Bakar: električna vodljivost, svojstva, značajke i primjene

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-17 18:53

U mnogim granama moderne industrije, materijal kao što je bakar se vrlo široko koristi. Električna vodljivost ovog metala je vrlo visoka. To objašnjava svrsishodnost njegove primjene prvenstveno u elektrotehnici. Bakar čini vodiče izvrsnih karakteristika. Naravno, ovaj metal se koristi ne samo u elektrotehnici, već iu drugim industrijama. Njegovu potražnju objašnjavaju, između ostalog, njegove kvalitete kao što su otpornost na korozijska oštećenja u brojnim agresivnim sredinama, vatrostalnost, plastičnost, itd.

Povijesna pozadina

Bakar je metal poznat čovjeku od davnina. Rano upoznavanje ljudi s ovim materijalom objašnjava se prvenstveno njegovom širokom rasprostranjenošću u prirodi u obliku grumenčića. Mnogi znanstvenici vjeruju da je bakar bio prvi metal koji je čovjek izvukao iz kisikovih spojeva. Nekada su se stijene jednostavno zagrijavale na vatri i naglo hladile, uslijed čega sunapuknut. Kasnije se oporaba bakra počela provoditi na požarima uz dodatak ugljena i puhanje mijehom. Poboljšanje ove metode na kraju je dovelo do stvaranja osovinske peći. I kasnije se ovaj metal počeo dobivati oksidativnim topljenjem ruda.

Bakar: električna vodljivost materijala

U mirovanju svi slobodni elektroni bilo kojeg metala kruže oko jezgre. Kada se spoji vanjski izvor utjecaja, oni se redaju u određenom slijedu i postaju nositelji struje. Stupanj sposobnosti metala da prođe kroz sebe naziva se električna vodljivost. Jedinica mjerenja u međunarodnom SI je Siemens, definirana kao 1 cm=1 ohm-1.

Električna vodljivost bakra je vrlo visoka. Po ovom pokazatelju nadmašuje sve danas poznate bazne metale. Samo srebro bolje prolazi struju od njega. Električna vodljivost bakra je 57x104 cm-1 na temperaturi od +20 °C. Zbog ovog svojstva, ovaj metal je trenutno najčešći vodič od svih korištenih u industrijske i kućne svrhe.

Bakar savršeno podnosi stalna električna opterećenja, a također se odlikuje pouzdanošću i izdržljivošću. Između ostalog, ovaj metal karakterizira i visoka točka taljenja (1083,4 ° C). A to, zauzvrat, omogućuje bakru da radi dugo vremena u zagrijanom stanju. U smislu rasprostranjenosti kao strujni vodič, samoaluminij.

Učinak nečistoća na električnu vodljivost bakra

Naravno, u naše vrijeme se za topljenje ovog crvenog metala koriste mnogo naprednije tehnike nego u antici. Međutim, i danas je gotovo nemoguće dobiti potpuno čisti Cu. U bakru uvijek ima raznih vrsta nečistoća. To može biti, na primjer, silicij, željezo ili berilij. U međuvremenu, što je više nečistoća u bakru, to je niža njegova električna vodljivost. Za proizvodnju žica, na primjer, prikladan je samo dovoljno čist metal. Prema propisima, u tu svrhu može se koristiti bakar s količinom nečistoća koja ne prelazi 0,1%.

Vrlo često ovaj metal sadrži određeni postotak sumpora, arsena i antimona. Prva tvar značajno smanjuje plastičnost materijala. Električna vodljivost bakra i sumpora je vrlo različita. Ova nečistoća uopće ne provodi struju. To jest, dobar je izolator. Međutim, sumpor gotovo da nema utjecaja na električnu vodljivost bakra. Isto vrijedi i za toplinsku vodljivost. Kod antimona i arsena uočava se obrnuta slika. Ovi elementi mogu značajno smanjiti električnu vodljivost bakra.

Legure

Različite vrste aditiva također se mogu koristiti posebno za povećanje čvrstoće takvog duktilnog materijala kao što je bakar. Oni također smanjuju njegovu električnu vodljivost. Ali s druge strane, njihova upotreba može značajno produžiti vijek trajanja raznih vrsta proizvoda.

Najčešće se koristi kao aditiv čvrstoće bakraKoristi se Cd (0,9%). Rezultat je kadmijeva bronca. Njegova vodljivost je 90% vodljivosti bakra. Ponekad se kao dodatak umjesto kadmija koristi i aluminij. Vodljivost ovog metala je 65% vodljivosti bakra. Drugi materijali i tvari, kao što su kositar, fosfor, krom, berilij, također se mogu koristiti u obliku aditiva za povećanje čvrstoće žica. Rezultat je bronca određene ocjene. Kombinacija bakra i cinka naziva se mesing.

Specifikacije legure

Električna vodljivost metala može ovisiti ne samo o količini prisutnih nečistoća u njima, već i o drugim pokazateljima. Na primjer, kako temperatura grijanja raste, sposobnost bakra da propušta struju kroz sebe se smanjuje. Čak i način izrade utječe na električnu vodljivost takve žice. U svakodnevnom životu i proizvodnji mogu se koristiti i meko žareni bakreni vodiči i tvrdo vučeni. Prva sorta ima veću sposobnost prolaska struje kroz sebe.

Međutim, na električnu vodljivost bakra najviše utječu upotrijebljeni aditivi i njihova količina. Tablica u nastavku pruža čitatelju opsežne informacije o trenutnoj nosivosti najčešćih legura ovog metala.

Električna vodljivost bakrenih legura

Legura	Stanje (O-žareno, T-tvrdo nacrtano)	Provodljivost (%)
Čisti bakar	O	101
	T	98
Tin bronza (0,75 %)	O	55-60
	T	50-55
kadmijeva bronca (0,9%)	O	95
	T	83-90
Aluminijska bronca (2,5% A1, 2% Sn)	O	15-18
	T	15-18
fosforna bronca (7% Sn, 0,1% Ρ)	O	10-15
	T	10-15

Električna vodljivost mjedi i bakra je usporediva. Međutim, za prvi metal ta je brojka, naravno, nešto niža. Ali istodobno je viši od bronce. Mjed se široko koristi kao dirigent. Prenosi struju lošije od bakra, ali u isto vrijeme košta manje. Najčešće se od mesinga izrađuju kontakti, stezaljke i razni dijelovi radio opreme.

Legura bakra visoke otpornosti

Ovakvi materijali vodiča uglavnom se koriste u proizvodnji otpornika, reostata, mjernih instrumenata i električnih uređaja za grijanje. U tu svrhu najčešće korištene legure bakra su konstantan i manganin. Otpornost prvog (86% Cu, 12% Mn, 2% Ni) je 0,42-0,48 µOhm/m, a drugog (60% Cu, 40% Ni) je 0,48-0,52 µOhm/m.

Odnos s koeficijentomtoplinska vodljivost

Električna vodljivost bakra je 59,500,000 S/m. Ovaj pokazatelj je, kao što je već spomenuto, točan, ali samo na temperaturi od +20 ^oS. Postoji određeni odnos između toplinske vodljivosti bilo kojeg metala i specifične vodljivosti. Utemeljuje svoj Wiedemann-Franz zakon. Izvodi se za metale na visokim temperaturama i izražava se sljedećom formulom: K/γ=π² / 3 (k/e)^{2 T, gdje je y - vodljivost, k - Boltzmannova konstanta, e - elementarni naboj.}

Naravno, postoji slična veza s metalom poput bakra. Njegova toplinska i električna vodljivost su vrlo visoke. Na drugom mjestu nakon srebra, ona je u oba ova pokazatelja.

Spajanje bakrenih i aluminijskih žica

U posljednje vrijeme električna oprema sve veće snage počela se koristiti u svakodnevnom životu i industriji. U sovjetskim vremenima, ožičenje je napravljeno uglavnom od jeftinog aluminija. Nažalost, njegove operativne karakteristike više ne odgovaraju novim zahtjevima. Stoga se danas u svakodnevnom životu i industriji vrlo često aluminijske žice mijenjaju u bakrene. Glavna prednost potonjih, osim njihove vatrostalnosti, je da se njihova vodljiva svojstva ne smanjuju tijekom oksidativnog procesa.

Često se aluminijske i bakrene žice moraju spojiti prilikom nadogradnje električnih mreža. Ne možete to učiniti izravno. Zapravo, električna vodljivost aluminija i bakra ne razlikuje se previše. Ali samo na svoju rukuovih metala. Oksidacijski filmovi aluminija i bakra imaju različita svojstva. Zbog toga je vodljivost na spoju značajno smanjena. Oksidacijski film aluminija mnogo je otporniji od bakrenog. Stoga bi se spajanje ove dvije vrste vodiča trebalo izvoditi isključivo putem posebnih adaptera. To mogu biti, na primjer, stezaljke koje sadrže pastu koja štiti metale od pojave oksida. Ova verzija adaptera obično se koristi pri povezivanju žica na ulici. Stege za grane češće se koriste u zatvorenom prostoru. Njihov dizajn uključuje posebnu ploču koja isključuje izravan kontakt između aluminija i bakra. U nedostatku takvih vodiča u kućnom okruženju, umjesto izravnog uvrtanja žica, preporuča se koristiti podlošku i maticu kao srednji "most".

Fizička svojstva

Tako smo saznali kakvu električnu vodljivost ima bakar. Ovaj pokazatelj može varirati ovisno o nečistoćama koje čine ovaj metal. Međutim, potražnja za bakrom u industriji također je određena njegovim drugim korisnim fizičkim svojstvima, koja se mogu dobiti iz donje tablice.

Fizičke karakteristike Cu

Parametar	Značenje
Mreža	FCC, a=3,6074 Å
Atomski radijus	1, 28 Å
Specifični toplinski kapacitet	385, 48 J/(kg K) na +20 oS
Toplinska vodljivost	394, 279 W/(m K) na +20 oC
Električni otpor	1, 68 10-8 Ohm m
Koeficijent linearne ekspanzije	17, 0 10-6
Tvrdoća	350 Mn/m2
Vlačna čvrstoća	220 Mn/m2

Kemijska svojstva

Prema ovim karakteristikama, bakar, čija je električna i toplinska vodljivost vrlo visoka, zauzima srednju poziciju između elemenata prve trijade osme skupine i alkalnih elemenata prve skupine periodnog sustava. Njegova glavna kemijska svojstva uključuju:

• sklonost formiranju kompleksa;
• sposobnost proizvodnje obojenih spojeva i netopivih sulfida.

Najkarakterističnije za bakar je dvovalentno stanje. Praktički nema sličnosti s alkalnim metalima. Njegova kemijska aktivnost je također niska. U prisutnosti CO_{2 ili vlage, na površini bakra stvara se zeleni karbonatni film. Sve bakrene soli su otrovne. U mono- i dvovalentnom stanju ovaj metal tvori vrlo stabilne kompleksne spojeve. Najvažniji za industriju su amonijak.}

Koristite područje

Visoka toplinska i električna vodljivost bakra određuje njegovu široku upotrebu u raznim industrijama. Naravno, najčešće se ovaj metal koristi u elektrotehnici. Međutim, ovo je daleko od jedinog područja njegove primjene. Između ostalog, bakar se može koristiti:

• u nakitu;
• u arhitekturi;
• pri montaži vodovoda i sustava grijanja;
• u plinovodima.

Za izradu raznih vrsta nakita uglavnom se koristi legura bakra i zlata. To vam omogućuje povećanje otpornosti nakita na deformacije i habanje. U arhitekturi se bakar može koristiti za oblaganje krovova i fasada. Glavna prednost ove završne obrade je izdržljivost. Na primjer, krov poznate arhitektonske znamenitosti - katoličke katedrale u njemačkom gradu Hildesheimu, obložen je pločama od ovog metala. Bakreni krov ove zgrade štiti njen unutarnji prostor gotovo 700 godina.

Inženjerske komunikacije

Glavne prednosti bakrenog vodovoda također su trajnost i pouzdanost. Osim toga, ovaj metal može dati vodi posebna jedinstvena svojstva, što ga čini korisnim za tijelo. Za montažu plinovoda i sustava grijanja, bakrene cijevi su također idealne - uglavnom zbog svoje otpornosti na koroziju i duktilnosti. U slučaju hitnog porastatlaka takvi vodovi mogu izdržati puno veće opterećenje od čelika. Jedini nedostatak bakrenih cijevi je njihova visoka cijena.