Materiály vodičů v elektrických instalacích: typy, technické vlastnosti, vlastnosti a příklady použití

Elektrické vodiče hrají klíčovou roli v moderní elektrotechnice, zajišťují spolehlivý přenos elektrického proudu v různých zařízeních a systémech. Od starověku, kdy se kovový drát používal výhradně pro mechanické účely, až po dnešek, kdy se stal nedílnou součástí elektrických sítí, prošly materiály vodičů významnými změnami.

Elektrické instalace používají různé vodivé materiály, z nichž každý má své vlastní jedinečné vlastnosti a oblasti použití.

V tomto článku se podíváme na hlavní typy vodivých materiálů, jako je měď a hliník, jejich vlastnosti a použití v elektroinstalacích. Pojďme se seznámit s historií vývoje vodičů a zjistit, jaké faktory ovlivňují jejich elektrickou vodivost.

Co je to dirigent?

Vodič je elektrický materiál určený k vedení proudu. Vodiče jsou široce používány pro výrobu různých prvků elektrických zařízení, vodivých jader vodičů a kabelů.

Výroba kovového drátu se k nám dostala od starověku. Před tisíci lety (v 10. století) se ho naučili protahovat kukátkem – dírou v rýsovacím prkně. Drát ale dlouho sloužil pouze k mechanickým účelům.

Cenili si u ní trvanlivosti. Ale asi před 350 lety, když začali studovat elektrické jevy, byla u kovového drátu objevena nová pozoruhodná vlastnost – schopnost vést elektrický náboj. V rukou člověka se tak z drátu stal elektrický drát. Ukázalo se, že mezi kovy mají zvláště dobrou elektrickou vodivost měď a hliník (nepočítaje drahé kovy).

Moderní elektrické dráty a kabely jsou vyrobeny z velmi čisté mědi – až 99,93 %, protože nečistoty zvyšují odolnost vůči proudu. Hliník vede proud poněkud hůře. Z toho vyrobené dráty proto musí být silnější než měděné (se stejnou proudovou hodnotou).

Mimochodem, který z těchto drátů bude těžší: měď nebo hliník?

Pojďme vyřešit malý problém. Měděný odpor je 0,017 a měrný odpor hliníku 0,029. To znamená, že hliník vede proud 1,7krát hůře než měď a dráty z něj vyrobené musí být 8,9krát silnější. Měrná hmotnost mědi je však 3 g/cm2,7 a měrná hmotnost hliníku pouze 3 g/cm3,3 – 3,3krát méně. To znamená, že hliníkový drát, i přes svou větší tloušťku, bude stále 2,7:2 – téměř XNUMXkrát lehčí než měď.

Vodivé materiály v elektroinstalacích

Klasifikace polovodičových materiálů

Jako vodivé části v elektroinstalacích se tedy používají vodiče z mědi, hliníku, jejich slitin a železa (oceli).

Měď je jedním z nejlepších elektricky vodivých materiálů. Hustota mědi při 20°C je 8,95 g/cm3, bod tání 1083°C Měď je chemicky neaktivní, ale snadno se rozpouští v kyselině dusičné, ve zředěné kyselině chlorovodíkové a sírové se rozpouští pouze za přítomnosti oxidačních činidel (kyslíku). Na vzduchu se měď rychle pokryje tenkou vrstvou tmavě zbarveného oxidu, ale tato oxidace nepronikne hluboko do kovu a slouží jako ochrana proti další korozi. Měď se dobře hodí ke kování a válcování bez zahřívání.

Elektrolytické měděné ingoty obsahující 99,93 % čisté mědi se používají k výrobě elektrických vodičů.

Elektrolytická měď díky své vysoké čistotě poskytuje vynikající elektrickou vodivost a minimální odpor, takže je ideální pro použití jako vodivý materiál. Kromě toho má měď dobrou tepelnou vodivost, což jí umožňuje účinně odvádět teplo vznikající průchodem elektrického proudu.

Měděné přípojnice s proudovými transformátory v rozváděči

Elektrická vodivost mědi silně závisí na množství a typu nečistot a v menší míře na mechanickém a tepelném zpracování. Měrný odpor mědi při 20°C je 0,0172–0,018 ohm x mm2/m.

Pro výrobu vodičů se používá měkká, polotvrdá nebo tvrdá měď o měrné hmotnosti 8,9, 8,95 a 8,96 g/cm3.

Měď ve slitinách s jinými kovy je široce používána pro výrobu částí pod proudem. Nejpoužívanější jsou následující slitiny.

Mosaz je slitina mědi a zinku, s obsahem mědi minimálně 50 % ve slitině, s přísadami dalších kovů. Měrný odpor mosazi je 0,031 – 0,079 ohm x mm2/m. Rozlišuje se tombaková mosaz s obsahem mědi nad 72 % (má vysokou plasticitu, antikorozní a protitřecí vlastnosti) a speciální mosaz s přísadou hliníku, cínu, olova nebo manganu.

Mosaz obohacená aditivy získává jedinečné vlastnosti, díky kterým jsou vhodné pro specifické aplikace. Například přidání hliníku zvyšuje odolnost proti korozi a pevnost, cín zlepšuje antikorozní vlastnosti, olovo zajišťuje lepší obrobitelnost a mangan zvyšuje pevnost a odolnost proti opotřebení.

Bronzy jsou slitinou mědi a cínu s přísadami různých kovů. Podle obsahu hlavní složky ve slitině se bronzům říká cín, hliník, křemík, fosfor a kadmium. Měrný odpor bronzu je 0,021 – 0,052 ohm x mm2/m.

Mosaz a bronz mají dobré mechanické a fyzikálně-chemické vlastnosti. Snadno se odlévají a tvarují a jsou odolné vůči atmosférické korozi.

Měď a hliník jsou nejběžnější vodivé materiály v elektrotechnice.

Hliník je svými vlastnostmi po mědi druhým nejlepším vodivým materiálem. Teplota tání je 659,8 °C. Hustota hliníku při teplotě 20 °C je 2,7 g/cm3. Hliník se snadno odlévá a snadno obrábí. Hliník je při teplotě 100–150°C kujný a tažný (lze svinout do tabulí o tloušťce 0,01 mm).

Elektrická vodivost hliníku silně závisí na nečistotách a málo na mechanickém a tepelném zpracování. Čím čistější je složení hliníku, tím vyšší je jeho elektrická vodivost a lepší odolnost vůči chemickým vlivům. Zpracování, válcování a žíhání výrazně ovlivňují mechanickou pevnost hliníku. Opracování hliníku za studena zvyšuje jeho tvrdost, pružnost a pevnost v tahu. Měrný odpor hliníku při 20°C je 0,026 – 0,029 ohm x mm2/m.

Při výměně mědi za hliník je třeba zvětšit průřez vodiče v poměru k vodivosti, tj. 1,63krát.

Při stejné vodivosti bude hliníkový vodič 2krát lehčí než měděný.

Pro výrobu vodičů se používá hliník, který obsahuje minimálně 98 % čistého hliníku, maximálně 0,3 % křemíku a maximálně 0,2 % železa.

Pro výrobu dílů pod proudem se používají slitiny hliníku s jinými kovy, např.: Duralumin – slitina hliníku s mědí a manganem.

Silumin je lehká licí slitina vyrobená z hliníku s příměsí křemíku, hořčíku a manganu.

Slitiny hliníku mají dobré odlévací vlastnosti a vysokou mechanickou pevnost.

V elektrotechnice se nejčastěji používají následující slitiny hliníku:

Deformovatelná hliníková slitina značky AD, obsahující minimálně 98,8 hliníku a až 1,2 dalších nečistot.

Deformovatelná hliníková slitina třídy AD1, obsahující minimálně 99,3 hliníku a až 0,7 dalších nečistot.

Deformovatelná hliníková slitina třídy AD31, obsahující 97,35–98,15 hliníku a 1,85–2,65 jiných nečistot.

Slitiny jakosti AD a AD1 se používají pro výrobu pouzder a zápustek pro kování. Slitina AD31 se používá k výrobě profilů a sběrnic používaných pro elektrické vodiče.

V důsledku tepelného zpracování získávají výrobky vyrobené z hliníkových slitin vysokou pevnost a meze kluzu (tečení).

Železo – bod tání 1539°C. Hustota železa je 7,87. Železo se rozpouští v kyselinách a je oxidováno halogeny a kyslíkem.

V elektrotechnice se používají oceli různých jakostí, například:

Uhlíkové oceli jsou kujné slitiny železa s uhlíkem a dalšími metalurgickými nečistotami.

Měrný odpor uhlíkových ocelí je 0,103 – 0,204 ohm x mm2/m.

Legované oceli jsou slitiny s přídavnými přísadami chrómu, niklu a dalších prvků přidávaných do uhlíkové oceli.

Ocelovo-hliníkové dráty vedení vysokého napětí

Jako přísady do slitin, jakož i pro výrobu pájek a ochranných povlaků pro vodivé kovy se široce používají následující:

Kadmium je kujný kov. Bod tání kadmia je 321°C. Měrný odpor 0,1 ohm x mm2/m. V elektrotechnice se kadmium používá k přípravě nízkotavitelných pájek a k ochranným povlakům (kadmiování) kovových povrchů. Kadmium se svými antikorozními vlastnostmi blíží zinku, ale kadmiové povlaky jsou méně porézní a nanášejí se v tenčí vrstvě než zinkové povlaky.

Nikl – bod tání 1455°C. Měrný odpor niklu je 0,068 – 0,072 ohm x mm2/m. Za normální teploty není oxidován vzdušným kyslíkem. Nikl se používá ve slitinách a pro ochranné povlaky (niklování) kovových povrchů.

Cín – bod tání 231,9°C. Měrný odpor cínu je 0,124 – 0,116 ohm x mm2/m. Cín se používá k pájení ochranných povlaků (cínování) kovů v čisté formě i ve formě slitin s jinými kovy.

Olovo – bod tání 327,4°C. Měrný odpor 0,217 – 0,227 ohm x mm2/m. Olovo se používá ve slitinách s jinými kovy jako kyselinovzdorný materiál. Přidává se do pájecích slitin (pájek).

Olověná pojistková vložka (pojistkové vložky mohou být vyrobeny z mědi, zinku, olova nebo stříbra)

Stříbro je velmi tvárný, tažný kov. Teplota tání stříbra je 960,5°C. Stříbro je nejlepší vodič tepla a elektřiny. Měrný odpor stříbra je 0,015 – 0,016 ohm x mm2/m. Stříbro se používá pro ochranný nátěr (stříbření) kovových povrchů.

Antimon je lesklý, křehký kov s teplotou tání 631°C. Antimon se používá jako přísada do pájecích slitin (pájek).

Chrom je tvrdý, lesklý kov. Teplota tání 1830 °C. Na vzduchu za normální teploty se nemění. Měrný odpor chromu je 0,026 ohm x mm2/m. Chrom se používá ve slitinách a pro ochranné povlaky (chromování) kovových povrchů.

Zinek – bod tání 419,4°C. Měrný odpor zinku je 0,053 – 0,062 ohm x mm2/m. Ve vlhkém vzduchu zinek oxiduje, pokrývá se vrstvou oxidu, která působí jako ochranná vrstva proti následným chemickým vlivům. V elektrotechnice se zinek používá jako přísada do slitin a pájek a také k ochrannému nátěru (galvanizaci) povrchů kovových dílů.

V kontaktech elektrických zařízení se používají vodivé materiály jako je měď, stříbro, hliník, platina, zlato, molybden, wolfram a kovokeramika (viz – Jaké materiály se používají pro vytváření kontaktů elektrických zařízení).

Nekovové vodiče elektřiny lze nalézt i v životním prostředí. Patří mezi ně grafit, alotrop běžného uhlíku. Samotný uhlík je izolant.

Iontové kapaliny a elektrolyty jsou také vodiče používané v bateriích a palivových článcích. Vedou proud pohybem iontů, což se liší od elektronové vodivosti v kovech.

Voda znečištěná a obohacená solemi se díky iontové vodivosti stává vodičem. Tato vlastnost může vést k nežádoucím zkratům, když si elektrický proud najde cestu takovou vodou. Proto je důležité zajistit spolehlivou izolaci elektrických součástí, aby se takovým incidentům předešlo.

Kabel s měděnými vodiči připojený ke svorkovnici v elektrické skříni

Materiály žil drátů a kabelů

Nejčastěji používané materiály pro vodivá jádra těchto kabelů jsou hliník a měď.

Vzhledem k tomu, že hliník má vodivost přibližně o 60 % nižší než měď, je třeba pro stejný účel zvolit jádro s větším průřezem a ve výsledku bude kabel pevnější. Je však výrazně lehčí a levnější než měděný kabel stejné velikosti.

V poslední době se však od použití hliníkových vodičů ve vodičích a kabelech upouští, zejména v rozvodech domácností, kde se hliník ukázal jako nevyhovující pro své nevyhovující mechanické vlastnosti. Je křehký a vodiče se snadno trhají, časem zoxiduje a pokryje se vrstvou nevodivého Al.₂O₃, což zvyšuje přechodový odpor ve svorkách.

Navíc při průchodu elektrického proudu zvětšuje svůj objem a teplotu, v důsledku čehož se ve svorkách postupně deformuje a povoluje. Proto je třeba hliníkové kontakty neustále dotahovat.

Měď je v tomto případě téměř ideální pro výrobu vodivých drátů, je to za normálních podmínek druhý nejvodivější kov po stříbře, s velmi dobrou obrobitelností a dobrou odolností proti atmosférické korozi.

Měď však negativně reaguje s některými izolačními složkami (guma, síra) nebo jinými kovy, například ve stínění kabelů, a pro tyto aplikace se elektrolyticky nebo žárově nanáší stříbrem nebo cínem ve vrstvě 0,002 až 0,015 mm.

V kabelovém průmyslu se používá elektrolyticky zušlechtěná tažená žíhaná měď o čistotě 99,95-99,99 %, s nejvyšším měrným elektrickým odporem 17,24 10 -9 Ohm m.

Kabely pro různá napětí se liší jak materiálem, tak technologií výroby.

Vodiče a izolátory

Kovový drát hrál zásadní roli ve vývoji elektrotechniky. Ale k vydláždění dobrých cest pro proud jsou potřeba nejen dobré vodiče. Potřebné jsou i materiály, které naopak elektřinu vedou špatně. Říká se jim izolanty.

Jde o to, že cesty elektrického proudu – dráty – musí být dobře izolovány od všech okolních předmětů: od země, vody, kovu a jiných vodivých těles, stejně jako od lidí.

Z neizolovaných drátů by se elektřina snadno rozšířila na okolní vodivé předměty a unikla jimi do země. To by plýtvalo drahocennou energií.

Pro lidské tělo představuje proud velké nebezpečí. To je důvod, proč jsou elektrické vodiče a kabely pečlivě izolovány.

Jsou pokryty plastem, gumou, lakem, hedvábím a jinými nitěmi a odděleny od stěn a podpěr porcelánovými izolátory. A čím vyšší napětí, tím lepší a spolehlivější by měla být izolace vodičů. Jak se říká, je potřeba vysoká elektrická pevnost izolace, jinak dojde k jejímu porušení elektrickým výbojem.

Ze vší rozmanitosti přírodních látek identifikovali elektrikáři dvě skupiny, které potřebují: dobré vodiče a dobré izolátory. Tyto materiály – antagonisté – se stali nerozlučnými spojenci a pouze v jejich těsné jednotě vznikla síť elektrických proudových kanálů, které nás obklopují.

Hlavní materiály pro vodiče, měď se vyznačuje vysokou elektrickou vodivostí a chemickou odolností, hliník zase svou lehkostí a dobrou zpracovatelností. Mosaz a bronz se používají pro díly pod proudem kvůli jejich mechanickým a fyzikálně-chemickým vlastnostem. Je zdůrazněn význam izolace vodičů, aby se zabránilo ztrátám energie a zajistila bezpečnost. Pokroky v materiálech vodičů vedou k pokroku v elektrotechnice tím, že poskytují efektivnější a bezpečnější přenos elektrické energie.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře