Руководство по материалам электротехники для всех. Часть 1 / Блог компании MakeItLab / Хабр

Привет гиктаймс! Я решил опубликовать по частям свое руководство по материалам, используемым не только в электротехнике, но и вообще в технике, в том числе самодельщиками. С описанием, примерами применения, заметками по работе. Руководство написано максимально просто, и будет понятно всем, от школьника до пенсионера.

В этой части начинаем разбирать проводники — Серебро, Медь, Алюминий.

Добро пожаловать под кат (ТРАФИК)

Ковыряясь в поисках ответов на свои вопросы в разных учебниках по материаловедению, методичках, научпоп книгах я ужасался, насколько академический стиль изложения возводит стену между желающим узнать и знаниями. Насколько стремление авторов обойти острые грани, тёмные места превращает учебники в однородную бескрайнюю пустыню скуки и отчаяния. При этом запредельный уровень абстракции делает крайне сложным для неофита использование полученных знаний в практике. Поэтому я решил сделать свое руководство, с блекджеком и блудными девицами.

Это руководство — живое, по мере получения новых материалов, уточнений, комментариев от вас, дорогие читатели оно будет дополняться, изменяться, становиться лучше. Всегда самая свежая версия руководства лежит у меня на сайте в бложике Я обеими руками поддерживаю движение Open Source и Open Hardware, считаю, что обмен знаниями должен быть свободным, это принесет пользу для всех, поэтому пособие распространяется под лицензией Creative Commons 3.0 BY-NC-SA, что значит, вы можете делать с ним что угодно: выкладывать, распространять, модифицировать, соблюдая только три ограничения:

• Ссылка на меня обязательна (в.т.ч. производных работах).
• Зарабатывать на моем пособии без договоренности со мной нельзя (запрет на использование в коммерческих целях).
• Все производные работы должны распространяться на тех же условиях.

Плюшки данного пособия:

• Весь текст написан мной, и дополнен замечательными людьми, упомянутыми в разделе Благодарности. Я не включал информацию, в достоверности или актуальности которой я бы сомневался. Поэтому доля брехни по тексту в среднем ниже, чем в маркетинговых текстах перепродавцов-поставщиков, но выше, чем в хорошем советском учебнике.
• Большую часть материалов я хотя бы щупал, использовал в своих конструкциях, а не видел только на картинке.
• Пособие полностью (Чтобы быть до конца честным — за исключением одной картинки, которую пришлось рисовать в чем умел.) подготовлено с использованием OpenSource продуктов (Linux, GIMP, LibreOffice, context). Просто из спортивного интереса.
• Некоторые разделы имеют пункт «Источники» — советы по поиску материалов — где купить, под какими названиями искать. Конечно, всё можно купить на Алиэкспресс и на Ebay, поэтому такой вариант не указывается. Пункт может быть полезен если материал нужен «здесь и сейчас».

Публикуя руководство здесь я очень надеюсь на обилие конструктивной критики и дополнений от вас, дорогие читатели. Содержание руководстваПроводники:
*Серебро
*Медь
*Алюминий
*Железо
*Золото
*Никель
*Вольфрам
*Ртуть
Так себе проводники:
*Углерод
*Нихромы
*Сплавы для изготовления термостабильных сопротивлений
*Припои
*Олово
*Легкоплавкие припои
Прочие проводники
*Термопарные сплавы
*Оксид Индия-Олова
Диэлектрики (Совсем не проводники):
*Неорганические диэлектрики
**Фарфор
**Стекло
**Слюда
**Алюмооксидные керамики
**Асбест
**Вода
*Органические диэлектрики полусинтетические
**Бумага, картон
**Шёлк
**Воск, парафин
**Трансформаторное масло
**Фанера, ДСП
*Органические диэлектрики синтетические
**Материалы на базе фенол-формальдегидных смол
**Карболит (бакелит)
**Гетинакс
**Текстолит
**Стеклотекстолит
**Лакоткань
**Резина
**Эбонит
**Полиэтилен
**Полипропилен
**Полистирол, АБС-пластик
**Фторопласт-4 (политетрафторэтилен PTFE)
**Поливинилхлорид — ПВХ
**Полиэтилентерефталат (ПЭТФ)
**Силиконы
**Полиимид
**Полиамиды
**Полиметилметакрилат — ПММА
**Поликарбонат
*График истории промышленного применения полимеров
*Изоленты
**Прорезиненная тканевая изолента
**Тканевые изоленты
**Резиновые самовулканизирующиеся изоленты
**Силиконовые самослипающиеся ленты
**Полиимидная лента
**ПВХ изоленты
**Канцелярская липкая лента «скотч»
*Изоляционные трубки
**Трубка из ПВХ — «кембрик»
**Фторопластовая трубка
**Стеклотканевая с силиконом
**Термоусадочная трубка
*Дополнительные сведения о полимерах
Поехали!
Двадцатый век — век пластмасс. До появления широкого спектра синтетических полимерных материалов, человек использовал в конструировании металлы и материалы природного происхождения — дерево, кожу и т.д. Сегодня мы завалены пластмассовыми изделиями, начиная от одноразовой посуды, заканчивая тяжелонагруженными деталями двигателей автомобилей. Пластмассы во многом превосходят металлы, но никогда не вытеснят их полностью, поэтому рассказ начнется с металлов. Металлам посвящены сотни книг, дисциплина, посвященная им, называется «металловедение».

Нас интересуют металлы с точки зрения электронной техники. Как проводники, как часть электронных приборов. Все остальные применения — например такие, как конструкционные материалы, в данное пособие пока не вошли.

Главное для электронной техники свойство металлов — это способность хорошо проводить электрический ток. Посмотрим на таблицу удельного сопротивления различных металлов:

Металл	Удельное сопротивление Ом*мм2/м
Серебро	0,015…0,0162
Медь	0,01724…0,018
Золото	0,023
Алюминий	0,0262…0,0295
Иридий	0,0474
Вольфрам	0,053…0,055
Молибден	0,054
Цинк	0,059
Никель	0,087
Железо	0,098
Платина	0,107
Олово	0,12
Свинец	0,217…0,227
Титан	0,5562…0,7837
Висмут	1,2

Видим лидеров нашего списка: Ag, Cu, Au, Al.

Серебро

Ag — Серебро. Драгоценный металл. Серебро — самый дешевый из драгоценных металлов, но, тем не менее, слишком дорог, чтобы делать из него провода. На 5% лучшая электропроводность по сравнению с медью, при разнице в цене почти в 100 раз.

Примеры применения

В виде покрытий проводников в СВЧ технике. Ток высокой частоты, из-за скинэффекта течет по поверхности проводника, а не в его толще, поэтому тонкое покрытие волновода серебром дает бОльший прирост проводимости, чем покрытие серебром проводника для постоянного тока.

В сплавах контактных групп. Контакты силовых, сигнальных реле, рубильников, выключателей чаще всего изготовлены из сплава с содержанием серебра. Переходное сопротивление такого контакта получается ниже медного, он меньше подвержен окислению. Так как контакт обычно миниатюрен, стоимость этой малой добавки серебра к стоимости изделия незначительно. Хотя при утилизации большого количества реле, стоимость серебра делает целесообразным работу бокорезами по отделению контактов в кучку для последующего аффинажа.

Контакты силового реле на 16 Ампер. Согласно документации производителя
контакты содержат серебро и кадмий.

Различные реле. Верхнее реле имеет даже посеребренный корпус с характерной патиной. Содержание драгметаллов в изделиях, выпущенных в СССР было указано в паспортах на изделия.

В качестве присадки в припоях. Качественные припои (как твёрдые так и мягкие) часто содержат серебро.

Проводящие покрытия на диэлектриках. Например, для получения контактной площадки на керамике, на неё наносится суспензия из серебряных частиц с последующим запеканием в печи (метод «вжигания»).

Компонент электропроводящих клеев и красок. Электропроводящие чернила часто

содержат суспензию серебряных частиц. По мере высыхания таких чернил, растворитель
испаряется, частицы в растворе оказываются всё ближе, слипаясь и создавая проводящие
мостики, по которым может протекать ток. Хорошее видео с рецептом по созданию таких
чернил.

Недостатки

Несмотря на то, что серебро — благородный металл, он окисляется в среде с содержанием
серы:
4Ag + 2H₂S + O₂ → 2Ag₂S + 2H₂O

Образуется темный налет — «патина». Также источником серы может служить резина, по-
этому провод в резиновой изоляции и посеребренные контакты — плохое сочетание.
Потемневшее серебро можно очистить химически. В отличии от чистки абразивными пастами (в том числе зубной пастой) это самый нежный способ чистки, не оставляющий царапин.

Медь

Cu — медь. Основной металл проводников тока. Обмотки электродвигателей, провода в изоляции, шины, гибкие проводники — чаще всего это именно медь. Медь нетрудно узнать по характерному красноватому цвету. Медь достаточно устойчива к коррозии.

Примеры применения

Провода. Основное применение меди в чистом виде. Любые добавки снижают электропроводность, поэтому сердцевина проводов обычно — чистейшая медь.

Гибкие многожильные провода различного сечения.

Гибкие тоководы. Если проводники для стационарных устройств можно в принципе изготовить из любого металла, то гибкие проводники делают почти всегда только из меди, алюминий для этих целей слишком ломкий. Содержат множество тоненьких медных жилок.

Теплоотводы. Медь не только на 56% лучше алюминия проводит ток, но ещё имеет почти вдвое лучшую теплопроводность. Из меди изготавливают тепловые трубки, радиаторы, теплораспределяющие пластины. Так как медь дороже алюминия, часто радиаторы делают составными, сердцевина из меди, а остальная часть из более дешевого алюминия.

Радиаторы охлаждения процессора. Центральный стержень изготовлен из меди, он хорошо отводит тепло от кристалла процессора, а алюминиевый радиатор с развитым оребрением уже охлаждает сам стержень.

При изготовлении фольгированных печатных плат. Печатные платы, в любом электронном устройстве изготовлены из пластины диэлектрика, на который наклеена медная фольга. Все соединения между элементами печатной платы выполнены дорожками из медной фольги.

Техника сверхвысокого вакуума. Из металлов и сплавов только нержавеющая сталь и медь пригодны для камер сверхвысокого вакуума в таких приборах, как ускорители элементарных частиц или рентгеновские спектрометры. Все остальные металлы в вакууме слегка испаряются и портят вакуум.

Аноды рентгеновских трубок. В рентгеноструктурном анализе требуется монохроматическое рентгеновское излучение. Его источником зачастую является облучаемая электронами медь (спектральная линия Cu Kα), которая к тому же прекрасно отводит тепло. Если же требуется другое излучение (Co или Fe), его получают от маленького кусочка соответствующего металла на массивном медном теплоотводе. Такие аноды всегда охлаждаются проточной водой.

Интересные факты о меди

• Медь — достаточно дорогой металл, поэтому недобросовестные производители стараются экономить на нем. Занижают сечение проводов (когда написано 0,75 мм2, а фактически 0,11 мм2). Окрашивают алюминий «под медь» в обмотках, внешне обмотка выглядит как медная, а стоит соскрести изоляцию — оказывается, что она сделана из алюминия. Этим грешат и китайские, и отечественные производители, кабель сечением 2,5 мм2 вполне может оказаться сечением 2,3 мм2, поэтому запас прочности и входной контроль не будут лишними. Разумеется, надежность контакта в электроарматуре жилы сечением 2,3 мм2, рассчитанной на жилу 2,5 мм2, будет невысокой.
• Медь окрашивает пламя в зелёный цвет, это свойство использовали для обнаружения меди в руде, когда не был доступен химический анализ. Зеленый след в пламени — показатель наличия меди. (но не всегда, зеленую окраску пламени могут давать ионы бора)

• Медь — мягкий металл, но если добавить к меди хотя бы 10% олова, получается твёрдый, упругий сплав — бронза. Именно освоение получения бронзы послужило названием к исторической эпохе — бронзовому веку. Добавка к меди бериллия дает бериллиевую бронзу — прочный упругий сплав, из которого изготавливают пружинящие контакты.
• Медь — один из немногих мягких металлов с высокой температурой плавления, поэтому из меди изготавливают уплотнительные прокладки, например для высокотемпературной или вакуумной техники. Например, уплотнительная прокладка пробки картера двигателя автомобиля.
• При механической обработке (например волочении) медь уплотняется и становится жёсткой. Для восстановления исходной мягкости и пластичности медь «отжигают» в защитной атмосфере, нагревая до 500-700 °C и выдерживая некоторое время. Поэтому некоторые медные изделия твёрдые, а некоторые мягкие, например медные трубы.
• Медь не даёт искр. Для работы во взрывоопасных местах, например на газопроводе, используют искробезопасный инструмент, стальной инструмент покрытый слоем меди или инструмент изготовленный из сплавов меди — бронз. Если таким инструментом случайно чиркнуть по стальной поверхности он не даст опасных искр.
• Так как температурный коэффициент сопротивления для чистой меди известен, из меди изготавливают термометры сопротивления (тип ТСМ — Термометр Сопротивления Медный, есть еще ТСП — Термометр Сопротивления Платиновый). Термометр сопротивления — это точно изготовленный резистор, навитый из медной проволоки. Измерив его сопротивление, можно по таблице или по формуле определить его температуру достаточно точно.

Алюминий

Al — Алюминий. «Крылатый металл» четвертый по проводимости после серебра, золота и меди.
Алюминий хоть и проводит ток почти в полтора раза хуже меди, но он легче в 3,4 раза и в три
раза дешевле. А если посчитать проводимость, то эквивалентный медному проводник из
алюминия будет дешевле в 6,5 раз! Алюминий бы вытеснил медь, как проводник везде, если
бы не пара его противных свойств, но об этом в недостатках.

Чистый алюминий, как и чистое железо, в технике практически не применяется (исключения
— провода и фольга). Любой «алюминиевый» предмет состоит из какого-нибудь сплава алюминия. Сплавы могут содержать кремний, магний, медь, цинк и другие металлы. Их свойства отличаются очень сильно, и это необходимо учитывать при обработке. Ниже перечислены несколько самых распространенных марок алюминия:

• 1199. Чистый 99,99% алюминий. Бывает почти исключительно в виде фольги.
• 1050 и 1060. Чистый 99,5% и 99,6% соответственно. Из-за высокой теплопроводности иногда используется как материал для радиаторов. Мягок, легко гнется. Провода, пищевая фольга, посуда.
• 6061 и 6082. Сплавы: 6061 — Si 0,6%, Mg 1,0%, Cu 0,28%, 6082 — Si, Mg, Mn. Первый более распространен в США, второй — в Европе. Легко точить, фрезеровать. Наилучший материал для самоделок. Прочен. Легко поддается сварке, паяется твердыми припоями. Легко анодируется. Плохо гнется. Не годится для литья.
• 6060. Состав: Mg, Si. Более мягок, чем 6061 и 6082, при обработке резанием слегка «пластилиновый», за что его не любят токари. Распространен и дешев, других особых преимуществ не имеет. Дешевый алюминиевый профиль из непонятного сплава имеет хорошиешансы оказаться им.
• 5083. Сплав с магнием (>4% Mg). Отличная коррозионная стойкость, устойчив в морской воде. Один из лучших вариантов для деталей, работающих под дождем. Тоже может встретиться в магазине стройматериалов, наряду с другими подобными марками.
• 44400, он же «силумин». Сплав с большим процентом кремния (Si >8%). Литейный. Низкая температура плавления, при пайке твердыми припоями риск расплавить саму деталь. Хрупок, при изгибе ломается. На изломе видны характерные кристаллы.
• 7075. 2,1-2,9% Mg, 5,1-6,1% Zn, 1,2-1,6% Cu. Очень своеобразный сплав, отличается даже цветом (пленка окислов слегка золотистая). Неожиданно твердый для алюминия, по твердости сравним с мягкой сталью. Плохо анодируется. Не паяется вообще. Не сваривается вообще. Не гнется и не куется вообще. Не годится для литья. Резанием обрабатывает ся отлично, прекрасно полируется. Хорош для ответственных деталей. Используется для винтов в велосипедах, в оружии (материал многих деталей винтовки M16).

Относительно невысокая температура плавления (660 °C у чистого, меньше 600 °C у литейных сплавов) алюминия делает возможным отливку деталей в песочные формы в условиях
гаража/мастерской. Однако многие марки алюминия не годятся для литья.

Примеры применения

Провода. Алюминий дешев, поэтому толстые силовые кабели, СИП, ЛЭП выгодно делать из алюминия. В старых домах квартирная проводка сделана алюминиевым проводом (с 2001 года ПУЭ запрещает в квартирах использовать алюминиевый провод, только медный, см ПУЭ 7 издание п. 7.1.34) Также алюминий не используется как проводник в ответственных применениях.

Слева старый алюминиевый провод. Справа алюминиевые кабели различного сечения,
пригодные для укладки в грунт. В частности кабелем справа был подключен к электроэнергии целый этаж здания. Кабель помимо наружной резиновой оболочки имеет бронирующую стальную ленту, для защиты нижележащей изоляции от повреждений, к примеру лопатой при раскопке.

Теплоотводы. Не только домашние батареи делают из алюминия, но и радиаторы у
микросхем, процессоров, делают из алюминия.

Различные алюминиевые радиаторы.

Корпуса приборов. Корпус жёсткого диска в вашем компьютере отлит из алюминиевого сплава. Небольшая добавка кремния улучшает прочностные качества алюминия, сплав силумин — это корпуса жёстких дисков, бытовых приборов, редукторов и т. д.

Анодированный алюминий (алюминий, у которого электрохимическим путем окисная пленка
на поверхности сделана потолще и прочнее) хорошо окрашивается и просто красив. Окисная
пленка (Al₂O₃ — из того же вещества состоят драгоценные камни рубины и сапфиры) достаточно твёрдая и износостойкая, но к сожалению алюминий под ней мягок, и при сильном воздействии ломается как лёд на воде.

Экраны. Электромагнитное экранирование часто делается из алюминиевой фольги или тонкой алюминиевой жести. Можете провести простой эксперимент, мобильный телефон
завернутый в фольгу потеряет сеть — он будет заэкранирован.

Отражающее покрытие у зеркал. Тонкая пленка алюминия на стекле отражает 89% падающего света (примерное значение, зависит от условий) (Серебро 98%, но на воздухе темнеет из-за сернистых соединений). Любой лазерный принтер содержит вращающееся зеркало, покрытое тонким слоем алюминия.

Зеркала от оптической системы планшетного сканера. Обратите внимание, оптические зеркала имеют металлизацию стекла снаружи, в отличии от привычных бытовых зеркал, где отражающее покрытие для защиты за стеклом. Бытовые зеркала дают двойное отражение — от поверхности стекла и от отражающего покрытия, что не так критично в быту, как защищенность отражающего покрытия.

Электроды обкладок конденсаторов. Алюминиевая фольга, разделенная слоем диэлектрика и туго свернутая в цилиндр — часть электрических конденсаторов (впрочем, для уменьшения габаритов конденсаторов фольгу заменяют алюминиевым напылением). Тот факт, что пленка оксида алюминия тонкая, прочная и не проводит ток, используется в электролитических конденсаторах, обладающими огромными для своих габаритов электрическими емкостями.

Недостатки

Алюминий — металл активный, но на воздухе покрывается оксидной пленкой, которая предохраняет металл от разрушения и скрывает его активную натуру. Если не дать алюминию формировать стабильную защитную пленку, например капелькой ртути, алюминий активно реагирует с водой. В щелочной среде алюминий растворяется, попробуйте залить алюминиевую фольгу средством для прочистки труб — реакция будет бурная, с выделением взрывоопасного водорода. Химическая активность алюминия, в паре с большой разницей в электрооотрицательности с медью делает невозможным прямое соединение проводов из этих двух металлов. В присутствии влаги (а она в воздухе есть почти всегда) начинает протекать гальваническая коррозия с разрушением алюминия.

Два идентичных трансформатора от микроволновых печей. Левый вышел из строя по причине алюминиевых обмоток — отгорел провод от контакта — алюминий плохо паяется мягкими припоями, попытка обеспечить контакт также как и у медного провода привела к поломке.

Алюминий ползуч. Если алюминиевый провод очень сильно сжать, он деформируется
и сохранит новую форму — это называется «пластическая деформация». Если сжать его не
так сильно, чтобы он не деформировался, но оставить под нагрузкой надолго — алюминий
начнет «ползти» меняя форму постепенно. Это пакостное свойство ведет к тому, что хорошо
затянутая клемма с алюминиевым проводом спустя 5-10-20 лет постепенно ослабнет и будет
болтаться, не обеспечивая былого электрического контакта. Это одна из причин, почему ПУЭ
запрещает тонкий алюминиевый провод для разводки электроэнергии по потребителям в
зданиях. В промышленности не сложно обеспечить регламент — так называемая «протяжка»
щитка, когда электрик периодически проверяет затяжку всех клемм в щитке. В домашних же условиях, обычно пока розетка с дымом не сгорит — никто и не озаботится качеством контакта. А плохой контакт — причина пожаров.

Алюминий, по сравнению с медью, менее пластичный, риска от ножа на жиле, при сьёме изоляции с провода быстрее приведет к сломавшейся жиле, чем у меди, поэтому изоляцию с алюминиевых проводов надо счищать как с карандаша, под углом, а не в торец.

Интересные факты об алюминии

• Алюминий — хороший восстановитель, что используется для восстановления других металлов, например титана из состояния диоксида. Теодор Грей (Настоятельно рекомендую книги Теодора Грея «Элементы. Путеводитель по периодической таблице», «Научные опыты с периодической таблицей», «Эксперименты. Опыты с периодической таблицей». Они очень хорошо сделаны визуально, и опыты в них не приторно безопасные, как в большинстве современных пособий, могут и бабахнуть.) в домашних условиях проводил такой опыт. В смеси с окислом железа алюминиевая пудра образует термит— адская смесь, которая горит разогреваясь до 2400°С при этом восстанавливается железо и весело стекает вниз, что используется для сварки рельсов, иным способом такой кусок железа качественно и быстро не прогреть. Термитные карандаши позволяют в полевых условиях сваривать провода, а бравый спецназовец термитной горелкой пережжет дужку самого крепкого замка.
• Чтобы сделать бисквит нежным и воздушным используется пекарский порошок. Такой же порошок есть для того, что бы сделать пористым бетон — Алюминий + щелочь.
• Алюминий — активный металл, но он быстро покрывается окисной пленкой, которая защищает его от разрушения. Рубин, сапфир, корунд — это всё названия одного и того же вещества — оксида алюминия Al₂O₃ Белые точильные круги и бруски состоят из электрокорунда — оксида алюминия.

  Можно убедиться в активности алюминия простым опытом. Нарежьте алюминиевую фольгу в стакан, добавьте медный купорос и поваренную соль, залейте холодной водой. Спустя некоторое время смесь закипит, алюминий будет окисляться, восстанавливая медь, с выделением тепла.

• Алюминий неплохо поддается экструзии. Корпуса приборов из нарезанного и обработанного экструдированного профиля значительно дешевле литых.

  
  Алюминиевый корпус внешнего аккумулятора для телефона. Экструдированный анодированный окрашенный профиль.

• Алюминий весьма посредственно паяется мягкими (оловянно-свинцовыми) припоями, неплохо паяется цинковыми припоями. При конструировании приборов это стоит помнить, соединить провод с алюминиевым шасси проще прикрутив винтом к запрессованной стойке, чем припаять. В твердых марках алюминия (6061, 6082, 7075) можно нарезать резьбу для винта непосредственно.
• Алюминий можно сваривать аргоновой сваркой, но качественный шов получается только при TIG-сварке на переменном токе. Непрерывная смена полярности измельчает пленку окислов, которая в противном случае может попасть в шов. Учитывайте это при выборе сварочного аппарата для мастерской, если вам может потребоваться варить и алюминий.

Еще раз важное замечание. Алюминиевые и медные проводники напрямую соединять нельзя! Для соединения проводников из меди и алюминия используйте промежуточный металл, например, стальную клемму.

Источники

В крупных строительных магазинах (OBI, Leroy Merlin, Castorama) обычно есть в наличии алюминиевый профиль разных размеров и форм. Неплохим источником может послужить штампованная алюминиевая посуда — она очень дешева и существует разных форм. Но обратите внимание на марки. Если нужен 6061 и тем более 7075, придется покупать его у фирмы, специализирующейся по металлам.

Ссылки на части руководства:

1: Проводники: Серебро, Медь, Алюминий.
2: Проводники: Железо, Золото, Никель, Вольфрам, Ртуть.
3: Проводники: Углерод, нихромы, термостабильные сплавы, припои, прозрачные проводники.
4: Неорганические диэлектрики: Фарфор, стекло, слюда, керамики, асбест, элегаз и вода.
5: Органические полусинтетические диэлектрики: Бумага, щелк, парафин, масло и дерево.
6: Синтетические диэлектрики на базе фенолформальдегидных смол: карболит (бакелит), гетинакс, текстолит.
7: Диэлектрики: Стеклотекстолит (FR-4), лакоткань, резина и эбонит.
8: Пластики: полиэтилен, полипропилен и полистирол.
9: Пластики: политетрафторэтилен, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат и силиконы.
10: Пластики: полиамиды, полиимиды, полиметилметакрилат и поликарбонат. История использования пластиков.
11: Изоляционные ленты и трубки.
12: Финальная

Свойства металлов. DjVu

ФPAГMEHT УЧЕБНИКА (…) Мы уже знаем, что в пространственной решётке металлических кристаллов находятся положительно заряженные атомы металлов — ионы. Они более или менее прочно удерживаются на своих местах. Вокруг ионов беспорядочно движутся свободные электроны. Их можно представить в виде «электронного газа», омывающего кристаллическую решётку. Свободные электроны легко перемещаются внутри решётки и служат хорошими переносчиками тепловой энергии от нагретых слоёв металла к холодным.       Высокую теплопроводность металла всегда легко обнаружить. Прикоснитесь в холодную погоду рукой к стене деревянного дома и к железной ограде: железо на ощупь всегда гораздо холоднее, чем дерево, так как железо быстро отводит тепло от руки, а дерево — в сотни раз медленнее. Лучше всех других металлов проводят тепло серебро и золото, затем идут медь, алюминий, вольфрам, магний, цинк и другие. Самые плохие металлические проводники тепла — свинец и ртуть.       Теплопроводность измеряют количеством тепла, которое проходит по металлическому стержню сечением в 1 квадратный сантиметр за 1 минуту. Если теплопроводность серебра условно принять за 100, то теплопроводность меди будет 90, алюминия 27, железа 15, свинца 12, ртути 2, а теплопроводность дерева всего 0,05.       Чем больше теплопроводность металла, тем быстрее и равномернее он нагревается.       Благодаря своей высокой теплопроводности металлы широко используются в тех случаях, когда необходимо быстрое нагревание или охлаждение. Паровые котлы, аппараты, в которых протекают различные химические процессы при высоких температурах, батареи центрального отопления, радиаторы автомобилей — всё это делается из металлов. Аппараты, которые должны отдавать или поглощать много тепла, чаще всего изготовляются из хороших проводников тепла — меди, алюминия.       Самые лучшие проводники электричества — металлы. Хорошей электропроводностью металлы опять-таки обязаны свободным электронам.       Когда мы присоединяем лампочку, плитку или какой-нибудь другой электрический прибор к источнику тока, в проводах, в нити лампочки, в спирали плитки мгновенно возникают большие изменения: электроны теряют прежнюю полную свободу движения и устремляются к положительному полюсу источника тока. Такой направленный поток электронов и есть электрический ток в металлах.       Поток электронов движется по металлу не беспрепятственно — он встречает на своём пути ионы. Движение отдельных электронов тормозится. Электроны передают часть своей энергии ионам, благодаря чему скорость колебательного движения ионов увеличивается. Это приводит к тому, что проводник нагревается.       Ионы разных металлов оказывают движению электронов неодинаковое сопротивление. Если сопротивление мало, металл нагревается током слабо, если же сопротивление велико, металл может раскалиться. Медные провода, подводящие ток к электрической плитке, почти не нагреваются, так как электрическое сопротивление меди ничтожно. А нихромовая спираль плитки раскаляется докрасна. Ещё сильнее нагревается вольфрамовая нить электрической лампочки.       Наиболее высокой электропроводностью отличаются серебро и медь, затем следуют золото, хром, алюминий, марганец, вольфрам и т. д. Плохо проводят ток железо, ртуть и титан. Если электропроводность серебра принять за 100, то электропроводность меди равна 94, алюминия— 55, железа и ртути — 2, а титана — лишь 0,3.       Серебро — металл дорогой и в электротехнике используется мало, но медь применяется для изготовления проводов, кабелей, шин и других электротехнических изделий в громадных количествах. Электропроводность алюминия в 1,7 раза меньше, чем у меди, и поэтому алюминий применяется в электротехнике реже, чем медь.       Серебро, медь, золото, хром, алюминий, свинец, ртуть. Мы видели, что в таком же приблизительно порядке стоят металлы и в ряду с постепенно убывающей теплопроводностью (см. стр. 33).       Наилучшие проводники электрического тока, как правило, являются и наилучшими проводниками тепла. Между теплопроводностью и электропроводностью металлов существует определённая связь, и чем выше электропроводность металла, тем обычно выше и его теплопроводность.       Чистые металлы всегда проводят электрический ток лучше, чем их сплавы. Это объясняется следующим образом. Атомы элементов, составляющих примеси, вклиниваются в кристаллическую решётку металла и нарушают её правильность. В результате решётка становится более серьёзной преградой для электронного потока.       Если в меди присутствуют ничтожные количества примесей — десятые и даже сотые доли процента — электропроводность её уже сильно понижается. Поэтому в электротехнике используют преимущественно очень чистую медь, содержащую только 0,05% примесей. И наоборот, в тех случаях, когда необходим материал с высоким сопротивлением— для реостатов), для различных нагревательных приборов, применяются сплавы — нихром, никелин, константан и другие.       Электропроводность металла зависит также и от характера его обработки. После прокатки, волочения и обработки резанием электропроводность металла понижается. Это связано с искажением кристаллической решётки при обработке, с образованием в ней дефектов, которые тормозят движение свободных электронов.       Очень интересна зависимость электропроводности металлов от температуры. Мы уже знаем, что при нагревании размах и скорость колебаний ионов в кристаллической решётке металла увеличиваются. В связи с этим должно возрастать и сопротивление ионов электронному потоку. И действительно, чем выше температура, тем выше сопротивление проводника току. При температурах плавления сопротивление большинства металлов увеличивается в полтора-два раза.       При охлаждении происходит-обратное явление: беспорядочное колебательное движение ионов в узлах решётки уменьшается, сопротивление потоку электронов понижается и электропроводность увеличивается.       Исследуя свойства металлов при глубоком (очень сильном) охлаждении, учёные обнаружили замечательное явление: вблизи абсолютного нуля, то-есть при температурах около минус 273,16°, металлы полностью утрачивают электрическое сопротивление. Они становятся «идеальными проводниками»: в замкнутом металлическом кольце ток не ослабевает долгое время, хотя кольцо уже не соединено с источником тока! Это явление названо сверхпроводимостью. Оно наблюдается у алюминия, цинка, олова, свинца и некоторых других металлов. Эти металлы становятся сверхпроводниками при температурах ниже минус 263°.       Как объяснить сверхпроводимость? Почему одни металлы достигают состояния идеальной проводимости, а другие нет? На эти вопросы пока ещё нет ответа. Явление сверхпроводимости имеет громадное значение для теории строения металлов, и в настоящее время его изучают советские учёные. Работы академика Ландау и члена-корреспондента Академии наук СССР А. И. Шаль-никова в этой области удостоены Сталинских премий.       МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА       Известна железная руда — магнитный железняк. Куски магнитного железняка обладают замечательным свойством притягивать к себе железные и стальные предметы. Это — естественные магниты. Лёгкая стрелка, сделанная из магнитного железняка, всегда поворачивается одним и тем же концом к северному полюсу Земли. Этот конец магнита условились считать северным полюсом, а противоположный ему — южным.       Если железный или стальной стержень привести в соприкосновение с магнитом, стержень сам становится магнитом, сам будет притягивать железные опилки, стальные гвозди. Говорят, что стержень намагничивается.       Намагничиваться способны все металлы, но в разной степени. Очень сильно намагничиваются только четыре чистых металла — железо, кобальт, никель и редкий металл гадолиний. Хорошо намагничиваются также сталь, чугун и некоторые сплавы, не содержащие в своём составе железа, например сплав никеля и кобальта. Все эти металлы и сплавы называют ферромагнитными (от латинского слова «феррум» — железо).       Совсем слабо притягиваются к магниту алюминий, платина, хром, титан, ванадий, марганец. Намагничиваются они так незначительно, что без специальных приборов обнаружить их магнитные свойства нельзя. Эти металлы получили название парамагнитных (греческое слово «пара» означает около, возле).

Классификация материалов по отношению к способности проводить электрический ток

При появлении в нашей жизни электричества, мало кто знал о его свойствах и параметрах, и в качестве проводников использовали различные материалы, было заметно, что при одной и той же величине напряжения источника тока на потребителе было разное значение напряжения. Было понятно, что на это влияет вид материала применяемого в качестве проводника. Когда ученные занялись вопросом по изучению этой проблемы они пришли к выводу, что в материале носителями заряда являются электроны. И способность проводить электрический ток обосабливается наличием свободных электронов в материале. Было выяснено, что у некоторых материалов этих электронов большое количество, а у других их вообще нет. Таким образом существуют материалы, которые хорошо проводят электрический ток, а некоторые не обладают такой способностью.
Исходя из всего выше сказанного, все материалы поделились на три группы:

• проводники;
• полупроводники;
• диэлектрики;

 Каждая из групп нашла широкое применение в электротехнике.

Проводники

Проводниками являются материалы, которые хорошо проводят электрический ток, их применяют для изготовления проводов, кабельной продукции, контактных групп, обмоток, шин, токопроводящих жил и дорожек. Подавляющее большинство электрических устройств и аппаратов выполнена на основе проводниковых материалов. Мало того, скажу, что вся электроэнергетика не могла б существовать не будь этих веществ. В группу проводников входят все металлы, некоторые жидкости и газы.

Так же стоит упомянуть, что среди проводников есть супер проводники, сопротивление которых практически равно нулю, такие материалы очень редки и дороги. И проводники с высоким сопротивлением — вольфрам, молибден, нихром и т.д. Такие материалы используют для изготовления резисторов, нагревательных элементов и спиралей осветительных ламп.

 Но львиная доля в электротехнической сфере принадлежит рядовым проводникам: медь, серебро, алюминий, сталь, различные сплавы этих металлов. Эти материалы нашли самое широкое и огромное применение в электротехнике, особенно это касается меди и алюминия, так как они сравнительно дешевы, и их применение в качестве проводников электрического тока наиболее целесообразно. Даже медь ограничена в своем использовании, её применяют в качестве обмоточных проводов, многожильных кабелях, и более ответственных устройствах, еще реже встречаются медные шинопроводы. А вот алюминий считается королем среди проводников электрического тока, пускай он обладает более высоким удельным сопротивлением чем медь, но это компенсируется его весьма низкой стоимостью и устойчивостью к коррозии. Он широко применяется в электроснабжении, в кабельной продукции, в воздушных линиях, шинопроводах, обычных проводах и т.д.  

 

Полупроводники

Полупроводники, что-то среднее между проводниками и полупроводниками. Главной их особенностью является их зависимость проводить электрический ток от внешних условий. Ключевым условием является, наличие различных примесей в материале, которые как раз-таки обеспечивают возможность проводить электрический ток. Так же при определенной компоновку двух полупроводниковых материалов. На основе этих материалов на данный момент, произведено множество полупроводниковых устройств: диоды, светодиоды, транзисторы, семисторы, тиристоры, стабисторы, различные микросхемы. Существует целая наука, посвященная полупроводникам и устройствам на их основе: электронная техника. Все компьютеры, мобильные устройства. Да что там говорить, практически вся наша техника содержит в себе полупроводниковые элементы.

К полупроводниковым материалам относят: кремний, германий, графит, графен, индий и т.д.

Диэлектрики

Ну и последняя группа материалов, это диэлектрики, вещества не способные проводить электрический ток.  К таким материалам относят: дерево, бумага, воздух, масло, керамика, стекло, пластмассы, полиэтилен, поливинилхлорид, резина и т.д.  Диэлектрики получили широкое применение благодаря своим качествам. Их применяют в качестве изолирующего материала. Они предохраняют соприкосновение двух токоведущих частей, не допускают прямого прикосновения человека с этими частями. Роль диэлектриком в электротехнике не менее важна чем роль проводников, так как обеспечивают стабильную, безопасную работу всех электротехнических и электронных устройств. У всех диэлектриков существует предел, до которого они не способны проводить электрический ток, его называют пробивным напряжением. Это такой показатель, при котором диэлектрик начинает пропускать электрический ток, при этом происходит выделение тепла и разрушение самого диэлектрика. Это значение пробивного напряжения для каждого диэлектрического материала разное и приведено в справочных материалах. Чем он выше, тем лучше, надежней считается диэлектрик.

Параметром, характеризующим способность проводить электрический ток является удельное сопротивление R, единица измерения [Ом] и проводимость, величина обратная сопротивлению. Чем выше этот параметр, тем хуже материал проводит электрический ток. У проводников он равен от нескольких десятых, до сотен Ом.  У диэлектриков сопротивление достигает десятков миллионов ом.

Все три вида материалов нашли широкое применение в электроэнергетике и электротехнике. А так же тесно взаимосвязаны друг с другом.

 

Цирконий удвоил стойкость алюминиевых проводов к нагреву

Провода из сплава алюминия и небольшого количества циркония могут выдерживать нагрев до 400 °С без ухудшения качества. К такому выводу пришли российские материаловеды, исследование которых опубликовал научный журнал Metals. Кратко об этом пишет пресс-служба НИТУ «МИСиС». 

«Испытания проволоки показали, что после добавления циркония термостойкость увеличилась почти вдвое, причем электропроводность практически не снизилась», – пояснил один из авторов исследования, профессор НИТУ «МИСиС» Николай Белов.

Сейчас в быту и промышленности используются провода, изготовленные в основном из трех металлов – золота, меди и алюминия. У каждого из них есть свои плюсы и минусы: золото лучше всего защищено от коррозии и при этом оно очень хорошо проводит ток, однако запасы этого металла ограничены и он дорого стоит. Медь превосходит алюминий и золото по электропроводности, но она примерно в 3,5 раза тяжелее более дешевого алюминия.

Наноброня для проводов

Главный недостаток алюминия, как объясняют Белов и его коллеги, состоит в том, что этот металл плохо переносит нагрев – провода на его основе начинают разрушаться уже при температуре в 150 °С. Эту проблему можно решить, добавляя в состав сплава разные добавки. Однако часто они могут ухудшить теплопроводность или повысить стоимость материала.

Белов и его коллеги решили эту проблему, используя относительно недорогую добавку – цирконий. Как показали опыты ученых, всего 0,6% циркония в сплаве позволяют алюминиевым проводам выдерживать нагрев до 400 °С и не разрушаться при этом.

Для производства этого сплава ученые применили методику электромагнитного литья, которую разработал профессор Сибирского федерального университета Виктор Тимофеев. Благодаря этому ученые смогли удешевить производство проводов и при этом добиться оптимальной структуры проводов и распределения наночастиц циркония по их толще.

По словам ученых, увеличение термостойкости сплава позволит применять его не только для ЛЭП, которые благодаря новому сплаву прослужат дольше, но и в различных летательных аппаратах, где критически важно минимизировать массу всех деталей.

Проводимость меди и алюминия: удельная проводимость

Электрическая проводимость или электропроводность — это способность тела проводить электрический ток. Это понятие крайне важно в электротехнике: металлы, хорошо проводящие ток, используются в проводах, плохие проводники или диэлектрики — для защиты людей от электричества. Лучшим проводником является серебро, на втором месте стоит медь (она совсем немного уступает серебру), далее идут золото и алюминий.

Достоинства и недостатки медных проводов

Медь — это пластичный переходный металл. Имеет золотисто-розовый цвет, встречается в природе в виде самородков. Используется человеком с давних времен — в его честь была названа целая эпоха.

В таблице дано удельное электрическое сопротивление стали и других металлов

Сегодня медные провода часто используют в электронных устройствах. К их достоинствам относятся:

• Высокая электропроводность (металл занимает второе место по этому показателю, уступая только серебру). По сравнению с алюминием медь эффективнее в 1,7 раза: при равном сечении медный кабель пропускает больше тока.
• Сварку, пайку и лужение можно проводить без использования дополнительных материалов.
• Провода обладают хорошей эластичностью и гибкостью, их можно сворачивать и сгибать без особого вреда.

 

Медь лишь немного уступает серебру

Однако до недавнего времени медные провода проигрывали алюминиевым из-за нескольких недостатков:

• Высокая плотность: при разных размерах медный провод будет весить больше, чем алюминиевый;
• Цена: алюминий в несколько раз дешевле;
• Медь окисляется на открытом воздухе: впрочем, это не влияет на ее работу и легко устраняется.

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.

Алюминиевые кабели востребованы не меньше медных

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

Какое удельное сопротивление стали

Сталь — это металлический сплав железа с углеродом и другими элементами. В ее состав входит не менее 45% железа, содержание углерода колеблется от 0,02% до 2,14%. В зависимости от точного состава сталь используется в строительстве, машиностроении и приборостроении, а также во многих областях, например, в транспорте, народном хозяйстве, при производстве бытовых приборов.

Стальные провода отличаются невысокой проводимостью

Проводимость стали составляет всего 7,7 миллионов См/м, удельное сопротивление — 0,13 мкОм/м, то есть оно довольно высоко. Сталь плохо проводит электричество и не применяется при производстве непосредственно кабелей. Однако нередко можно встретить внешнюю оцинкованную стальную оплетку, которая защищает провода от механического растяжения. Такая защита нужна, если кабель проходит под дорогой или на нестабильном грунте, если есть риск резко дернуть провод.

Также из стали делают ПНСВ — провод нагревательный со стальной жилой, имеющий изоляцию из винила. Его размещают внутри конструкции до заливания бетона и используют в дальнейшем для электрообогрева готового блока. Электричество кабель практически не проводит.

Из стали производят провод ПНСВ

Сравнение проводимости разных видов стали

Характеристики стали зависят от ее состава и температуры:

• Для углеродистых сплавов сопротивление довольно низкое: оно составляет 0,13-0,2 мкОм/м. Чем выше температура, тем больше значение;
• Низколегированные сплавы имеют более высокое сопротивление — 0,2-0,43 мкОм/м;
• Высоколегированные стали отличаются высоким сопротивлением — 0,3-0,86 мкОм/м;
• Благодаря высокому содержанию хрома сопротивление хромистых нержавеющих сплавов равняется 0,5-0,6 мкОм/м;
• Хромоникелевые аустенитные стали являются нержавеющими и благодаря никелю имеют высокую сопротивляемость — 0,7-0,9 мкОм/м.

Из стали часто делают оцинкованную оплетку

Медь стоит на втором месте по степени электропроводимости: она отлично пропускает электрический ток и повсеместно используется при изготовлении проводов. Не реже применяют и алюминий: он слабее меди, но дешевле и легче.

Как применяют анодированный алюминий | Муравель

Существует много покрытий, которые могут быть использованы для защиты металла от негативных воздействий. Если речь идет об алюминии, то анодное покрытие кажется особенно эффективным. По этой причине анодированный алюминий стал востребованным в различных сферах промышленности и быта.

Общее назначение анодирования

Анодированный алюминий может быть дополнительно окрашен или не совсем иметь какого-либо другого слоя, кроме самого анодного. В любом случае, материал будет хорошо сопротивляться коррозии. Даже при помещении в кислотную среду вероятность того, что на нем появится ржавчина, очень мала.

Сферы использования анодированного алюминия

Сегодня анодирование активно используется в процессе защиты деталей самолетов. Очень часто бывает так, что эти элементы нельзя подвергать окрашиванию. Тогда именно анодированный слой становится настоящим спасением.

Но анодное покрытие может быть использовано и в других отраслях. Оно может быть бесцветным или цветным. Оба этих варианта сегодня массово используется при создании строительных элементов, предназначенных для выпуска дверей, окон, облицовки фасадов, строительства перегородок, установки конструкций.

В связи с тем, что анодное покрытие на алюминии отличается способностью поглощать красители, с помощью материала удается получать так называемый цветной алюминий. Его широко применяют при создании изделий из алюминия разного характера. Они могут быть штампованными, литыми и прочими.

Отдельно стоит отметить применение анодированного алюминия при изготовлении перил. Его используют для таких целей давно, создавая поручни, ручки для кресел, различные рукоятки. Было немало жалоб, что такое покрытие оставляет следы на одежде или на руках. Но на самом деле, анодное покрытие к такому привести не может. Если подобное случается, можно сделать вывод, что элемент изготовлен из алюминия как раз без анодного покрытия.

Особые случаи применения

Удивительной особенностью анодированного алюминия является то, что он не проводит электричество. Точнее, сам алюминий является хорошим проводником, но анодное покрытие предотвращает удар током, выступает в роли электрического изолятора. По этой причине провода из анодированного алюминия используются во многих трансформаторах. За счет этого можно увеличить безопасность их применения, но и снизить вес. То есть анодированный алюминий очень практичен и позволяет решать немало сложных задач.

Похожие записи

SIP-панели и дома из них

Что необходимо знать при покупке цемента

Монтажная пена: плюсы и минусы, советы по применению

Какие вещества проводят электрический ток

Из физики известно, что электрический ток – это направленное движение электрически заряженных частиц. Разные вещества проводят электрический ток по-разному. По способности передавать электрические заряды вещества делятся на ПРОВОДНИКИ и НЕПРОВОДНИКИ электричества.

Проводниками называют тела, через которые электрические заряды могут проходить от заряженного тела к незаряженному, в проводниках имеется очень много свободных заряженных частиц. Хорошие проводники электричества – это металлы, почва, вода с растворенными в ней солями, кислотами или щелочами, графит и некоторые виды органических веществ. Тело человека также проводит электричество. Это можно показать на опыте с электроскопом. Зарядим электроскоп с помощью эбонитовой или стеклянной палочки, стрелка отклонится Затем дотронемся до заряженного электроскопа рукой. Стрелка тотчас вернётся в исходное положение – к нулю. Заряд с электроскопа уходит в наше тело. В данном опыте с небольшим зарядом это не опасно, но ощутимо «щёлкает» по пальцам. А большие заряды и токи опасны для жизни и здоровья.

Из металлов лучшие проводники электричества – серебро, медь, алюминий. Даже в обычной водопроводной воде растворено столько всевозможных солей, что она является весьма хорошим проводником, и об этом нельзя забывать, работая с электрооборудованием в условиях повышенной влажности иначе можно получить весьма ощутимый удар током, это опасно.

Проходя через живой организм электрический ток производит разные действия: термическое – ожоги определённых участков тела, нагрев кровеносных сосудов, крови, нервов; электролитическое (или химическое) – разложение крови и других органических жидкостей; биологическое – раздражение и возбуждение живых тканей организма, что сопровождается непроизвольными судорожными сокращением мышц, в том числе мышц сердца и лёгких. В результате всего этого могут возникнуть различные нарушения в организме вплоть до полной остановки работы сердца и лёгких.

Непроводниками называют такие тела, через которые электрические заряды не могут переходить от заряженного тела к незаряженному, так как в диэлектриках очень мало свободных заряженных частиц. Непроводниками электричества, или диэлектриками, являются эбонит, янтарь, фарфор, резина, различные пластмассы, шелк, капрон, масла, воздух (газы), стекло, плексиглас, сухое дерево и бумага. Изготовленные из диэлектриков тела называются ИЗОЛЯТОРАМИ (от итальянского слова ИЗОЛЯРО – уединять).

Проводники служат для передачи на расстояние электрической энергии (электрического тока), именно из них, в основном, изготавливаются высоковольтные электрические кабели, бытовая электропроводка. Изоляторы используются для обособления, изолирования проводников и обеспечения безопасности людей при работе с электроприборами. Для передачи электроэнергии необходимо собрать замкнутую электрическую цепь, в которую входят источник электрической энергии, проводники, по которым от этого источника электрический ток поступает к потребителям электрической энергии, и сами потребители.

При проведении опытов по электричеству всегда используются и проводники, и диэлектрики. Например, используя два электроскопа, мы зарядили один из них отрицательным зарядом, полученным на эбонитовой палочке при её трении о шерсть. При этом стрелка электроскопа отклонилась, показывая наличие заряда на нём. Если затем взять металлический стержень на изолирующей пластмассовой рукоятке и соединить заряженный электроскоп с незаряженным, то по проводящему ток стержню заряды частично перейдут на второй электроскоп , а вот разрядки электроскопа, как в случае его касания голой рукой, не происходит, так как рукоятка не проводит ток к руке человека. Именно поэтому рукоятки различных инструментов, например отвёрток, плоскогубцев, кусачек, делают из непроводящих материалов.

Основные меры защиты от поражения электрическим током:

• обеспечение недоступности токоведущих частей, находящихся под напряжением, для случайного прикосновения,

• защитное заземление, защитное отключение электроприборов;

• использование по возможности низких напряжений, особенно во влажных помещениях;

• применение двойной изоляции.

Знание и соблюдение правил техники безопасности при работе с электрическим током и различными электроприборами обязательно и для взрослых, и для детей. Чтобы учащимся младших классов было легче запомнить эти правила, можно использовать различные запоминающиеся плакаты, стихи. Примеры я подобрал из различных источников, кое-что придумал сам и оформил как советы по электробезопасности в приложении 1 к моей работе. В приложении 2 приведены меры первой помощи при поражении электрическим током.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ

Электропроводность веществ можно испытать с помощью специального прибора, но мы использовали обычную электрическую цепь. Главный элемент любой электрической цепи – источник электрического тока. Без него электрическая цепь не будет работать. Когда вы включаете в розетку вилку питающего шнура телевизора, для электрического утюга, чайников и других электроприборов – потребителей электрической энергии, то вы, по сути, подключаетесь к электростанции – производителю этой электроэнергии.

Для того чтобы проверить электропроводность твердых веществ, я собрал электрическую цепь , в которую входили: источник тока, ключ для замыкания и размыкания цепи, лампа для того, чтобы проверить, есть ток или нет, и контакты для подключения вещества в цепь.

Когда контакты помещают в вещество, становится ясно, проводит ли это вещество ток. Если вещество проводит электрический ток, цепь замыкается, и лампочка загорается . Если вещество неэлектропроводно, цепь остается разомкнутой, и лампочка не горит.

Опыт 1. Исследование твердых веществ.

В таблице 1 указаны десять твердых веществ, которые мы исследовали на электропроводность. В результате проверки выяснилось,

Таблица 1.

алюминий + пластмасса –

сталь + стекло –

латунь + орг. стекло –

медь + магнит –

древесина – резина – что алюминий, сталь, латунь, медь проводят электрический ток, а древесина, пластмасса, стекло, оргстекло, магнит и резина не проводят электрический ток.

Опыт 2. Исследование жидких веществ.

Для того, чтобы проверить электропроводность жидких веществ, мы изменили электрическую цепь (рис.  5). Кроме источника тока и ключа в цепь добавили амперметр вместо лампы и электролитический стакан вместо контактов.

Таблица 2.

чистая вода –

раствор поваренной соли +

раствор медного купороса +

раствор морской соли +

раствор сахара –

В электролитический стакан мы помещали разные жидкости. Если у амперметра при замыкании цепи стрелка отклонялась, значит, данная жидкость проводит электрический ток.

В результате нашего эксперимента выяснилось, что раствор поваренной соли, медного купороса и морской соли проводит электрический ток, а чистая вода и сахарный сироп – нет .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведённые опыты подтвердили, что некоторые вещества хорошо проводят ток, это различные металлы и растворы солей. Другие твёрдые и жидкие вещества являются диэлектриками, т. е. непроводниками, это пластмассы или резина, из которых делают изоляцию электропроводов и корпуса электрических приборов, и многие другие вещества.

Моя работа достаточно важна для меня и других школьников, так как для безопасной работы с электрическими приборами дома и в школе нужно знать, как поступать в некоторых жизненных ситуациях. Например, человека ударило током от оборванного провода. Ни в коем случае нельзя трогать этот провод и человека голыми руками. Нужно отодвинуть провод с помощью какого-то не проводящего ток предмета, например сухой деревянной палки.

Чтобы научить учеников младших классов правилам электробезопасности, можно использовать подготовленные мной советы.

Почему алюминиевая фольга проводит электричество? — Видео и стенограмма урока

Проводники и изоляторы

Прежде чем мы узнаем, что делает алюминиевую фольгу проводником, нам нужно узнать, что делает любой материал проводящим. Что касается электропроводности, материалы обычно можно разделить на две категории: проводники и изоляторы. Проводники — это материалы, которые позволяют электронам свободно перемещаться через них при приложении заряда. Изоляторы в данном случае — это не тот тип, который согревает ваш дом, а скорее изоляторы в данном контексте — это материалы, которые не позволяют электронам свободно перемещаться через них при приложении заряда.Другими словами, электричество легко проходит через проводники, но не через изоляторы.

Итак, что определяет, протекают ли электроны через материал при приложении этого заряда? Это связано с самыми удаленными электронами в атомах материала. Твердые материалы состоят из атомов, связанных друг с другом, образуя узор, называемый решеткой. Каждый атом состоит из одного ядра, окруженного облаком электронов. Самые удаленные электроны известны как валентных электронов .Является ли материал проводником или изолятором, зависит от того, насколько хорошо они удерживают валентные электроны.

Валентные электроны изолятора прочно связаны со своим родительским атомом. Когда на изолятор подается заряд, валентные электроны сохраняют свои позиции. Поскольку заряду некуда деваться, электричество не может протекать через материал. В проводнике валентные электроны не связаны прочно со своим родительским атомом. Когда к проводнику прикладывается заряд, он сбивает валентный электрон с его родительского атома.Затем этот только что свободный электрон отталкивает валентный электрон от другого атома и так далее. Это создает цепную реакцию движущихся электронов, называемую электронным током в проводнике.

Проводимость алюминиевой фольги

Итак, теперь, когда мы знаем, как работают проводники, что делает алюминиевую фольгу хорошим проводником? Оказывается, не только алюминиевая фольга, но и делает все металлы хорошими проводниками. Когда создаются металлические связи, они освобождают валентные электроны от своих родительских атомов. Эти свободных электронов текут через решетку металла в случайных направлениях.Посмотрите на эту диаграмму, которая находится здесь:

Красные кружки представляют собой свободные электроны в алюминии, текущие в случайных направлениях вокруг атомов, представленных синими кружками. Когда в металл вводится заряд, свободные электроны немедленно переходят из случайных направлений в одно направление. Это создает электрический ток в металле. Как и все другие металлы, алюминий из-за этого является отличным проводником.Фактически, это четвертый лучший дирижер после золота, меди и серебра.

Что касается вида фольги, то оказалось, что это неважно. Невозможно придать алюминию форму, чтобы он не был проводником. Неважно, есть ли у вас алюминиевый блок, фольга, проволока или любая другая форма. Все они дирижеры по тем же причинам, что и те, которые мы рассмотрели в этом уроке.

Резюме урока

Хорошо, прежде чем мы подведем итоги, давайте рассмотрим важную информацию из этого урока.Алюминиевая фольга, как известно, является проводником электричества, что означает, что электроны могут свободно перемещаться через материал, когда к нему прикладывается заряд. 2 \ cdot (10 \ text {eV})} \ right) (4 \ text {nm})} = 5.{-57} $$

Это очень мало. В принципе, теперь мы могли бы найти реальную скорость по плотности состояний и золотому правилу Ферми, но вполне вероятно, что результатом будет очень небольшой ток.

Возможно, я использую неверные параметры. Я проверил несколько других источников и обнаружил, что значения потенциального барьера и толщины оксида сильно различаются. Однако тот факт, что слегка анодированный алюминий с более толстым оксидным слоем (например, несколько десятков нм) все еще проводит электричество, заставляет меня думать, что туннелирование не является полным объяснением, поскольку скорость туннелирования экспоненциально уменьшается с толщиной оксидного слоя.

Другим возможным объяснением может быть электрический пробой или какое-либо другое изменение кристаллической структуры оксида, например плавление. Но если это правильный ответ, что именно изменяет оксидный слой, чтобы сделать его электропроводящим? Обычно оксиды не проводят ток, потому что атомы кислорода поглощают свободные электроны. Это перестает происходить по какой-то причине?

Я готов принять хороший теоретический ответ, но надеюсь на экспериментальные доказательства, если это возможно.

почему твердый алюминий проводит электричество?

1. почему твердый алюминий проводит электричество?

Почему алюминий проводит электричество? 17 февраля 2014 г., aliakber, Оставить комментарий. Все металлы являются хорошими проводниками электричества. Это одна из первых вещей, которую мы узнаем в науке. Мы часто не знаем, почему они так хороши в этом! Ответ заключается в том, как металлы и, следовательно, алюминий имеют атомную структуру.

https: // www.knowwhy.com/why-does-aluminium-conduct-electricity/

3. почему твердый алюминий проводит электричество?

Алюминий может проводить электричество, но он не проводит электричество так же хорошо, как медь. В высоковольтных линиях электропередачи, заключенных в стальной корпус для дополнительной защиты, используется алюминий. Большинство металлов считаются хорошими проводниками электричества…

https://www.quora.com/Does-aluminium-conduct-electricity

4. почему твердый алюминий проводит электричество?

Почему металлы проводят электричество? Металлы считаются хорошими проводниками электричества.С точки зрения химии, металл — это химическое вещество, которое может генерировать положительные ионы в растворе. Это означает, что металлы склонны терять больше электронов, а оксиды металлов образуют щелочные растворы в воде.

Why do Metals conduct electricity?

6. почему твердый алюминий проводит электричество?

Соединения металлов не проводят электричество в твердом состоянии, но металлы являются хорошими проводниками электричества. > Электрический ток состоит из движения заряженных частиц.Соединения металлов — это соли. Они состоят из противоположно заряженных ионов. Например, NaCl состоит из ионов Na⁺ и Cl⁻, расположенных в кристаллической решетке. Ионы в кристалле не могут двигаться, поэтому твердый NaCl не проводит…

https://socratic.org/questions/why-do-metallic-compounds-conduct-electricity-as-a-solid

7. почему твердый алюминий проводит электричество?

Почему металлы так хорошо проводят тепло и электричество? Какие металлы ведут себя лучше всего? Структура металлов.Структуры чистых металлов описать просто, поскольку атомы, образующие эти металлы, можно рассматривать как идентичные совершенные сферы.

https://www.edinformatics.com/math_science/why_metals_conduct.htm

8. почему твердый алюминий проводит электричество?

Алюминий мягкий, легкий, огнестойкий и термостойкий, его легко обрабатывать, придавая ему новые формы, и он способен проводить электричество. Он очень эффективно отражает свет и тепло и не ржавеет.Он легко вступает в реакцию с другими химическими элементами, особенно с кислородом, и легко образует внешний слой оксида алюминия, если оставить его на воздухе.

https://www.explainthatstuff.com/aluminium.html

9. почему твердый алюминий проводит электричество?

Электричество — это движение электронов. Твердые металлы имеют много свободных электронов, плавающих между атомами. Таким образом, для электронов существует множество свободных путей. Таким образом, твердые металлы проводят электричество.Это можно сравнить с изолятором (например, резиной), в котором очень и очень мало свободных электронов.

https://answers.yahoo.com/question/index?qid=20060815224706AACBWP3

Электропроводность и проводящие элементы

Электропроводность относится к способности материала передавать энергию. Существуют разные типы проводимости, включая электрическую, тепловую и акустическую проводимость. Самый электропроводящий элемент — серебро, за ним следуют медь и золото. Серебро также имеет самую высокую теплопроводность среди всех элементов и самый высокий коэффициент отражения света.Хотя это лучший проводник, медь и золото чаще используются в электротехнике, потому что медь дешевле, а золото имеет гораздо более высокую коррозионную стойкость. Поскольку серебро тускнеет, это менее желательно для высоких частот, потому что внешняя поверхность становится менее проводящей.

Что касается , почему серебро является лучшим проводником, ответ заключается в том, что его электроны движутся свободнее, чем электроны других элементов. Это связано с его валентностью и кристаллической структурой.

Большинство металлов проводят электричество. Другие элементы с высокой электропроводностью — это алюминий, цинк, никель, железо и платина. Латунь и бронза — это электропроводящие сплавы, а не элементы.

Таблица проводимости металлов

Этот список электропроводности включает сплавы, а также чистые элементы. Поскольку размер и форма вещества влияют на его проводимость, в списке предполагается, что все образцы имеют одинаковый размер. В порядке от наибольшей до наименее проводящей:

1. Серебро
2. Медь
3. Золото
4. Алюминий
5. Цинк
6. Никель
7. Латунь
8. Бронза
9. Железо
10. Платина
11. Углеродистая сталь
12. Нержавеющая сталь
13. Свинец
14. Свинец

Факторы, влияющие на электропроводность

Определенные факторы могут повлиять на то, насколько хорошо материал проводит электричество.

• Температура: Изменение температуры серебра или любого другого проводника изменяет его проводимость. Как правило, повышение температуры вызывает тепловое возбуждение атомов и снижает проводимость при одновременном увеличении удельного сопротивления. Взаимосвязь линейная, но при низких температурах она нарушается.
• Примеси: Добавление примесей к проводнику снижает его проводимость. Например, чистое серебро не так хорошо проводит дирижерство, как чистое серебро.Окисленное серебро — не такой хороший проводник, как чистое серебро. Примеси препятствуют потоку электронов.
• Кристаллическая структура и фазы: Если в материале есть разные фазы, проводимость будет немного снижаться на границе раздела и может отличаться от одной структуры от другой. Способ обработки материала может повлиять на то, насколько хорошо он проводит электричество.
• Электромагнитные поля: Проводники генерируют собственные электромагнитные поля, когда через них проходит электричество, причем магнитное поле перпендикулярно электрическому полю.Внешние электромагнитные поля могут создавать магнитосопротивление, которое может замедлять ток.
• Частота: Количество циклов колебаний, которые переменный электрический ток совершает в секунду, — это его частота в герцах. Выше определенного уровня высокая частота может вызвать протекание тока вокруг проводника, а не через него (скин-эффект). Поскольку нет колебаний и, следовательно, частоты, скин-эффект не возникает при постоянном токе.

Почему в силовых кабелях используется медь, а не алюминий? — Леонардо Энергия

Медь имеет на более низкое удельное электрическое сопротивление , чем алюминий: 100 по сравнению с 160.Это различие очень актуально для силовых кабелей. Чтобы придать алюминиевому проводнику такое же сопротивление, как и медному проводнику, площадь поперечного сечения алюминиевого проводника должна стать больше, чтобы компенсировать более высокое электрическое сопротивление алюминия. Фактически, для той же токонесущей способности алюминиевый провод должен иметь площадь поперечного сечения на 56% больше, чем медный. Одним из практических следствий этого является то, что на барабане можно хранить меньше алюминиевого кабеля, что приводит к уменьшению длины кабеля и увеличению количества соединений.Использование меди уменьшает количество соединений, что снижает риск сбоев системы.

Медь имеет на более низкий коэффициент теплового расширения . Этот параметр измеряет тенденцию материала к изменению объема в зависимости от температуры. Более низкое значение меди очень важно для кабелей, поскольку она снижает риск провисания и разрушающих сил в соединениях.

Коррозия не является проблемой для меди. Он устойчив к большинству органических химикатов и может бесконечно работать в большинстве промышленных сред.Зеленый налет может образоваться после длительного пребывания в атмосфере, но на самом деле это защитная пленка на поверхности, которая не ухудшает эксплуатационные характеристики. В защите меди нет необходимости даже в соленой морской среде, тогда как окисление является особой проблемой для алюминиевых проводов. Оксидный слой следует удалить и нанести ингибирующее оксидное соединение соединение для уменьшения окисления.

Медь показывает хорошее сопротивление ползучести ; необходимо для предотвращения ослабления контактного давления и для компонентов сложной формы.С другой стороны, алюминий демонстрирует признаки значительной ползучести при комнатной температуре, тогда как аналогичная скорость ползучести проявляется только для меди с высокой проводимостью при 150 ° C.

Медь — один из металлов , который легче всего припаять, и по этой причине, в сочетании с его проводимостью, находит множество применений, где важна хорошая целостность соединений.

Значительно более высокий на удельный вес меди (в три раза) приводит к более эффективному процессу прокладки подводных кабелей.Это важно с учетом быстро растущего рынка оффшорной ветроэнергетики. Использование более крупных турбин и установок дальше от берега во враждебных глубоководных условиях создает множество проблем для подводных кабелей среднего и высокого напряжения. Выбор проводника может существенно повлиять на решение этих проблем.

Медь не реагирует с водой . Это важно, потому что вода может попасть в кабель во время транспортировки, погрузочно-разгрузочных работ, хранения вне помещения, случайного повреждения или отказов кабельных соединений или заделки.Напротив, алюминий реагирует с водой с образованием газообразного водорода. Если давление водорода внутри кабеля увеличивается, он может повредить изоляцию, что приведет к частичному разряду, отказу или даже полному разрушению.

Многожильный медный кабель доступен с очень малым поперечным сечением , например от 0,5 до 10 мм2, тогда как многопроволочный алюминиевый доступен только с номинальным поперечным сечением 10 мм2 и выше. Многожильные проводники состоят из нескольких более тонких проводников, скрученных вместе в один связный кабель.Медные жилы меньшего диаметра позволяют получить более гибкие кабели, которые больше подходят для приложений, требующих значительного перемещения.

Учитывая меньшие площади поперечного сечения по сравнению с алюминиевыми, при том же номинальном токе медные кабели легче устанавливать и ремонтировать . Медь также менее хрупкая , что важно при использовании трехжильных кабелей, которые должны иметь форму и изгибаться внутри кабельных каналов и оконечных коробок.

Учитывая вышеизложенные преимущества, неудивительно, что медные проводники продаются по более высокой цене.Однако, если посмотреть на стоимость срока службы, нет экономических преимуществ в использовании изначально менее дорогого алюминия , чем более технически производительной меди.

Дополнительная информация

Лучший проводник электроэнергии — выбор правильных металлов

В Quest-Tech мы используем различные сорта углерода, нержавеющей стали, алюминия, латуни и меди, и у нас есть производственные мощности для удовлетворения ваших производственных потребностей под одной крышей. Хотя все металлы (и некоторые металлические сплавы) в определенной степени проводят электричество, некоторые из них обладают большей проводимостью, чем другие.

Серебро

Лучшим проводником электричества является чистое серебро, но неудивительно, что это не один из наиболее часто используемых металлов для проведения электричества.

Широкое использование чистого серебра имеет несколько недостатков. Во-первых, он имеет тенденцию к потускнению при использовании, что вызывает проблемы, связанные со «скин-эффектом», то есть неравномерным распределением тока, которое может возникать по токам высокой частоты. Второй недостаток является наиболее очевидным — прокладывать серебряную проволоку через здание слишком дорого — гораздо дороже, чем алюминий или медь.

Медь

Медь — один из наиболее часто используемых металлов для проведения электричества. Медь пластична, ее легко наматывать или паять, что делает ее лучшим выбором, когда требуется большое количество проводов. Основная электрическая функция меди связана с передачей электроэнергии и выработкой электроэнергии. Он используется в двигателях, генераторах, трансформаторах и втулках. При правильной установке это самый безопасный и эффективный металл для производства электроэнергии.

Медь обычно используется в качестве эффективного проводника в бытовых приборах и в электрическом оборудовании в целом.Из-за низкой стоимости большинство проводов имеют медное покрытие. Часто можно встретить сердечники электромагнитов, обычно обмотанные медной проволокой. Медь также используется в микроэлектронных проводниках, электрических цепях и микропроцессорах из-за ее высокой проводимости и низкого сопротивления джоулевому нагреву. Он также используется в мобильных телефонах, телевизорах и компьютерах.

Алюминий

Алюминий — еще один металл, известный своей высокой проводимостью электричества. Хотя по объему его проводимость составляет всего 60% от меди, по весу один фунт алюминия имеет пропускную способность по электрическому току, равную двум фунтам меди.Это делает его очень экономичным материалом, и по этой причине он все чаще заменяет медь в некоторых приложениях, связанных с электричеством.

Алюминий используется в линиях электропередач на большие расстояния, при передаче и распределении электроэнергии высокого напряжения в коммунальных сетях; а в зоне обслуживания — служебный вход и механизмы подачи проволоки. Его плотность и исключительно низкая стоимость делают его очень разумным выбором для многих крупных электрических приложений, таких как электрические силовые кабели, электрические разъемы и даже электрические контакты выключателя.Алюминий часто используется в спутниковых антеннах.

Золото

Золото

также известно своей высокой проводимостью, но из-за своей стоимости оно используется только в умеренных количествах. Микрочипы могут иметь золотые провода для соединений, и там, где приложения требуют высокой стойкости к окислению и коррозии наряду с высокой проводимостью, используется очень тонкое золотое покрытие.

Когда дело доходит до металлических сплавов, их физические свойства могут улучшить основной металл в таких областях, как прочность, долговечность, устойчивость к условиям окружающей среды и электрические применения.

Например, латунь — сплав меди — также используется для проведения электричества. Его получают путем добавления примерно 30% цинка к чистой меди. Хотя электрическая проводимость и теплопроводность латунного сплава составляет всего 28% от меди, его немагнитные свойства делают его идеальным для электрических и электронных клемм и соединителей.

Нержавеющая сталь

Нержавеющая сталь разных сортов, хотя и не известна своей электропроводностью, находит важное применение в электротехнике.Типы 304 и 316 являются наиболее распространенными марками, используемыми в электротехнической промышленности из-за их превосходной устойчивости к коррозии. Электрические шкафы для настенного и напольного монтажа, а также отдельно стоящие распределительные коробки изготавливаются из нержавеющей стали.

Quest-Tech знает, что выбор подходящего металла для работы может иметь решающее значение, будь то электричество или другие требования. Мы специализируемся на производстве металлических компонентов и сборочных конструкций, и мы готовы ответить на любые ваши вопросы и помочь вам принять правильное решение.Хотите использовать Quest-Tech для своего следующего проекта? Свяжитесь с нами сегодня!

Преимущества алюминия как проводящего материала

Медь или алюминий? Выбор токопроводящих металлов для различных отраслей и областей применения может оказаться сложной задачей. Медь стала стандартом для кабелей и проводов из-за ее превосходной проводимости и пластичности. Однако он относительно тяжелый и дорогой по сравнению с алюминием. Переход на алюминий, который легче и значительно дешевле меди, во многих случаях является жизнеспособным вариантом.Успешное использование алюминия — это вопрос понимания возможностей этого проводящего металла и того, как решать проблемы, которые он создает. Медь обычно более чем в два раза дороже алюминия. Эта значительная разница в цене объясняется большей доступностью сырого алюминия по сравнению с медью. После кислорода и кремния алюминий является третьим по распространенности элементом в верхней коре Земли, а медь занимает 25-е место по доступности в списке сырья. Оценка текущих цен дополнительно подкрепляется волатильностью рынка сырья.Колебания алюминия не такие изменчивые, как у меди, что позволяет лучше планировать материалы.

Если алюминий используется в качестве материала проводника, его более низкая проводимость требует размера провода, который примерно на треть больше, чем у медного провода. Однако в конечном итоге изолирующий материал, используемый с проводом, играет решающую роль в рабочих характеристиках; алюминиевый провод может обладать той же допустимой нагрузкой по току, что и медный провод H07RN-F. Большой размер алюминиевых проводов был бы недостатком только в тех случаях, когда требуются узкие промежутки, например, при установке в плотно упакованных шкафах управления.Когда речь идет о весе, факты об алюминии говорят сами за себя. В качестве сырья алюминий примерно на 70% легче меди. Это может быть полезно в многочисленных областях применения, стремящихся снизить вес всех компонентов. Естественно, что при использовании в электрических кабелях меньший вес упрощает их установку. Высоковольтные кабели издавна производятся из алюминия; меньший вес значительно снижает растягивающее усилие на трос и мачты.Но даже такие отрасли, как автомобилестроение и аэрокосмическая промышленность, переходят на алюминиевую проволоку. Все жгуты проводов в Airbus A380 уже сделаны из алюминия. Алюминиевые провода могут быть на 60% легче медных при сопоставимой токонесущей способности. Даже для приложений, требующих гибких кабельных соединений, медь не всегда должна быть первым выбором. Серия HELUWIND® WK POWERLINE ALU предлагает широкий выбор кабелей с тонкой разводкой и соединительных устройств.

Для получения дополнительной информации о HELUKABEL WK POWERLINE ALU посетите https: // www.