МАТЕРИАЛЫ С ВЫСОКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ
В качестве материалов с высоким сопротивлением используют металлические сплавы типа твердых растворов замещения, металлические и угольные пленки, проводниковые композиции.
Материалы высокого сопротивления по назначению разделяются:
1) на проводниковые резистивные материалы,
2) пленочные резистивные материалы,
3) материалы для термопар.
1) Проводниковые резистивные материалы разделяют на сплавы для проволочных резисторов (манганин, константан) и для электронагревательных элементов (нихром, фехраль, хромаль).
а) К проволочным резистивным материалам предъявляются следующие требования:
удельное электрическое сопротивление р при нормальной температуре не менее 0,3 мкОм-м и высокая стабильность его значения во времени;
малый температурный коэффициент термоЭДС в паре сплава с медью;
малый температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТКr;
технологичность.
В отличие от материалов с высокой проводимостью (чистых металлов) резистивные материалы представляют собой в основном сплавы с заметно деформированной кристаллической решеткой, что характерно для твердых растворов металлов.
Для получения проволоки разного диаметра, применяемой для изготовления проволочных резисторов различного назначения, наибольшее распространение получили сплавы на основе меди и никеля. Важнейшие электрические характеристики этих сплавов зависят от процентного соотношения меди и никеля.
Константан
Константин представляет собой твердый раствор никеля и меди (до 60%), получивший свое название за высокое постоянство коэффициента удельного электрического сопротивления rэ (константа) при изменении температуры.
Обладает высокой нагревостойкостью, предельно допустимая температура при длительной работе достигает 500°С. При нагревании до высоких температур (примерно 900°С) константан окисляется с образованием оксидной изолирующей пленки. Это позволяет применять константан для изготовления реостатов, резисторов и электронагревательных элементов без специальной межвитковой изоляции. Однако в паре с медью константан создает сравнительно высокую термоЭДС, что затрудняет использование константановых резисторов в точных измерительных схемах. Но это же свойство константана позволяет использовать его в паре с медью или железом для изготовления термопар. Константан применяют для изготовления потенциометров, гасящих резисторов.
Широкому применению константана препятствует его повышенная стоимость из-за большого содержания в нем дефицитного никеля.
Манганин
Манганин сравнительно пластичный сплав, получивший свое название из-за содержания в нем марганца. Его состав входит медь (до 85%), марганец, никель.
Для обеспечения малого значения температурного коэффициента удельного электрического сопротивления ТКr и стабильности коэффициента удельного электрического сопротивления r манганин подвергают отжигу в вакууме при температуре примерно 550...600°С в течение 10 ч с последующим медленным охлаждением.
При температуре 60°С манганиновая проволока начинает окисляться, поэтому ее применяют в стеклянной изоляции, которая отличается высокими электроизоляционными свойствами, повышенной нагрево- и влагостойкостью.
Микропровод используют для конструирования миниатюрных высокоточных элементов, в том числе прецизионных резисторов больших номиналов.
К недостаткам манганинового микропровода относят невысокую воспроизводимость характеристик и пониженную гибкость из-за хрупкости стеклянной изоляции.
б) К сплавам для электронагревательных элементов предъявляются следующие требования: высокий коэффициент удельного электрического сопротивления r, малый температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТКr, длительная работа на воздухе при высоких температурах (иногда до 1000°С и даже выше), технологичность, невысокая стоимость и доступность компонентов.
К нагревостойким сплавам относят сплавы на основе железа, никеля, хрома и алюминия. Высокая нагревостойкость этих сплавов достигается благодаря введению в их состав достаточно большого количества металлов, которые образуют при нагреве на воздухе сплошную оксидную пленку.
Нихромы
Нихромы представляют собой твердые растворы никель-хром (Ni-Cr) или тройные сплавы никель-хром-железо (Ni-Cr-Fe).
Железо вводится в сплав для обеспечения лучшей обрабатываемости и снижения стоимости, но в отличие от никеля и хрома железо легко окисляется, что приводит к снижению нагревостойкости сплава; содержание хрома придает высокую тугоплавкость оксидам. Близость значений температурных коэффициентов линейного расширения ТКl этих сплавов и их оксидных пленок повышает стойкость хромоникелевых сплавов при высокой температуре воздуха. Растрескивание оксидных пленок происходит при резких сменах температуры. В результате кислород воздуха проникает в образовавшиеся трещины и продолжает процесс окисления. Поэтому при многократном кратковременном включении электронагревательного элемента из нихрома он перегорает значительно быстрее, чем в случае непрерывной работы при той же температуре. Для увеличения срока службы трубчатых нагревательных элементов нихромовую проволоку помещают в трубки из стойкого к окислению металла и заполняют их диэлектрическим порошком с высокой теплопроводностью. Такие нагревательные элементы применяют, например, в электрических кипятильниках, которые могут работать длительное время.
Нихромовая проволока применяется для изготовления проволочных резисторов, потенциометров, паяльников, электропечей и пленочных резисторов интегральных схем.
Как и константаны, нихромы содержат большое количество дорогого дефицитного никеля.
2) Пленочные резистивные материалы получают из исходных материалов в процессе получения самих резистивных пленок. Свойства таких резистивных пленок значительно отличаются от свойств исходных материалов. Тонкие резистивные пленки наносят на изоляционные основания (подложки) методом термического испарения в вакууме; катодным, реактивным и ионоплазменным распылением, электрохимическим и химическим осаждением и др. В качестве оснований используют стекло, керамику, ситалл, поликор, слоистые пластики и др.
К материалам, применяемым для изготовления пленочных резисторов, предъявляются следующие требования: возможность изготовления стабильных во времени резисторов с низким температурным коэффициентом удельного электрического сопротивления ТКr, хорошая адгезия к подложкам, высокая коррозионная стойкость и устойчивость к длительному воздействию высокой температуры.
Адгезия – способность материалов сцепляться друг с другом.
В зависимости от исходных материалов пленочные резисторы разделяют на металлопленочные и металлооксидные, композиционные, углеродистые.
Для изготовления металлопленочных и металлооксидных резисторов применяют тугоплавкие металлы тантал, титан, никель, хром, палладий, рений, вольфрам и сплавы на их основе.
3) Материалы для термопар
Для термопар применяют чистые металлы и различные сплавы с высоким электрическим сопротивлением.
Материалы для термопар выбирают по следующим характеристикам:
допустимая рабочая температура спая Тсп;
удельный коэффициент электрического сопротивления r;
температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТКr;
коэффициент термоЭДС.
Для изготовления термопар чаще всего используют сплавы, приведенные в табл. 2.
Таблица 2
Параметр
| Копель
| Хромель
| Платинородий
| Алюмель
| Состав сплава
| 44%Ni
56%Cu
| 90%Ni
10%Cr
| 90%Pt
10%Rh
| 95%Ni
5%(Al,Si,Rh)
| Удельное электрическое сопротивление, мкОм×м
| 0,465
| 0,66
| 0,19
| 0,305
|
Термопары могут применяться для измерения следующих температур: до 350°С - медь-константан, медь-копель; до 600°С - железо-константан, железо-копель, хромель-копель; до 900...1000°С -хромель-алюмель; до 1600°С - платинородий-платина. Для измерения криогенных температур можно использовать термопару железо-золото.
Термопара
Термопара - провод, составленный из двух изолированных друг от друга проволок из различных металлов или сплавов, может быть использован для измерения температур.
![](https://konspekta.net/stydopediaru/baza1/3690768638376.files/image053.gif)
Рис. 8. Схема термопары
При соприкосновении двух различных металлических проводников между ними возникает контактная разность потенциалов. Причина появления этой разности потенциалов заключается в различии значений работы выхода электронов из различных металлов, а также в том, что концентрация электронов, а, следовательно, и давление электронного газа у разных металлов и сплавов могут быть неодинаковыми. Из электронной теории металлов следует, что контактная разность потенциалов между металлами А и В, равна:
, (11)
где UА, UВ - потенциалы соприкасающихся металлов; nA, nB - концентрации электронов в металлах А и В; k - постоянная Больцмана, е - заряд электрона.
Если температуры «спаев» одинаковы, то сумма разностей потенциалов в замкнутой цепи равна нулю. Когда один из спаев имеет температуру Т1, а другой — температуру T2. (рис. 8), то между спаями возникает термоЭДС , равная
, (12)
где с — постоянный для данной пары проводников коэффициент термоЭДС, т. е. термоЭДС должна быть пропорциональна разности температур спаев.
Фактически соотношение (12) соблюдается не всегда и зависимость термоЭДС от разности температур спаев может быть не строго линейной.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1. Определение зависимостей удельного электрического сопротивления и его температурного коэффициента проводниковых материалов от температуры.
2. Определение зависимостей удельного электрического сопротивления и его температурного коэффициента медно-никелевых сплавов от состава.
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|