Материал: Учебное пособие ЭТМ

порядка 1·10- 4 %. Этот металл не встречается в виде самородков, только в виде соединений и то редко, например, в составе минерала вольфрамит (Fe – Mn – (0,2 – 2 %)·W – O). Вольфрамовые месторождения РФ — Северный Кавказ, Приэльбрусье. Самые богатые месторождения вольфрама находятся в Китае.

Физические свойства: температура плавления 3380 ° С, плотность 19,3 г/см3 (такая же, как у золота); температурный коэффициент линейного расширения αl = 4·10- 6 К- 1. Предел механической прочности на разрыв больше 1800 МПа. Коэффициент теплопроводности 140 Вт/(м·К). Вольфрам при 20 ° С реагирует со фтором, образуя WF6. При температуре больше 400 ° С взаимодействует с кислородом, при более высоких температурах — с хлором и бромом. Растворяется в смеси азотной и плавиковой кислот (HNO3 + HF).

Электрические свойства: удельное электрическое сопротивление при 20 ° С равно 5·10-8 Ом·м. При 2400 ° С величина ρ возрастает до 85·10- 8 Ом·м. Имеется слабо выраженная сверхпроводимость при 0,01 К при нормальном давлении, макроразмерах и экранировке от магнитного поля Земли.

К достоинствам вольфрама относятся: высокая температура плавления (3380 ° С);

высокая механическая прочность (больше 1800 МПа). Недостатки вольфрама:

дефицитность. В Земной коре содержится 1·10- 4 % вольфрама; окисление в воздушной (кислородной) среде при температуре

более 400 ºС; при использовании при высоких температурах требуется защит-

ная атмосфера.

Применение вольфрама:

вольфрам используется в качестве легирующей добавки для повышения прочности инструментальных сталей. Резцы из такой стали могут эксплуатироваться при температуре «красного каления», т. е. при 800 ° С. Стали, легированные вольфрамом, используются в

143

качестве танковой брони. На вышеперечисленные цели расходуется почти 85 % добываемого вольфрама;

электрические контакты, используемые для высокотоковых и высоковольтных коммутирующих устройств (токи тысячи ампер и напряжения тысячи вольт). Эти контакты выполнены из сплава меди и вольфрама;

электровакуумная техника. Вольфрам используется как высокотемпературный материал для нагревательных катодов, изготовления сетки и т. д.;

электрические печи сопротивления. Вольфрам используется в качестве нагревателя, у которого рабочая температура 2500 ° С, и он может применяться в вакууме или нейтральном газе;

испарители для золота и кремния из вольфрама для создания интегральных схем;

высокотемпературные термопары. Они состоят из вольфрама и рения (Re). У этих термопар рабочая температура 2500 ° С, они могут применяться в вакууме или нейтральном газе;

сосуды из вольфрама для плавки кварцевого стекла с последующим изготовлением оптических волокон;

электрическая лампа накаливания для освещения; электроды для гелиево- и аргонодуговой сварки.

Ниобий. В таблице Д. И. Менделеева ниобий (Nb) находится под № 41 в V группе.

Распространенность в Земной коре 2·10- 4 %. Встречается только в виде химических соединений. Блестящий, серебристый металл. Плотность составляет 8,57 г/см3. Температура плавления 2470 ºС. Удельное электрическое сопротивление при 20 ºС равно 12·10- 8 Ом·м.

Ниобий имеет большое значение в электротехнике, как материал, обладающий наиболее высокой температурой перехода из нормального в сверхпроводящее состояние (9,4 К) среди химических элементов. Поэтому как сам ниобий, так и особенно сплавы на его основе широко применяются для изготовления сверхпроводящих материалов, используемых в промышленности.

144

Проводники различного назначения со средней температурой плавления

К проводникам различного назначения со средней температурой плавления относятся: железо, кобальт, никель, платина, титан и другие химические элементы, у которых температура плавления находится в интервале от 500 до 2500 ° С. (В этом же температурном интервале находятся также серебро, золото и медь, но эти металлы были рассмотрены выше как проводники с высокой электропроводностью).

Железо. В таблице Д. И. Менделеева железо (Fe) находится под № 26 в VIII б группе. Распространенность железа в Земной коре порядка 4,5 %, и оно занимает по этому показателю пятое место среди химических элементов. Среди металлов железо находится на втором месте после алюминия. Железо в Земной коре в основном встречается в виде соединений, таких как оксиды железа (Fe3O4 — магнетит; Fe2O3 — гематит), карбонаты железа (FeCO3), сульфиды железа (FeS2)

идр. Железо самородное встречается очень редко в виде железных метеоритов (это конечный продукт термоядерной эволюции звезд) или так называемого теллурического железа, образующегося в Земной коре в виде мельчайших зерен при остывании основных магм. Метеоритное железо человечеству было известно еще до нашей эры,

ионо в бронзовый век (3 − 2 тысячи лет до н. э.) ценилось даже выше, чем бронза или медь. Физические свойства железа: температура плавления 1535 ° С, плотность 7,87 г/см3. Железо высокой чистоты — блестящий, серебристый металл.

Магнитные свойства железа: одна из кристаллических структур железа (феррит) является ферромагнетиком, у которого температура Кюри составляет 769 ° С.

Удельное электрическое сопротивление железа при 20 ° С равно

10·10- 8 Ом·м.

Железо используется в качестве сплавов с углеродом (для производства сталей и чугунов). Сталь содержит менее 2,14 % углерода (конструкционная сталь — менее 0,7 %), в чугуне содержание

145

углерода (2,14 ÷ 6,0) %. Чистое железо применяется в порошковой металлургии, в частности для изготовления магнитных материалов из карбонильного и электролитического железа. Предел механической прочности мягкой отожженной стали равен 700 – 800 МПа; у твердой неотожженной стали при добавлении легирующих добавок (вольфрам, молибден, хром, марганец и др.) — порядка 1000 – 1750 МПа. Железо реагирует с кислородом и водой, при этом на поверхности образуется слой, называемый при низких температурах — « ржавчина», при высоких — « окалина». Коррозионная стойкость железа к кислороду в 3 раза меньше, чем у меди. Порядка 10 % железа с течением времени переходит в ржавчину.

Зависимость удельного электрического сопротивления железа от примесей представлена на рис. 5.15.

ρ ×108 (Ом× м)

Рис. 5.15. Зависимость удельного сопротивления железа от примесей

Из данных, приведенных на рисунке, видно, что введение углерода относительно слабо (по сравнению с примесью кремния) влияет на удельное электрическое сопротивление железа. Поэтому для уменьшения потерь на вихревые токи в состав железоуглеродистого сплава (сталь) вводят кремний. (Так получают широко распространенный магнитомягкий материал — электротехническую кремнистую сталь).

Достоинства железа:

высокая распространенность в Земной коре (порядка 4,5 %);

146

высокие механические свойства (σр может достигать 1750 МПа). Недостаток железа — низкая коррозионная стойкость.

Железо и железоуглеродистые сплавы применяются как проводниковые, магнитные и конструкционные материалы.

Применение в качестве проводников:

для ЛЭП на коротком расстоянии, так как при этом можно применить провод с большим диаметром, и тем самым уменьшить его сопротивление;

для электротранспорта, где функцию одного из проводников выполняют рельсы, у которых большое сечение, и, следовательно, низкое сопротивление;

алюмостальные провода (рис. 5.16) для ЛЭП большой дальности, в которых стальной трос используется для увеличения механической прочности конструкции. Увеличение диаметра провода приводит к уменьшению напряженности электрического поля вблизи поверхности комбинированного провода, следовательно, уменьшается вероятность образования короны. За счет введения стального троса можно увеличить расстояние между мачтами ЛЭП, что удешевляет стоимость ЛЭП в целом.

Применение в качестве магнитных материалов: электротехническая кремнистая сталь; сплавы (пермаллои, альни, альнико, альниси); магнитотвердые и магнитомягкие материалы.

Рис. 5.16. Алюмостальной провод для ЛЭП

147