Miedź: przewodnictwo elektryczne, właściwości, cechy i zastosowania
W wielu gałęziach nowoczesnego przemysłuMateriał taki jak miedź jest szeroko stosowany. Przewodność elektryczna tego metalu jest bardzo wysoka. Wyjaśnia to celowość jego zastosowania przede wszystkim w elektrotechnice. Z miedzi otrzymuje się przewodniki o doskonałej charakterystyce działania. Oczywiście metal ten jest używany nie tylko w elektrotechnice, ale także w innych gałęziach przemysłu. Jego zapotrzebowanie jest wyjaśnione, między innymi, jego właściwościami, takimi jak odporność na korozję w wielu mediach korozyjnych, ogniotrwałość, plastyczność itp.
Tło historyczne
Miedź jest metalem znanym człowiekowistarożytności. Wczesne poznanie ludzi z tym materiałem wyjaśnia przede wszystkim jego szeroko rozpowszechniony charakter w postaci bryłek. Wielu naukowców uważa, że to miedź była pierwszym metalem, człowiekiem odrestaurowanym ze związków tlenu. Pewnego razu skały były po prostu ogrzewane w ogniu i drastycznie chłodzone, powodując ich pękanie. Później odtworzenie miedzi zaczęło produkować na ogniskach z dodatkiem węgla i dmuchania futrami. Ulepszenie tej metody doprowadziło ostatecznie do powstania pieca szybowego. Jeszcze później metal ten zaczął być wytwarzany metodą oksydacyjnego wytapiania rud.
Miedź: przewodność elektryczna materiału
W stanie spokojnym wszystkie wolne elektronyjakikolwiek metal krąży wokół jądra. Podłączając zewnętrzne źródło uderzenia, są one ułożone w pewną sekwencję i stają się nośnikami prądu. Stopień zdolności metalu do przejścia przez ostatnie jest nazywany przewodnością elektryczną. Jednostką jego pomiaru w międzynarodowym SI jest Siemens, zdefiniowany jako 1 cm = 1 Ω-1.
Przewodność elektryczna miedzi jest bardzo wysoka. Na tym wskaźniku przewyższa wszystkie znane dziś metale nieszlachetne. Lepiej niż jej prąd przechodzi tylko srebro. Wskaźnik przewodności elektrycznej miedzi wynosi 57x104 cm-1 w temperaturze +20 ° C Ze względu na tę właściwość, ten metal jest obecnie najczęściej stosowanym przewodnikiem ze wszystkich wykorzystywanych do celów produkcyjnych i domowych.
Miedź doskonale wytrzymuje stałe elektryczneładunek, a poza tym jest niezawodny i trwały. Między innymi ten metal charakteryzuje się wysoką temperaturą topnienia (1083,4 ° C). A to z kolei pozwala miedzi pracować przez długi czas w stanie rozgrzanym. Ponieważ przewodzenie prądem jest prądem, tylko aluminium może konkurować z tym metalem.
Wpływ zanieczyszczeń na przewodność elektryczną miedzi
Oczywiście w naszych czasach do wytapiania tegoczerwony metal używa o wiele bardziej zaawansowanych technik niż w starożytności. Jednak nawet dzisiaj jest prawie niemożliwe uzyskanie całkowicie czystej miedzi. W miedzi zawsze występują różne rodzaje zanieczyszczeń. Może to być na przykład krzem, żelazo lub beryl. Tymczasem im więcej zanieczyszczeń w miedzi, tym niższy wskaźnik jej przewodności elektrycznej. Na przykład do produkcji drutów odpowiedni jest tylko wystarczająco czysty metal. Zgodnie z normami do tego celu można wykorzystać miedź z ilością zanieczyszczeń nie przekraczającą 0,1%.
Bardzo często ten metal zawierapewien procent siarki, arsenu i antymonu. Pierwsza substancja znacząco zmniejsza plastyczność materiału. Przewodność elektryczna miedzi i siarki znacznie się różni. Ta nieczystość w ogóle nie przewodzi prądu. Oznacza to, że jest to dobry izolator. Jednak przewodnictwo elektryczne siarki miedzianej nie ma wpływu na prawie wszystko. To samo dotyczy przewodnictwa cieplnego. W przypadku antymonu i arsenu obserwuje się odwrotny obraz. Te elementy przewodności miedzi mogą znacznie zmniejszyć.
Stopy
Można stosować różne rodzaje dodatków izwłaszcza w celu zwiększenia wytrzymałości takiego plastycznego materiału jak miedź. Zmniejszają również przewodność elektryczną. Ale ich użycie pozwala znacznie przedłużyć żywotność różnych produktów.
Najczęściej jako miedź wzmacniająca siłęstosowane dodatki Cd (0,9%). Rezultatem jest brąz kadmu. Jego przewodność wynosi 90% przewodnictwa miedzi. Czasami zamiast kadmu aluminium jest również stosowane jako dodatek. Konduktywność tego metalu wynosi 65% tego samego wskaźnika miedzi. Aby poprawić wytrzymałość drutów w postaci dodatków, można stosować inne materiały i substancje, takie jak cyna, fosfor, chrom, beryl. Rezultatem jest brąz z pewnej marki. Połączenie miedzi z cynkiem nazywa się mosiądzem.
Właściwości stopu
Przewodność elektryczna metali nie może zależeć odtylko na ilość obecnych w nich zanieczyszczeń, ale także na innych wskaźnikach. Na przykład przy wzroście temperatury ogrzewania zmniejsza się zdolność miedzi do przechodzenia przez prąd. Nawet sposób jego wytwarzania wpływa na przewodność elektryczną takiego drutu. W życiu codziennym i produkcyjnym można stosować zarówno miedziane miedziane wyżarzane miękko jak i miedzi ciągnione na stałe. U pierwszego gatunku zdolność do przejścia przez prąd jest wyższa.
Jednak, przede wszystkim,zastosowane dodatki i ich ilość na przewodność elektryczną miedzi. Poniższa tabela przedstawia czytelnikowi wyczerpującą informację na temat zdolności przekazywania prądu do najpopularniejszych stopów tego metalu.
Stop | Stan (O - wyżarzony, utwardzany T) | Przewodność elektryczna (%) |
Czysta miedź | O mnie | 101 |
T | 98 | |
Brąz cyny (0,75%) | O mnie | 55-60 |
T | 50-55 | |
Brąz kadmu (0,9%) | O mnie | 95 |
T | 83-90 | |
Brąz aluminiowy (2,5% A1, 2% Sn) | O mnie | 15-18 |
T | 15-18 | |
Brąz fosforowy (7% Sn, 0,1% P) | O mnie | 10-15 |
T | 10-15 |
Przewodność elektryczna mosiądzu i miedzi jest porównywalna. Jednak w przypadku pierwszego metalu liczba ta jest oczywiście nieco niższa. Ale jednocześnie jest wyższa niż w brązie. Jako przewodnik mosiądz jest używany dość szeroko. Przekazuje prąd gorszy od miedzi, ale kosztuje mniej. Najczęściej mosiężne kontakty, zaciski i różne części do urządzeń radiowych.
Stopy miedzi o wysokiej wytrzymałości
Takie materiały przewodzące są stosowane wgłównie w produkcji rezystorów, reostatek, przyrządów pomiarowych i elektrycznych urządzeń grzewczych. Najczęściej stosuje się do tego celu stopy miedzi ze sta- tusu i manganiny. Rezystywność pierwszego (86% miedzi, 12% Mn, 2% Ni) jest 0.42-0.48 micromhos / m, a druga (60% miedzi, 40% Ni) - 0.48-0.52 micromhos / m.
Związek ze współczynnikiem przewodności cieplnej
Konkretne przewodnictwo elektryczne miedzi wynosi 59 500 000 S / m. Ten wskaźnik, jak już wspomniano, jest poprawny, ale tylko w temperaturze +20 oC. Istnieje pewna zależność pomiędzy współczynnikiem przewodności cieplnej dowolnego metalu i przewodnością. Ustanawia prawo Wiedemann-Franz. Wykonuje się go dla metali w wysokich temperaturach i wyraża się w następującym wzorze: K / γ = π2 / 3 (k / e)2T, gdzie y jest przewodnictwem, k jest stałą Boltzmanna, a e jest ładunkiem elementarnym.
Oczywiście istnieje podobne połączenie z metalem, na przykład z miedzią. Przewodność cieplna i przewodnictwo elektryczne są bardzo wysokie. Na drugim miejscu po srebrze znajduje się na obu tych wskaźnikach.
Połączenie przewodów miedzianych i aluminiowych
Ostatnio w życiu codziennym i przemyśle, na początkuUżywane urządzenia elektryczne o coraz wyższej mocy. W czasach radzieckich okablowanie było wykonane głównie z taniego aluminium. Niestety jego charakterystyka działania nie odpowiada nowym wymaganiom. Dlatego dziś w życiu codziennym iw przemyśle bardzo często druty aluminiowe są zamieniane na miedziane. Główną zaletą tego ostatniego, oprócz ogniotrwałości, jest to, że ich właściwości przewodzące nie zmniejszają się w procesie utleniania.
Często przy modernizacji sieci elektrycznych, aluminium iprzewody miedziane muszą być połączone. Nie możesz tego zrobić bezpośrednio. W rzeczywistości przewodność elektryczna aluminium i miedzi nie jest bardzo różna. Ale same tylko metale. Filmy utleniające o właściwościach aluminium i miedzi nie są takie same. Z tego powodu przewodnictwo na skrzyżowaniu jest znacznie zmniejszone. Folia tlenkowa w aluminium jest znacznie bardziej odporna niż miedź. Dlatego połączenia tych dwóch rodzajów przewodów muszą być wykonane wyłącznie za pomocą specjalnych adapterów. Mogą to być na przykład zaciski zawierające pastę, która chroni metale przed pojawieniem się tlenku. Ta wersja adapterów jest zwykle używana podczas łączenia przewodów na ulicy. W pomieszczeniach często stosuje się zaciski rozgałęźne. Ich konstrukcja obejmuje specjalną płytę, która eliminuje bezpośredni kontakt aluminium z miedzią. W przypadku braku takich przewodów w domu, zamiast skręcania przewodów, zaleca się stosowanie podkładki i nakrętki jako pośredniego "mostka".
Właściwości fizyczne
W ten sposób dowiedzieliśmy się, któreprzewodnictwo elektryczne w miedzi. Wskaźnik ten może się różnić w zależności od zanieczyszczeń zawartych w składzie tego metalu. Jednak popyt na miedź w przemyśle jest określony przez jego inne użyteczne właściwości fizyczne, o których można uzyskać z poniższej tabeli.
Parametr | Znaczenie |
Krata | Sześcienny element centralny, a = 3,6074 Å |
Promień atomowy | 1,28 Å |
Ciepło właściwe | 385,48 J / (kg · K) przy +20 oC |
Przewodność cieplna | 394,279 W / (m · K) przy +20 oC |
Opór elektryczny | 1,68 · 10-8 Ω · m |
Współczynnik rozszerzalności liniowej | 17,0 · 10-6 |
Twardość | 350 megawatów / m2 |
Najwyższa wytrzymałość na rozciąganie | 220 MN / m2 |
Właściwości chemiczne
Zgodnie z takimi cechami, miedź, przewodnictwo elektrycznei którego przewodność cieplna jest bardzo wysoka, zajmuje pośrednią pozycję pomiędzy elementami pierwszej triady z ósmej grupy i alkalicznymi z pierwszej grupy układu okresowego. Jego główne właściwości chemiczne obejmują:
skłonność do tworzenia kompleksów;
zdolność do nadawania barwnych związków i nierozpuszczalnych siarczków.
Najbardziej charakterystyczną cechą miedzi jest stan dwuwartościowy. Podobieństwo do metali alkalicznych, praktycznie nie ma. Jego aktywność chemiczna jest również niska. W obecności CO2 lub tworzy się wilgoć na powierzchni miedzizielona folia węglanowa. Wszystkie sole miedzi są trującymi substancjami. W stanie pojedynczym i dwuwartościowym ten metal tworzy bardzo trwałe związki kompleksowe. Najważniejsze dla branży są amoniak.
Zakres użytkowania
Wysokie przewodnictwo cieplne i elektryczne miedziokreśla jego szerokie zastosowanie w różnych branżach. Oczywiście najczęściej metal ten jest wykorzystywany w elektrotechnice. Jednak nie jest to jedyna sfera jego zastosowania. Między innymi miedź może być używana:
w branży jubilerskiej;
w architekturze;
podczas montażu instalacji wodnych i grzewczych;
w gazociągach.
Do produkcji wszelkiego rodzaju biżuteriiWykorzystywany jest głównie stop miedzi ze złotem. Pozwala to na zwiększenie odporności biżuterii na odkształcenia i ścieranie. W architekturze miedź może być stosowana do pokrywania dachów i fasad. Główną zaletą tego wykończenia jest trwałość. Na przykład dach znanego architektonicznego punktu orientacyjnego - katolicka katedra w niemieckim mieście Hildesheim - jest wyłożony arkuszami tego metalu. Miedziany dach tego budynku niezawodnie chroni jego wnętrze przez prawie 700 lat.
Komunikacja inżynieryjna
Główne zalety rur miedzianychrównież trwałość i niezawodność. Ponadto ten metal jest w stanie nadać wodzie wyjątkowe właściwości, dzięki czemu jest on użyteczny dla organizmu. Do montażu gazociągów i systemów grzewczych idealnie pasują również rury miedziane - głównie ze względu na ich odporność na korozję i ciągliwość. Przy nagłym wzroście ciśnienia takie linie wytrzymują znacznie większe obciążenie niż stal. Jedyną wadą miedzianych rurociągów jest ich wysoki koszt.
