8 ПРОВІДНИКОВІ МАТЕРІАЛИ


8.1 Класифікація та основні властивості провідникових матеріалів

Провідниками можуть бути тверді речовини (це, в основному, метали і їх сплави), рідини та, за певних умов, гази. До твердих провідникових матеріалів відносять метали і сплави. Із провідникових матеріалів можуть бути виділені метали високої провідності з питомим опором ρ=0,05 мк Ом·м при нормальній температурі та сплави високого опору ρ=0,3 мкОм·м. Метали високої провідності використовується для проводів, струмопровідних жил кабелів, обмоток електричних машин і трансформаторів тощо. Сплави високого опору використовуються для виготовлення резисторів, електронагрівальних пристроїв, ниток ламп розжарювання і т. п. До матеріалів з надзвичайно малим питомим опором при низьких (кріогенних) температурах належать надпровідники та кріопровідники.

Рідкі провідники – це розплавлені метали та різні електроліти. Для більшості металів температура плавлення дуже висока. Тільки ртуть, температура плавлення якої біля мінус 39 °C, використовується як рідкий провідник при нормальній температурі. Інші метали використовують як рідкі провідники при високих температурах.

Механізм проходження струму в металах у твердому та рідкому стані зумовлений рухом (дрейфом) вільних електронів під дією електричного поля. Тому метали називають провідниками з електронною електропровідністю або провідниками першого роду, а розчини кислот, лужні розчини та солі, іонні кристали в розплавленому стані – провідниками другого роду.

Гази і пари, у тому числі і пари металів, при низьких напруженостях електричного поля не є провідниками. Якщо напруженість поля перейде деяке критичне значення, що забезпечує початок ударної та фотоіонізації, то газ може стати провідником з електронною й іонною провідністю. Сильно іонізований газ при рівній кількості електронів і позитивних іонів в одиниці об’єму являє собою особливе провідне середовище, яке називають плазмою. Плазма може виникнути в результаті нагрівання до дуже високої tº (ізотермічна плазма) або при електричному розряді в газі (газопровідна плазма).

Плазма є хорошим провідником електричного струму і має діамагнітні властивості. Зокрема, ізотермічна плазма є провідником в магнітогазодинамічних генераторах (МГД генератори), які призначені для безпосереднього перетворення теплової енергії в електричну.

8.1.1 Електропровідність металів

Класична електронна теорія металів дає уявлення про твердий провідник як систему, що складається з вузлів кристалічних іонних ґраток, всередині яких знаходиться електронний газ з вільних електронів. У вільний стан від кожного атома металу переходить від одного до двох електронів. До електронного газу діють уявлення і закони характерні для звичайних газів. При зіткненнях електронів з вузлами кристалічних ґраток енергія, накопичена при прискоренні електронів в електричному полі, передається металевій основі провідника, внаслідок чого він нагрівається. Таким чином, електронна теорія металів дала можливість аналітично описати і пояснити знайдені раніше експериментальним шляхом основні закони електропровідності і втрат електричної енергії в металах. Виявилося можливим також пояснити і зв’язок між електропровідністю і теплопровідністю металів. Крім того, ряд дослідів підтверджував гіпотезу про електронний газ у металах, а саме:

  1. При тривалому протіканні електричного струму через ланцюг, що складається з одних металевих провідників, не спостерігається проникнення атомів одного металу в інший;
  2. При нагріванні металів до високих температур швидкість теплового руху вільних електронів збільшується, і найбільш швидкі з них можуть виходити з металу, переборюючи сили поверхневого потенційного бар’єра;
  3. У момент несподіваної зупинки провідника, що швидко рухається, відбувається зсув електронного газу за законом інерції в напрямку руху. Зсув електронів призводить до появи різниці потенціалів на кінцях загальмованого провідника, і підключений до них вимірювальний прилад дає кидок покажчика по шкалі;
  4. Досліджуючи поведінку металевих провідників у магнітному полі, встановили, що внаслідок викривлення траєкторії електронів у металевій пластинці, поміщеної в поперечне магнітне поле, з’являється поперечна е.р.с. і змінюється електричний опір провідника.

Однак з’явилися і протиріччя деяких висновків теорії з дослідними даними. Вони полягали у розходженні кривих температурної залежності питомого опору, що спостерігається на досліді і теорії; у невідповідності теоретично отриманих значень теплоємності металів експериментальним даним. Теплоємність металів, що спостерігається, менше теоретичної і така, начебто електронний газ не поглинає тепла при нагріванні металевого провідника.

Ці труднощі вдалося перебороти, вставши на позиції квантової механіки. На відміну від класичної електронної теорії квантова механіка вважає, що електронний газ у металах при звичайних температурах знаходиться в стані виродження. У цьому стані енергія електронного газу майже не залежить від температури, тобто тепловий рух майже не змінює енергію електронів. Тому теплота не затрачається на підігрів електронного газу, що і виявляється при вимірюванні теплоємності металів. У стан, аналогічний звичайним газам, електронний газ приходить при температурах порядку тисяч градусів Кельвіна. Уявляючи метал як систему, у якій позитивні іони скріплюються за допомогою електронів, що вільно рухаються, легко зрозуміти природу всіх основних властивостей металів: пластичності, ковкості, гарній теплопровідності і високій електропровідності.

8.1.2 Властивості провідникових матеріалів

До найважливіших параметрів, що характеризують властивості провідникових матеріалів, належать:

  • питома провідність g або обернена їй величина – питомий опір r;
  • температурний коефіцієнт питомого опору (ТК r) або ap ;
  • теплопровідність gГ ;
  • контактна різниця потенціалів і термоелектрорушійна сила (термо-е.р.с.);
  • робота виходу електронів з металу;
  • межа міцності при розтяганні sp  і відносне подовження при розриві Dl/l.

Питома провідність і питомий опір провідників. Зв’язок щільності струму J, А/м2 і напруженості електричного поля Е, В/м у провіднику визначається за формулою:

де g, См/м – питома провідність провідникового матеріалу.

Відповідно до закону Ома g не залежить від напруженості електричного поля Е при зміні останньої в досить широких межах. Величина r = 1/g називається питомим опором провідника, що має опір R, довжину l, з постійним перерізом S і обчислюється за формулою:

Температурний коефіцієнт питомого опору металів. Число носіїв заряду (концентрація вільних електронів) у металевому провіднику при підвищенні температури залишається практично незмінним. Однак, внаслідок посилення коливань вузлів кристалічних ґраток з ростом температури, з’являється більше завад на шляху спрямованого руху вільних електронів під дією електричного поля, тобто зменшується середня довжина вільного пробігу електрона l, зменшується рухливість електронів і, як наслідок, зменшується питома провідність металів і зростає питомий опір. Тобто, температурний коефіцієнт питомого опору металів (К-1) позитивний.

Теплопровідність металів. Передача тепла через метал відбувається вільними електронами, що визначають і електропровідність металів, кількість яких в одиниці об’єму металу досить велика. Тому, як правило, теплопровідність gт металів набагато більша, ніж теплопровідність діелектриків. Очевидно, що за інших рівних умов, чим більша питома електрична провідність g металу, тим більша повинна бути і його теплопровідність. При підвищенні температури, коли рухливість електронів у металі та, відповідно, його питома провідність g зменшуються, відношення теплопровідності металу до його питомої провідності gт/g повинно зростати. Математично це виражається законом Відемана–Франца–Лоренца:

де Т – абсолютна температура, К; Lo – число Лоренца, що дорівнює:

Термоелектрорушійна сила. При спаюванні двох різних металевих провідників між ними виникає контактна різниця потенціалів. Причина її появи полягає в розходженні значень роботи виходу електронів з різних металів, а також різної концентрації електронів в місті контакту. З електронної теорії металів контактна різниця потенціалів між металами А і В визначається за формулою:

де UА, UВ – потенціали з’єднаних металів;
nA , nB – концентрації електронів у металах А и В;
k, е, – стала Больцмана і заряд електрона.

Якщо температури «спаїв» однакові, то сума різниць потенціалів у замкнутому ланцюзі дорівнює нулеві. Коли один зі спаїв має температуру Т1 а інший – температуру Т2 , між спаями виникає термоелектрорушійна сила:

З формули (8.6) видно, що термо-е.р.с. пропорційна різниці температур спаїв.

Температурний коефіцієнт лінійного розширення провідників. При виготовленні елементів конструкцій часто використовують матеріали з різними значеннями температурних коефіцієнтів лінійного розширення, наприклад, метал–скло або метал–кераміка та інші. При зміні температури може виникнути порушення щільності з’єднань і навіть розтріскування скла або кераміки. Тому при підборі матеріалів необхідно добиватись максимально близьких значень їх коефіцієнтів лінійного розширення. Він також використовується і для розрахунку температурного коефіцієнта електричного опору провідникових матеріалів:

Механічні властивості провідників. Вони характеризуються межею міцності при розтягуванні sр і відносним видовженням при розриві Dl/l, а також крихкістю, твердістю та ін. Механічні властивості металевих провідників великою мірою залежать від механічної та термічної обробок, від наявності легувальних домішок, температури плавлення й кипіння, питомої теплоємності та іншого.

8.2 Матеріали високої провідності

Вони використовуються для виготовлення обмоток електричних машин, апаратів, приладів і для передачі електричної енергії.

До матеріалів з малим питомим опором висуваються такі вимоги: низьке значення питомого опору та температурного коефіцієнта питомого опору; досить висока механічна міцність; здатність легко оброблятися; здатність добре зварюватися і створювати при цьому надійні сполуки з малим електричним опором; достатня корозійна стійкість. Найбільш широко застосовуються як провідникові матеріалами з високою провідністю мідь і алюміній.

Мідь. Переваги міді, що забезпечують їй широке застосування як провідникового матеріалу, такі: малий питомий опір (із усіх металів тільки срібло має трохи менший питомий опір, ніж мідь); досить висока механічна міцність; задовільна, в більшості випадків, стійкість до корозії (мідь окисляється на повітрі навіть в умовах високої вологості значно повільніше, ніж, наприклад, залізо; інтенсивне окислення міді відбувається тільки при підвищених температурах); гарна оброблюваність; відносна легкість спаювання та зварювання.

Марки міді. Як провідниковий матеріал використовується мідь марок M1 і М0. Мідь марки M1 містить 99,9% Сu, а в загальній кількості домішок 0,1% кисню повинно бути не більше 0,08%. Присутність у міді кисню погіршує її механічні властивості. Кращі механічні властивості має мідь марки М0, у якій до 0,05% домішок, у тому числі до 0,02% кисню. З міді марки М0 виготовляють тонкі провідники. При холодному протягуванні одержують тверду (твердотягнена) мідь МТ, яка має високу міцність при розтягуванні і мале відносне подовження при розриві, а також має твердість і пружність при вигині.

Стандартна мідь при 20 °С має питому провідність 58 МСм/м, тобто r = 0,017241 мкОм×м. Нормовані властивості твердого та м’якого мідних проводів в порівнянні з алюмінієвим наведені в табл. 8.1.

Тверду мідь використовують там, де необхідно забезпечити особливо високу механічну міцність, твердість і опір до стирання: для контактних проводів, шин розподільних пристроїв, колекторних пластин електричних машин тощо. М’яку мідь у вигляді проводів круглого і прямокутного перерізів застосовують, головним чином, як струмопровідні жили кабелів і обмотувальних проводів, де важливі гнучкість і пластичність.

Таблиця 8.1 – Властивості мідних та алюмінієвих проводів

Мідь є порівняно дорогим і дефіцитним матеріалом. Відходи міді на електротехнічних підприємствах необхідно ретельно збирати і важливо не змішувати їх з іншими металами, щоб можна було піддати ці відходи переплавленню і знову використовувати як електротехнічну мідь. Мідь усе ширше замінюється іншими металами, особливо алюмінієм.

Алюміній. Він є другим за значенням після міді провідниковим матеріалом. Алюміній належить до легких металів із щільністю менше 5 Мг/м3, густина литого алюмінію близько 2,6; а прокатаного – 2,7 Мг/м3.

Алюміній приблизно в 3,5 раза легший міді. Температурний коефіцієнт лінійного розширення і питома теплоємність алюмінію більші ніж міді. Алюміній порівняно з міддю має дещо гірші властивості – як механічні, так і електричні. При однаковому перерізі і довжині електричний опір алюмінієвого проводу більший ніж мідного у 1,63 раза. Отже, щоб одержати алюмінієвий провід такого ж електричного опору, як і мідний, потрібно взяти його переріз у 1,63 раза більшим, тобто його діаметр повинен бути в 1,3 раза більший від діаметра мідного проводу. Якщо ж порівняти за масою два відрізки алюмінієвого і мідного проводів однієї довжини і того самого опору, то виявиться, що алюмінієвий провід хоча і товщий мідного, але легший від нього приблизно в два рази. Тому для виготовлення проводів однієї і тієї ж провідності при даній довжині алюміній вигідніший від міді якщо тонна алюмінію дорожча від тонни міді не більше, ніж у два рази. Досить важливо, що алюміній менш дефіцитний, ніж мідь. У даний час алюміній не тільки замінив мідь у повітряних лініях електропередачі, але впроваджується й у виробництво ізольованих кабельних виробів та обмоток електричних машин.

Для електротехнічних цілей використовують алюміній, що містить не більше 0,5% домішок, марка А1. Ще більш чистий алюміній марки АВ00, який має не більше 0,03% домішок, застосовують для виготовлення алюмінієвої фольги, електродів і корпусів електролітичних конденсаторів. Алюміній найвищої чистоти AB0000 має вміст домішок, що не перевищує 0,004%. Різні домішки в різному ступені знижують питому провідність g алюмінію. Домішки Ni, Si, Zn або Fe при вмісті їх 0,5% знижують у відпаленого алюмінію питому провідність не більше ніж на 2-3%. Більш помітну дію роблять домішки Сu , Ag і Mg, при тому ж самому вмісті понижують g алюмінію на 5-10%. Дуже сильно знижують g алюмінію домішки Ti і Мn.

Прокатування, протягування і випалювання алюмінію аналогічні відповідним операціям над міддю. З алюмінію можна отримати тонку (до 6-7 мкм) фольгу, що використовується як обкладинки в паперових і плівкових конденсаторах. Властивості твердого і м’якого алюмінієвого проводів наведені в табл. 8.1. Алюміній досить активно окисляється і покривається тонкою оксидною плівкою з великим електричним опором. Ця плівка захищає алюміній від подальшої корозії, але створює великий перехідний опір у місцях контакту алюмінієвих проводів і робить неможливим паяння алюмінію звичайними методами. У місцях контакту алюмінію і міді можлива гальванічна корозія. Якщо область контакту піддається дії вологи, то виникає місцева гальванічна пара з досить високим значенням е.р.с., причому полярність цієї пари така, що на зовнішній поверхні контакту струм йде від алюмінію до міді, і алюмінієвий провідник може бути сильно зруйнований корозією. Тому місця з’єднання мідних провідників з алюмінієвими повинні ретельно захищатися від зволоження. Іноді, наприклад, для заміни свинцю в захисних кабельних оболонках, використовується алюміній з вмістом домішок не більше 0,01% (замість 0,5% для звичайного провідникового алюмінію). Такий особливо чистий алюміній, порівняно зі звичайним, більш м’який і пластичний, має підвищену стійкість стосовно корозії.

Сталеалюмінієвий провід. Він широко застосовується у лініях електропередачі і являє собою осердя, звите зі сталевих жил і оповите зовні алюмінієвим проводом. У проводах такого типу механічна міцність визначається, головним чином, сталевим осердям, а електрична провідність – алюмінієм. Збільшений зовнішній діаметр сталеалюмінієвого проводу порівняно з мідним на лініях передачі високої напруги є перевагою, тому що зменшується небезпека виникнення корони внаслідок зниження напруженості електричного поля на поверхні проводу.

Сплави міді. В окремих випадках крім чистої міді застосовуються її сплави з оловом, кремнієм, фосфором, берилієм, хромом, магнієм, кадмієм. Такі сплави, що носять назву бронзи, при правильно підібраному складі мають значно більш високі механічні властивості, ніж чиста мідь: ζр бронзи може бути 800–1200 МПа і більше. Бронзи широко застосовують для виготовлення струмопровідних пружин та іншого. Введення в мідь кадмію при порівняно малому зниженні питомої провідності (рис. 8.1) дає значне підвищення механічної міцності і твердості. Кадмієву бронзу застосовують для контактних проводів і колекторних пластин особливо відповідального призначення. Ще більша механічна міцність у берилієвої бронзи (ζp до 1350 МПа). Сплав міді з цинком утворює латунь, яка має досить високе відносне подовження перед розривом при підвищеною порівняно з чистою міддю, межею міцності при розтягуванні. Це дає латуні технологічні переваги перед міддю при обробці штампуванням, глибоким витягуванням. Латунь застосовують в електротехніці для виготовлення різних струмопровідних деталей. Основні властивості мідних електротехнічних сплавів наведені в табл. 8.2.

Рисунок 8.1 – Залежності питомої провідності міді від вмісту домішок у % від маси (провідність чистої міді прийнята за 100%, домішки зазначені на кривих)

Таблиця 8.2 – Властивості мідних електротехнічних сплавів

Алюмінієві сплави мають підвищену механічну міцність. Прикладом такого сплаву є альдрей, що містить 0,3–0,5% Mg, 0,4–0,7% Si і 0,2–0,3% Fe, інше А1. Високих механічних властивостей альдрей набуває після особливої обробки (загартування катанки, охолодження у воді з температури 510–550 °С, волочіння і наступна витримка при температурі близько 150 °С). Альдрей у вигляді проводів має густину 2,7 Мг/м3, його ζр = 350  МПа,  ∆l/l  =  6,5%,  al    =  23×10-6    К-1,  r = 0,0317  мкОм×м,
aр = 0,0036 K-1. Таким чином, альдрей, практично зберігаючи легкість алюмінію є досить близьким до нього за питомою провідністю, а за механічною міцністю наближається до твердої міді. У даний час розроблені алюмінієві сплави типу альдрея, які не потребують термічної обробки.

8.3 Надпровідники і кріопровідники

Надпровідники. При зниженні температури питомий опір r металів зменшується. А при досягненні кріогенних температур, що наближаються до абсолютного нуля, раптово, різким стрибком падає до надзвичайно малого значення. Це зникнення електричного опору, тобто поява практично нескінченної питомої провідності матеріалу, було названо надпровідністю, а температура, при охолодженні до якої відбувається перехід речовини у надпровідний стан, – температурою надпровідникового переходу Тс. Крім ртуті є багато інших матеріалів, і не тільки чистих металів, але й різних сплавів і хімічних сполук, здатних при охолодженні до досить низької температури переходити у надпровідний стан.

Деякі речовини, у тому числі такі найкращі провідникові матеріали, як срібло і мідь, при найбільш низьких, досягнутих у даний час температурах перевести у надпровідний стан не вдається. Надпровідниками можуть бути не тільки сполуки і сплави металів, яким характерна надпровідність, але й сполуки, до складу молекул яких входять винятково атоми елементів, що не є надпровідниками. На рис. 8.2 показано зміну опору при глибокому охолодженні зразків ртуті і платини, що не належить до надпровідників (по осі абсцис відкладена абсолютна температура в Кельвінах, а по осі ординат – відношення опору зразка при даній температурі RТ до опору R273 при температурі Т = 273 К= 0 °С).

Рисунок 8.2 – Зміна опору зразків ртуті і платини при глибокому охолодженні

Явище надпровідності пов’язане з тим, що електричний струм, один раз наведений у надпровідниковому контурі, буде довгостроково циркулювати у цьому контурі без помітного зменшення. Такий надпровідниковий контур створює в навколишньому просторі магнітне поле, подібно постійному магнітові, що не вимагає живлення від джерела струму.

Кріопровідність. Крім явища надпровідності у сучасній електротехніці усе ширше використовується явище кріопровідності, тобто досягнення деякими металами досить малої питомої провідності при кріогенних температурах, більш високих, ніж температура надпровідного переходу. Матеріали, що мають особливо сприятливі властивості для застосування їх як провідників в умовах кріогенних температур, називаються кріопровідниками або гіперпровідниками.

Досить мале, але все-таки кінцеве значення питомого опору r кріопровідника при його робочій температурі обмежує припустиму густину струму в ньому, хоча ця густина може бути набагато вищою, ніж у звичайних провідниках при нормальній або підвищеній температурі. Природно, що гіперпровідники, у яких при зміні температури в широких межах питомий опір r змінюється плавно, без стрибків, не можуть використовуватися в ряді пристроїв, дія яких заснована на тригерному ефекті появи і руйнування надпровідності. Однак застосування кріопровідників в електричних машинах, апаратах, кабелях має і свої переваги, причому досить істотні. У той час як у надпровідникових пристроях як охолодний агент застосовується рідкий гелій, робоча температура кріопровідників досягається застосуванням більш висококиплячих і дешевих холодоагентів: рідкого водню або навіть рідкого азоту, це значно спрощує й здешевлює виконання та експлуатацію пристрою. Крім того, у надпровідниковому пристрої, наприклад електромагніті, по обмотці якого проходить сильний струм, накопичується велика енергія. Якщо через випадкове підвищення температури або магнітної індукції хоча б на малій ділянці надпровідникового контуру, надпровідність буде зруйнована, і раптово звільниться велика кількість енергії, що може викликати серйозну аварію. У випадку ж кріопровідникового кола підвищення температури викличе лише поступове зростання опору без ефекту вибуху.

Найбільший інтерес для використання як кріопровідника, крім звичайних провідникових матеріалів – алюмінію і міді, викликає застосування берилію. Берилій значно дорожчий і складніший у технологічному відношенні. Ряд сполук берилію сильно токсичний, але берилій при охолодженні рідким азотом має найменше, в порівнянні з алюмінієм і міддю, значення r. Очевидно, що робота з досить дешевим рідким азотом значно простіша, ніж робота з рідким воднем.

В усіх випадках для одержання кріопровідникових матеріалів потрібна висока чистота металу і неможливість наклепу. Шкідливий вплив домішок при кріогенних температурах позначається набагато сильніше, ніж при нормальній температурі. Кріопровідники можуть з успіхом використовуватися для обмоток електричних машин і трансформаторів, для струмопровідних жил кабелів тощо. У ряді випадків застосування кріопровідників досить перспективно.

8.4 Сплави високого опору

При використанні цих сплавів для електровимірювальних приладів і зразкових резисторів, крім високого питомого опору r, потрібні також висока стабільність r у часі, малий температурний коефіцієнт питомого опору ar і малий коефіцієнт термо-е.р.с. у парі даного сплаву з міддю. Сплави для електронагрівальних елементів повинні довгостроково працювати на повітрі при високих температурах (до 1000 °С і навіть вище). Крім того, у багатьох випадках потрібна технологічність сплавів – можливість виготовлення з них гнучкого проводу, іноді досить тонкого, діаметром до сотих часток міліметра. Бажано, щоб сплави, які використовуються для приладів, вироблених у великих кількостях (реостатів, електроплиток, електричних чайників, паяльників тощо), були дешевими і, за можливістю не містили дефіцитних компонентів.

Манганін.Це найбільш широко застосовуваний для виготовленнязразкових резисторів сплав. Зразковий склад його: Cu – 85%, Mn – 12%, Ni – 3%. Назва походить від наявності в ньому марганцю (латинське manganum), а жовтуватий колір пояснюється великим вмістом міді. Значення r манганіну – 0,42-0,48 мкОм×м, ar досить малий, (6-50)×10-6 К-1, коефіцієнт термо-е.р.с. у парі з міддю лише 1-2 мкв/К. Манганін може витягатися в тонкий, діаметром до 0,02 мм, провід. Часто манганіновий провід випускається в емалевій ізоляції. Для забезпечення малого значення ar і його стабільності у часі манганіновий провід піддається спеціальній термообробці (обпалення у вакуумі при температурі 550-600 °С з наступним повільним охолодженням, а намотані котушки іноді додатково обпалюються при  200 °С). Гранична довгостроково припустима робоча температура сплавів   типу манганіну не більше 200 °С, механічні властивості: sp = 450¸600 МПа, Dl/l=15¸30%. Густина манганіну 8,4 Мг/м3.

Константан.Це сплав,що містить близько 60% міді і 40% нікелю. Цей склад забезпечує мінімальне значення ar в системі Cu-Ni при досить високому значенні r. Назва «константан» зумовлена значною сталістю r при зміні температури. Для сплавів типу константану ar при нормальній температурі складає мінус (5-25)×10-6  К-1  при r = 0,48¸0,52 мкОм×м. За механічними властивостями константан близький до манганіну (sp = 400¸500 МПа, Dl/l = 20¸40%). Його густина 8,9 мг/м3. Нагрівостійкість константану вища, ніж манганіну. Константан застосовується для виготовлення реостатів і електронагрівальних елементів, що довгостроково працюють при температурі до 450 °С.

Істотною відмінністю константану від манганіну є висока термо-е.р.с. константану в парі з міддю, а також із залізом. Його коефіцієнт термо-е.р.с. у парі з міддю складає 45-55 мкВ/К. Це є недоліком при використанні константанових резисторів у вимірювальних схемах, тому що при наявності різниці температур у місцях контакту константанових провідників з мідними виникають термоелектрорушійні сили, які можуть привести до похибок, особливо при мостових і потенціометричних методах вимірювань. Проте константан з успіхом може бути використаний при виготовленні термопар, що служать для вимірювання температури, якщо остання не перевищує декількох сотень градусів.

Широкому застосуванню константану перешкоджає великий вміст у його складі дорогого і дефіцитного нікелю.

Сплави на основі заліза. Ці сплави в основному застосовуються для електронагрівальних елементів. Висока нагрівостійкість таких елементів пояснюється введенням у їхній склад різних металів, які мають високі значення об’ємних коефіцієнтів оксидації К і тому при нагріванні на повітрі утворюється суцільна оксидна плівка. Такими металами є нікель, хром і алюміній. Залізо має об’ємний коефіцієнт оксидації менший одиниці і тому при нагріванні легко окисляється. Чим більший вміст заліза в сплаві, наприклад, з Ni і Cr, тим менш нагрівостійкий цей сплав.

Сплави системи Fe-Ni-Сr. Вони називаються ніхромами або, при підвищеному вмісті Fe, – фероніхромами, сплави системи Fe-Сr-Аl називаються фехралями і хромалями. Слід зауважити, що для різних сплавів за прийнятими стандартами часто застосовуються умовні позначки, що складаються з букв і чисел. Букви ці позначають найбільш характерні елементи, що входять до складу сплаву, причому буква входить у назву елемента, але не обов’язково є першою буквою цієї назви (наприклад, Б означає ніобій, В – вольфрам, Г – марганець, Д – мідь, К – кобальт, Л – берилій, Н – нікель, Т – титан, X – хром, Ю – алюміній), а число – приблизний вміст даного компонента в сплаві (у відсотках за масою), додаткові цифри на початку позначення визначають підвищену (цифра 0) або знижену якість сплаву.

Стійкість хромонікелевих сплавів за високої температури в повітряному середовищі пояснюється близькими значеннями температурних коефіцієнтів лінійного розширення цих сплавів і їхніх оксидних плівок. Тому розтріскування оксидних плівок має місце тільки при різких змінах температури. Тривалість роботи електронагрівальних елементів з ніхрому й аналогічних сплавів може бути в багато разів збільшена за умови унеможливлювання доступу кисню до поверхні провідників. У трубчастих нагрівальних елементах провід зі сплаву високого опору проходить по осі трубки зі стійкого до окислювання металу, а проміжок між проводом і трубкою заповнюється порошком діелектрика з високою теплопровідністю (наприклад, магнезією Mg). При додатковому протягуванні такої трубки її зовнішній діаметр зменшується, магнезія ущільнюється і утворює механічно міцну ізоляцію внутрішнього провідника. Такі нагрівальні елементи застосовуються, наприклад, в електричних кип’ятильниках і можуть працювати досить довгостроково без пошкоджень.

Механічні параметри ніхромів: sp= 650¸700МПа, Dl / l = 25¸30%. Ніхроми досить технологічні: їх можна легко протягувати в порівняно тонкий провід або стрічку і вони мають високу робочу температуру. Але, як і в константані, у цих сплавах великий вміст дорогого і дефіцитного компонента нікелю.

Хромоалюмінієві сплави. До них відносять фехраль і хромаль. Вони набагато дешевші ніхромів, тому що хром і алюміній порівняно дешеві і легкодоступні. Однак ці сплави менш технологічні, більш тверді і тендітні. З них можуть бути отримані проводи і стрічки лише більшого поперечного перерізу ніж з ніхромів. Тому ці сплави використовуються, в основному, в електротермічний техніці для електронагрівальних пристроїв великої потужності та промислових електричних печей. Вони мають високу механічну міцність (sp = 700¸800 МПа при Dl / l = 10¸20%). Густина цих сплавів перебуває в межах від 6,9 до 7,5 Мг/м3.

Біметал. При використанні сплавів високого опору для електровимірювальних приладів і зразкових резисторів, крім високого питомого опору r, потрібні також висока стабільність r в часі, малий температурний коефіцієнт питомого опору ar і малий коефіцієнт термо-е.р.с. у парі даного сплаву з міддю. Крім того, у багатьох випадках потрібна технологічність сплавів – можливість виготовлення з них гнучкого проводу, (іноді досить тонкого (діаметром до сотих часток міліметра)).

У ряді випадків для зменшення витрат кольорових металів у провідникових конструкціях вигідно застосовувати так званий провідниковий біметал. Це сталь, покрита зовні шаром міді, обидва метали з’єднані один з одним міцно по всій своїй поверхні.

Для виготовлення біметалу застосовують два способи. Гарячий, коли сталеву болванку ставлять у форму, а проміжок між болванкою і стінками форми заливають розплавленою міддю. Отриману після охолодження біметалеву болванку піддають прокатуванню і протягуванню. Холодний, або електролітичний, у якому мідь осаджують електролітично на сталевий дріт, що пропускається через ванну з розчином мідного купоросу. Холодний спосіб забезпечує велику рівномірність товщини мідного покриття, але вимагає значної витрати електроенергії. Крім того, при холодному способі не забезпечується настільки міцне зчеплення міді зі сталлю, як при гарячому способі.

Біметал має механічні й електричні властивості, проміжні між властивостями суцільного мідного і суцільного сталевого провідника того ж перерізу. Міцність біметалу більша, ніж міді, але електрична провідність менша. Наявність міді в зовнішньому шарі забезпечує при змінному струмі більш високу провідність усього проводу в цілому, з іншого боку – мідь захищає розташовану під нею сталь від корозії. Біметалевий провід випускається зовнішнім діаметром від 1 до 4 мм зі вмістом міді не менше 50% від повної маси проводу. Значення sp з розрахунку на повний переріз повинно бути не менше 550–700 МПа, а D1/1 – не більше 2%.

Такий провід застосовують для ліній зв’язку і ліній електропередачі. З провідникового біметалу виготовляються шини для розподільних пристроїв, смуги для рубильників і різні струмопровідні частини електричних апаратів.

8.5 Контрольні питання

  1. Які матеріали називають провідниками?
  2. Наведіть класифікацію провідникових матеріалів.
  3. Яка природа електропровідності провідників першого роду?
  4. Назвіть основні електричні параметри провідників.
  5. Що називають питомим електричним опором та питомою електричною провідністю?
  6. Дайте означення температурного коефіцієнта питомого електричного опору.
  7. Назвіть провідникові матеріали, які відносять до провідників високого опору.
  8. Наведіть формулу, за якою можна визначити опір провідників довжиною l та площею поперечного перерізу S.
  9. Як залежить питомий опір металевих провідників від температури та домішок?
  10. Наведіть формулу залежності опору провідника від його температури.
  11. Назвіть провідникові матеріали та елементи й пристрої електричних кіл, для виготовлення яких використовують дані матеріали.