Применение металлов в электротехнике

Большинство металлов отлично проводят ток – и это их свойство как нельзя лучше подходит для электротехники. Проводниковыми материалами являются медь, алюминий, бронза, латунь. Цветные металлы обладают уникальными характеристиками, которые позволяют использовать их самым разным образом. Рассмотрим подробнее, какую роль они играют в электротехнике.

Способы применения металлов в электротехнике и электроэнергетике 

Металлы и их сплавы применяются в электротехнике повсеместно. От самых небольших деталей, нитей накаливания и контактов до крупных металлоконструкций и корпусов, без которых невозможно представить электроприборы. Рассмотрим несколько самых популярных сфер использования цветных металлов и нержавеющих сталей.

Производство проводников

Самое простое, но важное применение металлов – производство проводов, других проводников, печатных плат. Если информацию начали передавать через оптоволокно, то с обычным электричеством такую замену произвести не удается. Тут все еще активно используются провода с металлической сердцевиной. 

Кабельные и воздушные линии электропередач, а также трансформаторы и другие элементы электросети изготавливаются с помощью алюминия и меди. Алюминиевая проволока легче и дешевле, поэтому она используется, преимущественно, для прокладки проводов от электрической сети к домам и другим объектам энергопотребления. А медная катанка имеет большую прочность и более высокую электропроводность. Поэтому медные кабели и катушки в трансформаторах находятся на более важных участках электросети. 

Другими отличными проводниками являются латуни и бронзы. Они также используются для обмоток, токопроводящих шин, кабелей.

Создание постоянных магнитов

Электротехника, как и звукотехника, невозможна без магнитов. Например, они используются в приводах электродвигателей, позволяющих превращать электрическую энергию в механическую, а также в генераторах, индукторах, для создания магнитных подшипников в электроэнергетике, в бытовой электронике и проч. Производятся постоянные магниты из металлов-ферромагнетиков. То есть из таких металлов, которые сохраняют свою намагниченность. Это железо, никель, кобальт. Также добавляют некоторые редкоземельные металлы для увеличения магнитных свойств. Кобальт и никель хороши тем, что они позволяют создавать термоустойчивые магниты. 

Изготовление электрических контактов

Проводники и полупроводники для соприкосновения двух элементов электрической цепи делают из меди, алюминия, золота, серебра. Медь используется повсеместно, но она быстрее прочих металлов окисляется на открытом воздухе. У алюминия тоже появляется прочная оксидная пленка, поэтому эти металлы чаще используют внутри помещений. В то время как важные контакты для мощных электросетей делают из технического серебра или золота.

Производство корпусов для электротехнических изделий

Корпуса, экраны и радиаторы для электротехники также создаются из металлов; используется нержавеющая сталь, алюминий, медь. Листовой прокат применяется для изготовления корпуса изделия или экрана, защищая от механического воздействия, проникновения влаги, пыли, а также оберегая от электромагнитных помех и радиочастотного излучения. Радиаторы позволяют отвести тепло от компонентов электроники и снизить их нагрев.

Виды металлов в электротехнике и электроэнергетике 

Сво. сферу использования нашли практические все металлы. Те, которые имеют высокую электропроводность, стали проводниками. Ферромагнетикам нашлось применение для производства магнитов. Материалы, обладающие низкой электропроводностью и высоким сопротивлением, например, свинец или цинк, нашли применение в тепловых спиралях и изоляторах. Редкоземельные и драгоценные металлы тоже активно используются в отрасли, благодаря своим уникальным свойствам. Рассмотрим самые часто применяемые в электротехнике металлы и сплавы.

Медь

Пожалуй, медь и сплавы на ее основе – самый распространенный металл для электротехники. Выше теплопроводность только у серебра, но использовать в быту драгоценный металл было бы очень дорого. В то время как медь не только имеет хорошую электропроводность (5,96*10^7 См/м), но и отличную цену. 

Также медь имеет высокую пластичность, она легко гнется, сваривается, паяется. При деформациях у меди не теряются ее характеристики. 

Примеси в меди сильно влияют на электропроводность, поэтому для электричества используются марки с содержанием других элементов не более 6,1% – это марки М0 и М1. Мягкая отожженая медь (марка ММ) посталяется в проволоке и лентах, когда важна пластичность. Твердая медь (марка МТ), полученная путем холодной деформации, применяется, когда важна прочность.

Основной недостаток меди в том, что она недостаточно твердая и прочная. Также медь не предназначена для работы в условиях повышенной температуры. В таких случаях применяют медные сплавы – бронзу и латунь. А если нужно, чтобы медь выдерживала высокие температуры, то ее легируют серебром, магнием, кадмием и другими элементами.

Медь имеет высокую коррозийную стойкость, но быстро окисляется под воздействием кислорода. Поэтому проводам, например, важна герметичная изоляция. 

Основной медный прокат для электротехнических целей изготавливается путем прокатки и волочения. Обычно это проволока, катанка, лента и фольга. 

Бронза

Оловянные, бериллиевые и кадмиевые бронзы тоже используются для создания проводников. Они немного уступают чистой меди в электропроводности, но при этом в 2-3 раза тверже ее. Также бронзы отличаются более высокой устойчивостью к коррозии. 

Самая высокая электропроводность среди бронз у марки БрКд1 и у других кадмиевых сплавов. Показатель только на 10% ниже, чем у чистой меди. При этом прочность бронзы почти в 2,5 раза выше. Эту марку используют для создания контактов, троллейных проводов и коллекторных пластин. 

Если нужна повышенная прочность, например, для создания токоведущих пружин, то используют бронзы с присадками олова и фосфора, а также бериллиевые марки.  

У бронз отличные качества для литья, поэтому из них изготавливают литые элементы, которые используются при создании электротехнических изделий.

Латунь

У латуней электропроводность примерно на 25-50% ниже, чем у чистой меди из-за добавления цинка. Но сплав имеет высокую пластичность в сочетании с прочностью, что очень ценится при изготовлении таких деталей как роторы, щеткодержатели и другие токоведущие элементы. 

Различают однофазные и двухфазные латуни. Двухфазные – более твердые, но при этом хрупкие. Поэтому их обработка происходит, преимущественно, при нагреве. Штамповке и давлению поддаются листы и плиты. Также используется металлопрокат, изготовленный волочением и холодным прокатом: ленты, проволока.

Латуни отлично подходят для сварки и пайки при условии, что в них не содержится алюминий. Они имеют высокую коррозийную устойчивость и упругость, хорошо поддаются резке. 

Алюминий

Алюминий имеет электропроводность почти в 3 раза ниже, чем у меди. Однако этого достаточно для того, чтобы использовать металл как проводник, тем более что удельное сопротивление у него невысокое. Из алюминиевой проволоки делают провода, а также контакты и другие проводники. На поверхности алюминия быстро формируется оксидная пленка, защищающая от проникновения кислорода, других веществ и механических повреждений. Изделия из алюминия эластичные, мягкие и легкие. При этом есть и недостаток – алюминий имеет низкую температуру плавления, поэтому не используется в электротехнических приборах, связанных с повышенными температурами.

Из-за того, что алюминий не восприимчив ко многим агрессивным средам, его активно используют в условиях воздействия сероводорода и других газов. Однако при погружении в электролиты алюминий может выступать анодом и быстро покрываться коррозией. Поэтому места контакта нуждаются в герметизации. 

Также алюминий активно используют как конструкционный материал. Из него делают крупные конструкции, защитные экраны и корпуса для приборов. Алюминий хорошо отводит тепло от электроприборов, защищает от атмосферных воздействий. При этом алюминиевые корпуса легче, чем стальные.

Титан

Титан проводит электрический ток, однако хуже, чем медь, латунь, бронза или алюминий. Однако его активно используют из-за его повышенной прочности даже при условии повышенных температур. Титан устойчив к коррозии, прочен и отлично переносит жар, поэтому из него делают сетки и другие элементы приборов, которые работают при высоких температурах. Там, где медь или алюминий уже давно потеряли бы свои свойства. 

У титана очень прочная оксидная пленка – она защищает от коррозии даже в самых агрессивных средах, что также увеличивает сферы его применения. Например, он подходит для бронирования кабелей, а также для создания прочных корпусов изделий.

Вольфрам и молибден

У вольфрама отличная жаропрочность, чем обусловлено его применение в сферах, связанных с высокими температурами. Из него изготавливают нагревательные элементы, которые работают в вакууме или в агрессивных средах. Например, спирали, пластины, нити накаливания. Вольфрам имеет самую высокую точку плавления среди металлов, немного ниже – у молибдена. 

Молибден хорошо подходит для долгой работы при высоких температурах (до 1800 градусов) в условиях вакуума. Оба этих металла находят свое применение в электроэнергетике. Например, их них делают элементы ядерных реакторов.

Молибден используется чаще, потому что он пластичнее и мягче, из-за этого легче обрабатывается. Оба металла используются для изготовления нагревательных элементов промышленных электропечей, из них создаются электроды в транзисторах и интегральных схемах, детали в термопарах и терморезисторах.

Практически любой металл находит свое применение в электротехнике: от создания контактов и проводников до прочных корпусов и металлоконструкций.