Реферат - Проводники. В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы

• Название: В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы
• Дата: 14.02.2023
• Размер: 227.5 Kb.
• Имя файла: Реферат - Проводники.doc
• Тип: Документы; #935888

ВВЕДЕНИЕ

В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы. Важнейшими практически при­меняемыми в электротехнике твердыми проводниковыми материа­лами являются металлы и их сплавы.

Из металлических проводниковых материалов могут быть выде­лены металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротив­ление  при нормальной температуре не более 0,05 мкОмм, и сплавы высокого сопротивления, имеющие  при нормальной температуре не менее 0,3 мкОмм. Металлы высокой проводимости используются для проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электриче­ских машин и трансформаторов и т. п. Металлы и сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления резисторов, электро­нагревательных приборов, нитей ламп накаливания и т. п.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и раз­личные электролиты. Для большинства металлов температура плавления высока; только ртуть, имею­щая температуру плавления около минус 39°С, может быть исполь­зована в качестве жидкого металлического проводника при нормаль­ной температуре. Другие металлы являются жидкими проводниками при повышенных температурах.

Механизм прохождения тока в металлах — как в твердом, так и в жидком состоянии — обусловлен движением (дрейфом) свободных электронов под воздействием электрического поля; поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода. Проводниками второго рода, или электро­литами, являются растворы (в частности, водные) кислот, щелочей и солей. Прохождение тока через эти вещества связано с переносом вместе с электрическими зарядами ионов в соответствии с законами Фарадея, вследствие чего состав электролита постепенно изменя­ется, а на электродах выделяются продукты электролиза. Ионные кристаллы в расплавленном состоянии также являются провод­никами второго рода.

Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Од­нако, если напряженность поля превзойдет некоторое критическое значение, обеспечивающее начало ударной и фотоионизации, то газ может стать проводником с электронной и ионной электропровод­ностью. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электро­нов числу положительных ионов в единице объема представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы.

1. Электропроводность металлов.

Классическая электронная теория металлов представляет твер­дый проводник в виде системы, состоящей из узлов кристаллической ионной решетки, внутри которой находится электронный газ из коллективизированных (свободных) электронов. В свободное состоя­ние от каждого атома металла переходит от одного до двух электро­нов. К электронному газу применялись представления и законы статистики обычных газов. При изучении хаотического (теплового) и направленного под действием силы электрического поля движения электронов был выведен закон Ома. При столкновениях электронов с узлами кристаллической решетки энергия, накопленная при уско­рении электронов в электрическом поле, передается металлической основе проводчика, вследствие чего он нагревается. Рассмотрение этого вопроса привело к выводу закона Джоуля—Ленца. Таким образом, электронная теория металлов дала возможность аналитически описать и объяснить найденные ранее экспериментальным путем основные законы электропроводности и потерь электрической энергии в металлах. Оказалось возможным также объяснить и связь между электропроводностью и теплопроводностью металлов. Кроме того, некоторые опыты подтвердили гипотезу об электронном газе в металлах, а именно:

1. При длительном пропускании электрического тока через цепь, состоящую из одних металлических проводников, не наблюдается проникновения атомов одного металла в другой.

2. При нагреве металлов до высоких температур скорость тепло­вого движения свободных электронов увеличивается, и наиболее быстрые из них могут вылетать из металла, преодолевая силы поверх­ностного потенциального барьера.

3. В момент неожиданной остановки быстро двигавшегося про­водника происходит смещение электронного газа по закону инерции в направлении движения. Смещение электронов приводит к появ­лению разности потенциалов на концах заторможенного проводника, и стрелка подключаемого к ним измерительного прибора отклоня­ется по шкале.

4. Исследуя поведение металлических проводников в магнитном поле, установили, что вследствие искривления траектории электро­нов в металлической пластинке, помещенной в поперечное магнитное поле, появляется поперечная ЭДС и изменяется электрическое сопротивление проводника.

Однако выявились и противоречия некоторых выводов теории с опытными данными. Они со­стояли в расхождении температурной зависимо­сти удельного сопротивления, наблюдаемой на опыте и вытекающей из положений теории; в несоответствии теоретически полученных зна­чений теплоемкости металлов опытным данным. Наблюдаемая теплоемкость металлов меньше теоретической и такова, как будто электронный газ не погло­щает теплоту при нагреве металлического проводника. Эти про­тиворечия удалось преодолеть, рассматривая некоторые положе­ния с позиций квантовой механики. В отличие от классической электронной теории в квантовой механике принимается, что электронный газ в металлах при обычных температурах находится в состоянии вырождения. В этом состоянии энергия электронного газа почти не зависит от температуры, т. е. тепловое движение почти не изменяет энергию электронов. Поэтому на нагрев электронного газа теплота не затрачивается, что и обнаруживается при измерении теплоемкости металлов. В состоя­ние, аналогичное обычным газам, электронный газ приходит при температуре порядка тысяч Кельвинов. Представляя металл как систему, в которой положительные ионы скрепляются посредством свободно движущихся электронов, легко понять природу всех ос­новных свойств металлов: пластичности, ковкости, хорошей тепло­проводности и высокой электропроводности.

2. Свойства проводников.

К важнейшим параметрам, характери­зующим свойства проводниковых материалов, относятся:

1. 
   удельная проводимость  или обратная ей величина — удельное сопротивление ,
   
2. 
   температурный коэффициент удельного сопротивления ТК_ или _,
   
3. 
   коэффициент теплопроводности _т,
   
4. 
   контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС),
   
5. 
   работа выхода электронов из металла,
   
6. 
   предел прочности при растяжении _р и относительное удлинение перед разрывом l/l.
   

Удельная проводимость и удельное со­противление проводников. Связь плотности тока J (в амперах на квадратный метр) и напряженности электрического поля (в вольтах на метр) в проводнике дается известной формулой:

J=E

(2-1)

(дифференциальная форма закона Ома); здесь  (в сименсах на метр) параметр проводникового материала, называемый его удельной про­водимостью: в соответствии с законом Ома у металлических провод­ников не зависит от напряженности электрического поля Е при из­менении последней в весьма широких пределах. Величина  = 1/, обратная удельной проводимости и называемая удельным сопро­тивлением, для имеющего сопротивление R проводника длиной l с постоянным поперечным сечением S вычисляется по формуле

 = RS/l

(2-2)

Удельное сопротивление измеряется в ом-метрах. Для измерения  проводниковых материалов разрешается пользоваться внесистемной единицей Оммм²/м; очевидно, что проволока из материала длиной 1 м с поперечным сечением 1 мм² имеет сопротивление в омах, чис­ленно равно  материала в Оммм²/м.

Диапазон значений удельного сопротивления  металлических проводников (при нормальной температуре) довольно узок: от 0,016 для серебра и до примерно 10 мкОмм для железохромоалюминиевых сплавов, т.е. он занимает всего три порядка. Удельная проводимость металлических проводников согласно клас­сической теории металлов может быть выражена следующим об­разом:

 = (e2n0)/(2mvT)

(2-3)

где е — заряд электрона; n₀ — число свободных электронов в еди­нице объема металла;  — средняя длина свободного пробега элект­рона между двумя соударениями с узлами решетки; т — масса электрона; v_T— средняя скорость теплового движения свободного электрона в металле.

Преобразование выражения (2-3) на основе положений квантовой механики приводит к формуле

 = K02/3

(2-4)

где K — численный коэффициент; остальные обозначения — прежние.

Для различных металлов скорости хаотического теплового дви­жения электронов v_T (при определенной температуре) примерно оди­наковы. Незначительно различаются также и концентрации свобод­ных электронов п₀ (например, для меди и никеля это различие меньше 10 %). Поэтому значение удельной проводимости у (или удельного сопротивления ) в основном зависит от средней длины свободного пробега электронов в

Рис. 2-1. Зависимость удельного сопротивления  меди от температуры
данном проводнике , которая, в свою очередь, определяется структурой проводникового материала. Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой харак­теризуются наименьшими значениями удельного сопротивления; примеси, искажая решетку, приводят к увеличению . К такому же выводу можно прийти, исходя из волновой природы электронов. Рассеяние электронных волн происходит на дефектах кристалличе­ской решетки, которые соизмеримы с расстоянием около четверти длины электронной волны. Нару­шения меньших размеров не вызы­вают заметного рассеяния волн. В металлическом проводнике, где длина волны электрона около 0,5 нм, микродефекты создают значительное рассеяние, уменьша­ющее подвижность электронов, и, следовательно, приводит к росту  материала.

Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов. Число носителей заряда (концентрация свободных электронов) в металлическом проводнике при повышении температуры практически остается неизменным. Однако вследствие усиления колебаний узлов кристаллической ре­шетки с ростом температуры появляется все больше и больше препятствий на пути направленного движения свободных электронов под действием электрического поля, т. е. уменьшается средняя длина свободного пробега электрона . уменьшается подвижность электронов и, как следствие, уменьшается удельная проводимость металлов и возрастает удельное сопротивление (рис. 2-1). Иными словами, температурный коэффициент удельного сопротивления металлов, (кельвин в минус первой степени)

TK = = (1/) (d/dT)

(2-5)

положителен. Согласно выводам электронной теории металлов значе­ния _., чистых металлов в твердом состоянии должны быть близки к температурному коэффициенту расширения идеальных газов, т.е. 1/2730,0037 К^-1. При изменении температуры в узких диапазонах на практике допустима кусочно-линейная аппрокси­мация зависимости  (Т); в этом случае принимают, что

2 = 1 [1+ (T2 –T1)]

(2-6)

где ₁ , и ₂ — удельные сопротивления проводникового материала при температурах Т₁, и T₂, соответственно (при этом T₂ > Т₁);

_ — так называемый средний температурный коэффициент удель­ного сопротивления данного материала в диапазоне температур от Т₁, до Т₂.

Изменение удельного сопротивления металлов при плавлении. При переходе из твердого состояния в жидкое у большинства металлов наблюдается увеличение удельного сопротивления , как это видно, например для меди, из рис. 2-1; однако у некоторых металлов  при плавлении уменьшается. Удельное сопротивление увеличивается при плавлении у тех метал­лов, у которых при плавлении увеличивается объем, т. е. уменьша­ется плотность; и, наоборот, у металлов, уменьшающих свой объем при плавлении, — галлия, висмута, сурьмы  уменьшается.

Удельное сопротивление сплавов. Как уже указывалось, примеси и нарушения правильной структуры ме­таллов увеличивают их удельное сопротивление. Значительное воз­растание  наблюдается при сплавлении двух металлов в том случае, если они образуют друг с другом твердый раствор, т. е. при (утвер­ждении совместно кристаллизуются, и атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого.

Теплопроводность металлов. За передачу теп­лоты через металл в основном ответственны те же свободные элект­роны, которые определяют и электропроводность металлов и число которых в единице объема металла весьма велико. Поэтому, как правило, коэффициент теплопроводности _T металлов намного больше, чем коэффициент теплопроводности диэлектриков. Очевидно, что при прочих равных условиях, чем больше удельная электрическая проводимость у металла, тем больше должен быть и его коэффициент теплопроводности. Легко также видеть, что при по­вышении температуры, когда подвижность электронов в металле и соответственно его удельная проводимость  уменьшаются, отноше­ние коэффициента теплопроводности металла к его удельной про­водимости _T/ должно возрастать. Математически это выражается законом Вчдемана—Франца—Лоренца:

T/ = LoT

(2-7)

где Т —термодинамическая температура, К; Lo —число Лоренца, равное

Lo=(2k2)/(3e2)

(2-8)

Подставляя в формулу (2-8) значения постоянной Больцмана k = 1.38 10^-23 Дж/К и заряда электрона е = 1,610^-19 Кл, полу­чаем Lo = 2,4510^-8 B²K².

Термоэлектродвижущая сила. При соприкос­новении двух различных металлических проводников между ними возникает контактная разность потенциалов. Причина появления этой разности потенциалов за­ключается в различии значений работы выхода электронов из раз­личных металлов, а также в том, что концентрация электронов, а следовательно, и давление электронного газа у разных металлов и сплавов могут быть неодинаковыми. Из электронной тео­рии металлов следует, что контактная разность потенциалов между металлами А и В равна

UAB=UB - UA + (kT/e) ln (n0A/n0B)

(2-9)

где U_A и U_B — потенциалы соприкасающихся металлов; n_0A и n_0B — концентрации электронов в металлах А и В; k — постоянная Больцмана; e —абсолютная величина заряда электрона.

Если температуры «спаев» одинаковы, то сумма разности потен­циалов в замкнутой цепи равна нулю. Иначе обстоит дело, когда один из спаев имеет температуру T₁ , а другой —температуру Т₂ (рис. 2-2).



Рис. 2-2. Схема термопары
В этом случае между спаями возникает термо-ЭДС, равная

U = (k/e) (T1 - T2 ) ln (n0A/n0B)

(2-10)

Что можно записать в виде

U =  (T1 – T2)

(2-11)

где  — постоянный для данной пары проводников коэффициент термоЭДС, т. е. термо-ЭДС должна быть пропорциональна разности температур спаев.

Температурный коэффициент линейного расширения проводников. Этот коэффициент, интересен не только при рассмотрении работы различных сопряжен­ных материалов в той или иной конструкции (возможность растрескивания или нарушения вакуум-плотного соединения со стеклами, керамикой при изменении температуры и т. п.). Он необходим также и для расчета температурного коэффициента электрического сопротивления провода

TKR = R =  - l

(2-12)

3. Материалы высокой проводимости.

Медь. Преимущества меди, обеспечивающие ей ши­рокое применение в качестве проводникового материала, следующие:

1. 
   малое удельное сопротивление (из всех материалов только серебро имеет несколько меньшее удельное сопротивление, чем медь);
   
2. 
   достаточно высокая механическая прочность;
   
3. 
   удовлетворитель­ная в большинстве случаев стойкость по отношению к коррозии (медь окисляется на воздухе даже в условиях высокой влажности значи­тельно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисле­ние меди происходит только при повышенных температурах);
   
4. 
   хорошая обрабатываемость (медь прокатывается в ли­сты, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра);
   
5. 
   относительная лег­кость пайки и сварки.
   

Медь получают чаще всего путем переработки сульфидных руд. После нескольких плавок руды и об­жигов с интенсивным дутьем медь, предназначенная для электро­техники, обязательно проходит процесс электролитической очистки. Полученные после электролиза катодные пластины меди переплав­ляют в болванки массой 80—90 кг, которые прокатывают и протя­гивают в изделия требующегося поперечного сечения. При изготовле­нии проволоки болванки сперва подвергают горячей прокатке в так называемую катанку диаметром 6,5—7,2 мм; затем катанку про­травливают в слабом растворе серной кислоты, чтобы удалить с ее поверхности оксид меди СuО, образующийся при нагреве, а затем уже протягивают без подогрева в проволоку нужных диаметров — до 0,03—0,02 мм.

Стандартная медь, в процентах по отношению к удельной про­водимости которой иногда выражают удельные проводимости метал­лов и сплавов, в отожженном состоянии при 20 °С имеет удельную проводимость 58 МСм/м, т. е.  = 0,017241 мкОмм. Твердую медь употребляют там, где надо обеспечить особо высокую механическую прочность, твердость и со­противляемость истиранию (для контактных проводов, для шин рас­пределительных устройств, для коллекторных пластин электрических машин и пр.). Мягкую медь в виде проволок круглого и прямоуголь­ного сечения применяют главным образом в качестве токопроводящих жил кабелей и обмоточных проводов, где важна гибкость и плас­тичность (не должна пружинить при изгибе), а не прочность. Медь является сравнительно дорогим и дефицитным материалом. Поэтому она должна расходоваться весьма экономно. Отходы меди на электротехнических предприятиях необходимо тщательно соби­рать; важно не смешивать их с другими металлами, а также с менее чистой (не электротехнической) медью, чтобы можно было эти от­ходы переплавить и вновь использовать в качестве электротехниче­ской меди. Медь как проводниковый материал все шире заменяется другими металлами, в особенности алюминием.

Сплавымеди. В отдельных случаях помимо чистой меди в качестве проводникового материала применяются ее сплавы с оло­вом, кремнием, фосфором, бериллием, хромом, магнием, кадмием. Такие сплавы, носящие название бронз, при правильно подобранном составе имеют значительно более высокие механические свойства, чем чистая медь: _р бронз может быть 800—1200 МПа и более. Бронзы широко применяют для изготовления токопроводящих пру­жин и т. п. Введение в медь кадмия при сравнительно малом сниже­нии удельной проводимости значительно повышает механическую прочность и твердость. Кадмиевую бронзу применяют для контактных проводов и коллекторных пластин особо ответствен­ного назначения. Еще большей механической прочностью обладает бериллиевая бронза (_р —до 1350 МПа). Сплав меди с цинком — латунь — обладает достаточно высоким относительным удлинением перед разрывом при повышенном по сравнению с чистой медью пре­деле прочности при растяжении. Это дает латуни технологические преимущества перед медью при обработке штамповкой, глубокой вытяжкой и т. п. В соответствии с этим латунь применяют в электро­технике для изготовления всевозможных токопроводящих деталей.

Алюминий является вторым по значению (после меди) проводни­ковым материалом. Это важнейший представитель так называемых легких металлов (т. е. металлов с плотностью менее 5 Мг/м³); плот­ность литого алюминия около 2,6, а прокатанного —2,7 Мг/м³. Таким образом, алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди. Температурный коэффициент расширения, удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем меди. Вследствие высоких значений удельной теплоемкости и теплоты пла­вления для нагрева алюминия до температуры плавления и пере­вода в расплавленное состояние требуется большая затрата теплоты, чем для нагрева и расплавления такого же количества меди, хотя температура плавления алюминия ниже, чем меди.

Алюминий обладает пониженными по сравнению с медью свойст­вами — как механическими, так и электрическими. При одинаковых сечении и длине электрическое сопротивление алюминиевого провода больше, чем медного, в 0,028 : 0,0172 = 1,63 раза. Следовательно, чтобы получить алюминиевый провод такого же электрического со­противления, как и медный, нужно взять его сечение в 1,63 раза боль­шим, т. е. диаметр должен быть в  1,3 раза больше диаметра медного провода. Отсюда понятно, что если ограничены габариты, то замена меди алюминием затруднена. Если же сравнить по массе два отрезка алюминиевого и медного проводов одной длины и одного и того же сопротивления, то окажется, что алюминиевый провод хотя и толще медного, но легче его приблизительно в два раза:

8,9/(2,71,63) 2.

Поэтому для изготовления проводов одной и той же проводимости при данной длине алюминий выгоднее меди в том случае, если тонна алюминия дороже тонны меди не более чем в два раза. Весьма важно, что алюминий менее дефицитен, чем медь.

Для электротехнических целей используют алюминий, содержа­щий не более 0,5 % примесей, марки А1. Еще более чистый алюминий марки АВОО (не более 0,03 % примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов оксидных конденсато­ров. Алюминий наивысшей чистоты АВОООО имеет содержание приме­сей, не превышающее 0,004 %. Разные примеси в различной степени снижают удельную проводимость  алюминия. Добавки Ni, Si, Zn или Fe при содержании их 0,5 % снижают y отожженного алюми­ния не более чем на 2—3 %. Более заметное действие оказывают примеси Сu, Ag и Mg, при том же массовом содержании снижающие v алюминия на 5—10 %. Очень сильно снижают алюминия добавки Ti и Мп.

Прокатка, протяжка и отжиг алюминия аналогичны соответству­ющим операциям над медью. Из алюминия может прокатываться тонкая (до 6—7 мкм) фольга, применяемая в качестве электродов бумажных и пленочных конденсаторов.

Алюминий весьма активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов и делает невозможной пайку алюминия обыч­ными методами. Для пайки алюминия применяются специальные пасты-припои или используются ультразвуковые паяльники. В ме­стах контакта алюминия и меди возможна гальваническая коррозия. Если область контакта подвергается действию влаги, то возникает местная гальваническая пара с довольно высоким значением ЭДС, причем полярность этой пары такова, что на внешней поверхности контакта ток идет от алюминия к меди и алюминиевый проводник может быть сильно разрушен коррозией. Поэтому места соединения медных проводников с алюминиевыми должны тщательно защи­щаться от увлажнения (покрытием лаками и тому подобными спо­собами).

Иногда, например для замены свинца в защитных кабельных обо­
лочках, используется алюминий с содержанием примесей не более
0,01 % (вместо 0,5 %для обычного проводникового алюминия).
Такой особо чистый алюминий сравнительно с обычным более мягок
и пластичен и притом обладает повышенной стойкостью по отноше­нию к коррозии.

Алюминиевые сплавы обладают повышенной меха­нической прочностью. Примером такого сплава является альдрей содержащий 0,3-0,5 % Mg, 0,4-0,7 % Si и 0,2-0,3 % Fe (осталь­ное Аl). Высокие механические свойства альдрей приобретает после особой обработки (закалки катанки—охлаждение в воде при темпера­туре 510—550°С волочение и последующая выдержка при темпе­ратуре около 150 °С). В альдрее образуется соединение Mg₂Si, кото­рое сообщает высокие механические свойства сплаву; при указанной выше тепловой обработке достигается выделение MgoSi из твердого раствора и перевод его в тонкодисперсное состояние.



Рис. 3-1. Зависимость полного сечения сталеалюминиевого провода марки АС (кривая 1), сечения стального сердечника (кривая 2) и активного электрического сопротивления (при частоте 50 Гц) единицы длины провода (кривая 3) от внешнего диаметра провода D

Сталеалюминиевый провод, широко применяемый в линиях электропередачи, представляют собой сердечник, свитый и из стальных жил и обвитый снаружи алюминиевой проволокой. В проводах такого типа механическая прочность определяется глав­ным образом стальным сердечником, а электрическая проводимость — алюминием. Увеличенный наружный диаметр сталеалюминиевого провода по сравнению с медным на линиях передачи высокого на­пряжения является преимуществом, так как уменьшается опасность возникновения короны вследствие снижения напряженности электри­ческого поля на поверхности провода. На рис. 3-1 приведены не­которые характеристики сталеалюминиевого провода марки АС.

Железо (сталь) как наиболее дешевый и доступный металл, обладающий к тому же высокой механической прочностью, представ­ляет большой интерес для использования в качестве проводникового материала. Однако даже чистое железо имеет значительно более вы­сокое сравнительно с медью и алюминием удельное сопротивление  (около 0,1 мкОм-м); значение  стали, т. е. железа с примесью угле­рода и других элементов, еще выше.

При пер еменном токе в стали как в ферромагнитном материале заметно сказывается поверхностный эффект, поэтому в соответствии с известными законами электротехники активное сопротивление стальных проводников переменному току выше, чем постоянному току. Кроме того, при переменном токе в стальных проводниках появляются потери мощности на гистерезис. В качестве проводни­кового материала обычно применяется мягкая сталь с содержанием углерода 0,10—0,15 %, имеющая предел прочности при растяжении _р=700—750 МПа, относительное удлинение перед разрывом l/l = 5 —8 % и удельную проводимость  , в б—7 раз меньшую по сравнению с медью. Такую сталь используют в качестве материала для проводов воздушных линий при передаче небольших мощностей. В подобных случаях применение стали может оказаться достаточновыгодным, так как при малой силе тока сечение провода определя­ется не электрическим сопротивлением, а его механической проч­ностью.

Сталь как проводниковый материал используется также в виде шин, рельсов трамваев, электрических железных дорог (включая «третий рельс» метро) и пр. Для сердечников сталеалюминиевых про­водов воздушных линий электропередачи (см. выше) применяется особо прочная стальняя проволока, имеющая а_р=1200—1500 МПа и l/l = 4—5 %. Обычная сталь обладает малой стойкостью к кор­розии: даже при нормальной температуре, особенно в условиях по­вышенной влажности, она быстро ржавеет; при повышении темпера­туры скорость коррозии резко возрастает. Поэтому поверхность стальных проводов должна быть защищена слоем более стойкого материала. Обычно для этой цели применяют покрытие цинком. Не­прерывность слоя цинка проверяется опусканием образца провода в 20 %-ный раствор медного купороса; при этом на обнаженной стали в местах дефектов оцинковки откладывается медь в виде красных пятен, заметных на общем сероватом фоне оцинкованной поверх­ности провода. Железо имеет высокий температурный коэффициент удельного сопротивления. Поэтому тон­кую железную проволоку, помещенную для защиты от окисления в баллон, заполненный водородом или иным химическим неактивным газом, можно применять в бареттерах, т. е. в приборах, использу­ющих зависимость сопротивления от силы тока, нагревающего по­мещенную в них проволочку, для поддержания постоянства силы тока при колебаниях напряжения.

Биметалл. В некоторых случаях для уменьшения расходов цвет­ных металлов в проводниковых конструкциях выгодно приме­нять так называемый проводниковый биметалл. Это сталь, покрытая снаружи слоем меди, причем оба металла соединены друг с другом прочно и непрерывно по всей поверхности их соприкосновения. Для изготовления биметалла применяют два способа: горячий (стальную болванку ставят в форму, а промежуток между болванкой и стенками формы заливают расплавленной медью; полученную после охлаждения биметаллическую болванку подвергают прокатке и про­тяжке) и холодный, или электролитический. Холодный способ обеспечивает равномер­ность толщины медного покрытия, но требует значительного расхода электроэнергии; кроме того, при холодном способе не обеспечива­ется столь прочное сцепление слоя меди со сталью, как при горячем способе.



Рис. 3-2. Слои десятикратного ослабления для различных материалов в зависи­мости от энергии квантов излучения

Биметалл имеет механические и электрические свойства, проме­жуточные между свойствами сплошного медного и сплошного сталь­ного проводника того же сечения; прочность биметалла больше, чем меди, но электрическая проводимость меньше. Расположение меди в наружном слое, а стали внутри конструкции, а не наоборот, весьма важно: с одной стороны, при переменном токе достигается более высокая проводимость всего провода, в целом, с другой — медь защищает расположенную под ней сталь от коррозии. Биметалличе­ская проволока выпускается наружным диаметром от 1 до 4 мм содержанием меди не менее 50 % полной массы проволоки. Значе­ние Стр (из расчета на полное сечение проволоки) должно быть не менее 550—700 МПа, а l/l не более 2 %. Сопротивление 1 км би­металлической проволоки постоянному току (при 20 °С) в зависимости от диаметра от 60 (при 1 мм) до 4 Ом/км (при 4 мм).

Такую проволоку применяют для линий связи, линий электро­передачи и т. п. Из проводникового биметалла изготовляются шины для распределительных устройств, полосы для рубильников и раз­личные токопроводящие части электрических аппаратов.

Защитные свойства стали от излучений высокой энергии приведены на рис. 3-2.

4. Сверхпроводники и криопроводники

В 1911 г. нидерландский физик X. Камерлинг-Оннес, неза­долго перед тем (в 1908 г.) впервые получивший жидкий гелий (ге­лий был последним газом, который до того еще не удавалось пере­вести в жидкое состояние), исследовал электропроводность металлов при «гелиевых» температурах (температура сжижения гелия при нормальном давлении около 4,2 К; еще более низкие температуры могут быть получены при испарении жидкого гелия). При этом Ка­мерлинг-Оннес сделал поразительное открытие: он обнаружил, что при охлаждении до температуры, примерно равной температуре сжи­жения гелия, сопротивление кольца из замороженной ртути вне­запно, резким скачком падает до чрезвычайно малого, не подда­ющегося измерению, значения.

Такое явление, т. е. наличие у вещества практически бесконечной удельной проводимости, было названо сверхпроводимостью, тем­пература Т_с, при охлаждении до которой вещество переходит в сверхнроводящее состояние, — температурой сверхпроводящего пе­рехода, а вещества, переходящие в сверхпроводящие состояние, — сверхпроводниками.

Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым; при повышении температуры до значения Т_с сверхпроводимость наруша­ется и вещество переходит в нормальное состояние с конечным зна­чением удельной проводимости  .



Рис. 4-1. Общий вид диаграммы состояния сверхпроводника первого рода
В настоящее время известно уже 35 сверхпроводниковых металлов и более тысячи сверхпроводниковых сплавов и химических соеди­нений различных элементов. В то же время многие вещества, в том числе и такие, обладающие весьма малыми значениями  при нормаль­ной температуре металлы, как серебро, медь, золото, платина и другие, при наиболее низких достигнутых в настоящее время температурах (около милликельвина) перевести в сверхпроводящее состояние не удалось.

Явление сверхпроводимости связано с тем, что электрический ток, однажды наведенный в сверх проводящем контуре, будет дли­тельно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы, и притом без всякого подвода энергии извне (конечно, если не учитывать неизбежного расхода энергии на работу охлаждающего устройства, которое должно поддерживать температуру сверхпроводящего контура ниже значения Т_с, харак­терного для данного сверхпроводникового материала); такой сверхпроводящий контур создает в окружающем пространстве магнитное поле, подобно постоянному магниту. Поэтому обтекаемый электри­ческим током сверх проводящий соленоид должен представлять собой сверхпроводниковый электромагнит, не требующий питания от ис­точника тока. Однако первоначальные попытки изготовить практи­чески пригодный сверхпроводниковый электромагнит, создающий в окружающем пространстве магнитное поле с достаточно высокими напряженностью Н и магнитной индукцией В, закончились неуда­чей. Оказалось, что сверхпроводимость нарушается не только при повышении температуры до значений, превышающих Т_с, но и при возникновении на поверхности сверхпроводника магнитного поля с магнитной индукцией, превышающей индукцию перехода В₀ (в первом приближении, по крайней мере для чистых сверхпроводниковых металлов, безразлично, создается ли индукция В_с током, идущим по самому сверхпроводнику, или же сторонним источником магнитного поля). Это поясняется диаграммой состояния сверх­проводника, изображенной на рис. 4-1. Каждому значению тем­пературы Т данного материала, находящегося в сверх проводящем состоянии, соответствует свое значение индукции перехода В_с. Наибольшая возможная температура перехода Т_с (критическая температура) данного сверхпровод­никового материала достигается при ничтожно малой магнитной индукции, т. е. для сверхпроводни­кового электромагнита — при весьма малой силе тока, идущего через обмотку этого электромагнита. Соответственно и наибольшее возможное значение В_с0 магнитной индукции перехода (критическая магнитная индукция) соответствует температуре сверхпроводника, ничтожно отличающейся от нуля Кельвина.


Рис. 4-2. Диаграммы состояния сверхпроводника II рода — станнида ниобия Nb₃Sn (кривые 1 и 2) и сверхпроводника I рода — свинца РЬ (кривая 3)
В 50-х годах нашего столетия были открыты новые сверхпровод­ники, представляющие собой уже не чистые металлы, а сплавы или химические соединения. Эти сверхпроводники в отличие от чистых сверх проводниковых металлов (сверхпроводников I рода), названные сверхпроводниками II рода, обладают рядом особенностей. Переход из нормального в сверх проводящее состояние при охлаждении у них происходит не скачком (как у сверхпроводников I рода), а постепенно; у них существует промежуточное состояние между нижним В_С1 и верхним B_С2 значениями критической магнитной индукции перехода для значений температур Т< T_С0. В промежуточном состоянии сверхпроводимость при постоянном на­пряжении сохраняется, т. е.  = 0, но относительная маг­нитная проницаемость сверхпроводника _r> 0; при воздействии на сверхпроводник переменного напряжения в нем наблюдаются не­которые потери энергии и т. п. Кроме того, свойства сверхпровод­ников II рода в большой степени зависят от технологического режима изготовления и т. п. Из чистых металлов к сверхпроводникам II рода относятся лишь ниобий Nb, ванадий V и технеций Тс.

На рис. 4-2 представлена диаграмма со­стояния типичного сверхпроводника II ро­да — интерметаллического соединения, стан-нида ниобия Nb₃Sn. Кривая 1 дает значения B_С01, кривая 2—значения В_C02; заштрихована область промежуточного состояния. Для со­поставления здесь же приведена диаграмма состояния для типичного сверхпроводника I рода—свинца Рb.

Криопроводники. Помимо явления сверхпроводимости, в совре­менной электротехнике все шире используется явление криопроводимости, т. е. достижение металлами весьма малого значения удельного сопротивления при криогенных температурах (но без перехода в сверхпроводящее состояние). Металлы, обладающие таким свойством, называются криопроводниками.

Очевидно, что физическая сущность криопроводимости не сходна с физической сущностью явления сверхпроводимости. Криопроводимость — частный случай нормальной электропроводности металлов в условиях криогенных температур.

Весьма малое, но все же конечное значение  криопроводников ограничивает допустимую плотность тока в них, хотя эта плотность может быть все же гораздо выше, чем в обычных металлических проводниках при нормальной или повышенной температуре. Криопроводники, у которых при изменении температуры в широком диапазоне р меняется плавно, без скачков, не могут использоваться в устройствах, действие которых основано на триггерном эффекте возникновения и нарушения сверхпроводимости (например, в сверх­проводниковых запоминающих устройствах).

Применение криопроводников вместо сверхпроводников в элек­трических машинах, аппаратах и других электротехнических устрой­ствах может иметь свои преимущества. Использование в качестве хладагента жидкого водорода или жидкого азота (вместо жидкого гелия, который значительно дороже других хладагентов) упрощает и удешевляет выпол­нение тепловой изоляции ус­тройства и уменьшает расход мощности на охлаждение. Кроме того, в сверхпроводящем кон­туре с большим током нака­пливается большое количество энергии магнитного поля, рав­ное LI²/2 Дж (L —индуктив­ность, Гн; I —ток, А). При случайном повышении температуры или магнитной индукции свыше значений, соответствующих переходу сверхпроводника в нормальное состояние хотя бы в малой части сверхпроводящего контура, сверх­проводимость будет нарушена, что приведет к внезапному освобож­дению большого количества энергии. Для криопроводящей цепи такой опасности нет, так как повышение температуры может повлечь за собой лишь постепенное, плавное увеличение сопротивления. Наибольший интерес для применения в качестве криопроводникового материала представляют собой: при темпера­туре жидкого водорода — алюминий, а при температуре жидкого азота —бериллий.

Таким образом, проблема выбора оптимального (т. е. имеющего при рабочей температуре наименьшее удельное сопротивление при наилучших других технико-экономических показателях) криопровод­никового материала сводится в основном к следующему: применить легко доступный и дешевый алюминий и получить наименьшее возможное для криопроводника значение удельного сопротивления, но пойти на использование для охлаждения устройства жидкого водорода, что все же требует преодоления некоторых затруднений и, в частности, необходимости учета взрывоопасности водородо-воздушной смеси; или же применять более дорогой, дефицитный, сложный в технологическом отношении бериллий, но зато исполь­зовать в качестве хладагента более дешевый и легко доступный жидкий азот и тем самым уменьшить затраты мощности на охлаждение.

Во всех случаях для получения высококаче­ственных криопроводннков требуются исключи­тельно высокая чистота металла (отсутствие при­месей) и отсутствие на­клепа (отожженное со­стояние). Вредное влияние примесей и наклепа на удельное сопротивление металлов при криогенных темпера­турах выражено значи­тельно более сильно, чем при нормальной температуре.

ЛИТЕРАТУРА

1. 
   Боородицкий Н. П. Электротехнические материалы.- Л.: Энергоатомиздат, 1985
   

2. 
   Проводниковые материалы / Под ред. Л. Ш. Казарновского. –М.: Энергия, 1970
   

3. 
   Методические разработки к курсам “Конструкционные Материалы” и “Материаловедение” / Под ред. А. А. Клыпина. –М.: Издательство МАИ, 1993
   

4. 
   Учебное пособие к лабораторным работам по металловедению. /Под ред. О. Х. Фаткуллина.- М.: Издательство МАИ