Проводниковые материалы

от 10 -8 до 10-5 Ом*м.

Проводниками электрического тока могут

быть твёрдые вещества, жидкости, а при соответствующих условиях и газы.

Твёрдыми проводниками являются металлы и их сплавы. К твёрдым неметаллическим проводникам относятся некоторые модификации углерода.
К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты.
Газы начинают проводить электрический ток только при напряженности электричнского поля выше некоторого критического значения, обеспечивающего начало ударной и фото ионизации. Сильно ионизированный газ представляет собой особую проводящую среду называемую плазмой.

К проводникам первого рода относятся металлы и их сплавы. Носителями заряда в них являются свободные электроны.
К проводниками второго рода (электролитам), относятся растворы кислот, щелочей и солей а также расплавы ионных соединений. Прохождение тока через такие проводники связано с движением ионов, в результате чего происходит перенос вещества и состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукты электролиза.

поля начинается упорядоченное движение свободных электронов, возникает электрический ток.
Плотность

тока пропорциональна напряженности электрического поля.
Закон Ома: J = ϒ · E , где ϒ – удельная проводимость

Согласно ему в каждом энергетическом

состоянии
Может находиться только один электрон. Таким образом,
если общее число электронов в металле N , то при темпе-
ратуре 0К они займут N/2 наиболее низких энергетических
уровней. Максимальную энергию, которую может иметь
электрон, при температуре абсолютного нуля, называют
энергией Ферми или уровнем Ферми. Энергия Ферми опре-
деляется концентрацией свободных электронов в металле.
Для большинства металлов энергия Ферми составляет 3-15 эВ.

1. В электропроводности участвуют не все электроны, а только те которые имеют энергию, близкую к энергии Ферми.

2. Энергия электронов в металле практически не зависит от температуры. Такое состояние газа называется вырожденным. При нагревании кристалла ему сообщается энергия. За счет этого возбуждения некоторые электроны, находящиеся вблизи уровня Ферми начинают заполнять состояния с более высокой энергией. Но эта дополнительная энергия незначительна по сравнению с энергией Ферми.

поле кристаллической решётки:
В идеальных структурах плоская электронная волна в строго

периодическом поле распространяется без рассеянья энергии. Это означает, что в идеальном кристалле длина свободного пробега электрона равна бесконечности, а удельное сопротивление равно нулю.
Однако в реальных кристаллах всегда присутствуют потери энергии.
Во-первых, причиной, ограничивающей движение электрона, является тепловое колебание атомов кристаллической решетки, которое нарушает периодичность потенциального поля кристалла..
Во-вторых, в кристаллических решётках реальных металлов имеются различного рода нарушения её правильного строения. Это могут быть примесные атомы, вакансии, дислокации, трещины и другие дефекты кристаллической решётки. Эти нарушения также вызывают уменьшение длины свободного пробега электрона.


Полное сопротивление металла есть сумма сопротивления, обусловленного рассеяньем электронов на тепловых колебаниях узлов кристаллической решётки, и остаточного сопротивления, обусловленного рассеяньем электронов на статических дефектах структуры.

энергия практически не изменяется и все температурные изменения проводимости обусловлены

изменением длины свободного пробега электрона.
С ростом температуры увеличиваются амплитуды тепловых колебаний атомов. Это усиливает рассеянье электронов, и вызывает возрастание удельного сопротивления ( участок 3).
При переходе из твёрдого состояния в жидкое (Тпл) у большинства металлов наблюдается увеличение удельного сопротивления приблизительно в 1,5 - 2 раза. Из-за разрушения кристаллической решётки длина свободного пробега резко уменьшается.
При температурах ниже температуры Дебая (участок 2) уменьшаются не только амплитуды тепловых колебаний атомов, но и частоты колебаний. И зависимость удельного сопротивления от температуры имеет степенную зависимость. Температура Дебая (Ѳд )определяет максимальную частоту колебаний атомов кристалличской решётки.
При температурах близких к абсолютному нулю (участок 1) удельное сопротивление может снизиться до величины, определяемой наличием дефектов кристаллической решетки и примесей, или, если вещество обладает сверхпроводимостью, удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля (Ткр).

с другими металлами или неметаллами.

При затвердевании сплавы могут образовывать три

типа соединений:
неупорядоченный твёрдый раствор (замещения или внедрения)

химическое соединение ( интерметаллиды или упорядоченный твёрдый раствор)

- механическое соединение (смесь)

в кристаллическую решётку другого материала (твёрдый раствор внедрения) или атомы

одного вещества частично замещают атомы другого в кристаллической решетке (твёрдый раствор замещения). Вещества при этом образуют совместную кристаллическую решётку.

при их изготовлении выдержаны определённые условия и пропорции в составе.

Причина упорядочения - химическое взаимодействие атомов. Образование упорядоченных структур сопровождается существенным снижением удельного сопротивления твёрдого раствора (точки 1- Cu3Au, 2 – CuAu)

Это явление объясняется тем, что при упорядочении твёрдого раствора образуется новая кристаллическая решётка, при этом восстанавливается периодичность электро-статического поля атомного остова решётки, благодаря чему увеличивается длина свободного пробега электронов и практически полностью исчезает добавочное сопротивление, обусловленное рассеяньем на микронеоднород-ностях сплава.

атомы каждого вещества кристаллизуются самостоя-тельно.
После кристаллизации в вещество представляет

собой смесь двух фаз. Удельное сопротивление таких сплавов в первом приближении линейно изменяется с изменением состава.

электрического тока по сечению проводника: плотность тока максимальна на поверхности

и убывает по мере проникновения в глубь проводника. Это явление получило название поверхностного эффекта (скин-эффекта).
Поскольку центральная часть проводника почти не используется, активное сопротивление провода при прохождении по нему переменного тока, больше, чем его активное сопротивление при постоянном токе.

Δ – глубина, на которой амплитуда электромагнитной волны затухает в е раз (глубина проникновения)

их соединения возникает контактная разность потенциалов, обусловленная различием работы выхода

электронов из разных металлов, неодинаковой концентрацией электронов и давлением электронного газа.

Разность потенциалов U, появляющаяся на концах разомкнутой электрической цепи , состоящей из двух различных проводников, контакты которых находятся при различных температурах (Т1 и Т2) называется термоэлектродвижущей силой

U = Ɛт·( Т2 - Т1 ), где
Ɛт – коэффициент термо э.д.с.

, остальное Al, Si, Mg)
Хромель (90% Ni , 10%Cr)
Платинородий

(90%Pt, 10%Rh

при достижении ими температуры ниже определённого значения (критическая температура).
Известны

несколько десятков чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние.
Сверхпроводимость — квантовое явление. Оно характеризуется также эффектом Мейснера, заключающемся в полном вытеснении магнитного поля из объема сверхпроводника.
Существование этого эффекта показывает, что сверхпроводимость не может быть описана просто как идеальная проводимость в классическом понимании.
Открытие в 1986—1993 гг. ряда высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) далеко отодвинуло температурную границу сверхпроводимости и позволило и практически использовать сверхпроводящие материалы не только при температуре жидкого гелия (4.2 К), но и при температуре кипения жидкого азота (77 К), гораздо более дешевой криогенной жидкости.

не выгодно, т.к. у многих низкие критические температуры. температуры ниже

температуры жидкого гелия. Это алюминий (Ткр=1.2К), цинк(0.9К), олово(3.7К)
Лантан, ниобий, свинец, тантал, барий, висмут,
кремний, селен, теллур, фосфор
Одни редкие, другие ядовитые, третьи радиоактивные.
В настоящее время из чистых материалов используется свинец(Ткр=7.2К) и нио-бий (Ткр=9.2-наивысшая из чистых элементов)
Но более широкое распространение получили сплавы
Эти вещества переходят в сверхпроводящее состояние при достаточно высоких температурах и могут выдерживать довольно сильные магнитные поля.
на основе ниобия.
1. Сплав Ниобия с Оловом Nb3 Sn Ткр=18 К Вкр=22-25Тл (приТ=4.2К)
2. Сплав Ниобия с Титаном Nb-Ti Ткр=8-10 К Вкр=9-13 Тл
5. Сплав Ниобия с Германием Nb3 Ge Ткр=23.2 К Вкр=37 Тл
6. Сплав Ниобия с Галлием Nb3 Ga Ткр=20 К Вкр=34 Тл
Наиболее распространён сплав Ниобия с Титаном, он обладает хорошими механи-ческими свойствами , можно изготавливать провода.
на основе ванадия

1. Сплав Ванадия с Кремнием V3 Si Ткр=17 Вкр=23Тл (приТ=4.2К)
2. . Сплав Ванадия с Галлием V3 Ga Ткр=14.5 Вкр=21Тл (приТ=4.2К)
Эти сплавы хрупкие и для создания кабелей требуется сложная технология.
тройные системы Ниобий- Алюминий- Германий
Nb3 Alx-1 Gex Ткр=23.2К Вкр=40Тл (приТ=4.2К)
Может охлаждаться жидким водородом.
Высокотемпературная сверхпроводимость.
В настоящее время ведутся разработки в области высокотемпературной сверхпроводимости. Разработаны материалы переходящие в сверхпроводящее состояние при тем-пературе жидкого азота (Т=77.4 К)
Наиболее перспективны керамические оксидные материалы.
Это иттриевые керамики. (имеет температуру сверхперехода 102К )
Содержащие иттрий, барий, медь, кислород.

В настоящее время разработаны материалы с Ткр=250 К
Но свойства их не стабильны.
Применение сверхпроводников
1.Создание подземных линий электропередач (без потерь энергии)
2. Создание сверхсильных магнитных полей (ускорители термоядерных реакторов)
3.Создание эл. машин, трансформаторов большой мощности с высоким К.П.Д.
4.Скоростной транспорт на сверхпроводящей подушке.
5. Накопители энергии (замкнутый на себя соленоид)
6. В вычислительной технике (достичь огромного быстродействия)
7. Высокочувствительные датчики и измерительные приборы.

мк Ом м,
Тпл = 1083 0С ,
плотность 8.89 г/см3)
Достоинства:
•

Малое удельное сопротивление (из всех проводников только серебро имеет меньшее удельное сопротивление, чем медь).
• Высокая механическая прочность.
• Удовлетворительная стойкость к коррозии.
Медь окисляется на воздухе значительно медленнее, чем железо, Интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах.
• Хорошая обрабатываемость.( Медь прокатывается в листы, ленты, протягивается в проволоку, толщина которой может доводиться до тысячных долей миллиметра).

Основными способами получения меди являются электролитическое рафинирование и переплавка катодов из медной руды.

в холодном состоянии получают твёрдотянутую медь (марка МТ). Она обладает

высокой механической прочностью, при изгибе пружинит. (предел прочности при растяжении σ=360-390 Мпа)
Если медь подвергнуть отжигу, (нагреть до 400-700 0С с последующим медленным охлаждением) то получим мягкую, отожженную медь (марка ММ). Она пластична, обладает малой твердостью, небольшой прочностью ( σ=260-280 Мпа), и большим относительным удлинением при разрыве.

Твердая медь имеет меньшую проводимость чем отожженная мягкая медь марки ММ.

обмотки трансформаторов и электрических машин, а также токоведущие детали приборов

и аппаратов, проводящие дорожки на печатных платах, в производстве фольгированных слоистых пластиков, медные ленты используют в качестве экранов кабелей.
твердая медь используется , если требуется высокая механическая прочность и стойкость к истиранию: изготовление неизолированных проводов, шин распределительных устройств, контактные провода электрического транспорта, коллекторные пластины электрических машин.

Наличие примесей значительно повышает удельное сопротивление меди. Наиболее чистые сорта проводниковой меди марок МООК (катодная) и МООБ (бескислородная), содержат примесей не более 0.001%. Их применяют в устройствах СВЧ ( различные волноводы, резонаторы), а также в микроэлектронике для получения тонких проводящих пленок.
В производстве проводниковых изделий, применяют марки меди с содержанием примесей не более 0.05 - 0.1 %

– кислород, алюминий, железо, сера и водород.
Для производства медной катанки

для электротехнических целей используют медь повышенной чистоты марок М001, М0, М001б, М0б, М1ор
Массовая доля меди для марки
М0 не менее 99,93 %
М0б не менее 99,97%
М1ор – не менее 99,91%

катанки от 8,0 до 23,0 мм
Катанка имеет следующие марки:
КМ –

катанка медная (М001, М0)
КМб – катанка медная бескислородная
(М001б, М0б)
КМ ор – катанка медная, полученная методом непрерывного литья и прокатки из рафинирован-ных отходов меди и лома меди. (М1ор).

их поверхности от окисления, но иногда по различным причинам медная

катанка может иметь окисленную поверхность.
Для удаления окислов с поверхности катанки используют операцию травления в растворах кислот (8-12% раствор серной кислоты при Т=40-50 0С ).
Для удаления окисленной поверхности, а также дефектов, связанных с некачественной технологией изготовления медную катанку подвергают скальпированию толщиной 0,1 – 0,15 мм.

алюминием (алюминиевые), бериллием (бериллиевые), кадмием (кадмиевая), с фосфором ( фосфористая)

и др. легирующими элементами.
По электропроводности уступают меди, но превосходят ее по механической прочности, упругости, сопротивлению истиранию и коррозионной стойкости.
Применяются для изготовления контактов электрических приборов, токоведущих пружин, проводов линий электрического транспорта, пластин коллекторов электрических машин.
Предел прочности бронз может превышать почти в 3 раза механическую прочность твёрдотянутой меди (800 - 1200 МПа и более у бериллиевой бронзы), в то время как проводимость твердых бронз может составлять 90-95%( у кадмиевой бронзы) от проводимости чистой меди. Пример некоторых марок бронз:
Маркировка бронз:
БрО10 (10% олова, остальное медь);
БрА7 (6 - 8% алюминия, остальное медь).

43%)
При высоком содержании цинка сплав обладает повышенной прочностью, при содержании

цинка 30-32%- сплав обладает наибольшей пластичностью.
Лучшая технологичность, чем у меди. Материал удобен для изготовления всевозможных деталей штамповкой с глубокой вытяжкой.
Высокая стойкость к коррозии. (Разработан состав морской латуни, стойкой к действию морской воды).
Маркировка:
Л63 ( содержит 63% меди)

мк Ом м, Тпл = 657-660 0С, плотность 2,7

г/см3 )
Основные достоинства:
Легкий - алюминий в 3.3 раза легче меди,
Стойкость к атмосферной коррозии за счет защитной пленки оксида Al2O3 .
Сравнительно дешевый и распространённый материал.
Недостатки:
Сравнительно большее удельное сопротивление
Он имеет низкую прочность на разрыв
мягкий-σ=80 МПа, твердый σ=160 - 170 МПа.
В местах контакта алюминиевого провода с проводами из других металлов во влажной среде возникает гальваническая пара, поэтому незащищенная лаками или другими способами алюминиевая проволока разрушается коррозией.
Из за наличия защитной плёнки - трудность пайки и сварки (применяются специальные флюсы и припои).

марок:
АКЛП-М мягкая
АКЛП-ПТ полутвердая
АКЛП-Т твердая

изготовляют электроды электролитических конденсаторов и фольгу(5-10 мкм для обкладок при

изготовлении бумажных и пленочных конденсаторов).
Для электротехнических целей применяют алюминий технической чистоты ( содержание примесей в нём не более 0.5% (марки АЕ )), изготовляют проволоку и шины, жилы кабелей.
Сплавы алюминия
Электротехнический сплав
Альдрей, (состоит из 98% чистого алюминия и соединения Mg2Si) легкий, с высокими механическими свойствами .Прочность бр=350 МПа, что близко к прочности твёрдотянутой меди, ρ=0.0317 мкОм . м.
Конструкционные сплавы
Силумины – литейные сплавы алюминия с кремнием с различными добавками ( Mg, Mn,Cu) Обладают повышенной коррозионной стойкостью во влажной и морской атмосферах, применяются при изготовлении деталей сложной конфигурации, главным образом в авто- и авиастроении.
Дюралюмины – сплавы алюминия— меди — магния с добавками марганца. – легкий прочный, листовые дюрали применяется а авиастроении .Основной недостаток – низкая коррозионная стойкость. (покрывают алюминием)

σ= 1200-1500 МПа и дешевизна.
Недостатки:
Удельное сопротивление гораздо выше, чем

у меди, ρ =0.13-0.14 мкОм м.
На переменном токе в стали проявляется поверхностный эффект и появляются потери мощности на гистерезис.
Железо и сталь имеют низкую коррозионную стойкость.

Сталь может использоваться как проводниковый материал в виде шин, рельсов трамваев, электрических железных дорог и пр., а также для проводов воздушных линий электропередач, если передаются небольшие мощности и основную роль играет не удельное сопротивление провода, а его механическая прочность.

жилы, обвитые алюминиевой проволокой.
Для сталеалюминиевого провода воздушных линий используется

особо прочная стальная проволока с бр=1200 - 1500 МПа, покрытая цинком для защиты от коррозии в условиях повышенной влажности.

в ряде случаев бывает целесообразно заменять центральную часть проводника более

дешёвым (и более прочным) металлом с худшими электрическими характеристиками (биметаллическая проволока медь-железо, медь снаружи).

85% Cu , 12% Mn , 3% Ni.
-ТК ρ

практически равен 0. Термостабильный сплав
-имеют малую термо-э.д.с. в паре с медью (1 - 2 мкВ/К ),
-удельное сопротивление 0.42 - 0.48 мкОм . м,
-максимальную длительную рабочую температуру не более 200 С.

Можно изготовлять в виде проволоки толщиной до 0.02 мм с эмалевой и др. изоляцией. Применяются для изготовления образцовых резисторов, шунтов, в измерительной технике.
2.Константан
Константан - медно-никелевый сплав (средний состав 60% Cu, 40%Ni ),
-Также термостабильный ТК ρ = 0
-имеет ρ=0.648 - 0.52 мкОм . м,
-Высокая термо-э.д.с. в паре с медью 45 - 55 мкВ/К, поэтому константан можно использовать для термопар.
-Реостаты и нагревательные элементы из константана могут длительно работать при температуре 450 С.

алюминия и других компонентов.
Устойчивость этих сплавов к высоким температурам

объясняется тем, что при нагреве на воздухе на поверхности образуются оксиды, образующие прочную защитную плёнку. На стойкость сплавов при высокой температуре также влияет значение температурных коэффициентов линейного расширения этих сплавов и их оксидных пленок. Если их значения различны, то при нагреве происходит растрескивание защитной пленки, и кислород воздуха будет проникать в трещины, вызывая дальнейшее окисление сплава, что ведёт к разрушению проводника..
 
Сплавы системы Ni-Cr называются нихромами,
на основе никеля, хрома и алюминия фехралями и хромалями.
В марках сплавов буквы обозначают: Х - хром, Н - никель, Ю - алюминий, Т титан. Цифра, следующая за буквой, означает среднее процентное содержание этого металла.

Для электротермической техники и электрических печей большой мощности используют обычно

более дешевые, чем нихром, фехраль и хромаль сплавы.

231,9С, ρ= 0,115 мкОм м
Олово – металл серебристого цвета. В

кабельной промышленности применяется как в чистом виде, так и в виде сплавов со свинцом для лужения медной проволоки.
Лужение проволоки обеспечивает хорошую пайку медной проволоки, а также коррозионную стойкость поверхности медной проволоки.
Олово, применяемое в кабельной промышленности в зависимости от химического состава маркируется 01пч, 01, 02
Олово должно храниться при температуре не ниже +14С. При более низкой температуре олово превращается в серый порошок. Это явление получило название «оловянная чума».

м
В кабельной промышленности никель используется в качестве покрытия медной

проволоки, применяемой для нагревостойких эмалированных проводов, а также некоторых типов проводов специального назначения.
Никель может наноситься на медную заготовку на металлургических предприятиях методом плакирования. Медная заготовка затягивается в никелевую трубу и подвергается последовательным операциям волочения и отжига. Такая технология применима для производства жаростойких проводов.
На кабельных заводах никелевое покрытие наносится на медную проволоку электролитическим способом. Толщина никелевого покрытия при этом получается от 1 до 5 мкм.
Кроме придания нагревостойкости никелевое покрытие защищает полиимидную изоляцию от каталитического воздействия меди, ускоряющего старение изоляции.

мкОм м
в кабельной промышленности применяется для покрытия медной проволоки, используемой

в качестве токопроводящей жилы или оплетки монтажных проводов, радиочастотных проводов, в основном с фторопластовой изоляцией, эксплуатируемых при температурах до +250 с
Серебряное покрытие обеспечивает защиту поверхности меди от окисления и быструю и качественную пайку при монтаже.
Наносится серебряное покрытие гальваническим методом из цианистых электролитов, которые ядовиты. Серебряный слой получают толщиной от 3 до 10 мкм в зависимости от диаметра проволоки.
Также может использоваться биметаллическая проволока медь-серебро, полученная методом плакирования.

цинк непосредственно не применяется, но цинковые покрытия являются обязательными для

стальной проволоки, применяемой в конструкциях неизолированных проводов для воздушных линий электропередач и бронирования кабелей. Такая проволока производится на металлургических заводах.

металлов вольфрама и молибдена применяют платину, золото, серебро, сплавы на

их основе и металлокерамические композиции, например, Ag - CdO.

Сильноточные разрывные контакты обычно изготовляют из металлокерамических материалов и композиций, например, серебро - никель, серебро - графит, медь - вольфрам - никель и др.

Для скользящих контактов часто используют контактные пары из металлического и графитосодержащего материалов, а также проводниковые бронзы, латуни (сплавы меди и цинка), твердую медь и медь, легированную серебром (для коллекторных пластин) и др. материалы.

намного меньше температуры плавления соединяемых металлов.
Различают мягкие припои Тпл

3000С
оловянно-свинцовые
марка ПОС -10 (10% олова)
до ПОС-90

Твердые припои Тпл > 3000С (более прочные)
медно-цинковые (ПМЦ)
серебряные с различными добавками (ПСр)

ρ=15-50 мкОм·м, хорошей теплопроводностью, высокой химической стойкостью, высокой нагревостойкостью.
Применяют

для изготовления резисторов, электродов (прожекторов, дуговых печей, электролитических ванн), в микрофонах угольные порошки, Щётки электрических машин, и мн. другое.
Композиционные материалы - механическая смесь проводниковых материалов с диэлектрической связкой. Наполнитель может быть металлы, графит, сажа, связка может быть как органической, так и неорганической.
Контактолы - различные полимерные композиции с мелкодисперстными порошками серебра, никеля, палладия. (токопроводящие клеи, краски, лаки, эмали.)
Керметы - металло-диэлектрические композиции с неорганическими связующими.(пример Хром Cr с оксидом кремния SiO, Стекло с палладием и серебром.) Применяют в микроэлектронике для изготовления толстоплёночных и тонкоплёночных резисторов).