Przewodzące żelazo i stal

W naturze żelazo występuje w różnych związkach z tlenem (FeO, Fd2O3 itp.). Niezwykle trudno jest wyizolować chemicznie czyste żelazo z tych związków. Pod względem właściwości elektrycznych i magnetycznych żelazo chemicznie czyste jest zbliżone do żelaza oczyszczonego z zanieczyszczeń metodą elektrolityczną (żelazo elektrolityczne). Całkowita ilość zanieczyszczeń w żelazie elektrolitycznym nie przekracza 0,03%.

Głównymi zanieczyszczeniami żelaza są: tlen (O2), azot (N2), węgiel (C), siarka (C), fosfor (P), krzem (Si), mangan (Mn) i kilka innych. Większość zanieczyszczeń dostaje się do żelaza z rudy i paliwa.

Krzem i mangan są specjalnie wprowadzane do żelaza jako odtleniacze. Łatwo łączą się z tlenem i tworzą tlenki, które w roztopionym żelazie (stali) wypływają na powierzchnię w postaci żużla i są usuwane. Poprawia to właściwości mechaniczne stali, ale pozostając w niewielkiej ilości w stali, zmniejszają jej przewodność elektryczną.

Siarka i fosfor to szkodliwe zanieczyszczenia. Dostając się do żelaza i stali z rudy i paliwa, powodują kruchość stali.Gazy (azot i tlen) są również szkodliwymi zanieczyszczeniami, ponieważ pogarszają właściwości elektryczne i magnetyczne żelaza i stali.

Zanieczyszczeniem, które gwałtownie zmniejsza przewodność elektryczną żelaza, jest węgiel. Stopy żelaza z węglem nazywane są stalami. Oprócz węgla stale zawierają również inne pierwiastki, które są wprowadzane specjalnie w celu uzyskania określonych właściwości (pierwiastki stopowe).

Właściwości techniczne żelaza to stale niskowęglowe, których zawartość węgla waha się od 0,01 do 0,1%. W stalach konstrukcyjnych węgiel występuje w ilości od 0,07 do 0,7%, aw stalach narzędziowych i innych specjalnych (stopowych) - od 0,7 do 1,7%.

Żelazo i stal — najtańsze i najbardziej dostępne materiały przewodzące o wysokiej wytrzymałości mechanicznej na rozciąganie, ale ich zastosowanie jest ograniczone następującymi wadami.

Żelazo i stal mają niską odporność na korozję, to znaczy łatwo utleniają się w powietrzu - rdzewieją. Ponadto mają podwyższoną opór (p = 0,13 — 0,14 oma x mm2 / m) w porównaniu z miedzią i aluminium. Odporność elektryczna żelaza i stali na prąd przemienny znacznie wzrasta, ponieważ żelazo i stal są materiały magnetyczne… Dlatego prąd w dużej mierze przesuwa się ze środkowej części przewodnika na jego powierzchnię (efekt powierzchniowy).

Aby zmniejszyć ten efekt i wielkość oporu elektrycznego na prąd przemienny, starają się używać stali o najniższej możliwej przenikalności magnetycznej.

Do produkcji drutu stalowego stosuje się stal o zawartości węgla od 0,10 do 0,15%, która ma następujące właściwości: gęstość 7,8 g / cm3, temperatura topnienia 1392 — 1400ОС, maksymalna wytrzymałość na rozciąganie 55 — 70 kg / mm2, wydłużenie względne 4 — 5%, rezystancja 0,135 — 146 omów hmm2 / m, współczynnik temperaturowy oporu α = +0,0057 1 / ° C.

Aby zabezpieczyć je przed korozją atmosferyczną, druty stalowe są pokryte cienką warstwą miedzi lub cynku (0,016 — 0,020 mm).

Drut i pręty stalowe są również używane jako rdzenie druty bimetalicznezapewniając znaczne oszczędności miedzi przewodzącej. Przewodniki bimetaliczne są stosowane w urządzeniach elektrycznych (klucze do noży, styczniki itp.).

Ryż. 1. Przekrój drutu bimetalicznego

Ryż. 2. Przekrój drutu bimetalicznego stalowo-aluminiowego: 1 — drut aluminiowy, 2 — drut stalowy

Drut stalowy ocynkowany o wysokiej wytrzymałości mechanicznej na rozciąganie (130 — 170 kg/mm2) jest stosowany jako rdzenie w drutach stalowo-aluminiowych w celu zwiększenia ich wytrzymałości mechanicznej na rozciąganie.