European Copper Institute Poland

Miedź: Właściwości i zastosowania

 

W wielu językach nazwa miedzi (copper, cobre, Kupfer) wywodzi się z łacińskiego określenia “cuprum”, co oznacza “ruda z Cypru”. Dlatego chemicznym symbolem miedzi, jako pierwiastka, jest Cu. Miedź posiada liczne, niezwykle korzystne właściwości, w tym:

  • dobrą przewodność elektryczną
  • dobrą przewodność cieplną
  • odporność na korozję
  • łatwo tworzy stopy

Jest także:

  • przeciwdrobnoustrojowa
  • łatwa do łączenia
  • ciągliwa
  • wytrzymała
  • niemagnetyczna
  • atrakcyjna
  • w pełni przetwarzalna
  • katalityczna

Poniżej znajdziesz więcej informacji na temat każdej z tych właściwości, oraz jakie korzyści przynoszą nam one w codziennym życiu.

Dobra przewodność elektryczna

Miedź posiada najlepszą przewodność elektryczną spośród wszystkich metali, z wyjątkiem srebra.

Dobra przewodność właściwa oznacza to samo co mały opór elektryczny. Prąd będzie przepływał we wszystkich metalach, jednak posiadają one pewien opór, co oznacza, że przepływ prądu wymaga podtrzymywania (przez baterię). Im większy opór, tym więcej energii trzeba wkładać w podtrzymanie jego przepływu i tym mniejsze natężenie prądu. Prąd przepływa w miedzi łatwo i bez dużych strat energii, dzięki jej małej rezystywności. Z tego właśnie powodu druty miedziane są stosowane w przewodach zasilających w domach i w kablach podziemnych (chociaż przewody i kable linii napowietrznych są często wykonywane z aluminium, ze względu na jego mniejszą gęstość). Natomiast w zastosowaniach, w których bardziej istotne są rozmiary niż ciężar, najlepszym wyborem jest miedź. Pionowe przewody instalacji odgromowej wysokich budynków, takich jak np. wieże kościelne, są wykonane z taśmy miedzianej o dużej grubości. Znaczna grubość miedzianej taśmy umożliwia przewodzenie dużego prądu bez obawy stopienia jej.

Z miedzianego drutu można nawijać cewki. Cewka może wytwarzać pole magnetyczne, a wykonana z drutu miedzianego nie będzie traciła wiele energii. Miedziane uzwojenia można znaleźć w:

Urządzenie Zastosowanie
Elektromagnesy Zamki elektryczne, dźwigi na złomowiskach, dzwonki elektryczne. (Zobacz Elektromagnesy)
Silniki elektryczne Pompy, sprzęt gospodarstwa domowego (pralki, zmywarki do naczyń, chłodziarki, odkurzacze), samochody (rozruszniki, wycieraczki, elektrycznie sterowane szyby), komputery (napędy dysków, wentylatory), systemy rozrywki (odtwarzacze DVD) (Zobacz Silniki elektryczne)
Dynama, generatory Rowery, elektrownie
Transformatory Transformatory rozdzielcze, podstacje elektroenergetyczne, elektrownie (Zobacz Miedź i elektryczność: Transformatory i sieć)

W jaki sposób miedź przewodzi
Miedź jest metalem złożonym z ciasno upakowanych atomów.

Gdybyśmy mogli przyglądnąć się w wystarczającym przybliżeniu, zobaczylibyśmy elektrony poruszające się pomiędzy atomami miedzi.

Każdy atom miedzi utracił jeden elektron i stał się dodatnim jonem. Tak więc miedź jest siecią dodatnich jonów miedzi z poruszającymi się między nimi wolnymi elektronami. (Elektrony te zachowują się podobnie jak cząstki gazu, który może swobodnie poruszać się wewnątrz przestrzeni ograniczonej powierzchnią przewodnika).

Elektrony te mogą swobodnie poruszać się w metalu. Z tego powodu są nazywane elektronami swobodnymi. Są też nazywane elektronami przewodnictwa, ponieważ dzięki nim miedź jest dobrym przewodnikiem elektryczności i ciepła.

Jony miedzi drgają (p. rysunek 1). Zauważ, że drgają one w wokół tego samego położenia, podczas gdy elektrony mogą poruszać się w sieci. Ma to istotne znaczenie kiedy do przewodnika przyłączymy baterię.

Rysunek 1: Przewód miedziany jest utworzony z sieci jonów miedzi. Znajdują się w nim wolne elektrony, które mogą poruszać się poprzez tę sieć jak gaz.

Przewodzenie prądu elektrycznego
Możemy połączyć miedziany drut z baterią i wyłącznikiem. Wolne elektrony poruszają się w metalu bezładnie. Gdy zamkniemy wyłącznik płynie prąd elektryczny. Teraz wolne elektrony płyną przez przewód (rysunek 2) poruszając się z lewej do prawej (nadal poruszając się także w sposób przypadkowy).

Rysunek 2: Zamknięcie wyłącznika w obwodzie u góry powoduje przepływ elektronów z lewej do prawej, w kierunku przeciwnym do kierunku prądu.

Elektrony mają ładunek ujemny. Są przyciągane do dodatniego zacisku baterii. Wolne elektrony poruszają się w miedzi przepływając od ujemnego do dodatniego zacisku baterii (zauważ, że płyną one w kierunku przeciwnym do umownego kierunku prądu; dzieje się tak ponieważ mają ujemny ładunek).

Znajdujące się w przewodzie jony miedzi drgają. Czasem jon znajduje się na drodze poruszającego się elektronu. Elektron zderza się z jonem i odbija się od niego. Zderzenie spowalnia ruch elektronu, a część energii zostaje przekazana jonowi, który teraz drga szybciej.

W ten sposób część energii poruszających się elektronów jest przekazywana jonom miedzi. Miedź rozgrzewa się. To wyjaśnia dlaczego:

  • metale mają opór elektryczny
  • metale nagrzewają się, gdy przepływa przez nie prąd elektryczny.

Dobra przewodność cieplna

Miedź jest dobrym przewodnikiem ciepła. To znaczy, że gdy podgrzewasz jeden koniec kawałka miedzi, drugi koniec szybko osiągnie tę samą temperaturę. Większość metali jest dosyć dobrymi przewodnikami ciepła; jednak, z wyjątkiem srebra, miedź jest najlepszym.

Metal Przewodność cieplna
Miedź 394
Srebro 418
Aluminium 238
Stal nierdzewna 13

Przewodzenie ciepła
Miedź jest siecią krystaliczną jonów, zawierającą wolne elektrony (p. rysunek 1). Jony drgają a elektrony mogą poruszać przemieszczać się w miedzi (podobnie do gazu).

Rysunek 3 ukazuje co dzieje się, gdy jeden koniec kawałka miedzi ma wyższą temperaturę. Jony miedzi drgają silniej. Zauważ, że dla przejrzystości rysunku elektrony zostały usunięte.

Rysunek 3: Lewy koniec tego kawałka miedzi jest cieplejszy. Jony miedzi na cieplejszym końcu drgają silniej. (Zauważ, że dla przejrzystości rysunku elektrony zostały usunięte).

Na rysunku 4 koncentrujemy się tylko na kilku elektronach, aby uwidocznić w jaki sposób przenoszą one ciepło z lewej strony na prawą.

  1. Wolny elektron zderza się z jonem na gorącym końcu metalu i zyskuje energię kinetyczną (przyspiesza).
  2. Elektron porusza się w stronę zimnego końca.
  3. Zderza się z “zimnym jonem” powodując, że zimny jon drga intensywniej. To powoduje, że zimny koniec ogrzewa się.
  4. W ten sposób energia jest przekazywana poprzez miedź z gorącego końca do zimnego.

Rysunek 4: W jaki sposób elektrony przewodzą ciepło z lewej strony do prawej (dla ułatwienia obserwacji pokazano tylko kilka elektronów)

Przewodzenie ciepła w niemetalach
Dla porównania zobaczmy jak ciepło jest przewodzone w niemetalach. Drgające cząstki przekazują drgania swoim najbliższym sąsiadom.

Przenoszenie ciepła przebiega więc znacznie wolniej. Dlatego metale są najlepszymi przewodnikami – ich swobodne elektrony mogą przenosić energię na całej długości materiału.

Odporność na korozję

Miedź zajmuje niską pozycję w szeregu galwanicznym metali. Oznacza to, że nie posiada skłonności do korozji. Ma to istotne znaczenie w takich zastosowaniach, jak rury, kable i przewody elektryczne, patelnie i grzejniki.

Oznacza również, że miedź doskonale nadaje się do celów dekoracyjnych. Biżuteria, pomniki i elementy architektoniczne, mogą być wykonywane z miedzi, mosiądzu lub brązu, zachowując swą atrakcyjność przez tysiące lat.

Więcej informacji na temat korzyści, jakie odporność miedzi na korozję przynosi w zastosowaniach morskich można znaleźć w materiale Stopy miedzi w akwakulturze.

Łatwo tworzy stopy

Miedź można łatwo łączyć z innymi metalami w celu otrzymania stopów. Pierwszym wytwarzanym stopem była miedź stapiana z cyną w celu utworzenia brązu – odkrycie tak ważne, że ten okres w historii jest nazywany epoką brązu.

Znacznie później pojawił się mosiądz (stop miedzi z cynkiem) i, w czasach nowoczesnych, miedzionikiel (stop miedzi z niklem). Stopy te mogą być utwardzane przez młotkowanie – proces nazywany “umocnieniem przez przeróbkę plastyczną na zimno”.

Drzewo stopów miedzi przedstawia możliwe połączenia z innymi metalami w celu wytworzenia różnych stopów. Poniżej podano kilka przykładów. Kliknij na rysunek powyżej aby powiększyć obraz.

Miedź + cyna = brąz cynowy
Miedź +  cyna + fosfor = brąz fosforowy
Miedź + aluminium = brąz aluminiowy
Miedź + cynk = mosiądz
Miedź + cyna + cynk = brąz armatni (spiż)
Miedź + nikiel = miedzionikiel
Miedź + nikiel + cynk = nowe srebro.

Aby uzyskać więcej informacji, zobacz materiał Stopy miedzi w praktyce menniczej. Możesz także odwiedzić strony Copper Development Association Miedź i jej stopy.

Przeciwdrobnoustrojowa

Miedź jest samoistnie przeciwdrobnoustrojowa, co oznacza, że szybko zabija bakterie, wirusy i grzyby, zasiedlające jej powierzchnię. Te właściwości powodują, że powierzchnie wykonane z miedzi i stopów miedzi są instalowane w szpitalach i innych miejscach, gdzie higiena ma kluczowe znaczenie.

Więcej informacji na ten temat można znaleźć w materiale Miedź, patogeny i choroby.

Łatwa do łączenia

Miedź może być łatwo łączona za pomocą lutowania miękkiego lub twardego. Metody te są przydatne użyteczne w łączeniu instalacji rurowych lub przy wyrobie szczelnych naczyń niedzianych.

Ciągliwa

Miedź jest metalem ciągliwym. Oznacza to, że można z niej łatwo kształtować rury i wyciągać druty. Miedziane rury są lekkie, ponieważ ich ściany mogą być cienkie. Nie korodują i mogą być gięte, co pozwala dopasować je do przebiegu instalacji. Rury miedziane mogą być łączone przez lutowanie; są też bezpieczne, gdyż są niepalne ani nie podtrzymują spalania.

Wytrzymała

Miedź i stopy miedzi są wytrzymałe. To oznacza, że doskonale nadają się do wyrobu narzędzi i broni. Można sobie wyobrazić radość pradawnego człowieka, kiedy odkrył, że jego starannie wykonane groty do strzał już się nie rozpadają pod wpływem uderzenia.

W nowoczesnym świecie zasadnicze znaczenie ma wytrzymałość i odporność na obciążenia dynamiczne miedzi i jej stopów. Nie kruszą się gdy zostaną upuszczone ani stają się kruche w temperaturach poniżej 0°C.

Niemagnetyczna

Miedź jest niemagnetyczna i nieiskrząca. Dzięki tym właściwościom jest używana do wyrobu specjalnych narzędzi i w zastosowaniach militarnych.

Atrakcyjna

Miedź i jej stopy, takie jak mosiądz, są stosowane do wyrobu biżuterii i ozdób. Mają atrakcyjną złotą barwę, która zmienia się wraz z zawartością miedzi. Wykazują odporność na pokrywanie się nalotem i matowienie, co zapewnia im długotrwałość.

W pełni przetwarzalna

Miedź może być powtórnie przetwarzana bez żadnej utraty jakości. Około 40% zapotrzebowania Europy na miedź jest pokrywane miedzią pochodzącą z recyklingu.

Więcej informacji na ten temat można znaleźć w materiale Recykling miedzi i zrównoważony rozwój.

Katalityczna

Miedź może działać jako katalizator, to znaczy substancja, która przyspiesza reakcję chemiczną i poprawia jej efektywność. Działa obniżając energię aktywacji. Katalizatory w reakcjach biologicznych nazywamy enzymami.

Miedź przyspiesza reakcję między cynkiem i rozcieńczonym kwasem siarkowym. Jest spotykana w niektórych enzymach, z których jeden odgrywa rolę w oddychaniu. Jest na prawdę niezbędnym dla życia pierwiastkiem!