Реферат: Проводниковые материалы

Рис. 3-1. Зависимость полного сечения сталеалюминиевого провода марки АС (кривая 1), сечения стального сердечника (кривая 2) и активного электрического сопротивления (при частоте 50 Гц) единицы длины провода (кривая 3) от внешнего диаметра провода D

Сталеалюминиевый провод, широко применяемый в линиях электропередачи, представляют собой сердечник, свитый и из стальных жил и обвитый снаружи алюминиевой проволокой. В проводах такого типа механическая прочность определяется глав­ным образом стальным сердечником, а электрическая проводимость — алюминием. Увеличенный наружный диаметр сталеалюминиевого провода по сравнению с медным на линиях передачи высокого на­пряжения является преимуществом, так как уменьшается опасность возникновения короны вследствие снижения напряженности электри­ческого поля на поверхности провода. На рис. 3-1 приведены не­которые характеристики сталеалюминиевого провода марки АС.

Железо (сталь) как наиболее дешевый и доступный металл, обладающий к тому же высокой механической прочностью, представ­ляет большой интерес для использования в качестве проводникового материала. Однако даже чистое железо имеет значительно более вы­сокое сравнительно с медью и алюминием удельное сопротивление r (около 0,1 мкОм-м); значение r стали, т. е. железа с примесью угле­рода и других элементов, еще выше.

При пер еменном токе в стали как в ферромагнитном материале заметно сказывается поверхностный эффект, поэтому в соответствии с известными законами электротехники активное сопротивление стальных проводников переменному току выше, чем постоянному току. Кроме того, при переменном токе в стальных проводниках появляются потери мощности на гистерезис. В качестве проводни­кового материала обычно применяется мягкая сталь с содержанием углерода 0,10—0,15 %, имеющая предел прочности при растяжении s_р =700—750 МПа, относительное удлинение перед разрывом Dl /l = 5 —8 % и удельную проводимость g , в б—7 раз меньшую по сравнению с медью. Такую сталь используют в качестве материала для проводов воздушных линий при передаче небольших мощностей. В подобных случаях применение стали может оказаться достаточновыгодным, так как при малой силе тока сечение провода определя­ется не электрическим сопротивлением, а его механической проч­ностью.

Сталь как проводниковый материал используется также в виде шин, рельсов трамваев, электрических железных дорог (включая «третий рельс» метро) и пр. Для сердечников сталеалюминиевых про­водов воздушных линий электропередачи (см. выше) применяется особо прочная стальняя проволока, имеющая а_р =1200—1500 МПа и Dl /l = 4—5 %. Обычная сталь обладает малой стойкостью к кор­розии: даже при нормальной температуре, особенно в условиях по­вышенной влажности, она быстро ржавеет; при повышении темпера­туры скорость коррозии резко возрастает. Поэтому поверхность стальных проводов должна быть защищена слоем более стойкого материала. Обычно для этой цели применяют покрытие цинком. Не­прерывность слоя цинка проверяется опусканием образца провода в 20 %-ный раствор медного купороса; при этом на обнаженной стали в местах дефектов оцинковки откладывается медь в виде красных пятен, заметных на общем сероватом фоне оцинкованной поверх­ности провода. Железо имеет высокий температурный коэффициент удельного сопротивления. Поэтому тон­кую железную проволоку, помещенную для защиты от окисления в баллон, заполненный водородом или иным химическим неактивным газом, можно применять в бареттерах, т. е. в приборах, использу­ющих зависимость сопротивления от силы тока, нагревающего по­мещенную в них проволочку, для поддержания постоянства силы тока при колебаниях напряжения.

Биметалл. В некоторых случаях для уменьшения расходов цвет­ных металлов в проводниковых конструкциях выгодно приме­нять так называемый проводниковый биметалл. Это сталь, покрытая снаружи слоем меди, причем оба металла соединены друг с другом прочно и непрерывно по всей поверхности их соприкосновения. Для изготовления биметалла применяют два способа: горячий (стальную болванку ставят в форму, а промежуток между болванкой и стенками формы заливают расплавленной медью; полученную после охлаждения биметаллическую болванку подвергают прокатке и про­тяжке) и холодный, или электролитический . Холодный способ обеспечивает равномер­ность толщины медного покрытия, но требует значительного расхода электроэнергии; кроме того, при холодном способе не обеспечива­ется столь прочное сцепление слоя меди со сталью, как при горячем способе.

Рис. 3-2. Слои десятикратного ослабления для различных материалов в зависи­мости от энергии квантов излучения

Биметалл имеет механические и электрические свойства, проме­жуточные между свойствами сплошного медного и сплошного сталь­ного проводника того же сечения; прочность биметалла больше, чем меди, но электрическая проводимость меньше. Расположение меди в наружном слое, а стали внутри конструкции, а не наоборот, весьма важно: с одной стороны, при переменном токе достигается более высокая проводимость всего провода, в целом, с другой — медь защищает расположенную под ней сталь от коррозии. Биметалличе­ская проволока выпускается наружным диаметром от 1 до 4 мм содержанием меди не менее 50 % полной массы проволоки. Значе­ние Стр (из расчета на полное сечение проволоки) должно быть не менее 550—700 МПа, а Dl /l не более 2 %. Сопротивление 1 км би­металлической проволоки постоянному току (при 20 °С) в зависимости от диаметра от 60 (при 1 мм) до 4 Ом/км (при 4 мм).

Такую проволоку применяют для линий связи, линий электро­передачи и т. п. Из проводникового биметалла изготовляются шины для распределительных устройств, полосы для рубильников и раз­личные токопроводящие части электрических аппаратов.

Защитные свойства стали от излучений высокой энергии приведены на рис. 3-2.

4. Сверхпроводники и криопроводники

В 1911 г. нидерландский физик X. Камерлинг-Оннес, неза­долго перед тем (в 1908 г.) впервые получивший жидкий гелий (ге­лий был последним газом, который до того еще не удавалось пере­вести в жидкое состояние), исследовал электропроводность металлов при «гелиевых» температурах (температура сжижения гелия при нормальном давлении около 4,2 К; еще более низкие температуры могут быть получены при испарении жидкого гелия). При этом Ка­мерлинг-Оннес сделал поразительное открытие: он обнаружил, что при охлаждении до температуры, примерно равной температуре сжи­жения гелия, сопротивление кольца из замороженной ртути вне­запно, резким скачком падает до чрезвычайно малого, не подда­ющегося измерению, значения.

Такое явление, т. е. наличие у вещества практически бесконечной удельной проводимости, было названо сверхпроводимостью, тем­пература Т_с , при охлаждении до которой вещество переходит в сверхнроводящее состояние, — температурой сверхпроводящего пе­рехода, а вещества, переходящие в сверхпроводящие состояние, — сверхпроводниками.

Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым; при повышении температуры до значения Т_с сверхпроводимость наруша­ется и вещество переходит в нормальное состояние с конечным зна­чением удельной проводимости g .

Рис. 4-1. Общий вид диаграммы состояния сверхпроводника первого рода

В настоящее время известно уже 35 сверхпроводниковых металлов и более тысячи сверхпроводниковых сплавов и химических соеди­нений различных элементов. В то же время многие вещества, в том числе и такие, обладающие весьма малыми значениями r при нормаль­ной температуре металлы, как серебро, медь, золото, платина и другие, при наиболее низких достигнутых в настоящее время температурах (около милликельвина) перевести в сверхпроводящее состояние не удалось.

Явление сверхпроводимости связано с тем, что электрический ток, однажды наведенный в сверх проводящем контуре, будет дли­тельно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы, и притом без всякого подвода энергии извне (конечно, если не учитывать неизбежного расхода энергии на работу охлаждающего устройства, которое должно поддерживать температуру сверхпроводящего контура ниже значения Т_с , харак­терного для данного сверхпроводникового материала); такой сверхпроводящий контур создает в окружающем пространстве магнитное поле, подобно постоянному магниту. Поэтому обтекаемый электри­ческим током сверх проводящий соленоид должен представлять собой сверхпроводниковый электромагнит, не требующий питания от ис­точника тока. Однако первоначальные попытки изготовить практи­чески пригодный сверхпроводниковый электромагнит, создающий в окружающем пространстве магнитное поле с достаточно высокими напряженностью Н и магнитной индукцией В, закончились неуда­чей. Оказалось, что сверхпроводимость нарушается не только при повышении температуры до значений, превышающих Т_с , но и при возникновении на поверхности сверхпроводника магнитного поля с магнитной индукцией, превышающей индукцию перехода В₀ (в первом приближении, по крайней мере для чистых сверхпроводниковых металлов, безразлично, создается ли индукция В_с током, идущим по самому сверхпроводнику, или же сторонним источником магнитного поля). Это поясняется диаграммой состояния сверх­проводника, изображенной на рис. 4-1. Каждому значению тем­пературы Т данного материала, находящегося в сверх проводящем состоянии, соответствует свое значение индукции перехода В_с . Наибольшая возможная температура перехода Т_с (критическая температура) данного сверхпровод­никового материала достигается при ничтожно малой магнитной индукции, т. е. для сверхпроводни­кового электромагнита — при весьма малой силе тока, идущего через обмотку этого электромагнита. Соответственно и наибольшее возможное значение В_с0 магнитной индукции перехода (критическая магнитная индукция) соответствует температуре сверхпроводника, ничтожно отличающейся от нуля Кельвина.

Рис. 4-2. Диаграммы состояния сверхпроводника II рода — станнида ниобия Nb₃ Sn (кривые 1 и 2) и сверхпроводника I рода — свинца РЬ (кривая 3)

В 50-х годах нашего столетия были открыты новые сверхпровод­ники, представляющие собой уже не чистые металлы, а сплавы или химические соединения. Эти сверхпроводники в отличие от чистых сверх проводниковых металлов (сверхпроводников I рода), названные сверхпроводниками II рода, обладают рядом особенностей. Переход из нормального в сверх проводящее состояние при охлаждении у них происходит не скачком (как у сверхпроводников I рода), а постепенно; у них существует промежуточное состояние между нижним В_С1 и верхним B_С2 значениями критической магнитной индукции перехода для значений температур Т < T_С0 . В промежуточном состоянии сверхпроводимость при постоянном на­пряжении сохраняется, т. е. r = 0, но относительная маг­нитная проницаемость сверхпроводника m_r > 0; при воздействии на сверхпроводник переменного напряже?