Charakterystyka miedzi emaliowanej

Miedź jest metalem, bez którego nie byłby możliwy ani dynamiczny rozwój elektrotechniki, ani powstanie i rozwinięcie się aż do dzisiejszej postaci wszystkich branż związanych z elektroniką. Choć pierwsze zastosowania miedzi wiążą z wykorzystywaniem naturalnego brązu, a obróbka i stosowanie tego materiału zarówno w postaci czystej, jak i rozmaitych stopów towarzyszyła całemu rozwojowi cywilizacji. To właśnie wykorzystanie znakomitej przewodności elektrycznej miedzi pozwoliło na powstawanie kolejnych wynalazków związanych z używaniem prądu elektrycznego. Miedź była stosowana jako materiał do produkcji przewodów już od wprowadzenia w połowie XIX wieku telegrafu. Umożliwiła budowę pierwszych sieci elektrycznych pozwalających na korzystanie z żarówek, dała możliwość upowszechnienia się telefonów i na rewolucję w dziedzinie napędu doprowadzając do powstania wydajnych silników elektrycznych. Z wykorzystaniem miedzi w różnych zastosowaniach elektrotechnicznych wiąże się jednak nie tylko fakt, że znakomicie przewodzi ona prąd, ale również to, iż daje możliwość na wykonanie lekkiej i cienkiej izolacji. Miedź do emaliowania jest podstawowym materiałem pozwalającym na produkcję przewodów emaliowanych. Przyjrzyjmy się bliżej właściwościom miedzi i jej wykorzystaniu jako przewodnika prądu elektrycznego, a także zobaczmy jaką funkcję pełnią przewody emaliowane.

Dlaczego miedź jest metalem nadającym się na przewody emaliowane?

Miedź jest metalem kolorowym, który wyróżnia się swoją bardzo dobrą przewodnością prądu elektrycznego. Jej rezystywność (ρ), czyli wytwarzany opór na jednostkę długości, pokazujący straty, jakie powoduje określony rodzaj materiału, wynosi 0,0168·10-6 Ω·m. Miedź pod względem tego parametru ustępuje jedynie srebru, które jednak jest zbyt drogie, a przy tym słabo ciągliwe i kruche. Miedź została jeszcze w 1913 roku uznana przez Międzynarodową Komisję Elektrotechniczną (IEC) za wzorzec, do którego odnosi się własności innych materiałów przewodzących. Co ciekawe, początkowe ustalenia trzeba było zweryfikować, ponieważ mimo tego, że Międzynarodowy Standard Miedzi Wyżarzanej (IACS), określa przewodność elektryczną miedzi na 100% IACS, to miedź beztlenowa osiąga 101% IASC, a wysokoprzewodzące stopy tego metalu, tzw. HCC (High Conductivity Copper) osiągają wyniki przekraczające tę wartość.

Dodatkową zaletą miedzi są jej właściwości związane z niewielką twardością. Przez długi czas wyłączała ona miedź z wielu zastosowań z uwagi na małą wytrzymałość mechaniczną, jednak w przypadku wytwarzania przewodów elektrycznych okazała się zaletą, ponieważ wysoka elastyczność z tym związana daje znakomitą wytrzymałość na ciągłe wyginanie, nieodzowne w przypadku kabli i przewodów. Wynika ona z wysokiej granicy plastyczności wynoszącej około 50 MPa, czyli właściwości metalu pozwalającej na jego odkształcenie. Równie istotna jest znaczna wytrzymałość na rozciąganie, wynosząca od 200 do 250 N/mm², która sprawia, że kable nie ulegają podczas ich przeciągania ani przewężeniu, ani zerwaniu.

W zastosowaniach elektrotechnicznych duże znaczenie ma fakt, że miedź wykazuje się dobrą przewodnością cieplną i bez przeszkód można ją lutować, co przydaje się przy wykonywaniu wszelkiego rodzaju złącz. Drugą pożądaną własnością jest wysoka odporność miedzi na korozję. Dzięki temu przewody miedziane nie są podatne na uszkodzenie, nawet jeśli zostaną wystawione na działanie wilgoci. Co więcej, również w przypadku pojawienia się ognisk korozji przewodność miedzi nie ulegnie dużej zmianie, ponieważ tworzące się tlenki przewodzą prąd. Wielkim plusem używania miedzi jako materiału do produkcji przewodów jest spora odporność na zwarcia, ponieważ ma ona zdolność do rozpraszania powstającej przy tej okazji energii cieplnej.

Kable miedziane do produkcji uzwojenia

Miedź jest wykorzystywana do wytwarzania wielu rodzajów przewodów elektrycznych od kabli wysokiego napięcia po niezwykle cienkie połączenia projektowane do bardzo niskich napięć. Jednym z możliwych i szczególnie ważnych zastosowań jest używanie miedzi do produkcji drutów nawojowych. Są one wykorzystywane przede wszystkim w silnikach elektrycznych, prądnicach, wszelkiego rodzaju cewkach i transformatorach, ale również w takich urządzeniach jak dzwonki elektryczne, głośniki czy kuchenki indukcyjne.

Podstawowym zadaniem drutu nawojowego jest stworzenie pola magnetycznego o wystarczającym w danym zastosowaniu natężeniu. Pole to jest odpowiedzialne za zamianę energii elektrycznej na energię mechaniczną lub odwrotnie. W przypadku silnika elektrycznego przepływ prądu przez uzwojenie pozwala na wygenerowanie ruchu stojana. W przypadku prądnicy uzyskuje się efekt odwrotny – to ruch pozwala na zaindukowanie przepływu prądu elektrycznego. Używanie miedzi jako materiału do wykonywania uzwojeń wynika zarówno z jej wysokiej przewodności, co gwarantuje osiąganie maksymalnej możliwej sprawności, jak i właściwości związanych z możliwością uzyskania bardzo cienkiego drutu, który nie ulegnie zerwaniu. Cienki przewód umożliwia także gęste nawijanie. Plusem jest także fakt, że miedź użyta do wykonania uzwojenia, nie będzie się nadmiernie nagrzewała, z uwagi na swój mały opór.

Nie można zapominać, że drut nawojowy musi być właściwie zaizolowany. W przypadku, gdyby prąd mógł swobodnie przepływać pomiędzy sąsiadującymi zwojami, nie doszłoby do powstania odpowiedniego pola magnetycznego. Wykonanie prawidłowej izolacji drutu nawojowego zawsze stanowiło problem, ponieważ jej grubość znacznie ogranicza liczbę zwojów, które można zmieścić na określonej przestrzeni. Gdyby jako drut nawojowy wykorzystać typowy zaizolowany tworzywem sztucznym przewód wielkość urządzenia powiększyłaby się kilkunastokrotnie, ponieważ z każdym nawiniętym zwojem bardzo rosłaby odległość między przewodami. Przełożyłoby się to również na sprawność urządzenia, która uległaby dużemu obniżeniu. Niezawodnym sposobem na izolowanie drutów nawojowych jest ich emaliowanie.

Rodzaje emalii i proces ich nakładania na przewody miedziane

Emaliowanie miedzi polega na nanoszeniu na jej powierzchnię bardzo cienkiej dielektrycznej powłoki. W zależności od użytego materiału może ona mieć grubość nawet zaledwie kilkudziesięciu mikrometrów, dzięki czemu wzrost grubości nawijanego przewodu jest całkowicie pomijalny. W zależności od zastosowania i powstającej podczas pracy uzwojenia temperatury do izolowania powierzchni przewodów można używać różnych substancji. Dziś coraz rzadziej używa się klasycznych emalii na rzecz nowoczesnych powłok z tworzyw sztucznych. Najczęściej wykorzystywanymi w różnych przedziałach temperaturowych są polimery takie jak poliester, poliamid oraz poliuretan. Najniższą temperaturą topnienia charakteryzuje się powłoka poliuretanowa, która wytrzymuje do 130°C. Lepsze wyniki osiąga kompozyt z poliuretanu łączonego z poliimidem – tu topnienie następuje przy 155°C. Identyczny wynik jest w stanie osiągnąć poliester imid. Jeśli zostanie on wzbogacony poliamidem amidowym, wówczas temperatura topnienia wzrośnie aż do 200°C. Największą wytrzymałość ma izolacja z poliamidoimidu, która będzie mogła znieść nawet 250°C.

Wykonanie tak cienkich powłok (o grubości sięgającej nawet 20 µm) jest możliwe za sprawą stosowania odpowiedniej technologii. Nanoszenie emalii odbywa się już po uzyskaniu drutu o określonych parametrach co do jego przekroju i gładkości. Po przeciągnięciu drutu przez ciągadło o wybranej średnicy drut trafia do specjalnego pieca, w którym podwyższa się jego temperaturę. Następnym krokiem jest nanoszenie bardzo cienkiej warstwy wybranego lakieru np. poliamidoimidowego. Lakier może być nakładany w kilku warstwach, co znacznie poprawia przyleganie do powierzchni miedzi oraz poprzednio naniesionej powłoki. Po tym procesie drut przechodzi przez piec, w którym dochodzi do odparowania użytego w emalii rozpuszczalnika i wykończenie całej powłoki. W przypadku przewodów emaliowanych dwukrotnie proces ten jest powtarzany. Ostatnim elementem wykonania drutu emaliowanego jest pokrycie go specjalnym środkiem smarnym ułatwiającym nawijanie na szpulę oraz konserwującym powłokę. Warto pamiętać, że przy tak znikomych grubościach cały proces jest kontrolowany przez specjalnie skalibrowane czujniki laserowe.

Przewody emaliowane są wykorzystywane w niezliczonych zastosowaniach. Stosuje się je w przemyśle motoryzacyjnym, elektronicznym, przy produkcji sprzętu komputerowego, urządzeń AGD i RTV, lotnictwie czy przy produkcji maszyn i urządzeń. Mimo coraz częstszego stosowania zminiaturyzowanych podzespołów elektronicznych zapotrzebowanie na kable do wykonywania uzwojeń nie słabnie i można się spodziewać, że wraz z wprowadzaniem nowych rozwiązań technologicznych – np. upowszechnieniem samochodów elektrycznych wciąż będzie rosło.