Металеві провідникові матеріали являються речовинами полікристалічної будови, тобто вони створені із багатьох дрібних кристалів. Більшість металевих провідників (срібло, мідь, алюміній і ін.) володіють великою провідністю. Вони мають малу величину питомого електричного опору: ρ = 0,0150 ÷ 0,0283 мк Ом·м. Це переважно чисті метали, які йдуть для виготовлення дротів і кабелей. Разом з провідниками великої провідності потрібні також провідникові матеріали з великим питомим опором ρ = 0,4 ÷ 2,0 мк Ом·м. Ці провідникові матеріали йдуть для виготовлення зразкових опорів, резисторів, нагрівальних приладів і ін. Всі металеві провідникові матеріали володіють електронною електропровідністю, тобто струм провідності в них є направленим переміщенням вільних електронів.
Із зростанням температури електричний опір металевих провідників зростає. Це пояснюється тим, що із зростанням температури теплові коливання атомів провідника стають інтенсивнішими. Електрони, що при цьому переміщаються в провіднику, все частіше стикаються з атомами, зустрічаючи опір на шляху свого переміщення. Через це температурний коефіцієнт питомого опору у всіх провідників більше нуля.
Найважливіші провідникові матеріали з великою провідністю — мідь, бронза, алюміній.
Провідникова мідь є очищеним від різних домішок металом червонувато-оранжевого кольору з температурою плавлення 1083 °С і температурним коефіцієнтом лінійного розширення, рівним 17·10 1/°С. Мідь володіє хорошими механічними властивостями, а також пластичністю. Це дозволяє одержувати з міді дріт діаметром до 0,03 — 0,01 мм, а також тонкі стрічки. Провідникова мідь дуже стійка до атмосферної корозії, цьому сприяє тонкий шар оксиду (СuО), яким мідь покривається на повітрі. Захисний шар оксиду перешкоджає подальшому проникненню кисню повітря до міді.
Вітчизняна промисловість випускає провідникову мідь шести марок з різним ступенем чистоти. Домішками в міді є: вісмут, сурма, залізо, свинець, олово, цинк, нікель, фосфор, сірка, миш'як і кисень. У найчистішого сорту провідникової міді (марка МООб) сума всіх домішок не перевершує 0,01 %. Для виготовлення проводникових виробів (обмотувальні і монтажні дроти і кабелі) застосовують сорти провідникової міді із змістом домішок не більш 0,05 — 0,1 %. Мідний дріт виготовляють круглого і прямокутного перетину. Круглий дріт випускають діаметром від 0,02 до 10 мм. Менша сторона а дроту (шин) прямокутного перетину знаходиться в межах від 0,8 до 4 мм, а велика сторона Ь — від 2 до 30 мм. Мідний дріт виготовляють з м'якої, тобто отожженной при оптимальній температурі (марка ММ) і твердій неотожженной (марка МТ) міді.
У виробів з м'якої міді основні характеристики наступні: густина 8900 кг/м3; руйнуюча напруга при розтягуванні σр = (20 - 27)-10 Н/м; ρ = 0,0172 ÷ 0,01724 мк Ом-м. У виробів з твердої міді: густина 8960 кг/м3, σр = (35 - 44)-10 Н/м; ρ = 0,0177 ÷ 0,0180 мк Ом-м.
Дріт меншого діаметру володіє великою руйнуючою напругою при розтягуванні і великими значеннями питомого електричного опору. Для дротів дуже малого діаметру (0,01 мм) і призначених для роботи при підвищених температурах (вище 300 °C) застосовують дріт, виготовлений з безкисневої міді, відмінною щонайвищою чистотою. Температурний коефіцієнт питомого опору ТК р = 0,0043 1/°С для всіх марок міді.
Бронза — сплави на основі міді, відмінні малою об'ємною усадкою при литві виробів. Об'ємна усадка у бронзи 0,6 — 0,8%, тоді як усадка у сталі і чавуну — 1,5-2,5%.
Основні типи бронзи є сплавами міді з оловом (олов'яна бронза), алюмінієм (алюмінієві), берилієм (берилієві) і іншими легуючими елементами. Марки бронзи позначаються буквами Бр. (бронза), за якими слідують букви і цифри, що показують, які легують елементи і в якій кількості містяться в даній бронзі.
Бронза добре обробляється різанням, тиском і добре паяються. З них виготовляють стрічки і дріт; з яких виробляють пружинячі контакти, струмопровідні пружини і інші струмопровідні і конструкційні деталі.
Для зміцнення бронзових деталей виробляють їх термічну обробку: гарт, а потім відпустку при оптимальних температурах.
Відносно електропровідності бронза поступається міддю, але перевершує її по механічній міцності, пружності, опору стиранню і корозійній стійкості.
З провідникової бронзи виготовляють дроти для ліній електричного транспорту, пластини для колекторів електричних машин, струмопровідні пружини і контактні пружні деталі для електричних приладів.
Алюміній є другим після міді провідниковим матеріалом дякуючи йому порівняно великій провідності і стійкості до атмосферної корозії. Алюміній відноситься до групи легких металів, оскільки його густина 2700 кг/м тобто він в 3,3 рази легший за мідь. Алюміній — метал сріблясто-білого кольору з температурою плавлення 658 °С, відмінний малою твердістю і порівняльно невеликою механічною міцністю при розтягуванні (7,5 ÷18) ·10 Н/м, крім того, алюміній має збільшеним в порівнянні з міддю температурний коефіцієнт лінійного розширення (24·10 1/°С), що є недоліком алюмінію.
На повітрі алюміній дуже швидко покривається тонкою плівкою оксиду (А1 2Оз), який надійно захищає його від проникнення кисню повітря. В той же час ця плівка володіє значним електричним опором. Тому в погано зачищених місцях з'єднань алюмінієвих дротів можуть бути великі перехідні опори.
При зволоженні місць з'єднання алюмінієвих дротів з дротами з інших металів можуть утворитися гальванічні пари. При цьому алюмінієвий дріт руйнуватиметься виникаючими місцевими гальванічними струмами. Щоб уникнути утворення гальванічних пар, місця з'єднань ретельно захищають від вологи (наприклад, лакуванням). Чим вища хімічна чистота алюмінію, тим краще він чинить опір корозії.
Вітчизняна промисловість випускає провідниковий алюміній 13 марок з різним ступенем чистоти. У марках алюмінія особливої чистоти домішок (залізо, кремній, цинк, титан і мідь) міститься не більш 0,005 %. З цих сортів алюмінія виготовляють електроди електролітичних конденсаторів, а також алюмінієву фольгу. Дріт для проводів виготовляють з алюмінію, що містить не більш 0,3 і 0,5% (маркі А7Е і А5Е). Випускають м'який (АМ), напівтвердий (АПТ) і твердий (АТ) алюмінієвий дріт діаметром від 0,08 до 10 мм і шини прямокутного перерізу.
Вироби з м'якого алюмінію мають наступні характеристики :
σр = (8 ÷ 10) ·10 н/м; р = 0,028 мк Ом ·м;
вироби з напівтвердого алюмінію:
σр =(9,0 ÷ 14) ·10 н/м; ρ = 0,0283 мк Ом ·м;
вироби з твердого алюмінію:
σр = (10 ÷ 18) ·10 н/м; ρ = 0,0283 мк Ом ·м.
Температурний коефіцієнт питомого противлення для всіх марок алюмінію приймається рівним 0,00423 1/°С.
Алюмінієві дроти і струмопровідні деталі можна з´єднувати один з одним гарячою або холодною зваркою, а шкжс паянням, але із застосуванням спеціальних припоїв і флюсів. Холодну зварку виробляють в спеціальних пристроях, у котрих зачищені поверхні алюмінієвих деталей стикаються один з одним при тиску приблизно 1000·10 н/м. При цьому відбувається дифузія кристалів із однієї деталі, що сполучається, в іншу, внаслідок чого деталі надійно з'єднуються один з одним. Листовий алюміній широко застосовується для екранів.
Срібло відноситься до групи благородних металів, що не окислюються на повітрі при кімнатній температурі. Інтенсивне окислення срібла починається при температурі від 200 °С і вище. Так само як всі благородні метали, срібло відрізняється високою пластичністю, що дозволяє одержувати фольгу і дріт діаметром до 0,01 мм. Крім того, срібло відрізняється щонайвищою провідністю.
Основні характеристики провідникового срібла наступні: густина 10500 кг/м; температура плавлення 960,5 °С;
виробів з м'якого срібла: σр = (15 ÷ 18)·10 н/м ; ρ = 0,015 мк Ом·м;
виробів з твердого срібла; σр = (2030)·10 н/м; ρ = 0,0158 мк Ом·м; ТКр= 0,00369 1/°С.
В порівнянні з міддю і алюмінієм срібло знаходить обмежене застосування: у сплавах з міддю, нікелем або кадмієм — для контактів в реле і в інших приладах на невеликі струми, а також в припоях ПСр-10; ПСр-25 і ін.
Вольфрам відноситься до групи тугоплавких металів, широко застосовується в електротехнічному виробництві як зносостійкий матеріал для електричних контактів і для деталей в електровакуумних приладах (нитки ламп розжарювання, електроди і ін.).
Вольфрам — метал сірого кольору з дуже високою температурою плавлення і великою твердістю. Вольфрам одержують методом порошкової металургії, тобто в результаті спеканія спресованих частинок металу. Для цього з частинок вольфраму (порошку) пресуванням в сталевих прес-формах одержують заготівки — стрижні. Потім їх піддають спеканію при температурі 1300 °С. У спечених вольфрамових стрижнів спостерігається ще зерниста будова, і вони володіють крихкістю. Потім вольфрамові стрижні нагрівають до температури 3000 °С. Для отримання механічно міцного металу стрижні піддають багатократному куванню і волочінню з переміжними періодами відпалу. В результаті такої обробки вольфрам придбаває волоконну будову, що забезпечує йому високу механічну міцність і пластичність. З вольфраму виготовляють дріт діаметром до 0,01 мм. Окислення вольфраму на повітрі починається при температурі від 400 °С і вище. У вакуумі вольфрамові деталі можуть працювати при температурах до 2000 °С.
Основні характеристики вольфраму наступні: густина 19300 кг/м; температура плавлення 3380 °С;
у виробу з обпаленого вольфраму: σр = (5 ÷ 8)·10 Н/м; ρ = 0,0503 мк Ом·м;
у виробів з твердого вольфраму; σр = 18·10 Н/м; ρ = 0,0612 мк Ом·м.
Температурний коефіцієнт опору ТК р = 0,0046 1/°С.
Питання для перевірки знань
Назвіть основну властивість провідникових матеріалів з малим питомим опором.
Назвіть основні провідникові матеріали з малим питомим опором.
3. Назвіть галузь застосування провідникових матеріалів з малим питомим опором.