Руководство по материалам электротехники для всех. Часть 3

Продолжение руководства по материалам электротехники. В этой части заканчиваем разбирать проводники: Углерод, Нихромы, термостабильные сплавы, припои — олово, прозрачные проводники.

Добро пожаловать под кат (ТРАФИК)

Хочу сказать спасибо всем за дельные комментарии к предыдущим частям, мой список TODO растет. Если тенденция сохранится, то итоговую версию руководства в формате pdf я опубликую не в 11 части, как планировал, а отдельно 12й частью вместе со списком доработок и улучшений. Оставляйте пожелания в комментариях какие места требуют более подробного обьяснения.

Эта часть посвящена «так себе проводникам» — материалам которые проводят ток, но делают это весьма паршиво, и с этим мирятся только благодаря каким-то особым свойствам материала, которого нет у других проводников.

Углерод

С — углерод. Не совсем металл, но тоже проводник. Графит, угольная пыль — не такие хорошие проводники как металлы, но зато очень дешевые, не подвержены коррозии.

Примеры применения

Компонент резисторов. В виде пленок, в виде объемных брусков в диэлектрической оболочке.

Добавка в полимеры для придания электропроводности. Для защиты от образования статического электричества достаточно ввести в состав полимера мелкодисперсный графит, и пластик из диэлектрика становится очень плохим проводником, достаточным, что бы статический заряд с него стекал. При работе с изделиями из такого пластика они не будут прилипать и искрить, что важно при пожароопасности или работе с электроникой.

Токопроводящий лак на базе суспензии графита.

На базе полимеров, заполненных мелкодисперсным графитом, основаны различные нагреватели — пленочные электронагреватели теплых полов, греющие кабели для систем водоснабжения, нагреватели для одежды и т.д. Высокий коэффициент расширения полимеров при нагреве приводит к отрицательной обратной связи, что делает такие нагреватели саморегулирующимися и потому безопасными. При пропускании тока через такой полимер, он нагревается, от нагрева расширяется, контакт между частичками углерода в матрице из полимера ухудшается, от этого увеличивается сопротивление — уменьшается протекаемый ток, уменьшается нагрев. В итоге, устанавливается некоторая температура полимера, стабильно поддерживающаяся этим механизмом обратной связи без каких либо внешних устройств.

Нагреватель от печки лазерного принтера. Основа — фарфор, проводники — серебро. Нагреватель — углеродная композиция, покрыта для защиты слоем глазури.

Аналогично устроены полимерные самовосстанавливающиеся предохранители. Если ток через такой предохранитель превысит номинальный, от нагрева полимер в составе расширяется, и резко увеличившееся сопротивление прерывает ток через предохранитель до некоторого небольшого значения. Такие предохранители обеспечивают медленную защиту, но не требуют замены предохранителя после каждой аварии.

Угольный сварочный электрод — используется для сварки, когда от электрода требуется только поддерживать дугу не плавясь. Уголь значительно дешевле вольфрама, но менее прочен и постепенно сгорает на воздухе.

Электроды от дуговой лампы, использовавшейся для киносъемок. Марка электродов КСБ — Уголь КиноСьемочный Белопламенный неомедненный.

Медно-графитовые материалы. Получают спеканием порошка меди и графита в разных пропорциях. В зависимости от состава могут быть от чёрных как уголь до темно красных с медным блеском. Используется как материал скользящих контактов — щеток электрических приборов. Такие щетки обеспечивают низкое сопротивление вращению — хорошо скользят по контактам коллектора. Кроме того их твёрдость заметно ниже твёрдости металла коллектора, так что в процессе работы истираются и подлежат замене дешевые щетки а не дорогой ротор.

Изношенные щетки от двигателя стиральной машины. Плохой контакт щеток с коллектором — причина повышенного искрения.

Источники

Если вдруг понадобился срочно угольный электрод, например сварить термопару, самый доступный способ — вытащить центральный электрод из солевой батарейки (маркировка которой начинается с R а не LR, щелочные («алкалиновые») не подойдут). Угольный стержень из батарейки содержит в себе следы электролита, поэтому перед применением не лишнем будет промыть и прокипятить его в воде для удаления остатков электролита.

Нихромы

Для изготовления нагревателей, мощных сопротивлений требуются сплавы со следующими требованиями:

Нихром (55-78% никеля, 15-23% хрома) рабочая температура до 1100 °C хотя нихромы — это целый класс сплавов с небольшой разницей в составе.
Фехраль, название образовано от состава FeCrAl (12-27% Cr, 3.5-5.5% Al, 1% Si, 0.7% Mn, остальное Fe) рабочая температура до 1350 °C (Иногда называют канталом — kanthal, это не марка сплава, а торговая марка, которая стала нарицательной, как например «термос»).

Добавка хрома обеспечивает образование защитной пленки на поверхности сплава, благодаря чему нагреватели из нихрома могут длительное время работать на воздухе с высокой температурой поверхности.

Фехраль после нагрева становится ломким. Нихром после нагрева еще можно как-то гнуть. При этом фехраль дешевле нихрома, в рознице не так заметно, но ощутимо в оптовых партиях.

Нихромовая спиралька с фитилем внутри — испаритель электронной сигареты. Нихромовой струной, подогреваемой электрическим током, режут пенополистирол. Также из нихрома изготавливают термосьемники изоляции — на сегодняшний день самый надежный способ снять изоляцию с провода и не повредить токопроводящую жилу.

На удивление, достаточно трудно купить нихром в виде проволоки в небольших количествах, местные продавцы о количествах менее килограмма даже слышать не хотят. Так что, если понадобится изготовить нагревательный элемент — то проще перемотать нихром с какогонибудь неисправного тепловентилятора.

Концы нагревательных элементов обычно приваривают к тоководам или зажимают механически — винтом или опрессовкой.

Сплавы для изготовления термостабильных сопротивлений

У всех материалов есть ТКС — температурный коэффициент сопротивления, мера того, насколько изменяется сопротивление с изменением температуры. Он может быть положительным — как у металлов, с ростом температуры сопротивление растет, может быть отрицательным, как у полупроводников, с ростом температуры сопротивление падает. При изготовлении точных измерительных приборов необходимо иметь сопротивления с минимальным дрейфом номинала в зависимости от температуры. Для этого изобрели сплавы с минимальным ТКС:

Константан (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn)
Манганин (85% Cu, 11.5-13.5% Mn, 2.5-3.5% Ni)

Таблица, с указанием температурного коэффициента (обозначается как α) для различных
металлов:

Если упростить, то коэффициент α говорит, во сколько раз изменится сопротивление проводника при изменении температуры на один градус Цельсия.

Припои

Пайка — это процесс соединения двух деталей при помощи припоя, материала с температурой плавления меньшей, чем у соединяемых деталей. Например, соединение двух медных проводников при помощи олова. Именно использование припоя — основное отличие от сварки, когда детали соединяются расплавом из самих себя, например стальной крюк к стальной двери приваривается при помощи стального плавящегося сварочного электрода.

Припои чаще классифицируют на две группы — тугоплавкие (температура плавления 400°С и более) и легкоплавкие. Или, иногда, на твёрдые и мягкие. Учитывая, что мягкие припои обычно легкоплавкие, то часто твёрдые припои синоним тугоплавких, а мягкие припои — легкоплавких.

В электронной технике припои используют для создания надежного электрического контакта. Основные припои в электронной технике — мягкие, на базе олова и оловянно-свинцовых сплавов. Все остальные экзотические припои рассматриваться не будут.

Олово

Sn — Олово. Основной компонент мягких припоев. Олово — относительно легкоплавкий металл, что позволяет использовать его для соединения проводников. В чистом виде не используется (см. факты). Из-за дороговизны олова (а также других причин, см. ниже), его в припоях разбавляют свинцом. Припой из 61% олова и 39% свинца образует эвтектику, такой смесью, ПОС-61 (Припой Оловянно-Свинцовый — 61% олова) паяют радиодетали на платах, провода. В менее ответственных узлах (шасси, теплоотводы, экраны и т.п.) олово в припоях разбавляют сильнее, до 30% олова, 70% свинца.

Электронные устройства долгое время паяли оловянно-свинцовыми припоями. Затем набежали экологи и заявили, что свинец — металл тяжелый, токсичный, и проблемы бы не было, если бы все эти ваши айфоны, компьютеры и прочие гаджеты не оказывались на свалке, откуда свинец попадает в окружающую среду. Поэтому придумали серию бессвинцовых припоев, когда олово разбавлено висмутом, или вовсе используется в чистом виде, стабилизированное добавками, например, серебра. Но эти припои дороже, хуже по характеристикам, более тугоплавкие. Поэтому оловянно-свинцовые припои надолго останутся в ответственных изделиях военного, космического, медицинского применения.

Кроме того, бессвинцовые припои склонны к образованию «усов». Оловянные усы — длинные тонкие кристаллы, вырастающие из оловянного припоя — причина отказов и сбоев аппаратуры. К сожалению, присадки в припои не позволяют на 100% прекратить рост «усов», поэтому оловянно-свинцовые припои, как проверенные временем, используются в критичных системах — космос, медицина, военка, атомные применения. Подробнее про усы.

Факты об олове

Легкоплавкие припои

На базе сплавов с содержанием олова были разработаны легкоплавкие припои. И даже очень легкоплавкие припои, которые плавятся в горячей воде. Хороший список сплавов есть в Википедии.

Катушки и прутки оловянно-свинцовых припоев. Проволока из припоя содержит центральный канал с флюсом, облегчающим процесс пайки.

Основные припои для радиоаппаратуры

Если спаять подпружиненные контакты легкоплавким припоем, то получится простой и надежный термопредохранитель, при превышении температуры припой плавится и контакты разрывают цепь. Правда, предохранитель получится одноразовым. Во многих советских телевизорах в блоке строчной развертки была защита из обычной стальной спиральной пружинки, припаянной на легкоплавкий припой. При перегреве, в том числе от большого тока через пружинку, она отпаивалась и отрывалась. Предохранители такого типа очень хороши как защита от пожара.

Прочие проводники

Термопарные сплавы

Для изготовления термопар используют сплавы стойкие к высоким температурам, но при этом обладающие высокой ТермоЭДС. Подробнее про термопары можно прочитать в соответствующей литературе.

Оксид Индия-Олова

Оксид Индия — Oлова (Indium tin oxide или сокращённо ITO) — полупроводник, но обладает невысоким сопротивлением, а самое главное, пленка из оксида индия-олова прозрачна.

Это свойство используется при производстве ЖК дисплеев, сетка электродов на поверхности стекла нанесена именно из оксида индия-олова. Также резистивные touch панели имеют прозрачное проводящее покрытие.

Пленка ITO едва видна в отражении, чтобы хоть как то она была заметна пришлось разобрать ЖК дисплей:

Стекла от ЖК индикатора электронных часов. Индикатор подключался к электронной схеме через токопроводящую резинку, гребенка контактов видна в нижней части стекла.

На просвет проводящая пленка не видна

На удивление, сопротивление пленки довольно низкое.

На этом мы закончили проводники. В следующей части начнем обзор диэлектриков

Источник

Проводники: Серебро, Медь, Алюминий, Железо, Золото, Никель, Вольфрам, Ртуть.

Проводники

Двадцатый век — век пластмасс. До появления широкого спектра синтетических полимерных материалов, человек использовал в конструировании металлы и материалы природного происхождения — дерево, кожу и т.д. Сегодня мы завалены пластмассовыми изделиями, начиная от одноразовой посуды, заканчивая тяжелонагруженными деталями двигателей автомобилей. Пластмассы во многом превосходят металлы, но никогда не вытеснят их полностью, поэтому рассказ начнется с металлов. Металлам посвящены сотни книг, дисциплина, посвященная им, называется «металловедение».

Нас интересуют металлы с точки зрения электронной техники. Как проводники, как часть электронных приборов. Все остальные применения — например такие, как конструкционные материалы, в данное пособие пока не вошли.

Главное для электронной техники свойство металлов — это способность хорошо проводить электрический ток. Посмотрим на таблицу удельного сопротивления различных чистых металлов:

Видим лидеров нашего списка: Ag, Cu, Au, Al.

Серебро

Ag — Серебро. Драгоценный металл. <Понятие «драгоценный металл» означает в том числе особые условия по работе с металлом, устанавливаемые законодательством.>Серебро — самый дешевый из драгоценных металлов, но, тем не менее, слишком дорог, чтобы массово делать из него провода. На 5% лучшая электропроводность по сравнению смедью, при разнице в цене почти в 100 раз.

Примеры применения

В виде покрытий проводников в СВЧ технике. Ток высокой частоты, из-за скин-эффекта в большей части течет по поверхности проводника, а не в его толще, поэтому тонкое покрытие высокочастотного волновода серебром дает бОльший прирост проводимости, чем покрытие серебром проводника для постоянного тока.

Волновод для СВЧ излучения, покрытый изнутри слоем серебра.

В сплавах контактных групп. Контакты силовых, сигнальных реле, рубильников, выключателей чаще всего изготовлены из сплава с содержанием серебра. Переходное сопротивление такого контакта получается ниже медного, он меньше подвержен окислению. Так как контакт обычно миниатюрен, вклад этой малой добавки серебра в стоимость всего изделия незначителен. Хотя при утилизации большого количества реле, стоимость серебра делает целесообразным работу по отделению контактов в кучку для последующего аффинажа.

Согласно документации производителя контакты содержат серебро и кадмий.

Различные реле. Верхнее реле имеет даже посеребренный корпус с характерной патиной. Содержание драгметаллов в изделиях, выпущенных в СССР было указано в паспортах на изделия.

В качестве присадки в припоях. Качественные припои (как твёрдые так и мягкие) часто содержат серебро.

Проводящие покрытия на диэлектриках. Например, для получения контактной площадки на керамике, на неё наносится суспензия из серебряных частиц с последующим запеканием в печи (метод «вжигания»).

Компонент электропроводящих клеев и красок. Электропроводящие чернила часто содержат суспензию серебряных частиц. По мере высыхания таких чернил, растворитель испаряется, частицы в растворе оказываются всё ближе, слипаясь и создавая проводящие мостики, по которым может протекать ток. Хорошее видео с рецептом по созданию таких чернил.

Недостатки

Несмотря на то, что серебро благородный металл, оно окисляется в среде с содержанием серы:

Образуется темный налет — «патина». Также источником серы может служить резина, поэтому провод в резиновой изоляции и посеребренные контакты — плохое сочетание.

Потемневшее серебро можно очистить химически. В отличии от чистки абразивными пастами (в том числе зубной пастой) это самый нежный способ чистки, не оставляющий царапин.

Cu — медь. Основной металл проводников тока. Обмотки электродвигателей, провода в изоляции, шины, гибкие проводники — чаще всего это именно медь. Медь нетрудно узнать по характерному красноватому цвету. Медь достаточно устойчива к коррозии.

Примеры применения

Провода. Основное применение меди в чистом виде. Любые добавки снижают электропроводность, поэтому сердцевина проводов обычно чистейшая медь.

Гибкие многожильные провода различного сечения.

Гибкие тоководы. Если проводники для стационарных устройств можно в принципе изготовить из любого металла, то гибкие проводники делают почти всегда только из меди, алюминий для этих целей слишком ломкий. Содержат множество тоненьких медных жилок.

Теплоотводы. Медь не только на 56\% лучше алюминия проводит ток, но ещё имеет почти вдвое лучшую теплопроводность. Из меди изготавливают тепловые трубки, радиаторы, теплораспределяющие пластины. Так как медь дороже алюминия, часто радиаторы делают составными, сердцевина из меди, а остальная часть из более дешевого алюминия.

Радиаторы охлаждения процессора. Центральный стержень изготовлен из меди,он хорошо отводит тепло от кристалла процессора, а алюминиевый радиатор сразвитым оребрением уже охлаждает сам стержень.

При изготовлении фольгированных печатных плат. Печатные платы, в любом электронном устройстве изготовлены из пластины диэлектрика, на который наклеена медная фольга. Все соединения между элементами печатной платы выполнены дорожками из медной фольги.

Техника сверхвысокого вакуума. Из металлов и сплавов только нержавеющая сталь и медь пригодны для камер сверхвысокого вакуума в таких приборах, как ускорители элементарных частиц или рентгеновские спектрометры. Все остальные металлы в вакууме слегка испаряются и портят вакуум.

Аноды рентгеновских трубок. В рентгеноструктурном анализе требуется монохроматическое рентгеновское излучение. Его источником зачастую является облучаемая электронами медь (спектральная линия Cu Kα), которая к тому же прекрасно отводит тепло. Если же требуется другое излучение (Co или Fe), его получают от маленького кусочка соответствующего металла на массивном медном теплоотводе. Такие аноды всегда охлаждаются проточной водой.

Интересные факты о меди

Окрашивание пламени в зеленый цвет — показатель наличия меди.

Алюминий

Al — Алюминий. «Крылатый металл» четвертый по проводимости после серебра, золота и меди. Алюминий хоть и проводит ток почти в полтора раза хуже меди, но он легче в 3,4 раза и в три раза дешевле. А если посчитать проводимость, то эквивалентный медному проводник из алюминия будет дешевле в 6,5 раз! Алюминий бы вытеснил медь как проводник везде, если бы не пара его противных свойств, но об этом в недостатках.

Относительно невысокая температура плавления (660°С у чистого, меньше 600°С у литейных сплавов) алюминия делает возможным отливку деталей в песочные формы в условиях гаража/мастерской. Однако многие марки алюминия не годятся для литья.

Примеры применения

Провода. Алюминий дешев, поэтому толстые силовые кабели, СИП, ЛЭП выгодно делать из алюминия. В старых домах квартирная проводка сделана алюминиевым проводом (с 2001 года ПУЭ запрещает в квартирах использовать алюминиевый провод, только медный, см ниже. (Правила устройства электроустановок, 7-е издание, п. 7.1.34). Также алюминий не используется как проводник в ответственных применениях.

Слева старый алюминиевый провод. Справа алюминиевые кабели различного сечения, пригодные для укладки в грунт. В частности, кабелем справа был подключен к электроэнергии целый этаж здания. Кабель помимо наружной резиновой оболочки имеет бронирующую стальную ленту для защиты нижележащей изоляции от повреждений, к примеру, лопатой при раскопке.

Теплоотводы. Не только домашние батареи делают из алюминия, но и радиаторы у микросхем, процессоров.

Различные алюминиевые радиаторы.

Корпуса приборов. Корпус жёсткого диска в вашем компьютере отлит из алюминиевого сплава. Небольшая добавка кремния улучшает прочностные качества алюминия, сплав силумин: это корпуса жёстких дисков, бытовых приборов, редукторов и т. д. Анодированный алюминий (алюминий, у которого электрохимическим путем окисная

пленка на поверхности сделана потолще и прочнее) хорошо окрашивается и просто красив. Окисная пленка (Al₂O₃ — из того же вещества состоят драгоценные
камни рубины и сапфиры) достаточно твёрдая и износостойкая, но, к сожалению, алюминий под ней мягок, и при сильном воздействии ломается как лёд на воде.

Экраны. Электромагнитное экранирование часто делается из алюминиевой фольги или тонкой алюминиевой жести. Можете провести простой эксперимент, мобильный телефон завернутый в фольгу потеряет сеть — он будет заэкранирован.

Отражающее покрытие у зеркал. Тонкая пленка алюминия на стекле отражает 89% (значения примерные, точное значение зависит от длины волны и типа покрытия) падающего света (Серебро 98%, но на воздухе темнеет из-за сернистых соединений). Любой лазерный принтер содержит вращающееся зеркало, покрытое тонким слоем алюминия.

Зеркала от оптической системы планшетного сканера. Обратите внимание, оптические зеркала имеют металлизацию стекла снаружи, в отличии от привычных бытовых зеркал, где отражающее покрытие для защиты за стеклом. Бытовые зеркала дают двойное отражение — от поверхности стекла и от отражающего покрытия, что не так критично в быту, как защищенность отражающего покрытия.

Электроды обкладок конденсаторов. Алюминиевая фольга, разделенная слоем диэлектрика и туго свернутая в цилиндр — часть электрических конденсаторов (впрочем, для уменьшения габаритов конденсаторов фольгу заменяют алюминиевым напылением). Тот факт, что пленка оксида алюминия тонкая, прочная и не проводит ток, используется
в электролитических конденсаторах, обладающими огромными для своих габаритов электрическими емкостями.

Микропровод. Тончайшей проволокой из алюминия подключают кристаллы микросхемы к выводам корпуса. Также может использоваться медная и золотая проволока.

Недостатки

Алюминий — металл активный, но на воздухе покрывается оксидной пленкой, которая предохраняет металл от разрушения и скрывает его активную натуру. Если не дать алюминию формировать стабильную защитную пленку, например капелькой ртути, алюминий активно реагирует с водой. В щелочной среде алюминий растворяется, попробуйте залить алюминиевую фольгу средством для прочистки труб — реакция будет бурная, с выделением взрывоопасного водорода. Химическая активность алюминия, в паре с большой
разницей в электроотрицательности с медью делает невозможным прямое соединение проводов из этих двух металлов. В присутствии влаги (а она в воздухе есть почти всегда)
начинает протекать гальваническая коррозия с разрушением алюминия.

Алюминий ползуч. Если алюминиевый провод очень сильно сжать, он деформируется и сохранит новую форму — это называется «пластическая деформация». Если сжать его
не так сильно, чтобы он не деформировался, но оставить под нагрузкой надолго — алюминий начнет «ползти» меняя форму постепенно. Это пакостное свойство ведет к тому, что хорошо затянутая клемма с алюминиевым проводом спустя 5–10–20 лет постепенно ослабнет и будет болтаться, не обеспечивая былого электрического контакта. Это одна из причин, почему ПУЭ запрещает тонкий алюминиевый провод для разводки электроэнергии по конечным потребителям в зданиях. (См п. 7.1.34 ПУЭ 7 издания) В промышленности не сложно обеспечить регламент — так называемая «протяжка» щитка, когда электрик периодически (1–2 раза в год) проверяет затяжку всех клемм в щитке. В домашних же условиях, обычно пока розетка с дымом не сгорит — никто и не озаботится качеством контакта. А плохой контакт — причина пожаров.

Алюминий, по сравнению с медью, менее пластичный, риска от ножа на жиле, при сьёме изоляции с провода быстрее приведет к сломавшейся жиле, чем у меди, поэтому изоляцию с алюминиевых проводов надо счищать как с карандаша, под углом, а не в торец.

Интересные факты об алюминии

Алюминиевый корпус внешнего аккумулятора для телефона. Экструдированный анодированный окрашенный профиль.

Еще раз важное замечание. Алюминиевые и медные проводники напрямую соединять нельзя!
Для соединения проводников из меди и алюминия используйте промежуточный металл,
например, стальную клемму.

Источники

В крупных строительных магазинах (OBI, Leroy Merlin, Castorama) обычно есть в наличии алюминиевый профиль разных размеров и форм. Неплохим источником может послужить штампованная алюминиевая посуда — она очень дешева и существует разных форм. Но обратите внимание на марки. Если нужен 6061 и тем более 7075, придется покупать его у фирмы, специализирующейся на продажах металлов.

Железо

Fe — железо. Основной конструкционный материал в промышленности используется также и в электротехнике. Плохая, по сравнению с медью, электропроводность компенсируется очень низкой ценой. И, что важнее в России, меньшей привлекательностью для охотников за металлом, заземление из толстой ржавой трубы простоит без охраны дольше красивой медной шины.

В технике железо применяется почти исключительно в виде сплавов с углеродом — чугуна и сталей. Свойства сталей разных марок весьма различны: от мягких до твердых инструментальных.

Примеры применения

Метизы. Винты, шайбы, гайки из стали изготавливаются огромными количествами на специально разработанном для этого оборудовании. Метизы из других металлов встречаются очень редко и значительно дороже. Поэтому, в большинстве случаев, медный наконечник медного провода будет притянут к медной же шине стальным болтом (или омеднённым). Также важным является высокая прочность стали, медный болт не затянуть с усилием стального. Обратите внимание на цифры на головке болта: они обозначают его прочность. Чем больше число, тем сильнее можно затягивать болт.

Клеммные колодки, соединители. Соединители типа «орех» содержат стальные пластинки с защитным покрытием от коррозии. Также, применение стали необходимо для предотвращения гальванической коррозии при соединении медных и алюминиевых проводов.

Соединитель «орех». Внутри пластиковой оболочки комплект стальных пластин с винтами, позволяет сделать ответвление от жилы кабеля не разрезая саму жилу. Также позволяет перейти от алюминиевой жилы на медную.

Контуры заземления. Требования электробезопасности обязывают предусматривать заземление. Часто, в промышленных условиях, заземляющую шину изготавливают из стального проката, закрепленного по периметру стены. Плохая электропроводность стали компенсируется большим сечением проводника. Во многих случаях правила безопасности и стандарты предписывают делать детали заземления именно из стали по соображениям механической прочности.

Стальная полоса, огибающая колонну — шина заземления.

Широко используются магнитные свойства стали — из стальных пластин собирают сердечники трансформаторов, дросселей.

Недостатки

Коррозия. Железо ржавеет, при этом плотность ржавчины ниже плотности исходного железа, из-за этого конструкция распухает. Поэтому железо покрывают защитными покрытиями — оцинковка, лужение, хромирование, окраска и т.д. Разные марки стали подвержены коррозии в разной степени, причем по закону подлости сильнее всего ржавеют именно те, которые легче всего обрабатываются на станках.

Золото

Au — Золото. Самый бестолковый драгоценный металл. Имеет меньше всего применений в технике из всех драгоценных металлов, но является символом богатства. На удивление дороже платины (2017 г.), что лишено здравого смысла и является лишь результатом спекуляций.

Примеры применения

Покрытия контактов. Благодаря тому, что золото на воздухе не окисляется, контакты покрывают очень тонким слоем золота. В силу мягкости золота покрытие не подходит для контактов много работающих на истирание, в таких случаях подбирают более твердые покрытия (например родиевые), или легируют золото.

Золотое покрытие на различных электронных компонентах: покрытие на контактах платы для установки в слот, покрытие на контактах мембранных кнопок мобильного телефона, покрытие на штырьках процессора.

Защита от коррозии. В некоторых ответственных применениях используется золотое покрытие для защиты проводников от коррозии (в основном — военка). Когда-то покрытие золотом являлось единственным способом защитить детали электроники от коррозии в условиях джунглей, поэтому у многих старых радиодеталей позолочены даже корпуса. А сейчас обычно просто заливают плату компаундом в «кирпич».

Интересные факты о золоте

Плотность золота отличается от плотности вольфрама незначительно (19,32 г/см 3 > у золота, 19,25 г/см 3 ), этим пользуются для подделки золотых слитков, покрывая вольфрамовый слиток слоем золота. Некоторые теории заговора утверждают, что возможно это одна из причин, почему США никому не дают проверить подлинность их золотого
запаса. И, возможно, поэтому они отдали Германии их золото не сразу.

Можно извлечь золото химически из горы старой электроники, но это не всегда экономически целесообразно и преследуется по закону (ст. 191, 192 УК РФ).

Бестолковость золота требует пояснений. Представим добычу благородных металлов в 2016 году.
Из всей добытой платины 64% потребила промышленность. (Здесь и далее цифры примерные, усредненные по нескольким источникам).
Из всего добытого серебра 68% потребила промышленность.
Из всего добытого палладия 96% потребила промышленность.
Из всего добытого золота всего 10% потребила промышленность. Остальное ушло на украшения и на слитки в сейфах.

Никель

Ni — Никель. Замечательный металл, но в электронной технике основное применение в виде покрытий, как в чистом виде, так и в паре с хромом.

Примеры применения

Покрытие контактов. Наносится на медь, пластик для надежного контакта и для декоративных целей. Жадные китайцы иногда вообще делают контакты из пластмассы, покрывая сверху слоем никеля и хрома, внешне выглядит нормальным, даже как то работает, но ни о какой надежности речи не идет.

Различные разъемы, покрытые никелем для надежного контакта.

У разъема справа для экономии металла сердцевина штыря сделана полой с заливкой пластиком. Латунная никелированная трубочка, из которой сделан штырь, не самый худший вариант.

Тоководы у ламп. Сплав Платинит (46% Ni, 0,15% C, остальное — Fe) не содержит платины, но имеет очень близкое к платине значение линейного
температурного расширения (и близкое к стеклу), что позволяет делать из него надежные электроды, проходящие через стекло. Для аналогичных целей используют сплав Ковар (29% Ni, 17% Co, 54% Fe). Такие электроды при изменении температуры не вызывают растрескивания стекла и потерю герметичности. Место сплавления стекла с этими сплавами имеет красноватый оттенок что ошибочно воспринимается за медь.

Промежуточные защитные слои. Для защиты от коррозии, взаимной диффузии металлов при создании покрытий, могут формироваться промежуточные слои из никеля. Например при покрытии меди слоем золота, если не предусмотрен разделительный слой из никеля, золотое покрытие со временем из-за диффузии растворится в меди и потеряет целостность. Жала современных паяльников защищены слоем никеля, так как жало из голой меди медленно растворяется в олове, теряя форму.

Вольфрам

W — Вольфрам. Тугоплавкий металл, температура плавления 3422°С, что определяет основное его использование — нити накала и электроды.

Примеры применения

Нити накала. В лампах накаливания, в галогеновых лампах спираль изготовлена из вольфрама, нагревается электрическим током до белого каления, при этом сохраняя свою форму. Также катоды в радиолампах изготавливаются из вольфрама, но раскаливаются не до таких высоких температур, как осветительные лампы, специальное покрытие на катоде позволяет протекать термоэлектронной эмиссии при невысоких температурах.

Нить накаливания этой галогеновой лампы изготовлена из вольфрама. Галоген, обычно пары иода, химически связывает испаряющийся с нити вольфрам и возвращает его на нить, что позволяет повысить температуру накала спирали и уменьшить габарит лампы без страха, что вольфрам постепенно осядет на стенках колбы.

Мощная лампа накаливания от проектора. Даже тугоплавкий вольфрам со временем испаряется и оседает на стенках колбы в виде темного налета. Данного недостатка лишены галогеновые лампы.

Электроды дуговых ламп и сварочные электроды. В ксеноновых дуговых лампах, ртутных дуговых лампах, электроды должны выдерживать температуру электрической
дуги, при этом не расплавляясь и не изменяя своей формы, что под силу только вольфраму. Также электроды для сварки неплавящимся электродом изготовлены из вольфрама (TIG сварка).

Аноды рентгеновских трубок. Поток электронов от катода в рентгеновской трубке, разогнанный высоким напряжением тормозится бомбардируя анод, очень сильно нагревая его, поэтому такие аноды, особенно если они не имеют водяного охлаждения, зачастую изготавливаются из вольфрама. Однако в физических лабораториях часто применяют и аноды из меди или кобальта в связи с особенностями спектра рентгеновского излучения от таких анодов.

Источники

Вольфрам — не очень пластичный материал, поэтому спиральку из лампы накаливания
вряд ли удастся выпрямить и использовать по своему разумению. Если вдруг понадобится
вольфрамовый стержень — вам пригодится любой магазин по сварочному делу, электрод для
TIG-горелки без содержания лантана и других присадок. Проволоку для нитей накала самодельной
техники нетрудно купить на eBay.

Ртуть

Hg — Ртуть. При комнатной температуре — блестящий, собирающийся в шарики жидкий металл. По экологическим соображениям использование ртути сокращается, но она широко использовалась в старых приборах, поэтому заслуживает упоминания.

Как и большинство металлов, ртуть образует сплавы. Но ртуть, будучи жидкой при комнатной температуре, способна сплавляться с металлами без дополнительного нагревания, растворять их. Растворенный в ртути металл, сплав металла с ртутью называется «амальгама».

Примеры применения

Жидкий контакт в датчиках положения, ртутных электроконтактных термометрах.

Различные ртутные приборы. Слева — мощный ртутный переключатель, замыкающий/размыкающий цепь при наклоне. Ниже на чёрных платках — аналогичные китайские ртутные переключатели — датчики положения из детского набора с Arduino. Сверху — колба ртутного электроконтактного термометра. В стекло вплавлены проволочки так, что при температуре 70°С столбик ртути в капилляре замыкает цепь (температура указана на корпусе).

В термометрах. Низкая температура замерзания, высокая температура кипения и большой коэффициент теплового расширения делают ртуть одним из самых удобных веществ для лабораторных и медицинских термометров. В бытовых термометрах ртуть уже очень давно не используется.

В манометрах и барометрах. Ртуть тяжелая, поэтому для уравновешивания атмосферного давления достаточно 70–80 см высоты столбика ртути. Хотя ртутные барометры в основном вышли из употребления, единицы измерения давления «миллиметр ртутного столба», а в вакуумной технике — «микрон ртутного столба» и «торр» (округленный вариант мм. рт. ст.) используются и по сей день. Нормальным атмосферным давлением считается 760 мм. рт. ст.

Фото внутренностей Нормального Элемента

В диффузионных вакуумных насосах. Струя ртутного пара, выходящая из сопла с большой скоростью, захватывает молекулы воздуха и вытягивает их из откачиваемого объема. Затем ртутный пар конденсируется за счет охлаждения жидким азотом и используется снова. Насосы такого типа когда-то использовались для откачки радиоламп. Сейчас вместо ртути используются нетоксичные и не требующие жидкого азота силиконовые масла, но в некоторых лабораториях до сих пор можно найти старые ртутные системы.

Пары ртути — рабочий газ люминесцентных ламп. Несмотря на то, что люминесцентная лампа должна содержать небольшое количество ртути, в некоторых лампах ртути добавлено от души, и видно, как в колбе перекатывается шарик ртути. Пары ртути при возбуждении их электрическим током излучают яркий свет, преимущественно в синей и ультрафиолетовой области. Помимо них в спектре ртути есть яркие желтый и зеленый дублеты, по наличию которых ртутную лампу легко отличить от любой другой, посмотрев на нее через призму или отражение в компакт-диске. Специальная ртутная лампа в лабораториях используется как источник зеленого света с известной длиной волны.

В мощных тиратронах и ртутных выпрямителях. Используется так же, как и в ртутных лампах. Мощные ртутные вентили широко использовались для питания локомотивов на железных дорогах и в других подобных задачах до появления полупроводниковых приборов.

Как растворитель для металлов при выделении золота и платины из сырья амальгамацией и в производстве зеркал. Ртуть выпаривается, металл остается. Иногда этот процесс неправильно называют «аффинаж», путая его с совершенно другим способом очистки драгметаллов.

В ртутных счетчиках времени наработки. В старой технике ртутный капиллярный кулономер использовался как счетчик часов, которые проработал прибор. Гениальная по простоте и надёжности конструкция.

Ртутный счетчик времени наработки от осцилографа. В углу показан крупным планом разрыв столбика ртути в капилляре каплей электролита. Ртуть под действием тока растворяется на одном конце капли и восстанавливается на другом, в результате этот разрыв движется по капилляру на расстояние, пропорциональное пропущенному через капилляр количеству электричества. Благодарю Александра @Talion_amur за предоставленный образец.

В амальгамных зубных пломбах. Встречаются и по сей день, особенно в США.

Токсичность

Все изделия, содержащие ртуть, должны утилизироваться специализированной службой. Недопустимо выбрасывать их с бытовым мусором во избежание скопления ртути на свалке.

Все разливы ртути должны быть собраны, а поверхности демеркуризованы. Ртуть хорошо испаряется при комнатной температуре, поэтому закатившийся в щель шарик ртути долгое время будет отравлять воздух.

Демеркуризация:

Если у вас разбилось изделие с ртутью, то предпринимайте следующие действия:

1. Откройте форточки и обеспечьте проветривание.

2. Вызовите специализированную службу демеркуризации в вашем городе. Профессионалы не только грамотно уберут ртуть, но также и произведут замеры концентрации паров ртути в помещении.

Если вдруг в вашем городе не оказалось службы демеркуризации, вы находитесь вдали от цивилизации то процесс демеркуризации придется продолжить самостоятельно.

3. Соберите видимые шарики ртути в герметичную тару. Их удобно собирать вместе при помощи двух хорошо обрезанных листов бумаги, сливая шарики в подготовленную тару. Мельчайшие шарики ртути из щелей можно вытянуть при помощи спиринцовки, или щетки из металла, которые смачивает ртуть (например медь). Разумеется после использования такой «инструмент» окажется загрязнен ртутью и подлежит утилизации.

Затем при помощи химических средств оставшаяся, не видимая глазу ртуть переводится в нелетучие, но по прежнему ядовитые соли, которые спокойно можно удалить с поверхности моющими средствами. Для этого используются 0,2% водный раствор перманганата натрия («марганцовка») подкисленный добавлением 0,5% соляной кислоты или 20% раствор хлорного железа (того, которым платы травят). Вопреки указаниям в старых книгах, засыпание места разлива порошком серы не эффективно.

4. Тщательно промыть обработанные площади водой с моющим средством.

5. Всю собранную ртуть и загрязненные предметы герметично упаковать и сдать в специализированную организацию.

Что однозначно не стоит делать при разливе ртути:

1. Паниковать и спешить. Иногда, при небольших авариях больше вреда наносит паника и спешка, чем сама авария. Вспоминается байка, записанная Ю.А.Золотовым:

Однажды, когда профессор МГУ Алексей Николаевич Кост вел практикум по органической
химии, у одного из студентов разбилась колба с эфиром и его пары вспыхнули.
Началась паника, кто-то прибежал с углекислотным огнетушителем и с трудом погасил
пожар. Все это время Кост совершенно невозмутимо сидел за своим столом и с
кем-то разговаривал. Потом, когда все успокоились, подошел к месту происшествия и приказал:

Ему дали коробок, он чиркнул спичкой и бросил ее в еще не просохшую эфирную
лужу. Огонь вспыхнул вновь, все оторопели. А Кост, не суетясь, взял противопожарное
одеяло, ловко накрыл им пламя и изрек:

2. Пытаться собрать ртуть пылесосом, пылесос только в турборежиме раздробит и испарит шарики ртути, в итоге все помещение и сам пылесос окажутся загрязнены ртутью. Аналогично не стоит использовать для сбора ртути веники, щетки — они только раскидывают и дробят шарики ртути.

3. Сливать ртуть в раковину или унитаз. Ртуть значительно тяжелее воды, поэтому навсегда осядет в первом попавшемся изгибе трубы — в гидрозатворе или колене.

Пара слов о токсикологии ртути.

Некоторые в детстве играли шариками ртути, и «с ними ничего не было». Действительно, вопреки распространенному мнению металлическая ртуть при кратковременном контакте малоопасна. Причина малой токсичности металлической ртути — в ее плохой биодоступности. Нерастворимая в воде и химически инертная, почти как благородные металлы, она не может быстро попасть в организм.

Опасно вдыхание паров ртути, и это практически единственный путь поступления ее в организм. Касание ртути пальцами никакой дополнительной опасности не добавляет. Более того, дажепроглатывание ртути обычно проходит без последствий для здоровья. Ртуть химически достаточно инертна и выходит из организма естественным путем. Поэтому она является причиной не острых отравлений, а вялотекущих хронических, проявляющихся в медленном постепенном ухудшении здоровья и не всегда вовремя диагностируемых врачами. Именно этим ртуть и коварна: маленький шарик, закатившийся под плинтус, будет годами испаряться и отравлять воздух в квартире, а жильцы не будут понимать, чем и почему они болеют. Порча здоровья от контакта со ртутью в течение нескольких дней может быть необратима.

Дополнительные сведения

Если вы нашли где-нибудь ртуть, не пытайтесь ее продать. Ртуть и ее соли считаются сильнодействующими ядовитыми веществами (ст. 234 УК РФ). На содержащие ртуть приборы заводского производства, соответствующие официальным стандартам, запрет не распространяется. Найденную ртуть и неисправные ртутьсодержащие приборы, следует сдавать на переработку в специализированные службы в вашем городе. Единственный широко доступный источник ртути (если вдруг понадобится в научной работе) — медицинские термометры.

Источник