Cuivre: conductivité électrique, propriétés, caractéristiques et applications

Dans de nombreuses branches de l'industrie moderne, un matériau tel que le cuivre est largement utilisé. La conductivité électrique de ce métal est très élevée. Cela explique l'opportunité de l'utiliser principalement en génie électrique. Du cuivre, on obtient des conducteurs avec d'excellentes caractéristiques de performance. Bien sûr, ce métal est utilisé non seulement en génie électrique, mais aussi dans d'autres industries. Sa demande s'explique, entre autres, par ses qualités, telles que la résistance aux dommages causés par la corrosion dans un certain nombre de milieux corrosifs, la réfraction, la ductilité, etc.

Historique

Le cuivre est un métal connu de l'homme depuis l'Antiquité. La connaissance précoce des personnes avec ce matériel s'explique tout d'abord par sa large diffusion dans la nature sous forme de pépites. Beaucoup de scientifiques pensent qu'il s'agissait du cuivre qui était le premier métal, un homme restauré à partir de composés oxygénés. Il était une fois, les roches étaient simplement chauffées au feu et refroidies drastiquement, ce qui les faisait craquer. Plus tard, la restauration du cuivre a commencé à produire sur les feux de joie avec l'addition de charbon et de soufflage. L'amélioration de cette méthode a finalement conduit à la création d'un four à puits. Encore plus tard, ce métal a commencé à être produit par la méthode de fusion oxydante de minerais.

Cuivre: la conductivité électrique du matériau

Dans un état calme, tous les électrons libres de n'importe quel métal tournent autour du noyau. Lors de la connexion d'une source d'impact externe, elles sont alignées dans une certaine séquence et deviennent des porteurs de courant. Le degré de capacité du métal à traverser le dernier est appelé conductivité électrique. L'unité de mesure dans SI International est Siemens, définie comme 1 cm = 1 Ω ^-1 .

La conductivité électrique du cuivre est très élevée. Par cet indicateur, il dépasse tous les métaux non nobles connus aujourd'hui. Mieux que son courant ne coule que de l'argent. L'indicateur de la conductivité électrique du cuivre est de 57×104 cm ^-1 à une température de +20 ° C. En raison de cette propriété, ce métal en ce moment est le conducteur le plus courant de tous ceux utilisés à des fins industrielles et domestiques.

Le cuivre résiste parfaitement à des charges électriques constantes et est également fiable et durable. Entre autres choses, ce métal est caractérisé par un point de fusion élevé (1083,4 ° C). Et cela, à son tour, permet au cuivre pendant longtemps de fonctionner dans un état chauffé. Comme prévalence comme conducteur actuel, seul l'aluminium peut concurrencer ce métal.

Effet des impuretés sur la conductivité électrique du cuivre

Bien sûr, à notre époque, des techniques beaucoup plus sophistiquées sont utilisées pour faire fondre ce métal rouge que dans l'antiquité. Cependant, même aujourd'hui, il est pratiquement impossible d'obtenir un Cu absolument pur. En cuivre, il existe toujours diverses impuretés. Il peut s'agir, par exemple, du silicium, du fer ou de la béryllium. Pendant ce temps, plus les impuretés dans le cuivre, plus l'indice de sa conductivité électrique est bas. Pour la fabrication de fils, par exemple, seul un métal suffisamment pur convient. Selon les normes, le cuivre peut être utilisé à cet effet avec une quantité d'impuretés n'excédant pas 0,1%.

Très souvent, ce métal contient un certain pourcentage de soufre, d'arsenic et d'antimoine. La première substance réduit considérablement la plasticité du matériau. La conductivité électrique du cuivre et du soufre est très différente. Cette impureté ne conduit pas le courant du tout. C'est un bon isolant. Cependant, la conductivité électrique du soufre de cuivre n'est pas affectée dans la pratique. Il en va de même pour la conductivité thermique. Avec l'antimoine et l'arsenic, on observe la photo opposée. Ces éléments conductivité du cuivre peuvent réduire de manière significative.

Alliages

Différents types d'additifs peuvent être utilisés et spécifiquement pour augmenter la résistance d'une telle matière ductile comme le cuivre. Ils réduisent également sa conductivité électrique. Mais leur utilisation permet d'augmenter considérablement la durée de vie de divers produits.

Le plus souvent, Cd (0,9%) est utilisé comme une augmentation de la résistance de l'additif de cuivre. Il en résulte le bronze au cadmium. Sa conductivité est de 90% de la conductivité du cuivre. Parfois, au lieu du cadmium, l'aluminium est également utilisé comme additif. La conductivité de ce métal est de 65% du même indice de cuivre. Pour augmenter la résistance des fils sous forme d'additifs, d'autres matériaux et substances peuvent être utilisés, tels que l'étain, le phosphore, le chrome, la béryllium. Le résultat est le bronze d'une certaine marque. La connexion du cuivre au zinc s'appelle laiton.

Propriétés en alliage

La conductivité électrique des métaux peut dépendre non seulement de la quantité d'impuretés présente, mais aussi d'autres indicateurs. Par exemple, avec une augmentation de la température de chauffage, la capacité du cuivre à passer par un courant est réduite. Même la manière de sa fabrication influence la conductivité électrique d'un tel fil. Dans la vie quotidienne et en production, on peut utiliser des conducteurs en cuivre recuit doux et du cuivre étiré. Dans la première espèce, la capacité de traverser le courant est plus élevée.

Cependant, surtout, bien sûr, les additifs utilisés et leur quantité affectent la conductivité électrique du cuivre. Le tableau ci-dessous fournit au lecteur des informations exhaustives sur la capacité de transmettre le courant aux alliages les plus courants de ce métal.

La conductivité électrique du laiton et du cuivre est comparable. Cependant, pour le premier métal, ce chiffre est bien entendu légèrement inférieur. Mais en même temps, il est plus élevé qu'en bronze. Comme un conducteur en laiton est utilisé assez largement. Il passe le courant pire que le cuivre, mais ça coûte moins cher. Le plus souvent des contacts en laiton, des pinces et des pièces diverses pour les équipements radio.

Alliages de cuivre de haute résistance

De tels matériaux conducteurs sont principalement utilisés dans la fabrication de résistances, de rhéostats, d'instruments de mesure et de dispositifs de chauffage électriques. Le plus souvent, les alliages de cuivre de constantan et de manganine sont utilisés à cet effet. La résistivité du premier (86% Cu, 12% Mn, 2% Ni) est de 0,42-0,48 μΩ / m, et la seconde (60% Cu, 40% Ni) 0,48-0,52 μΩ / m.

Relation avec le coefficient de conductivité thermique

La conductivité électrique spécifique du cuivre est de 59 500 000 S / m. Ce paramètre, comme déjà mentionné, est correct, mais seulement à une température de +20 ° C. Il existe une relation définie entre la conductivité thermique de n'importe quel métal et la conductivité. Établit sa loi Wiedemann-Franz. Il est effectué pour les métaux à haute température et est exprimé dans la formule suivante: K / γ = π 2/3 (k / e) ² T, où y est la conductivité, k est la constante de Boltzmann, et e est la charge élémentaire.

Bien sûr, il existe une connexion similaire avec un métal tel que le cuivre. Sa conductivité thermique et sa conductivité électrique sont très élevées. En deuxième place après l'argent, c'est sur ces deux indicateurs.

Raccordement des fils de cuivre et d'aluminium

Récemment, les équipements électriques d'une puissance toujours plus grande ont commencé à être utilisés dans la vie quotidienne et dans l'industrie. À l'époque soviétique, le câblage était principalement constitué d'aluminium bon marché. Malheureusement, ses caractéristiques de performance ne correspondent pas aux nouvelles exigences. Par conséquent, aujourd'hui, dans la vie quotidienne et dans l'industrie, souvent, les fils d'aluminium changent en cuivre. Le principal avantage de ce dernier, en plus des propriétés réfractaires, est que leurs propriétés conductrices ne diminuent pas avec un processus d'oxydation.

Souvent, lors de la mise à niveau du réseau électrique, les fils en aluminium et en cuivre doivent être connectés. Vous ne pouvez pas le faire directement. En fait, la conductivité électrique de l'aluminium et du cuivre ne diffère pas beaucoup. Mais seulement les métaux eux-mêmes. Les films d'oxydation des propriétés en aluminium et en cuivre ne sont pas les mêmes. Pour cette raison, la conductivité à la jonction est considérablement réduite. Le film oxydant en aluminium est beaucoup plus résistant que le cuivre. Par conséquent, la connexion de ces deux types de conducteurs doit être faite exclusivement par des adaptateurs spéciaux. Il peut s'agir, par exemple, de pinces contenant une pâte qui protège les métaux de l'apparence de l'oxyde. Cette version de l'adaptateur est généralement utilisée lors de la connexion des fils dans la rue. Dans les locaux, les brides de dérivation sont souvent utilisées. Leur conception comprend une plaque spéciale qui élimine le contact direct entre l'aluminium et le cuivre. En l'absence de tels conducteurs dans les conditions domestiques, au lieu de tordre les fils, il est recommandé d'utiliser la rondelle et l'écrou en tant que «pont» intermédiaire.

Propriétés physiques

Ainsi, nous avons découvert quelle est la conductivité électrique du cuivre. Cet indicateur peut varier en fonction des impuretés incluses dans la composition de ce métal. Cependant, la demande de cuivre dans l'industrie est déterminée par ses autres propriétés physiques utiles, qui peuvent être obtenues dans le tableau ci-dessous.

Propriétés chimiques

Pour de telles caractéristiques, le cuivre, dont la conductivité électrique et la conductivité thermique est très élevée, occupe une position intermédiaire entre les éléments de la première triade du huitième groupe et les alcalins du premier groupe du tableau périodique. Ses principales propriétés chimiques comprennent:

• Propension à la formation complexe;

• La capacité à donner des composés colorés et des sulfures insolubles.

Le plus caractéristique du cuivre est l'état bivalent. Les similitudes avec les métaux alcalins, c'est pratiquement nul. Son activité chimique est également faible. En présence de CO ₂ ou d'humidité, un film de carbonate vert se forme sur la surface de cuivre. Tous les sels de cuivre sont des substances toxiques. Dans l'état unique et divalent, ce métal forme des composés complexes très stables . Le plus important pour l'industrie est l'ammoniac.

Champ d'application

La haute conductivité thermique et électrique du cuivre détermine sa large application dans une grande variété d'industries. Bien sûr, le plus souvent ce métal est utilisé dans le génie électrique. Cependant, ce n'est pas la seule sphère de son application. Entre autres choses, le cuivre peut être utilisé:

• Dans le secteur des bijoux;

• Dans l'architecture;

• Lors de l'assemblage de systèmes de plomberie et de chauffage;

• Dans les gazoducs.

Pour la fabrication de divers types de bijoux, un alliage de cuivre avec de l'or est utilisé. Cela vous permet d'augmenter la résistance des bijoux à la déformation et à l'abrasion. Dans l'architecture, le cuivre peut être utilisé pour façades et façades. L'avantage principal de cette finition est la durabilité. Par exemple, les feuilles de ce métal sont couvertes du toit d'un point de repère architectural bien connu – la cathédrale catholique dans la ville allemande de Hildesheim. Le toit de cuivre de ce bâtiment protège efficacement son espace intérieur pendant près de 700 ans.

Communications d'ingénierie

Les principaux avantages des conduites d'eau en cuivre sont également la durabilité et la fiabilité. En outre, ce métal est capable de donner de l'eau des propriétés uniques spéciales, ce qui le rend utile pour le corps. Pour l'assemblage de gazoducs et de systèmes de chauffage, les tuyaux en cuivre sont également idéalement adaptés, principalement en raison de leur résistance à la corrosion et de leur ductilité. Avec une augmentation d'urgence de la pression, ces lignes peuvent résister à une charge beaucoup plus importante que l'acier. Le seul inconvénient des pipelines de cuivre est leur coût élevé.