Leitfähiges Eisen und Stahl

In der Natur liegt Eisen in verschiedenen Verbindungen mit Sauerstoff vor (FeO, Fd2O3 usw.). Es ist äußerst schwierig, aus diesen Verbindungen chemisch reines Eisen zu isolieren. In Bezug auf die elektrischen und magnetischen Eigenschaften ähnelt chemisch reines Eisen dem elektrolytisch von Verunreinigungen gereinigten Eisen (elektrolytisches Eisen). Die Gesamtmenge an Verunreinigungen im Elektrolyteisen überschreitet nicht 0,03 %.

Die Hauptverunreinigungen im Eisen sind: Sauerstoff (O2), Stickstoff (N2), Kohlenstoff (C), Schwefel (C), Phosphor (P), Silizium (Si), Mangan (Mn) und einige andere. Die meisten Verunreinigungen gelangen aus Erzen und Brennstoffen in Eisen.

Silizium und Mangan werden gezielt als Desoxidationsmittel in Eisen eingebracht. Sie verbinden sich leicht mit Sauerstoff und bilden Oxide, die in geschmolzenem Eisen (Stahl) in Form von Schlacke an die Oberfläche schwimmen und entfernt werden. Dies verbessert die mechanischen Eigenschaften von Stählen, verbleibt jedoch in geringer Menge im Stahl und verringert dessen elektrische Leitfähigkeit.

Schwefel und Phosphor sind schädliche Verunreinigungen. Sie gelangen aus Erzen und Brennstoffen in Eisen und Stahl und verursachen eine Versprödung der Stähle.Auch Gase (Stickstoff und Sauerstoff) sind schädliche Verunreinigungen, da sie die elektrischen und magnetischen Eigenschaften von Eisen und Stahl verschlechtern.

Eine Verunreinigung, die die elektrische Leitfähigkeit von Eisen stark verringert, ist Kohlenstoff. Legierungen aus Eisen mit Kohlenstoff werden Stähle genannt. Stähle enthalten neben Kohlenstoff auch weitere Elemente, die gezielt zur Erzielung bestimmter Eigenschaften eingebracht werden (Legierungselemente).

Die technischen Eigenschaften von Eisen sind kohlenstoffarme Stähle, deren Kohlenstoffgehalt zwischen 0,01 und 0,1 % variiert. In Baustählen ist Kohlenstoff in einer Menge von 0,07 bis 0,7 % enthalten, in Werkzeugstählen und anderen Spezialstählen (Legierungen) in einer Menge von 0,7 bis 1,7 %.

Eisen und Stahl sind die billigsten und am besten zugänglichen leitfähigen Materialien mit hoher mechanischer Zugfestigkeit, ihre Verwendung wird jedoch durch die folgenden Nachteile eingeschränkt.

Eisen und Stahl haben eine geringe Korrosionsbeständigkeit, das heißt, sie oxidieren leicht an der Luft – sie rosten. Darüber hinaus verfügen sie über eine Erhöhung Widerstand (p = 0,13 – 0,14 Ohm x mm2/m) im Vergleich zu Kupfer und Aluminium. Der elektrische Widerstand von Eisen und Stahl gegenüber Wechselstrom erhöht sich stark, weil Eisen und Stahl es sind magnetische Materialien… Daher verlagert sich der Strom größtenteils vom mittleren Teil des Leiters zu seiner Oberfläche (Oberflächeneffekt).

Um diesen Effekt und die Größe des elektrischen Widerstands gegenüber Wechselstrom zu verringern, versuchen sie, Stähle mit möglichst geringer magnetischer Permeabilität zu verwenden.

Für die Herstellung von Stahldraht wird Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,10 bis 0,15 % verwendet, der folgende Eigenschaften aufweist: Dichte 7,8 g/cm3, Schmelzpunkt 1392–1400 °C, maximale Zugfestigkeit 55–70 kg/mm2, relative Dehnung 4 — 5 %, Widerstand 0,135 — 146 Ohm hmm2/m, Temperaturkoeffizient des Widerstands α = +0,0057 1/°C.

Um sie vor atmosphärischer Korrosion zu schützen, werden die Stahldrähte mit einer dünnen Kupfer- oder Zinkschicht (0,016 – 0,020 mm) überzogen.

Auch Stahldrähte und -stangen werden als Kerne verwendet BimetalldrähteDies ermöglicht erhebliche Einsparungen bei leitfähigem Kupfer. Bimetallleiter werden in elektrischen Geräten verwendet (Messerschlüssel, Schütze usw.).

Reis. 1. Querschnitt eines Bimetalldrahtes

Reis. 2. Querschnitt des bimetallischen Stahl-Aluminium-Drahts: 1 – Aluminiumdraht, 2 – Stahldraht

Verzinkter Stahldraht mit hoher mechanischer Zugfestigkeit (130 – 170 kg/mm2) wird als Kern in Stahl-Aluminium-Drähten verwendet, um deren mechanische Zugfestigkeit zu erhöhen.