Алюминий
Сравнение свойств алюминия и меди. Вторым по значению (после меди) проводниковым материалом является алюминий – металл серебристо-белого цвета, важнейший из так называемых легких металлов. Удельное сопротивление алюминия в 1,6 раза больше удельного сопротивления меди, но алюминий в 3,5 раза легче меди. Благодаря малой плотности обеспечивается большая проводимость на единицу массы, т.е. при одинаковом сопротивлении и одинаковой длине алюминиевые провода в два раза легче медных, несмотря на большее поперечное сечение. К тому же по сравнению с медью алюминий намного больше распространен в природе и характеризуется меньшей стоимостью.
Отмеченные обстоятельства обусловливают широкое применение алюминия в электротехнике. Недостатком алюминия является его низкая механическая прочность. Отожженный алюминий в три раза менее прочен на разрыв, чем отожженная медь.
Алюминий получают электролизом глинозема Аl2О3 в расплаве криолита Na3AlF6 при температуре 950°С.
Марки алюминия. Для электротехнических целей используют алюминий технической чистоты АЕ, содержащий не более 0,5% примесей. Изготовленная из алюминия АЕ и отожженная при температуре 350 ± 20°С проволока обладает удельным сопротивлением при 20°С не более 0,0280 мкОм · м. Алюминий высокой чистоты А97 (не более 0,03% примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов электролитических конденсаторов. У алюминия особой чистоты А999 примеси не превышают 0,001%. Его чистоту контролируют по значению остаточного удельного сопротивления при температуре жидкого гелия, которое не должно превышать 4-10–6 мкОм · м.
Разные примеси в различной степени снижают удельную проводимость алюминия. Добавки таких примесей, как никель, кремний, цинк, железо, мышьяк, сурьма, свинец и висмут, в количестве 0,5% снижают удельную проводимость алюминия в отожженном состоянии не более чем на 2 – 3%. Более заметное действие оказывают примеси меди, серебра и магния, снижающие ее на 5 – 10% при том же содержании по массе. Очень сильно снижают удельную проводимость алюминия добавки ванадия, титана и марганца. Можно сказать, что примеси, не образующие твердых растворов с алюминием, мало влияют на его электрическую проводимость, а примеси, образующие твердый раствор, заметно снижают ее; исключением является цинк. Закалка увеличивает сопротивление алюминия в присутствии тех примесей, которые увеличивают свою растворимость при нагревании. В техническом алюминии главными примесями являются кремний и железо.
Прокатку, протяжку и отжиг алюминия производят аналогично соответствующим операциям для меди. Из алюминия путем прокатки можно получать очень тонкую (6 – 7 мкм) фольгу, применяемую в качестве обкладок в бумажных конденсаторах, или пластины конденсаторов переменной емкости.
Некоторые физические свойства алюминия зависят от температуры. Интересно отметить, что при температуре жидкого азота по значению удельного сопротивления алюминий почти сравнивается с медью, а при еще более низких температурах становится даже лучше ее. Поэтому перcпективно использование алюминия в качестве криопроводника.
Поверхность алюминия. Алюминий активно окисляется и покрывается тонкой пленкой окиси с большим электрическим сопротивлением. Такая пленка предохраняет алюминий от коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов, что делает невозможным пайку алюминия обычными методами. Поэтому для пайки алюминия применяют специальные пасты-припои или используют ультразвуковые паяльники. Более толстый слой окисла, который создает надежную электрическую изоляцию на сравнительно высокие напряжения, получают с помощью электрохимической обработки алюминия.
Оксидная изоляция прочна механически и нагревостойка; она может быть сравнительно тонкой (слой окисла толщиной 0,03 мм имеет пробивное напряжение порядка 100 В, а толщиной 0,04 мм – около 250 В).
Из оксидированного алюминия изготавливают различные катушки без дополнительной междувитковой и междуслойной изоляции. Недостатками оксидной изоляции проводов являются ее ограниченная гибкость (особенно при большой толщине слоя окисла) и заметная гигроскопичность (в тех случаях, когда не требуется большой нагревостойкости оксидной изоляции, ее покрывают лаком).
Наиболее широкое применение оксидная изоляция получила в электролитических конденсаторах; ее используют также в некоторых типах выпрямителей и разрядников.
На практике важное значение имеет вопрос защиты от гальванической коррозии в местах контакта алюминия и меди. Если область контакта подвергается воздействию влаги, то возникает местная гальваническая пара с довольно высоким значением э. д. с, причем полярность этой пары такова, что на внешней поверхности контакта ток направлен от алюминия к меди, вследствие чего алюминиевый проводник может быть сильно разрушен коррозией. Поэтому места соединения медных проводников с алюминиевыми должны быть тщательно защищены от увлажнения (их покрывают лаками и т. п.).
Пленки алюминия широко используют в интегральных микросхемах в качестве контактов и межсоединений. Последние обеспечивают связь между отдельными элементами схемы и внешними присоединениями. Нанесение пленок на кремниевые пластинки обычно производят методом испарения и конденсации в вакууме. Требуемый рисунок межсоединений создается с помощью фотолитографии. Преимущества алюминия как контактного материала состоят в том, что этот материал легко напыляется, обладает хорошей адгезией к кремнию и пленочной изоляции из SiO2, широко используемой в полупроводниковых интегральных схемах, обеспечивает хорошее разрешение при фотолитографии. К тому же алюминий образует хорошие омические контакты с кремнием.
Недостатком алюминия является значительная подверженность электромиграции, что приводит к увеличению сопротивления или даже разрыву межсоединения.
Источник
Что такое проводник и диэлектрик?
Все материалы, существующие в природе, различаются своими электрическими свойствами. Таким образом, из всего многообразия физических веществ в отдельные группы выделяются диэлектрические материалы и проводники электрического тока.
Что представляют собой проводники?
Проводник – это такой материал, особенностью которого является наличие в составе свободно передвигающихся заряженных частиц, которые распространены по всему веществу.
Проводящими электрический ток веществами являются расплавы металлов и сами металлы, недистиллированная вода, раствор солей, влажный грунт, человеческое тело.
Металл – это самый лучший проводник электрического тока. Также и среди неметаллов есть хорошие проводники, например, углерод.
Все, существующие в природе проводники электрического тока, характеризуются двумя свойствами:
- показатель сопротивления;
- показатель электропроводности.
Сопротивление возникает из-за того, что электроны при движении испытывают столкновение с атомами и ионами, которые являются своеобразным препятствием. Именно поэтому проводникам присвоена характеристика электрического сопротивления. Обратной сопротивлению величиной является электропроводность.
Электропроводность – это характеристика (способность) физического вещества проводить ток. Поэтому свойствами надежного проводника являются низкое сопротивление потоку движущихся электронов и, следовательно, высокая электропроводность. То есть, лучший проводник характеризуется большим показателем проводимости.
Например кабельная продукция: медный кабель обладает большей электропроводностью по сравнению с алюминиевым.
Что представляют собой диэлектрики?
Диэлектрики – это такие физические вещества, в которых при заниженных температурах отсутствуют электрические заряды. В состав таких веществ входят лишь атомы нейтрального заряда и молекулы. Заряды нейтрального атома имеют тесную связь друг с другом, поэтому лишены возможности свободного перемещения по всему веществу.
Самым лучшим диэлектриком является газ. Другие непроводящие электрический ток материалы – это стеклянные, фарфоровые, керамические изделия, а также резина, картон, сухое дерево, смолы и пластмассы.
Диэлектрические предметы – это изоляторы, свойства которых главным образом зависимы от состояния окружающей атмосферы. Например, при высокой влажности некоторые диэлектрические материалы частично лишаются своих свойств.
Проводники и диэлектрики широко используются в сфере электротехники для решения различных задач.
Например, вся кабельно-проводниковая продукция изготавливается из металлов, как правило, из меди или алюминия. Оболочка проводов и кабелей полимерная, также, как и вилках всех электрических приборов. Полимеры – отличные диэлектрики, которые не допускают пропуска заряженных частиц.
Серебряные, золотые и платиновые изделия – очень хорошие проводники. Но их отрицательная характеристика, которая ограничивает использование, состоит в очень высокой стоимости.
Поэтому применяются такие вещества в сферах, где качество гораздо важнее цены, которая за него уплачивается (оборонная промышленность и космос).
Медные и алюминиевые изделия также являются хорошими проводниками, при этом имеют не столь высокую стоимость. Следовательно, использование медных и алюминиевых проводов распространено повсеместно.
Вольфрамовые и молибденовые проводники имеют менее хорошие свойства, поэтому используются в основном в лампочках накаливания и нагревательных элементах высокой температуры. Плохая электропроводность может существенно нарушить работу электросхемы.
Диэлектрики также различаются между собой своими характеристиками и свойствами. Например, в некоторых диэлектрических материалах также присутствуют свободные электрически заряды, пусть и в небольшом количестве. Свободные заряды возникают из-за тепловых колебаний электронов, т.е. повышение температуры все-таки в некоторых случаях провоцирует отрыв электронов от ядра, что понижает изоляционные свойства материала. Некоторые изоляторы отличаются большим числом «оторванных» электронов, что говорит о плохих изоляционных свойствах.
Самый лучший диэлектрик – полный вакуум, которого очень трудно добиться на планете Земля.
Полностью очищенная вода также имеет высокие диэлектрические свойства, но таковой даже не существует в реальности. При этом стоит помнить, что присутствие каких-либо примесей в жидкости наделяет ее свойствами проводника.
Главный критерий качества любого диэлектрического материала – это степень соответствия возложенным на него функциям в конкретной электрической схеме. Например, если свойства диэлектрика таковы, что утечка тока совсем незначительная и не приносит никакого ущерба работе схемы, то диэлектрик является надежным.
Что такое полупроводник?
Промежуточное место между диэлектриками и проводниками занимают полупроводники. Главное отличие проводников заключается в зависимости степени электропроводности от температуры и количества примесей в составе. При том материалу свойственны характеристики и диэлектрика, и проводника.
С ростом температуры электропроводность полупроводников растет, а степень сопротивления при этом падает. При понижении температуры сопротивление стремится к бесконечности. То есть, при достижении нулевой температуры полупроводники начинают вести себя как изоляторы.
Полупроводниками являются кремний и германий.
Источник
Алюминиевый кабель проводник или диэлектрик
Профи, хорошо разбирающиеся не только в своей текущей работе, но и в истории электрического дела, знающие текущие требования законов «от А до Я» и имеющие громадный опыт, безошибочно ответят на этот вопрос. Но что делать любителю-энтузиасту, в первый раз столкнувшемуся проблемой выбора типа проводов?
Обращение к специалистам – это всегда беспроигрышный вариант. Мастеров дела достаточно и в строительстве, и в электромонтаже, а также среди продавцов кабельной продукции, многие годы успешно консультирующих своих благодарных покупателей. Можно озадачить поисковую машину и получить 250 тыс. или миллион ссылок на всевозможные статьи по теме. Или же прочесть наш очередной материал, который позволит понять, так почему же алюминиевый кабель не желательно использовать?
Небольшая историческая справка
При СССР не спрашивали, какой провод лучше, медный или алюминиевый, просто потому, что для монтажа электропроводки медь почти не применялась. Многим из нас известно на личном опыте, что в любом доме, которому более 15-20 лет, основную задачу по энергопитанию квартир до сих пор выполняют именно алюминиевые провода. Кстати, внутренняя проводка изготовлена из того же материала, и это иногда становится огромной проблемой, но об этом чуть ниже.
При Союзе не всегда заботились о качестве жизни своих граждан, поэтому могли изготавливать продукцию из более дешевых ингредиентов, ведь масштабы экономии в пределах огромной страны были впечатляющими. Для объективности следует сказать, что мало кто планировал эксплуатировать жилые дома не 15-20 лет, а 30-40-50, и многие из них простоят еще пару десятилетий. И замена разрушающейся проводки решилась бы просто – все равно были бы построены новые, возможно, более комфортабельные здания, а электролинии не превратились бы в неприятное и чрезвычайно опасное «нечто». Кроме того, в то время не было таких нагрузок на электролинии, а значит закладывать избыточную мощность в кабеля не было резона.
Преимущества алюминиевых проводов
Несмотря на целую группу серьезных недостатков, кабеля из алюминия все еще широко применяются как для бытовых, так и для профессиональных целей, несмотря на ряд установленных законом ограничений. И это понятно, если ознакомиться с перечнем их основных достоинств:
- масса. Удельный вес алюминия составляет 2.7 г/см3, а его «конкурента» по кабельным изделиям, меди, — 8.96 г/см3. Сложно не согласиться, что транспортировать, разгружать и раскатывать катушку, барабан или бухту более легкого металла гораздо проще. Если же речь идет о километрах кабельной продукции, например, для монтажа ЛЭП, то преимущество становится очевидным,
стоимость. Весомый аргумент при выборе материала для кабельной продукции, особенно в масштабных проектах. Согласно рыночным данным, алюминиевый провод стоит в 4-5 раз дешевле, чем аналогичный по техпараметрам медный. Например, за 1 метр медного ВВГ 4х4 (ож) вы бы отдали минимум 96 рублей, при этом цена АВВГ 4х4 (ож) – всего 22 рубля.
Недостатки алюминиевых проводов
Для понимания, что из себя на самом деле представляет алюминиевая кабельная продукция, рассмотрим ее главные минусы:
электрическая проводимость. Если принять показатель серебра за 100, то электропроводность алюминия равна 55 (меди – 94). Это значение не является плохим, но помните, что чистоты содержания металла в проводнике добиться довольно сложно, а наличие всевозможных примесей серьезно снижает проводимость. Важным моментом является тот факт, что величина данного показателя напрямую влияет на сечение изделия, которое подбирается для конкретного электропроекта (т.е. алюминиевый кабель будет намного толще, чем медный). Эта особенность частично нивелирует преимущество алюминия по весу,
окисление. При контакте с воздухом на поверхности алюминиевых жил, особенно в местах соединений, формируется слой тугоплавкого диэлектрика в виде пленки темного цвета, которая защищает провод от дальнейшего химического разрушения, но увеличивает сопротивление и нагреваемость, а также уменьшает значение полезного сечения и ухудшает контакт. Последствия не радуют: расплавление соединений, обрыв электроцепи и снижение надежности электроснабжения. Проблемное место нужно найти, подтянуть контакт или сменить зажим, каждую секунду рискуя повредить нагретый проводник. Тогда вообще потребуется замена кабеля, что технологически не всегда возможно,
механическая прочность алюминиевых жил существенно меньше, чем у медных (твердость по Бринеллю 25 и 45-110 кгс/мм2 соответственно), а это значит, что нельзя слишком сильно зажимать алюминиевый проводник или часто его изгибать. Те, кто самостоятельно заменял розетку, выключатель или люстру, помнят, что электрожила из алюминия часто ломается «под корень»,
гибкость алюминиевой проволоки также не слишком высока, поэтому, с учетом ее относительной хрупкости, прокладка таких проводов всегда требует особой осторожности. При покупке алюминиевого кабеля в магазине можно попробовать 4-5 раз согнуть его и посмотреть на оголенную жилу – если она покрылась трещинами, то материал проводника очень низкого качества,
сложности при монтаже начинаются тогда, когда для достижения нужных параметров проводимости приходится выбирать алюминиевый кабель гораздо большего сечения. С толстыми проводами, как известно, гораздо тяжелее работать, особенно на непростых трассах, изобилующих острыми углами и узкими местами,
нагрев. Удельная теплоемкость алюминия составляет 0.9 кДж/кг*K (0.39 у меди), поэтому алюминиевые жилы гораздо быстрее перегреваются, ветшают и становятся еще более ломкими, а изоляционный слой кабелей рассыхается и перестает выполнять свои функции. В результате электросеть может «коротнуть», и возникнет возгорание. Следует помнить, что под винтовым зажимом алюминий обладает свойством теплового расширения, что может привести к его дальнейшей деформации, а значит и к ослаблению контакта, вплоть до отгорания,
удельное электросопротивление. И по этому показателю алюминий проигрывает меди. Его значение для алюминиевых жил составляет 0.27 Ом*мм2/м, тогда как у медного проводника почти в 2 раза меньше – 0.017,
срок службы — один из главных критериев, по которому выбирается материал для электропроводки. Алюминиевые кабеля могут эффективно и относительно безаварийно функционировать на протяжении 20-25 лет, при этом медные проводники способны работать 30-50 лет в аналогичных условиях.
Для более наглядного представления, что из себя представляют данные металлы, посмотрите ролик Чем отличается алюминий от меди?.Достаточно неплохо тема раскрыта и на видео Медная и алюминиевая электропроводка. Разоблачим мифы.
Итоги и рекомендации
Только лишь визуальный подсчет количества достоинств и недостатков алюминиевых жил, а также беглая оценка объема текста в каждом из тематических разделов, позволяет однозначно заявить, что медные провода имеют гораздо более приемлемые технические характеристики, они компактнее, надежнее, долговечнее, удобнее в прокладке, гораздо реже становятся причиной аварий. Пожалуй, их единственным серьезным минусом является довольно высокая стоимость. Впрочем, хороший хозяин, заказчик или проектировщик скорее всего предпочтут «заплатить и забыть», чем тратить время и внушительные средства на постоянный контроль, обслуживание и ремонт алюминиевых проводных линий.
Для справедливости уточним, что вышесказанное вполне справедливо для кабельных изделий небольших сечений. Но если диаметр проводов более 16 мм2, а его метраж измеряется километрами, как при монтаже ВЛ, то «цена вопроса» будет иметь решающее значение. На данный момент, ПУЭ также придерживается этого мнения, поэтому не запрещает использование алюминия для электрокабелей большого сечения.
Если планируется полная замена квартирных проводов, то ее нужно проводить только на медь и убирать алюминий вплоть до щитка, потому что эти металлы не слишком «дружны» и не дадут возможности электросети работать в полную силу.
Вдумчивое чтение данной статьи, умение рассуждать и мыслить логически, позволит каждому самостоятельно сделать выводы о том, какой провод лучше, медный или алюминиевый, и почему последний не желательно использовать, особенно для монтажа небольших домовых электросетей.
Источник
