Руководство по материалам электротехники для всех. Часть 1

Характеристики электротехнических материалов

Главной характеристикой в электротехнике считается удельная электропроводность, измеряемая в См/м. Она служит коэффициентом пропорциональности между вектором напряжённости поля и плотностью тока. Обозначается часто греческой буквой гамма γ. Удельное сопротивление признано величиной, обратной электропроводности. В результате формула, упомянутая выше, обретает вид: плотность тока прямо пропорциональна напряжённости поля и обратно пропорциональна удельному сопротивлению среды. Единицей измерения становится Ом м.

Рассматриваемое понятие сохраняет актуальность не только для твёрдых сред. К примеру, ток проводят жидкости-электролиты и ионизированные газы. Следовательно, в каждом случае допустимо ввести понятие удельного сопротивления, ведь через среду проходит электрический заряд. Найти в справочниках значения, к примеру, для сварочной дуги сложно по простой причине – подобными задачами не занимаются в достаточной степени. Это не востребовано. С момента обнаружением Дэви накала платиновой пластины электрическим током до внедрения в обиход лампочек накала прошло столетие – по схожей причине не сразу осознали важность, значимость открытия.

Свойство материала

В зависимости от значения величины удельного сопротивления материалы делятся:

1. У проводников – менее 1/10000 Ом м.
2. У диэлектриков – свыше 100 млн. Ом м.
3. Полупроводники по значениям удельного сопротивления находятся между диэлектриками и проводниками.

Эти значения характеризуют исключительно способность тела сопротивляться прохождению электрического тока и не влияют на прочие аспекты (упругость, термостойкость). К примеру, магнитные материалы бывают проводниками, диэлектриками и полупроводниками.

Как образуется в материале проводимость

В современной физике сопротивление и проводимость принято объяснять зонной теорией. Она применима для твёрдых кристаллических тел, атомы решётки которого принимаются неподвижными. Согласно указанной концепции энергия электронов и прочих типов носителей заряда определяется установленными правилами. Выделяют три основные зоны, присущие материалу:

• Валентная зона содержит электроны, связанные с атомами. В этой области энергия электронов градируется ступенями, а число уровней ограничено. Внешняя из слоёв атома.
• Запрещённая зона. В этой области носители заряда находиться не вправе. Служит границей раздела двух других зон. У металлов часто отсутствует.
• Свободная зона расположена выше двух предыдущих. Здесь электроны участвуют свободно в создании электрического тока, а энергия любая. Нет уровней.

Диэлектрики характеризуются высочайшим расположением свободной зоны. При любых мыслимых на Земле естественных условиях материалы электрический ток не проводят. Велика ширина и запрещённой зоны. У металлов масса свободных электронов. А валентная зона одновременно считается областью проводимости – запрещённых состояний нет. В результате подобные материалы обладают малым удельным сопротивлением.

Расчёт уд. сопротивления

На границе контактов атомов образуются промежуточные энергетические уровни, возникают необычные эффекты, используемые физикой полупроводников. Неоднородности создаются намеренно внедрением примесей (акцепторов и доноров). В результате образуются новые энергетические состояния, проявляющие в процессе протекания электрического тока новые свойства, которыми не владел исходный материал.

У полупроводников ширина запрещённой зоны невелика. Под действием внешних сил электроны способны покидать валентную область. Причиной становится электрическое напряжение, нагрев, облучение, прочие типы воздействий. У диэлектриков и полупроводников по мере понижения температуры электроны переходят на пониженные уровни, в результате валентная зона заполняется, а зона проводимости остаётся свободна. Электрический ток не течёт. В соответствии с квантовой теорией класс полупроводников характеризуется как материалы с шириной запрещённой зоны менее 3 эВ.

Энергия Ферми

Важное место в теории проводимости, объяснениях явлений, происходящих в полупроводниках, занимает энергия Ферми. Скрытности добавляют туманную определения термина в литературе. В зарубежной литературе говорится, что уровень Ферми – некое значение в эВ, а энергия Ферми – разница между ним и наименьшим в кристалле. Приведём избранные общие и понятные предложения:

1. Уровень Ферми – максимальный из всех, присущих электрону в металлах при температуре 0 К. Следовательно, энергией Ферми считается разница между этой цифрой и минимальным уровнем при абсолютном нуле.
2. Энергетический уровень Ферми – вероятность нахождения электронов составляет 50% при всех температурах, кроме абсолютного нуля.

Энергия Ферми определятся исключительно для температуры 0 К, тогда как уровень существует при любых условиях. В термодинамике понятие характеризует полный химический потенциал всех электронов. Уровень Ферми определяют как работу, затраченную на дополнение объекта единственным электроном. Параметр определяет проводимость материала, помогает понять физику полупроводников.

Уровень Ферми не обязательно существует физически. Известны случаи, когда место пролегания находилось в середине запрещённой зоны. Физически уровень не существует, там нет электронов. Однако параметр заметен при помощи вольтметра: разница потенциалов между двумя точками цепи (показания на дисплее) пропорциональна разнице уровней Ферми этих точек и обратно пропорциональна заряду электрона. Простая зависимость. Допустимо увязать эти параметры с проводимостью и удельным сопротивлением, пользуясь законом Ома для участка цепи.

Материалы с низким удельным сопротивлением

К проводникам относят большинство металлов, графит, электролиты. Такие материалы обладают низким удельным сопротивлением. В металлах положительно заряженные ионы образуют узлы кристаллической решётки, окружённые облаком электронов. Их принято называть общими за вхождение в состав зоны проводимости.

Хотя не до конца понятно, что такое электрон, его принято описывать как частицу, движущуюся внутри кристалла с тепловой скоростью в сотни км/с. Это намного больше, чем нужно, чтобы вывести космический корабль на орбиту. Одновременно скорость дрейфа, образующая электрический ток под действием вектора напряжённости, едва достигает сантиметра в минуту. Поле распространяется в среде со скоростью света (100 тыс. км/ с).

В результате указанных соотношений становится возможным выразить удельную проводимость через физические величины (см. рисунок):

Формула для расчётов

• Заряд электрона, e.
• Концентрация свободных носителей, n.
• Масса электрона, me.
• Тепловая скорость носителей,
• Длина свободного пробега электрона, l.

Уровень Ферми для металлов лежит в пределах 3 – 15 эВ, а концентрация свободных носителей почти не зависит от температуры. Поэтому удельная проводимость, а значит, и сопротивление определяется строением молекулярной решётки и её близостью к идеалу, свободой от дефектов. Параметры определяют длину свободного пробега электронов, легко найти в справочниках, если требуется произвести вычисления (к примеру, с целью определения удельного сопротивления).

Лучшей проводимостью обладают металлы с кубической решёткой. Сюда относят и медь. Переходные металлы характеризуются гораздо большим удельным сопротивлением. Проводимость падает с ростом температуры и при высоких частотах переменного тока. В последнем случае наблюдается скин-эффект. Зависимость от температуры линейная выше некого предела, носящего имя нидерландского физика Петера Дебая.

Отмечаются и не столь прямолинейные зависимости. К примеру, температурная обработка стали повышает количество дефектов, что закономерно снижает удельную проводимость материала. Исключением из правила стал отжиг. Процесс снижает плотность дефектов, что за счёт чего удельное сопротивление уменьшается. Яркое влияние оказывает деформация. Для некоторых сплавов механическая обработка приводит к заметному повышению удельного сопротивления.

Объёмное представление свойства

Основы электроакустики

Проводниковые материалы Твердыми проводниками электрического тока являются метал­лы, металлические сплавы и некоторые модификации углерода. Среди металлических проводников различают: материалы, обладаю­щие высокой проводимостью, которые используют для изготовления проводов, кабелей; проводящих соединений в микросхемах, обмоток трансформаторов, волноводов и т. д.; металлы и сплавы, обладаю­щие высоким сопротивлением, которые применяют для изготовления электронагревательных приборов, резисторов, реостатов ламп на­каливания и т. д.

• удельная проводимость (или обратная ей величина — удельное сопротивле­ние)
• температурный коэффициент удельного сопротивления.

Ме­ханические свойства проводников характеризуются пределом проч­ности при растяжении и относительным удлинением при разрыве. Общеизвестны такие физические параметры, как плотность, темпе­ратура плавления и т. д.

Удельное сопротивление р проводника, имеющего постоянное поперечное сечение S к длину l, определяют по формуле p=RS/l и выражают в омах на метр (Ом-м). Для измерения удельного сопротивления проводников пользуются внесистемной единицей Ом-мм2/м (S измерено в мм2, l — в м); 1 Ом-м=106 Ом-мм2/м. Дольная от системной единицы 1 мкОм-м = 1 Ом-мм2/м. Будем вы­ражать удельное сопротивление проводников в мкОм-м, при этом сохранятся привычные численные значения р.

Температурный коэффициент удельного сопротивления показы­вает, как изменяется сопротивление, равное 1 Ом, при изменении температуры на один градус. Физические параметры полупроводниковых материалов приве­дены в табл. 1.

Удельное сопротивление тонких металлических пленок (толщина которых соизмерима с длиной свободного пробега электрона) больше удельного сопротивления исходного металла и зависит от толщины и способа получения пленок. Оценивают проводящие свой­ства тонких пленок по удельному поверхностному сопротивлению (сопротивлению квадрата ), равному сопротивлению участка пленки, длина которого равна его ширине при прохождении тока через две его противоположные грани параллельно поверхности подложки Rп =рб/б,где Рб — удельное (объемное) сопротивление пленки . Удельное сопротивление сплавов больше удельного сопротив­ления исходных компонентов. Увеличение р происходит при введе­нии в металл неметаллических примесей, а также при сплавлении двух металлов, образующих твердый раствор, в котором атомы од­ного металла входят в кристаллическую решетку другого.

Технические проводниковые материалы подразделяют на

• ма­териалы высокой проводимости,
• металлы и сплавы различного наз­начения,
• сплавы высокого сопротивления,
• проводящие модификации углерода и материалы на их основе.

Материалы высокой электрической проводимости. К наиболее распространенным материалам высокой электрической проводимо­сти относят медь и алюминий (см. табл. 1).

Медь обладает малым удельным сопротивлением, высокой ме­ханической прочностью, удовлетворительной стойкостью к коррозии, легко паяется, сваривается и хорошо обрабатывается, что позволяет прокатывать ее в листы, ленту и вытягивать в проволоку.

В качестве проводникового материала используется медь ма­рок Ml и МО. В марке Ml содержится 99,9 % чистой меди, а в об­щем количестве примесей (0,1 %) кислород составляет до 0,08 %« Лучшими механическими свойствами обладает вторая марка, в ко­торой содержится 99,95% меди, а в составе примесей (0,05%) имеется до 0,02 % кислорода. Лучшая бескислородная медь содер­жит 99,97 % чистого вещества, а вакуумная (выплавленная в ва­куумных индукционных печах) — 99,99. %. Твердотянутую медь, по­лученную методом холодной протяжки, используют, когда необхо­дима высокая механическая прочность, а мягкую (отожженную) — когда важна гибкость, например для изготовления монтажных про­водов и шнуров. Электровакуумная медь идет на изготовление де­талей электронных приборов. Медь используется также для изго­товления фольгированного гетинакса, а в микроэлектронике — для получения токопроводящих пленок на подложках, обеспечивающих соединение между функциональными элементами схемы. Наиболее употребительные марки обмоточных проводов приведены в табл. 2.

Бронза — сплав меди с небольшим количеством олова, крем­ния, фосфора, хрома, кадмия или других материалов, обладающий более высокими механическими свойствами, чем медь. Широко при­меняется для изготовления токопроводящих пружин. Латунь — сплав меди с цинком и другими добавками, об­ладающий большим относительным удлинением, что важно при обработке штамповкой и глубокой вытяжке. Применяется для из­готовления различных токопроводящих деталей.

Состав и свойства некоторых медных электротехнических спла­вов приведены в табл. 3.Таблица 3

Алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди. Для элект­ротехнических целей используют алюминий технической чистоты АЕ, содержащий до 0,5 % примесей. Проволока, изготовленная из алю« миния АЕ и отожженная при температуре 350 °С, обладает удель­ным сопротивлением 0,028 мкОм*м. Алюминий высокой чистоты А97 (примесей до 0,03 %) используется для изготовления тонкой (до 6 мкм) фольги, электродов и корпусов электролитических кон­денсаторов.

Альдрей — сплав алюминия с магнием (0,3 — 0,5 %), крем­нием (0,4 — 0,7%). и железом (0,2 — 0,3 %). Сохраняет легкость чис­того алюминия (плотность 2,7 Мг/м3), обладает близким к нему удельным сопротивлением (0,0317 мкОм-м) и высокой (близкой к твердотянутой меди) механической прочностью.

Металлы и сплавы различного назначения. Ниже рассматривая ются металлы и сплавы, применяющиеся в электротехнике и радио­электронике. Исходя из температуры плавления, общности характе­ристик и области применения, различают тугоплавкие и благородные металлы, металлы со средней и низкой температурой плавления, припои и флюсы.

Тугоплавкие металлы обладают температурой плавления выше 1700 °С, химически устойчивы при низких и активны при высоких температурах, поэтому при повышенных температурах эксплуатиру­ются в вакууме или атмосфере инертных газов. Тугоплавкими являются такие металлы, как вольфрам, молиб­ден, тантал, ниобий, хром, ванадий, титан, цирконий. Основные фи­зические свойства некоторых из них были приведены в табл. 1. Тугоплавкие металлы используются для изготовления нитей ламп накаливания, электродо в электронных ламп, пленочных резисторов в микросхемах, контактов, обладающих высокой устойчивостью к эрозии (электроизносу) и образованию электрической дуги. Помимо чистых тугоплавких металлов в электровакуумной тех­нике для арматуры приборов применяют сплавы W+Mo, Mo+Re, Ta+Nb, Ta+W и др., обладающие требуемыми пластичностью, электрическими и термическими свойствами.

К благородным металлам относятнаиболее химически стойкие металлы (золото, серебро, платину).

Золото обладает высокой пластичностью (предел прочности при растяжении 150 МПа, относительное удлинение при разрыве около 40%) и используется в электронной технике для нанесения коррозионно-устойчивых покрытий на резонаторы СВЧ, внутренние поверхности волноводов, электроды ламп и др. Основные парамет­ры золота были приведены в табл. 1.

Серебро — стойкий против окисления металл (при нормаль­ной температуре), обладающий наименьшим удельным сопротивле­нием (см. табл. 1). Используется для изготовления электродов и контактов на небольшие токи, для непосредственного нанесения на диэлектрики, внутренние поверхности волноводов, а также в произ­водстве керамических и слюдяных конденсаторов.

Платина — очень стойкий к химическим реагентам металл, хо­рошо поддается механический обработке, пластичен. Основные па­раметры плагины были приведены в табл. 1. Применяется для изго­товления термопар, подвесок, подвижных систем электрометров и контактных сплавов.

Металлы со средним значением температуры плавления (желе­зо, никель, кобальт), обладающие повышенным температурным коэффициентом удельного сопротивления (в 1,5 раза выше меди), ферромагнитны.

Железо (сталь) — наиболее дешевый металл, обладающий высокой механической прочностью и относительно высоким (по сравнению с медью) удельным сопротивлением (около 0,1 мкОм-м). Удельное сопротивление стали, содержащей примеси углерода и других элементов, возрастает

В качестве проводникового материала используется мягкая сталь, содержащая- 0,1 — 0,15 % углерода, имеющая предел прочности при растяжении 700 — 750 МПа, относительное удлинение при раз­рыве 5 — 8 % и удельную проводимость в 6 — 7 раз меньшую, чем меди. Основные параметры железа были приведены в табл. 1. Же­лезо используют для изготовления корпусов электронных приборов, работающих при температуре до 500°С, при которой газовыделение невелико. Из алюминированного железа (покрытого тонкой пленкой алюминия) изготовляют аноды, экраны и другие детали электронных ламп.

Никель обладает плотностью, равной плотности меди, легко поддается механической обработке, устойчив к окислению. Основ­ные свойства никеля были приведены в табл. 1. Применяется для изготовления арматуры электронных ламп, нагревательных элемен­тов, в качестве компонента магнитных и проводниковых сплавов и защитных покрытий изделий из железа.

Сплавы для электровакуумных приборов созданы на основе ме­таллов со средними значениями температуры плавления. Обладают такими температурными коэффициентами линейного расширения а1, при которых возможно сопряжение стекла с металлическими конст­рукциями электронных приборов.

Инвар Н-36 — сплав железа с 36 % никеля, обладает очень малым аг~10-6К-1 в диапазоне температуры от — 100 до + 100 °С, Платинит Н-47 — сплав железа с 47% никеля. Ковар — сплав железа с 29% никеля и 17% кобальта, об­ладает малым аi=4,8*10-6К-1 и примерно в 2 раза меньшим, чем инвар, удельным сопротивлением. Температура плавления 1450°С. Рассмотренные сплавы применяются для изготовления токоот­водов электронных ламп, проходящих через стеклянные элементы.

Металлы с низкой (менее 500 °С) температурой плавления.

Свинец — мягкий, пластичный металл, обладающий невысокой прочностью (предел прочности при растяжении 16 МПа, относитель­ное удлинение при разрыве 55 %), не стоек к вибрации; устойчив к действию воды, серной и соляной кислот и других реагентов; под­вержен действию азотной и уксусной кислот, извести и гниющих ор­ганических веществ. Основные свойства свинца были приведены в табл. 1. Свинец и его сплавы используют для изготовления защит­ных (от влаги) оболочек кабелей, плавких вставок предохраните­лей, пластин кислотных аккумуляторов и в качестве материала, по­глощающего рентгеновское излучение. Свинец и его соединения ядо­виты.

Олово — мягкий, тягучий металл, не подвержен влиянию вла­ги, не окисляется на воздухе, разведенные кислоты действуют на него очень медленно. Основные свойства олова были приведены в табл. 1. Применяется в качестве защитных покрытий металлов (лу­жение), с примесью 15% свинца и 1% сурьмы — для получения оловянной фольги в производстве конденсаторов, входит в состав бронз и сплавов для пайки,

Ртуть — жидкий, химически стойкий металл, слабо взаимо­действует с водородом и. азотом. Платина, серебро, золото, щелоч­ные и щелочноземельные металлы, цинк, олово и алюминий раст­воряются в ртути, образуя амальгамы. Нерастворимы в ртути воль­фрам, железо, тантал; слабо растворимы медь и никель. Ртуть и ее соединения очень ядовиты. Основные свойства ртути были при­ведены в табл. 1. Ртуть применяется в качестве жидкого катода в ртутных выпрямителях, газоразрядных приборах, лампах днев­ного света и др.

Припои представляют собой специальные сплавы, используемые при пайке. Обычно припой имеет более низкую температуру плав­ления, чем соединяемые металлы. Различают мягкие и твердые при­пои с температурой плавления ТПЛ соответственно до 300 и более 300 °С.

Мягкими припоями являются оловянно-свйнцовые сплавы (ПОС) с содержанием олова от 10 (ПОС 10) до 90 % (ПОС 90), ос­тальное — свинец. Некоторые оловянно-свйнцовые припои содержат небольшой процент сурьмы (например, ПОС 61-05). Твердыми являются медно-цинковые (ПМЦ) и серебряные (ПСР) припои с раз« личным» легирующими добавками. Свойства некоторых марок мяг­ких припоев приведены в табл. 4. Таблица 4

Флюсы, используемые для получения надежной пайки, должны растворять и удалять окислы и загрязнения с поверхности спаивае­мых металлов и защищать их от окисления. Бескислотными флю­сами являются канифоль, а также флюсы на ее основе с добавле­нием неактивных веществ (спирта, глицерина). Кислотные (актив­ные) флюсы приготавливают на основе соляной кислоты, хлористых и фтористых металлов, активно растворяющих оксидные пленки на поверхности металлов, благодаря чему обеспечиваются хорошая адгезия и высокая механическая прочность соединения. Пайка электроприборов с использованием активных флюсов не допуска­ется.

Сплавы высокого сопротивления. Сплавы, с высоким удельным сопротивлением применяются для изготовления образцовых резисто­ров, реостатов, электроплиток, паяльников, электроизмерительных и электронагревательных приборов и должны длительно выдержи­вать температуры около 1000 °С. Наибольшее распространение по­лучили сплавы на медной основе (манганин, константен), хромо-никелевые и железохромоалюминиевые, основные свойства которых приведены в табл. 5.

Таблица 5

Манганин — сплав на медной основе (86% Си, 12% Мп, 2 % Ni) используется для изготовления образцовых резисторов и электроизмерительных приборов. Хорошо вытягивается в проволоку диаметром до 0,02 мм или прокатывается в ленту толщиной 0,01 — 1 мм и шириной 10 — 300 мм.

Константан — сплав меди (60%) и никеля (40%). Хоро­шо поддается обработке (протягивается в проволоку и прокатыва­ется в ленту тех же размеров, что и манганин). Электронагрева­тельные элементы из константана допускают работу при темпера­туре до 450° С. При нагреве проволока покрывается оксидной пленкой, обладающей электроизоляционными свойствами, В паре с медью или железом константан дает большую термо-эдс, что за­трудняет использование резисторов из него в измерительных схемах, но позволяет изготовление термопары для измерения температуры до нескольких сотен градусов.

Нихром — сплав никеля (55 — 80%), хрома (15 — 20 %), мар­ганца (1,5 %). Термоустойчив на воздухе. Срок службы нихромовых нагревательных элементов возрастает, если их поместить в твердую инертную среду, затрудняющую доступ кислорода (например, в глину — шамот). Нанесенные на подложки пленки нихрома обес­печивают сопротивление квадрата Rо =50-300 Ом и мощность рассеивания Рдоп=1 Вт/см2 и применяются в качестве резисторов в микросхемах.

Железохромоникелевые сплавы (фехраль, хромаль) по сравнению с нихромом обладают большей твердостью и хруп­костью, с трудом вытягиваются в проволоку и ленту, имеют меньшую стоимость и используются в мощных электронагревательных устрой­ствах. . Резистивный сплав РС-37-10 содержит 36,5% Сг, 8 — 11 % Ni, остальное — кремний, a PC30-01 — 32% Сг, 0,7 — 1,8%.Fe, остальное — кремний. Эти сплавы соответственно применяют для изготовления тонкопленочных и прецизионных тонкопленочных ре­зисторов. Многокомпонентные резистивные спла вы МЛТ для тонкопленочных резисторов, содержащие Si, Fe, Cr, Ni, Al, W, устойчивы к окислению и воздействию химически активных сред. Основные свойства резистивных сплавов приведены в табл. 6.

Двух компонентные материалы для тонкопленочных резисторов интегральных схем (дислициды молиб­дена и хрома и сплавы кремния и хрома) имеют следующие пара­метры:

Сплавы — копель (56 % Си, 44 % Ni); алюмёль (95 % Ni, остальное Al, Si, Mg), хромель (90 % Ni, 10 % Сг), платинородий (90% Pt, 10% Rh) — используют для изготовления термопар. Для измерения температуры до 1600°С применяются платинородий-платиновые термопары, до 900 — 1000 °С — хромель-алюмелевые, до 600 °С — железо-копелевые, хромель-копелевые и железо-константа-новые, а до 350 °С — медь-константановые и медь-копелевые.

Проводящие модификации углерода. Природный графит, пиро­литический углерод и углеродистые пленки применяют в качестве проводящих материалов при изготовлении непроволочных линейных резисторов, микрофонов и различных деталей разрядников теле­фонных сетей, электровакуумных приборов и др.

Природный графит — модификация чистого углерода; Мелко­дисперсной разновидностью углерода является сажа. Пиролитичес­кий углерод получают термическим разложением без доступа кис­лорода (пиролиз) газообразных углеводородов (метана, бензина) в камере.

Боруглеродистые пленки с малым коэффициентом удельного сопротивления (порядка 10 мкОм-м) и температурным коэффици­ентом — 1*10-4К-1 получают пиролизом борорганических соедине­ний, например (С3Н7)зВ и др. Основные параметры графита и пиро-литического углерода приведены в табл. 7.

Таблица 7

Материалы с высоким удельным сопротивлением

Порой требуется специально удельное сопротивление повысить. Подобная ситуация встречается в случаях с нагревательными приборами и резисторами электронных схем. Вот тогда приходит черед сплавов с высоким удельным сопротивлением (более 0,3 мкОм м). При использовании в составе измерительных приборов предъявляется требование минимального потенциала на границе стыковки с медным контактом.

Наибольшую известность получил нихром. Нередко нагревательные приборы конструируют из дешёвого фехраля (хрупкий, но дешёвый). В зависимости от назначения в сплавы входит медь, марганец и прочие металлы. Это дорогое удовольствие. К примеру, резистор из манганина стоит 30 центов на Алиэкспресс, где цены традиционно ниже магазинных. Встречается даже сплав палладия с иридием. О цене материала не следует говорить вслух.

Резисторы печатных плат часто изготавливают из чистых металлов в виде плёнок методом напыления. Массово применяются хром, тантал, вольфрам, сплавы, среди прочего, нихром.

1.2. Изделия с малым удельным сопротивлением

Рассмотренные материалы являются основой различных электротехнических изделий: проводов, шин, лент и пр. Особенно важны в ремонте электрического оборудования провода и кабели, поэтому изучим их более подробно. • Обмоточные провода — проволока с особо тонкой изоляцией при повышенной электрической и механической прочности. Выпускаются они круглого и прямоугольного сечения. В ремонтной практике в основном используются обмоточные провода с медной и алюминиевой жилой. Если в марке перед буквой «П» стоит буква «А» (АПБ) — жила провода алюминиевая, если «А» не стоит (ПБ) — жила медная. Кроме того, марка характеризует изоляцию обмоточного провода, которая может быть: волокнистой (ПБД), эмалевой (ПЭВ), комбинированной (ПЭВШО), вместе с тем органической (например, хлопчатобумажной) и неорганической (например, стекловолокнистой). Волокнистые изоляции проводов (ПБД, АПББО. ПШД и др.), как правило, обладают относительно повышенной механической, но относительно малой электрической прочностью, что объясняется наличием воздуха в порах. Обмоточные провода с такой изоляцией по сравнению с эмалевой имеют большую толщину, но они намного дешевле других. Эмалевая изоляция проводов (ПЭЛ, ПЭВ-1, ПЭВТЛ и др.) при малой толщине обладает повышенной электрической прочностью. Провода предназначены для массового использования в обмотках электрических машин и трансформаторов. В зависимости от класс нагревостойкости рекомендуются марки: . класс А и Е-ПЭВ-1, ПЭВ-2, ПЭМ-1, ПЭМ-2, ПЭТВЛ-1 и ПЭТВЛ-2. И ї них марки проводов ПЭВ и ПЭМ по электроизоляционным и физико-механическим характеристикам практически равноценны и не требуют дополнительного слоя волокнистой изоляции. Провода марки ПЭМ более устойчивы к трансформаторному маслу, их можно рекомендовать также для обмоток электромашин холодильных установок; марки проводов класса Е: ПЭТВЛ-1 и ПЭТВЛ-2 целесообразно использовать только для обмоток электродвигателей малой мощности; класс В — ПЭТВ, ПЭ-939, ПЭТВ-ТС, их недостаток — пониженная стойкость к кратковременным тепловым перегрузкам; класс F— ПЭТ-155, ПЭТМ, ПЭФ-155. Из них наибольшее применение в электрических машинах получила марка ПЭТ-155, так как обладает хорошими электроизоляционными свойствами и устойчивостью к тепловым ударам, но механические характеристики ее ниже, чем, например, у марки ПЭТМ. Марка ПЭФ-155 имеет повышенную стойкость к пониженным температурам. Слабая механическая прочность изоляции многих эмалированных проводов (например. ПЭЛ, ПЭВ и др.) потребовала усиления ее за счет наложения поверх эмалевой пленки слоя волокнистой изоляции (ПЭЛ БО, ПЭВШО и др.). В том случае, если нити не удерживаются на эмали, их подклеивают лаком. Комбинированная изоляция проводов (эмали с нитью) сочетает положительные качества проводов эмалированных и с волокнистой изоляцией. Но обычно толщина их больше и они дороже. Массовое применение для изготовления обмоток электрических машин получили провода со стекловолокнистой изоляцией ПСД (АПСД), ПСДК — два слоя стеклянных нитей, пропитанных соответственно глифталевым и кремнийорганическим лаками, классы нагревостойкости первых — F, вторых — Н. Широко распространены также провода с комбинированной изоляцией и с уменьшенной ее толщиной ПСДТ, ПСДКТ и, наконец, провода с лакированной поверхностью ПСД-Л, ПСДК-Л. Силовые и установочные провода с резиновой и пластмассовой изоляцией применяются для распределения электрической энергии в силовых и осветительных сетях. Они используются на открытом воздухе и в закрытых помещениях, могут прокладываться открыто, в трубах и под слоем штукатурки. Предназначены для работы с температурой, °С: жил +65, окружающего воздуха +25, земли +15. При теплостойкой резине на основе бутилкаучука температура работы провода допускается до +85°С, с кремнийорганической — до +180°С. Провода изготавливаются для номинальных напряжений на 380, 660 и 3000 В. Провода с резиновой изоляцией. ПРН, АПРН имеют медные и алюминиевые жилы с резиновой изоляцией и дополнительной негорючей резиновой оболочкой. Они в основном используются при прокладке в сырых и сухих помещениях, а также на открытом воздухе. ПРГИ — провод с медной, гибкой жилой, с резиновой изоляцией, обладающей защитными свойствами. Используется при прокладке, где требуется повышенная эластичность, при монтаже соединений подвижных частей электрических машин в сухих и сырых помещениях. АППР — провод с алюминиевой жилой и резиновой изоляцией, не распространяющей горение, применяется для прокладки в жилых и производственных зданиях, в частности, животноводческих помещениях. Для осветительных сетей в сухих и сырых помещениях используются медные провода марки ПРД в непропитанной оплетке, двухжильные и скрученные. Провода с пластмассовой изоляцией. АПВ — жила алюминиевая с поливинилхлоридной изоляцией, применяется для монтажа силовых и осветительных цепей в машинах и станках, в трубах, несгораемых строительных конструкциях; ПВ1 —то же, но с медной жилой; ПВЕ — то же, но с гибкой медной жилой, используется в основном для гибкого монтажа при скрытой и открытой прокладках. АВТ— провод с алюминиевыми жилами и изоляцией из поливинилхлоридного пластика с несущим тросом для наружной прокладки (например, в жилые дома или хозяйственные постройки в сетях 380 В, в 1-м и II-M районах гололедности. ДВТУ — то же, но с усиленным несущим тросом для III-го и IV-го районов гололедности. Применяются для прокладки в животноводческих помещениях. Провода силовые гибкие (нагревостойкие) используются для выводов электродвигателей. Марки ПВБЛ и РКГМ имеют медные жилы, резиновую изоляцию, но первая из них выполнена на основе бутилкаучука, в оплетке лавсановой нитью, вторая — из кремнийорганической резины, в оплетке из стекловолокна, пропитанной эмалью или термостойким лаком. • Соединительные шнуры служат для подключения питания от электрической сети до различных видов бытовых токоприемников: электрических машин, телевизоров, нагревательных приборов и т.п. Допустимая рабочая температура нагрева: при резиновой изоляции +65°С, при поливинилхлоридном пластике +70°С, номинальное напряжение — до 660 В. По исполнению шнуры разделяют на: плоские без оболочки (ШПП, ПВП-1, ШВП-2), круглые без оболочки (ШВПТ), легкие с оболочкой (ШВВП, ШВЛ), обычные с оболочкой (ШРО, ШРС и др.). • Монтажные провода предназначены для электрических соединений в аппаратах, приборах и других электрических устройствах, а также схемах. Они делятся по нагревостойкости на обычные (MB, МП, МВКЭ) и повышенной стойкости (МКР, МКТП, МПО), причем за основу берется наиболее нагретая точка в проводе. Жилы медные, у многих марок луженые, одно- и многопроволочные, изоляция: резина, поливинилхлоридный пластик, полиэтилен. Повышение механической прочности изоляции выполняется путем дополнительной оплетки (например, капроновой нитью, в марке ставится буква К), делается и экранирование в виде оплетки из медного провода (в марке — Э). Номинальное напряжение 500, 1000 В для обычных проводов и 2, 2,5 и 4 кВ для высоковольтных монтажных проводов типа ПВМП-2. Рабочая температура для обычных — до +70°С, с поливинилхлоридной изоляцией — до +85°С, с повышенной нагревостойкостью — от +85 до +150°С. • Неизолированные провода нашли массовое применение в воздушных линиях электропередач. Они изготавливаются из меди (одной или нескольких скрученных проволок (марка М)), алюминия (несколько скрученных проволок (А, Ап)), алюминиевых сплавов (АН, АЖ). Для повышения механической прочности алюминиевых проводов их укрепляют стальными сердечниками (сталеалюминиевые провода марок АС, АпС). Провода марок А, Ап, АС, АпС, АН, АЖ рекомендуются для использования в сельской, лесной, горной местности, допустимы в атмосфере промышленных районов; марки М — в атмосфере морской местности, а также и в промышленных районах. Кабели служат для передачи энергии в электрических линиях. Они представляют собой изолированные друг от друга токопроводящие жилы с общей изоляцией, могут иметь свинцовую или алюминиевую оболочку и броню из стальных лент или из круглых оцинкованных стальных проволок, поверх которых накладывается защитный покров. Жилы выполняются одно- и многопроволочные из меди или алюминия. Изоляция делается бумажной с пропиткой составами, резиновой, пластмассовой. По применению кабели делятся на силовые (для электроснабжения токоприемников (АВВГ, АСГ, ААГ)), контрольные (для подведения маломощных, низковольтных, управляющих сигналов к техническим устройствам и снятия информации (КРСГ, АКРВГ)), управления, отличающиеся от контрольных только конструкцией для соответствующих условий (КРШУ, КУПР), монтажные, назначение которых то же, что и монтажных проводов (КМПВ, КМПЭВ). По напряжению они подразделяются на низковольтные с номинальным напряжением до 1 кВ и высоковольтные с номинальным напряжением 1,6, 10, 20, 35 и более кВ. • Контакты — самая уязвимая часть электрических сетей, они служат для периодического надежного замыкания и размыкания цепей. В процессах выполнения указанных операций они подвергаются воздействию электрической искры или дуги, что вызывает эрозию поверхностей, подгорание, даже приваривание друг к другу и т.п. Отсюда требования к контактным материалам: высокая электропроводность, тугоплавкость, твердость, хорошая устойчивость к истиранию и воздействию дуги. Для изготовления контактов кроме чистых тугоплавких металлов широко распространены специальные сплавы, в которые входят серебро, кобальт, медь, бериллий, никель, хром, молибден, вольфрам, кадмий. К контактным изделиям относятся щетки. • Припои. Это специальные материалы, расплавляемые в месте соединений деталей или в целях защиты от окисления для их покрытия. По температуре плавления припои делят на мягкие и твердые, отличаются они также по механическим характеристикам. Мягкие припои имеют температуру плавления до 400°С. Применяются там, где от соединений требуется в основном лишь хороший электрический контакт, поскольку механические качества таких соединений относительно невысоки. Кроме того, мягкие припои широко используют при лужении для защиты основного материала от окисления или для получения хорошего контакта при холодном соединении токоведущих частей (например, в местах соединений сборных шин). В качестве мягких припоев используют олово, его сплавы со свинцом — ПОС-18 и др. (цифра показывает содержание олова в припое — 18 %). Чем больше олова, тем выше температура плавления и жидкотекучесть. Есть мягкие припои с добавками алюминия, серебра. Особой легкоплавкостью (с пониженной температурой плавления) отличаются припои, в которые входят кадмий и висмут. Твердые припои имеют температуру плавления более 500°С. Применяются там, где от соединения требуется не только хороший контакт, но и высокие механические характеристики. В качестве твердых припоев чаще всего используются сплавы: медно-фосфорные (ПМФ), медно-цинковые (ПЦ), серебряные (ПСр). Последний из них дает наилучший электрический контакт, но он и самый дорогой. Флюсы — материалы с повышенной способностью к растворению окислов металлов и других загрязнений. Кроме того, у них пониженная температура плавления (значительно ниже припоя) и плотность, что позволяет им быстро всплывать на поверхность расплава и образовывать на нем надежную защиту (пленку) от окисления. Эти материалы также способны уменьшать поверхностное натяжение расплавленного припоя. Такие материалы используются при пайке, сварке и лужении. Только под их слоем возможно получение высококачественных соединений с хорошими электрическими и механическими характеристиками. В электротехнике в качестве флюсов для мягких припоев массово применяют канифоль и смеси на ее основе, для твердых — буру. Флюсы на основе соляной и фосфорной кислот можно использовать только там, где они не могут вызвать ускоренного разрушения изоляции или окисления металлов.

Вещества, не проводящие электрический ток

Диэлектрики характеризуются впечатляющим удельным сопротивлением. Это не ключевая черта. К диэлектрикам относят материалы, способные перераспределять заряд под действием электрического поля. В результате происходит накопление, что используется в конденсаторах. Степень перераспределения заряда характеризуется диэлектрической проницаемостью. Параметр показывает, во сколько раз возрастает ёмкость конденсатора, где вместо воздуха использован конкретный материал. Отдельные диэлектрики способны проводить и излучать колебания под действием переменного тока. Известно сегнетоэлектричество, обусловленное сменой температур.

В процессе смены направления поля возникают потери. Подобно тому, как магнитная напряжённость частично преобразуется в тепло при воздействии на мягкую сталь. Диэлектрические потери зависят преимущественно от частоты. При необходимости в качестве материалов используют неполярные изоляторы, молекулы которых симметричны, без ярко выраженного электрического момента. Поляризация возникает, если заряды прочно связаны с кристаллической решёткой. Типы поляризации:

1. Электронная поляризация возникает как результат деформации внешних энергетических оболочек атомов. Обратима. Характерна для неполярных диэлектриков в любой фазе вещества. Из-за малого веса электронов возникает почти мгновенно (единицы фс).
2. Ионная поляризация распространяется на два порядка медленнее и характерна для веществ с ионной кристаллической решёткой. Соответственно, материалы применяются на частотах до 10 ГГц и обладают большим значением диэлектрической проницаемости (у двуокиси титана – до 90).
3. Дипольно-релаксационная поляризация намного медленнее. Время совершения составляет сотые доли секунды. Дипольно-релаксационная поляризация характерна для газов и жидкостей и зависит, соответственно, от вязкости (плотности). Прослеживается влияние температуры: эффект образует пик при некотором значении.
4. Спонтанная поляризация наблюдается у сегнетоэлектриков.

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.