РАЗЛИЧНЫЕ ТИПЫ ПРОВОДНИКОВ

С точки зрения электрических свойств лучшим проводниковым материалом является электротехническая медь. Однако ее механические свойства во многих случаях неудовлетворительны, поэтому используют сплавы меди. Важнейшими из них являются бронзы (сплавы меди с оловом или некоторыми другими металлами), из которых к лучшим относятся бериллиевая, кремниевая и кадмиевая. Сплавы меди с цинком (латуни) имеют существенно худшие электрические свойства. Обычная латунь имеет содержание меди 72%. Сплавы с большим содержанием меди называются томпаками. Свойства латуни и бронзы соединяют в себе сплавы меди, олова, цинка и свинца Cu – Sn – Zn – Pb. Для области повышенных рабочих температур (до 350°С) используются специальные сплавы меди с серебром, кадмием, свинцом, цирконием и другими элементами. В вакуумной технике используется медь особо высокой чистоты (бескислородная медь).

Мягкая медь используется для изготовления жил проводов и кабелей, твердая медь — для троллейных проводов и ламелей коллекторов. Сплавы меди используются для тех же целей, что и твердая медь, но для более ответственных случаев, а также для контактов.

Алюминий, который используется для замены меди, должен иметь высокую чистоту. Электротехнический алюминий применяют для изготовления проводов воздушных линий электропередачи, в распределительных устройствах, для изготовления кабелей, обмоток трансформаторов и электрических машин, электромагнитов и т.п. Используется он и как конструкционный и защитный (оболочки кабелей, где он заменяет свинец) материал.

Сплавы алюминия применяются там, где относительно плохие механические свойства алюминия недостаточны. В основном используются сплавы типа алюминий, магний, кремний, железо-цинк Al—Mg—Si—Fe-Zn и алюминий, магний, кремний, железо Al-Mg-Si-Fe.

Причины замены меди алюминием носят экономический и стратегический характер. Медь является дорогим и дефицитным материалом.

Алюминий относится к самым распространенным элементам земной коры, и он дешевле меди. Провод из алюминия вдвое легче равноценного по проводимости медного провода. Алюминий стоек к окислению; хотя он и окисляется с поверхности, но слой оксида препятствует дальнейшему окислению алюминия. Большим достоинством алюминия является возможность анодного оксидирования (анодирования), при котором на его поверхности возникает слой оксидной изоляции, выдерживающей температуру выше температуры плавления алюминия.

Недостатком алюминия по сравнению с медью является более низкая удельная электрическая проводимость. В результате этого сечение равноценного по проводимости алюминиевого провода на 64% больше, чем медного, а диаметр больше на 28%. Это требует и большего расхода электроизоляционных материалов. Алюминий легко подвержен электролитической коррозии, и его механическая прочность на 30% меньше, чем у меди. По сравнению с медью он труднее паяется.

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 ρ (около 0,1 мкОм*м); значение ρ стали, т.е. железа с примесью углерода и других элементов, еще выше.

На переменном токе в стали, как в ферромагнитном материале заметно сказывается поверхностный эффект (скин эффект),т.е. явление вытеснения тока к поверхности материала, 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.

Сталь как проводниковый материал используется также в виде шин, рельсов трамваев, электрических железных дорог (включая “третий рельс” метро) и пр. Для сердечников сталеалюминевых проводов воздушных линий электропередачи применяется особо прочная стальная проволока, имеющая σ_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 применяются покрытие цинком.

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 (медь осаждают электролитически на стальную проволоку, пропускаемую через ванну с раствором медного купороса). 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.

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, на переменном токе достигается более высокая проводимость всего провода, в целом, с другой – медь защищает расположенную под ней сталь от коррозии.

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.

Металл с минимальным температурным коэффициентом длины в электротехнике необходим для изготовления термических биметаллов, часто называемых просто биметаллами. Термический биметалл получается аналогично биметаллическому проводнику, но он выполняет совершенно другую функцию и к его составным частям предъявляются совершенно другие требования.

Термический биметалл получается при комбинировании двух металлических лент со значительно различающимися температурными коэффициентами длины. Активный материал биметалла имеет возможно больший температурный коэффициент длины. Другой, пассивный материал имеет температурный коэффициент длины возможно меньший. Эти температурные коэффициенты длины должны отличаться, по крайней мере, на один порядок.

Рисунок 26 - Термический биметалл: 1 — исходное положение,

2 — рабочее положение

При нагревании термический биметалл изгибается (рис. 26), причем тем больше, чем больше различия температурных коэффициентов длины активной и пассивной составляющих.

Термические биметаллы используются, главным образом, для целей регулирования температуры, защиты электрического оборудования от перегрузки. Широко используются они, например, для ограничения температуры нагрева в электрических утюгах.