Мир глазами инженера Блог о технике и науке

2Май/182

Книга. Руководство по материалам электротехники

Наконец я публикую свою книгу по материалам электротехники. Я ее уже выкладывал по частям на geektimes, но собрав комментарии оттуда, доработав публикую финальную версию, дабы снять с себя уже эту задачку, которая сьела приличное количество сил и времени. Полный список всех ссылок можно найти на страничке этой книжки.

Книга публикуется в открытый доступ, интересно будет понаблюдать где она всплывет и кто сплагиатит мои фоточки. Статьи с гиктаймса разошлись уже на всякие помоечные сайты-аггрегаторы. Если вам понравилась книга, вы хотите заиметь бумажную версию (заодно поддержав рублем автора) есть возможность купить ее (Ridero).  Версия  книги в моем блоге лишена некоторых сносок и примечаний, так как надеюсь мои читатели не требуют пояснений совсем очевидных вещей. Поехали!

Введение, которое обычно никто не читает

Ковыряясь в поисках ответов на свои вопросы в разных учебниках по материаловедению, методичках, научпоп книгах я ужасался, насколько академический стиль изложения возводит стену между желающим узнать и знаниями. Насколько стремление авторов обойти острые грани, тёмные места превращает учебники в однородную бескрайнюю пустыню скуки и отчаяния. При этом запредельный уровень абстракции делает крайне сложным для неофита использование полученных знаний в практике. Поэтому я решил сделать свое руководство, с блекджеком и блудными девицами.

Это руководство живое, по мере получения новых материалов, уточнений, комментариев от вас, дорогие читатели оно будет дополняться, изменяться, становиться лучше. Всегда самая свежая версия руководства лежит у меня на сайте в бложике по адресу: http://serkov.me/. Я обеими руками поддерживаю движение Open Source и Open Hardware, считаю, что
обмен знаниями должен быть свободным, это принесет пользу для всех, поэтому пособие распространяется под лицензией Creative Commons 3.0 BY-NC-SA, что значит, вы можете делать с ним что угодно: выкладывать, распространять, модифицировать, соблюдая только три ограничения:

  • Ссылка на меня обязательна (в т.ч. производных работах);
  • Зарабатывать на моем пособии без договоренности со мной нельзя (запрет на использование в коммерческих целях);
  • Все производные работы должны распространяться на тех же условиях;

Плюшки данного пособия:

  • Весь текст написан мной, и дополнен замечательными людьми, упомянутыми в разделе Благодарности. Я не включал информацию, в достоверности или актуальности которой я бы сомневался. Поэтому доля брехни по тексту в среднем ниже, чем в маркетинговых текстах перепродавцов-поставщиков, но выше, чем в хорошем советском учебнике.
  • Большую часть материалов я хотя бы щупал, использовал в своих конструкциях, а не видел только на картинке. Все фотографии в тексте, если не указано иное, сделаны автором.
  • Пособие полностью {Чтобы быть до конца честным — за исключением одной картинки, которую пришлось рисовать в чем умел.} подготовлено с использованием  OpenSource продуктов (Linux, GIMP, LibreOffice, context). Просто из спортивного интереса.
  • Некоторые разделы имеют пункт «Источники» - советы по поиску материалов: где купить, под какими названиями искать. Конечно, всё можно купить на Алиэкспресс и на Ebay, поэтому такой вариант не указывается. Пункт может быть полезен если материал нужен «здесь и сейчас».

Для кого будет полезно это пособие прежде всего? Для всех желающих расширить кругозор, узнать что то новое для себя. Особенно рекомендую тем, кто хочет что-либо делать своими руками. Не смотря на страшное слово "Электротехника" в названии, руководство полезно даже тем, кто далек от электричества, точно-точно.

Если вам понравилось руководство, вы нашли ошибку, вам хочется добавить комментарий или дополнить руководство, даже просто аргументированно объяснить почему КГ/АМ — обязательно напишите мне письмо на pavel.serkov на почтовом сервере gmail.com.

Проводники

Двадцатый век — век пластмасс. До появления широкого спектра синтетических полимерных материалов, человек использовал в конструировании металлы и материалы природного происхождения — дерево, кожу и т.д. Сегодня мы завалены пластмассовыми изделиями, начиная от одноразовой посуды, заканчивая тяжелонагруженными деталями двигателей автомобилей. Пластмассы во многом превосходят металлы, но никогда не вытеснят их полностью, поэтому рассказ начнется с металлов. Металлам посвящены сотни книг, дисциплина, посвященная им, называется "металловедение".

Нас интересуют металлы с точки зрения электронной техники. Как проводники, как часть электронных приборов. Все остальные применения — например такие, как конструкционные материалы, в данное пособие пока не вошли.

Главное для электронной техники свойство металлов — это способность хорошо проводить электрический ток. Посмотрим на таблицу удельного сопротивления различных чистых металлов:

Металл Удельное сопротивление Ом*мм2
Серебро 0,0159
Медь 0,0157
Золото 0,023
Алюминий 0,0244
Иридий 0,0474
Вольфрам 0,053
Молибден 0,054
Цинк 0,059
Никель 0,087
Железо 0,098
Платина 0,107
Олово 0,12
Свинец 0,192
Титан 0,417
Висмут 1,2

Видим лидеров нашего списка: Ag, Cu, Au, Al.

Серебро

Ag — Серебро. Драгоценный металл. {Понятие «драгоценный металл» означает в том числе особые условия по работе с металлом, устанавливаемые законодательством.}
Серебро — самый дешевый из драгоценных металлов, но, тем не менее, слишком дорог, чтобы массово делать из него провода. На 5% лучшая электропроводность по сравнению с
медью, при разнице в цене почти в 100 раз.

Примеры применения

В виде покрытий проводников в СВЧ технике. Ток высокой частоты, из-за скин-эффекта в большей части течет по поверхности проводника, а не в его толще, поэтому тонкое покрытие высокочастотного волновода серебром дает бОльший прирост проводимости, чем покрытие серебром проводника для постоянного тока.

Волновод для СВЧ излучения, покрытый изнутри слоем серебра.

В сплавах контактных групп. Контакты силовых, сигнальных реле, рубильников, выключателей чаще всего изготовлены из сплава с содержанием серебра. Переходное сопротивление такого контакта получается ниже медного, он меньше подвержен окислению. Так как контакт обычно миниатюрен, вклад этой малой добавки серебра в стоимость всего изделия незначителен. Хотя при утилизации большого количества реле, стоимость серебра делает целесообразным работу по отделению контактов в кучку для последующего аффинажа.

 

Согласно документации производителя контакты содержат серебро и кадмий.

Различные реле. Верхнее реле имеет даже посеребренный корпус с характерной патиной. Содержание драгметаллов в изделиях, выпущенных в СССР было указано в паспортах на изделия.

В качестве присадки в припоях. Качественные припои (как твёрдые так и мягкие) часто содержат серебро.

Проводящие покрытия на диэлектриках. Например, для получения контактной площадки на керамике, на неё наносится суспензия из серебряных частиц с последующим запеканием в печи (метод "вжигания").

Компонент электропроводящих клеев и красок. Электропроводящие чернила часто содержат суспензию серебряных частиц. По мере высыхания таких чернил, растворитель испаряется, частицы в растворе оказываются всё ближе, слипаясь и создавая проводящие мостики, по которым может протекать ток. Хорошее видео с рецептом по созданию таких чернил.

Недостатки

Несмотря на то, что серебро благородный металл, оно окисляется в среде с содержанием серы:

4Ag,+,2H2S,+,O2,->,2Ag2S,+,2H2O

Образуется темный налет — "патина". Также источником серы может служить резина, поэтому провод в резиновой изоляции и посеребренные контакты — плохое сочетание.

Потемневшее серебро можно очистить химически. В отличии от чистки абразивными пастами (в том числе зубной пастой) это самый нежный способ чистки, не оставляющий царапин.

Медь

Cu — медь. Основной металл проводников тока. Обмотки электродвигателей, провода в изоляции, шины, гибкие проводники — чаще всего это именно медь. Медь нетрудно узнать по характерному красноватому цвету. Медь достаточно устойчива к коррозии.

Примеры применения

Провода. Основное применение меди в чистом виде. Любые добавки снижают электропроводность, поэтому сердцевина проводов обычно чистейшая медь.

Гибкие многожильные провода различного сечения.

Гибкие тоководы. Если проводники для стационарных устройств можно в принципе изготовить из любого металла, то гибкие проводники делают почти всегда только из меди, алюминий для этих целей слишком ломкий. Содержат множество тоненьких медных жилок.

Теплоотводы. Медь не только на 56\% лучше алюминия проводит ток, но ещё имеет почти вдвое лучшую теплопроводность. Из меди изготавливают тепловые трубки, радиаторы, теплораспределяющие пластины. Так как медь дороже алюминия, часто радиаторы делают составными, сердцевина из меди, а остальная часть из более дешевого алюминия.

Радиаторы охлаждения процессора. Центральный стержень изготовлен из меди,
он хорошо отводит тепло от кристалла процессора, а алюминиевый радиатор с
развитым оребрением уже охлаждает сам стержень.

При изготовлении фольгированных печатных плат. Печатные платы, в любом электронном устройстве изготовлены из пластины диэлектрика, на который наклеена медная фольга. Все соединения между элементами печатной платы выполнены дорожками из медной фольги.

Техника сверхвысокого вакуума. Из металлов и сплавов только нержавеющая сталь и медь пригодны для камер сверхвысокого вакуума в таких приборах, как ускорители элементарных частиц или рентгеновские спектрометры. Все остальные металлы в вакууме слегка испаряются и портят вакуум.

Аноды рентгеновских трубок. В рентгеноструктурном анализе требуется монохроматическое рентгеновское излучение. Его источником зачастую является облучаемая электронами медь (спектральная линия Cu Kα), которая к тому же прекрасно отводит тепло. Если же требуется другое излучение (Co или Fe), его получают от маленького кусочка соответствующего металла на массивном медном теплоотводе. Такие аноды всегда охлаждаются проточной водой.

Интересные факты о меди

  • Медь — достаточно дорогой металл, поэтому недобросовестные производители стараются экономить на нем. Занижают сечение проводов (когда написано 0,75 мм2, а фактически 0,11 мм2) Окрашивают алюминий"под медь" в обмотках, внешне обмотка выглядит как медная, а стоит соскрести изоляцию —  оказывается, что она сделана из алюминия. Этим грешат и китайские, и отечественные производители, кабель сечением 2,5 мм2 вполне может оказаться сечением 2,3 мм2, поэтому запас прочности и входной контроль не будут лишними. Разумеется, надежность контакта в электроарматуре жилы сечением 2,3мм2, рассчитанной на жилу 2,5 мм2, будет невысокой.
  • Медь окрашивает пламя в зелёный цвет, это свойство использовали для обнаружения меди в руде, когда не был доступен химический анализ. Зеленый след в пламени — показатель наличия меди. {но не всегда, например в зеленый цвет пламя также окрашивают ионы бора}

    Окрашивание пламени в зеленый цвет — показатель наличия меди.

  • Медь — мягкий металл, но если добавить к меди хотя бы 10% олова, получается твёрдый, упругий сплав — бронза. Именно освоение получения бронзы послужило названием к исторической эпохе — бронзовому веку. Добавка к меди бериллия дает бериллиевую бронзу — прочный упругий сплав, из которого изготавливают пружинящие контакты.
  • Медь — один из немногих мягких металлов с высокой температурой плавления, поэтому из меди изготавливают уплотнительные прокладки, например для высокотемпературной или вакуумной техники. Например, уплотнительная прокладка пробки картера двигателя автомобиля.
  • При механической обработке (например волочении) медь уплотняется и становится жёсткой. Для восстановления исходной мягкости и пластичности медь "отжигают" в защитной атмосфере, нагревая до 500–700°С  и плавно охлаждая. Поэтому некоторые медные изделия твёрдые, а некоторые мягкие, например медные трубы.
    Неотожженая медь имеет более высокую твердость, упругость, но на 3–5% меньшую электропроводность.
  • Медь не даёт искр. Для работы во взрывоопасных местах, например на газопроводе, используют искробезопасный инструмент, стальной инструмент покрытый слоем меди или инструмент изготовленный из сплавов меди — бронз. Если таким инструментом случайно чиркнуть по стальной поверхности он не даст опасных искр.
  • Так как температурный коэффициент сопротивления для чистой меди известен, из меди изготавливают термометры сопротивления (тип ТСМ — Термометр Сопротивления Медный, есть еще ТСП — Термометр Сопротивления Платиновый). Термометр сопротивления — это точно изготовленный резистор, навитый из медной проволоки. Измерив его сопротивление, можно по таблице или по формуле определить его температуру достаточно точно.
  • В каталогах производителей аудио кабелей можно увидеть упоминания "Бескислородной меди". (OFC — Oxygen-free copper). Практически всегда это всего лишь маркетинговый прием для обоснования неадекватно высокой цены продукции. Кислород ухудшает не только проводящие свойства меди, но и ее механические свойства, поэтому медь при производстве подвергают очистке от примесей путем электролиза, иначе из нее становится трудно получить проволоку волочением. Поэтому можете быть уверенны, любой провод и кабель, удовлетворяющий требованиям ГОСТ содержит медь достаточного качества.

 

Комментарии (2) Пинги (0)
  1. Павел, а не дали ли вы маху с удельным сопротивлением меди?
    Серебро 0,0159
    Медь 0,0157 —?????
    Получается. что медь круче серебра?
    Согласно Вики и советским справочникам удельное сопротивление меди составляет минимум 0,017 Ом x мм2/м.


Leave a comment

Нет обратных ссылок на эту запись.