Проводники в различных агрегатных состояниях

В качестве проводников могут быть использованы вещества во всех трех состояниях. Твердые проводники делятся на следующие группы:

- металлы высокой проводимости (ρ ≥ 0,05 мкОм∙м при нормальной температуре) – применяются при изготовлении кабелей, проводов, обмоток электрических машин и трансформаторов и т. п.;

- сплавы высокого сопротивления (ρ ≥ 0,3 мкОм∙м при нормальной температуре) – применяются для изготовления резисторов, электронагревательных приборов, нитей ламп накаливания и т. п.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты.

Электрический ток в металлах (и жидких, и твердых) обусловлен наличием свободных электронов, поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода.

Проводниками второго рода (электролитами), являются растворы кислот, щелочей и солей. Прохождение тока через эти вещества связано с переносом вместе с электрическими зарядами ионов, вследствие чего состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукты электролиза.

Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов числу положительных ионов в единице объема представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы.

Сопротивление у металлов, которые при плавлении увеличивают объем (т.е. уменьшают плотность) растет, у уменьшающих объем (лед-вода) - падает. В таблице 1 приведено отношение объемов одного и того же вещества в жидком и твердом состоянии.

Таблица 1

Изменение объема вещества при переходе из жидкого состояния в твёрдое

	Hg	Cu	Au	Zn	Ag	Al	Ga	Bi
3,2	2,4	2,28	2,19	1,9	1,64	0,58	0,43

 

Это объясняется изменением амплитуды колебаний узлов кристаллической решетки металла. При растяжении эти амплитуды увеличиваются, при сжатии – уменьшаются. Увеличение амплитуды приводит к уменьшению подвижности электронов, следовательно, к увеличению удельного сопротивления.

 

Пластическая деформация, как правило, повышает удельное сопротивление металлов вследствие искажения кристаллической решетки. При рекристаллизации путем термической обработки (отжига) удельное сопротивление может быть вновь снижено.

Снижение удельного сопротивления при деформациях сжатия объясняется вторичными причинами: уплотнением металла, разрушением оксидных пленок и т.д.

Базовые проводниковые материалы

Материалы с высокой электропроводностью

К ним относятся медь, алюминий и благородные металлы.

Медь

Общие сведения

Медь (лат. Cuprum) ‒ один из семи металлов, известных с глубокой древности. По некоторым археологическим данным ‒ медь была хорошо известна египтянам еще за 4000 лет до Рождества Христова. Знакомство человечества с медью относится к более ранней эпохе, чем с железом; это объясняется с одной стороны более частым нахождением меди в свободном состоянии на поверхности земли, а с другой ‒ сравнительной легкостью получения ее из соединений. Древняя Греция и Рим получали медь с острова Кипра (Cyprum), откуда и название ее Cuprum. Особенно важна медь для электротехники.

По электропроводности медь занимает второе место среди всех металлов, после серебра. Однако в наши дни во всем мире электрические провода, на которые раньше уходила почти половина выплавляемой меди, все чаще делают из алюминия. Сравнительная характеристика основных свойств меди и алюминия приведена в таблице 2. Алюминий хуже проводит ток, но легче и доступнее. Медь же, как и многие другие цветные металлы, становится все дефицитнее. Если в XIX в. медь добывалась из руд, где содержалось 6-9% этого элемента, то сейчас пятипроцентные медные руды считаются очень богатыми, а промышленность многих стран перерабатывает руды, в которых всего 0,5% меди.

Таблица 2

Свойства меди и алюминия

Материал	Медь	Алюминий
Общее описание	Мягкий металл красноватого оттенка	Серебристо-белый металл, отличающийся малой твердостью и другими невысокими механическими свойствами
Удельное сопротивление при 20ºС, Ом·м	1,7·10^-8	2,8·10^-8
Температурный коэффициент сопротивления, 1/К	4,3·10^-3	4·10^-3
Плотность при 20 ºС, кг/м^3
Теплопроводность, Вт/(м·К)
Температура плавления, ºС
Прочность при растяжении, МПа

Свойства меди

Медь - химический элемент I группы периодической системы Менделеева (приложение 1) с основными характеристиками:

- атомный номер 29;

- природная медь состоит из двух нечетных изотопов ⁶³Cu (69,09%) и ⁶⁵Cu (30,91%);

- в соединениях медь проявляет валентность: +1 (глубинные соединения, первичные сульфиды и минерал куприт - Cu₂O); +2 (все остальные минералы, около сотни); известны также немногочисленные соединения трехвалентной меди (искусственный окисел Cu₂O₃).

В сухом воздухе и кислороде при нормальных условиях медь не окисляется. Она достаточно легко вступает в реакции с галогенами, серой, селеном. А вот с водородом, углеродом и азотом медь не взаимодействует даже при высоких температурах. Кислоты, не обладающие окислительными свойствами, на медь не действуют.

Медь в природе

Медь входит более чем в 200 минералов, из которых для промышленности важны только 17, преимущественно сульфидов, фосфатов, силикатов, карбонатов, сульфатов. Главными рудными минералами являются:

- сульфиды - халькопирит CuFeS₂, ковеллин CuS, борнит Cu₅FeS₄, халькозин Cu₂S;

- окислы: тенорит (CuO), куприт (Cu₂O);

- карбонаты: малахит (Сu₃(OH)₂CO₃), лазурит (Сu₂(OH)₂CO₃);

- сульфаты: халькантит, брошантит.

Чистая медь - тягучий, вязкий металл красного, в изломе розового цвета, в очень тонких слоях на просвет медь выглядит зеленовато-голубой. Эти же цвета характерны и для многих соединений меди, как в твердом состоянии, так и в растворах. Понижение окраски при повышении валентности видно из следующих двух примеров: CuCl (валентность +1) ‒ белый, Cu₂O (валентность +1) ‒ красный, CuCl₂+H₂O (валентность +2) ‒ голубой, CuO (валентность +2) ‒ черный. Карбонаты характеризуются синим и зеленым цветом при условии содержания воды, чем намечается интересный практический признак для поисков.

Содержание меди в земной коре сравнительно невелико – 0,007%. Это в 1000 раз меньше, чем алюминия, в 600 раз меньше, чем железа. Однако медь входит в состав 200 минералов. Многие из них отличаются яркой и красивой окраской. Борнит Cu₅FeS₄ и лазурит Сu₃(OH)₂CO₃ синего цвета, халькопирит CuFeS₂ золотистого, темно-зеленый малахит Сu₂(OH)₂CO₃. Главные источники меди – сульфидные руды и медистые песчаники. В Африке сосредоточены огромные залежи медистых песчаников – песчаников со значительными вкраплениями соединений меди. Разведанные запасы меди в этих странах значительно больше, чем в Чили – традиционном экспортере медной руды.

Русская медь

Первые в России медеплавильные производства были созданы, по-видимому, в XIII в. Из документов известно, что еще в 1213 г. недалеко от Архангельска было найдено Цильменское месторождение медной руды.

В 1479 г. в Москве уже существовала «пушечная изба» и делались бронзовые пушки разных калибров.

В XVI...XVII вв. Россия испытывала острую нужду в металлах и особенно в меди. «Для сыску медныя руды» русские умельцы отправлялись на север, за Волгу, на Урал. В 1652 г. казанский воевода доносил царю: «Медныя руды... сыскано много и заводы.. к медному делу заводим». И действительно заводили. Известно, что за 12 лет, начиная с 1652 г., «в присылке было из Казани к Москве чистыя меди 4641 пуд 6 гривенок».

Но металла все равно не хватало. Не случайно Ломоносов писал, что металлы «...до трудов Петровых почти все получаемы были от окрестных народов, так что и военное оружие иногда у самих неприятелей нужда заставляла перекупать через другие руки дорогою ценой».

Петр I многое сделал для развития русской металлургии. К концу его царствования (в 1724 г.) только на Урале было 11 плавильных и 4 «переплавных» печей, выпускавших медь. Началась добыча цветных металлов и на Алтае.

А в 1760 г. в России было уже больше 50 медеплавильных заводов. Ежегодная выплавка меди достигла 180 тыс. пудов, или около 3 тыс. т. К середине XIX в. она еще удвоилась. В это время производство меди было сосредоточено в основном на Урале, Кавказе и в Казахстане.

Сырье для получения меди

Для получения меди применяют медные руды, а также отходы меди и ее сплавов. В рудах содержится 1-6% меди. Пустая порода состоит из пирита FeS, кварца SiO₂, карбонатов магния и кальция (MgCO₃ и CaCO₃), а также из различных силикатов, содержащих Al₂O₃, CaO, MgO и оксиды железа. В рудах иногда содержится значительное количество других металлов: цинк, олово, никель, золото, серебро, кремний и другие.

Медные руды делятся на следующие виды:

- сульфидные ‒ бывают обычно первичного происхождения;

- окисленные ‒ образовались в результате окисления металлов сульфидных руд;

- смешанные;

- самородные, в которых медь находится в свободном виде.

Производство меди

В древности для обработки скальной породы её нагревали на костре и быстро охлаждали, причём порода растрескивалась. Уже в этих условиях были возможны процессы восстановления. В дальнейшем восстановление вели в кострах с большим количеством угля и с вдуванием воздуха посредством труб и мехов. Костры окружали стенками, которые постепенно повышались, что привело к созданию шахтной печи. Позднее методы восстановления уступили место окислительной плавке сульфидных медных руд с получением промежуточных продуктов:

- штейна (сплава сульфидов), в котором концентрируется медь;

- шлака (сплава окислов).

Известны два способа извлечения меди из руд и концентратов:

- гидрометаллургический;

- пирометаллургический.