Keçirici materiallar

Yerüstü keçiricilər elektrik enerjisini istehsal stansiyalarından müştərilərə ötürür.

Keçirici materiallar — kimi bərk cismlər, mayelər və qazlar keçirici materiallara aiddir. Bərk keçiricilər arasında elektrotexnikada ən çox metallar və ərintiləri tətbiq edilirlər. Xüsusi elektriki müqavimətlərinə görə "ρ" metallik keçirici materialları iki əsas qrupa bölmək olar:

1. yüksək keçiricilikli metallar, hansılarda ki, normal temperatur zamanı ρ 0,05mkOm·m-dən böyük olmur və yüksək müqavimətli metallar və ərintilər, həmin şəraitdə ρ 0,3 mkOm·m-dən kiçik olmayanlar. Birinci qrupa aid olan keçirici materiallar əsasən dolaq və montaj naqillərinin, müxtəlif təyinatlı kabellərin, damarlarının, şinlərin və s. hazırlamaq üçün tətbiq edilirlər.
2. İkinci qrupa aid olunan keçirici materiallar rezistorların, elektrik qızdırıcı cihazların, közərmə lampalarının tellərinin və s. istehsalı zamanı istifadə olunurlar.

Kriokeçiricilər və hədsiz keçirici materiallar xüsusi qrupu təşkil edirlər, hansılar ki, mütləq sıfıra yaxın temperaturlar zamanı heçə bərabər kiçik xüsusi elektrik müqavimətinə malikdirlər. Maye keçiricilərə, bir qayda olaraq, əridilmiş metallar və müxtəlif elektrolitlər aiddirlər. Metalların əksəriyyəti kifayət qədər yüksək ərimə temperaturuna malikdirlər və buna görə də yüksək temperaturlarda maye keçiricilərdirlər. Metallar arasında yalnız, ərimə temperaturu - 39 °C ətrafında olan civə, normal temperaturda maye keçirici kimi istifadə oluna bilər.

Metallik keçiricinin quruluş sxemi

Metalların həm bərk, həm də maye hallarında elektrik keçiriciliyinin mexanizmi sərbəst elektronların elektrik sahəsinin təsiri altında istiqamətlənmiş hərəkəti ilə yarandığı ilə əlaqədar olduğundan, onları elektron keçiricilikli keçiricilər və ya birinci növ keçiricilər adlandırmaq qəbul olunmuşdur. İkinci növ keçiricilərdə və ya elektrolitlərdə, hansıları ki, o cümlədən həm sulu, turşulu, qələvi və duz məhlulları aiddirlər, cərəyanın keçməsi elektrik yükləri ilə birlikdə Faradey qanunlarına uyğun olaraq, maddənin ionlarının yerdəyişməsi ilə əlaqədardır. Bu zaman elektrolitin tərkibi tədricən dəyişir və elektrodlarda elektroliz məhsulları ayrılırlar. Qeyd etmək lazımdır ki, ion kristalları ərinmiş vəziyyətdə həmçinin ikinci növ keçiricilərdir. Bütün qazlar və buxarlar, o cümlədən metalların buxarı da, elektrik sahəsinin gərginliyinin aşağı qiymətləri zamanı keçirici ola bilmirlər. Elektrik sahəsinin gərginliyi, zərbə və fotoionlaşmanın başlanğıcını yaradan, müəyyən kritik qiymətə çatan zaman, qaz elektron və ion elektrik keçiricilikli keçiriciyə çevrilir. Əgər qaz güclü ionlaşarsa, onda vahid həcmdəki mənfi yüklü elektronların sayının müsbət yüklü ionların sayına bərabər olan zaman maddənin xüsusi vəziyyəti nəzərə çarpır ki, bu da plazma adı almışdır.

Keçirici materialların elektrik xarakteristikalarına aid etmək olar: xüsusi keçiriciliyi σ və ya onun tərs qiyməti – xüsusi müqaviməti ρ; kontakt potensiallar fərqini və termo elektrik hərəkət qüvvəsi (termo EHQ); elektronların metaldan çıxma işini.

Təsnifatı və onların əsas xüsusiyyətləri

Elektrik cərəyanının keçiricisi kimi həm bərk cisimlər, həm də mayelər istifadə oluna bilərlər, lakin uyğun şəraitdə həm də qazlar. Elektrotexnikada tətbiq edilən praktiki vacib bərk keçirici materiallar metallar və onların ərintiləridir (xəlitələridir). Metallik keçirici materiallardan xüsusi müqaviməti ρ=0,5∙10-8 Om∙m-dən böyük olmayan yüksək keçiricikli metallar və xüsusi müqaviməti ρ=0,3∙10-7 Om∙m-dən az olmayan yüksək müqavimətli ərintilər seçilə bilərlər. Yüksək keçirici metallar naqillər, kabellərin cərəyan keçirən damarları, elektrik maşınlarının və transformatorların dolaqları və s. üçün istifadə edilirlər. Yüksək müqavimətli metallar və ərintilər rezistorların, elektrik qızdırıcı cihazların, közərmə lampalarının telinin və d.d. hazırlanması üçün tətbiq edilirlər. Maye keçiricilərə ərinmiş metallar və müxtəlif elektrolitlər aiddirlər. Əksər metallar üçün ərimə temperaturu yüksəkdir (ərimə temperaturu 28...30000C hüdudunda dəyişir). Yalnız ərimə temperaturu - 390C olan civə normal temperaturda maye metallik keçirici kimi istifadə oluna bilər. Digər metallar maye keçirici kimi yüksək temperaturlarda da bilərlər. Son zamanlar hədsizkeçirici və hiperkeçirici materiallar xüsusi marağa səbəbdirlər. Aşağı temperaturlarda çox kiçik xüsusi müqavimətə sahibdirlər, lakin bu materiallar gələcəyindir.

Yüksək keçiricikli materiallar

Yüksək keçiricikli materiallara qoyulan tələblər bunlardır:

• mümkün qədər böyük keçiricilik;
• xüsusi müqavimətin mümkün qədər kiçik temperatur əmsalı;
• kifayət qədər yüksək mexaniki möhkəmlik;
• kiçik və mürəkkəb en kəsikli naqillərin hazırlanması üçün yayma, sürüyüb çəkmə ilə emal olunma xüsusiyyəti;
• yaxşı qaynaq və lehimlənmə xüsusiyyəti;
• kifayət qədər korroziyaya davamlılıq.

Elektrotexnikada geniş istifadə olunan yüksək keçiricikli materiallar mis və alüminiumdur.

Mis

İki markada MO və MГ buraxılırlar. Birinci ( MO ) yaxşı xüsusiyyətlərə malikdir və ondan çox nazik sim almaq mümkündür. Soyuq dartma zamanı sərt mis MT alırlar, hansı ki, dartılmaya qarşı yüksək bərklik həddi var, əyilməyə qarşı sərtliyə və elastikliyə malikdir. əgər mis yandırmaya (bişməyə) məruz qoyulsa (bir-neçə yüz dərəcəyə qədər qızdırılsa), onda yumşaq mis MM alınar.

Sərt misi xüsusən yüksək mexaniki möhkəmlik, sərtlik və yeyilməyə müqavimət tələb olunan yerlərdə (kontakt naqilləri üçün, paylayıcı qurğuların şinləri üçün, elektrik maşınlarının kollektor lövhələri üçün və s.) istifadə edirlər.

Yumşaq misi dairəvi və düzbucaqlı en kəsikli naqillər şəklində kabellərdə və dolaq naqillərində tətbiq edirlər, ona görə ki, burada elastiklik və plastiklik vacibdir. Mis baha və az tapılan materialdır, ona görə də qənaətlə sərf olunmalıdır.

Alüminium

Misdən sonra ikinci keçirici materialdır. Bu yüngül metalların vacib təmsilçisidir. Alüminium misə nisbətən təqribən 3,5 dəfə yüngüldür. Elektrotexnikada AL markalı, tərkibində olan qarışıq 0,5%-dən çox olmayan alüminium tətbiq edirlər. Bundan daha təmiz olan ABOO markalı alüminium folqa, elektrodlar və elektrolitik kondensatorların gövdəsinin hazırlanması üçün tətbiq edilir. Alüminium məftil yandırılmış sərt AT, yandırılmış yumşaq AM, yarım sərt AПТ və sərt yüksək möhkəmlikli АТЛ markalarına bölünürlər. Naqillərin və kabellərin hazırlanması üçün AE markalı alüminium istifadə edirlər. Necə ki, alüminium misdən 3,5 dəfə yüngüldür, ona görə də onu kran elektrik avadanlığında, təyyarələrin elektrik avadanlığında geniş tətbiq edirlər. Yumşaq alüminiumu transformatorların dolaqlarının, quraşdırma naqillərinin hazırlanmasında geniş istifadə edirlər. Sərt alüminiumu paylayıcı qurğuların şinlərinin və elektrik veriliş xətlərinin hazırlanması üçün tətbiq edirlər. Elektrotexnika sənayesində alüminiumu asinxron elektrik mühərriklərinin qısa qapanmış rotorunu tökmək üçün istifadə edirlər.

Tunc

Misin qalayla, silisiumla, fosforla, beriliumla, xromla, maqneziumla və kadmiumla ərintisidir. Misə nisbətən tunc daha yüksək mexaniki xüsusiyyətlərə malikdir. Tuncun dağılmaya qarşı möhkəmliyi 800…1200 MПa-a çatır, misdə isə bu 260...390 MПа-dır. Tuncu cərəyan keçirən yayların, kollektor lövhələrinin, kontakt naqillərinin və s. hazirlanmasi üçün istifadə edirlər.

Latun (Bürünc)

Misə nisbətən yüksək mexaniki möhkəmlikdə kifayət qədər plastikdir. Buna görə də ondan müxtəlif cərəyan keçirən detallar – fasonlu boltlar, qaykalar ştamplayırlar. Latunun elektrik keçiriciliyi misə nisbətən 4 dəfə aşağıdır, lakin latun 2 dəfədən çox misə nisbətən möhkəmdir və plastikdir.

Polad

Ən ucuz və tez tapılan, eyni zamanda yüksək mexaniki möhkəmliyə malik metal kimi, keçirici material kimi istifadə edilmək üçün böyük maraq doğurur. Lakin hətta təmiz dəmir mis və alüminiumla müqayisədə nisbətən daha yüksək xüsusi müqavimətə ρ malikdir ( 0,1mkOm∙m sırasında); polad üçün ρ-nun qiyməti, d.d. karbon və başqa elementlərdən ibarət aşqarlı dəmirinki daha yüksəkdir.

Dəyişən cərəyan işləyən zaman poladda ferromaqnit materiallarda olduğu kimi səth effekti özünü qabarıq göstərir, buna görə də elektrotexnikanın məlum qanunlarına uyğun olaraq polad naqillərin dəyişən cərəyana görə aktiv müqaviməti, sabit cərəyana nisbətən yüksək olur. Bundan başqa, dəyişən cərəyanda polad naqillərdə histerezisə güc itkiləri yaranır. Keçirici material kimi adətən tərkibində 0,10...0,15% karbon olan yumşaq polad tətbiq edilir. Onların dartılmaya qarşı möhkəmlik həddi σp = 700...750 MPa, qırılma zamanı nisbi uzanması və xüsusi keçiriciliyi γ, mislə müqayisədə 6...7 dəfə aşağıdır. Belə poladı çox da olmayan güclərin ötürülməsi zamanı hava veriliş xətlərinin naqillərinin materialı kimi istifadə edirlər . Belə hallarda poladın tətbiqi kifayət qədər səmərəli ola bilər, belə ki, cərəyanın kiçik qiymətində naqilin en kəsiyini elektrik müqavimətinə görə deyil, mexaniki möhkəmliyə görə seçirlər.

Keçirici material kimi polad həm də şin, tramvayların, elektrik dəmir yolların relsləri ( metronun “üçüncü relsini” qoşmaqla ) və s. Şəklində istifadə edilir. Hava elektrik veriliş xətlərinin polad-alüminium məftillərinin nüvəsi üçün, xarakteristikaları σp = 1200...1500 MPa və olan, xüsusi bərk polad məftil tətbiq edilir. Adi polad korroziyaya qarşı az davamlıdır: hətta normal temperaturda, xüsusən də yüksək nəmlik şəraitində, o tez paslanır; yüksək temperaturda korroziyanın sürəti kəskin artır. Ona görə də polad məftillərin səthi daha dayanıqlı material qatı ilə mühafizə olunmalıdır. Adətən bunun üçün sink örtüyünü tətbiq edirlər. Sink qatının arasıkəsilməzliyini yoxlamaq üçün məftil nümunəsini 20%-li mis kuporosu məhluluna salırlar; bu zaman çılpaq poladın sinklənməsinin defektli yerlərində qırmızı ləkə şəklində mis çökür və bu ümumi boz fonda tez gözə çarpır. Dəmir xüsusi müqavimətin yüksək temperatur əmsalına malikdir.

Bimetal

1 km uzunluğunda polad-mis bimetallik naqilin müqavimətinin onun xarici diametrindən asılılığı

Bəzi hallarda əlvan metalların sərfini azaltmaq üçün keçirici konstruksiyalarda keçirici bimetal ( termiki bimetallarla qarışıq salmamalı ) adlanan materialların tətbiqi səmərəlidir. Bu, xaricdən mis qatı ilə örtülmüş poladdır, eyni zamanda hər iki metal bütün toxunma səthləri boyunca bir-biri ilə möhkəm birləşmişlər.

Bimetalı hazırlamaq üçün iki üsul tətbiq edirlər: isti ( polad parçasını formaya qoyurlar, polad parçası ilə forma divarı arasına isə əridilmiş mis doldururlar; soyutmadan sonra bimetallik parçanı yaymaya və dartılmaya məruz qoyurlar) və soyuq, və ya elektrolitik ( mis, mis kuporosu məhlulu vannasından buraxılan polad məftil üzərinə elektrolitik çökdürülür ). Soyuq üsul mis örtüyü qalınlığının böyük bərabərliyini təmin edir, lakin daha çox elektrik enerjisi sərfi tələb edir; ondan başqa, soyuq üsulda mis qatının poladla, isti üsulda olduğu kimi, o qədər möhkəm birləşməsini təmin etmək olmur. Bimetal eyni en kəsikli bütöv mis və bütöv polad keçiricinin xüsusiyyətləri arasındakı mexaniki və elektriki xüsusiyyətlərə malikdir: bimetalın möhkəmliyi misə nisbətən böyükdür, elektrik keçiriciliyi isə aşağıdır. Misin xarici qatda, poladın isə konstruksiyanın daxilində yerləşməsi, əksinə yox, çox vacibdir: bir tərəfdən, dəyişən cərəyanda, bütövlükdə götürüldükdə, naqilin keçiriciliyi daha yüksək olur, digər tərəfdən – mis onun altında yerləşmiş poladı korroziyadan qoruyur ( elə bu baxımdan da polad-alüminium məftillərin konstruksiyasında da polad daxildə götürülür).

Bimetallik məftil xarici diametri 1...4 mm arasında, misin miqdarı isə məftilin ümumi çəkisinin 50%-indən az olmayan çəkildə buraxılır. σp qiyməti ( məftilin tam en kəsiyi hesabı ilə ) 550...700 MPa-dan az olmamalıdır, isə 2%-dən çox olmamalıdır. Bimetallik məftilin 1 km-nin sabit cərəyana görə müqaviməti ( 200C temperaturda ) şəkil ...-də verilmişdir. Belə məftili rabitə xətləri, elektrik veriliş xətləri və s. Üçün tətbiq edirlər. Keçirici bimetallardan paylayıcı qurğular üçün şinlər, kəsici açarlar üçün zolaqlar və elektrik aparatlarının müxtəlif cərəyandaşıyıcıları hazırlanır.

Natrium

Çox perspektiv keçirici material metallik natriumdur. Natrium praktiki olaraq qeyri məhdud miqdarda ərinmiş natrium xloridin NaCl elektrolizi yolu ilə alına bilər. Natriumun xüsusiyyətlərinin digər mühüm keçirici metalların xüsusiyyətləri ilə müqayisədən görünür ki, natriumun xüsusi müqaviməti ρ təqribən 2,8 dəfə misdən və 1,7 dəfə alüminiumdan çoxdur, lakin sıxlığı hədsiz dərəcədə az olduğundan ( o sudan yüngüldür, onun sıxlığı misə nisbətən demək olar 9 dəfə azdır ) vahid uzunluq, verilmiş keçiricilikli natrium naqili ( normal temperaturda ) istənilən digər metaldan olan naqilə nisbətən xeyli yüngül olmalıdır. Amma natrium həddindən artıq kimyəvi aktivdir ( o havada oksidləşir, su ilə çox gur təsir edir ), odur ki, natrium naqili hermetik örtüklə mühafizə olunmalıdır. Örtük naqilə vacib olan mexaniki möhkəmlik verməlidir, belə ki, natrium çox yumşaqdır və dartılmaya və digər deformasiyalara qarşı çox kiçik bərklik həddinə malikdir. Hal-hazırda natrium naqillər və kabellər plastik kütlədən ( polietilen ) örtüklərdə hazırlanırlar, hansılar ki, hermetikləşdirmədən və kabelin mexaniki möhkəmliyini artırmaqdan əlavə, onun elektriki izolyasiyasını yaradır.

Yüksək keçiricilər və kriokeçiricilər

Yüksək keçiricilər

Artıq qeyd edildiyi kimi, temperatur aşağı düşəndə metalların xüsusi müqaviməti ρ azalır. Metalların ən aşağı ( kriogen ), mütləq sıfıra yaxınlaşan temperaturlardakı elektrik keçiriciliyi məsələsi xüsusi maraq doğurur. 1911-ci ildə holland alimi H.Kommerlinq Onnes aşkar etdi ki, dondurulmuş civədən hazırlanmış halqanın müqaviməti ( 4,2 K temperatura qədər soyutduqda ) sıçrayışla kəskin surətdə hədsiz dərəcədə kiçik qiymətə qədər azalır, hətta ölçülə biləcək dərəcədə olmur. Elektrik müqavimətinin bu yox olması, d.d. praktiki olaraq materialın sonsuz keçiriciliyinin meydana gəlməsi, yüksək keçiricilik adlandırılmışdır. Maddəni soyudarkən onun yüksək keçiriciliyə keçmə temperaturu isə - yüksək keçiriciliyə keçmə temperaturu Tc adlandırılmışdır. Olduqca yüksək keçiriciliyə keçid vəziyyəti dönərlik təşkil edir: temperatura Tc qiymətinə qədər yüksəltdikdə olduqca yüksək keçiricilik dağılır və material normal vəziyyətə keçərək xüsusi keçiriciliyin γ son qiymətini alır. Sonralar aşkar olundu ki, civədən başqa bir çox başqa materiallar və hətta yalnız təmiz metallar deyil, həm də müxtəlif ərintilər və kimyəvi birləşmələrdə, kifayət qədər aşağı temperatura qədər soyutduqda olduqca yüksək keçiricilik vəziyyətinə keçə bilirlər. Belə materiallar ümumi ən yüksək keçiricilər adını almışlar. Hal – hazırda artıq 27 sadə yüksək keçiricilər (təmiz metallar) və mindən çox mürəkkəb yüksək keçiricilər ( ərintilər və birləşmələr) məlumdur. Eyni zamanda bəzi maddələr, o cümlədən gümüş və mis kimi ən yaxşı keçirici materiallar sayılanları hal-hazırda müyəssər olunan ( çatıla bilən ) ən aşağı temperaturlarda ( mində birlərlə kelvinə qədər; termodinamikanın üçüncü qanununa görə mütləq sıfır temperaturu prinsipcə çatılmazdır ) ən yüksək keçirici vəziyyətinə çevirmək mümkün olmamışdır. Qeyd etmək maraqlıdır ki, ən yüksək keçirici yalnız ən yüksək keçiriciliyə malik olan birləşmələr və metal ərintiləri deyil, həm də belə element və birləşmələrin ən yüksək keçiriciliyə malik olmayanlarla birləşmələri və hətta molekulunun tərkibində ən yüksək keçirici olmayan elementin atomu daxil olan birləşmələr də ən yüksək keçirici olur. Dərin soyutma zamanı artıq qeyd edildiyi kimi, ən yüksək keçiriciliyə malik civə nümunəsinin və ən yüksək keçirici maddələrə aid olmayan platin nümunəsinin müqavimətlərinin dəyişməsi göstərilmişdir ( absis oxu boyunca kelvinlə mütləq temperatur, ordinat oxu üzrə isə nümunənin verilmiş temperaturdakı müqavimətinin RT mütləq temperaturdakı müqavimətinə R273 nisbəti verilmişdir, T = 273K = 0 °C).

Dərin soyutma zamanı civə və platin nümunələrinin müqavimətlərinin dəyişməsi

Bu hadisədə enerji yalnız Tc temperaturunu yaratmaq üçün sərf olunacaqdır. Bu cür ən yüksək keçiricilikli kontur ətraf mühitdə sabit maqnitdəkinə münasib (uyğun) maqnit sahəsi yaradır. Buna görə elektrik cərəyanı axan ən yüksək keçiricilikli solinoid özünü ən yüksək keçiricilikli cərəyan mənbəyindən qida tələb etməyən, elektromaqnit kimi göstərməlidir. Lakin praktiki əhəmiyyətli ən yüksək keçiricilikli elektromaqnit düzəltməyin ilkin cəhtləri müvəffəqiyyətsizliyə uğramışdır. 1933-cü ildə alman fizikləri V.Maysner və R.Oksenfeld ikinci fundamental bir kəşf etdilər. Onlar aşkar etdilər ki, ən yüksək keçiricilər ən yüksək keçirici halına keçən zaman ideal diamaqnetiklərə çevrilirlər, d.d. onların maqnit nüfuzluluğu sıçrayışla μ ≈ 1-dən μ ≈ 0-a qədər düşür. Buna görə də xarici maqnit sahəsi ən yüksək keçirici cismə daxil olmur; əgər ki, cismin ən yüksək keçirici vəziyyətinə keçməsi maqnit sahəsində baş verərsə, onda sahə ən yüksək keçiricidən “atılır”. Keçən əsrin 50-ci illərində bəzi ən yüksək keçiricilər kəşf edildi ki, bunlar da özlüyündə ərintilərdən və ya kimyəvi birləşmələrdən ibarətdirlər. Bərk ən yüksək keçiricilər bir sıra xüsusiyyətlərə malikdirlər: soyutma zamanı ən yüksək keçiriclik vəziyyətinə keçid, yumşaq ən yüksək keçiricilərdəki kimi, birdən-birə baş vermir, müəyyən temperatur intervalı ərzində baş verir; bəzi ən yüksək keçiricilərdə həmçinin ən yüksək keçiricilik və normal arasında aralıq vəziyyət nəzərə çarpa bilər; Maysner-Oksenfeld-Arkadyev effekti onlarda tam əks olunmur və onlardan dəyişən cərəyan buraxan zaman enerji dağılması tendensiyası nəzərə çarpır; onların ən yüksək keçiricilik xüsusiyyəti yüksək dərəcədə hazırlanmanın texnoloji rejimindən və s. asılıdır. Maysner-Oksenfeld-Arkadyev effekti texnikanın müəyyən sahələrində, o cümlədən yüksək sürətli dəmir yolu nəqliyyatında vaqonların yumşaq asqıları üçün və s. geniş tətbiq olunmağa başlamışdır.

Kriokeçiricilər

Müasir elektrotexnikada ən yüksək keçiricilik hadisəsi ilə yanaşı kriokeçiricilik hadisəsi də ən geniş halda istifadə edilir. Bu hadisə bəzi metalların kriogen temperaturlarda çox kiçik xüsusi müqavimətə çatmasıdır. Kriogen temperatur isə ən yüksək keçiriciliyə keçid temperaturuna nisbətən daha yüksək temperaturdur. Kriogen temperatur şəraitində keçirici kimi tətbiq etmək üçün istifadə olunan, xüsusi keyfiyyət və xüsusiyyətlərə malik olan materiallar kriokeçiricilər və ya hiperkeçiricilər adlanırlar.

Həmçinin bax

• Yarımkeçiricilər
• Dielektriklər