Cupru: conductivitate electrică, proprietăți, caracteristici și aplicații

În multe ramuri ale industriei moderne, materiale precum cuprul sunt utilizate pe scară largă. Conductivitatea electrică a acestui metal este foarte ridicată. Acest lucru explică oportunitatea aplicării sale în principal în domeniul ingineriei electrice. Din cupru se obțin conductori cu caracteristici de performanță excelente. Desigur, acest metal este folosit nu numai în inginerie electrică, dar și în alte industrii. Cererea sa este explicată, printre altele, prin calitățile sale, cum ar fi rezistența la deteriorarea coroziunii într-un număr de materiale corozive, refractare, ductilitate etc.

Istoricul istoric

Cuprul este un metal cunoscut de om din cele mai vechi timpuri. Cunoașterea timpurie a oamenilor cu acest material este explicată în primul rând prin răspândirea sa largă în natură sub formă de nuggeturi. Mulți oameni de știință cred că cuprul a fost primul metal, un om restaurat de compușii cu oxigen. Odată, rocile au fost încălzite, pur și simplu, pe foc și au răcit drastic, provocându-le să se spargă. Mai târziu, restaurarea cuprului a început să se producă pe focuri prin adăugarea de cărbune și suflare blănuri. Îmbunătățirea acestei metode a dus, în final, la crearea arbore cuptor. Tot mai tarziu, acest metal a inceput sa fie produs prin metoda topirii oxidante a minereurilor.

Cupru: conductivitatea electrică a materialului

Într-o stare liniștită, toți electronii liberi de orice metal se rotesc în jurul nucleului. Atunci când se conectează o sursă externă de impact, ele sunt aliniate într-o anumită ordine și devin purtătoare de curent. Gradul de capacitate al metalului de a trece prin ultima se numește conductivitate electrică. Unitatea măsurării sale în SI internațional este Siemens, definită ca 1 cm = 1 Ω^-1.

Conductivitatea electrică a cuprului este foarte ridicată. Pe acest indicator, el depășește toate metalele non-nobile cunoscute astăzi. Mai bine decât curentul ei trece numai argint. Indicatorul conductivității electrice a cuprului este de 57x104 cm^-1 la o temperatură de +20 ° C Datorită acestei proprietăți, acest metal este în prezent cel mai utilizat dirijor din toate cele utilizate pentru producție și uz casnic.

Cuprul rezistă perfect încărcăturilor electrice constante și este, de asemenea, fiabil și durabil. Printre altele, acest metal este caracterizat printr-un punct de topire ridicat (1083,4 ° C). Și acest lucru, la rândul său, permite ca cuprul să funcționeze mult timp într-o stare încălzită. Ca prevalență ca dirijor curent, numai aluminiul poate concura cu acest metal.

Efectul impurităților asupra conductivității electrice a cuprului

Desigur, în zilele noastre, metode mult mai sofisticate sunt folosite pentru a topi acest metal roșu decât în ​​antichitate. Cu toate acestea, chiar și astăzi este aproape imposibil să se obțină un Cu complet pur. În cupru există întotdeauna diferite tipuri de impurități. Acesta poate fi, de exemplu, siliciu, fier sau beriliu. Între timp, cu cât sunt mai multe impurități în cupru, cu atât este mai scăzut indicele conductivității sale electrice. Pentru fabricarea firelor, de exemplu, este adecvat doar un metal suficient de pur. Conform standardelor, cuprul poate fi utilizat în acest scop cu o cantitate de impurități care nu depășește 0,1%.

Foarte des acest metal conține un anumit procent de sulf, arsen și antimoniu. Prima substanță reduce semnificativ plasticitatea materialului. Conductivitatea electrică a cuprului și a sulfului variază foarte mult. Această impuritate nu conduce deloc curentul. Asta este, este un bun izolator. Cu toate acestea, conductivitatea electrică a sulfului de cupru nu afectează aproape nimic. Același lucru este valabil și pentru conductivitatea termică. Cu antimoniu și arsenic, se observă imaginea opusă. Aceste elemente conductivitatea cuprului poate reduce semnificativ.

aliaje

Diferite tipuri de aditivi pot fi utilizate și în mod specific pentru a crește rezistența unui astfel de material ductil cum ar fi cuprul. De asemenea, reduc conductivitatea electrică. Dar utilizarea lor face posibilă extinderea semnificativă a duratei de viață a diferitelor produse.

Cel mai adesea, Cd (0,9%) este utilizat ca o creștere a rezistenței aditivului de cupru. Rezultatul este bronzul de cadmiu. Conductivitatea sa este de 90% din conductivitatea cuprului. Uneori, în loc de cadmiu, aluminiu este, de asemenea, utilizat ca aditiv. Conductivitatea acestui metal este de 65% din același indice de cupru. Pentru a îmbunătăți rezistența firelor sub formă de aditivi, pot fi utilizate alte materiale și substanțe, cum ar fi staniu, fosfor, crom, beriliu. Rezultatul este bronzul unui anumit brand. Conectarea cuprului cu zinc se numește alamă.

Proprietăți ale aliajelor

Depinde conductivitatea electrică a metalelor nu numai pe cantitatea de impurități prezente în ele, ci și pe alți indicatori. De exemplu, cu o creștere a temperaturii de încălzire, capacitatea cuprului de a trece printr-un curent este redusă. Chiar și modul de producție influențează conductivitatea electrică a unui astfel de fir. În viața de zi cu zi și în producție, pot fi utilizați atât conductori de cupru moi recoace, cât și cupru descompus solid. La prima specie, abilitatea de a trece prin curent este mai mare.

Cu toate acestea, în primul rând, desigur, aditivii folosiți și cantitatea lor afectează conductivitatea electrică a cuprului. Tabelul de mai jos oferă cititorului informații exhaustive privind capacitatea de a transfera curentul la cele mai comune aliaje ale acestui metal.

Conductivitatea electrică a alamelor și cuprului este comparabilă. Cu toate acestea, pentru primul metal, această cifră este, desigur, puțin mai mică. Dar, în același timp, este mai mare decât în ​​bronz. Ca conductor alamă este folosit destul de larg. Acesta trece curentul mai rău decât cuprul, dar costă mai puțin. Cel mai adesea contactele din alamă, clemele și diverse părți ale echipamentului radio.

Aliaje de cupru de înaltă rezistență

Aceste materiale conductoare sunt utilizate în principal pentru fabricarea de rezistențe, reostaturi, instrumente de măsurare și dispozitive de încălzire electrică. Cel mai adesea, aliaje de cupru de constantan și manganin sunt utilizate în acest scop. Rezistența primului (86% Cu, 12% Mn, 2% Ni) este de 0,42-0,48 μΩ / m, iar a doua (60% Cu, 40% Ni) 0,48-0,52 μΩ / m.

Relația cu coeficientul de conductivitate termică

Conductivitate electrică specifică cupru - 59 500 000 S / m. Acest indicator, așa cum am menționat deja, este corect, dar numai la o temperatură de +20 ^despreExistă o relație clară între coeficientul de conductivitate termică a oricărui metal și conductivitatea. Stabilește legea Wiedemann-Franz. Se efectuează pentru metale la temperaturi ridicate și se exprimă în următoarea formulă: K / gamma- = PI-² / 3 (k / e)²T, unde y este conductivitatea, k este constanta Boltzmann, iar e este sarcina elementara.

Desigur, există o conexiune similară cu un metal, cum ar fi cuprul. Conductivitatea termică și conductivitatea electrică sunt foarte ridicate. În al doilea rând, după argint, se află pe ambii acești indicatori.

Conectarea firelor de cupru și aluminiu

Recent, echipamente electrice cu putere tot mai mare au început să fie utilizate în viața de zi cu zi și în industrie. În vremurile sovietice, cablarea a fost făcută în principal din aluminiu ieftin. Din păcate, caracteristicile sale de performanță nu corespund noilor cerințe. Prin urmare, astăzi în viața de zi cu zi și în industrie foarte des firele de aluminiu sunt transformate în cele de cupru. Principalul avantaj al acestora din urmă, pe lângă refractare, este că proprietățile lor conductive nu scad într-un proces de oxidare.

Adesea, în timpul modernizării rețelelor electrice, trebuie conectate firele de aluminiu și cupru. Nu puteți face acest lucru direct. De fapt, conductivitatea electrică a aluminiului și cuprului nu este foarte diferită. Dar numai metalele însele. Filmele oxidante cu proprietăți de aluminiu și cupru nu sunt aceleași. Din acest motiv, conductivitatea la joncțiune este semnificativ redusă. Filmul oxidant din aluminiu este mult mai rezistent decât cuprul. Prin urmare, conectarea acestor două tipuri de conductori trebuie realizată exclusiv prin adaptoare speciale. Pot fi, de exemplu, cleme care conțin o pastă care protejează metalele de aspectul oxidului. Această versiune de adaptoare este de obicei utilizată când fire de conectare pe stradă. În incintă, clemele de ramificație sunt adesea folosite. Designul lor include o placă specială, care elimină contactul direct dintre aluminiu și cupru. În absența unor astfel de conductori în mediul casnic, în loc de fire răsucite recomandat să folosească direct șaiba și piulița la un „pod“ intermediar.

Proprietăți fizice

Astfel, am aflat care este conductivitatea electrică a cuprului. Acest indicator poate varia în funcție de impuritățile incluse în compoziția acestui metal. Cu toate acestea, cererea de cupru din industrie este determinată de alte proprietăți fizice utile, informații despre care pot fi obținute din tabelul de mai jos.

Proprietăți chimice

Conform unor astfel de caracteristici, cuprul, conductivitatea electrică și conductivitatea termică a căruia este foarte mare, ocupă o poziție intermediară între elementele primei triade a grupului opt și cele alcaline din primul grup al tabelului periodic. Principalele sale proprietăți chimice includ:

• predispoziția la formarea complexă;

• capacitatea de a da compuși colorați și sulfuri insolubile.

Cel mai caracteristic pentru cupru este o stare bivalentă. Asemănări cu metale alcaline, practic nu. Activitatea sa chimică este de asemenea scăzută. În prezența CO₂ sau o umiditate pe suprafața cuprului a format un film de carbonat verde. Toate sărurile de cupru sunt substanțe otrăvitoare. În stare unică și bivalentă, acest metal formează foarte stabil compuși complexi. Cele mai importante pentru industrie sunt amoniacul.

Domeniul de aplicare

Conductibilitatea termică și electrică ridicată a cuprului determină aplicarea sa în diverse industrii. Desigur, cel mai adesea acest metal este folosit în ingineria electrică. Cu toate acestea, aceasta nu este singura sferă a aplicării sale. Printre altele, cuprul poate fi folosit:

• în bijuterii;

• în arhitectură;

• la asamblarea apei și a sistemelor de încălzire;

• în conductele de gaze.

Pentru fabricarea diferitelor tipuri de bijuterii se utilizează un aliaj de cupru cu aur. Acest lucru vă permite să creșteți rezistența bijuteriilor la deformare și abraziune. În arhitectură, cuprul poate fi utilizat pentru acoperișurile și fațadele cu care se confruntă. Principalul avantaj al acestui finisaj este durabilitatea. De exemplu, acoperisul unui reper arhitectural bine-cunoscut - o catedrală catolică din orașul german Hildesheim - este căptușită cu foi din acest metal. Acoperișul cuprului din această clădire protejează în mod sigur spațiul său interior de aproape 700 de ani.

Ingineria comunicațiilor

Principalele avantaje ale conductelor de apă din cupru sunt, de asemenea, durabilitatea și fiabilitatea. În plus, acest metal este capabil să ofere apă proprietăți unice speciale, făcându-l util pentru organism. Pentru asamblarea conductelor de gaz și a sistemelor de încălzire, conductele de cupru sunt, de asemenea, potrivite în mod ideal - în principal datorită rezistenței la coroziune și ductilității. Cu o creștere de urgență a presiunii, astfel de linii pot rezista la o sarcină mult mai mare decât oțelul. Singurul dezavantaj al conductelor de cupru este costul lor ridicat.