Проводниковые материалы обладают способностью проводить электрический ток и характеризуются весьма малым удельным электрическим сопротивлением. К ним относятся и материалы с высоким сопротивлением, и сверхпроводниковые, и криопроводниковые материалы, у которых удельное электрическое сопротивление при очень низких температурах весьма мало.

Классификация проводниковых материалов

По агрегатному состоянию проводниковые материалы разделяют на газообразные, жидкие и твердые.
К газообразным проводниковым материалам относят все газы и пары, в том числе и пары металлов. При достаточно малых значениях напряженности электрического поля Е они являются диэлектриками и обладают очень высоким удельным электрическим сопротивлением.
Однако при напряженности электрического поля, которое обеспечивает начало ионизации, газ может стать проводником, в котором перенос электрических зарядов осуществляется электронами и ионами. Если в единице объема сильно ионизированного газа наступает равенство между числом электронов и положительных ионов, то такой газ представляет собой особую проводящую среду, называемую плазмой.
Проводимость газов и паров используют в различных газоразрядных приборах.
К жидким проводникам относят расплавы металлов и растворы (в частности, водные) и расплавы солей, кислот и других веществ с ионным строением молекул.
Механизм прохождения электрического тока через твердые и жидкие металлы обусловлен направленным движением свободных электронов под воздействием электрического поля, который создается приложенным извне напряжением. Поэтому твердые и жидкие металлы называют проводниками с электронной (металлической) электропроводностью или проводниками первого рода.
Растворы и расплавы солей, кислот и щелочей, проводящие электрический ток, называют электролитами или проводниками второго рода. При прохождении электрического тока через электролит, в который погружены электроды, электрические заряды переносятся вместе с частицами молекул (ионами) электролита. На электродах происходит выделение веществ из раствора. Большинство металлов имеют высокую температуру плавления (таблица 1.1).
Только ртуть и некоторые специальные сплавы (например, сплавы системы индий - галлий) могут быть использованы в качестве жидких проводников при нормальной температуре.

Электролиты используют в технологии изготовления различных элементов радиоэлектронных устройств.
К твердым проводникам относят металлы и сплавы. В Периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева 75% элементов - металлы. В твердом состоянии металлы имеют кристаллическую структуру, для которой характерен особый вид металлической связи между атомами. При прохождении электрического тока через контакт различных металлов не происходит переноса вещества одного металла в другой, как это имеет место при прохождении тока в электролитах, поскольку перенос электрических зарядов осуществляется только электронами.
По характеру применения в радиоэлектронных приборах металлические материалы разделяют на материалы высокой проводимости (удельное электрическое сопротивление r £ 0,1 мкОм×м) и материалы с высоким сопротивлением (удельное электрическое сопротивление r ³ 0,3 мкОм×м).
Материалы с высокой проводимостью (железо, медь, алюминий, золото, серебро и др.) используют как основу в контактных материалах и припоях, для изготовления проводов, микропроводов, проводящих покрытий и пленок, различных токопроводящих деталей.
Материалы с высоким сопротивлением используют в качестве резистивных материалов и материалов для термопар. Наиболее известные сплавы с высоким сопротивлением: медно-марганцевые (манганины), медно-никелевые (константаны), сплавы железа, никеля и хрома (нихромы).
Материалы, обладающие ничтожно малым удельным электрическим сопротивлением при очень низких температурах, называются сверхпроводниками. Свойством сверхпроводимости обладают ртуть, алюминий, свинец, ниобий, соединения ниобия с оловом, титаном и др.

Проводниковые изделия

Для передачи и распределения электрической энергии, соединения различных приборов и их частей, изготовления обмоток электрических машин применяют:

- обмоточные провода;
- монтажные провода;
- установочные провода и шнуры;
- кабели.

Обмоточные провода. Обмоточные провода применяют для изготовления обмоток электрических машин, аппаратов и приборов.
В качестве проводникового материала в обмоточных проводах применяют медь и алюминий. В зависимости от применяемой изоляции обмоточные провода выпускают с эмалевой, волокнистой, пленочной и эмалево-волокнистой изоляцией.
Эмалированные провода являются наиболее перспективными среди обмоточных проводов, так как имеют наименьшую толщину изоляции (0,007.. .0,065 мм). Применяя такую проволоку, можно увеличить мощность электрической машины за счет большего числа витков в объеме обмотки.
Наибольшее применение находят провода с высокопрочными эмалевыми покрытиями на основе поливинилацеталевой и полиэфирной смол (провода марок ПЭВ и ПЭТВ с нагревостойкостью до 130°С), а также провода с высокопрочным эмалевым покрытием на основе полиуретановой смолы (провод марки ПЭВТЛ луженный с нагревостойкостью до 120°С).
Характеристики некоторых проводов с эмалевой изоляцией приведены в таблице1.2.

Важнейшими характеристиками эмалированных проводов являются эластичность, нагревостойкость и электрическая прочность.
Обмоточные провода с волокнистой изоляцией имеют большую толщину изоляции (0,05.. .0,17 мм) по сравнению с эмалированными проводами. В качестве волокнистой изоляции применяют пряжу: хлопчатобумажную, шелковую, из капроновых, асбестовых, лавсановых и стеклянных волокон.
Наибольшая нагревостойкость обмоточных проводов достигается применением стеклянной и асбестовой пряжи, подклеиваемой к поверхности провода с помощью глифталевых и кремнийорганических лаков, которые обладают повышенной стойкостью к нагреванию.
Характеристики некоторых медных и алюминиевых проводов с волокнистой и пленочной изоляцией представлены в таблице 1.3.

В качестве пленочной изоляции для проводов, которые используют для изготовления обмоток трансформаторов, применяют бумажную ленту, хорошо пропитанную минеральным маслом. Проволока с пленочной бумажной изоляцией обеспечивает высокую электрическую прочность обмоткам трансформаторов. Для повышения механической прочности изоляции из бумажной ленты ее покрывают хлопчатобумажной или капроновой пряжей.
Обмоточные провода с волокнистой обмоткой обладают следующими свойствами:

- невысокие электроизоляционные свойства, так как все виды волокнистой изоляции;
- гигроскопичны, т.е. поглощают влагу из воздуха;
- обмотки из проводов с волокнистой изоляцией требуют тщательной сушки и пропитки изоляционными лаками или компаундами;
- пробивное напряжение проводов с шелковой изоляцией 450... ...600 В, с хлопчатобумажной изоляцией - 700...1000 В, с асбестовой изоляцией - 450...500 В.

У проводов с эмалево-волокнистой изоляцией поверх слоя эмали наносят обмотку из хлопчатобумажной, шелковой, капроновой или стеклянной пряжи. Такие обмоточные провода применяют для изготовления тяговых, шахтных электродвигателей, электрических машин и аппаратов, которые эксплуатируются в более тяжелых условиях и требуют защиты эмалевой изоляции. Наибольшей механической прочностью обладает обмотка из лавсановых волокон. Обмотка из стеклянной пряжи обладает повышенной нагревостойкостью.
Электрическая прочность таких проводов определяется электрической прочностью воздуха, заключенного между волокнами, а также электрической прочностью эмалевой изоляции.
Монтажные провода. Монтажные провода состоят из медных или алюминиевых жил, которые покрывают изоляционной резиной или полихлорвиниловым пластикатом, а также хлопчатобумажной, шелковой или капроновой пряжей и синтетической пленкой. Наибольшей гибкостью обладают многопроволочные провода, жила которых состоит из большого числа тонких проволок. Монтажные провода выпускают с лужеными медными жилами, что облегчает пайку проводов.
Монтажные провода с резиновой и полихлорвиниловой изоляцией могут применяться в электрических устройствах и аппаратах с напряжением до 380 В переменного тока и до 500 В постоянного тока.
Большинство монтажных проводов с волокнистой изоляцией (хлопчатобумажной, шелковой и др.) может применяться при напряжениях до 60...100 В переменного тока, а некоторые из них -только до 20 В переменного тока.
Для распознавания монтажных проводов их изоляционные оболочки обычно окрашивают в разные цвета.
Технологический процесс монтажа электрических соединений при помощи монтажных проводов состоит из подготовки проводов к монтажу, механического закрепления монтажных проводов, пайки мест присоединения жил проводов, проверки правильности монтажа.
Подготовка монтажных проводов состоит в резке проводов необходимой длины, зачистке концов и закреплении изоляции на конце провода.
Монтажные провода маркируют в соответствии с электрической принципиальной и монтажной схемами при помощи липких лент и бирок, которые надевают на их концы.
При монтаже устройств вычислительной техники применяют жгуты из проводов, которые связывают и укладывают в определенном порядке. Раскладку жгутов производят на специальных плоских и пространственных шаблонах.
Для электрического монтажа кроме паяных и сварных соединений применяют накрутку с натягом определенного числа витков одножильного провода вокруг штырькового вывода (рис. 1.3).

Установочные провода и шнуры. Установочные провода и шнуры служат для распределения электрической энергии, а также для присоединения электродвигателей, светильников и других потребителей тока к сети. Токопроводящие жилы установочных проводов и шнуров изготавливают из медной и алюминиевой проволоки. Для обеспечения большей гибкости жилы шнуров и некоторых типов проводов являются многопроволочными.
Провода и шнуры с полихлорвиниловой изоляцией выпускают без защитных оболочек (рис.1.4).

Провода. Жилы проводов изолируют электроизоляционной резиной или полихлорвиниловым пластикатом. Провода с полихлорвиниловой изоляцией обладают высокой водостойкостью, маслостойкостью и негорючестью, что обеспечивает им широкое применение. Изоляцию покрывают защитной оплеткой из хлопчатобумажной или шелковой пряжи (рис.1.5).

У некоторых проводов защитную оплетку пропитывают противогнилостным составом. В отдельных конструкциях проводов защитную оплетку изготавливают из стальных оцинкованных проволочек для защиты от легких механических воздействий. Установочные провода выпускают одно-, двух-, трех-, четырех- и многожильными на напряжение 220, 380, 500, 2000 и 3000 В переменного тока.
Шнуры. Шнуры выпускают двухжильными, т. е. состоящими из двух изолированных и свитых друг с другом жил (рис.1.6) .

Шнуры изготавливают на напряжение до 220 В переменного тока.
В марках проводов и шнуров буквы обозначают конструктивную часть и вид изоляции провода или шнура, а цифры указывают напряжение, для которого может применяться данный провод. Например, провод марки ПР-500 состоит из медной жилы с резиновой изоляцией и может быть использован в установках с номинальным напряжением, которое не превышает 500В переменного тока.
Кабели. Силовые кабели применяют для передачи и распределения электрической энергии. Токопроводящие жилы кабелей изготавливают из мягкой медной проволоки (марка ММ), а также из алюминиевой мягкой или твердой проволоки (марки AM и AT).Токопроводящие жилы сечением до 16 мм2 включительно изготавливают одно-проволочными. Начиная с сечения 25 мм2 и выше жилы кабелей изготавливают многопроволочными, что необходимо для обеспечения определенной гибкости кабелей. Сечения токопроводящих жил могут иметь круглую, сегментную или секторную форму (рис.1.7).

В одножильных кабелях применяют жилы круглой формы, в двухжильных - круглой и сегментной.
Для передачи и распределения электрической энергии в установках с напряжением до 500, 3000 и 6000 В переменного тока применяют кабели с резиновой и пластмассовой изоляцией.
На напряжение 1, 3, 6, 20, 35 кВ и выше выпускают силовые кабели с бумажной пропитанной изоляцией (рис.1.8).

Каждая из жил в кабеле имеет изоляцию, состоящую из нескольких слоев кабельной бумаги толщиной 0,125 или 0,175 мм, пропитанной вязким электроизоляционным составом из минерального масла и растворенной в нем канифоли.
Для передачи информации, например, в компьютерных сетях ,промышленностью выпускается большое количество типов кабелей. Все выпускаемые кабели на основе проводов можно разделить на две группы:

- кабели на основе витых пар проводов, которые делятся на экранированные и неэкранированные;
- коаксиальные кабели.

Каждый тип кабеля имеет свои преимущества и недостатки, так что при выборе типа кабеля надо учитывать как особенности решаемой задачи, так и особенности конкретной сети.
Витые пары проводов используются в самых дешевых и на сегодняшний день, пожалуй, самых популярных кабелях. Кабель на основе витых пар представляет собой несколько пар скрученных изолированных медных проводов в единой диэлектрической (пластиковой) оболочке. Он довольно гибкий и удобный для прокладки.
Обычно в кабель входит две витые пары (рис.1.9) или четыре витые пары.

Неэкранированные витые пары характеризуются слабой защищенностью от внешних электромагнитных помех, а также слабой защищенностью от подслушивания с целью, например, промышленного шпионажа. Перехват передаваемой информации возможен как с помощью контактного метода (посредством двух иголочек, воткнутых в кабель), так и с помощью бесконтактного метода, сводящегося к радиоперехвату излучаемых кабелем электромагнитных полей. Для устранения этих недостатков применяется экранирование.
В случае экранированной витой пары каждая из витых пар помещается в металлическую оплетку-экран для уменьшения излучений кабеля, защиты от внешних электромагнитных помех и снижения взаимного влияния пар проводов друг на друга. Естественно, экранированная витая пара гораздо дороже, чем неэкранированная, а при ее использовании необходимо применять и специальные экранированные разъемы, поэтому встречается она значительно реже, чем неэкранированная витая пара.
Основные достоинства неэкранированных витых пар - простота монтажа разъемов на концах кабеля, а также простота ремонта любых повреждений по сравнению с другими типами кабеля. Все остальные характеристики у них хуже, чем у других кабелей. Например, при заданной скорости передачи затухание сигнала (уменьшение его уровня по мере прохождения по кабелю) у них больше, чем у коаксиальных кабелей. Если учесть еще низкую помехозащищенность, то становится понятным, почему линии связи на основе витых пар, как правило, довольно короткие (обычно в пределах 100 метров). В настоящее время витая пара используется для передачи информации на скоростях до 100 Мбит/с и ведутся работы по повышению скорости передачи до 1000 Мбит/с.
Коаксиальный кабель представляет собой электрический кабель, состоящий из центрального провода и металлической оплетки, разделенных между собой слоем диэлектрика (внутренней изоляции) и помещенных в общую внешнюю оболочку (рис.1.10).
Коаксиальный кабель до недавнего времени был распространен наиболее широко, что связано с его высокой помехозащищенностью (благодаря металлической оплетке), а также более высокими, чем в случае витой пары, допустимыми скоростями передачи данных (до 500 Мбит/с) и большими допустимыми расстояниями передачи (до километра и выше).

К нему труднее механически подключиться для несанкционированного прослушивания сети, он также дает заметно меньше электромагнитных излучений вовне. Однако монтаж и ремонт коаксиального кабеля существенно сложнее, чем витой пары, а стоимость его выше. Сложнее и установка разъемов на концах кабеля. Поэтому его сейчас применяют реже, чем витую пару.