Kupari: sähkönjohtavuus, ominaisuudet, ominaisuudet ja sovellukset
Monilla nykyaikaisen teollisuuden haaroistaKuparia kuten kuparia käytetään laajalti. Tämän metallin sähkönjohtavuus on erittäin korkea. Tämä selittää sen soveltamisen tarkoituksenmukaisuuden lähinnä sähkötekniikassa. Kuparista saadaan erinomaiset suorituskykyominaisuudet johtimista. Tietenkin tätä metallia käytetään paitsi sähkötekniikassa myös muilla aloilla. Sen kysyntää selitetään muun muassa sen ominaisuuksilla, kuten korroosionkestävyydestä useissa syövyttävissä materiaaleissa, palonkestävyydessä, sitkeydessä jne.
Historiallinen tausta
Kupari on metalli, jonka tiedetään olevan ihmisen kanssaantiikin. Ihmisten varhainen tutustuminen tähän materiaaliin selittyy ennen kaikkea sen laaja-alaisella luonteella nuggets-muodossa. Monet tutkijat uskovat, että kupari oli ensimmäinen metalli, ihminen, joka palautettiin happiyhdisteistä. Kerran kerralla kiviä yksinkertaisesti lämmitettiin tulipaloon ja hiukan jäähtyi, mikä aiheutti niiden rikkoutumisen. Myöhemmin kuparin restaurointi alkoi tuottaa kokkareita lisäämällä hiiltä ja puhaltamalla turkkeja. Tämän menetelmän parantaminen johti lopulta akselitehtaiden muodostamiseen. Vielä myöhemmin tämä metalli alkoi tuottaa oksidatiivisen sulatuksen menetelmällä.
Kupari: materiaalin sähkönjohtavuus
Rauhallisessa tilassa kaikki vapaat elektronitmikä tahansa metalli pyörii ytimen ympärillä. Kun liität ulkoisen iskulähteen, ne kohdistetaan tiettyyn järjestykseen ja tulevat virran kantajiksi. Metallin kykyä kulkea viimeisen läpi kutsutaan sähköä johtavaksi. Yksikön mittaus kansainvälisessä SI: ssä on Siemens, määriteltynä 1 cm = 1 Ω-1.
Kuparin sähkönjohtavuus on erittäin korkea. Tällä indikaattorilla se ylittää kaikki tänään tunnetut ei-jaloiset metallit. Parempi kuin hänen nykyinen kulkee vain hopeaa. Kuparin sähkönjohtavuuden indikaattori on 57x104 cm-1 lämpötilassa +20 ° C. Tämän ominaisuuden ansiosta tämä metalli on tällä hetkellä yleisimmin käytetty kapellimestari kaikesta tuotannossa ja kotitalouksissa.
Kupari täydellisesti kestää pysyvää sähköäkuorma ja sen lisäksi se on luotettava ja kestävä. Muun muassa metallille on ominaista korkea sulamispiste (1083,4 ° C). Ja tämä puolestaan mahdollistaa kuparin toimivan pitkään lämmitetyssä tilassa. Nykyisen johtimen esiintyvänä vain alumiini voi kilpailla tämän metallin kanssa.
Epäpuhtauksien vaikutus kuparin sähkönjohtavuuteen
Tietenkin meidän aikamme sulattaa tämäpunainen metalli käyttää paljon kehittyneempiä tekniikoita kuin antiikin. Kuitenkin vielä tänään on lähes mahdotonta saada täysin puhdasta Cu: tä. Kuparissa on aina erilaisia epäpuhtauksia. Se voi olla esimerkiksi piitä, rautaa tai berylliumia. Samaan aikaan, mitä enemmän epäpuhtauksia kuparissa, sitä pienempi sähkönjohtavuuden indeksi. Esimerkiksi johdinten valmistamiseksi sopii vain riittävän puhtaat metallit. Standardien mukaan kuparia voidaan käyttää tähän tarkoitukseen, jolloin epäpuhtaudet eivät ylitä 0,1%.
Hyvin usein tämä metalli sisältäätietty prosenttiosuus rikkiä, arseeniä ja antimonia. Ensimmäinen aine vähentää huomattavasti materiaalin plastisuutta. Kuparin ja rikin sähkönjohtavuus vaihtelee suuresti. Tämä epäpuhtaus ei suorita nykyistä lainkaan. Eli se on hyvä eristin. Kuparirikin sähkönjohtavuus ei kuitenkaan vaikuta lähes mihinkään. Sama koskee lämmönjohtavuutta. Antimoni ja arseeni päinvastainen kuva havaitaan. Nämä elementit kuparin johtavuus voivat vähentää merkittävästi.
seokset
Erilaisia lisäaineita voidaan käyttää jaerityisesti tällaisen pehmittämän materiaalin, kuten kuparin, lujuuden lisäämiseksi. Ne myös vähentävät sähkönjohtavuutta. Mutta niiden käyttö mahdollistaa useiden tuotteiden elinkaaren huomattavan pidentymisen.
Useimmiten vahvuutta lisäävä kuparikäytettyjä lisäaineita Cd (0,9%). Tuloksena on kadmiumpronssi. Sen johtavuus on 90% kuparin johtavuudesta. Joskus kadmiumin sijaan käytetään myös alumiinia lisäaineena. Tämän metallin johtavuus on 65% samasta kuparin indeksistä. Lankojen lujuuden parantamiseksi lisäaineina voidaan käyttää muita aineita ja aineita, kuten tinaa, fosforia, kromia, berylliumia. Tulos on tietyn brändin pronssi. Kuparin ja sinkin välinen yhteys kutsutaan messinkiksi.
Alloy Properties
Metallien sähkönjohtavuus ei välttämättä riipuvain niiden sisältämien epäpuhtauksien määrästä, mutta myös muista indikaattoreista. Esimerkiksi kuumennuslämpötilan nousun myötä kuparin kyky kulkea virran läpi vähenee. Jopa valmistusmenetelmä vaikuttaa tällaisen viiran sähkönjohtavuuteen. Päivittäisessä elämässä ja tuotannossa voidaan käyttää sekä pehmeitä hehkutettuja kuparijohtimia että kiinteää vedettävää kuparia. Ensimmäisessä lajissa kyky kulkea nykyisen virran läpi on suurempi.
Kuitenkin ennen kaikkea tietenkin,käytetyt lisäaineet ja niiden määrä kuparin sähkönjohtavuudelle. Alla olevassa taulukossa lukijalle annetaan kattavat tiedot kyvystä siirtää virta metallin yleisimpiin metalliseoksiin.
metalliseos | Kunto (O - hehkutettu, T-karkaistu) | Sähkönjohtavuus (%) |
Puhdas kupari | oi | 101 |
T | 98 | |
Tina pronssi (0,75%) | oi | 55-60 |
T | 50-55 | |
Kadmiumpronssi (0,9%) | oi | 95 |
T | 83-90 | |
Alumiinipronssia (2,5% A1, 2% Sn) | oi | 15-18 |
T | 15-18 | |
Fosforipensaali (7% Sn, 0,1%) | oi | 10-15 |
T | 10-15 |
Messinki ja kupari sähkönjohtavuus ovat vertailukelpoisia. Ensimmäinen metalli, tietenkin, on kuitenkin hieman pienempi. Mutta samaan aikaan se on myös suurempi kuin bronzilla. Johdina, messinkiä käytetään melko laajalti. Se kulkee nykyistä huonompi kuin kupari, mutta samalla se on halvempaa. Useimmiten messinki muodostaa yhteyksiä, leikkeitä ja eri osia radiolaitteisiin.
Korkea vastustuskykyiset kupariseokset
Tällaisia johdinmateriaaleja käytetään mmlähinnä vastusten, reostaattien, mittalaitteiden ja sähkölämmityslaitteiden valmistukseen. Tähän tarkoitukseen käytetään useimmiten vakio- ja manganiini-kupariseoksia. Ensimmäisen (86% Cu, 12% Mn, 2% Ni) resistiivisyys on 0,42-0,48 μOhm / m ja toinen (60% Cu, 40% Ni) on 0,48-0,52 μOhm / m.
Suhde lämmönjohtavuuteen
Kuparin spesifinen sähkönjohtavuus on 59 500 000 S / m. Tämä indikaattori, kuten jo mainittiin, on totta, mutta vain lämpötilassa +20 noinS. Minkään metallin lämmönjohtavuus ja erityinen johtokyky ovat kiinteä yhteys. Se perustaa Wiedemann-Franzin lain. Se suoritetaan metalleille korkeissa lämpötiloissa ja se ilmaistaan seuraavassa kaavassa: K / γ = π2 / 3 (k / e)2T, missä y on johtavuus, k on Boltzmannin vakio, e on perusmäärä.
Tietenkin on samanlainen yhteys metallin kaltaiseen kupariin. Sen lämmönjohtavuus ja sähkönjohtavuus ovat erittäin suuret. Toiseksi hopean jälkeen, se on molemmissa näissä indikaattoreissa.
Kupari- ja alumiinilankojen liitäntä
Viime aikoina jokapäiväisessä elämässä ja teollisuudessa alkoikäytettyjä sähkölaitteita yhä suurempi teho. Neuvostoliitossa johdotus tehtiin enimmäkseen halvalla alumiinista. Valitettavasti sen suorituskykyominaisuudet eivät enää vastaa uusia vaatimuksia. Siksi jokapäiväisessä elämässä ja teollisuudessa alumiinilangat muuttuvat usein kupariin. Jälkimmäisen tärkein etu on refractorinessn lisäksi, että hapetusprosessin aikana niiden johtavat ominaisuudet eivät vähene.
Usein nykyaikaistettaessa sähköverkkoja, alumiinia jakuparijohdot on kytkettävä. Et voi tehdä tätä suoraan. Itse asiassa alumiinin ja kuparin sähkönjohtavuus ei poikkea liikaa. Mutta vain näiden metallien kanssa. Alumiinista ja kuparista hapettavat kalvot ovat erilaiset. Tästä johtuen johtokyky risteyksessä vähenee merkittävästi. Alumiininen oksidatiivinen kalvo on paljon kestävämpi kuin kupari. Siksi näiden kahden johtimen tyypin liittäminen on tehtävä yksinomaan erityisten sovittimien avulla. Nämä voivat olla esimerkiksi leikkeitä, jotka sisältävät tahraa, joka suojaa metalleja oksidin ulkonäöstä. Tätä sovittimen vaihtoa käytetään yleensä, kun johdot on kytketty kadulle. Tiloissa käytetään usein haaroittimia. Niiden muotoilu sisältää erityisen levyn, joka sulkee pois suoran kosketuksen alumiinin ja kuparin välillä. Koska tällaisia johtimia ei ole kotitalouksien oloissa, johdojen kiertymisen sijasta on suositeltavaa käyttää aluslevyä ja mutteria välisilta.
Fysikaaliset ominaisuudet
Joten selvitimme, mikäkuparin johtavuus. Tämä indikaattori voi vaihdella tämän metallin koostumuksen epäpuhtauksien mukaan. Kuitenkin teollisuuden kuparin kysyntä määräytyy myös sen muiden hyödyllisten fysikaalisten ominaisuuksien perusteella, joista on saatavissa alla olevaa taulukkoa.
parametri | arvo |
grilli | Kasvot keskittyvät kuutiometriin, a = 3.6074 Å |
Atomi-säde | 1,28 Å |
Erityinen lämpö | 385,48 J / (kg · K) +20 ° C: ssa noinC |
Lämmönjohtavuus | 394,279 W / (m · K) +20 ° C: ssa noinC |
Sähkövastus | 1,68 · 10-8 Ohm · m |
Lineaarinen laajenemiskerroin | 17,0 · 10-6 |
kiinteys | 350 Mn / m2 |
Vetolujuus | 220 Mn / m2 |
Kemialliset ominaisuudet
Näiden ominaisuuksien mukaan kupari, sähkönjohtavuusja jonka lämmönjohtavuus on erittäin korkea, se sijaitsee välitilassa kahdeksannen ryhmän ensimmäisen kolmion elementtien ja periodiaseman ensimmäisen ryhmän emäksisten elementtien välillä. Sen tärkeimmät kemialliset ominaisuudet ovat:
taipumus kompleksointiin;
kyky tuottaa väriaineita ja liukenemattomia sulfideja.
Kuparin ominaispiirre on kaksivalenssinen tila. Alkali- metalleilla ei ole käytännössä yhtäläisyyksiä. Sen kemiallinen aktiivisuus on myös pieni. CO: n läsnä ollessa2 tai kosteutta kuparin pinnallavihreä karbonaattikalvo. Kaikki kuparisuolat ovat myrkyllisiä. Yhdessä ja kaksiarvoisessa tilassa tämä metalli muodostaa erittäin stabiileja kompleksisia yhdisteitä. Ammoniakkiyhdisteet ovat teollisuuden kannalta eniten tärkeitä.
Käyttöalue
Kuparin korkea lämmön- ja sähkönjohtavuusmäärittää sen laaja käyttö eri toimialoilla. Tietenkin useimmiten tätä metallia käytetään sähkötekniikassa. Tämä ei kuitenkaan ole ainoa soveltamisala sen soveltamisesta. Muun muassa kuparia voidaan käyttää:
koruja;
arkkitehtuurissa;
veden ja lämmitysjärjestelmien kokoonpanossa;
kaasuputkistoissa.
Valmistetaan erilaisia korujakäytetään pääasiassa kuparin ja kullan metalliseoksesta. Tämän ansiosta voit korottaa korroosionkestävyyttä muodonmuutokseen ja hankautumiseen. Arkkitehtuurissa kuparia voidaan käyttää katto- ja julkisivuja kohti. Tämän viimeistelyn tärkein etu on kestävyys. Esimerkiksi tämän metallin levyt päällystivät tunnetun arkkitehtonisen maamerkin katon - katolinen katedraali Saksan Hildesheimin kaupungissa. Tämän rakennuksen kuparikatto suojelee luotettavasti sisäistä tilaaan lähes 700 vuotta.
Engineering Communications
Kupariputkien tärkeimmät edutmyös kestävyys ja luotettavuus. Lisäksi tämä metalli pystyy antamaan vettä erityisiä ainutlaatuisia ominaisuuksia, mikä tekee siitä hyödyllisen kehon. Kupariputket ovat myös ihanteellisia kaasuputkien ja lämmitysjärjestelmien kokoonpanossa - lähinnä niiden korroosionkestävyyden ja sitkeyden vuoksi. Hätäpaineen nousulla tällaiset linjat pystyvät kestämään paljon suuremman kuormituksen kuin teräksestä. Kupariputkistojen ainoa haitta on niiden korkea kustannus.
