Проводниковые материалы: виды, свойства, характеристики

Содержание страницы

1. Классификация проводниковых материалов
2. Фундаментальная физика процессов в проводниках
3. Медь: Основной материал электротехники
4. Алюминий: Легкий и экономичный
5. Железо и сталь: Прочность, магнетизм и тепловое действие
6. Тугоплавкие материалы
7. Легкоплавкие металлы и припои
8. Углеродные материалы
9. Сверхпроводимость: Квантовый прорыв
10. Интересные факты о проводниках
11. Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Заключение

Проводниковые материалы (или просто проводники) — это класс веществ, которые обладают способностью проводить электрический ток под воздействием внешнего электрического поля. С точки зрения зонной теории твердого тела, это материалы, в которых валентная зона и зона проводимости перекрываются, либо энергетическая щель между ними ничтожно мала, что обеспечивает высокую концентрацию свободных носителей заряда (электронов) даже при комнатной температуре. В твердых телах (металлах) концентрация свободных электронов достигает значений порядка \( 10^{22} \dots 10^{23} \, \text{см}^{-3} \). Согласно зонной теории твердого тела, проводники характеризуются тем, что их валентная зона либо перекрывается с зоной проводимости, либо валентная зона заполнена лишь частично. Это означает, что электрону требуется ничтожно мало энергии для перехода на более высокий энергетический уровень, где он становится свободным и может участвовать в переносе тока.

Историческая справка: Первое разделение материалов на проводники и изоляторы (диэлектрики) было предложено английским физиком Стивеном Греем еще в 1729 году. Однако математическое описание процессов появилось лишь в XIX веке благодаря работам Георга Ома, который экспериментально установил линейную связь между током и напряжением, и Пола Друде, создавшего в 1900 году классическую теорию электропроводности металлов.

1. Классификация проводниковых материалов

В инженерной практике принято классифицировать проводниковые материалы по величине их удельного электрического сопротивления (\(\rho\)) и области применения. Этот параметр является ключевой характеристикой, определяющей эффективность материала.

1.1. Материалы высокой проводимости

Это «элита» проводникового мира. Удельное сопротивление таких материалов лежит в диапазоне \( \rho = 0{,}016 \dots 0{,}05 \, \text{мкОм} \cdot \text{м} \). Их главная задача — передача энергии с минимальными тепловыми потерями.

Серебро (Ag): \(\rho \approx 0{,}016 \, \text{мкОм} \cdot \text{м}\). Лучший проводник при комнатной температуре, но из-за высокой стоимости и дефицита применяется ограниченно (контакты, ВЧ-покрытия).
Медь (Cu): \(\rho \approx 0{,}0172 \, \text{мкОм} \cdot \text{м}\). Стандарт де-факто в электротехнике.
Золото (Au): \(\rho \approx 0{,}024 \, \text{мкОм} \cdot \text{м}\). Используется исключительно в микроэлектронике благодаря фантастической коррозионной стойкости.
Алюминий (Al): \(\rho \approx 0{,}026 \dots 0{,}028 \, \text{мкОм} \cdot \text{м}\). Главный конкурент меди, выигрывающий за счет малого веса и цены.

1.2. Материалы средней проводимости

Сюда относятся различные сплавы на основе меди и алюминия с \(\rho = 0{,}05 \dots 0{,}3 \, \text{мкОм} \cdot \text{м}\). Это латуни (сплав с цинком) и бронзы (сплавы с оловом, бериллием, хромом). Легирование всегда ухудшает проводимость (нарушается идеальность кристаллической решетки), но взамен инженеры получают высокую механическую прочность, твердость, упругость или коррозионную стойкость.

1.3. Материалы высокого сопротивления

Группа сплавов с \(\rho = 0{,}3 \dots 50 \, \text{мкОм} \cdot \text{м}\). В отличие от первой группы, здесь высокое сопротивление — это не недостаток, а полезное свойство. Материалы типа нихрома, фехраля, манганина и константана используются для:

Преобразования электрической энергии в тепловую (нагревательные элементы печей, ТЭНы).
Ограничения тока и создания падения напряжения (реостаты, нагрузочные резисторы).
Создания образцовых мер сопротивления (благодаря стабильности параметров).

2. Фундаментальная физика процессов в проводниках

2.1. Закон Ома в дифференциальной форме

Школьная формула \( I = U/R \) описывает поведение цепи в целом (интегральная форма). Однако для понимания процессов внутри материала необходимо рассматривать дифференциальную форму закона Ома, которая связывает векторы в каждой точке объема проводника.
Уравнение (1) гласит:

\vec{J} = \gamma \vec{E} \quad (1)

Где:

\( \vec{J} \) — вектор плотности тока (\( \text{А/м}^2 \)).

\( \gamma \) — удельная проводимость (\( \text{См/м} \)), величина, обратная удельному сопротивлению \( \gamma = 1/\rho \).

\( \vec{E} \) — вектор напряженности электрического поля (\( \text{В/м} \)).

Поскольку напряженность электрического поля \( \vec{E} \) связана с электрическим потенциалом \( \varphi \) через градиент (поле направлено в сторону уменьшения потенциала), уравнение можно переписать в виде (2):

\vec{J} = -\gamma \cdot \text{grad} \, \varphi = -\gamma \left( \frac{\partial \varphi}{\partial x}\vec{i} + \frac{\partial \varphi}{\partial y}\vec{j} + \frac{\partial \varphi}{\partial z}\vec{k} \right) \quad (2)

Для инженерных расчетов, предполагая, что проводник однороден, а поле направлено вдоль оси проводника, мы переходим от дифференциалов к конечным приращениям \( \Delta \). Пусть длина проводника \( l \), а сечение \( S \). Тогда уравнение (3):

\frac{I}{S} = \gamma \frac{\Delta \varphi}{l} = \gamma \frac{U}{l} \quad (3)

Отсюда получаем классическую формулу сопротивления (4, 5):

R = \frac{U}{I} = \frac{1}{\gamma} \cdot \frac{l}{S} = \rho \frac{l}{S} \quad (4)

Примечание: Удельное сопротивление \( \rho \) не является константой. Оно зависит от дефектов кристаллической решетки (примеси, дислокации, границы зерен) и температуры. Это описывается правилом Маттиссена: полное сопротивление есть сумма сопротивления, вызванного рассеянием электронов на колебаниях решетки (фононах), и сопротивления, вызванного статическими дефектами.

2.2. Температурная зависимость сопротивления

С ростом температуры амплитуда тепловых колебаний ионов в узлах кристаллической решетки увеличивается. Это увеличивает эффективное сечение рассеяния электронов, сокращает длину свободного пробега и, как следствие, повышает электрическое сопротивление металлов.

Рис. 1. Зависимость удельного сопротивления металлического проводника от температуры. График демонстрирует линейный рост в рабочем диапазоне, резкий скачок при плавлении (\(\theta_{пл}\)) и плато остаточного сопротивления при низких температурах (или спад в ноль для сверхпроводников — пунктирная линия).

В диапазоне рабочих температур зависимость хорошо описывается линейным уравнением (6):

\rho_2 = \rho_1 [1 + \alpha(\theta_2 — \theta_1)] \quad (6)

Где \( \alpha \) — температурный коэффициент сопротивления (ТКС).

Для чистых металлов \( \alpha \approx 0{,}004 \) 1/К. Это означает, что при нагреве на 100°C сопротивление медной обмотки увеличивается примерно на 40%. Это критически важно учитывать при расчете тепловых режимов трансформаторов и двигателей.

При достижении температуры плавления \( \theta_{пл} \) дальний порядок в расположении атомов исчезает (металл плавится), что приводит к скачкообразному росту сопротивления в 1.5–2 раза.

2.3. Термоэлектрический эффект (Эффект Зеебека)

Если составить цепь из двух разных проводников и поддерживать места их соединений (спаи) при разных температурах, в цепи возникнет термоэлектродвижущая сила (термоЭДС). Физическая причина кроется в различии уровней Ферми у разных металлов и диффузии электронов от горячего конца к холодному.

Это явление используется в термопарах для измерения температуры. Популярные сплавы для термопар:

Хромель: Сплав Ni (90%) и Cr (10%). Устойчив к окислению при высоких температурах.
Алюмель: Сплав на основе Ni с добавками Al, Mn, Si. Обычно используется как отрицательный электрод в паре с хромелем (тип K).
Копель: Сплав Cu (56%) и Ni (44%). Обладает высокой термоЭДС.
Константан: Сплав Cu (60%) и Ni (40%). Известен своей термостабильностью.

Одной из лучших пар является Хромель-Копель (ТХК), обладающая высокой чувствительностью, и Хромель-Алюмель (ТХА) для температур до 1100-1300°C.

2.4. Поверхностный эффект (Скин-эффект)

При протекании постоянного тока плотность тока по сечению проводника распределена равномерно. Однако на переменном токе картина меняется. Переменное магнитное поле внутри проводника индуцирует вихревые электрические поля (ЭДС самоиндукции).

Рис. 2. Поверхностный эффект: а — схематическое изображение вытеснения тока к поверхности из-за противодействия вихревых токов в центре; б — экспоненциальный график убывания плотности тока \(J\) от поверхности (\(x=0\)) вглубь проводника.

Вихревые токи в центре проводника направлены против основного тока, а на поверхности — совпадают с ним. В результате ток вытесняется к поверхности («skin» — кожа). Эффективное сечение проводника уменьшается, а его активное сопротивление возрастает.
Толщина скин-слоя \( \delta \) (глубина проникновения), на которой плотность тока убывает в \( e \approx 2{,}718 \) раз, определяется формулой (7):

\delta = \sqrt{\frac{2}{\omega \mu_a \gamma}} = \sqrt{\frac{1}{\pi f \mu_0 \mu \gamma}} \quad (7)

Где:

\( f \) — частота тока (Гц);

\( \mu \) — относительная магнитная проницаемость;

\( \mu_0 = 4\pi \cdot 10^{-7} \) Гн/м — магнитная постоянная.

Аналогия:
Представьте плотную толпу людей, которой часто командуют мгновенно разворачиваться и бежать обратно (переменный ток).Люди в центре окружены со всех сторон, поэтому при каждом развороте их движение сильно затруднено — они мешают друг другу (аналог высокой самоиндукции и встречных ЭДС в объёме проводника).Участники по краю толпы имеют свободное пространство с одной стороны, поэтому могут легче и быстрее менять направление.При частых командах «вперёд–назад» (высокой частоте) основное движение концентрируется у краёв, тогда как в центре оно становится значительно слабее.

Практические следствия:

Для меди на частоте 50 Гц глубина проникновения \( \delta \approx 9{,}3 \) мм. Это значит, что медные шины толщиной более 15-20 мм делать бессмысленно — их сердцевина не будет проводить ток.

Для стали, у которой магнитная проницаемость \( \mu \) велика (сотни и тысячи), скин-слой ничтожен (\( \delta < 1 \) мм). Поэтому стальные провода имеют гигантское сопротивление переменному току.

На высоких частотах (кГц, МГц) используют литцендрат — провод, сплетенный из множества изолированных тонких жилок, каждая из которых тоньше скин-слоя.

3. Медь: Основной материал электротехники

Медь (Cu) — красновато-оранжевый металл, обладающий уникальным комплексом свойств: высокой электропроводностью, теплопроводностью, пластичностью и коррозионной стойкостью.

Рис. 3. Цикл производства меди: а — исходная халькопиритовая (сульфидная) руда; б — электролитические медные катоды и готовый прокат (шины, катанка).

3.1. Технология и марки

Медь добывают из сульфидных руд. После пирометаллургической выплавки получают «черновую» медь, которая непригодна для электрики из-за примесей. Её подвергают электролитическому рафинированию (очистке).
Согласно ГОСТ 859-2014, существуют различные марки меди:

М00 (и бескислородная М00б): Содержание меди >99,99%. Используется для особо ответственных проводов, в вакуумной технике.
М0: Высокочистая медь.
М1: Стандартная электротехническая медь (99,9%). Используется для проводов, кабелей, шин.

Водородная болезнь меди: Медь, содержащая кислород (в виде оксида \(Cu_2O\)), при нагреве в водородосодержащей среде подвержена разрушению. Водород проникает в металл, реагирует с оксидом: \( Cu_2O + H_2 \rightarrow 2Cu + H_2O \). Образующийся водяной пар создает огромное давление внутри пор, вызывая растрескивание металла. Поэтому для пайки в водородных печах используют только бескислородную медь.

3.2. Влияние обработки

Медь бывает твердой (МТ) и мягкой (ММ).

Твердая медь получается методом холодной деформации (наклепа). У нее искаженная кристаллическая решетка, что повышает прочность на разрыв (до 400 МПа) и твердость, но снижает проводимость на 2-5%. Она пружинит. Применяется для троллейных проводов, шин РУ, коллекторных пластин.

Мягкая медь получается после отжига (нагрев до 250-300°C и медленное охлаждение). Решетка восстанавливается, металл становится пластичным, проводимость максимальна. Идет на жилы кабелей и обмоточные провода.

3.3. Сплавы меди: Бронзы и Латуни

Чистая медь слишком мягкая для некоторых задач. Легирование позволяет решить эту проблему, хоть и ценой снижения электропроводности.

Рис. 4. Изделия из медных сплавов: а — пружина из бериллиевой бронзы; б — латунные контакты штепсельного разъема.

Таблица 1. Сравнение свойств медных сплавов
Сплав	Легирующий элемент	Свойства	Применение
Латунь	Цинк (Zn) до 45%	Дешевле меди, прочнее, хорошо обрабатывается, коррозионностойкая.	Зажимы, клеммы, штифты вилок, крепеж.
Кадмиевая бронза	Кадмий (Cd) ~1%	Высокая износостойкость при сохранении 90% проводимости меди. Дугостойкость.	Контактные провода скоростных поездов, коллекторные пластины.
Бериллиевая бронза	Бериллий (Be) ~2%	Рекордная упругость, усталостная прочность, отсутствие искрения при ударе.	Пружинные контакты в ответственной электронике (авиация, космос).
Фосфористая бронза	Олово (Sn), Фосфор (P)	Хорошие пружинные свойства, низкий коэффициент трения.	Скользящие контакты, щеткодержатели.

3.4. Прецизионные сплавы: Манганин и Константан

Для изготовления точных резисторов нужны материалы, сопротивление которых почти не меняется от температуры (ТКС близок к нулю).

Рис. 5. Резистивные сплавы: а — манганиновая проволока в катушке; б — константановая лента.

Манганин (Cu-Mn-Ni): ТКС \( \approx 10^{-5} \, \text{К}^{-1} \) (в сотни раз меньше, чем у меди). Имеет очень малую термоЭДС в паре с медью, что делает его идеальным для шунтов амперметров и эталонных катушек сопротивления.
Константан (Cu-Ni): Также имеет стабильное сопротивление, но развивает высокую термоЭДС с медью (40-50 мкВ/К). Поэтому его используют в термопарах или нагревателях, но не в высокоточных измерительных цепях (чтобы избежать паразитных напряжений).

4. Алюминий: Легкий и экономичный

Алюминий (Al) — серебристо-белый металл, занимающий второе место по значимости после меди. Его получают электролизом глинозема в расплавленном криолите при температуре около 950°C.

Рис. 6. Алюминий: а — боксит (алюминиевая руда); б — поперечный разрез силового кабеля с секторными алюминиевыми жилами.

4.1. Сравнение с медью

Электропроводность: Удельное сопротивление Al (\(0{,}028 \, \text{мкОм} \cdot \text{м}\)) примерно в 1,65 раза выше, чем у Cu.
Плотность: Алюминий (\(2{,}7 \, \text{г/см}^3\)) более чем в 3 раза легче меди (\(8{,}9 \, \text{г/см}^3\)).
Экономика: Чтобы получить ту же проводимость, алюминиевый провод должен быть толще медного (на 2 условных типоразмера сечения), но при этом он будет в 2 раза легче. Это критически важно для воздушных линий электропередачи (ВЛ), где вес провода определяет нагрузку на опоры.

4.2. Проблемы эксплуатации алюминия

Несмотря на дешевизну, алюминий имеет серьезные недостатки, ограничивающие его применение в бытовой проводке (во многих странах использование чистого алюминия малых сечений в жилье запрещено или ограничено):

Оксидная пленка: Алюминий мгновенно покрывается тонкой, твердой и тугоплавкой пленкой \( Al_2O_3 \). Эта пленка — отличный диэлектрик. Она обеспечивает коррозионную стойкость, но резко ухудшает переходное сопротивление в местах контакта. Перед соединением алюминий нужно зачищать под слоем технического вазелина (кварце-вазелиновой пасты).
Хладотекучесть (ползучесть): Под давлением винтового зажима алюминий со временем «вытекает» из-под контакта. Зажим ослабевает, переходное сопротивление растет, контакт перегревается, что может привести к пожару. Алюминиевые контакты требуют периодической подтяжки.
Электрохимическая коррозия: Пара «Медь-Алюминий» образует гальванический элемент. При наличии влаги алюминий (анод) быстро разрушается. Соединение допустимо только через специальные биметаллические переходники (гильзы ГАМ, шайбы ШАМ) или клеммники с разделяющей пастой.

Современное решение: Использование алюминиевых сплавов 8000-й серии (Al-Fe-Cu), которые обладают повышенной пластичностью и устойчивостью к ползучести, что позволяет использовать их в современной проводке.

5. Железо и сталь: Прочность, магнетизм и тепловое действие

Железо (Fe) — ферромагнитный металл, который в химически чистом виде в электротехнике практически не применяется из-за технологической сложности получения и недостаточной механической прочности. Вместо него используются сплавы железа с углеродом — углеродистые стали.

С точки зрения проводимости, сталь значительно уступает цветным металлам. Удельное электрическое сопротивление стали составляет \( \rho \approx 0{,}10 \dots 0{,}15 \, \text{мкОм} \cdot \text{м} \), что в 6–8 раз выше, чем у меди. Однако главной особенностью стали является ее ферромагнетизм. При протекании переменного тока в стальном проводнике возникают интенсивные процессы перемагничивания, приводящие к потерям энергии на гистерезис, а также значительные вихревые токи.

Рис. 7. Конструкция сталеалюминиевого провода (АС): 1 — стальной сердечник, воспринимающий механическую нагрузку; 2 — повивы алюминиевых проволок, обеспечивающие электропроводность.

Из-за поверхностного эффекта и высокой магнитной проницаемости (\( \mu \gg 1 \)) активное сопротивление стального провода на переменном токе может быть в 2–3 раза выше его омического сопротивления постоянному току. Тем не менее, высокая механическая прочность (предел прочности 700–1200 МПа) и низкая стоимость делают сталь незаменимой в следующих областях:

Провода АС (Air, Steel): В воздушных линиях электропередачи (ВЛ) используется композитная конструкция. Центральный сердечник из оцинкованных стальных проволок несет на себе вес провода, гололедные нагрузки и ветровое давление. Токоведущая часть выполнена из алюминия. Благодаря скин-эффекту ток высокой плотности протекает преимущественно по внешним алюминиевым слоям, практически не заходя в стальной сердечник, что минимизирует потери.
Контуры заземления: Стальные полосы и уголки — основной материал для заземляющих устройств. Здесь низкая удельная проводимость стали не является критической, так как основным сопротивлением в цепи заземления является сопротивление растеканию тока в грунте, а не сопротивление самого электрода. Для защиты от коррозии в грунте сталь обязательно подвергают оцинковке.

Наглядным примером комплексного использования стали в энергетике служит опора линии электропередачи (Рис. 8), где сталь выполняет как несущие, так и защитные функции.

Рис. 8. Опора высоковольтной линии электропередачи:

Грозозащитный трос из стали: расположен в самой верхней точке для перехвата ударов молнии;
Сталеалюминиевые провода: основные токоведущие элементы;
Металлическая опора: решетчатая конструкция из конструкционной стали;
Контур заземления из стали: обеспечивает отвод токов в землю для безопасности.

5.1. Нихром и электротермические сплавы

Особую группу составляют сплавы на основе никеля, хрома и железа, разработанные специально для преобразования электрической энергии в тепловую. Наиболее известным представителем является Нихром (например, марка Х20Н80: 20% Cr, 80% Ni).

Эти материалы относятся к проводникам высокого сопротивления с параметрами \( \rho = 1{,}0 \dots 1{,}4 \, \text{мкОм} \cdot \text{м} \). Их ключевые эксплуатационные свойства:

Жаростойкость: Рабочая температура достигает 1000–1200°C. Хром в составе сплава при нагреве образует плотную защитную пленку оксида \( Cr_2O_3 \), которая имеет тот же коэффициент термического расширения, что и сам металл, и не растрескивается при циклических нагревах.
Пластичность: Нихром легко вытягивается в тонкую проволоку и ленту, что позволяет изготавливать компактные спирали.

Примечание: Альтернативой дорогому нихрому служат феррохромали (сплавы Fe-Cr-Al, например, Кантал). Они дешевле и работают при температурах до 1400°C, но становятся очень хрупкими после первого нагрева, что делает их непригодными для устройств, подверженных вибрации.

Из нихрома изготавливают нагревательные элементы бытовой техники (утюги, чайники), промышленных печей сопротивления и пускотормозные реостаты электротранспорта.

Недостаток: Нихром нельзя использовать в условиях высокого вакуума при высоких температурах, так как хром начинает интенсивно испаряться, меняя состав сплава. Кроме того, высокая стоимость никеля делает изделия из нихрома достаточно дорогими.

6. Тугоплавкие материалы

6.1. Вольфрам

Самый тугоплавкий металл (\( T_{пл} = 3380^\circ C \)).

Рис. 9. Вольфрам: а — металлический слиток; б — макрофотография двойной спирали лампы накаливания.

Применяется для нитей ламп накаливания и электродов для аргонодуговой сварки (TIG). Также вольфрам устойчив к электрической эрозии, поэтому его (или композиты серебро-вольфрам) используют в разрывных контактах высоковольтных выключателей, где возникают мощные дуги.

6.2. Молибден

Аналог вольфрама, но более легкий и технологичный. Используется в вакуумной электронике (держатели нитей накала, аноды ламп).

7. Легкоплавкие металлы и припои

Олово (Sn) и свинец (Pb) имеют низкие температуры плавления (232°C и 327°C соответственно). Их сплавы — припои — используются для создания неразъемных электрических соединений.

Классический припой ПОС-61 (61% олова, 39% свинца) плавится при 183°C (эвтектика), что позволяет паять детали, не перегревая их.

Экологический тренд: Директива RoHS (EU) запрещает свинец в электронике, поэтому мир переходит на бессвинцовые припои (Sn-Cu-Ag), хотя они более тугоплавкие и хрупкие.

8. Углеродные материалы

Графит — аллотропная модификация углерода со слоистой структурой. Он занимает промежуточное положение между металлами и полупроводниками.

Щетки электрических машин: Графит обладает хорошей проводимостью и низким коэффициентом трения (работает как твердая смазка). Это позволяет снимать ток с вращающегося коллектора или колец, не изнашивая их.
Электроды: Используются в электродуговых печах для плавки стали и в электролизерах.

9. Сверхпроводимость: Квантовый прорыв

Сверхпроводимость — это полное исчезновение электрического сопротивления (\( R=0 \)) при охлаждении материала ниже критической температуры \( \theta_c \). Это чисто квантовый эффект, объясняемый теорией БКШ (Бардина-Купера-Шриффера): электроны объединяются в куперовские пары и движутся сквозь решетку согласованно, не рассеиваясь на ее колебаниях.

Рис. 9. Фазовые переходы в сверхпроводниках: а — I рода (резкий переход, выталкивание поля — эффект Мейснера); б — II рода (существование смешанного состояния в диапазоне полей от \(B_{c1}\) до \(B_{c2}\)).

9.1. Классификация сверхпроводников

Сверхпроводники I рода: Чистые металлы (Hg, Pb, Sn, Al). Имеют очень низкие критические поля \( B_c \), поэтому непригодны для создания мощных магнитов. Эффект Мейснера (выталкивание магнитного поля) в них полный.
Сверхпроводники II рода: Сплавы (NbTi, \( Nb_3Sn \)). При определенных полях магнитное поле проникает в них в виде квантованных вихрей (вихрей Абрикосова), но проводимость сохраняется. Это позволяет создавать магниты с полями 10-20 Тесла (МРТ, коллайдеры).
ВТСП (Высокотемпературные): Сложная керамика (например, YBCO — иттрий-барий-медь-оксид). Переходят в сверхпроводящее состояние при температуре жидкого азота (77 К, -196°C), что гораздо дешевле гелиевого охлаждения.

9.2. Применение

Помимо томографов МРТ и научных установок (Большой адронный коллайдер), сверхпроводимость внедряется в энергетику:

Сверхпроводящие кабели: (Рис. 10). Способны передавать гигантские мощности при низком напряжении (нет потерь). Пилотные проекты уже работают в сетях мегаполисов.
Ограничители тока КЗ (SFCL): Устройство, которое мгновенно теряет сверхпроводимость при скачке тока, превращаясь в обычный резистор и ограничивая ток аварии.
Maglev: Поезда на магнитной левитации, развивающие скорости до 600 км/ч.

Рис. 10. Конструкция высокотемпературного сверхпроводящего (ВТСП) кабеля: канал для жидкого азота, сверхпроводящие ленты, электрическая изоляция и криостат (термос) для теплоизоляции.

10. Интересные факты о проводниках

Серебряный долг Манхэттенского проекта. Во время Второй мировой войны для создания мощных электромагнитов обогащения урана требовалось огромное количество меди, которая была дефицитом. Инженеры обратились в Казначейство США и одолжили 13 500 тонн чистого серебра. Из него изготовили шины и обмотки, так как серебро — лучший проводник, чем медь. После войны весь металл вернули в хранилища.
Парадокс скорости тока. Когда вы щелкаете выключателем, свет загорается мгновенно, потому что электрическое поле распространяется со скоростью, близкой к скорости света (около 300 000 км/с). Однако сами электроны движутся по проводнику невероятно медленно — их дрейфовая скорость составляет всего несколько долей миллиметра в секунду (буквально скорость улитки).
Жидкое стекло — проводник. Мы привыкли считать стекло отличным изолятором. Однако это верно только при низких температурах. Если разогреть стекло до расплавленного состояния, ионы в его структуре приобретают подвижность, и оно становится проводником электрического тока.
Золотой миф аудиофилов. Многие считают золото лучшим проводником из-за его использования в дорогих разъемах. На самом деле удельное сопротивление золота (0,024 мкОм·м) выше, чем у меди (0,017 мкОм·м) и серебра. Золото используют исключительно из-за его химической инертности: оно не окисляется со временем, обеспечивая стабильный контакт, в то время как оксиды меди и серебра ухудшают проводимость.
Проводящий бетон. Современные технологии позволили создать электропроводящий бетон путем добавления в смесь углеродных волокон и металлической стружки. Такой материал используют для создания теплых дорожных покрытий (для таяния льда) и для защиты зданий от электромагнитных помех.
Человек как проводник. Живые ткани организма являются проводниками второго рода (электролитами). Нервные импульсы — это ионные токи, возникающие при движении ионов натрия и калия через клеточные мембраны. Именно поэтому удар током вызывает судороги: внешний ток «перехватывает управление» мышцами у нервной системы.
Криогенная гиперпроводимость. Если охладить сверхчистый алюминий до криогенных температур (но не до сверхпроводимости), его сопротивление падает в тысячи раз, становясь ниже, чем у меди при той же температуре. Это свойство планируют использовать в водородной энергетике, где жидкий водород будет одновременно топливом и хладагентом для алюминиевых кабелей.

11. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Почему нельзя просто скрутить медный и алюминиевый провод?

Это грубейшая ошибка электромонтажа. Медь и алюминий имеют разные электрохимические потенциалы. В месте их прямого контакта при наличии даже минимальной влажности образуется гальваническая пара. Начинается процесс электролиза, при котором алюминий (как более активный металл) быстро разрушается, превращаясь в рыхлый порошок. Это приводит к росту сопротивления, искрению и пожару. Соединять их можно только через стальные переходники, специальные клеммники или медно-алюминиевые гильзы.

Правда ли, что сталь плохо проводит ток, и зачем тогда её используют в проводах?

Да, удельное сопротивление стали примерно в 6-8 раз выше, чем у меди, а на переменном токе ситуация усугубляется потерями на перемагничивание. Однако сталь используют не как основной проводник тока, а как несущий элемент. В проводах линий электропередач (марки АС) стальной сердечник держит вес пролета (механическая прочность), а ток течет по алюминиевой «рубашке» вокруг него.

Что такое «бескислородная медь» и где она нужна?

Это медь высокой чистоты (99,99%), в которой содержание кислорода снижено до 0,001% и менее. Обычная медь содержит микрочастицы оксида меди. Если нагреть её в среде водорода (например, при пайке горелкой), водород проникает внутрь, реагирует с оксидом, образуя водяной пар. Давление пара разрывает металл изнутри (т.н. «водородная болезнь»). Бескислородная медь лишена этого недостатка и используется в ответственной электронике, аудиокабелях и вакуумной технике.

Влияет ли частота тока на выбор сечения провода?

Безусловно. На частоте 50 Гц (бытовая сеть) эффект заметен только на толстых шинах. Но на высоких частотах (килогерцы и мегагерцы) вступает в силу скин-эффект: ток вытесняется на самую поверхность проводника. Середина провода перестает работать. Поэтому для ВЧ-токов используют не сплошной толстый провод, а литцендрат — жгут из сотен тончайших изолированных жилок, или полые трубки, часто покрытые серебром.

Существуют ли проводники, которые работают лучше меди при комнатной температуре?

Единственный металл, превосходящий медь по проводимости при нормальных условиях — это серебро (примерно на 6% лучше). Все остальные известные материалы (золото, алюминий, графен в макромасштабе) уступают меди. Мечта физиков — создание комнатнотемпературных сверхпроводников, которые будут иметь нулевое сопротивление, но на данный момент таких материалов для промышленного использования не существует.

Заключение

Выбор проводникового материала — это всегда компромисс между физическими свойствами (проводимость, плотность) и экономическими факторами (цена, доступность, технологичность). Медь остается королем надежности, алюминий — королем магистральных сетей, а сверхпроводники открывают дверь в энергетику будущего с нулевыми потерями.

Нормативная база

Для обеспечения качества и совместимости материалов используются следующие стандарты:

ГОСТ 859-2014 «Медь. Марки». Определяет химсостав катодной и переплавленной меди.
ГОСТ 11069-2019 «Алюминий первичный. Марки».
ГОСТ 7229-76 «Кабели, провода и шнуры. Метод определения электрического сопротивления токопроводящих жил».
ГОСТ 434-78 «Проволока прямоугольного сечения и шины медные для электротехнических целей».
ГОСТ 839-2019 «Провода неизолированные для воздушных линий электропередачи». (Описывает провода А, АС).
IEC 60028 «International standard of resistance for copper». Международный эталон проводимости меди (IACS).

Список литературы

Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники. — 6-е изд. — СПб.: Лань, 2004. — 368 с.
Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы. — Л.: Энергоатомиздат, 1985.
Журавлева Л.В., Бондарь Е.С. Электроматериаловедение. — М.: Академия, 2018.
Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю. В. Корицкого и др. — 3-е изд. — М.: Энергоатомиздат, 1988.
Kittel C. Introduction to Solid State Physics. — 8th Ed. — Wiley, 2004. (Фундаментальная теория проводимости).