Materiale conductoare cu inalta conductivitate electrica - cuprul, aluminiul, aurul

MATERIALE CONDUCTOARE CU INALTA CONDUCTIVITATE ELECTRICA - CUPRUL, ALUMINIUL, AURUL

In grupa materialelor conductoare se distinge o subgrupa de materiale care au o rezistivitate foarte mica ,folosite la realizarea conductoarelor de bobinaj,liniilor electrice de transport si distributie a energiei electrice si a contactoarelor electrice. Pentru diminuarea pierderilor de putere si energie electrica ,pierderi care provoaca incalzirea nedorita a elementelor de circuit strabatute de curent electric,se folosesc materiale cu rezistivitate cat mai redusa . Rezistenta electrica este direct proportionala cu rezistenta (P = p─ ) S iar pierderile de putere sunt proportionale cu rezistenta (P= PI²) deci pentru materiale cu rezistivitate mica corespund pierderi mici.

1.CUPRUL (Cu) Minereurile de cupru se gasesc in Zair,S.U.A.,U.R.S.S., Spania,Suedia,Germania,Chile si foarte putin la noi in tara, in judetele Tulcea, Caras-Severin, Alba, Bistrita-Nasaud,Suceava. In industria electrotehnica se utilizeaza exclusive cuprul electrolitic (rafinat pe cale electronica )avand o puritate de 99,60-99,90% Caraccteristicile specifice ale cuprului electrolitic sunt : - densitatea, dCu =8,9 kg/dm³; - temperatura de topire,0t Cu=1,083°C; - conductivitatea electrica, γCu = 58 m/Ωmm²(la 20°C);                  - rezistivitatea electica, ρCu =0,0172 Ωmm²/m (la 20°C); - conductivitatea termica, λCu =0,938 cal/s∙cm∙°C= 0,938∙4,1868∙10² W/m∙K (la 20°C) Ca materil conductor,cuprul prezinta mare conductivitate electrica si termica, ocupand locul al doilea printer celelalte metale (dupa argint). Se dizolva in acid sulfuric si acid azotic. Cuprul este atacat de sulf ,clor ,hidrogen ,in contact cu care capata boala hidrogenului,care ii provoaca fragilitate. Caracteristicile mecanice ale cuprului depend in mare masura de tratamentul termic.Dupa tragere la rece se obtine cuprul tare (dur) care are o rezistenta mecanica mare si o alungire mica la intindere. Din cupru tare ,supus recoacerii la temperaturei de 450-500°C, dupa racier se obtine un cupru moale ,cu rezistenta mecanica mica si alungire mare la intindere. Cuprul este foarte ductile si maleabil ,se lipeste si se sudeaza cu usurinta si are rezistenta satisfacatoare la coroziune. Datorita acestor proprietati ,cuprul are aplicatii multiple in electrotehnica si electronica:pentru conductoare de bobinaj cu diametrul incepand de la sutimi de milimetru,benzi si table de diferite dimensiuni ,bare ,tevi,piese de contact,lamele de collector la masini electrice.linii de transport a energiei electrice.redresoare cu cuproxid circuite imprimate etc. Cuprul se foloseste si in aliaje magnetice,in aliaje de mare rezistivitate si in aliaje cu rezistivitate mecanica sporita fata de cupru (alame si bronzuri).

Aliajele cuprului

Prin alierea cuprului cu alte metale se obtin materiale cu caracteristici mecanice mai bune,cu rezistenta mai mare la temperaturi ridicate, care au insa conductivitate electrica mai mica decat a cuprului nealiat.

● Alama este un aliaj al cuprului cu zincul ,avand continutul de cupru intre 50si 60%. Cand continutul de cupru in alama este mai mare de 80%,aliajul se numeste tombac .Tombacul are culoare mai roscata decat alama si o conductivitate electrica mai buna. Alamele se simbolizeaza cu Am urmat de o cifra care indica continutul in cupru.Astfel Am 63 inseamna alama care contine 63% cupru ;Am 95 inseamna tombac avand 95% cupru. Zincul din alama mareste rezistenta si plasticitatea aliajului;prin urmare alama este maleabila si ductibila ,ea putand fi turnata ,forjata,laminate la cald si rece ,obtinandu-se sub forma de tabla ,bare,sarme,tevi si diferite profiluri. Alamele sunt foarte rezistente la coroziune. Pe langa alamele obisnuite (din cupru si zinc) se folosesc si alame speciale care contin pe langa zinc si alte elemente ca :mangan,fier,aluminiu,staniu,plumb,siliciu,nichel,fosfor etc.Aceste elemente se introduc in alama,in general in detrimentul continutului de zinc. Caracteristicile electrice ,mecanice si termice ale alamelor sunt in functie de continutul elementelor componente: - aluminiul din alamele speciale mareste duritatea ,rezistenta la tractiune si rezistenta la coroziune; - siliciul mareste rezistenta la coroziune ,iar in alame turnate favorizeaza mentinerea suprafetelor curate; - staniul mareste rezistenta alamelor la coroziune ,in special in apa de mare; - fierul imbunatateste caracteristicile mecanice ,introducandu-se in alame pana la 1,5%.Peste1,5% Fe coroziunea aliajului creste simntitor ; -manganul imbunatateste ,de asemenea ,caracteristicile mecanice ,mareste rezistenta la temperaturi ridicate ,precum si rezistenta la coroziune; - nichelul,introdus indetrimentul continutului de cupru ,imbunatateste caracteristicile mecanice,rezistenta la coroziune si la temperaturi ridicate; - plumbul favorizeaza prelucrarea materialului prin aschiere ,dar inrautateste sudabilitatea aliajului; - fosforul mareste fluiditatea aliajului (deci si capacitatea de turnare ),dar scade mult conductivitatea electrica.

● Bronzul este un aliaj al cuprului cu staniul (bronz obisnuit) si al cuprului cu aluminiul,cadmiu,beriliu,crom,plumb,telur,titan,argint,zirconiumetc. (bronzuri speciale) Bronzurile se caracterizeaza prin duritate mare ,rezistenta mare la coroziune si proprietati elastice foarte bune. O Bronzul cu staniu are un continut de staniu pana la 14%.Acest aliaj are o mare elasticitate,rezistenta mare la uzura mecanica si coroziune;insa conductivitatea electrica ete sensibil scazuta. Aceste bronzuri au avantajul ca in contact cu cuprul nu prezinta coroziune electrochimica,ambele avand aproximativ acelasi potential electrochimic. Bronzul cu staniu se simbolizeaza cu Bz urmat de o cifra care indica continutul de staniu.Astfel Bz 10 inseamna bronz cu 10% staniu. Bronzurile cu staniu se folosesc pentru realizarea de arcuri,membrane,bucse,lagare etc. O Bronzul cu aluminiu are continutul de aluminiu pana la 10%.Acest aliaj are rezistenta la rupere laa tractiune dubla fata de cea a bronzului obisnuit ;de asemenea ,prezinta o rezistenta mare la coroziune. Bronzul cu aluminiu se simbolizeaza cu BzAl urmat de o cifra care indica procentul de aluminiu . Aceste bronzuri se folosesc la realizarea pieselor supuse uzurii mecanice (bucse,lagare etc) O Bronzul cu beriliu contine intre 2 si 2,5% beriliu si are caracteristici mecanice imbunatatite fara o scadere pronuntata a conductivitatii electrice. Tratat termic,capata proprietati apropriate de cele ale otelurilor de arcuri. Aceste aliaje se comporta bine pana la temperatura de 250°C si au si o rezistenta mare la oboseala. Bronzul cu beriliu poate contine si nichel ,proprietatile aliajului fiind imbunatatite in special in ceea ce priveste rezistenta la temperaturi ridicate,rezistenta la uzura ,si prezinta elesticitate dubla fata de cea a bronzului cupru-beriliu. Bronzul cupru-beriliu-nichel este feromagnetic. Bronzurile cu beriliu se intrebuinteaza pentru realizarea arcurilor conductoare de curent electric ,contactoarelor de prize ,portperiilor,cutitelor de intreruptoare,pieselor de ceasornicarie etc. O Bronzul cu cadmiu cu un continut de 0,9% cadmiu are rezistenta de rupere la tractiune aproximativ de doua ori mai mare decat cea a cuprului tare ,fara sa prezinte o scadera prea mare a conductivitatii electrice ,ceea ce il face utilizabil la realizarea conductoarelor liniilor electrice aeriene ,liniilor de trolebuz ,electrozilor pentru sudura ,contactelor intreruptoarelor. O Bronzul cu crom contine intre 0,3 si 1,5% crom,iar conductivitatea electrica ajunge pana la 80% din cea a cuprului . Isi pastreaza proprietatile mecanice pana la temperatura de 400°C. Se utilizeaza pentru conductoarele liniilor electrice de inalta tensiune ,la electrozii de sudura ,in tehnica nucleara etc. O Bronzul cu argint contine pana la 0,1% argint si are o duritate mare care se pastreaza pana la temperatura de 300°C. Acest aliaj se utilizeaza pentru realizarea lamelelor de collector ale masinilor electrice cu regimuri grele de functionare (masini de tractiune , masini destinate a functiona in mediul tropical etc.). O Bronzul cu mangan este folosit pentru produse laminate si turnate ,caracteristicile aliajului fiind mentinute si la temperaturi indicate. O Bronzul cu zirconium contine 0,1 si 0,2% zirconium si este rezistent la vibratii puternice;poate fi folosit la temperature de pana la 290°C;se utilizeaza la masini electrice pentru fabricarea inelelor de contact. 2.Aluminiul (Al) Aluminiul este cel mai raspandit metal din scoarta pamantului si se gaseste sub forma de minereuri.Minereurile cele mai importante de aluminiu sunt :bauxite si criolita,care se gasesc in Franta,U.R.S.S.,Ungaria,Grecia,India ,S.U.A.In tara noastra se gasesc importante zacaminte de bauxite in muntii Bihorului. Extragerea aluminiului pur din bauxite se realizeaza la noi in tara in doua etape.Prima etapa consta in extragerea aluminei (Al2O3)din bauxite,care se efectueaza la “Combinatul de alumina “din Oradea.Adoua etapa consta in extragerea aluminiului pur din alumina,prin rafinare electronica ,la :Combinatul de alumina “de la Slatina. Aluminiul se obtine cu o puritate variind intre 98si 99,90%. Caracteristicile aluminiului sunt: - densitatea dA1 = 2,70 kg/dm³ ; - temperatura de topire, θt,Al = 658°C ; - conductivitatea electrica , γA1 = 37 m/Ωmm² (la 20°C) - rezistivitatea electrica, ρA1 = 0,0027 Ωmm²/m (la 20°C); - conductivitatea termica,λAl = 0,53 cal/s∙cm∙°C = 0,53∙4,1868∙10² W/m∙K (la 20°C) Aluminiul este cel mai usor dintre metalele utilizate in tehnica.Rezistenta la coroziune a aluminiului in atmosfera uscata este satisfacatoare,datorita peliculei de oxid de aluminiu,care este aderenta si neporoasa.In atmosfera umeda,datorita potentialului sau de electrod foarte negative (–1,3 V),aluminiul este distrus in contact cu metalele tehnice obisnuite. Aluminiul nu rezista la vibratii mecanice si are rezistenta mica la oboseala . Principalele utilizari ale aluminiului in industria electrotehnica si electronica sunt: - fabricarea armaturilor pentru condensatoare cu hartie ,condensatoare electrice si ca anod in condensatoarele din circuitele integrate peliculare; - fabricarea mantelor de protectie a cablurilor electrice,in locul plumbului; - realizarea infasurarilor transformatoarelor si masinilor electrice; - fabricarea infasurarilor rotoarelor in scurtcircuit ale motoarelor asincrone; - realizarea conductoarelor si cablurilor de transport si distributie a energiei electrice. Pentru liniile electrice aeriene ,rezistenta mecanica a conductoarelor de aluminiu este insuficienta pentru a sustine greutatea proprie a conductorului si suprasarcinile provocate de gheata,zapada,vant.Din aceasa cauza conductoarele pentru liniile electrice aeriene se realizeaza din aluminiu cu inima de otel.Sarmele de otel zincat , care formeaza inima sau miezul conductorului ,suporta sarcina mecanica principala,iar conductoarele de aluminiu ,care se infasoara in jurul miezului de otel au rolul principal de a conduce curentul electric,avand rezistivitatea mult mai mica decat otelul. Conductoarele de otel-aluminiu au greutatea relative mare,flexibilitate redusa ,coeficienti diferiti de dilatare termica a elementelor componente.

Aliajele aluminiului

In scopul maririi rezistentei mecanice a aluminiului ,se realizeaza aliaje cu rezistenta mecanica ridicata si conductivitate electrica sufficient de mare .Se cunosc astfel o serie de aliaje ca : aluminiu-siliciu; aluminiu-magneziu;aluminiu-cupru;aluminiu-mangan;aluminiu-nichel;aluminiu-beriliu etc. Aliajele de aluminiu inlocuiesc cuprul ,care este un element deficitar ,la realizarea conductoarelor liniilor electrice aeriene de inalta tensiune si a cablurilor de inalta si joasa tensiune.Exista o larga varietate de aliaje de turnatorie si aliaje laminabile ale aluminiului.

● Aliajul duraluminiu contine 4% cupru,0,5% mangan, 0,5%magneziu, si restul aluminiu.Acest aliaj are caracteristici mecanice superioare aluminiului,insa o rezistenta slaba la coroziune,motiv pentru care aliajul se acopera cu un strat protector de aluminiu pur.

● Aliajul silumin contine 13,5% siliciu,restul aluminiu. Siliuminul are rezistenta la coroziune superioara aluminiului,are fluiditAlate mare permitand o turnare de calitate a piselor.Else utilizeaza pentru turnarea de carcase ,sasiuri sau diverse piese cu forme complicate si pereti subtiri .

● Aliajul aluminiu-magneziu-siliciu este cunoscut sub denumirile comerciale :aldrei,alduro,almelec etc. El contine 0,7% magneziu,0,6% siliciu 0,25% fier,restul aluminiu.Acest aliaj este caracterizatprin rezistenta mecanica mare la tractiune ceea ce il face utilizabil la realizarea liniilor electrice aeriene .

● Aliajul aluminiu-mangan este utilizat pentru relizarea prin turnare a coliviilor otoarelor in scurtcircuit ale motoarelor electrice asincrone. 3.COMPARATIE INTRE DOUA CONDUCTOARE ELECTRICE, REALIZATE DIN CUPRU SI RESPECTIV DIN ALUMINIU Se considera doua conductoare electrice echivalente unul din cupru si celelalt din aluminiu. Stiindu-se ca intre rezistivitatile electrice ale cuprului si aluminiului exista relatia : 1 ρCu  ρAl (2.5) 1,57 pentru ca cele doua conductoare ,de aceasi lungime ,sa aiba aceasi rezistenta electrica ,sectiunile conductoarelor trebuie sa fie diferite. Din conditia de egalitate a rezistentelor ; 1Cu lAl ρCu  = ρAl  (2.6) SCu                                SAl                     rezulta,pentru lCu = lAl :

1  ρAl 1,57 ρCu ρAl ρAl  sau    =  (2.7) SCu SAl SCu Sal                                de unde: SAl = 1,57 SCu (2.8)                 Deci conductorul de aluminiu are o sectiune de 1,57 ori mai mare decat sectiunea conductorului de cupru. Daca se tine seama ca intre densitatile cuprului si aluminiului exista relatia : dCu = 3,3 dAl,(2.9)        se poate calcula raportul dintre mesele celor doua conductoare ; mAl =VAldAl = lAlSAldAl. (2.10) in care Val= lAlSAl reprezinta volumul conductorului de aluminiu. Inlocuindu-se 1 in relatia (2.10) SAl cu 1,57 SCu,dAl cu  dCu si lAl cu l Cu rezulta : 3,3 1 1,57 mAl =lCu∙1,57 S Cu∙    dCu  mCu = 0,475 mCu ~ 0,5 mCu. 3,3 3,3 Deci, masa conductorului de aluminiu este aproximativ jumatate din cea a conductorului de cupru. 4.Argintul (Ag) Argintul se gaseste in natura sub forma de minereu numita argentite (Ag2S) sau in galenele argentifiere (PbAg2S). Caracteristicile argintului sunt : - densitatea dAg = 10,5 kg/dm³; - temperatura de topire, 0t,Ag =961°C; - conductivitatea electrica, γAg =62,5 m/Ωmm² (la 20°C) - rezistivitatea electrica,ρAg 0,016 Ωmm²/m (la 20°C); - conductivitate termica, λAg = 1,096 cal/s∙cm∙°C=1,096∙4,1868∙10² W/m∙K (la 20°C). Argintul are cea mai mare conductibilitate electrica si termica. El este foarte maleabil si foarte ductibil (dintr-un gram de argint se poate obtine un fir lung de aproximativ 2 Km;din argint se pot obtine foi cu grosimea de1/2 000 mm). Argintul are o mare afinitate fata de sulf,cu care da sulfuri.La temperatura obisnuita si chiar la temperature inalte argintul este foarte rezistent la oxidare. Argintul fiind foarte moale ,pentru marirea duritatii lui se aliaza cu alte metale,componenta principala a aliajului ramanand argintul.Aliajul de argint cu 3% cupru ,cunoscut sub denumirea de argint dur,are duritate foarte mare si conductivitate electrica si termica apropiate de cele ale argintului pur.Acest aliaj,precum si aliajele argint-cadmiu,argint-aur,argint-platina si argint-paladiu sunt utilizate ca materiale pentru contacte electrice. Argintul si aliajele sale sunt utilizate pentru armature de condensatoare,conductoare pentru curenti de inalta frecventa,fuzibile pentru sigurante fire, de suspensie pentru aparate de masurat etc. Argintul este un component in aliaje de metale pretioase folosite pentru realizarea reostatelor de precizie si etalon. Aliajul argint-cupru-zinc se foloseste ca aliaj de lipit pentru lipituri care lucreaza la temperature ridicate. 5. Aurul (Au) Aurul se gaseste in natura aproape totdeauna sub forma de metal liber ; foarte rar se gaseste sub forma de teluri (in Transilvania). Caracteristicile aurului sunt : - densitatea, dAu=19,32 kg/dm³ ; - temperatura de topire,0t,Au =1,063°C; - conductivitatea electrica γAu 45,4 m/Ωmm² (la 20°C);                   - rezistivitatea electrica ,ρAu = 0,022 Ωmm²/m (la 20°); - conductivitatea termica, λAu =0,7 cal/s∙cm∙°C =0,7∙4,1868∙10² W/m∙ K (la 20°C). Aurul este cel mai ductile si maleabil dintre metale.Din aur se pot obtine foite cu grosimea de 1/10 000 mm. El nu se oxideaza la nici o temperatura. Aurul pur,fiind foarte moale ,se aliaza cu alte metale (platina argint,nichel,cobalt,cupru). Titlul aurului intr-un aliaj de aur este exprimat in carate :24 carate =1 000 parti =100%,adica aur pur. Aurul este un element ideal pentru acoperiri,protejand materialul de oxizi.La depunerile electrolitice se utilizeaza aur de 24 si uneori de 18 carate ,ultimul avand o rezistenta mai mare la uzura si este mai ieftin.Straturi electrolitice de aur se depun pe grilele tuburilor electronice ,pe electrozii celulelor fotoelectrice. Aliajele ca: aur-argint-cupru, aur-nichel,aur-cobalt,aur-argint-platina,aur-platina sunt folosite la contactele electrice ale instrumentelor de precizie ,la aparate de control si in automatizari etc. б.Platina (Pt) Platina se gaseste in nisipuri aurifere.In U.R.S.S. in muntii Urali se gasesc cele mai mari zacaminte de platina.Zacamintele de platina se gasesc si in America de Nord. Caracteristicile platinei sunt: - densitatea, dPl =21,45 kg/dm³; - temperatura de topire,0t,Pt= 1 770°C; - conductivitatea electrica, γPt = 10,2 m/Ωmm² (la 20°C); - rezistivitatea electrica ,ρPt =0,098 Ωmm²/m (la 20°C) - conductivitatea termica, λPt=0,167 cal/s∙cm∙°C=0,167∙4,1868∙10² W/m∙K (la 20°C) Platina este cel mai stabil metal din punct de vedere chimic. Este foarte maleabila si ductila,putandu-se lamina in foi si trefila in fire foarte subtiri. Platina este cel mai scump dintre metale si,pe langa acest dezavantaj,trebuie mentionata duritatea ei mica. Ss utilizeaza la realizarea contactelor electrice fiind in acest caz aliata cu diferite elemente ca: idriu,ruteniu,wolfram,nichel. Contactele platina-idriu sunt indicate pentru instrumente de precizie cu fracventa mare de intrerupere. Din platina se executa electrozi pentru termocupluri,rezistente pentru cuptoare electrice si are o larga utilizare si in industria chimica,datorita stabilitatii sale chimice, 7.Fierul (Fe) Material conductor Fierul se utilizeaza in anumite situatii ca material conductor in locul cuprului si aluminiului.Acesta pe de o parte datorita consumului mult mai redus sip e de alta parte,rezistentei mecanice superioare.Fierul are insa rezistivitate electrica mult mai mare decat cea a cuprului si a aluminiului si rezistenta slaba la coroziune. Caracteristicile fierului sunt : - densitatea,dFe = 7,8 kg/dm³; - temperatura de topire, 0t,Fe =1 533°C ; - conductivitatea electrica, γFe = 7,8..9,54 m/Ωmm² (la 20°C); - rezistivitatea electrica,ρFe=0,174 cal/s∙cm∙°C = 0,174∙4,1868∙10² W/m∙K (la 20°C). La folosirea conductoarelor din fier in current alternative apare pronuntat efectul pelicular,care consta in refularea curentului spre periferia conductorului.Efectul pelicular este cu atat mai pronuntat,cu cat fracventa curentului este mai ridicata,cu cat diametrul conductorului este mai mare si cu cat proprietatile magnetice ale materialului sunt mai accentuate.Fierul se utilizeaza pentru linii de telecomunicatii ,pentru linii electrice de alimentare cu energie electrica ce trebuie sa suporte o sarcina mecanica importanta ,sub forma de funie ca miez al conductoarelor de aluminiu cu inima de otel etc. 8.Nichelul (Ni) Minereurile,constituite din sulfuri si arsenuri de nichel,se gasesc in U.R.S.S. (Iin muntii Urali)si in Canada . Caracteristicile nichelului sunt : - densitatea,dN1 = 8,9 kg/dm³ ; - temperatura de topire,0t,N1=1 455°C; - rezistivitatea electrica,ρN1 = 0,068 Ωmm²/m (la 20°C). Nichelul nu se oxideaza in atmosfera si in apa la temperature obisnuita. El este maleabil la cald si la rece,ductibil si sudabil. In stare pura nichelul se utilizeaza la fabricarea anozilor bailor galvanice si la nichelarea metalelor pentru protectia impotriva coroziunii. Nichelul este component intr-o mare varietate de aliaje de inalta rezistivitate,precum si in aliajele magnetice.