Проводниковые железо и сталь
В природе железо находится в различных соединениях с кислородом (FeO; Fe203 и др.). Выделить химически чистое железо из этих соединений чрезвычайно трудно. По электрическим и магнитным свойствам к химически чистому железу приближается железо, очищенное от примесей электролитическим способом (электролитическое железо). Общее количество примесей в электролитическом железе не превышает 0,03%.
Основными примесями в железе являются: кислород (О2), азот (N2); углерод (С), сера (S), фосфор (Р), кремний (Si), марганец (Mn) и некоторые другие. Большинство примесей попадают в железо из руды и топлива. Кремний и марганец специально вводятся в железо в качестве раскислителей. Они легко соединяются с кислородом и образуют окислы, которые в расплавленном железе (стали) всплывают на поверхность в виде шлака и удаляются. Этим улучшают механические свойства сталей, но, оставаясь в небольшом количестве в стали, они снижают ее электропроводность. Сера и фосфор — вредные примеси; попадая в железо и сталь из руды и топлива, они вызывают хрупкость сталей. Газы (азот и кислород)— тоже вредные примеси, так как они ухудшают электрические и магнитные свойства железа и сталей.
Примесью, резко снижающей электропроводность железа, является углерод. Сплавы железа с углеродом называются сталями. Кроме углерода, в сталях содержатся другие элементы, вводимые специально с целью получения тех или иных свойств (легирующие элементы).
Техническими сортами железа являются малоуглеродистые стали, содержание углерода в которых составляет от 0,01 до 0,1%. В конструкционных сталях углерод содержится в количестве от 0,07 до 0,7%, а в инструментальных и других специальных (легированных) сталях — от 0,7 до 1,7%.
Железо и сталь — наиболее дешевые и доступные проводниковые материалы, обладающие высокой механической прочностью при растяжении, но их применение ограничивается следующими недостатками. Железо и сталь имеют низкую коррозионную стойкость, т. е. они легко окисляются на воздухе — ржавеют. Кроме того, обладают повышенным удельным сопротивлением (д = =0,13 + 0,14 ом-мм2/м) по сравнению с медью и алюминием. Электрическое сопротивление у железа и стали на переменном токе сильно возрастает, поскольку железо и сталь являются магнитными материалами. Поэтому ток в большей степени вытесняется из средней части провода к его поверхности (поверхностный эффект).
Для снижения этого эффекта и величины электрического сопротивления переменному току стараются применять сталь с возможно меньшей величиной магнитной проницаемости.
Для изготовления стальной проволоки применяют сталь с содержанием углерода от 0,10 до 0,15%, обладающую следующими свойствами; плотностью 7,8 г/см3; температурой плавления 1392 + + 1400° С; пределом прочности при растяжении сгь =55 -=-70 кГ/мм2; относительным удлинением 6л = 4-ь5%; удельным сопротивлением U = 0,135- 146 ом-мм2/м температурным коэффициентом сопротивления а=+0,0057 1/°С.
Для защиты от атмосферной коррозии стальные провода покрывают тонким слоем меди или цинка (0,016—0,020 мм).
Рис. 18. Поперечное сечение биметаллического провода
Рис. 19. Поперечное сечение сталеалюминиевого провода:
1-алюминиевая проволока, 2 — стальная проволока
Стальную проволоку и шины применяют также в качестве сердечников в биметаллических* проводниках (рис. 18), обеспечивающих значительную экономию проводниковой меди.
Биметаллические проводники применяют в электрических аппаратах (рубильники, контакторы и др.).
Стальная оцинкованная проволока с большой механической прочностью при растяжении используется в качестве сердечников в сталеалюминиевых проводах (рис. 19) для повышения их механической прочности на разрыв.
*Биметаллические проводники на основе стали не следует смешивать с термобиметаллическими проводниками, состоящими из двух металлов, с разными коэффициентами теплового расширения. Из термобиметаллических проводников изготовляют термодатчики, чувствительные к изменению контролируемой ими температуры.
