Лекция 3. Проводниковые_материалы

1.

Лекция 3. ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Материалы, которые хорошо проводят электрический ток.
Основная задача — передавать электрическую энергию с минимальными потерями.
Применяются в электростанциях, подстанциях, ЛЭП, трансформаторах, генераторах,
кабелях и электрических аппаратах.
Электростанция
ЛЭП
Потребитель
1

2.

1. Что такое проводниковые материалы?
Проводниковые материалы — материалы, которые хорошо
проводят электрический ток.
Главная задача:
передавать ток с минимальными потерями
обеспечивать надёжную работу электрооборудования
2
Где применяются?
Электростанции и подстанции
Линии электропередачи
Трансформаторы и
генераторы
Кабели, шины и
электрические аппараты

3.

2. Почему металлы проводят электрический ток?
3
В металлах часть электронов сравнительно слабо связана с атомами.
Эти свободные электроны могут перемещаться внутри металла.
Направленное движение свободных зарядов → электрический ток.
Важная характеристика — электрическая проводимость.
Чем выше проводимость, тем лучше материал проводит ток.
Свободные
электроны
Движение
зарядов
Электрический
ток

4.

3. Основные проводниковые материалы
Медь (Cu)
Алюминий (Al)
Высокая электропроводность, пластичность и
хорошая технологичность.
Меньшая плотность и сравнительно низкая
стоимость.
Серебро (Ag)
Золото (Au)
Очень высокая электропроводность, но высокая
стоимость.
Устойчиво к окислению; применяется для
специальных контактов.
4

5.

4. Медь и алюминий: где применяют?
5
МЕДЬ
АЛЮМИНИЙ
Провода и кабели
Шины
Обмотки трансформаторов
Хорошо вытягивается в тонкую проволоку
Линии электропередачи
Лёгкие проводники
Меньшая масса снижает механическую нагрузку на
опоры

6.

5. Серебро и золото
6
СЕРЕБРО
ЗОЛОТО
Очень высокая электропроводность.
Низкое сопротивление.
Применение ограничивает высокая стоимость.
Проводимость ниже, чем у меди.
Практически не окисляется на воздухе.
Используется в специальных контактах и
электронных устройствах.

7.

6. Нагрев проводника и закон Джоуля–Ленца
7
При прохождении тока проводник нагревается.
Q = I²Rt
Главное следствие
Q — количество теплоты, Дж
Ток находится в квадрате: увеличение
тока вызывает очень быстрый рост
нагрева.
I — сила тока, А
R — электрическое сопротивление, Ом
t — время, с
Ток ↑
Нагрев ↑
Риск
перегрева ↑

8.

7. Механическая прочность и группы проводников
Проводник должен выдерживать:
собственный вес
Почему это важно?
ветер и гололёд
Воздушные проводники работают
под механической нагрузкой.
Высокое сопротивление используют,
например, для нагрева и
ограничения тока.
натяжение и другие механические нагрузки
Группы материалов:
высокой проводимости — Cu, Al, Ag
высокого сопротивления — нихром, фехраль
8

9.

8. Плотность тока
Плотность тока показывает, какой ток приходится на единицу
площади поперечного сечения.
J=I/S
J — плотность тока, А/м²
I — сила тока, А
S — площадь сечения, м²
Если I ↑ при неизменном S → J ↑.
Если S ↑ при неизменном I → J ↓.
9
Практический смысл
Слишком большой ток при малом
сечении повышает плотность тока и
может привести к перегреву.

10.

9. Как правильно выбрать проводниковый материал?
При выборе одновременно учитывают:
электропроводность и удельное сопротивление
механическую прочность
нагревостойкость
устойчивость к влаге и коррозии
технологичность изготовления
экономичность
Один показатель не может полностью определить выбор материала.
10

11.

10. ЗАКЛЮЧЕНИЕ: проводниковые материалы в энергетике
11
Проводниковые материалы — основа электрической энергетики.
Они используются в генераторах, трансформаторах, шинах, кабелях и ЛЭП.
Главные характеристики:
электропроводность и сопротивление
нагрев и механическая прочность
эксплуатационная устойчивость и стоимость
Главная идея: материал выбирают по совокупности свойств и условиям эксплуатации.
Генератор
Трансформатор
Шины
Кабель / ЛЭП
Потребитель

12.

Контрольные вопросы
12
1. Связь между удельным сопротивлением ρ и общим сопротивлением R. Объясните формулу.
2. Почему два проводника из одного материала могут иметь разное сопротивление при разной длине и
площади сечения?
3. Объясните значение P_loss = I²R для потерь в линиях электропередачи. Что произойдёт с потерями при
удвоении тока?
4. Почему не следует автоматически выполнять все воздушные линии из меди, хотя медь имеет высокую
проводимость?
5. Как низкая плотность алюминия влияет на конструкцию воздушной линии?
6. Какая обратная связь возникает между R, P_loss и температурой при саморазогреве проводника?
7. Какой инженерный компромисс возможен между проводимостью и механическими свойствами
проводниковых сплавов?
8. Какие электрические, тепловые, механические и экономические параметры нужно совместно оценивать
для шин подстанции с большим током?