Χαλκός: ηλεκτρική αγωγιμότητα, ιδιότητες, χαρακτηριστικά και εφαρμογές

Σε πολλούς κλάδους της σύγχρονης βιομηχανίας, ένα υλικό όπως ο χαλκός χρησιμοποιείται ευρέως. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα αυτού του μετάλλου είναι πολύ υψηλή. Αυτό εξηγεί την σκοπιμότητα χρησιμοποίησής του κυρίως στην ηλεκτροτεχνία. Από χαλκό, λαμβάνονται αγωγοί με εξαιρετικά χαρακτηριστικά απόδοσης. Φυσικά, αυτό το μέταλλο χρησιμοποιείται όχι μόνο στην ηλεκτροτεχνία, αλλά και σε άλλες βιομηχανίες. Το αίτημά του εξηγείται, μεταξύ άλλων, από τις ιδιότητές του, όπως η ανθεκτικότητα στη διάβρωση σε διάφορα διαβρωτικά μέσα, η ανθεκτικότητα, η ολκιμότητα, κ.λπ.

Ιστορικό υπόβαθρο

Ο χαλκός είναι ένα μέταλλο που είναι γνωστό στον άνθρωπο από την αρχαιότητα. Η πρώιμη γνωριμία των ανθρώπων με αυτό το υλικό εξηγείται πρώτα απ 'όλα από την ευρεία εξάπλωσή του στη φύση με τη μορφή νουγκέτς. Πολλοί επιστήμονες πιστεύουν ότι ήταν χαλκός που ήταν το πρώτο μέταλλο, ένας άνθρωπος που αποκαταστάθηκε από ενώσεις οξυγόνου. Μια φορά κι έναν καιρό, οι βράχοι απλά θερμαίνονται σε μια φωτιά και ψύχονται δραστικά, προκαλώντας τους να σπάσουν. Αργότερα, η αποκατάσταση του χαλκού άρχισε να παράγει στις φωτιές με την προσθήκη άνθρακα και φυσώντας γούνα. Η βελτίωση αυτής της μεθόδου τελικά οδήγησε στη δημιουργία ενός φούρνου ατράκτου. Ακόμα αργότερα, αυτό το μέταλλο άρχισε να παράγεται με τη μέθοδο οξειδωτικής τήξης μεταλλευμάτων.

Χαλκός: η ηλεκτρική αγωγιμότητα του υλικού

Σε μια ήρεμη κατάσταση, όλα τα ελεύθερα ηλεκτρόνια οποιουδήποτε μετάλλου περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα. Κατά τη σύνδεση μιας εξωτερικής πηγής πρόσκρουσης, ευθυγραμμίζονται σε μια ορισμένη σειρά και γίνονται φορείς του ρεύματος. Ο βαθμός ικανότητας του μετάλλου να περάσει από το τελευταίο ονομάζεται ηλεκτρική αγωγιμότητα. Η μονάδα μέτρησης της στη διεθνή SI είναι η Siemens, που ορίζεται ως 1 cm = 1 Ω ^-1 .

Η ηλεκτρική αγωγιμότητα του χαλκού είναι πολύ υψηλή. Με αυτόν τον δείκτη, υπερβαίνει όλα τα μη ευγενή μέταλλα που είναι γνωστά σήμερα. Καλύτερα από το ρεύμα της ρέει μόνο ασήμι. Ο δείκτης της ηλεκτρικής αγωγιμότητας του χαλκού είναι 57x104 cm ^-1 σε θερμοκρασία +20 ° C. Λόγω αυτής της ιδιότητας, το μέταλλο αυτή τη στιγμή είναι ο πιο συνηθισμένος αγωγός όλων των χρησιμοποιούμενων για βιομηχανικούς και οικιακούς σκοπούς.

Ο χαλκός αντιστέκεται τέλεια στα σταθερά ηλεκτρικά φορτία και είναι επίσης αξιόπιστος και ανθεκτικός. Μεταξύ άλλων, αυτό το μέταλλο χαρακτηρίζεται από υψηλό σημείο τήξης (1083,4 ° C). Και αυτό, με τη σειρά του, επιτρέπει στον χαλκό για μεγάλο χρονικό διάστημα να εργάζεται σε θερμαινόμενη κατάσταση. Ως επικράτηση ως αγωγός ρεύματος, μόνο το αλουμίνιο μπορεί να ανταγωνιστεί με αυτό το μέταλλο.

Επίδραση προσμείξεων στην ηλεκτρική αγωγιμότητα του χαλκού

Φυσικά, στην εποχή μας, πολύ πιο περίπλοκες τεχνικές χρησιμοποιούνται για να λιώσει αυτό το κόκκινο μέταλλο από ό, τι στην αρχαιότητα. Ωστόσο, ακόμη και σήμερα είναι πρακτικά αδύνατο να αποκτηθεί ένα απόλυτα καθαρό Cu. Στον χαλκό υπάρχουν πάντα διάφορες ακαθαρσίες. Μπορεί να είναι, για παράδειγμα, πυρίτιο, σίδηρος ή βηρύλλιο. Εν τω μεταξύ, όσο περισσότερες προσμείξεις στον χαλκό τόσο χαμηλότερο είναι ο δείκτης της ηλεκτρικής αγωγιμότητάς του. Για την κατασκευή συρμάτων, για παράδειγμα, είναι κατάλληλο μόνο ένα αρκετά καθαρό μέταλλο. Σύμφωνα με τα πρότυπα, ο χαλκός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για το σκοπό αυτό με ποσότητα ακαθαρσιών που δεν υπερβαίνει το 0,1%.

Πολύ συχνά αυτό το μέταλλο περιέχει ένα ορισμένο ποσοστό θείου, αρσενικού και αντιμονίου. Η πρώτη ουσία μειώνει σημαντικά την πλαστικότητα του υλικού. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα του χαλκού και του θείου είναι πολύ διαφορετική. Αυτή η ακαθαρσία δεν διεξάγει καθόλου το ρεύμα. Δηλαδή, είναι ένας καλός μονωτήρας. Ωστόσο, η ηλεκτρική αγωγιμότητα του θείου του χαλκού δεν επηρεάζεται στην πράξη. Το ίδιο ισχύει για τη θερμική αγωγιμότητα. Με το αντιμόνιο και το αρσενικό παρατηρείται η αντίθετη εικόνα. Αυτά τα στοιχεία αγωγιμότητα του χαλκού μπορεί να μειώσει σημαντικά.

Κράματα

Διάφορα είδη πρόσθετων μπορούν να χρησιμοποιηθούν και συγκεκριμένα για να αυξήσουν την αντοχή ενός τέτοιου όλκιμου υλικού όπως ο χαλκός. Μειώνουν επίσης την ηλεκτρική αγωγιμότητα. Αλλά η χρήση τους καθιστά δυνατή τη σημαντική παράταση της ζωής διαφόρων προϊόντων.

Πιο συχνά, το Cd (0,9%) χρησιμοποιείται ως αύξηση της αντοχής του πρόσθετου χαλκού. Το αποτέλεσμα είναι ο χαλκός του καδμίου. Η αγωγιμότητα του είναι το 90% της αγωγιμότητας του χαλκού. Μερικές φορές, αντί του καδμίου, το αλουμίνιο χρησιμοποιείται επίσης ως πρόσθετο. Η αγωγιμότητα αυτού του μετάλλου είναι 65% του ίδιου δείκτη χαλκού. Για να αυξηθεί η αντοχή των συρμάτων με τη μορφή προσθέτων, μπορούν να χρησιμοποιηθούν άλλα υλικά και ουσίες, όπως κασσίτερος, φωσφόρος, χρώμιο, βηρύλλιο. Το αποτέλεσμα είναι ο χάλκινος μάρκας. Η σύνδεση χαλκού με ψευδάργυρο ονομάζεται ορείχαλκος.

Ιδιότητες αλουμινίου

Η ηλεκτρική αγωγιμότητα των μετάλλων μπορεί να εξαρτάται όχι μόνο από την ποσότητα ακαθαρσιών που υπάρχουν σε αυτά, αλλά και από άλλους δείκτες. Για παράδειγμα, με την αύξηση της θερμοκρασίας θέρμανσης, η ικανότητα του χαλκού να περάσει από ένα ρεύμα μειώνεται. Ακόμη και ο τρόπος κατασκευής του επηρεάζει την ηλεκτρική αγωγιμότητα ενός τέτοιου σύρματος. Στην καθημερινή ζωή και στην παραγωγή, μπορούν να χρησιμοποιηθούν και μαλακοί αγωγούς χαλκού ανόπτησης και σκληρός χαλκός. Στο πρώτο είδος, η ικανότητα να περάσει από το ρεύμα είναι υψηλότερη.

Ωστόσο, κυρίως, τα πρόσθετα που χρησιμοποιούνται και η ποσότητα τους επηρεάζουν την ηλεκτρική αγωγιμότητα του χαλκού. Ο παρακάτω πίνακας παρέχει στον αναγνώστη εξαντλητικές πληροφορίες σχετικά με τη δυνατότητα μετάδοσης ρεύματος στα πιο κοινά κράματα αυτού του μετάλλου.

Η ηλεκτρική αγωγιμότητα του ορείχαλκου και του χαλκού είναι συγκρίσιμη. Ωστόσο, για το πρώτο μέταλλο, αυτός ο αριθμός είναι, φυσικά, ελαφρώς χαμηλότερος. Αλλά την ίδια στιγμή είναι υψηλότερη από ό, τι στο χάλκινο. Ως ο αγωγός ορείχαλκος χρησιμοποιείται αρκετά ευρέως. Περνά το σημερινό χειρότερο από τον χαλκό, αλλά κοστίζει λιγότερο. Οι περισσότερες φορές ορειχάλκινη επαφές, σφιγκτήρες και διάφορα μέρη για ραδιοεξοπλισμό.

Κράματα χαλκού υψηλής αντοχής

Τέτοια υλικά αγωγών χρησιμοποιούνται κυρίως στην κατασκευή αντιστάσεων, ρεοστάτων, οργάνων μέτρησης και ηλεκτρικών συσκευών θέρμανσης. Τις περισσότερες φορές χρησιμοποιούνται κράματα χαλκού σταθεράς και μαγγανίνης για το σκοπό αυτό. Η αντίσταση του πρώτου (86% Cu, 12% Mn, 2% Ni) είναι 0,42-0,48 μΩ / m, ενώ η δεύτερη (60% Cu, 40% Ni) 0,48-0,52 μΩ / m.

Σχέση με τον συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας

Η ειδική ηλεκτρική αγωγιμότητα του χαλκού είναι 59 500 000 S / m. Αυτός ο δείκτης, όπως ήδη αναφέρθηκε, είναι σωστός, αλλά μόνο σε θερμοκρασία + 20 ° C. Υπάρχει σαφής σχέση μεταξύ της θερμικής αγωγιμότητας οποιουδήποτε μετάλλου και της αγωγιμότητας. Καθορίζει τον νόμο Wiedemann-Franz. Εκτελείται για μέταλλα σε υψηλές θερμοκρασίες και εκφράζεται στον ακόλουθο τύπο: K / γ = π 2/3 (k / e) ² T, όπου y είναι η αγωγιμότητα, k είναι η σταθερά Boltzmann και e είναι το στοιχειώδες φορτίο.

Φυσικά, υπάρχει μια παρόμοια σύνδεση με ένα μέταλλο όπως ο χαλκός. Η θερμική αγωγιμότητα και η ηλεκτρική αγωγιμότητα είναι πολύ υψηλές. Στη δεύτερη θέση μετά το ασήμι, είναι και στους δύο αυτούς δείκτες.

Σύνδεση καλωδίων από χαλκό και αλουμίνιο

Πρόσφατα, ο ηλεκτρολογικός εξοπλισμός με ολοένα και μεγαλύτερη ισχύ άρχισε να χρησιμοποιείται στην καθημερινή ζωή και στη βιομηχανία. Στη σοβιετική εποχή, η καλωδίωση κατασκευάστηκε κυρίως από φθηνό αλουμίνιο. Δυστυχώς, τα χαρακτηριστικά απόδοσής του δεν ανταποκρίνονται σε νέες απαιτήσεις. Επομένως, σήμερα στην καθημερινή ζωή και στη βιομηχανία πολύ συχνά τα καλώδια από αλουμίνιο αλλάζουν σε χαλκό. Το κύριο πλεονέκτημα του τελευταίου, εκτός από τις πυρίμαχες ιδιότητες, είναι ότι οι αγώγιμες ιδιότητές τους δεν μειώνονται με μία διαδικασία οξειδώσεως.

Συχνά, κατά την αναβάθμιση του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας, πρέπει να συνδέονται καλώδια αλουμινίου και χαλκού. Δεν μπορείτε να το κάνετε αυτό άμεσα. Στην πραγματικότητα, η ηλεκτρική αγωγιμότητα του αλουμινίου και του χαλκού δεν διαφέρει πολύ. Αλλά μόνο τα ίδια τα μέταλλα. Οι οξειδωτικές μεμβράνες των ιδιοτήτων αλουμινίου και χαλκού δεν είναι οι ίδιες. Εξαιτίας αυτού, η αγωγιμότητα στη διασταύρωση μειώνεται σημαντικά. Οξειδωτική μεμβράνη από αλουμίνιο είναι πολύ πιο ανθεκτική από τον χαλκό. Συνεπώς, η σύνδεση αυτών των δύο τύπων αγωγών πρέπει να γίνεται αποκλειστικά μέσω ειδικών προσαρμογέων. Μπορεί να είναι, για παράδειγμα, σφιγκτήρες που περιέχουν μια πάστα που προστατεύει τα μέταλλα από την εμφάνιση οξειδίου. Αυτή η έκδοση του προσαρμογέα χρησιμοποιείται συνήθως όταν συνδέετε καλώδια στο δρόμο. Στις εγκαταστάσεις, συχνά χρησιμοποιούνται σφιγκτήρες διακλάδωσης. Ο σχεδιασμός τους περιλαμβάνει μια ειδική πλάκα, η οποία εξαλείφει την άμεση επαφή μεταξύ αλουμινίου και χαλκού. Εάν δεν υπάρχουν τέτοιοι αγωγοί σε οικιακές συνθήκες, αντί να συσπειρώσετε τα καλώδια, συνιστάται η χρήση της ροδέλας και του περικοχλίου ως ενδιάμεση «γέφυρα».

Φυσικές ιδιότητες

Έτσι, βρήκαμε ποια είναι η ηλεκτρική αγωγιμότητα του χαλκού. Αυτός ο δείκτης μπορεί να ποικίλει ανάλογα με τις ακαθαρσίες που περιλαμβάνονται στη σύνθεση αυτού του μετάλλου. Ωστόσο, η ζήτηση για χαλκό στη βιομηχανία καθορίζεται από τις άλλες χρήσιμες φυσικές ιδιότητές του, πληροφορίες για τις οποίες μπορούν να ληφθούν από τον παρακάτω πίνακα.

Χημικές ιδιότητες

Για τέτοια χαρακτηριστικά, ο χαλκός, η ηλεκτρική αγωγιμότητα και η θερμική αγωγιμότητα του οποίου είναι πολύ υψηλή, καταλαμβάνει μία ενδιάμεση θέση μεταξύ των στοιχείων της πρώτης τριάδας της όγδοης ομάδας και των αλκαλικών από την πρώτη ομάδα του περιοδικού πίνακα. Οι κύριες χημικές του ιδιότητες περιλαμβάνουν:

• Προδιάθεση για σχηματισμό συμπλεγμάτων.

• Η ικανότητα να δίδονται έγχρωμες ενώσεις και αδιάλυτα σουλφίδια.

Το πιο χαρακτηριστικό για το χαλκό είναι η δισθενής κατάσταση. Ομοιότητες με αλκαλικά μέταλλα, έχει ουσιαστικά όχι. Η χημική του δραστηριότητα είναι επίσης χαμηλή. Υπό την παρουσία CO ₂ ή υγρασίας, σχηματίζεται μία πράσινη ανθρακική μεμβράνη στην επιφάνεια του χαλκού. Όλα τα άλατα χαλκού είναι δηλητηριώδεις ουσίες. Στην απλή και δισθενή κατάσταση, αυτό το μέταλλο σχηματίζει πολύ σταθερές σύνθετες ενώσεις. Το πιο σημαντικό για τη βιομηχανία είναι η αμμωνία.

Πεδίο εφαρμογής

Η υψηλή θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα του χαλκού καθορίζει την ευρεία εφαρμογή του σε μια μεγάλη ποικιλία βιομηχανιών. Φυσικά, το πιο συχνά αυτό το μέταλλο χρησιμοποιείται στην ηλεκτροτεχνία. Ωστόσο, αυτή δεν είναι η μόνη σφαίρα της εφαρμογής της. Μεταξύ άλλων, ο χαλκός μπορεί να χρησιμοποιηθεί:

• Στην επιχείρηση κοσμημάτων?

• Στην αρχιτεκτονική.

• Κατά τη συναρμολόγηση συστημάτων υγιεινής και θέρμανσης.

• Στους αγωγούς αερίου.

Για την κατασκευή διαφόρων ειδών κοσμήματος, χρησιμοποιείται κράμα χαλκού με χρυσό. Αυτό σας επιτρέπει να αυξήσετε την αντίσταση του κοσμήματος στην παραμόρφωση και την τριβή. Στην αρχιτεκτονική, ο χαλκός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για στέγες και προσόψεις. Το κύριο πλεονέκτημα αυτού του φινιρίσματος είναι η ανθεκτικότητα. Για παράδειγμα, τα φύλλα αυτού του μετάλλου καλύπτονται με την οροφή ενός γνωστού αρχιτεκτονικού ορόσημου - του καθολικού καθεδρικού ναού στη γερμανική πόλη Hildesheim. Η χάλκινη οροφή αυτού του κτιρίου προστατεύει αξιόπιστα τον εσωτερικό του χώρο για σχεδόν 700 χρόνια.

Τεχνικές Επικοινωνίες

Τα κύρια πλεονεκτήματα των σωλήνων χαλκού είναι επίσης η αντοχή και η αξιοπιστία. Επιπλέον, αυτό το μέταλλο είναι σε θέση να δώσει στο νερό ειδικές μοναδικές ιδιότητες, καθιστώντας το χρήσιμο για το σώμα. Για τη συναρμολόγηση των αγωγών αερίου και των συστημάτων θέρμανσης, οι χαλκοσωλήνες είναι επίσης ιδανικοί - κυρίως λόγω της αντοχής στη διάβρωση και της ολκιμότητας. Με μια αύξηση έκτακτης ανάγκης στην πίεση, τέτοιες γραμμές μπορούν να αντέξουν ένα πολύ μεγαλύτερο φορτίο από το χάλυβα. Το μόνο μειονέκτημα των αγωγών χαλκού είναι το υψηλό κόστος τους.