем чаще золотом, т.к. оно не окисляется.

Если за основу брать проводимость, то медь уступает серебру незначительно, а алюминий имеет проводимость в 1,7 раза ниже меди. Алюминий берет верх своей дешевизной и меньшим весом.

Отрицательным свойством алюминия является ее недостаточная стойкость против коррозии.

Из-за этого кабельная продукция, имеющая оболочку из этого металла, покрывается дополнительной защитой, в качестве которой могут использоваться: битум, ПВХ, резиновый шланг, прорезиненная ткань или бумага.

Медь уступает по электропроводности лишь серебру, поэтому электротехнические шины и шинопроводы нередко изготавливаются из меди. При этом шинопроводы все чаще стали использоваться вместо кабельной продукции.

Свинец нашел применение в электротехнике благодаря своей высокой устойчивости против коррозии. В основном он используется для производства аккумуляторов, оболочки, защищающей кабель, а также предохранителей и припоя.

С использованием материалов http://uncombel.by/

Применение электрического тока в металлах

Носители тока в металлах – свободные электроны (электроны, слабо связанные с ионами кристаллической решетки). Это представление основывается на электронной теории проводимости металлов, а также на ряде опытов, подтверждающих ее положения.

Опыт Рикке

Электрический ток пропускался в течение года через три последовательно соединенных с тщательно отшлифованными торцами цилиндра (медь, алюминий, медь) одинакового радиуса.

В результате, никаких, даже микроскопических следов переноса вещества не обнаружилось: следовательно, ионы в металлах не участвуют в переносе электричества, а перенос заряда в металлах осуществляется частицами, которые являются общими для всех металлов.

Такими частицами могли быть открытые Д. Томсоном (1897 г) электроны.

• Опыты Стюарта и Толмена
  
• (идея Мандельштама и Папалекси)
  
• Катушка с большим числом витков, замкнутая на чувствительный гальванометр, приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси, а затем резко тормозилась.

Если в металле имеются подвижные, слабо связанные с решеткой носители тока, то при резком торможении проводника эти частицы должны по инерции смещаться вперед, как смещаются вперед пассажиры, стоящие в вагоне при его торможении.

Результатом смещения зарядов должен быть импульс тока, что и наблюдалось: по направлению тока можно определить знак носителей тока, а зная размеры и сопротивление проводника, можно вычислить удельный заряд носителей. Оказалось, что значения удельного заряда и массы носителей тока и электронов, движущихся в вакууме, совпали.

Таким образом, было окончательно доказано, что носителями электрического тока в металлах являются свободные электроны.

1. В узлах кристаллической решетки располагаются ионы металла, а между ними хаотически движутся свободные электроны, образуя своеобразный электронный газ
   ,
   обладающий, согласно электронной теории металлов, свойствами идеального газа.
   
   
2. По теории Друде-Лоренца электроны обладают такой же энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного газа. Средняя скорость теплового движения
   
   электронов определяется по формуле
3. М/с(при Т=300К).

Тепловое движение электронов, являясь хаотическим, не может привести к возникновению тока. При наложении внешнего электрического поля на металлический проводник кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение, т.е. возникает электрический ток. Среднюю скорость упорядоченного движения электронов можно оценить по формуле

ϳ
= ne

при плотности тока ϳ
=10 7 А/м 2 (допустимая для медных проводников) n =
8∙ 10 28 м -3 , = 7,8 ∙10 -4 м/с. Значит,

Металлы высокой электропроводности широкого применения

У металлов высокой электропроводности удельное электрическое сопротивление в нормальных условиях не превышает 100 нОм·м. Наиболее распространёнными среди них являются медь, алюминий и железо.

Высокой электропроводностью обладают также многие тугоплавкие металлы, большинство драгоценных и ряд других металлов, а также некоторые сплавы, в частности сплавы меди – бронзы и латуни.

Температура плавления t,°С, плотность Мг/м3 и удельное электрическое сопротивление ρ, нОм·м) основных металлов электротехники приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Температура плавления, плотность и удельное электрическое сопротивление основных металлов электротехники

Медь

Медь является первым и основным проводниковым материалом. Удельное электрическое сопротивление стандартной меди при комнатной температуре 17,241 нОм·м, что соответствует удельной электропроводности 58 МСм/м.

Электропроводность других металлов и сплавов часто оценивают в процентах от электропроводности стандартной меди. Только серебро имеет электропроводность выше, чем медь, однако, оно тяжелее, а главное гораздо дороже.

Плотность меди 8,94 · 103 кг/м3, она достаточно прочна; предел прочности мягкой (отожжённой) меди от 260 до 280, а твёрдой – от 360 до 390 МПа.

Медь плавится при температуре 1083 °С, а кипит при 2567 °С.

Химическая стойкость меди достаточно высока. Даже в условиях высокой влажности медь окисляется на воздухе значительно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах.

Медь удобно обрабатывать, она легко прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до нескольких микрон (мкм). Медь удобно паять, слабая оксидная плёнка на поверхности меди легко разрушается флюсами, для пайки можно использовать как мягкие, так и твёрдые припои.

Получение меди. Медь получают путём переработки сульфидных руд. После ряда плавок руды и обжигов с интенсивным дутьём медь, предназначенная для электротехнических целей, обязательно проходит электролитическую очистку.

Побочный продукт электролиза – шлам – представляет собой ценное сырье, т. к. содержит драгоценные и редкие металлы.

Полученные в процессе электролиза катодные пластины переплавляют в болванки, из которых прокатывают листы или протягивают проволоку.

При холодной протяжке получают твёрдую (твёрдотянутую) медь, которая маркируется МТ. Благодаря влиянию наклёпа твёрдая медь имеет высокий предел прочности при растяжении и малое относительное удлинение при разрыве, а также твёрдость и упругость при изгибе; проволока из твёрдой меди несколько пружинит. Если же медь подвергнуть отжигу, т. е.

нагреву до нескольких сот градусов с последующим охлаждением, то получится мягкая (отожжённая) медь, которая маркируется ММ. Мягкая медь сравнительно пластична, обладает малой твёрдостью и небольшой прочностью, но большим относительным удлинением при разрыве и малым удельным сопротивлением.

Отжиг меди производят в специальных печах без доступа воздуха, чтобы избежать окисления.

Марки меди. В качестве проводникового материала используют медь М1 и М0. Маркировка произведена по содержанию примесей в основном металле (соответственно не более 0,1 % и не более 0,05 %).

Специальныеэлектровакуумныесорта меди не содержат кислорода. Их получают из электролитической меди, переплавленной в вакууме или в защитной атмосфере восстановительного газа СО.

Значительное ухудшение механических свойств меди вызывает водород. При взаимодействии водорода с кислородом, присутствующим в технической меди в виде закиси Cu2O,образуется вода,разрушительно действующая на медь.

После водородного отжига прочность меди может уменьшиться в несколько раз.

Недостатком меди является её подверженность атмосферной коррозии с образованием оксидных и сульфидных плёнок, которые являются полупроводниками и в контакте с медью образуют выпрямительныеэлементы. Вследствие односторонней проводимости окисленная медь непригодна для слаботочных контактов.

Скорость окисления быстро возрастает при нагревании, однако прочность сцепления оксидной плёнки с металлом невелика. При высокой температуре в электрической дуге оксид меди разлагается, обнажая металлическую поверхность.

Механическое отслаивание и термическое разложение оксидной плёнки вызывает повышенный износ медных контактов при сильных токах.

Применение меди. Медь применяют в силовой электротехнике для изготовления проводов, кабелей, шин распределительных устройств, обмоток трансформаторов, электрических машин, токоведущих деталей приборов и аппаратов, анодов гальванических ванн; медные проволоки и ленты используют в качестве экранов кабелей.

Твёрдую медь употребляют в тех случаях, когда нужна особенно высокая механическая прочность, твёрдость и сопротивляемость истиранию, например, для изготовления контактных проводов, коллекторных пластин.

Если же требуется хорошая гибкость и пластичность, а прочность не имеет особого значения, то предпочтительнее мягкая медь (например, для гибких шнуров и монтажных проводов).

Из специальных электровакуумных сортов меди изготавливают детали магнетронов и других приборов СВЧ, аноды мощных генераторных ламп, некоторые типы волноводов и резонаторов.

Кроме того, медь используют для покрытия тонкой плёнкой (фольгирования) гетинакса и текстолита, а также применяют в микроэлектронике в виде осаждённых на подложки плёнок, играющих роль проводящих соединений между функциональными элементами схемы.

Сплавы меди.

Кроме чистой меди в качестве проводниковых материалов применяют сплавы меди с цинком (латуни), а также бронзы – сплавы меди с другими металлами – оловом, фосфором, бериллием, кадмием и т. д., здесь может присутствовать и цинк. Электропроводность медных сплавов несколько ниже, а механическая прочность и химическая стойкость значительно выше, чем у чистой меди.

В наименовании бронзы присутствует название того металла, добавка которого в основном определяет её свойства.

Фосфористую бронзу применяют как припой для пайки меди; бериллиевую бронзу особой прочности (до 1350 МПа) применяют для изготовления пружин и пружинящих контактов.

Из кадмиевойбронзы, электропроводность некоторых марок которой достигает до 95 % от электропроводности меди, изготавливают коллекторные пластины электродвигателей и генераторов, контактные провода электротранспорта и детали других скользящих контактов.

Латуни содержат до 43 % цинка по массе и маркируются по количеству содержащейся в них меди; Л68 и т. п. Латуни прочнее, чем медь, и устойчивее к коррозии, поэтому широко применяются для изготовления штырей и гнёзд разъёмных контактов, а также в качестве твёрдого припоя для пайки меди – ПМЦ (припой медно-цинковый).

Алюминий

Алюминий является вторым по значению проводниковым материалом электротехники, важнейшим из лёгких металлов (его плотность 2,7·103 кг/м3). Удельное сопротивление электротехни-ческого алюминия 28 нОм·м, что в 1,63 раза больше, чем у меди.

Однако, если сделать из 1 кг алюминия и из 1 кг меди провода одинаковой длины, площадь сечения алюминиевого провода будет в 3,3 раза больше, а сопротивление в 2 раза меньше, чем у медного.

Это позволяет считать, что электропроводность у килограмма алюминия в 2 раза выше, чем у меди.

Стоит алюминий гораздо дешевле меди, это делает его самым выгодным проводниковым материалом и стимулирует замену меди алюминием, несмотря на его недостатки – малую прочность (предел прочности мягкого алюминия достигает 80, а твёрдого – до 160 МПа), а также ломкость и химическую активность.

Алюминий – металл серебристо-белого цвета, его поверхность покрыта прочной плёнкой оксидаAl2О3, которая является полупроводником n-типа, а по удельному сопротивлению близка к диэлектрикам.

Эта плёнка предохраняет алюминий от коррозии, но создаёт большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов, а также делает невозможной пайку алюминия обычными методами.

Для разрушения оксидной плёнки при пайке алюминия применяют специальные припои и флюсы, а также вибрацию жала паяльника с частотой ультразвука под слоем расплавленного припоя.

Оксидная изоляция прочна механически и нагревостойка. Температура плавления алюминия равна 657 °С, а оксидной плёнки – около 2050 °С. Слой оксида толщиной 0,03 мм имеет пробивное напряжение около 100 В.

Плотные оксидные слои на поверхности алюминиевой фольги или провода получают с помощью электрохимической обработки (анодирования). Такая изоляция широко применяется в оксидных (электролитических) конденсаторах.

Из анодированных алюминиевых проводов и шин, без применения дополнительной межвитковой изоляции, изготавливают различные обмотки, отличающиеся высокой нагревостойкостью.

Важнейшее значение имеет контакт алюминия и меди.

Если область контакта подвергается воздействию влаги, то возникает местная гальваническая пара с довольно высоким значением ЭДС, вследствие чего алюминиевый проводник разрушается, превращаясь в белый порошок оксида.

Поэтому места соединения медных проводников с алюминиевыми должны быть тщательно защищены от увлажнения (их покрывают изолентой и пропитывают лаком, и т. п.).

Алюминий широко распространён в природе. Его получают электролизом глинозёма Al2О3 в расплаве криолита Na3AlF6 при 950 °С. Прокатку, протяжку и отжиг алюминия производят по технологиям, аналогичным соответствующим операциям для меди. Из алюминия высокой чистоты можно прокатать очень тонкую (6–7 мкм) фольгу.

Марки алюминия. Для электротехнических целей используют алюминий технической чистоты АЕ, содержащий не более 0,5 % примесей. Проволока из алюминия АЕ, отожжённая при температуре 350 ± 20 °С, обладает при 20 °С удельным сопротивлением не более 0,029 мкОм·м при прочности 90 МПа.

Алюминий высокой чистоты А97 (не более 0,03 % примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, используемой в качестве обкладок и для изготовления корпусов электролитических конденсаторов.

У алюминия особой чистоты А999 примеси не превышают 0,001 %, его используют для плакирования (покрытия тонким слоем) проводов из алюминия марки АЕ с целью придать им особую стойкость к коррозии.

С целью упрочнения в алюминий добавляют до 0,5 % магния, до 0,7 % кремния и до 0,3 % железа, при этом получают сплав под названием альдрей. За счёт образования мелкодисперсного соединения Mg2Si прочность альдрея достигает 350 МПа при ρ = 31,7 нОм·м.

электропроводимость металлов

Слайд 1

Электропроводимость металлов Атласова Елизавета у ченица 10 А класса ГОУ СОШ № 489

Слайд 2

План 1. Введение 2. Что такое электрический ток? 3. Свободные электроны в металлах: опыты Л.И. Мандельштама и Н.Д. Папалекси (1913), Р. Толмена и Б. Стюарта (1916). 4 . Сопротивление проводников от температуры. 5.Сверхпроводимость, её применение. 6.Заключение

Слайд 3

Введение Металл – это вещество обладающее такими свойствами, как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск.

Ток в металлах: Для проведения тока в металлах используют чаще всего Медь ( Cu ) и Алюминий ( Al ). Металлы это самый простой способ проведения тока и самый распространенный. Даже в жидком состояние они остаются проводниками.

Самый простой способ передачи тока это провода.

Слайд 4

Что такое электрический ток? Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. Опыты показывают, что по протекании тока по металлическому проводнику не происходит переноса вещества и ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда .

Слайд 5

О пыты Л.И. Мандельштама и Н.Д. Папалекси (1913) На катушке, в которую вделаны две изолированные друг от друга полуоси 00, укреплена проволочная спираль 1.

Концы спирали припаяны к обеим половинам оси и при помощи скользящих контактов 2 («щеток») присоединены к чувствительному гальванометру 3. Катушка приводилась в быстрое вращение и затем внезапно тормозилась.

Опыт действительно обнаружил, что при этом в гальванометре возникал электрический ток. Направление этого тока показало, что по инерции движутся отрицательные заряды.

Измерив заряд, переносимый этим кратковременным током, можно было найти отношение свободного заряда к массе его носителя. Отношение это оказалось равным e/m=l,8•1011 Кл/кг, что хорошо совпадает со значением такого отношения для электронов, определенным другими способами.

Слайд 6

Опыт Р. Толмена и Б. Стюарта (1916). Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси.

Концы катушки с помощью гибких проводов были присоединены к чувствительному баллистическому гальвонометру . Раскрученная катушка резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременный ток, обусловленный инерцией носителей заряда.

Полный заряд, протекающий по цени, измерялся по отбросу стрелки гальвонометра . Блэккет Стюарт Ричард Толмен

Слайд 7

Сопротивление проводников от температуры Сопротивление проводников зависит от температуры. Величина, характеризующая зависимость изменения сопротивления проводника от температуры, называется Температурным коэффициентом сопротивления Для всех металлов температурный коэффициент больше нуля. При изменениях температуры он будет незначительно меняться.

Поэтому, если изменение температуры невелико, то температурный коэффициент можно считать постоянным, и равным среднему значению из этого интервала температур. Сопротивление проводника зависит от удельного сопротивления проводника и от размеров проводника.

Так как размеры проводника при нагревании меняются незначительно, то основной составляющей изменения сопротивления проводника является удельное сопротивление.

Слайд 8

Сверхпроводимость В 1911 г. голландский физик Х. Камерлинг-Оннес открыл такое явление как СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ. Свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением ниже определенной температуры.

Существует множество чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние. Сверхпроводники находят широкое применение.

Так сооружают мощные электромагниты со сверхпроводящей обмоткой, которые создают магнитное полена протяжении длительных интервалов врмени без затрат энергии.

• Слайд 9
• Применение сверхпроводимости
• Слайд 10

Заключение Высокая электропроводность металлов обусловлена высокой делокализацией электронов, наличием в кристаллической решетке электронов проводимости, отличающихся большой подвижностью.

Создание разности потенциалов в металле приводит к направленному движению электронов — носителей электричества, в металле возникает электрический ток.

Электропроводность металлов сильно зависит от степени очистки металла и понижается по мере появления примесей, что связано с нарушением упорядоченности в кристаллической решетке и возникновением новых препятствий направленному движению электронов. Металлы по своим электрическим свойствам относятся к проводникам.

Мир современных материалов — Металлические контактные материалы

•  Металлические контактные материалы
• Металлы, обладая высокой тепло- и элект­ропроводностью, наилучшим образом отвечают требованиям для эффективной передачи тока через контакт с наименьшими потерями. В общем случае твердые метал­лические проводники могут быть разделены на две группы:
• — технически чистые металлы, прежде всего, широко при­меняемые в электрических контактах медь и алюминий, иног­да включающие небольшие добавки других металлов для улуч­шения механических свойств;
• — сплавы со специфическими свойствами, например, по­вышенной износостойкостью и низким трением, среди которых наиболее часто используются бронзы, латуни и некоторые алюминиевые сплавы.

Медь, алюминий и их сплавы в основном используются для сильноточных электрических контактов, а благородные ме­таллы и их сплавы — для слаботочных, при этом благородные металлы используются преимущественно в виде покрытий. Физические свойства основных металлов приведены здесь.

 Медь. Мягкий, ковкий и плас­тичный металл с высокой электропроводностью, легко поддающийся сварке и пайке.

 Основным недостатком меди, как контактного материала, является ее склонность к формированию плохо проводящих ок­сидных и сульфидных пленок на поверхности при воздействии атмосферы.

Это обуславливает ее непригодность для слаботочных контактов.

Но медь широко применяется в сильноточных аппаратах, работающих при напряжениях, дос­таточных для электрического пробоя пленки (свыше 100 В), или в условиях механического разрушения пленок при зна­чительной контактной нагрузке.

 Основные сплавы меди, на­ходящих применение в электрических контактах приведены ниже.

 Cu—Ag. Добавление 0,03—0,1 % серебра в медь увеличи­вает прочность на сдвиг и сопротивление размягчению при повышенных температурах без существенного уменьшения электрической проводимости. Этот сплав обычно использу­ется для изготовления коллекторов электрических машин.

 Cu—Cd. Сплав обладает высокой способностью к холодному деформированию, горячему фор­мованию, пайке твердыми и мягкими припоями, стойкостью к свариванию дугой. Используется в электрических цепях самолетов.

 Cu—Cd—Sn. Общее количество Cdи Snможет достигать 2 %. Применяется в телефонных линиях, в качестве щеток электрических двигателей, деталей переключателей.

 Си—Сr. Концентрация Сr может быть в пределах 0,15—0,9 %. Этот сплав сохраняет высокую механическую прочность при повышенных температурах. Об­ласть применения — электродные материалы для сварочных машин, контакты мощных электрических двигателей, пере­ключатели, прерыватели тока, токонесущие ползуны и оси.

 Си—Те. Добавка теллура в количестве 0,3—0,7 % обеспе­чивает хорошую обрабатываемость, сопротивление коррозии, способность к пайке. Типичная область использования — разъемы и переключатели.

 Cu—Zr. Сплав содержит 0,1—0,2 % циркония, обладает низ­кой склонностью к охрупчиванию, ползучести при повышенных температуре и механических напряжениях. Используется в кон­тактах переключателей и прерывателей цепей устройств, эксп­луатирующихся в условиях высоких температур и вибраций, ком­мутаторах, силовых преобразователях и выпрямителях.

 Бронзы. Эта группа объединяет сплавы Cu—Snс содержа­нием олова от 5 до 15 %. Для электрических контактов преимущественно применяют бронзы с невысоким содержанием олова и других элементов.

 Типичные области применения бронз — контактные пру­жины, мембраны, соединители, лицевые платы, контакт-детали электрических машин, троллейные провода, контакт­ные ножи и т. п.

В частности, для изготовления скользящих контактов электрических аппаратов широко применяется кадмиевая или бериллиевая бронза, имеющая высокую из­носостойкость, коррозионную устойчивость и достаточную электропроводность.

Фосфористая бронза используется для ползунков переключателей.

 Латуни. Вследствие низкой электропроводности обычно латуни используют для изготовле­ния электротехнических изделий, где важна способность ма­териала к формообразованию — винтовые цоколи ламп, штеп­сельные розетки, патроны, точечные неподвижные контакты, пружинящие контакты, стержни короткозамкнутых роторов асинхронных электродвигателей и т. п.

 Алюминий. Мягкий, пластичный металл с относительно высокой тепло- и электропроводностью, широко применяется в электротехнике.

 Прочная пленка окисла А1203 быстро покрывает поверх­ность алюминия уже при комнатной температуре, обеспечивая высокую устойчивость против коррозии в атмосферных усло­виях.

На скорость коррозии алюминия не оказывают заметного влияния находящиеся в воздухе сернистый газ, сероводород, аммиак и другие газы.

В контакте с большинством металлов и сплавов, являющихся благородными по электрохимическому ряду потенциалов, алюминий служит анодом и, следовательно, коррозия в его электролитах будет прогрессировать.

 Механические свойства алюминия повышают его леги­рованием. К сплавам, наиболее часто используемым для элек­тротехнических целей, относятся Al-Mg и Al-Mg-Si, со­держащие также Fe или Со.

 Алюминий и его сплавы применяют в воздушных линиях передач, кабелях, обмотках электрических машин и шинах. Алюминиевая фольга используется в обкладках конденсаторов и ин­тегральных схемах, где тонкие пленки алюминия формируют проводящие дорожки внутренних соединений.

 Серебро. Наиболее широко используемый материал для разрывных контактов, работающих при токах от 1 до 600 А и контактных нагрузках более 15 г.

Имеет наибольшую электро- и теплопроводность среди всех металлов. Благодаря высо­кой пластичности из него могут быть изготовлены многие изделия электротехнического назначения.

Широко исполь­зуется для получения покрытий на контактных частях со­единителей.

 Главные недостатки серебра — низкие точки плавления и кипения, механическая прочность, возможность контакт­ной сварка, склонность к формированию сульфидных пле­нок (потускнению).

Другая проблема — диффузия атомов серебра через некоторые электроизоляционные материалы, под влиянием приложенных электрических по­лей, что может вызывать повреждение изоляции.

Также серебро относится к наиболее дефицитным металлам.

 Для защиты серебра от сульфидизации эффективны до­бавки палладия. Оптимальное содержание палладия в спла­вах Ag—Pd, предназначенных для слаботочных контактов, около 30 %. Однако, удельное сопротивление у таких сплавов почти на порядок выше, чем у чистого серебра.

 Сплавы Ag—Cu наименее стойки к действию коррозион­ных компонентов окружающей среды, поскольку медь также легко коррозирует в этих условиях.

Сплавы со значительным содержа­нием меди не желательно применять в контактах, работаю­щих в условиях искрения и низких давлений.

Вместе с тем, для легирования серебра медь является луч­шим элементом с точки зрения увеличения прочности и из­носостойкости.

 Сплавы Ag—Ni. Малые количества добавки никеля (0,2—3%) в серебре улучшают износостойкость и уменьша­ют вероятность сварки и потускнения.

 Сплавы Ag—Cd. Добавка кадмия снижает электрическую проводимость, температуру плавления и стойкость к окислению, но улучшает сопротивление потускнению.

Сплавы се­ребра с 1—10 % кадмия эффективны для относительно высо­коскоростных скользящих контактов, а также пружинных, пальчиковых и других контактов благодаря их твердости, низкой скорости переноса, износостойкости и стабильному контактному сопротивлению при малых контактных нагруз­ках.

Однако наблюдается общая тенденция к сокращению использования кадмия в промышленности вследствие вызы­ваемого им загрязнения окружающей среды.

 Сплав Ag—Li—La. Наиболее ценные качества серебра, такие как хорошая обрабатываемость, химическая стойкость, приемлемая стоимость сохраняются при его сплавлении с литием и танталом.

В скользящих контактах такие сплавы обеспечивают лучшие характеристи­ки по сравнению с AgCd— более низкое контактное сопро­тивление, большую стойкость к истиранию и искрению.

Из­вестно успешное использование сплавов Ag—Li—Laв легко нагруженных релейных контактах, где они показали низкое и стабильное контактное сопротивление в сравнении с тра­диционными сплавами серебра.

 Сплавы Ag—Pt. Добавки платины, палладия или золота в серебро уменьшают его электрическую проводимость, но повышают прочность, стойкость к изнашиванию и потуск­нению, снижают перенос металла.

 Платина имеет исключительную стойкость к потускнению, окислению и коррозии, следовательно, очень устойчивое сопротивление контакт­ного перехода.

Применяется в контактах, работающих при то­ках до 2 А и небольших нажатиях, для которых надежность является наиболее важной характеристикой.

Минимальный ток формирования дуги для платины (0,9 А) является самым вы­соким среди других благородных металлов (0,35—0,45 А).

 Сплавы Pt—Ir обладают малой склонностью к дугообразованию и более стойки к электроэрозии, чем чистая плати­на. Сплавы Pt—Ru тверже, чем платино-иридиевые сплавы и менее склонны к свариванию, чем платина.

Сплавы Pt—Ni стойки к контактному свариванию. По сравнению с плати­ной, сплавы Pt—Ro тверже и имеют более низкую летучесть при повышенной температуре.

Сплавление платины с воль­фрамом и молибденом (Pt—Wo и Pt—Mo сплавы) повышает точку плавления и твердость материала.

 Палладий дешевле платины, но имеет более низкую стой­кость к коррозии, окислению и потускнению. Он начинает тускнеть при 350°С, но при 900°С сформированная пленка разлагается.

Палладий и его сплавы пред­ставляют интерес как дешевый заменитель золота в разъемах, выключателях и печатных платах.

Однако, в атмосфере, со­держащей следы органических соединений, палладиевые кон­такты при фреттинге имеют тенденцию формировать непро­водящие пленки фрикционных полимеров.

 Хорошими контактными свойствами обладают Pd—Ir сплавы, причем их стоимость намного ниже стоимости платино-иридиевых сплавов.

Сульфидные пленки не формиру­ются на поверхностях Pd—Ag сплавов с содержанием палла­дия свыше 50 %.

Сплавы Pd—Cu с содержанием меди 15 или 40 % обычно используются в качестве контактных материа­лов в телекоммуникациях и автомобильной технике благода­ря их низкой склонности к переносу.

 Золото — самый мягкий благородный металл, стоек к окислению и потускнению, но подвержен механическому износу, переносу металла и свариванию. Широко использу­ется в компьютерах и устройствах передачи данных, где ра­бочие токи не превышают 0,5 А.

 Чистое золото склонно к задиру и сильному адгезионно­му износу. Добавки других благородных или неблагородных металлов (Со, Ni, Сu, Sb, Cd, In) повышают твердость и сни­жают износ. Электрические контакты из золотых сплавов стойки к воздействию серосодержащих и других агрессив­ных соединений (H2S, S02, N02, 02, СО, Н20).

 Вследствие чувствительности к электрической эрозии, чистое золото используется преимущественно в прецизион­ных контактах, работающих при малых нагрузках и низких напряжениях. Сплавы золота имеют более высокую твердость и эрозионную стойкость.

Au—Ag сплавы с содержанием зо­лота более 50 % не имеют склонности к формированию сульфидных пленок. Также используютсясплавы Au—Pt—Ni. Среди тройных сплавов золота, хорошо известен твердый нетускнеющий сплав Аu—Ag—Pt. Сплавы Au— Ag—Си и Аи—Ag—Ni имеют повышенную твердость.

Также используются твердые тугоплавкие сплавы Au—Pd—Ni.

 Родий является очень стойким к потускнению и очень твердым контактным материалом. Однако, вследствие труд­ностей при переработке в изделия, используется исключи­тельно для покрытий в легко нагруженных контактах, где надежность имеет определяющее значение.

 Вольфрам — очень тяжелый, твердый, износостойкий металл с высокой температурой плавления и кипения, стой­кий к свариванию и переносу материала.

Один из важней­ших материалов электровакуумной техники — в вакууме или инертном газе может работать при температуре более 20000С.

Его основные недостатки — низкая сопротивляемость кор­розии и окислению, высокое удельное электрическое сопро­тивление и трудная обрабатываемость. Поэтому, контактные элементы из вольфрама получают преимущественно метода­ми порошковой металлургии.

 К достоинствам вольфрама как контактного материала относятся способность противостоять действию дуги и сва­риванию вследствие большой тугоплавкости, малая подвер­женность электрической эрозии. Наиболее эффективен при использовании в контактах с величиной тока 1—5 А и доста­точно высоких нажатиях.

 Никель относится к одним из наиболее распространен­ных элементов в земной коре.

Высокая стойкость к окисле­нию и коррозии сплавов, относительно низкое электричес­кое сопротивление и коэффициент термического расшире­ния, высокая механическая прочность никеля и его сплавов обусловили их широкое применение для электротехничес­ких целей, например, в электровакуумной технике. В част­ности, сплавы никеля с низким коэффициентом термичес­кого расширения используются в электронных лампах, где надежность вакуумно-плотных спаев металл—стекло имеет первостепенное значение. Ни­кель магнитен и его используют в качестве компонента ряда магнитных и проводниковых сплавов. Сплав никеля и желе­за Инвар (Fe—36 % Ni) с низким термическим расширением широко применяется в электронной индустрии для печат­ных плат.

 Молибден является аналогом вольфрама, уступая ему в твердости, температуре плавления и чувствительности к ат­мосферной коррозии, но превосходя с точки зрения легкос­ти механической обработки. В кислородсодержащей среде на его поверхности формируются оксидные пленки, нарушаю­щие проводимость контакта, вследствие чего контакты из молибдена не надежны при работе на воздухе.

1.  Контакты из молибдена и его сплавов с вольфрамом, имеющих повышенную твердость, используются для работы в вакууме и инертных газах.
2. Другая группа материалов для контактов – композиционные контактные материалы.
3. Литература:

Мышкин Н.К., Кончиц В.В., Браунович М. Электрические контакты. – Издательский дом «Интеллект», 2008. – 560 с.