Bakar: električna provodljivost, svojstva, karakteristike i primjene

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-17 18:43

U mnogim granama moderne industrije, materijal kao što je bakar se veoma široko koristi. Električna provodljivost ovog metala je vrlo visoka. To objašnjava svrsishodnost njegove primjene prvenstveno u elektrotehnici. Bakar proizvodi provodnike sa odličnim karakteristikama performansi. 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.

Historijska pozadina

Bakar je metal poznat čovjeku od davnina. Rano upoznavanje ljudi s ovim materijalom objašnjava se prvenstveno njegovom širokom rasprostranjenošću u prirodi u obliku grumenova. Mnogi naučnici vjeruju da je bakar bio prvi metal koji je čovjek dobio iz jedinjenja kiseonika. Nekada su se stijene jednostavno zagrijavale na vatri i naglo hladile, zbog čega su secracked. Kasnije se obnavljanje bakra počelo vršiti na vatri uz dodatak uglja i puhanje mijehom. Poboljšanje ove metode na kraju je dovelo do stvaranja osovinske peći. Čak i kasnije, ovaj metal se počeo dobijati oksidativnim topljenjem ruda.

Bakar: električna provodljivost materijala

U mirovanju, svi slobodni elektroni bilo kojeg metala kruže oko jezgra. Kada se spoji vanjski izvor utjecaja, oni se redaju u određenom nizu i postaju nosioci struje. Stepen sposobnosti metala da prođe kroz sebe naziva se električna provodljivost. Jedinica za mjerenje u međunarodnom SI je Siemens, definisana kao 1 cm=1 ohm-1.

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

Bakar savršeno podnosi stalna električna opterećenja i također se odlikuje pouzdanošću i izdržljivošću. Između ostalog, ovaj metal karakteriše i visoka tačka topljenja (1083,4 °C). A to, zauzvrat, omogućava bakru da radi dugo vremena u zagrijanom stanju. U smislu rasprostranjenosti kao strujni provodnik, samoaluminijum.

Uticaj nečistoća na električnu provodljivost bakra

Naravno, u naše vrijeme se za topljenje ovog crvenog metala koriste mnogo naprednije tehnike nego u antici. Međutim, čak i danas je gotovo nemoguće dobiti potpuno čist Cu. U bakru uvijek postoje razne vrste nečistoća. To može biti, na primjer, silicijum, željezo ili berilij. U međuvremenu, što je više nečistoća u bakru, to je niža njegova električna provodljivost. Za proizvodnju žica, na primjer, prikladan je samo dovoljno čist metal. Prema propisima, u tu svrhu se može koristiti bakar sa 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 provodljivost bakra i sumpora je veoma različita. Ova nečistoća uopće ne provodi struju. To jest, dobar je izolator. Međutim, sumpor gotovo da nema utjecaja na električnu provodljivost bakra. Isto važi i za toplotnu provodljivost. Kod antimona i arsena uočava se obrnuta slika. Ovi elementi mogu značajno smanjiti električnu provodljivost bakra.

Legure

Različite vrste aditiva se takođe mogu koristiti posebno za povećanje čvrstoće takvog duktilnog materijala kao što je bakar. Oni također smanjuju njegovu električnu provodljivost. 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 kadmijum bronza. Njegova provodljivost je 90% provodljivosti bakra. Ponekad se i aluminijum koristi kao aditiv umesto kadmijuma. Provodljivost ovog metala je 65% provodljivosti bakra. Drugi materijali i supstance, kao što su kalaj, fosfor, hrom, berilijum, takođe se mogu koristiti u obliku aditiva za povećanje čvrstoće žica. Rezultat je bronza određene ocjene. Kombinacija bakra i cinka naziva se mesing.

Specifikacije legure

Električna provodljivost metala može zavisiti ne samo od količine nečistoća prisutnih u njima, već i od drugih pokazatelja. Na primjer, kako temperatura grijanja raste, sposobnost bakra da propušta struju kroz sebe se smanjuje. Čak i način na koji je napravljena utiče na električnu provodljivost takve žice. U svakodnevnom životu i proizvodnji mogu se koristiti i meko žareni bakreni provodnici i tvrdo vučeni. Prva sorta ima veću sposobnost prolaska struje kroz sebe.

Međutim, naravno, upotrebljeni aditivi i njihova količina najviše utiču na električnu provodljivost bakra. Tabela ispod pruža čitaocu sveobuhvatne informacije o trenutnoj nosivosti najčešćih legura ovog metala.

Električna provodljivost bakrenih legura

Legura	Stanje (O-žareno, T-tvrdo nacrtano)	Konduktivnost (%)
Čisti bakar	O	101
	T	98
Tin Bronze (0.75 %)	O	55-60
	T	50-55
kadmijum bronza (0,9%)	O	95
	T	83-90
Aluminijumska bronza (2,5% A1, 2% Sn)	O	15-18
	T	15-18
fosforna bronza (7% Sn, 0,1% Ρ)	O	10-15
	T	10-15

Električna provodljivost mesinga i bakra je uporediva. Međutim, za prvi metal, ova brojka je, naravno, nešto niža. Ali istovremeno je veći od bronze. Mesing se široko koristi kao provodnik. Prenosi struju lošije od bakra, ali u isto vrijeme košta manje. Najčešće se od mesinga izrađuju kontakti, stege i razni dijelovi za radio opremu.

Legura bakra visoke otpornosti

Ovakvi materijali za provodnike se uglavnom koriste u proizvodnji otpornika, reostata, mjernih instrumenata i električnih uređaja za grijanje. Najčešće korišćene legure bakra za ovu svrhu 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 sa koeficijentomtoplotna provodljivost

Električna provodljivost bakra je 59,500,000 S/m. Ovaj indikator je, kao što je već spomenuto, tačan, ali samo na temperaturi od +20 ^oS. Postoji određeni odnos između toplinske provodljivosti bilo kojeg metala i specifične provodljivosti. Uspostavlja 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 - provodljivost, k - Boltzmannova konstanta, e - elementarni naboj.}

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

Spajanje bakarnih i aluminijumskih žica

U posljednje vrijeme električna oprema sve veće snage počela je da se koristi u svakodnevnom životu i industriji. U sovjetskim vremenima, ožičenje je napravljeno uglavnom od jeftinog aluminijuma. 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 ovih potonjih, pored njihove vatrostalnosti, je da se njihova provodljiva svojstva ne smanjuju tokom oksidativnog procesa.

Često, aluminijumske i bakrene žice moraju biti povezane prilikom nadogradnje električnih mreža. Ne možete to učiniti direktno. Zapravo, električna provodljivost aluminija i bakra se ne razlikuje previše. Ali samo na svoju rukuovih metala. Oksidacioni filmovi aluminijuma i bakra imaju različita svojstva. Zbog toga je provodljivost na spoju značajno smanjena. Oksidacijski film aluminija je mnogo otporniji od bakra. Stoga bi se povezivanje ove dvije vrste vodiča trebalo vršiti 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 se češće koriste u zatvorenom prostoru. Njihov dizajn uključuje posebnu ploču koja isključuje direktan kontakt između aluminija i bakra. U nedostatku ovakvih provodnika u kućnom okruženju, umjesto direktnog uvrtanja žica, preporučuje se korištenje podloške i matice kao srednjeg "most".

Fizička svojstva

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

Fizičke karakteristike Cu

Parametar	Značenje
Mreža	FCC, a=3.6074 Å
Atomski radijus	1, 28 Å
Specifični toplotni kapacitet	385, 48 J/(kg K) na +20 oS
Toplotna provodljivost	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
Zatezna čvrstoća	220 Mn/m2

Hemijska svojstva

Prema ovim karakteristikama, bakar, čija je električna i toplotna provodljivost veoma visoka, zauzima srednju poziciju između elemenata prve trijade osme grupe i alkalnih elemenata prve grupe periodnog sistema. Njegova glavna hemijska svojstva uključuju:

• sklonost formiranju kompleksa;
• sposobnost proizvodnje obojenih jedinjenja i nerastvorljivih sulfida.

Najkarakterističnije za bakar je dvovalentno stanje. Praktično nema sličnosti sa alkalnim metalima. Njegova hemijska aktivnost je takođe niska. U prisustvu CO_{2 ili vlage, na površini bakra se formira zeleni karbonatni film. Sve soli bakra su otrovne. U mono- i dvovalentnom stanju ovaj metal stvara vrlo stabilna kompleksna jedinjenja. Najvažniji za industriju su amonijak.}

Koristite područje

Visoka toplotna i električna provodljivost 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 sistema grijanja;
• u gasovodima.

Za izradu raznih vrsta nakita uglavnom se koristi legura bakra i zlata. To vam omogućava da povećate otpornost nakita na deformaciju i habanje. U arhitekturi, bakar se 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 limovima od ovog metala. Bakarni krov ove zgrade štiti njen unutrašnji prostor skoro 700 godina.

Inženjerske komunikacije

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