Мідь: електропровідність, властивості, особливості та застосування

У багатьох галузях сучасної промисловості дуже широко використовується такий матеріал, як мідь. Електропровідність у цього металу дуже висока. Цим і пояснюється доцільність його застосування насамперед в електротехніці. З міді виходять провідники з відмінними експлуатаційними характеристиками. Звичайно ж, використовується цей метал не тільки в електротехніці, але і в інших галузях промисловості. Пояснюється його затребуваність у тому числі і такими його якостями, як стійкість до корозійних руйнувань в ряді агресивних середовищ, тугоплавкість, пластичність і т. д.

Історична довідка

Мідь є металом, відомим людині з глибокої давнини. Пояснюється раннє знайомство людей з ці матеріалом насамперед його широкою поширеністю в природі у вигляді самородків. Багато вчених вважають, що саме мідь була першим металом, відновленими людиною з кисневих сполук. Коли-то гірські породи просто нагрівали на вогні і різко охолоджували, в результаті чого вони розтріскувалися. Пізніше відновлення міді почали виробляти на вогнищах з додаванням вугілля і піддувом хутром. Вдосконалення цього способу в кінцевому підсумку призвело до створення шахтної печі. Ще пізніше цей метал почали отримувати методом окисної плавки руд.

Мідь: електропровідність матеріалу

У спокійному стані всі вільні електрони будь-якого металу обертаються навколо ядра. При підключенні зовнішнього джерела впливу вони вибудовуються у певній послідовності і стають носіями струму. Ступінь здатності металу пропускати крізь себе останній і називається електропровідністю. Одиницею її вимірювання в Міжнародній СІ є сіменс, який визначається як 1 См = 1 Ом -1 .


Електропровідність міді дуже висока. За цим показником вона перевершує всі відомі на сьогодні неблагородні метали. Краще неї пропускає струм тільки срібло. Показник електропровідності міді становить 57х104 см -1 при температурі +20 °С. Завдяки такій своїй властивості цей метал на даний момент є самим поширеним провідником з усіх використовуваних у виробничих і побутових цілях. Мідь відмінно витримує постійні електричні навантаження і до того ж відрізняється надійністю і довговічністю. Крім усього іншого, цей метал характеризується високою температурою плавлення (10834 °С). А це, в свою чергу, дозволяє міді довгий час працювати в нагрітому стані. За поширеністю в якості провідника струму конкурувати з цим металом може тільки алюміній.

Вплив домішок на електропровідність міді

Звичайно ж, у наш час для виплавки цього червоного металу використовуються набагато більш досконалі методики, ніж у давнину. Однак і сьогодні отримати абсолютно чистий Cu практично неможливо. В міді завжди присутні різного роду домішки. Це можуть бути, наприклад, кремній, залізо або берилій. Між тим, чим більше домішок у міді, тим менше показник її електропровідності. Для виготовлення проводів, приміром, підходить тільки досить чистий метал. Згідно з нормативами, для цієї мети можна використовувати мідь з кількістю домішок, що не перевищує 0.1 %.
Дуже часто у цьому металі міститься певний відсоток сірки, миш'яку і сурми. Перша речовина значно знижує пластичність матеріалу. Електропровідність міді і сірки сильно розрізняється. Струм ця домішка абсолютно не проводить. Тобто є хорошим ізолятором. Однак на електропровідність міді сірка не впливає практично ніяк. Те ж саме стосується і теплопровідності. З сурмою і миш'яком спостерігається зворотна картина. Ці елементи електропровідність міді здатні значно знижувати.

Сплави

Різного роду добавки можуть використовуватися і спеціально для підвищення міцності такого пластичного матеріалу, як мідь. Електропровідність її вони також знижують. Але зате їх застосування дозволяє значно продовжити термін служби різного роду виробів. Найчастіше в якості підвищує міцність міді добавки використовується Cd (0.9 %). У результаті виходить кадмиевая бронза. Її провідність становить 90 % від провідності міді. Іноді замість кадмію в якості добавки використовують також алюміній. Провідність цього металу становить 65 % від цього ж показника міді. Для підвищення міцності дротів у вигляді добавки можуть застосовуватися і інші матеріали і речовини — свинець, фосфор, хром, берилій. У результаті виходить бронза певної марки. З'єднання міді з цинком називається латунню.

Характеристики сплавів

Залежати електропровідність металів може не тільки від кількості наявних у них домішок, але і від інших показників. Наприклад, з підвищенням температури нагріву здатність міді пропускати крізь себе струм знижується. Впливає на електропровідність такого дроту навіть спосіб її виготовлення. У побуті і на виробництві можуть використовуватися як м'які отожженние мідні провідники, так і твердотянутие. У першій різновиди здатність пропускати крізь себе струм вище. Однак найбільше впливають, звичайно ж, використовувані добавки та їх кількість на електропровідність міді. Таблиця нижче представляє читачеві вичерпну інформацію щодо здатності пропускати струм найбільш поширених сплавів цього металу.
Електропровідність мідних сплавів

Сплав



Стан (Про — відпалений, Т-твердотянутая)



Електропровідність (%)



Чиста мідь



Про



101



Т



98



Олов'яна бронза (075 %)



Про



55-60



Т



50-55



Кадмиевая бронза (0.9 %)



Про



95



Т



83-90



Алюмінієва бронза (25 % А1 2 % Sn)



Про



15-18



Т



15-18



Фосфориста бронза (7 % Sn, 01 % ?)



Про



10-15



Т



10-15

Електропровідність латуні і міді порівнянна. Однак у першого металу цей показник, звичайно ж, трохи нижче. Але при цьому він і вище, ніж у бронз. В якості провідника латунь використовується досить широко. Струм вона пропускає гірше міді, але при цьому коштує дешевше. Найчастіше з латуні роблять контакти, затискачі та різні деталі для радіоапаратури.

Мідні сплави високого опору

Такі провідникові матеріали застосовують в основному при виготовленні резисторів, реостатів, вимірювальних приладів та електронагрівальних пристроїв. Найчастіше для цієї мети використовуються мідні сплави константан і манганін. Питомий опір першого (86 % Cu, 12 % Mn, 2 % Ni) становить 042-048 мкОм/м, а другого (60 % Cu, 40 % Ni) — 048-052 мкОм/м.

Зв'язок з коефіцієнтом теплопровідності

Питома електропровідність міді - 59500000 См/м. Цей показник, як вже згадувалося, вірний, однак тільки при температурі +20 про С. Між коефіцієнтом теплопровідності будь-якого металу і питомою провідністю існує певна зв'язок. Встановлює його закон Відемана — Франца. Виконується він для металів при високих температурах і виражається такою формулою: K/? = ? 2 /3 (k/e) 2 T, де y — питома провідність, k — постійна Больцмана, e — елементарний заряд. Зрозуміло, існує такий зв'язок і в такого металу, як мідь. Теплопровідність і електропровідність у неї дуже високі. На другому місці після срібла вона знаходиться за обома цими показниками.

З'єднання мідних і алюмінієвих проводів

Останнім часом в побуті і промисловості почало використовуватися електрообладнання все більш високої потужності. У часи СРСР проводка виготовлялася в основному з дешевого алюмінію. Новим вимогам її експлуатаційні характеристики, на жаль, вже не відповідають. Тому сьогодні в побуті і в промисловості дуже часто алюмінієві дроти змінюються на мідні. Основною перевагою останніх, крім тугоплавкости, є те, що при окисному процесі їх струмопровідні властивості не зменшуються. Часто при модернізації електромереж алюмінієві та мідні дроти доводиться з'єднувати. Робити це безпосередньо не можна. Власне, електропровідність алюмінію і міді розрізняється не дуже сильно. Але тільки у самих цих металів. Окислювальні ж плівки в алюмінію і міді властивості мають неоднакові. З-за цього значно знижується провідність в місці з'єднання. Окисна плівка в алюмінію відрізняється набагато більшим опором, ніж у міді. Тому поєднання цих двох різновидів провідників має здійснюватися виключно через спеціальні перехідники. Це можуть бути, наприклад, затискачі, містять пасту, захищає метали від появи окису. Даний варіант перехідників зазвичай використовується при з'єднанні проводів на вулиці. У приміщеннях частіше застосовуються відгалужувальні стиски. В їх конструкцію входить спеціальна пластина, що виключає прямий контакт між алюмінієм і міддю. При відсутності таких провідників в побутових умовах замість скручування проводів безпосередньо рекомендується використовувати шайбу і гайку у якості проміжного «містка».

Фізичні властивості

Таким чином, ми з'ясували, яка електропровідність у міді. Цей показник може змінюватися в залежності від вхідних в склад цього металу домішок. Однак затребуваність міді в промисловості визначається і іншими її корисними фізичними властивостями, отримати інформацію про яких можна з наведеної нижче таблиці. Фізичні характеристики Cu

Параметр



Значення



Решітка



Гранецентрированная кубічна, а=36074 A



Атомний радіус



128 A



Питома теплоємність



38548 дж/(кг·К) при +20 про З



Теплопровідність



394279 вт/(м·К) при +20 про З



Електричне опір



168·10-8 Ом·м



Коефіцієнт лінійного розширення



170·10 -6



Твердість



350 Мн/м 2



Межа міцності при розтягуванні



220 Мн/м 2

Хімічні властивості

По таким характеристикам мідь, електропровідність і теплопровідність якої дуже високі, займає проміжне положення між елементами першої тріади восьмої групи і лужними першої групи таблиці Менделєєва. До основних її хімічними властивостями відносять:

схильність до комплексоутворення;

здатність давати забарвлені сполуки і нерозчинні сульфіди.

Найбільш характерним для міді є двовалентне стан. Схожості з лужними металами вона не має практично ніякого. Хімічна активність її також невелика. У присутності ЗІ 2 або ж вологи на поверхні міді утворюється зелена карбонатна плівка. Всі солі міді є отруйними речовинами. В одно - і двухвалентном стані цей метал утворює дуже стійкі комплексні сполуки. Найбільше значення для промисловості мають аміачні.

Сфера використання

Висока тепло - і електропровідність міді визначає її широке застосування в самих різних галузях промисловості. Звичайно ж, найчастіше цей метал використовується в електротехніці. Однак це далеко не єдина сфера його застосування. Крім усього іншого, мідь може використовуватися:

в ювелірній справі;

в архітектурі;

при складанні водопровідних і опалювальних систем;

в газопроводах.

Для виготовлення різного роду ювелірних виробів використовується в основному сплав міді з золотом. Це дозволяє збільшити стійкість прикрас до деформацій і стирання. В архітектурі мідь може використовуватися при облицюванні покрівель та фасадів. Основною перевагою такої обробки є довговічність. Наприклад, листами саме цього металу обшита дах широко відомої архітектурної пам'ятки — католицького собору в німецькому місті Хільдесхайм. Мідна покрівля будівлі надійно захищає його внутрішній простір ось уже майже 700 років.

Інженерні комунікації

Основними перевагами мідних водопроводів також є довговічність і надійність. Крім того, цей метал здатний надавати воді особливі унікальні властивості, роблячи її корисною для організму. Для складання газопроводів та систем опалення мідні труби підходять ідеально - в основному завдяки своїй корозійної стійкості і пластичності. При аварійному підвищенні тиску такі магістралі здатні витримувати набагато більше навантаження, ніж сталеві. Єдиним недоліком мідних трубопроводів є їх дорожнеча.