mały|Przewody miedziane mały|Przewód miedziany mały|Miedziany kabel koncentryczny
Miedź jest stosowana w instalacjach elektrycznych od czasu wynalezienia elektromagnesu i telegrafu w latach 20. XIX wiekuSturgeon, W., 1825, Improved Electro Magnetic Apparatus, Trans. Royal Society of Arts, Manufactures, & Commerce (London) 43: s. 37–52, [według cytowania w:] Miller, T.J.E, 2001, Electronic Control of Switched Reluctance Machines, Newnes, s. 7. .Windelspecht, Michael, 2003, Groundbreaking Scientific Experiments, Inventions, and Discoveries of the 19th Century, XXII, Greenwood Publishing Group, .. Wynalazek telefonu w roku 1876 stworzył dalsze zapotrzebowanie na przewody, w których materiałem przewodzącym jest miedźPops, Horace, 2008, Processing of wire from antiquity to the future, Wire Journal International, June, s. 58–66..
Obecnie, pomimo konkurencji ze strony innych materiałów, miedź nadal jest preferowanym materiałem przewodzącym w prawie wszystkich rodzajach przewodów elektrycznych www.litz-wire.com.. Miedź jest wykorzystywana w wytwarzaniu, przesyłaniu i dystrybucji energii elektrycznej, w telekomunikacji, obwodach elektronicznych i wszelkiego rodzaju urządzeniach elektrycznychJoseph, Günter, 1999, Copper: Its Trade, Manufacture, Use, and Environmental Status, ASM International, wolumin 2.03, Electrical Conductors.. Oprócz przewodów elektrycznych innymi istotnymi zastosowaniami miedzi w elektrotechnice są styki i rezystory.
Najważniejszym rynkiem dla przemysłu miedziowego są instalacje elektryczne w budynkach. Blisko połowa całego wydobycia miedzi jest zużywana do produkcji przewodów elektrycznych i żył kabli.
Korzystne właściwości miedzi wykorzystywane w kablach i przewodach elektrycznych Ze względu na naturalne korzystne właściwości miedzi, blisko połowa urządzeń elektrycznych wykorzystuje przewody miedziane. Poniżej zestawiono właściwości najkorzystniejsze dla zastosowań w elektrotechnice.
Przewodność elektryczna mały|Przewód miedziany.
Przewodność elektryczna jest miarą tego, jak dobrze dany materiał przenosi ładunek elektryczny. Właściwość ta ma zasadnicze znaczenie dla instalacji i systemów elektrycznych. Miedź ma najwyższą przewodność spośród wszystkich metali nieszlachetnych: przewodność elektryczna miedzi wynosi 101% IACS (), rezystywność miedzi wynosi 16,78 nΩm w 20 °C. Przewodność elektryczna miedzi beztlenowej w gatunku OFE wynosi co najmniej 101% IACS.
Fizyka ciała stałego w zastosowaniu do metaliMott, N.F. and Jones, H., 1958, The theory of the properties of metals and alloys, Dover Publications. pozwala wyjaśnić niezwykle wysoką przewodność miedzi. W atomie miedzi najbardziej zewnętrzne, czwarte pasmo energetyczne, albo pasmo przewodnictwa jest tylko w połowie zapełnione, zatem duża liczba elektronów może uczestniczyć jako nośniki ładunku w przewodzeniu prądu. Kiedy do miedzianego przewodu zostanie przyłożone pole elektryczne, elektrony (w paśmie) przewodnictwa są przyciągane w kierunku elektrododatniego końca przewodu, tworząc w ten sposób prąd elektryczny. Elektrony te napotykają na swojej drodze opór powodowany zderzeniami z atomami zanieczyszczeń, jonami i defektami sieci krystalicznej. Średnia odległość przebyta między zderzeniami, określana jako średnia droga swobodna, jest odwrotnie proporcjonalna do rezystywności metalu. Niezwykłą właściwością miedzi jest wyjątkowo długa średnia droga swobodna (w pokojowej temperaturze równa w przybliżeniu 100-krotnej odległości międzyatomowej). Średnia droga swobodna szybko wzrasta w miarę ochładzania miedziPops, Horace, 1995, Physical Metallurgy of Electrical Conductors, in Nonferrous Wire Handbook, Volume 3: Principles and Practice, The Wire Association International..
Z powodu swojej doskonałej przewodności miedź wyżarzana została uznana za międzynarodowy wzorzec przewodności elektrycznej, do którego porównywane są wszystkie inne przewodniki elektryczne. W roku 1913 Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (IEC) ustanowiła międzynarodowy standard miedzi wyżarzanej (IACS), w którym przewodność miedzi przyjęto jako 100%. Obecnie przewodność miedzi stosowanej w przewodach instalacyjnych często przekracza 100% IACS.
Podstawowym gatunkiem miedzi używanej do zastosowań elektrotechnicznych takich jak przewody instalacyjne, kable i szyny jest miedź elektrolityczna (ETP) (CW004A lub C100140 według oznaczenia ASTM). Miedź ta posiada czystość co najmniej 99,90% i przewodność elektryczną nie mniejszą niż 101% IACS, przy niewielkiej zawartości tlenu (0,02 do 0,04%). W przypadkach, gdy zachodzi potrzeba spawania lub twardego lutowania miedzi o wysokiej przewodności, albo stosowania jej w atmosferze redukującej, można stosować miedź beztlenową (CW008A lub C10100 według oznaczenia ASTM).
Kilka metali będących przewodnikami elektryczności jest lżejszych od miedzi, ale ponieważ przy tym samym natężeniu przewodzonego prądu wymagany jest większy przekrój poprzeczny nie są stosowane, jeżeli dysponowana przestrzeń jest ograniczona.
Przewodność aluminium wynosi 61% przewodności miedzi. Zatem dla tej samej obciążalności prądowej przekrój poprzeczny przewodu aluminiowego musi być o 56% większy niż miedzianego. Konieczność zwiększenia przekroju przewodów aluminiowych ogranicza możliwość ich wykorzystania w szeregu zastosowań takich jak małe silniki elektryczne lub przemysł samochodowy. W niektórych zastosowaniach, jak np. przewody napowietrzne, duży przekrój jest zaletą i w takich przypadkach miedź jest rzadko stosowana.
Srebro jest jedynym metalem o wyższej przewodności elektrycznej od miedzi. Przewodność elektryczna srebra wynosi w skali IACS 106% przewodności miedzi wyżarzanej a rezystywność srebra wynosi 15,9 nΩm w 20 °CWeast, Robert C. & Shelby, Samuel M. Handbook of Chemistry and Physics, 48th edition, Ohio: The Chemical Rubber Co. 1967-1968: F-132.W.F. Gale and T.C. Totemeir, editors; Smithells Metals Reference Book, Elsevier Butterworth Heinemann Co and ASM International.. Wysoka cena srebra, będącego metalem szlachetnym, w połączeniu z niską wytrzymałością na rozciąganie ogranicza jego użycie do specjalnych zastosowań, takich jak powlekanie złącz lub powierzchni styków ślizgowych.
Wytrzymałość na rozciąganie mały|Złącze współosiowe typu F do przewodów koncentrycznych używanych do łączenia anten TV lub anten satelitarnych z odbiornikiem
Wytrzymałość na rozciąganie jest miarą siły potrzebnej do rozciągania obiektu, takiego jak lina, drut lub belka konstrukcyjna, do punktu, w którym następuje zerwanie. Wytrzymałość materiału na rozciąganie jest maksymalnym naprężeniem rozciągającym, jakie materiał wytrzymuje, zanim ulegnie zerwaniu.
Wyższa wytrzymałość miedzi na rozciąganie (200-250 N/mm² dla miedzi wyżarzanej) w porównaniu z aluminium jest jeszcze jednym powodem, dla którego miedź jest szeroko stosowana w budownictwie. Wysoka wytrzymałość miedzi powoduje, że jest odporna na rozciąganie, przewężanie, pełzanie, działanie karbu i złamanie, a tym samym zapobiega uszkodzeniom i przerwom w eksploatacji.
W instalacjach elektrycznych, które nie są wykonane przewodami miedzianymi, zasilających urządzenia i maszyny, karby i rysy spowodowane drganiami i zginaniem pogłębiają się do znacznych pęknięć przewodów i mogą prowadzić do uszkodzenia i długotrwałych przerw w eksploatacji. Na przykład długie przewody aluminiowe mogą przy przeciąganiu przez rury instalacyjne lub korytka kablowe ulegać rozciągnięciu i przewężeniu. Zjawiska te obniżają obciążalność prądową, powodują straty energii i mogą być przyczyną przegrzewania. W przypadku przewodów miedzianych większa wytrzymałość miedzi na rozciąganie minimalizuje te problemy.
Ciągliwość Ciągliwość oznacza zdolność materiału do odkształcenia pod wpływem naprężenia rozciągającego. Jest często opisywana jako zdolność materiału do obróbki metodą ciągnienia, np. drutu. Ciągliwość jest szczególnie ważna przy obróbce metali, ponieważ materiały, które pod wpływem naprężeń pękają lub łamią się, nie mogą być kute, walcowane lub ciągnione (ciągnienie jest procesem, który do wydłużenia metalu wykorzystuje siły rozciągające).
Miedź posiada większą plastyczność niż zamienne przewodniki z wyjątkiem złota i srebra, które jako metale szlachetne są używane tylko w specjalnych zastosowaniachRich, Jack C., 1988, The Materials and Methods of Sculpture. Courier Dover Publications. s. 129. , https://books.google.com/?id=hW13qhOFa7gC.. Duża plastyczność miedzi umożliwia ciągnienie drutów z zachowaniem bardzo wąskich tolerancji średnicyNonferrous Wire Handbook, Volume 3: Principles and Practice, The Wire Association International..
Połączenie wytrzymałości i plastyczności Zwykle im metal ma większą wytrzymałość, tym jest mniej podatny, ale w przypadku miedzi tak nie jest. Jedyna w swoim rodzaju kombinacja dużej wytrzymałości i wysokiej plastyczności czyni miedź idealnym materiałem dla instalacji elektrycznych. W puszkach połączeniowych i w skrzynkach zaciskowych przewody miedziane mogą być wyginane i ciągnięte bez spowodowania rozciągnięcia lub przerwania.
Odporność na pełzanie Pełzanie jest stopniowym odkształceniem materiału powodowanym ciągłym rozszerzaniem i kurczeniem się w warunkach zmieniającego się obciążenia. Proces ten ma negatywny wpływ na systemy elektryczne: może prowadzić do poluzowania zacisków, co powoduje nagrzewanie połączeń lub powstawanie niebezpiecznego iskrzenia lub łuku.
Miedź nie pełza i nie powoduje poluzowania połączeń. W przypadku innych materiałów przewodzących konieczne są dodatkowe prace konserwacyjne polegające na okresowym sprawdzaniu zacisków w celu zapewnienia, że wkręty są dokręcone, aby zapobiec iskrzeniu i przegrzewaniu. Stosowanie przewodów miedzianych pozwala uniknąć tego rodzaju dodatkowych środków.
Odporność na korozję mały|Wtyk współosiowy MCX (znane także jako złącze współosiowe RF)
Korozja jest niepożądanym procesem chemicznym prowadzącym do osłabienia i rozpadu materiału. Miedź jest odporna na korozję powodowaną przez wilgoć, zanieczyszczenia przemysłowe i inne wpływy atmosferyczne. Powstające w procesie korozji na powierzchni miedzi tlenki, chlorki i siarczki są przewodzące, zatem miedziane połączenia i zaciski nie będą przegrzewać się wskutek korozji. Natomiast produkty korozji aluminium wykazują dużą rezystywność i mogą powodować niepożądane nagrzewanie. Dla zapobieżenia korozji aluminium oraz w celu ochrony połączeń stosuje się specjalne przygotowanie powierzchni lub inhibitorów utleniania w postaci past ochronnych. Połączenia miedziane nie wymagają tego rodzaju zabiegów i związanych z nimi kosztów.
Miedź elektrolityczna (ETP), stosowana w przewodach instalacyjnych jest metalem szlachetnym. Nie ulega korozji galwanicznej na styku z innymi, mniej szlachetnymi metalami lub stopami.
Rozszerzalność cieplna Metale, podobnie jak inne ciała stałe, rozszerzają się pod wpływem ogrzewania i kurczą się przy ochładzaniu. W układach elektrycznych jest to zjawiskiem niekorzystnym. Miedź ma mały współczynnik rozszerzalności cieplnej w porównaniu z innymi materiałami przewodzącymi. Aluminium, będące powszechnie stosowanym zamiennym materiałem przewodzącym, ma współczynnik rozszerzalności cieplnej o prawie jedna trzecią większy. Wyższy współczynnik rozszerzalności w połączeniu z mniejszą plastycznością aluminium może być w układach elektrycznych przyczyną niesprawności, jeżeli połączenia śrubowe są niewłaściwie wykonane. Stosując odpowiedni osprzęt, jak podkładki miseczkowe lub sprężyste, można uzyskać połączenia aluminium o jakości porównywalnej z połączeniami miedzi.
Przewodność cieplna Przewodność cieplna jest to zdolność materiału do przewodzenia ciepła. W układach elektrycznych wysoka przewodność cieplna odgrywa istotną rolę w rozpraszaniu ciepła, powstającego szczególnie na zaciskach i połączeniach. Ma również znaczny udział w zmniejszeniu zużycia energii wynikającego z generowania strat ciepła.