Биметаллические проводники и магнитомягкие материалы

Биметаллические проводники в технике электропроводной связи применяются не только в качестве монтажных проводников, но и в качестве проводников магистральных линий дальней связи.

Биметаллический проводник представляет собой стальную проволоку, покрытую слоем меди.

Монтажные биметаллические проводники представляют собой или луженые или посеребренные медные проводники — широко используемые при монтаже аппаратуры связи.

Практически свойства биметаллического проводника начинают совпадать со свойствами однородного проводника, изготовленного из материала поверхностного покрытия, при одном и том же радиусе этих проводников, когда толщина слоя поверхностного покрытия становится равной глубине проникновения для материала покрытия.

Для получения высококачественных биметаллических проводников недостаточно механического соединенияэтих двух металлов, так как при неплотном соединении между ними возникает процесс коррозии стального сердечника. Поэтому современный способ производства таких проводников состоит в молекулярном соединении металлов. С этой целью стальная заготовка покрывается слоем меди (электролизом), затем помещается в медную трубу, прогревается и в горячем состоянии прокатывается.

Наряду с биметаллическими проводниками в настоящее время рассматривается возможность использования в кабелях сельской связи сплавов алюминия.

С основными материалами биметаллических проводников являются серебро-никель и медь-нержавеющая сталь.

В последнее время широко применяется биметаллический проводник, представляющий собой стальную проволоку, покрытую слоем меди. Такая биметаллическая проволока используется для изготовления неизолированных проводов, применяемых в контактных сетях электрических железных дорог и для внутренних проводников радиочастотных кабелей. Сочетание высокой механической прочности стального сердечника и высокой проводимости меди позволяет создавать миниатюрные радиочастотные кабели с малыми размерами внутреннего проводника.

Широко применяемый на линиях электропроводной связи биметаллический проводник диаметром 4 мм с содержанием меди около 45% (по весу) имеет оболочку толщиной около 0 48 мм. Сердцевинную часть проводника составляет сталь.

Для нагревостойких радиочастотных кабелей медную поверхность биметаллического проводника защищают от температурной коррозии серебром. Так образуется триметаллическая проволока: сталь — медь — серебро.

В спектре частот до 50 000 гц указанный биметаллический проводник обладает, конечно, б льшим активным сопротивлением, чем сплошной медный проводник.

Медные покрытия применяют для повышения электрической проводимости (биметаллические проводники), для изготовления печатных плат в радиоэлектронной аппаратуре, как промежуточную прослойку на изделиях из стали, цинка, цинковых и алюминиевых сплавов перед нанесением никелевого, хромового, серебряного и других видов покрытий для повышения защитной способности.

При температуре 500 — 600 С основными материалами биметаллических проводников являются серебро — никель и медь — нержавеющая сталь.

Составим теперь отношение напряженности электрического поля на внешней поверхности биметаллического проводника к полному току, протекающему через сечение этого проводника.

В качестве примера рассмотрим задачу о распределении плотности тока по сечению уединенного биметаллического проводника круглого сечения, представленного на рис. 2.3. Понятно, что, рассматривая уединенный проводник, мы существенно облегчаем задачу, так как для такого проводника поле будет обладать осевой симметрией.

Одним из способов устранения взаимной диффузии металлов сердечника и оболочки в биметаллических проводниках является также введение разделительного сыпучего слоя из тугоплавких окислов, например окиси магния и окиси алюминия. Наличие в проволоке сыпучего слоя усложняет процесс волочения, вызывая более частые обрывы. Для получения такой проволоки в никелевую трубу вставляется медный пруток, а зазор между прутком и внутренней стенкой заполняется порошком окисла. Далее происходит волочение с промежуточными отжигами. Наличие гигроскопического сыпучего слоя требует сушки порошка перед засыпкой его в заготовку. Отсутствие этой операции приводит при отжиге к разрыву оболочки вследствие парообразования в сыпучем слое.

В гальваностегии медные покрытия применяют для защиты стальных изделий от цементации, для повышения электропроводности (биметаллические проводники), а также как промежуточную прослойку на изделиях из стали, цинка, цинковых и алюминиевых сплавов перед нанесением никелевого, хромового, серебряного и других видов покрытий для лучшего сцепления или повышения защитной способности.

Выражения (2.46) и (2.47) дают нам все необходимое для определения величины активного сопротивления и внутренней индуктивности биметаллического проводника. Вместе с тем пользование этими выражениями на практике вызывает большие затруднения.

В гальваностегии медные покрытия применяются для защиты стальных изделий от цементации, для повышения электропроводности стали (биметаллические проводники), а также в качестве промежуточного слоя на изделиях из стали, цинка и цинковых и алюминиевых сплавов перед нанесением никелевого, хромового, серебряного и других видов покрытий для лучшего сцепления или повышения защитной способности этих покрытий. Для защиты от коррозии стали и цинковых сплавов в атмосферных условиях медные покрытия небольшой толщины (10 — 20 мкм) непригодны, так как в порах покрытия разрушение основного металла будет ускоряться за счет образования и действия гальванических элементов. Кроме того, медь легко окисляется на воздухе, особенно при нагревании.

Хорошая электропроводность меди позволяет применять ее в качестве подслоя под серебро для токопроводящих жил при изготовлении печатных схем и биметаллических проводников.

При частотах выше 3000 гц необходимо учитывать поверхностный эффект не только в стальном сердечнике, но и в медном или алюминиевом слое биметаллического проводника.

Сосредоточение тока у поверхности проводника, благодаря поверхностному эффекту при высокой частоте, позволяет широко использовать в технике электропроводной связи наряду с полыми проводниками также и биметаллические проводники. К краткому рассмотрению теории таких проводников мы и перейдем.

Из анализа изменения электрического сопротивления и механических свойств проволоки при 700 и 750 qC следует, что для рабочей температуры 700 С с ограниченным сроком службы в воздушной ереде может быть рекомендован биметаллический проводник с серебряным сердечником и никелевой оболочкой.

Поэтому напряжения в никелевой оболочке примерно в 1 5 раза больше, чем в медном сердечнике, а так как предел прочности при растяжении у никеля при 1 000 С в 3 раза выше, чем у меди, то при этих условиях наиболее механически слабым местом в биметаллическом проводнике является медный сердечник.

Зависимость коэффициента потерь для внутреннего слоя трехслойной обмотки 8 Г от толщины стенки трубки dl и высоты канала охлаждения т.

Получаемый во втором случае биметаллический проводник должен состоять из медной шины оптимальной толщины и ири-наянной к ней тонкостенной трубки из нержавеющей стали, мельхиора или другого материала.

В гальваностегии медное покрытие защищает стальные изделия от цементации, повышает электропроводность стали (в биметаллических проводниках), служит промежуточным слоем, улучшающим сцепление и повышающим защитную способность никелевых, хромовых и др. покрытий, наносимых на изделия из стали, цинка, цинковых и алюминиевых сплавов. Перед меднением поверхность изделий очищают от жировых и окисных загрязнений.

Чтобы определить его величину, необходимо воспользоваться законом полного тока, выразив предварительно через постоянную С напряженность магнитного поля Яф на внешней поверхности биметаллического проводника.

Новые возможности в конструировании токоподвода к графитовым электродам открываются при соединении графита с титаном сваркой. При использовании окисно-рутениевых или платинотитановых анодов подвод тока к работающей поверхности анода осуществляется с помощью титановых или биметаллических проводников.

Анализируя результаты испытаний проводников медь — нержавеющая сталь и Ag — Ni, можно сделать выводы о возможности их длительной эксплуатации при 500 С. Если провод с жилой из Ag — Ni не будет подвергаться в процессе эксплуатации значительным механическим воздействиям, то длительность работы может быть увеличена. В связи с тем, что увеличение сопротивления биметаллической проволоки в процессе пребывания ее при повышенных температурах определяется взаимной диффузией металлов сердечника и оболочки, которая, естественно, не зависит от характера окружающей среды, сроки службы биметаллических проводников как на воздухе, так и в вакууме примерно одинаковы. Это утверждение справедливо, конечно, при отсутствии трещин в оболочке. В противном случае воздух легко проникает сквозь трещины к сердечнику и вызывает его окисление и разрушение.

Магнитомягкие материалы — это материалы с большой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой, быстро намагничиваются и быстро теряют магнитные свойства при снятии магнитного поля. Основной магнитомягкий материал — чистое железо и его сплавы с никелем и кобальтом. Для повышения электросопротивления легируют кремнием, алюминием. Для улучшения прессуемости сплавов вводят до 1% пластмассы, которая полностью испаряется при спекании. Пористость материалов должна быть минимальной.

Магнитомягкие материалы по области применения делят на:

• — материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей и
• — на магнитомягкие высокочастотные материалы.

Магнитомягкие материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей.

Помимо высокой магнитной проницаемости и малой коэрцитивной силы эти магнитомягкие материалы должны обладать большой индукцией насыщения, т. е. пропускать максимальный магнитный поток через заданную площадь поперечного сечения магнитопровода. В магнитном материале, используемом в переменных полях, должны быть возможно меньшие потери на перемагничивание, которые складываются в основном из потерь на гистерезис и на вихревые токи.

Для уменьшения потерь на вихревые токи для трансформаторов выбирают магнитомягкие материалы с повышенным удельным сопротивлением или собирают магнитопроводы из отдельных изолированных друг от друга тонких листов. В этом случае магнитные потери будут зависеть от толщины листа (ленты). К листовым и ленточным материалам предъявляется требование высокой пластичности. Магнитные свойства материалов зависят также от частоты магнитного поля. Важным требованием к магнитомягким материалам является обеспечение стабильности их свойств во времени, и по отношению к внешним воздействиям, таким, как температура и механические напряжения. Из всех магнитных характеристик наибольшим изменениям в процессе эксплуатации материала подвержены магнитная проницаемость и коэрцитивная сила.

К низкочастотным магнитомягким материалам относятся железо (армко-железо), электротехнические стали, в том числе кремнистая электротехническая сталь, низкокоэрцитивные сплавы, такие как пермаллой и альсифер Магнитомягкие высокочастотные материалы Высокочастотные магнитомягкие материалы должны выполнять функции магнетиков при частотах свыше нескольких сотен или тысяч герц. По частотному диапазону их можно подразделить на материалы для звуковых, ультразвуковых и низких радиочастот, для высоких радиочастот и для СВЧ.

По физической природе и строению высокочастотные магнитомягкие материалы подразделяют на магнитодиэлектрики и ферриты. При звуковых, ультразвуковых и низких радиочастотах можно использовать тонколистовые рулонные холоднокатаные электротехнические стали и пермаллои.

Широко применяются в технике слабых токов смешанные ферриты (например, соединение из цинкового и никелевого ферритов), а также феррогранаты. Для них характерно исключительно высокое электрическое сопротивление и практическое отсутствие скин-эффекта. Феррогранаты применяются при очень высоких частотах (если невелики диэлектрические потери). биметаллический проводник магнитомягкий материал Свойствами магнитомягких материалов обладают также некоторые аморфные магнетики и аморфные металлы.

В электрои радиотехнике магнитомягкие материалы применяют для изготовления датчиков магнитного поля, считывающих головок для чтения магнитной записи, сердечников трансформаторов, дросселей, магнитопроводов, полюсных наконечников, телефонных мембран, магнитных экранов и т. д. В микроэлектронике их используют как элементы интегральных схем.

Сплавы, содержащие до 2,14% углерода, называют сталями.

Сплавы, содержащие более 2,14% углерода, называют чугунами.