Мідь: електропровідність, властивості, особливості та використання

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 отримуються провідники з відмінними експлуатаційними характеристиками. Звичайно ж, використовується цей метал не тільки в електротехніці, але і в інших галузях промисловості. Пояснюється його затребуваність в 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, відновленим людиною з кисневих сполук. Колись гірські породи просто нагрівали на багатті і різко остужали, в результаті чого вони розтріскувалися. Пізніше відновлення міді почали виробляти на кострах з додаванням вугілля і піддувом хутрами. Вдосконалення цього способу зрештою призвело до створення шахтної печі. Ще пізніше цей метал почали отримувати методом окислювальної плавки руд.

Мідь: електропровідність матеріалу

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

Електропровідність міді дуже висока. За цим показником вона перевершує всі відомі на сьогодні неблагородні метали. Краще за неї струм пропускає тільки срібло. Показник електропровідності міді становить 57х104 см^-1 при температурі в + 20 ° С. Завдяки такій своїй властивості цей метал на даний момент є найпоширенішим 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 і високою температурою плавлення (1083,4 ° 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. У міді завжди присутні різного роду домішки. Це можуть бути, наприклад, кремній, залізо або берилій. Тим часом, чим більше домішок у міді, тим менше показник її електропровідності. Для виготовлення дротів, наприклад, підходить тільки досить чистий метал. Згідно з нормативами, для цієї мети можна використовувати мідь з кількістю домішок, що не перевищує 0.1%.

Дуже часто в цьому металі міститься певний відсоток сірки, миш’яку і сурми. Перша речовина значно знижує пластичність матеріалу. Електропровідність міді та сірки сильно розрізняється. Струм ця прийміться абсолютно не проводить. Тобто є хорошим ізолятором. Однак на електропровідність міді сірка не впливає практично ніяк. Те ж саме стосується і теплопровідності. З сурьмою і миш’яком спостерігається зворотна картина. Ці елементи електропровідність міді здатні знижувати значно.

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 як підвищувальна міцність міді добавки використовується Cd (0.9%). В результаті виходить кадмієва бронза. Її провідність становить 90% від провідності міді. Іноді замість кадмію як добавку використовують також алюміній. Провідність цього металу становить 65% від цього ж показника міді. Для підвищення міцності проводів у вигляді добавки можуть застосовуватися й інші матеріали та речовини — олово, фосфор, хром, берилій. В 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, а й від інших показників. Наприклад з підвищенням температури нагріву здатність міді пропускати крізь себе струм знижується. Впливає на електропровідність такого дроту навіть спосіб його виготовлення. У побуті і на виробництві можуть використовуватися як м’які віднині мідні провідники, так і твердотягнуті. У першого різновиду здатність пропускати крізь себе струм вище.

Однак найбільше впливають, звичайно ж, використовувані добавки і їх кількість на електропровідність міді. Таблиця нижче представляє читачеві вичерпну інформацію щодо здатності пропускати струм найбільш поширених сплавів цього металу.

Електропровідність мідних сплавів

Електропровідність латуні та міді порівнянна. Однак у першого металу цей показник, звичайно ж, трохи нижче. Але при цьому він і вищий, ніж у бронз. В якості провідника латунь використовується досить-таки широко. Струм вона пропускає гірше міді, але при цьому і коштує дешевше. Найчастіше з латуні роблять контакти, затиснуті і 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. Питома опір першого (86% Cu, 12% Mn, 2% Ni) становить 0.42-0.48 мкОм/м, а другого (60% Cu, 40% Ni) — 0.48-0.52 мкОм/м.

Зв’язок з коефіцієнтом теплопровідності

Питома електропровідність міді — 59 500 000 См/м. Цей показник, як вже згадувалося, вірний, проте тільки при температурі + 20 оС. Між коефіцієнтом теплопровідності будь-якого металу і питомою провідністю існує певний зв’язок. Встановлює його закон Відемана — Франца. Виконується він для металів при високих температурах і виражається в такій формулі: K/^ = ^ 2/3 (k/e) ²T, де y — питома провідність, k — постійна Больцмана, e — елементарний заряд.

Зрозуміло, існує подібний зв’язок і у 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 у побуті та промисловості почало використовуватися електрообладнання все більш високої потужності. За часів 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 тугоплавкості, є те, що при окислювальному 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 надто сильно. Але тільки у самих цих металів. Окислювальні ж плівки у алюмінію і міді властивості мають неоднакові. Через це значно знижується провідність у місці з’єднання. Окислювальна плівка у алюмінію відрізняється набагато більшим опором, ніж у міді. Тому з’єднання цих двох різновидів провідників має проводитися виключно через спеціальні перехідники. Це можуть бути, наприклад, затиснуті, що містять пасту, що захищає метали від появи окису. Цей варіант перехідників зазвичай використовується при з’єднанні дротів на вулиці. У приміщеннях частіше застосовуються відгалужувальні стиснуті. У їх конструкцію входить спеціальна пластина, що виключає прямий контакт між алюмінієм і міддю. За відсутності таких провідників у побутових умовах замість скручування проводів безпосередньо рекомендується використовувати шайбу і гайку як проміжний «місток».

Фізичні властивості

Таким чином, ми з’ясували, яка електропровідність у міді. Показник цей може змінюватися залежно від тих, що входять до складу цього металу домішок. Однак затребуваність міді в промисловості визначається й іншими її корисними фізичними властивостями, отримати інформацію про які можна з представленої нижче таблиці.

Фізичні характеристики Cu

Хімічні властивості

За такими характеристиками 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 хімічних властивостей відносять:

• схильність до комплексоутворення;
• здатність давати пофарбовані сполуки і нерозчинні сульфіди.

Найбільш характерним для міді є двовалентний стан. Схожості з лужними металами вона не має практично ніякої. Хімічна активність її також невелика. У присутності SO₂ або ж вологи на поверхні міді утворюється зелена карбонатна плівка. Усі солі міді є отруйними речовинами. В одно- і двовалентному 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 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:

• у ювелірній справі;
• в архітектурі;
• при збірці водопровідних та опалювальних систем;
• у газопроводах.

Для виготовлення різного роду ювелірних виробів використовується в основному сплав міді із золотом. Це дозволяє збільшити стійкість прикрас до деформацій і істиранію. В архітектурі мідь може використовуватися при облицюванні покрівель і фасадів. Основною перевагою такого оздоблення є довговічність. Наприклад, листами саме цього металу обшитий дах широко відомої архітектурної пам’ятки — католицького собору в німецькому місті Хільдесхаймі. Мідна покрівля цієї будівлі надійно захищає її внутрішній простір ось уже майже 700 років.

Інженерні комунікації

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