Miedź i aluminium w zastosowaniach elektrotechnicznych.

Źródło: Poradnik inżyniera elektryka TOM 1 ROZDZIAŁ 5

MIEDŹ

Miedź stosowaną w elektrotechnice (ze względu na sposób wytwarzania) dzieli się na beztlenową i elektrolityczną (mniejsza zawartość Cu). Miedź beztlenowa dzieli się na próżniową oraz wolną od pozostałości odtleniacza (tą stosujemy do wyrobu przewodów elektrotechnicznych). Miedź elektrolityczną dzielimy na dwa gatunki (obydwa są również stosowane w produkcji przewodów).

Konduktywność miedzi jest ściśle związana z jej właściwościami mechanicznymi. Ze wzrostem twardości konduktywność maleje. Odporność miedzi na wpływy atmosferyczne jest duża. Po dłuższym przebywaniu w powietrzu powstaje na powierzchni miedzi cienka warstwa soli zasadowych, która stanowi ochronę przed dalszą korozją. Szybkość utleniania się miedzi znacznie wzrasta dopiero powyżej temperatury 400 stp C. Miedź nie zanieczyszczona jest odporna na działanie: pary wodnej, wody, dwutlenku węgla, kwasów nie mających właściwości utleniających, roztworów zasad oraz kwasu siarkowego o stężeniu poniżej 10%.
Rozróżniamy następujące stopy miedzi:

• Mosiądz- stop miedzi z cynkiem

• Brąz- stop miedzi z innymi metalami lub krzemem

• Wieloskładnikowy stop oporowy- stop miedzi z niklem lub manganem

ALUMINIUM

Aluminium stosowane do celów elektrotechnicznych dzieli się pod względem sposobu wytwarzania na rafinowane (wyższa zawartość Al) i hutnicze. Aluminium rafinowane produkowane jest w trzech gatunkach. Używa się ich do wyrobu folii kondensatorowej. Aluminium rafinowane o czystości powyżej 99,999% Al jest stosowane jako materiał przewodowy o dużej konduktywności, w temperaturach pracy przewodów. Aluminium to charakteryzuje się dużą konduktywnością w kriotemperaturach [chyba chodzi o niskie temperatury] i ma zdolność do przechodzenia w stan nadprzewodnictwa. Aluminium hutnicze produkowane jest w sześciu gatunkach. Drut dla przemysłu elektrotechnicznego (na przewody i żyły kabli) wytwarza się z walcówki otrzymanej metodą ciągłego odlewania i walcowania. Walcówkę jak i folie wykonujemy z gatunków aluminium hutniczego. Właściwości fizyczne aluminium zależą od czystości chemicznej metalu oraz od jego obróbki plastycznej i cieplnej. Właściwości plastyczne aluminium umożliwiają z jednej strony rozwalcowanie go na cienkie folie, z drugiej jednak strony ze względu na zjawisko płynięcia są one powodem dużych trudności przy wykonywaniu połączeń. Pod wpływem zgniotu zwiększa się twardość i wytrzymałość aluminium na rozciąganie, zaś zmniejsza się konduktywność. Aluminium charakteryzuje się dużą odpornością na warunki atmosferyczne. Tworząca się na skutek utleniania warstewka tlenku glinowego chroni metal przed dalszym utlenianiem się. Łączenie aluminium może być wykonywanie metodą spawania łukowego, lutowania i spajania na zimno (pod wysokim ciśnieniem).

Źródło: Materiały przewodzące- Ryszard Jarzyna

1.MIEDŹ

Właściwości miedzi.

            Barwa pomarańczowo-czerwona. Temperatura topnienia 1083°C. Liczba atomowa 29. Masa atomowa 63,54. Gęstość 8,96 g/cm³. Współczynnik rozszerzalności liniowej 16,69 10^-6 1/°C.Przewodność cieplna 390 W/m°C. Przewodność elektryczna 58,5 10⁶ S/m. Współczynnik temperaturowy oporu 0,0043 1/°C. Bardzo dobra plastyczność. Przewodność elektryczna zależy od czystości. Domieszki obniżają przewodność. Najbardziej fosfor, arsen, aluminium, antymon, cyna. W mniejszym stopniu srebro, kadm, mangan. W elektrotechnice stosuje się czasem miedź z tymi dodatkami, ponieważ podnoszą one właściwości mechaniczne, natomiast w elektronice stosuje się zawsze miedź czystą chemicznie. Miedź wykazuje dużą odporność na korozję. W suchym powietrzu w zasadzie nie ulega korozji, w wilgotnym powietrzu pokrywa się warstwą zielonego nalotu tzw. patyny. Jest to zasadowy węglan miedzi, który w pewnym stopniu chroni miedź przed dalszą korozją. W środowisku wilgotnym zawierającym dwutlenek siarki miedź ulega korozji, gdyż wytwarzający się zasadowy siarczan miedzi nie zabezpiecza jej przed dalszą korozją. Woda morska nie powoduje korozji. Gorzej działa woda słodka zawierająca CO_{2 i} O₂. Miedź bardzo dobrze przerabia się plastycznie, dobrze poddaje się obróbce mechanicznej, natomiast nie nadaje się do odlewania ze względu na duży skurcz i zdolność rozpuszczania gazów. Łatwym i powszechnie stosowanym sposobem łączenia miedzi jest lutowanie. Daje się ona również dość dobrze łączyć metodą zgrzewania, natomiast spawanie miedzi jest bardzo trudne. Wymaga stosowania specjalnych metod i dużych kwalifikacji pracowników.

 

Otrzymywanie miedzi.

            Miedź występuje w przyrodzie w postaci rudy. Są to minerały zalegające w ziemi i zawierające przede wszystkim tlenki i siarczki miedzi. W zależności od składu rozróżniamy rożne gatunki rudy. Najbardziej znane to: malachit, chalkopiryt, kupryt, chalkozyn, bornit. W Polsce duże złoża rud miedzi występują w okolicy Legnicy i Głogowa. Pierwszym etapem jest wydobycie rudy. Przy złożach zalegających na niewielkich głębokościach stosuje się metody odkrywkowe a przy złożach głębokich metody górnictwa podziemnego. Po wydobyciu następuje wstępny etap oddzielania zanieczyszczeń i wzbogacania rudy. Stosuje się tu metodę flotacji polegającą na tym, że rudę miele się na drobny proszek, zasypuje się ją do specjalnych komór flotacyjnych i zalewa się wodą. Od spodu wpuszczamy pod ciśnieniem sprężone powietrze, które powoduje intensywne mieszanie kąpieli i wytwarzanie dużej ilości piany. Związki miedzi jako lżejsze przechodzą do piany a zanieczyszczenia opadają na dno. Po osuszeniu piany otrzymujemy tzw. koncentrat zawierający do 30% miedzi. Kolejnym etapem jest przetapianie w piecach szybowych. Są to piece budowane w układzie pionowym, ogrzewane koksem. Przetapiamy w nich koncentrat z dodatkiem topników. Z zanieczyszczeń znajdujących się w rudzie, topników i spalonego koksu powstaje żużel, który zbiera się na powierzchni a na dole otrzymujemy tzw. kamień miedziowy, który może zawierać do 60% miedzi. Następny proces to przetapianie w konwertorach. Konwertor jest to piec o charakterystycznym kształcie szerszym u dołu a zwężającym się u góry. Podwieszony jest na specjalnej konstrukcji umożliwiającej obracanie pieca. Z zewnątrz posiada pancerz stalowy a od wewnątrz wyłożony jest wykładziną odporną na wysokie temperatury. Posiada podwójne dno. Do konwertora wlewamy roztopiony kamień miedziowy w stanie ciekłym. Od spodu przez podwójne dno wpuszczamy sprężone powietrze. Konwertor nie jest ogrzewany żadnym paliwem. Pomimo tego temperatura w piecu nie spada a nawet wzrasta. Dzieje się tak dlatego, że w bardzo wysokiej temperaturze, przy dostępie tlenu z powietrza następuje spalenie większości zanieczyszczeń. W wyniku tego na powierzchni znowu powstaje żużel a na dole zbiera się miedź, teraz już o czystości do 99%. Do zastosowań w elektrotechnice a zwłaszcza w elektronice jest to jednak jeszcze zbyt mała czystość i dlatego przeprowadza się kolejny proces – elektrolizę, która pozwala usunąć ostatnie zanieczyszczenia. Elektroliza odbywa się w naczyniu wypełnionym roztworem siarczanu miedzi CuSO₄ z dodatkiem kwasu siarkowego  H₂SO₄. Z jednej strony umieszczamy blok wykonany z miedzi czarnej (hutniczej) i łączymy go z biegunem dodatnim źródła napięcia. Z drugiej strony umieszczamy cienką blaszkę z czystej miedzi i łączymy z biegunem ujemnym. W roztworze wodnym siarczan miedzi ulega dysocjacji według reakcji:

            CuSO₄ → Cu⁺⁺  + SO₄^{- 2}

Dodatnie jony miedzi przyciągane są przez elektrodę ujemną i osadzają się na niej. Ujemne jony SO₄ przyciągane są przez elektrodę dodatnią. Tam pobierają miedź i tworzą siarczan CuSO₄. Siarczan rozpuszcza się w roztworze i dysocjuje tworząc jony. Jony z powrotem przyciągane są przez odpowiednie elektrody i cały proces powtarza się. W ten sposób elektrody dodatniej ubywa a elektrody ujemnej przybywa. Inaczej mówiąc miedź z elektrody dodatniej jest przenoszona na elektrodę ujemną. Dotyczy to jednak tylko miedzi. Zanieczyszczenia nie biorą udziału w tym procesie i opadają na dno tworząc szlam pod elektrodą dodatnią. Proces kończy się gdy cała miedź zostanie przeniesiona na katodę. Otrzymamy tam miedź o czystości  99,99%. Elektroliza zachodzi przy niskim napięciu ale przy wysokim natężeniu prądu.

 

Stopy miedzi

Poza elektrotechniką miedź w stanie czystym jest rzadko stosowana. Znacznie częściej wykorzystuje się stopy miedzi ze względu na ich korzystniejsze właściwości. W szczególności stopy miedzi wykazują:

•        Dobrą wytrzymałość i sprężystość

•        Łatwość kształtowania różnymi sposobami

•        Dobre właściwości odlewnicze

•        Właściwości para lub diamagnetyczne

•        Odporność na ścieranie

•        Ładny wygląd

•        Odporność na korozję

•        Szeroki zakres konduktywności

Podstawowe stopy miedzi to brązy, mosiądze i miedzionikle.

Brązy są to stopy miedzi z cyną. Brązami nazywamy też stopy miedzi z niektórymi innymi pierwiastkami np. z aluminium- brąz aluminiowy (brązal), z ołowiem- brąz ołowiowy itp.

Najpopularniejsze są jednak brązy cynowe i mówiąc „brązy” mamy na myśli przede wszystkim brązy cynowe. Najczęściej brązy stosuje się na : posągi, dzwony, panewki łożysk ślizgowych, części maszynowe, armaturę, koła zębate, sprężyny, oprawki w urządzeniach elektrycznych.

Mosiądze są to stopy miedzi z cynkiem. Stosowane są głównie na : armaturę, aparaturę kotłową i chemiczną, przybory geodezyjne, części maszynowe, okucia meblowe, części zegarów, instrumenty muzyczne, monety itd. Mosiądz zawierający 20% cynku nazywa się tombak. Odznacza się pięknym, żółtym kolorem przypominającym złoto. Stosowany jest na różne elementy ozdobne oraz sztuczną biżuterię jako imitacja złota. Z kolei przy zawartości cynku 40% otrzymujemy tzw. nowe srebro. Jest to mosiądz o jasnym, srebrzystym kolorze, przypominający srebro. Stosowany przede wszystkim na elementy ozdobne.

Miedzionikle to stopy miedzi i niklu. Odznaczają się ładnym wyglądem oraz dużą rezystywnością. Są stosowane na elementy oporowe, termoogniwa, termopary, a także na elementy ozdobne, monety i do platerowania. Stop o zawartości 20% niklu – nikielina. Stop o zawartości 40% niklu – konstantan.

 

2. ALUMINIUM

 

Właściwości aluminium.

            Barwa srebrzysto-szara. Gęstość 2,7 g/cm³. Jest to bardzo mała wartość co świadczy o tym, że aluminium jest jednym z najlżejszych metali. Ma to bardzo duże znaczenie praktyczne. Temperatura topnienia 660°C. Przewodność elektryczna 33∗10⁶ S/m. Współczynnik temperaturowy oporu 0,004 1/°C. Współczynnik rozszerzalności liniowej 23,9∗10^-6  1/°C. Przewodność cieplna 220 W/m°C. Aluminium, pomimo że jest metalem bardzo aktywnym chemicznie, wykazuje dużą odporność na korozję. Wynika to z tego, że przy zetknięciu z powietrzem aluminium reaguje z tlenem i wytwarza na powierzchni warstewkę tlenków. Warstwa ta jest bardzo cienka a jednocześnie bardzo twarda, szczelna, zwarta i silnie przylegająca do podłoża. Stanowi ona naturalną powłokę ochronną, która izoluje metal od środowiska i nie dopuszcza do dalszej korozji. Aluminium nie daje się lutować lutem cynowym. Można go spawać przy zastosowaniu topników. Nie daje się malować. Obrabia się dobrze różnymi sposobami, w szczególności wykazuje dobre właściwości odlewnicze. Zastosowanie aluminium wynika głównie z jego lekkości. Jest stosowane wszędzie tam gdzie chodzi nam o obniżenie ciężaru konstrukcji. Typowe przykłady to: urządzenia transportowe, samoloty, samochody, wagony, okręty, stopy lekkie w budownictwie lądowym, sprzęt turystyczny i wojskowy a w elektrotechnice przewody w sieciach przesyłowych napowietrznych.

 

Otrzymywanie aluminium.

            Aluminium, jak większość metali, występuje w przyrodzie w postaci rudy. Podstawowa ruda aluminium zwana jest boksytem a jej głównym składnikiem jest wodorotlenek aluminium. Pierwszym etapem jest działanie wodorotlenkiem sodu na boksyt w wyniku czego otrzymujemy glinian sodowy oraz wodę. Proces odbywa się w naczyniach zamkniętych pod ciśnieniem kilku atmosfer i w podwyższonej temperaturze. Glinian rozpuszcza się w roztworze a zanieczyszczenia pozostają w osadzie. W celu oddzielenia osadu przepuszcza się go przez filtry pracujące pod ciśnieniem. Do kadzi z oczyszczonym roztworem wprowadza się krystaliczny wodorotlenek glinu, który zapoczątkowuje dalszą krystalizację. Wodorotlenek opada na dno i po przemyciu wodą poddawany jest prażeniu w temperaturze około 1200°C.

            2Al(OH)₃ → Al₂O₃+3H₂O

Końcowym etapem jest elektroliza. Elektroliza aluminium zachodzi w roztopionym tlenku aluminium Al₂O₃. Temperatura topnienia tlenku jest bardzo wysoka i w celu jej obniżenia dodaje się specjalnych substancji (kriolit). Ostatecznie proces zachodzi w temperaturze około 900°C. Pojemnik wykonany jest z cegły szamotowej a jego dno i ścianki wyłożone są grafitem i połączone z biegunem ujemnym źródła napięcia. Od góry zanurzone są elektrody wykonane również z grafitu, połączone z biegunem dodatnim. Tlenek aluminium dysocjuje na jony aluminium i tlenu. Aluminium gromadzi się na dnie pod wpływem przyciągania do elektrody ujemnej oraz pod wpływem ciężaru własnego i co pewien czas jest spuszczane z wanny. Na anodzie wydziela się tlen.  

Źródło: Google

ALUMINIUM	MIEDŹ
Dobra przewodność Mała gęstość Dobra odporność chemiczna Doskonałe własności izolacyjne tlenków aluminium pokrywających w krótkim czasie powierzchnię przewodów Rezystywność [Ωm] 2.83 * 10^-8	Dobra przewodność Niezłe właściwości mechaniczne Niższa cena niż srebra Rezystywność [Ωm] 1.75 * 10^-8