Материалы, используемые в кабельной промышленности (медь)

Физические и механические свойства меди

Медь – это металл красно-розового цвета с золотистым отливом, занимающий в таблице химических элементов 29-е место и имеющий плотность 8,93 кг/м3. Удельный вес меди составляет 8,93 г/см3, температура кипения – 2657, а плавления – 1083 градусов по Цельсию.

Этот металл имеет высокую пластичность, мягкость и тягучесть. Располагая высокой вязкостью, он отлично куется. Медь относится к достаточно тяжелым и прочным металлам. В чистом виде она хорошо проводит тепло и электричество (уступает только серебру).

Применение меди в электротехнике.

Характеристики основных физико-механических свойств меди

В деформированном состоянии прочность меди выше, чем у отожженного металла, а значения электропроводности понижены.

Медные шины изготавливаются по ГОСТ 434-78. Состояния, в котором поставляются медные шины потребителю: не отожженная (маркировка — Т-твердое), отожженным (М-мягкое) и ТВ-твердые шины, изготовленные из бескислородной меди.

Применение меди в электротехнике.

Медь используется в чистом виде: в производстве кабельных изделий, шин голого и контактного проводов, электрогенераторов, телефонного и телеграфного оборудования и радиоаппаратуры. Из меди изготавливают теплообменники, вакуум-аппараты, трубопроводы. Более 30% меди идет на сплавы. Сплавы меди с другими металлами используют в машиностроении, в автомобильной и тракторной промышленности (радиаторы, подшипники), для изготовления химической аппаратуры, изготовление силовых кабелей, проводов или других проводников, например, при печатном монтаже. Медные провода, в свою очередь, также используются в обмотках энергосберегающих электроприводов (быт: электродвигателях

) и силовых трансформаторов.

Твердая медь применяется для обеспечения высокой механической прочности, твердости и сопротивляемости истирания: контактные провода, шины распределительных устройств, коллекторные пластины электрических машин, изготовление волноводов и экранов, токопроводящие жилы кабелей и проводов диаметром до 0,2 мм.

Мягкая медь применяется в кабелях для гибкости и пластичности (отсутствие «пружинения» при изгибе): изготовление фольги , токопроводящие жилы круглого и прямоугольного сечения.

Задание №146

Эффектом Холла называется возникновение поперечного электрического поля и разности потенциалов в проводнике или полупроводнике, по которым проходит электрический ток, при помещении их в магнитное поле, перпендикулярное к направлению тока.

Если в магнитное поле с индукцией поместить проводник или электронный полупроводник, по которому течет электрический ток плотности j, то на электроны, движущиеся со скоростью V в магнитном поле, действует сила Лоренца F, отклоняющая их в определенную сторону (рис. 1).

Действие силы Лоренца на движущийся отрицательный заряд

Рис. 1

На противоположной стороне скапливаются положительные заряды.

В дырочном полупроводнике знаки зарядов на поверхностях меняются на противоположные (рис. 2).

Действие силы Лоренца на движущийся положительный заряд

Рис. 2

Поперечное электрическое поле препятствует отклонению движущихся заряженных частиц магнитным полем. Образующаяся разность потенциалов:

Dj = R (BЧI /d),

где I — сила тока;

d — линейный размер образца в направлении вектора B;

R — постоянная Холла.

Напряженность поперечного электрического поля определяется соотношением:

Ēп = R (B ґ j).

Для металлов и примесных полупроводников с одним типом проводимости:

R = A/nq (в СИ), R = A/cnq (в гауссовой системе),

Ē где с = 3*108 м/с — электродинамическая постоянная;

q и n — заряд и концентрация носителей тока;

А — безразмерный числовой коэффициент порядка единицы, связанный со статистическим характером распределения скоростей носителей тока.

По знаку постоянной Холла определяют тип проводимости полупроводника или проводника: при электронной проводимости q = -e (e — заряд электрона) и R < 0; при дырочной проводимости q = e и R > 0. По величине R можно определить концентрацию носителей тока.

Для полупроводников со смешанной проводимостью (n-типа и р-типа) постоянная Холла в общем случае зависит не только от подвижностей и концентраций обоих типов носителей тока — электронов (ue, ne) и дырок (uk, nk) — но и от величины магнитной индукции. Для слабых магнитных полей, т.е. при условии:

B << max(1/ue, 1/uk) (в СИ),

B/c << max(1/ue, 1/uk) (в гауссовой системе),

постоянная Холла равна:

R = (A/e) (uk nk — ue2 ne) / (uknk + uene)2 (в СИ),

R = (A/сe) (uk nk — ue2 ne) / (uknk + uene)2 (в гауссовой системе).

Знак постоянной Холла позволяет определить тип преимущественной проводимости полупроводника.

Химические свойства металла

Химические характеристики, как и механические, магнитные и физические свойства, такие как пластичность, вязкость, удельный вес меди, имеют актуальное значение. Металл обладает малой химической активностью. При небольшой влажности и нормальной температуре у нее высокая коррозийная устойчивость. При нагревании окисляется, образуя оксиды. Во влажной среде, содержащей углекислый газ, медная поверхность покрывается зеленоватой пленкой, содержащей оксид и карбонат металла. Медь вступает в реакцию с галогенами, образуя соли, при комнатной температуре. Легко взаимодействует с серой и селеном. Прекрасно растворяется в азотной и подогретой концентрированной серной кислоте. Без доступа кислорода с разбавленной серной и соляной кислотой не реагирует.

Плотность меди

Значение этой величины, содержащееся в специальной таблице, составляет 8,93*103 кг/м3. Удельный вес меди – не менее важная величина, характеризующая металл. Он составляет, как уже было сказано 8,93 г/см3.

Получается, что значение величин параметров плотности и удельного веса для данного металла совпадают, что не характерно для других материалов. От плотности материала зависит вес изделия, изготовленного из него. Для расчетов массы будущей детали обычно пользуются удельным весом, а не плотностью.

Удельный вес металла

Эта величина, как и плотность, является важным показателем различных материалов, который определяют по имеющимся таблицам. По величине удельного веса меди и ее сплавов можно выгодно подобрать соответствующие металлы для изготовления изделия с заданными параметрами. Такие расчеты обычно проводят на стадии проектирования. Удельный вес как физическая величина вычисляется отношением веса вещества к его объему. Не следует путать эту величину с плотностью, как массу с весом. Зная удельный вес меди или сплава, всегда можно вычислить массу изделия из данного материала.

Основные медные сплавы, используемые в промышленности

По технологическому процессу изготовления медные сплавы делятся на литейные и деформируемые, а в зависимости от химического состава – на бронзы и латуни. В последней основой является медь и цинк, могут быть добавлены и другие элементы. Бронзы – это сплав меди (удельный вес 8,93 г/см3) с другими металлами. Выбор легирующего компонента зависит от конкретного использования изделия.

По содержанию основного компонента медное литье бывает следующих видов:

• Оловянная бронза. При производстве применяют закалку и старение для увеличения пластичности и прочности.
• Алюминиевая бронза. Обладает антикоррозийными свойствами, отлично деформируется.
• Свинцовый сплав. Имеет превосходные антифрикционные свойства.
• Латунь. Может состоять из двух или нескольких компонентов.
• Медно-никелевый сплав, содержащий цинк. По свойствам и внешнему виду напоминает мельхиор.
• Сплав меди с железом. Основное его отличие – высокая пористость.

Характеристики сплавов

Зависеть электропроводность металлов может не только от количества имеющихся в них примесей, но и от других показателей. К примеру с повышением температуры нагрева способность меди пропускать сквозь себя ток снижается. Оказывает влияние на электропроводность такой проволоки даже способ ее изготовления. В быту и на производстве могут использоваться как мягкие отожженные медные проводники, так и твердотянутые. У первой разновидности способность пропускать сквозь себя ток выше.

Однако больше всего влияют, конечно же, используемые добавки и их количество на электропроводность меди. Таблица ниже представляет читателю исчерпывающую информацию относительно способности пропускать ток наиболее распространенных сплавов этого металла.
Электропроводность медных сплавов

Электропроводность латуни и меди сравнима. Однако у первого металла этот показатель, конечно же, немного ниже. Но при этом он и выше, чем у бронз. В качестве проводника латунь используется довольно-таки широко. Ток она пропускает хуже меди, но при этом и стоит дешевле. Чаще всего из латуни делают контакты, зажимы и различные детали для радиоаппаратуры.

Удельный вес электротехнической меди

Такой она получается после очистки от примесей. Самое малое содержание каких-либо металлов в ней значительно снижает ее электропроводность. Так, например, содержание 0,02 % алюминия понижает проводимость до 10 %, несмотря на то, что этот металл неплохо проводит электрический ток. Самыми важными характеристиками материала являются:

• удельный вес меди;
• сопротивление электрическое;
• температура плавления.

Для нужд электротехники используют технически чистый металл, который содержит от 0,02 до 0,04 % кислорода, а изделия с высокой проводимостью тока изготавливают из особой, бескислородной меди. Для электротехнических изделий (обмотки трансформаторной, провода, кабельной жилы, шин электротехнических) используют разные сорта металла.

Какое сопротивление меди и алюминия

Алюминий — это легкий металл, который легко поддается обработке и литью. Обладает высокой электропроводностью: он стоит на 4 месте после серебра, меди и золота.

Важно! Несмотря на ряд достоинств (невысокую стоимость, малый вес, простоту обработки и другие) в долгосрочной перспективе алюминиевые провода менее выгодны, чем медные.

В электротехнике значение имеют 2 термина:

• Электропроводность: отвечает за передачу тока от одной точки к другой. Чем выше проводимость металла, тем лучше он передает электричество. При +20 градусах проводимость меди составляет 59,5 миллионов сименс на метр (См/м), алюминия — 38 миллионов См/м. Проводимость медного кабеля практически не зависит от температуры.
• Электросопротивление: чем выше это понятие, тем хуже вещество будет пропускать ток. Удельное сопротивление меди составляет 0,01724-0,0180 мкОм/м, алюминия — 0,0262-0,0295.

Вам это будет интересно Как рассчитать индуктивность катушки

Алюминиевые кабели востребованы не меньше медных

Иными словами, медь обладает более высокой проводимостью и меньшим сопротивлением, чем алюминий.

Применение меди и ее сплавов в народном хозяйстве

Высокая прочность, удельный вес меди, отличная электропроводность, хорошая механическая обрабатываемость – все это позволяет использовать ее во многих сферах производства:

• Строительная – прекрасно совмещается с кирпичом, деревом, стеклом, камнем. Имеет длительный срок службы, не боится коррозии.
• Электротехническая – провода, кабели, электроды, шины.
• Химическая – изготавливают детали для аппаратуры и инструменты.
• Металлургическая – производство сплавов. Самый востребованный – латунь. Она тверже меди, хорошо куется, обладает вязкостью. Из нее штампуют различные формы и прокатывают в тонкие листы.
• Художественная – медные чеканки, бронзовые статуи.
• Бытовая – использование для изготовления посуды, труб.

Медь: электропроводность материала

В спокойном состоянии все свободные электроны любого металла вращаются вокруг ядра. При подключении внешнего источника воздействия они выстраиваются в определенной последовательности и становятся носителями тока. Степень способности металла пропускать сквозь себя последний и называется электропроводностью. Единицей ее измерения в Международной СИ является сименс, определяемый как 1 См = 1 Ом-1.

Электропроводность меди очень высока. По этому показателю она превосходит все известные на сегодня неблагородные металлы. Лучше нее ток пропускает только серебро. Показатель электропроводности меди составляет 57х104 см-1 при температуре в +20 °С. Благодаря такому своему свойству этот металл на данный момент является самым распространенным проводником из всех используемых в производственных и бытовых целях.

Медь отлично выдерживает постоянные электрические нагрузки и к тому же отличается надежностью и долговечностью. Помимо всего прочего, этот металл характеризуется и высокой температурой плавления (1083,4 °С). А это, в свою очередь, позволяет меди долгое время работать в нагретом состоянии. По распространенности в качестве проводника тока конкурировать с этим металлом может только алюминий.

Медные руды

В природных условиях медь чаще всего встречается в соединениях, но попадается и в виде самородков. К минералам, которые являются основными ее источниками, относятся:

• Куприт – минерал оксидной группы.
• Малахит – известен как поделочный камень, содержит карбонат меди. Российский малахит – углекислая медная зелень пользуется большой популярностью.
• Азурит – синего цвета минерал, часто сращивается с малахитом, обладает высокой твердостью.
• Медный колчедан и медный блеск – содержат сульфид меди.
• Ковеллин – относится к сульфидным породам, первоначально был обнаружен около Везувия.

Медные руды добывают, в основном, открытым способом. В них может содержаться 0,4-1,0 % меди. По ее производству мировым лидером является Чили, дальше следуют Соединенные Штаты Америки, Россия, Канада, Казахстан.

Проводниковые бронзы

Проводниковые бронзы относятся к медным сплавам, необходимость применения которых в основном вызвана недостаточной в ряде случаев механической прочностью и термической устойчивостью чистой меди.

Общая номенклатура бронз весьма обширна, но высокой электропроводностью обладают лишь немногие марки бронз.

· кадмиевая бронза

относится к наиболее распространенным проводниковым бронзам. Из числа всех марок кадмиевая бронза обладает наивысшей электрической проводимостью. Вследствие повышенного сопротивления истиранию и более высокой нагревостойкости эта бронза широко применяется для изготовления троллейных проводов и коллекторных пластин;

· бериллиевая бронза

относится к сплавам, приобретающим прочность в результате старения. Она обладает высокими упругими свойствами, устойчивыми при нагревании до 250 °C, и электрической проводимостью в 2—2,5 раза большей, чем проводимость других марок бронз общего назначения. Эта бронза нашла широкое применение для изготовления различных пружинных деталей, выполняющих одновременно и роль проводника тока, например: токоведущие пружины, отдельные виды щеткодержателей, скользящие контакты в различных приборах, штепсельные разъемы и т.п.;

· фосфористая бронза

обладает высокой прочностью и хорошими пружинными свойствами, из-за малой электропроводности применяется для изготовления пружинных деталей с низкими плотностями тока.

Литые токоведущие детали изготовляются из различных марок машиностроительных литьевых бронз с проводимостью в пределах 8—15% проводимости чистой меди. Характерной особенностью бронз является малая усадка по сравнению с чугуном и сталью и высокие литейные свойства, поэтому они применяются для отливки различных токоведущих деталей сложной конфигурации, предназначенных для электрических машин и аппаратов.

Все марки литьевых бронз можно подразделить на оловянные и безоловянные, где основными легирующими элементами являются Al, Mn, Fe, Pb, Ni.