3.5. Биметаллические проводники

В некоторых электротехнических конструкциях (контактные подвески, шины распределительных устройств, разрывные контакты и др.) применяют биметаллические проводники. Биметаллический провод для электрифицированного транспорта представляет собой стальную проволоку круглого, овального или прямоугольного сечения, снаружи покрытую слоем меди или алюминия. При этом оба металла соединены друг с другом прочно и непрерывно по всей поверхности соприкосновения. Медная или алюминиевая оболочка осуществляет электропроводность, стальная сердцевина обеспечивает повышенную прочность на растяжение. Такой провод при температуре до 200С разупрочняется меньше, чем сплошной медный, поэтому допускает значительно большие токовые нагрузки. Поскольку биметаллический провод позволяет повысить его натяжение, можно увеличить расстояние между опорами.

Вследствие того, что сталеалюминиевый провод легче медного, он имеет меньшую стрелу провеса, что обеспечивает лучший токосъем при больших скоростях движения. Однако у алюминия в месте контакта с токосъемником происходит искрение, поэтому предпочтение отдается сталемедному проводу.

3.6. Материалы высокого электросопротивления

Этими материалами являются металлические сплавы, образующие твердые растворы, некоторые оксиды, силициды и карбиды, а также чистые металлы в очень тонких слоях. Они должны быть высокостабильными, должны иметь удельное сопротивление не ниже 0,3 мкОм∙м и малую термоЭДС.

Сплавы «твердые растворы» широко применяют для изготовления различных термопар, шунтов, реостатов, электронагревательных элементов и т. п. Материалы для нагревательных элементов должны иметь высокую нагревостойкость, т. е. должны работать на воздухе при температуре около 1000С без заметного ухудшения своих свойств и должны быть технологичными для получения тонких гибких проволок. По назначению эти сплавы разделяют на резистивные и нагревостойкие.

Резистивные сплавы широко используют в производстве проволочных резисторов, шунтов, реостатов, термопар и т. п.

Манганин – сплав меди, никеля и марганца (табл. 8), хорошо протягивается в проволоку: неизолированную выпускают диаметром от 0,02 до 6,0 мм, а микропровод в стеклянной изоляции производят диаметром в несколько микрометров. Проволоку выпускают в твердом и мягком (отожженном) состоянии. Манганин хорошо прокатывается в ленту толщиной 0,01 – 1,0 мм, шириной – 10 – 300 мм.

Таблица 8

Состав и свойства сплавов

Марка сплава	Содержание элементов, %			Электросопротивление при 20С, Ом∙мм2/мм	Максимальная рабочая температура, С
	Ni	Mn	сумма примесей
МНМц3-12 Манганин	2,5 – 3,5	11,5 – 13,5	 0,9	0,43	200
МНМц40-1,5 Константан	39 – 41	1 – 2	 0,9	0,48	500
МНМц43-0,5 Копель	42,5 – 44	0,1 – 1,0	 0,6	0,50	500

Константан – сплав меди, никеля и марганца. Содержание примесей, как и в манганине, – не более 0,9 %. Константан имеет высокие механические свойства и хорошо поддается пластическому деформированию. Его протягивают в проволоку и прокатывают в ленту тех же размеров, что и манганин. Нагревостойкость выше, чем у манганина, и его используют в реостатах и нагревательных элементах при температуре до 450 – 500С (см. табл. 8).

При быстром нагреве константановой проволоки на воздухе до 900С на ее поверхности образуется тонкая пленка окисла, обладающая электроизоляционными свойствами. Такую проволоку можно наматывать плотно (виток к витку) без дополнительной изоляции, если напряжение между витками не превышает 1 В. В паре константана с медью и железом возникает высокая термоЭДС (40 – 50 мкВ/К), что затрудняет использование константановых резисторов в точных измерительных схемах. Однако это свойство используют для изготовления медно-константановых и железо-константановых термопар.

К этой же группе относится сплав меди, никеля и марганца, называемый копелем (см. табл. 8).

Нагревостойкие сплавы – сплавы на основе железа, никеля, хрома, алюминия, называемые нихромы, ферронихромы, фехрали и т. п., используются для изготовления нагревательных элементов. Высокая нагревостойкость названных сплавов обусловлена образованием на их поверхности сплошной тонкой окисной пленки.

Сплавы «твердые растворы» обладают высоким электросопротивлением и являются нагревостойкими сплавами для нагревательных элементов. Электросопротивление твердых растворов повышается и достигает максимума при определенном соотношении компонентов. Структура твердого раствора обеспечивает высокую способность к пластической деформации. Из этих сплавов можно получать тонкие листы и проволоку. Кроме высокого электросопротивления твердые растворы должны обладать окалиностойкостью и достаточной прочностью для сохранения формы нагревателей в процессе работы.

Сплавы системы «железо – никель – хром» (нихромы) содержат 55 – 80 % никеля, 15 – 25 % хрома, до 1,5 % марганца и остальное – железо. Марка этих сплавов: Х20Н80 (никеля – порядка 80 %), для удешевления нихрома часть никеля заменяют железом. Данные сплавы называют ферронихромами – Х15Н60. Удельное сопротивление этих сплавов – 1,0 – 1,2 мкОм∙м и рабочая температура – 1000 – 1100С. Ферронихром ХН20ЮС (20 % никеля) имеет максимальную рабочую температуру 875С и может быть заменителем ферронихрома Х15Н60.

Фехрали и хромали – жаростойкие сплавы системы «железо – хром – алюминий», содержащие 12 – 15 % хрома, 3,5 – 5,5 % алюминия, 0,7 % марганца, 0,5 % никеля и остальное – железо. Их удельное сопротивление – 1,2 – 1,4 мкОм∙м. Эти сплавы более твердые и хрупкие, чем нихромы, и значительно дешевле их. Сплав Х13Ю4 – фехраль – имеет максимальную рабочую температуру 900С, электросопротивление – 1,24 – 1,34 мкОм∙м. Сплавы 0Х23Ю5 и 0Х27Ю5 – хромали – имеют рабочую температуру до 1200С. Чем выше содержание в сплавах хрома и алюминия, тем выше окалиностойкость и рабочая температура нагревательного элемента. Количество углерода в этих сплавах строго ограничено (0,06 – 0,12 %).