2.3
Tradiční vodiče
2.3.1
Elektrovodná měď
Surová měď (Cu) je získávána hutnickými pochody, obsahuje různé nečistoty (železo Fe, nikl Ni, zinek Zn, arsen As, zlato Au, stříbro Ag a další), které jsou charakteristické pro jednotlivá naleziště rud.
Surová měď se dále rafinuje (hutnickými pochody nebo elektrolyticky).
Hutnicky rafinovaná měď dosahuje čistoty 99,6 %, elektrolyticky rafinovaná měď dosahuje čistoty až 99,99 %. Čistá elektrovodná měď se dodává s obsahem Cu od 99,85 % do 99,97 % (čemuž odpovídá měrná vodivost 96,5 % až 100 % měrné vodivosti IACS (International Annealed Cuprum Standard).
S rostoucím množstvím nečistot klesá její měrná vodivost χ, která je tak ukazatelem míry čistoty obdržené mědi.
Mezinárodní standard mědi (pro jednotné posuzování elektrovodné mědi) IACS má tyto parametry: χ = 58 MS.m-1 (tj. ρ = 0,017241 μΩm); αR = 0,00393 K-1; ρ = 8890 kg.m-3.
Podle mechanických vlastností dělíme měď na 3 skupiny:
  • měkká: má pevnost v tahu 190 až 240 MPa (používá se například pro elektrovodná jádra silových a sdělovacích izolovaných vodičů);
  • polotvrdá: má pevnost v tahu 250 až 300 MPa (je používána pro profilové vodiče a plechy);
  • tvrdá: má pevnost v tahu 310 až 400 MPa (je otěruvzdorná, používá se například pro lamely komutátorů, trolejová vedení).
Největší elektrickou vodivost má měkká měď ve zcela vyžíhaném stavu, s rostoucí pevností klesá její tvárnost a vodivost.
Poznámka
Pod pojmem žíhání rozumíme způsoby tepelného zpracování, při kterých se snažíme dosáhnout co největší homogenity matriálu – jde o ohřev na danou teplotu a pomalé ochlazování).
Měď zpracováváme nejčastěji tvářením (kováním, lisováním, válcováním nebo tažením). Působením vnějších sil nastává trvalá deformace, tedy změna tvaru tělesa. Méně často ji zpracováváme odléváním (odlitky jsou pórovité, protože čistá měď rozpouští při tavení plyny, které při tuhnutí zase uvolní, například v případě vodíku následuje tzv. vodíková koroze). Tavenina mědi je hustá a špatně zatéká.
Pro zvýšení odolnosti proti tečení lze do mědi přidat malé množství (do 1 %) Ag, Sn, Cr, Zn a Cd, tyto příměsi způsobí zpevnění až na 650 MPa, ale také pokles vodivosti až k 45 % vodivosti IACS.
Hlavní použití vodivých materiálů na bázi Cu je pro vinutí statorů a rotorů motorů a generátorů, pro vinutí transformátorů, trolejové dráty, vodiče různých průměrů a izolací, vodivé součástky různých výrobků z oboru elektrotechniky (stykače, relé, rozvaděče a podobně).
Tabulka 3. Druhy elektrovodné mědi
Označení
Polotovar pro výrobu
E Cu 99,97 bezkyslíkatá
pásy, pruhy, tyče, trubky, použití pro vakuovou techniku
E Cu 99,9 elektrovodná
drát, trolejový drát, plechy, pruhy, pásy, anody, tyče, profily, trubky
E Cu 99,95 elektrovodná pro náročnější použití
drát
E Cu – Ag (až 0,13 % Ag)
dynamové pásy, tyče
E Cu 99,85 loupaná (odstraněná vnější vrstva obsahující oxidy a nečistoty vniklé do mědi při válcování za tepla)
drát
měděné katody Cu 99,95
katody pro vakuovou techniku
měděné katody Cu 99,90
katody; používá se také pro odlévání polotovarů z mědi nebo do speciálních slitin
elektrovodná měď E Cu
odlitky (například sběrné kroužky, kontaktové segmenty)
2.3.2
Bronzy a mosazi
  • Bronzy
Definice
Bronzy jsou slitiny mědi Cu s cínem Sn, hliníkem Al, niklem Ni, manganem Mn a dalšími prvky s výjimkou velkého množství zinku Zn.
Další mohou být jako příměsi použity prvky beryllium Be, olovo Pb, a také zinek Zn v malém množství. Pevnost může dosahovat až 1000 MPa, výhodou jejich použití je dobrá odlévatelnost, nevýhodou nižší vodivost.
2.3.2.1
Cínové (Sn) bronzy
  • až 20 % Sn;
  • dobrá elektrická vodivost;
  • dobré mechanické vlastnosti za normálních i vysokých teplot (bronzy jsou tvrdé a pevné);
  • dobrá odolnost proti korozi;
  • jsou používány například pro pružiny elektrických měřicích přístrojů, kontakty a sběrné kroužky a podobně.
2.3.2.2
Hliníkové (Al) bronzy
  • mají dobrou tažnost, jsou odolné proti otěru;
  • příměsí hliníku (až do 10 %) se zvyšuje pevnost a tvrdost slitiny;
  • jsou používány pro součásti odolné proti korozi, nebo pracující při vyšších teplotách.
2.3.2.3
Beryliové (Be) bronzy
  • až 2,5 % Be;
  • při vhodném zpracování se vyrovnají svou pevností a pružností ocelím (až 1400 MPa);
  • pro dobré mechanické vlastnosti a odolnost proti korozi při dobré elektrické vodivosti jsou vhodné na výrobu různých pružin i pro velká proudová zatížení;
  • používají se také pro výrobu obráběcích nástrojů, které nesmějí jiskřit.
2.3.2.4
Niklové (Ni) bronzy
  • Cu se slévá s Ni v libovolném poměru;
  • různým obsahem Ni se podstatně mění elektrické i jiné vlastnosti bronzů a následně také vhodnost použití této slitiny.
2.3.2.5
Křemíkové (Si)
  • Si až do 5 %;
  • jsou velmi pevné, odolávají proti korozi;
  • používají se pro značně namáhané pružiny přístrojů.
  • Mosazi
Definice
Mosazi jsou slitiny mědi Cu a zinku Zn.
Dají se dobře tvářet, slévat, odolávají korozi, jsou pevnější než Cu.
Z manganové mosazi se vyrábějí stahovací desky vinutí statorů a stahovací kruhy cívek, nosiče vinutí apod.
Značení: Ms X (kde X je obsah mědi Cu v %, například Ms 80 značí 80 % Cu):
  • Ms 80, Ms 85, Ms 90: jsou používány místo Cu jako materiál s výhodnějšími mechanickými vlastnostmi při nižší ceně;
  • Ms 68 a Ms 70: na tažené a lisované součásti;
  • Ms 63: vhodná na výrobu objímek žárovek, součástí vypínačů a dalšího instalačního materiálu.
  • Ms – zvláštní:
    • zlepšené vlastnosti pomocí příměsí dalších kovů;
    • niklové, které jsou známé pod názvy pakfong, alpaka (tj. Cu + Zn + Ni = nové stříbro).
Mosazné pájky (tvrdé, s tavicí teplotou kolem 800 °C) jsou použitelné pro pájení ocelí.
2.3.3
Elektrovodný hliník a jeho slitiny
Hliník Al se vyrábí hlavně z bauxitu, chemicky čistou cestou (čistý oxid hlinitý, z něhož se elektrolýzou vyrobí Al o čistotě 99,5 %).
Další rafinací (trojvrstvou, pásmovou) lze získat Al čistý až 99,9999 %.
Vlastnosti: lehký kov stříbrobílé barvy s dobrou tvárností za tepla i za studena, špatně slévatelný, s měrným odporem ρ = 0,026 μΩm při 20 °C.
Mechanické vlastnosti – horší než Cu:
  • měkký: má pevnost v tahu 70 až 90 MPa;
  • polotvrdý: má pevnost v tahu 100 až 130 MPa;
  • tvrdý: má pevnost v tahu 150 až 180 MPa.
Problémem je nízká mez tečení hliníku, která může ovlivňovat kvalitu spojení dvou vodičů.
Je nutno zabránit styku hliníku a dalšího kovu (Cu a podobně), protože v přítomnosti elektrolytu (tj. i při zvýšené vlhkosti vzduchu) vzniká galvanický článek a dochází k rozpouštění hliníku.
Hliník se používá jako elektrovodný materiál pro venkovní vedení, dále pro jádra silových kabelů, holé vodiče v rozvodnách a podobně.
Na vzduchu se velmi rychle pokrývá tenkou a velmi tvrdou nevodivou a chemicky stálou vrstvou oxidu hlinitého Al2O3, která pak zhoršuje jeho kontaktní vlastnosti; používá se však jako korozně velmi odolná povrchová ochrana. Také svařitelnost a pájitelnost je horší než u Cu.
Slitiny Al se používají pro vyšší teploty nebo větší mechanické namáhání. Přísadou vhodně volených prvků (nejčastěji křemík Si a hořčík Mg ve formě oxidů; za použití vhodných technologií) se podařilo zlepšit i mechanické vlastnosti hliníku (slitiny na bázi Al + Fe + další prvky se používají pro vinutí velkých točivých strojů, venkovní vedení vn a nn); pro vysokonapěťové nadzemní vodiče se používá kompozitních Al-Fe lan spojujících pevnost ocelového jádra s dobrou vodivostí a nízkou hmotností hliníku. Některé slitiny jsou určeny pro elektrovodné účely, jiné pro konstrukční účely. U Al-Fe materiálů lze dosáhnout pevnosti až 350 MPa, při rezistivitě 3,12.10-8 Ωm.
Silumin (slitina Al s 12 % Si) má vynikající slévatelnost, dobrou pevnost a vyhovující houževnatost.
Hliník je také typický kontaktní materiál pro integrované obvody na bázi křemíku.
Tabulka 4. Vybrané vlastnosti mědi a hliníku
Veličina
Jednotka
měď Cu
hliník Al
hustota ρ
kg.m-3
8890
2699
měrný odpor ρ při 20 °C
μΩm
0,01724
0,02655
měrný odpor ρ při teplotě tání
μΩm
0,213
0,25
teplotní součinitel odporu αR (pro rozsah teplot od 0 °C až 100 °C)
K-1
3,93.10-3
4,3.10-3
teplota tání
°C
1083
657
měrná tepelná vodivost
W.m-1.K-1
385
225
měrné teplo c
J.kg-1.K-1
383
900
teplotní součinitel délkové roztažnosti αl
K-1
16,4.10-6
23,8.10-6
modul pružnosti v tahu
MPa
asi 120.103
asi 70.103
2.3.4
Lehké kovy
2.3.4.1
Hořčík (Mg)
  • lesklý kov, málo pevný a málo tvárný;
  • třísky, piliny, prášek na vzduchu snadno hoří, nesmí se hasit vodou;
  • legováním se z hořčíku získávají důležité konstrukční materiály;
  • legující přísady podstatně zvyšují pevnost a houževnatost;
  • odolný proti korozi, slévatelný;
  • slitiny se dobře obrábějí, mají malou hustotu (nejznámější slitinou je tzv. „elektron“, obsahující asi 8 % Al, používaný v leteckém i automobilovém průmyslu
2.3.4.2
Berylium (Be)
  • má výhodnější elektrické i mechanické vlastnosti než hořčík, ale jeho většímu rozšíření brání cena;
  • používá se hlavně ve slitinách (například beryliový bronz).
Tabulka 5. Vybrané vlastnosti hořčíku a berylia
Veličina
Jednotka
hořčík (Mg)
berylium (Be)
hustota ρ
kg.m-3
1740
1850
měrný odpor ρ při 20 °C
μΩm
0,045
0,04
teplota tání
°C
650
1283
měrné teplo c
J.kg-1.K-1
1030
1758
2.3.5
Kovy s nízkou teplotou tání
Vlastnosti a použití:
  • Zn: pokovení, slitiny pro lití do kovových forem (hlavní přísady jsou Cu, Al), mosaz;
  • Cd: povrchová ochrana ocelových výrobků;
  • Hg: byla v minulosti používána pro tekuté kontakty, náplně do teploměrů, tlakoměrů;
  • Ga, In, Sb: výroba polovodičových součástek;
  • Sn: měkké pájky (s tavící teplotou do 300 °C, dříve zejména slitina Sn+Pb), povrchová ochrana kovů, výroba bronzů;
  • Pb: je měkké, velmi dobře slévatelné, používá se jako povrchová ochrana silových kabelů, ochrana před radioaktivním zářením, pájky (slitiny s Sn, Bi, Cd), výroba munice; slitina s 10 % Sb je používána na odlévání mřížek olověných akumulátorů;
  • Bi: využívají se jeho výrazné termoelektrické vlastnosti;
  • Sb: polovodičové techniky.
Tabulka 6. Vybrané vlastnosti kovů s nízkou teplotou tání
Veličina
Jednotka
rtuť (Hg)
gallium (Ga)
indium (In)
cín (Sn)
olovo (Pb)
vizmut (Bi)
antimon (Sb)
zinek (Zn)
kadmium (Cd)
hustota
kg.m-3
3540
5900
7310
7290
11340
9800
6190
7130
8250
měrný odpor
μΩm
0,984
0,543
0,083
0,11
0,2
1,06
0,39
0,059
0,068
teplota tání
°C
-38,8
29,8
156,4
231,9
327,4
271
630,5
420
320,9
měrné teplo
J.kg-1.K-1
138,2
330
238,6
226
127
1222
208
387
2315
2.3.6
Kovy se střední teplotou tání
Nikl (Ni) a železo (Fe) patří mezi feromagnetické materiály; používají se pro výrobu magnetických obvodů.
Použití:
  • Co: omezeno vysokou cenou, přísada do materiálů pro magnetické obvody;
  • Ni: vakuová technika, ochrana – pokovení, slitiny, materiály pro magnetické obvody;
  • Fe: konstrukční a magnetický materiál.
Tabulka 7. Vybrané vlastnosti kovů se střední teplotou tání
Veličina
Jednotka
nikl (Ni)
kobalt (Co)
železo (Fe)
hustota ρ
kg.m-3
8900
8800
7876
měrný odpor ρ
μΩm
0,068
0,05
0,098
teplota tání tt
°C
1453
1493
1534
měrné teplo c
J.kg-1.K-1
446
452
464
měrná tepelná vodivost
W.m-1.K-1
92,1
69,2
74,1
teplotní součinitel roztažnosti αl
K-1
13,4.10-6
13,1.10-6
13.10-6
2.3.7
Kovy s vysokou teplotou tání
Použití:
  • W: z kovů má nejvyšší teplotu tání a největší modul pružnosti v tahu; používá se ve vakuové technice, vlákna žárovek, topná vinutí pro elektrické odporové pece s vakuovým nebo vodíkovým prostředím;
  • Mb: držáky wolframových vláken žárovek, topná vinutí pro elektrické odporové pece;
  • Ta: vakuová a polovodičová technika;
  • Nb: vzhledem k vysoké ceně – přísada do slitin;
  • Ti: dobré mechanické vlastnosti, velká odolnost proti korozi, používá se jako přísada do slitin pro trvalé magnety, vysoká cena;
  • Zr: se zlatem tvoří slitinu na výrobu kontaktů.
Tabulka 8. Vybrané vlastnosti kovů s vysokou teplotou tání
Veličina
Jednotka
wolfram (W)
molybden (Mb)
tantal (Ta)
niob (Nb)
titan (Ti)
zirkonium (Zr)
hustota ρ
kg.m-3
19300
10200
16600
8570
4504
6450
měrný odpor ρ
μΩm
0,055
0,0517
0,135
0,131
0,478
0,4
teplota tání tt
°C
3410
2610
2996
2415
1668
1852
měrné teplo
J.kg-1.K-1
135,2
255
150,7
270,9
522,5
275,9
2.3.8
Ušlechtilé kovy
Vlastnosti a použití:
  • Ag: velmi tenké dráty a fólie, drátky do pojistek, složka tvrdých pájek;
  • Au: velmi tenké dráty a fólie, propojovací cesty a kontakty v IO i vně;
  • Pt: velmi tenké dráty a fólie, vodič pro termoelektrické články, odporové teploměry, kontakty dražších přístrojů;
  • Pd: svými fyzikálními a mechanickými vlastnostmi se podobá Pt, ale je dostupnější a levnější, používá se na výrobu kontaktů; slitiny Pd mají větší tvrdost, než samotné Pd;
  • Rh: tvrdý obtížně tvářitelný kov, odolný proti oxidaci a korozi, používá se na speciální povrchovou ochranu kovů;
  • Ir: výroba termoelektrických článků pro nejvyšší teploty;
  • Os: má největší hustotu ze všech kovů, používá se do slitin s velkou odolností proti otěru;
  • Ru: zlepšuje vlastnosti slitin Pt a Pd, vzácný a velmi drahý kov.
Tabulka 9. Vybrané vlastnosti ušlechtilých kovů
Veličina
Jednotka
stříbro (Ag)
zlato (Au)
platina (Pt)
iridium (Ir)
osmium (Os)
palladium (Pd)
rhodium (Rh)
ruthenium (Ru)
hustota ρ
kg.m-3
10491
19302
21450
22400
22500
12020
12410
12450
měrný odpor ρ
μΩm
0,0164
0,0206
0,106
0,047
0,095
0,104
0,045
0,072
teplota tání tt
°C
960,8
1063
1773
2410
3000
1552
1966
2310
2.3.9
Kovy alkalických zemin
  • Ba: getr, pohlcuje plyny (používáno ve vakuové technice)
  • Ca: odkysličující přísada ve slitinách
  • Sr: omezený technický význam
Tabulka 10. Vybrané vlastnosti kovů alkalických zemin
Veličina
Jednotka
baryum (Ba)
vápník (Ca)
stroncium (Sr)
hustota ρ
kg.m-3
3500
1540
2600
teplota tání tt
°C
710
845
770
2.3.10
Alkalické kovy
Alkalické kovy jsou málo stálé, snadno reagují (mají pouze 1 valenční elektron). Výstupní práce elektronu klesá se vzdáleností od jádra (od lithia Li k cesiu Cs). Pro Cs je 0,7 eV, nejméně ze všech kovů – bylo používáno pro výrobu fotokatod vakuových fotonek.
  • Li: má nejmenší hustotu, je měkké, používáno jako odkysličující přísada;
  • Na a K: reagují s kyslíkem, snadno se vznítí (zvlášť za přítomnosti vody), používaly se k výrobě fotokatod vakuových fotonek, Na se používá ve formě par ve výbojkách;
  • Cs a Rb: jsou tvárné a měkké jako vosk, snadno se vznítí a prudce hoří.
Tabulka 11. Vybrané vlastnosti alkalických kovů
Veličina
Jednotka
lithium (Li)
sodík (Na)
draslík (K)
rubidium (Rb)
cesium (Cs)
hustota ρ
kg.m-3
534
970
860
1532
1900
teplota tání tt
°C
179
97,8
63,7
39
28,5
měrný odpor ρ
μΩ.m
0,08
0,04
0,06
0,11
0,2
Při výběru materiálů respektujeme tyto nejdůležitější vlastnosti:
  • velká tepelná i elektrická vodivost;
  • vhodné mechanické a technologické vlastnosti (pevnost, odolnost proti opotřebení a korozi, snadná spojovatelnost a podobně).
Ekonomika výroby i použití (závisí na ceně a dostupnosti materiálů i technologií, nákladech na údržbu, na požadované spolehlivosti a životnosti zařízení).
Interaktivní prvek 2. Opakování k přehledu vodivých materiálů