Materiały przewodzące prąd elektryczny

Wstęp:

Prąd elektryczny może płynąć przez wiele substancji, takich jak elektrolity, grafit, węgiel, niektóre tworzywa sztuczne. Niektóre pierwiastki chemiczne takie jak krzem i german lub różne związki chemiczne przewodzą prąd w szczególnych warunkach. Są to półprzewodniki, używane głównie w elektronice. Najlepszymi i najczęściej używanymi przewodnikami prądu elektrycznego są metale. Niektóre z nich, takie jak czysta miedź, aluminium, srebro nadają się do tego celu szczególnie. Celem prezentacji multimedialnej jest przedstawienie dostępnej wiedzy na temat materiałów przewodzących prąd elektryczny i ich zastosowania, także schematu stanowiska do mierzenia spadku konduktywności wraz ze wzrostem temperatury.

PRZEWODNIKI:

1. Metale

Do metali zaliczamy takie pierwiastki jak miedź, złoto, srebro, aluminium, cyna. Metale mają zwykle dobre właściwości wytrzymałościowe, mają także dodatni temperaturowy współczynnik rezystywności (opór elektryczny zwiększa się z podwyższeniem temperatury), posiadają metaliczny połysk, są plastyczne, czyli zdolne do trwałych odkształceń, są także odporne na działanie wysokich temperatur.

• Miedź

Miedź (Cuprum) jest drugim po srebrze, a jednocześnie najbardziej rozpowszechnionym przewodnikiem prądu elektrycznego. Jej konduktywność wynosi 55 - 58

Otrzymywanie - w procesie hutniczym przez wytapianie rud siarczkowych lub tlenkowych. Uzyskana w ten sposób miedź zawiera do 1,5% zanieczyszczeń, poddaje się ją rafinacji elektrolitycznej i uzyskany w ten sposób rafinat zawiera 99,5 - 99,95% Cu.

Właściwości miedzi:

• pokrywa się patyną, która chroni głębsze warstwy od wpływów atmosferycznych,

• w wyższych temperaturach szybko się utlenia,

• jest nieodporna na atmosferę zawierającą dwutlenek siarki, ulega korozji,

• daje się łatwo przerabiać plastycznie na zimno i na gorąco, dobrze się walcuje i ciągnie na cienkie druty,

• ma dużą wytrzymałość mechaniczną,

• daje się łatwo lutować.

Zastosowanie miedzi:

• żyły przewodów i kabli,

• cewki indukcyjne, przekaźniki, transformatory, silniki,

• spoiwa,

• ekrany elektryczne,

• ścieżki przewodzące na płytkach drukowanych,

• końcówki montażowe,

• Komutatory.

• Srebro

Srebro jest najlepszym przewodnikiem prądu. Jego konduktywność wynosi 62,5
Otrzymywanie - jako produkt uboczny przy przeróbce metodą hutniczą rud cynku, ołowiu i miedzi. Otrzymane w ten sposób srebro poddaje się rafinacji elektrolitycznej.

Właściwości srebra:

• odporne na wpływy atmosferyczne i tlen,

• podatne na korozję - w obecności siarkowodoru pokrywa się brunatnym nie przewodzącym nalotem,

• doskonale obrabia się na zimno, daje się walcować na bardzo cienkie folie i wyciągać na bardzo cienkie druty,

• łatwe do lutowania,

• duża ścieralność

Zastosowanie srebra:

• do wykonywania styków,

• do powlekania metali np.: rurek w urządzeniach o wielkich częstotliwościach,

• do powlekania ceramiki jako okładziny kondensatorów,

• jako składnik past przewodzących.

• Złoto

Złoto (Aurum) jest trzecim po srebrze i miedzi najlepszym przewodnikiem prądu. Jego konduktywność wynosi 42,5
. Otrzymywanie - jako produkt uboczny przy elektrolitycznej rafinacji srebra lub miedzi.

Właściwości złota:

• odporne na korozję,

• odporne na działanie większości kwasów i zasad,

• duża plastyczność, jest bardzo miękkie,

• niekorzystne właściwości wytrzymałościowe.

Zastosowanie złota:

• do wykonywania powłok na podkładki srebrne w mikroelektronice,

• druty połączeniowe w mikroelektronice,

• składnik past przewodzących,

• do pokrywania styków.

• Aluminium

Aluminium (Glin) jest czwartym najlepszym przewodnikiem prądu. Jego konduktywność to 35 - 38
. Otrzymywanie - Głównie z boksytów. Rudę po rozdrobnieniu, w podwyższonej temperaturze i pod ciśnieniem poddaje się działaniu wodorotlenku NaOH. Po wykrystalizowaniu Al(OH)3 wypala się go do tlenku Al2O3. Rozpuszcza się go następnie w fluorku sodowo-glinowym i poddaje elektrolizie. Po podwójnej elektrolizie można uzyskać produkt zawierający 99,99% Al.

Właściwości aluminium:

• lżejsze od miedzi,

• szybko utlenia się, a warstwa tlenku jest nieprzewodząca,

• odporne na korozję,

• łatwo się walcuje i ciągnie na druty,

• ciężko się lutuje,

• zdolność do płynięcia.

Zastosowanie aluminium:

• żyły przewodów i kabli,

• kontakty w układach scalonych,

• folie kondensatorów (okładziny),

• złączki, końcówki montażowe.

• Cyna

Cyna (Stannum) jest podstawowym składnikiem lutowi miękkich, jest także bardzo często stosowano jako dodatek stopowy do innych metali przewodzących, szczególnie miedzi. Otrzymywanie - ze wzbogaconej rudy tlenkowej poprzez jej redukcję węglem w piecach szybowych lub płomieniowych. Cynę zanieczyszczoną żelazem rafinuje się ogniowo lub elektrolitycznie.

Właściwości cyny:

• odporna na działanie czynników atmosferycznych i wody,

• rozpuszcza się w kwasach nieorganicznych i zasadach

• jest miękka,

• walcuje się na cienkie folie.

Zastosowanie cyny:

• folie kondensatorów (okładziny),

• składnik lutowia,

• do pokrywania mozaiki na płytkach drukowanych.

2. Niemetale

Do niemetali przewodzących prąd zaliczamy grafit i niektóre polimery (poliacetylen). Polimery są materiałami organicznymi, złożonymi ze związków węgla. Powstają w wyniku połączenia wiązaniami kowalencyjnymi w łańcuchy wielu grup atomów zwanych monomerami. Materiały polimerowe cechują się doskonałymi własnościami wytrzymałościowymi (często lepszymi niż metale), ale nie są odpowiednie do stosowania w warunkach podwyższonej temperatury.

• Grafit

Grafit jest heksagonalną polimorficzną odmianą węgla. Otrzymywanie - sztucznie przez podgrzewanie do wysokich temperatur substancji bogatych w węgiel lub wydobywany bezpośrednio ze złóż węglowych.

Właściwości grafitu:

• bardzo miękki,

• duże przewodnictwo cieplne i elektryczne.

Zastosowanie grafitu:

• na elektrody,

• na styki.

Stanowisko laboratoryjne

Stanowisko laboratoryjne do mierzenia przewodności elektrycznej składa się z obwodu ze źródłem prądu stałego, amperomierzem i woltomierzem, piecyka laboratoryjnego, oraz zestawu próbek do analizy wykonanych z różnych materiałów przewodzących prąd.

Wyznaczanie przewodności elektrycznej

Opór prądu, jaki stawia przewodnik możemy łatwo wyliczyć z prawa Ohma:

Znając opór, długość i przekrój poprzeczny przewodnika, możemy obliczyć oporność właściwą badanego materiału:

gdzie:

• ρ - oporność właściwa,

• R - opór, jaki stawia przewodnik,

• S - Przekrój poprzeczny przewodu [cm2],

• l - długość przewodu [m].

Przewodność elektryczna jest odwrotnością oporności właściwej:

---