Металлические проводниковые материалы

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 Dl/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.

Рисунок 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 Dl/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.

 

3.2 Материалы  с высоким удельным сопротивлением  для резисторов и точных приборов

Манганины — сплавы на медной основе, содержащие около 85% Cu , 12%  Mn, 3% Ni.

Применяются для изготовления образцовых резисторов, шунтов, приборов и т.д., имеют малую термо-э.д.с. в паре с медью (1 – 2 мкВ/К ), удельное сопротивление 0.42 – 0.48 мкОм ^. м, s_р= 450 – 600 МПа, относительное удлинение перед разрывом 15 – 30%, максимальную длительную рабочую температуру не более 200^оС. Можно изготовлять в виде проволоки толщиной до 0.02 мм с эмалевой и др. изоляцией.

Константан — медно-никелевый сплав (средний состав 60% Cu, 40%Ni), имеет r =0.648 – 0.52 мкОм ^. м, a_r =(5 – 25) ^. 10^-6К^-1, s_р= 400 - 500 МПа, относительное удлинение перед разрывом 20 – 40%. 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^оС.

 

3.3. Жаростойкие  материалы

К ним относят сплавы на основе никеля, хрома и других компонентов. Устойчивость этих сплавов к высоким температурам объясняется наличием на их поверхности оксидов хрома Cr₂O₃ и закиси никеля NiO . Сплавы системы Fe-Ni-Cr называются нихромами, на основе никеля, хрома и алюминияфехралями и хромалями. Фехрали и хромали кроме Fe (большая часть), Al, Cr, и Ti содержат 0.6 % Ni и немного Mn.

В марках сплавов буквы  обозначают: Х – хром, Н – никель, Ю – алюминий, Т титан. Цифра, следующая  за буквой, означает среднее процентное содержание этого металла. Некоторые  свойства жаростойких сплавов приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Марка сплава	Тип сплава	r, мкОм . м	Tкr. 105, 1/oC	Максимально допустимая температура, oC
Х20Н80	Нихром	1.04 – 1.17	9	1100
Х13Ю4	Фехраль	1.2 – 1.34	15	960
Х23Ю5Т	Хромаль	1.3 – 1.5	5	1150

Основная область применения этих сплавов — электронагревательные приборы, реостаты, резисторы. Для электротермической техники и электрических печей большой мощности используют обычно более дешевые, чем нихром, фехраль и хромаль сплавы.

 

3.4 Контактные материалы

Для разрывных контактов  в слаботочных контактах, кроме чистых тугоплавких 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.

 

3.5 Сверхпроводники

Протекание тока в  проводниках всегда связано с  потерями энергии, т.е. с переходом  энергии из электрического вида в тепловой вид. Этот переход необратим, обратный переход связан только с совершением работы, как об этом говорит термодинамика. Существует возможность перевода тепловой энергии в электрическую и с использованием так называемого  термоэлектрического эффекта, когда используют два контакта двух проводников, причем один нагревают, а другой охлаждают.

На самом деле, —  и этот факт удивителен, существует ряд проводников, в которых, при  выполнении некоторых условий, потерь энергии при протекании тока нет!  В рамках классической физики этот эффект необъясним. Согласно классической электронной теории движение носителя заряда происходит в электрическом поле равноускоренно до столкновения с дефектом структуры или с колебанием решетки. После столкновения, если оно неупругое, как столкновение двух пластилиновых шариков, электрон теряет энергию, передавая ее решетке из атомов металла. В этом случае принципиально не может быть сверхпроводимости. Оказывается, сверхпроводимость появляется только при учете квантовых эффектов. Некоторое, слабое представление о механизме сверхпроводимости можно получить из следующих соображений. Оказывается, если учесть, что электрон может поляризовать ближайший к нему атом решетки (рисунок 3.3), т.е. чуть-чуть притянуть его к себе за счет действия кулоновской силы, то этот атом решетки чуть-чуть сместит следующий электрон. Образуется как бы связь пары электронов. При движении электрона, второй компонент пары, как бы воспринимает энергию, которую передает электрон атому решетки. Получается, что если учесть энергию пары электронов, то она при столкновении не меняется, т.е. потери энергии электронов не происходит! Такие пары электронов называются куперовскими парами. 

 

Рисунок 3.3. Схема образования электронных пар в проводящем металле

Образование электронных  пар можно объяснить квантово-механическим обменным взаимодействием электронов посредством обмена виртуальными фононами. Такое взаимодействие схематически изображено на рисунке 3.4. При определенных условиях, выполняющихся в сверхпроводниках, притяжение между электронами может превышать электростатическое отталкивание электронов.  

 

Рисунок 3.4.  Электрон-электронное взаимодействие, передаваемое виртуальным фононом

Куперовская пара будет  состоять из двух электронов с равными  и противоположно  направленными импульсами и противоположными спинами. Обменные виртуальные фононы существуют только при переходе от одного электрона к другому и в отличие от реальных фононов не могут распространяться в решетке независимо от этих электронов.

В отличие от электронов, подчиняющихся статистике Ферми-Дирака и имеющих спин 1/2, куперовские пары имеют нулевой суммарный спин и подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. Вследствие образования куперовских пар нормальное состояние становится энергетически невыгодным, что приводит к конденсации электронных пар (бозе-частиц) на нижнем энергетическом уровне с понижением энергии основного состояния. Согласно теории  БКШ (Бардина, Купера и Шриффера)  характерный размер куперовской пары задается длиной когерентности  x₀=hv_F/k, где  v_F- фермиевская скорость электронов, h- постоянная Планка, k-постоянная Больцмана. Во всем образце сверхпроводника происходит перекрытие волновых функций пар, длина которых   x₀  намного больше расстояния между соседними парами, что приводит к возникновению макроскопических квантовых когерентных явлений, обусловленных возникновением дальнего порядка. Таким образом, электроны сверхпроводника образуют единое квантовое состояние, которое в каждой точке пространства описывается амплитудой волновой функции конденсата и ее фазой.

Сверхпроводимость, как  и сверхтекучесть, были обнаружены в экспериментах при сверхнизких  температурах, вблизи абсолютного нуля температур. По мере приближения к  абсолютному нулю колебания решетки  замирают. Сопротивление протеканию тока уменьшается даже согласно классической теории, но до нуля при некоторой критической температуре  Т_с, оно уменьшается только согласно квантовым законам. 

Сверхпроводимость обнаружили  по двум явлениям: во первых по факту исчезновения электрического сопротивления, во вторых по диамагнетизму. Первое явление понятно — если пропускать определенный ток I через проводник, то по падению напряжения U на проводнике можно определить сопротивление R = U/I. Исчезновение напряжения означает исчезновение сопротивления как такового.

Второе явление требует  более подробного рассмотрения. Если рассуждать  логически, то отсутствие сопротивления тождественно абсолютной диамагнитности материала. Действительно, представим себе небольшой опыт. Будем вводить сверхпроводящий материал в область магнитного поля. Согласно закону Джоуля-Ленца, в проводнике должен возникать ток, полностью компенсирующий изменение магнитного потока, т.е. магнитный поток через сверхпроводник как был нулевым, так и остается нулевым. В обычном проводнике этот ток затухает, т.к. у проводника есть сопротивление. Только после этого в проводник проникает магнитное поле. В сверхпроводнике он не затухает. Это означает, что протекающий ток приводит к  полной компенсации магнитного поля внутри себя, т.е. поле в него не проникает. С формальных позиций нулевое поле означает, что магнитная проницаемость материала равна нулю, m=0 т.е. тело проявляет себя абсолютным диамагнетиком.

Однако эти явления  характерны только для слабых магнитных  полей. Оказывается,  сильное магнитное поле может проникать в материал, более того,  оно разрушает саму сверхпроводимость. Вводят понятие критического поля В_с, которое разрушает сверхпроводник. Оно зависит от температуры: максимально при температуре, близкой к  нулю, исчезает при переходе к критической температуре Т_с.  Для чего нам важно знать напряженность, (или индукцию) при которой исчезает сверхпроводимость? Дело в том, что при протекании тока по сверхпроводнику физически создается магнитное поле вокруг проводника, которое должно действовать на проводник.

Например, для цилиндрического  проводника радиуса r, помещенного в среду с магнитной проницаемостью m, магнитная индукция на поверхности  в соответствии с законом Био-Савара-Лапласа составит:

B = m₀×m×I/2pr         (3.1)

Чем больше ток, тем больше поле. Таким образом, при некоторой индукции (или напряженности) сверхпроводимость пропадает, а, следовательно, через проводник можно пропустить только ток, меньше того, который создает критическую индукцию.            

 Таким образом для  сверхпроводящего материала мы имеем два параметра: критическая индукция магнитного поля В_с и критическая температураТ_с.           

 Критические параметры  металлов в магнитном поле:

Металл	Zn	Cd	Al	Ga	In	Ti	Sn	Pb
Вс, мТл	5.3	3	9.9	5.1	28.3	16.2	20.6	80.3
Тс, К	0.88	0.56	1.19	1.09	3.41	1.37	3.72	7.18