Материалы с большим удельным сопротивлением кратко

Обновлено: 02.07.2024

Основным показателем, характеризующим проводниковые материалы, является электропроводность. В практических условиях удобнее оценивать проводниковые материалы по величине их электрического сопротивления.

На проводимость металла неблагоприятно влияют примеси: чем содержание их больше, тем меньше проводимость металла. Такие примеси, как марганец и алюминий, сильно снижают проводимость меди, а серебро, золото и цинк - в значительной степени. На удельную проводимость оказывает влияние пластическая деформация в холодном состоянии (наклеп). С увеличением степени деформации проводимость металла несколько снижается. При устранении наклепа рекристаллизационным отжигом проводимость восстанавливается.

В связи с этим отличают мягкие (отожженные) проводниковые металлы (в марках материалов обозначаются буквой М) и твердые (неотожженные), обозначаемые буквой Т. Наибольшей проводимостью обладают чистые металлы. Они составляют группу металлов высокой проводимости. Другую группу проводниковых материалов составляют сплавы высокого электрического сопротивления.

Проводниковые металлы с малым удельным сопротивлением. К металлам, имеющим малое удельное сопротивление относятся: медь, алюминий, железо, серебро, вольфрам, никель и некоторые другие.

Медь является основным проводниковым материалом. Она, кроме малого удельного сопротивления, имеет достаточно высокую механическую прочность, которая зависит от степени наклепа, высокую пластичность, позволяющую получать прокаткой тонкие листы и ленту, а протяжкой - тонкую проволоку диаметром до 0,01 мм, удовлетворительную стойкость против коррозии, относительную легкость пайки и сварки.

В качестве проводникового материала используют медь марок M1 и М0, содержащие соответственно примесей до 0,1% и до 0,05%.

Твердую (наклепанную) медь применяют для проводов контактной сети, для шин распределительных устройств, для пластин коллекторов электрических машин и пр.

Мягкую (отожженную) медь в виде проволоки круглого и прямоугольного сечения применяют в качестве токопроводящих жил кабелей и обмоточных проводов.

Сплавы меди (бронзы) имеют более высокие механические свойства, чем медь. Их используют для изготовления контактных проводов, коллекторных пластин и других токопроводящих деталей, например пружин. В качестве проводникового материала других сплавов применяют кадмиевую, кадмиево-оловянистую и бериллиевую бронзы.

Алюминий является основным заменителем меди в качестве проводникового материала, так как обладает достаточно высокой электропроводностью. Электрическое сопротивление алюминия невелико, однако оно в 1,6 раза больше, чем у меди. Поэтому при одинаковой длине и общем сопротивлении сечение алюминиевого провода должно быть в 1,6 раза больше сечения медного провода. Следовательно, если имеется ограничение изделия по габаритам (например, при изготовлении обмоток электрических машин), то применение алюминиевых проводников создаст затруднения.

Алюминий широко применяется по экономическим соображениям в качестве проводникового материала в воздушных линиях электропередач, что вызвано тем, что при одинаковом электрическом сопротивлении, он почти в 2 раза легче меди. Кроме того он устойчив против коррозии, но имеет небольшую прочность.

Железо, точнее сталь как проводниковый материал применяется редко, так как имеет высокое удельное электрическое сопротивление. Стальная проволока используется главным образом в качестве сердечников биметаллических проводов (рис.1). Стальная оцинкованная проволока высокой прочности используется в качестве сердечников сталеалюминиевых проводов для повышения их механической прочности.

Проводники постоянного тока изготовляют из армкожелеза, содержащего не более 0,03 % С.

Серебро среди всех металлов имеет самое низкое удельное электрическое сопротивление, поэтому оно применяется для изготовления электрических контактов в электрических аппаратах и как составная часть прочных припоев.

Рисунок 1 - Поперечное сечение биметаллического провода

Платина весьма устойчива против коррозии и не растворяется в ряде кислот. Введение в платину 3-6% иридия или 5-12% родия повышает сопротивление платины окислению при температуре 1000°С и выше. Термопары из платиновой и платинородиевой проволоки применяют для измерения температур до 1500°С, из платины и ее сплавов изготовляют контакты.

Вольфрам и молибден используют при изготовлении электровакуумных приборов. Они идут на изготовление спиралей накала, поддерживающих крючков, катодов. Тугоплавкость и высокая твердость позволяют применять вольфрам и сплавы вольфрама с молибденом для изготовления размыкающих контактов в электрических аппаратах. В электровакуумной технике применяют и другие тугоплавкие металлы: никель, тантал, ниобий и др.

Ртуть сохраняет свое жидкое состояние до -39°С. Она стойка к окислению. Медь, цинк, свинец, никель, олово, серебро и золото растворяются в ртути. Ртуть применяют в качестве жидких контактов в специальных реле, выключателях и ртутных выпрямителях.

Проводниковые материалы с большим удельным сопротивлением должны обладать стойкостью к окислению при высокой температуре, малым температурным коэффициентом сопротивления. К ним относятся медно-никелевые, никелевые и жаропрочные сплавы. Медно-никелевые электротехнические сплавы - это манганин и константан.

Манганин (МНМц 3-12) содержит около 3% никеля и 12% марганца, остальное - медь. Он обладает высоким электросопротивлением при малом температурном коэффициенте сопротивления. Манганиновую проволоку применяют для обмоток катушек сопротивления различных приборов, работающих до 100°С, а также используют в измерительных приборах.

Константан (МНМц 40-1,5) содержит около 40 % никеля и 1,5% марганца, остальное - медь. Применяется в виде проволоки для термопар и реостатов высокого сопротивления, работающих до 500°С.

Никелевые сплавы с марганцем (НМц 2,5 и НМц 5) применяют для изготовления автомобильных свечей и радиоламп. Жаростойкие сплавы используют в электронагревательных приборах и печах сопротивления с рабочей температурой до 1200 °С. К ним относятся: хромоникелевые сплавы (нихромы) - Х20Н80, сплавы на основе никеля, хрома и железа (ферронихромы) - Х15Н60, Х25Н20; тройные сплавы железа, хрома, алюминия (фехрали, хромали) - Х13Ю4, Х17Ю5. Перечисленные сплавы представляют собой твердые растворы. При нагревании на их поверхности образуется плотная защитная пленка (Сг₂О₃) и закиси никеля, которая надежно предохраняет сплав от окисления.

Проводники постоянного тока изготовляют из армкожелеза, содержащего не более 0,03 % С.

Рисунок 1 - Поперечное сечение биметаллического провода

ГЛАВА III.
ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ С БОЛЬШИМ УДЕЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ
§ 14. Общие требования
В. ряде случаев от проводниковых материалов требуется высокое удельное сопротивление и малый температурный коэффициент сопротивления. Перечисленными свойствами обладают сплавы на основе меди, никеля и марганца, а также других металлов. Из чистых металлов сюда следует отнести ртуть, так как она обладает большим удельным сопротивлением (q = 0,94 ом-мм2/м) . Наибольшее применение имеют проводниковые сплавы с большим удельным сопротивлением (q = 0,42—0,52 ом-мм2/м). Проволока и ленты из этих сплавов применяются для изготовления точных (образцовых) сопротивлений, пусковых и регулирующих реостатов, электронагревательных приборов и электрических печей сопротивления. В каждом из перечисленных случаев применения эти сплавы должны иметь дополнительные свойства, определяемые назначением прибора, в котором он используется. Так, сплавы, применяемые для изготовления точных сопротивлений, должны еще обладать малой термоэлектродвижущей силой (термо-э. д. с.) при контакте (в паре) с медью. Кроме того, они должны обеспечивать постоянство электрического сопротивления во времени. Для таких областей применения, как электронагревательные приборы, электрические печи сопротивления и другие устройства, работающие при высоких температурах (800--1100° С), требуются проводниковые материалы, могущие длительно работать при высоких температурах без заметного окисления. Этим требованиям удовлетворяют жаростойкие проводниковые сплавы.
Общим же свойством всех перечисленных сплавов является их большое удельное электрическое сопротивление, поэтому они называются сплавами высокого электрического сопротивления. Эти сплавы представляют собой твердые растворы металлов с неупорядоченной структурой . Они удовлетворяют перечисленным выше требованиям.

§ 15. Проводниковые сплавы высокого сопротивления на основе меди и никеля

Проводниковыми сплавами, применяемыми для изготовления точных (образцовых) сопротивлений, являются манганины. Они состоят из меди (Cu), марганца (Mn) и никеля (Ni). Наиболее распространенным является манганин состава: Cu 86%; Mn 12%; Ni 2%. Вообще сплавы типа манганина могут содержать: Cu 84— 86%; Mn 11—13%; Ni 2—3%.
Для стабилизации свойств в манганины вводят: серебро (0,1%), железо (0,2 + 0,5%) и алюминий (0,2 + 0,5%). Цвет манганинов светло-оранжевый. Среднее значение плотности 8,4 г/см3, температура плавления 960°С или несколько выше.
Из манганинов изготовляют мягкие и твердые сорта проволоки*. Основные характеристики мягкой (отожженной) проволоки: предел прочности при разрыве аь =45 + 50 кГ/мм2; относительное удлинение б„ = 10—20%, удельное сопротивление q = 0,42-+ + 0,52 ом-мм2/м. Основные характеристики твердой манганиновой проволоки: аь =50 + 60 кГ/мм2; бл = 5 + 9%; q = 0,43 + 0,53 ом-мм2/м. Из сплавов типа манганина изготовляют проволоку и ленту.

* ПММ — проволока манганиновая мягкая; ПМТ — проволока манганиновая твердая; ПМС — проволока манганиновая стабилизированная.

§ 16. Жаростойкие проводниковые сплавы

Для нагревательных элементов, применяемых в электронагревательных приборах и печах сопротивления, необходимы проволока и ленты, могущие длительно работать при температурах от 800 до 1200°С. Описанные ранее чистые металлы (медь, алюминий и др.), а также сплавы (манганин и константан) непригодны для этого, так как интенсивно окисляются, начиная с температуры 300— 500° С. Образующиеся на них защитные пленки окислов легко испаряются и не защищают металл от дальнейшего окисления.
Для электронагревательных приборов нужны жаростойкие проводниковые сплавы высокого сопротивления, т. е. стойкие к окислению при высоких температурах. Кроме того, эти сплавы должны обладать большим удельным сопротивлением и малой величиной температурного коэффициента сопротивления а.
Перечисленным требованиям удовлетворяют сплавы двух типов: двойные сплавы на основе никеля (Ni) и хрома (Сг), называемые нихромами, и тройные сплавы на основе никеля, хрома и железа, называемые ферронихромами. Кроме того, находят применение тройные сплавы железа, хрома и алюминия, называемые фехралями и хромалями. Эти сплавы отличаются различным содержанием составляющих их компонентов и соответственно разной жаростойкостью и электрическими характеристиками.

Иногда электроустройство должно иметь большое сопротивление, тогда применяемый материал должен обладать большим удельным сопротивлением, так как чем больше ρ, тем меньше масса металла. Таковыми являются металлы и сплавы, у которых ρ₂₀ о с не менее 0,3 мкОм . м. Чистые металлы в таких случаях применяются реже, чем сплавы. Классифицировать их можно по разным признакам, в том числе – по области применения, определяющей требования к материалам с большим сопротивлением.

Общие требования к материалам с большим сопротивлением:

1) большое удельное сопротивление (не менее 0,3 мкОм . м)

2) достаточная механическая прочность

3) технологичность, обеспечивающая возможность получения соответствующих сечений.

Другие требования – в зависимости от области применения:

I группа – точные электроизмерительные приборы и образцовые сопротивления

Дополнительные, кроме общих, требования:

4) стабильность сопротивления во времени (отсутствие явления старения, то есть изменения ρ во времени)

5) при изменениях температуры ρ не должно меняться, то есть должен быть как можно малыйТК_ρ (α_ρ)

6) термо-ЭДС этих материалов относительно меди должна быть минимальной, чтобы в измерительной схеме не возникали посторонние разности потенциалов (помехи).

Основным материалом этой группы является манганин – медно-марганцевый сплав, в состав которого могут входить также Ni, Co, Al, Fe, марка – МНМц 3-12 (медь; среднее содержание никеля 2,5 ÷ 3,5 % ; среднее содержание марганца 11,5 ÷ 13,5 %),у манганина очень малая термо-ЭДС с медью и очень маленький ТКρ.

II группа – резисторы и реостаты различных назначений

Дополнительные, кроме общих, требования:

4) повышенные требования в отношении допустимой рабочей температуры, так как при работе выделяется тепло

5) необходимы материалы низкой стоимости, так как резисторы и реостаты являются массовыми изделиями, не отличающиеся высокой точностью.

Основной материал – константан, также медно-никелевый сплав с марганцем, маркируется МНМц-40-1,5 – состоит из меди, примерно 40 % никеля и 1,5 % марганца. ТКρ у него в 10 раз меньше, чем у манганина (10 -6 1/К). Большая термо-Эдс не даёт использовать константан в измерительных приборах высокой точности, зато он хорош в термопарах. ТКρ у константана близок к нулю, но для резисторов и реостатов это не важно, ТКρ может быть большим, как и термо-Эдс. Вместо константана (который дорог из-за большого содержания никеля) в ряде случаев применяют более дешёвый нейзильбер (маркировка – МНЦ-15-20, что означает медь, в среднем 15 % никеля и 20 % цинка), у которого меньшие ρ и допустимая рабочая температура.

III группа – нагревательные приборы, нити осветительных ламп

Дополнительные, кроме общих, требования:

4) высокая рабочая температура – может быть получена при использовании материалов с высокой температурой плавления и полным отсутствием окисления или при окислении с образованием тугоплавких нелетучих окислов, предохраняющих материал от дальнейшего окисления.

Широко применяются сплавы нихром, фехраль, хромаль – они различаются разным содержанием хрома, который придаёт окислам высокую тугоплавкость, у этих сплавов высокая жаростойкость и большое удельное сопротивление.

название	состав	Содержание хрома, %	Рабочая температура, о C
Фехраль (фе + хр + ал)	Fe, 13 % Cr и 4,5 % Al	1000 о С
Нихром (ни + хром)	55-78 % Ni, 20 % Cr, Fe	1200 о С
Хромаль (хром + ал)	22 % Cr, 5 % Al, Fe	1300 о С

Нити осветительных ламп выполняют из вольфрама, ножки (держатели нити) – из молибдена, у которого со стеклом одинаковый температурный коэффициентобъемного расширения, следовательно, при работе (при нагреве) не возникает зазор между ножкой и стеклянной колбой.

IV – сплавы для термопар

При соприкосновении двух различных металлических проводников между ними возникает контактная разность потенциалов, обусловленная разной работой выхода электронов из поверхности металла. Провод, составленный из двух изолированных друг от друга проволок из различных металлов, называется термопарой. Материалы, образующие термопару, подбираются таким образом, чтобы в диапазоне измеряемых температур они обладали максимальным значением термо-ЭДС, что уменьшает погрешность измерения. Наиболее широко применяются следующие сплавы: копель (Cu-Ni), алюмель (Al-Ni с добавкой кремния и магния), хромель (Cr-Ni), платино-родий (Pt-Rh), константан (Cu-Ni).

Наибольшее применение получили термопары, которые дают наилучшие результаты при их использовании в следующих температурных диапазонах:

медь-копель хромель-копель хромель-алюмель платинородий-платина

Большими значения термо-ЭДС обладают также некоторые полупроводниковые материалы (висмут, сурьма, цинк), их тоже можно использовать. Термо-ЭДС используют не только в измерительных приборах, но и в качестве термоэлементов – на зимовках, маяках, подводных лодках, космических орбитах – нагревают, например, паяльной лампой одни спаи, на других, холодных, спаях получают электрический свет, но их КПД мал, примерно 10 % и они пока дороги.

Контактные материалы

Электрическим контактом называется поверхность соприкосновения токоведущих частей электроустановки и конструктивные приспособления, обеспечивающие само соприкосновение. Контакты бывают неподвижные, разрывные и скользящие.

Неподвижные контакты – различают цельнометаллические (сварные, паяные) и зажимные (болтовые, винтовые) соединения. Цельнометаллический контакт должен быть стабильным, с малым сопротивлением, если надо (в линии электропередач) – то должен быть механически прочным. Зажимный контакт зависит от способности материала к пластической деформации и от давления в месте контакта. Места контакта покрывают мягким (пластичным) коррозионно стойким металлом – оловом, серебром, кадмием.

Разрывные контакты служат для периодических замыканий и размыканий электрических цепей. Особенностью работы разрывных контактов является возникновение между ними электрических разрядов в виде искры или дуги. Материалы для разрывных контактов (особенно для электрических цепей с большими токами и высокими напряжениями) должны:

- обеспечивать надёжность соединения,

- обеспечивать минимальность и стабильность электрического сопротивления,

- исключать возможность обгорания контактирующих поверхностей,

- исключать возможность приваривания поверхностей друг к другу,

- исключать коррозию поверхностей контакта из-за того, что образующаяся плёнка оксидов ухудшает контакт, увеличивает сопротивление и выделение теплоты,

- иметь высокую теплопроводность, чтобы отводить тепло,

- иметь стойкость к действию механических нагрузок.

Контактные материалы для слабых токов:

чистые тугоплавкие металлы (вольфрам, мoлибден), благородные металлы (золото, серебро, платина), сплавы на их основе (золото-серебро, платина-рутений, платина-родий), металлокерамические композиции (серебро-окись кадмия, где кадмия – 12-20 %).

Контактные материалы для сильных токов:

металлокерамика– серебро с окислами кадмия, никеля, хрома, вольфрама, мoлибдена, медь с вольфрамом и кoбальтом, золото с вольфрамом и мoлибденом, медь и серебро с графитом. Медь, серебро, золото дают высокую прочность и теплопроводность, тугоплавкая фаза – механическую и электрическую стойкость, контакты не привариваются друг к другу. Используются композиции Ag-CdO; Ag-CuO; Cu-C (графит); Ag-Ni; Ag-C (графит); Ag-Ni-C; Ag-W-Ni; Cu-W-Ni.

С помощью металлокерамики в электротехнике получают не только постоянные магниты, но и контакты разной формы. Изделия получают методами порошковой металлургии, но по-разному:

- подготавливают 2 или 3 фазы, измельчают, прессуют, спекают;

- изготавливают каркас из тугоплавкого материала, спрессованный и спечённый, пропитывают серебром или медью.

Удельное сопротивление металлокерамики не больше 0,07 МкОм . м при температуре 20 о С, оно должно быть стабильным во времени и не зависеть от условий эксплуатации.

Как оформить тьютора для ребенка законодательно: Условием успешного процесса адаптации ребенка может стать.

Проводниковые материалы, применяемые в электротехнике, можно разделить на две группы. К первой группе относятся материалы с высокой удельной проводимостью, ко второй — материалы со сравнительно высоким удельным сопротивлением.

Материалы первой группы должны иметь: большую удельную проводимость, малый температурный коэффициент сопротивления, достаточную механическую прочность и устойчивость в отношении коррозии.

В зависимости от назначения материала к одним из перечисленных свойств предъявляются повышенные требования, к другим, наоборот, пониженные. Так, например, для обмоток электрических машин механическая прочность может быть допущена более низкой, чем для контактных проводов, работающих на разрыв и истирание.

Медь. Медь получила наиболее широкое распространение как проводниковый материал вследствие небольшого удельного сопротивления (ρ = 0,0175 ом•мм 2 /м), достаточной механической прочности, хорошей обрабатываемости и достаточной стойкости к коррозии.

Прокаткой или волочением из меди можно получить проволоку, шины, полосы, например клиновидного сечения для коллекторных пластин и т. д.

Обычно применяется электролитическая медь, содержащая примесей не более 0,1 %. Различают твердую, неотожженную медь марки МТ и мягкую, отожженную медь марки ММ.

Твердая медь применяется, например, для контактных проводов (электрическая тяга), коллекторных пластин (электрические машины) и т. д. Мягкая медь широко применяется для обмоточных проводов, из которых изготовляются обмотки электрических машин, и различных электромагнитных аппаратов и приборов.

Кроме чистой меди, применяются ее сплавы с другими металлами — бронзы, латунь.

Бериллиевая бронза (Вl—2,2%) применяется для токоведущих пружин, скользящих контактов, щеткодержателей.

Алюминий наряду с медью получил широчайшее применение, несмотря на то, что обладает худшими электрическими (ρ = 0,0295 ом•мм 2 /м) и механическими свойствами. Чистый алюминий — мягкий, обладает малой механической прочностью. По твердости различают мягкий алюминий отожженный марки AM и твердый неотожженный марки AT.

При применении алюминиевых проводов, взамен медных, при одинаковом сопротивлении и одинаковой длине алюминиевые провода будут иметь сечение на 60% больше медных, а вес будет составлять 48% медных.

Для проводов линий электропередач применяются алюминиевые сплавы, например алдрей, содержащий 1—1,5% (примесей Mg, Si, Fe), обладающий достаточной механической прочностью и хорошей проводимостью (ρ = 0,032 ом• мм г 1м).

Применяются также сталеалюминиевые провода, у которых поверх внутренних стальных проволок расположен наружные алюминиевые сталь (железо) обладает значительным удельным сопротивлением (р =0,13 ом•мм 2 1м) и малой стойкостью по отношению к коррозии. Поэтому сталь применяется для проводов воздушных линий только при передаче малой мощности, так как в этом случае сечение проводов определяется не электрическим сопротивлением, а их механической прочностью. Для защиты от коррозии применяется цинковое покрытие (оцинкованные провода).

Ко второй группе проводниковых материалов относятся материалы с высоким удельным сопротивлением. Это преимущественно сплавы: никель—хром—железо (нихром);железо—хром—алюминий (фехраль) и др. Они применяются для изготовления обмоток нагревательных приборов, аппаратов, реостатов. Они выдерживают высокие температуры нагрева (порядка 1 000° С). Высокое удельное сопротивление их обеспечивает возможность получения коротких и компактных обмоток.

Манганин — сплав меди 86%, марганца 12% и никеля 2%. Он обладает высоким удельным сопротивлением и малым температурным коэффициентом (порядка 1•10 5 Мград), вследствие чего применяется для изготовления шунтов, добавочных сопротивлений и образцовых катушек сопротивлений.

Припой и флюсы. Припой это сплав для пайки, которая применяется для получения электрического соединения с малым сопротивлением.

Припой должен иметь температуру плавления значительно более низкую, чем металл соединяемых деталей (проводов), для того чтобы при нагревании он плавился, а металл соединяемых деталей оставался твердым. Припой покрывает поверхность соединяемых деталей и заполняет зазоры между ними. Припой диффундирует в металл деталей, в результате промежуточный слой и соединяемые детали после остывания образуют одно целое.

Применяются мягкие оловянно-свинцовые припои, содержащие олова от 18 до 90%, и твердые медно-цинковые с содержанием меди от 36 до 55%. Для пайки алюминиевых проводов применяют цинко-оловянистый припой, содержащий цинка 56%, олова 42% и меди 2%, или цинко-алюминиевый, содержащий цинка 80%, алюминия 12% и меди 8%.

Для получения прочного и надежного соединения припоя с материалом соединяемых деталей применяют вспомогательные вещества — флюсы. Основное назначение их растворить и удалить окислы и загрязнения с поверхностей спаиваемых участков.

Читайте также: