Электротехнические материалы Теория конструктивных материалов

Электротехнические материалы представляют собой совокупность проводниковых, электроизоляционных, магнитных и полупроводниковых материалов, предназначенных для работы в электрических и магнитных полях. Сюда же можно отнести основные электротехнические изделия: изоляторы, конденсаторы, провода и некоторые полупроводниковые элементы. Электротехнические материалы в современной электротехнике занимают одно из главных мест

Материалы для проводов. Медь, алюминий.

Из проводниковых материалов с высокой тепло- и электро- проводностью самым замечательным материалом для проводов было бы серебро. Его удельное сопротивление при комнатной температуре составляет примерно 1.4×10-8 Ом×м, теплопроводность 418 Вт/(м×К). Однако этот материал слишком дорог и редок, поэтому серебро используют только для ответственных контактов, т.к. оно не только идеальный проводник, но и не окисляется в процессе работы, значит не ухудшаются свойства контакта со временем. Отметим, что другие, более привычные проводники, такие как медь или алюминий окисляются кислородом воздуха, превращаясь в непроводящие окислы, ухудшая или даже предотвращая омический контакт. Для проводов именно их и используют, потому что по электропроводности их можно поставить на 2-е и 3-е место после серебра.

Свойства меди. 
Медь - мягкий материал красноватого оттенка.

Атомный номер - 29

Атомная масса - 63.7

Валентность 1 и 2

Плотность при 20
°С 8.89 т/м3
Удельное сопротивление при 20
°С 1.7 10-8 Ом×м.

Температурный коэффициент сопротивления 4.3 10-3 1/К
Теплоемкость 386 Дж/(кг
×К)
Теплопроводность
~ 400 Вт/(м×К)
Температура плавления 1083
°С

Прочность при растяжении 200 МПа

Применение меди в энергетике достаточно широко - различные проводники, кабели, шнуры, шины, плавкие вставки, обмотки трансформаторов и катушек.

Свойства алюминия. 
Алюминий - мягкий материал светло-серого цвета.

Атомный номер - 13

Атомная масса - 27

Валентность 3

Плотность при 20
°С  2.7 т/м3
Удельное сопротивление при 20
°С 2.8 10-8 Ом×м

Температурный коэффициент сопротивления 4 10-3 1/К
Теплоемкость 950 Дж/(кг
×К)
Теплопроводность
~ 200 Вт/(м×К)
Температура плавления 660
°С

Прочность при растяжении 80 МПа

Сопоставление этих материалов по наиболее важным для практики параметрам  показывает, что они сильно отличаются по плотности, теплоемкости, прочности при растяжении. Любопытно, что произведение теплоемкости на плотность - мало отличается  у этих материалов (~30%) Тот факт, что у алюминия мала механическая прочность вынуждает армировать алюминиевые провода стальными сердечниками. При этом ток протекает по алюминию (у стали удельное сопротивление примерно в 5-10 раз выше чем у алюминия), а механическую прочность обеспечивает сталь.    

Для изготовления проводов используют алюминий, медь, бронзу, а также сочетания этих элементов со сталью. При сечении до 10-15 мм2 обычно используют однопроволочные провода, при большем сечении - много проволочные, скрученные провода. Марки проводов А, АЖ, АН, АКП, АС, Б, БрФ, М, Мк и т.п. Наиболее популярные провода для ВЛ - сталеалюминиевые марки АС, например АС 95/16 означает, что в поперечном сечении 95 мм2 алюминия и 16 мм2 стали.

Рaзличaют прoвoдникoвыe материалы пo мexaничeским свoйствaм: прoчнoсть при рaстяжeнии, изгибaнии, твeрдoсть, и т.п. При кoнструирoвaнии и прoeктирoвaнии элeктрoустaнoвoк учитывaют эти свoйствa. Xимичeскиe свoйствa учитывaют при выбoрe и примeнeнии прoвoдникoвыx материалов. Нaпримeр, eсли прoвoдники трeбуeтся испoльзoвaть в услoвияx пoвышeннoй влaжнoсти, тo иx пoмeщaют в гeрмeтичeскиe oбoлoчки или дaжe в нeкoтoрыx случaяx зaщищaют aнтикoррoзиoнными пoкрытиями.