Билет № 25. Сплавы высокого сопротивления. Назначение и основные требования, предъявляемые к ним.

Наиболее часто сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления:

- резисторов;

- электронагревательных приборов (электроплиток, электрических чайников, паяльников и т.п.);

- термопар.

При этом желательно, чтобы эти материалы были де­шевыми и по возможности не содержали дефицитных компонентов.

Сплавы для резисторов. От сплавов для резисторов, помимо высокого удельного сопротивления ρ, требуются высокая стабильность ρ во вре­мени, малый температурный коэффициент удельного сопротивления ТК_ρ (малая зависимость ρ от температуры) и малый коэффициент термо-ЭДС в паре данного сплава с медью. Наиболее полно этим условиям удовлетворяют два сплава: манганин и константан.

Манганин. Широко применяемый для изготовления образцовых резисторов сплав. Примерный состав его: Сu —85 %, Мn —12 %, Ni — 3 %; название происходит от наличия в нем марганца (латинское manganum). Значение ρ манганина 0,42 - 0,48 мкОм∙м; ТК_ρ весьма мал, (5 - 30)∙10^-6 К^-1; коэффициент термо-ЭДС в паре с медью всего лишь 1 - 2 мкВ/К. Манганин может вытягиваться в тонкую (диаметром до 0,02 мм) проволоку; часто манганиновая проволока выпускается с эмалевой изоляцией. Для обеспечения малого значения ТК_ρ и стабильности ρ во времени манга­ниновая проволока подвергается специальной термообработке (отжиг в вакууме при температуре 550 - 600 °С с последующим медленным охлаждением; намотанные катушки иногда дополнительно отжи­гаются при 200 ^оС. Длительно допустимая рабочая тем­пература сплавов манганина не более 200 °С; механические свойства: σ_р = 450 - 600 МПа, l /l = 15 - 30 %. Плотность манганина 8 400 кг/м³.

Константан - сплав, содержащий около 60 % меди и 40 % никеля; этот состав отвечает минимуму ТК_ρ в системе Сu - Ni при довольно высоком значении ρ. Название «кон­стантан» объясняется значительным постоянством ρ при изменении температуры (ТК_ρ составляет минус (5 - 25)∙10^-6 К^-1 при ρ = 0.48 - 0,52 мкОм∙м). По механическим свойствам константан близок к манганину (σ_р = 400 - 500 МПа, l /l = 20 - 40 %). Его плотность 8 900 кг/м³.

Нагревостойкость константана выше, чем манганина: константан можно применять для изготовления реостатов и электронагреватель­ных элементов, длительно работающих при температуре 450 °С.

Существенным отличием константана от манганина является высо­кая термо-ЭДС в паре с медью: его коэффициент термо-ЭДС 45 - 55 мкВ/К. Это является недостатком при использовании константановых резисторов в измерительных схемах: при наличии разности температур в местах контакта константановых проводников с мед­ными возникают термоэлектродвижущие силы, которые могут явиться источником ошибок, особенно при мостовых и потенциометрических методах измерений.

Широкому применению константана препятствует также большое со­держание в его составе дорогого и дефицитного никеля.

Сплавы для электронагревательных приборов. Основное требование, применяемое к таким материалам – высокая нагревостойкость, т.е. способность длительно работать при повышенных температурах не окисляясь кислородом воздуха. Для выполнения этого условия в них вводят достаточно большое количество металлов, имеющих высокое значение объемного коэффициента оксидации и образующих при нагреве на воздухе практически сплошную оксидную пленку. Такими металлами являются никель, хром и алюминий. Что касается железа, то оно имеет объемный коэффициент оксидации меньше единицы и потому при нагреве легко окисляется; чем больше содержание железа в сплаве, например, с Ni и Сr, тем менее нагревостоек этот сплав.

Сплавы системы Fe - Ni - Сr называются нихромами или (при повышенном содержании Fe) ферронихромами; сплавы системы Fe - Сr - Al называются фехралями и хромалями.

Помимо скорости окисления того или иного чистого металла или компонента сплава большое влияние на срок жизни нагревательного элемента, работающего на воздухе, оказывают свойства образу­ющегося оксида. Если он летуч, то он удаляется с поверхности ме­талла и не может защитить оставшийся металл от дальнейшего окис­ления. Так, оксиды вольфрама и молибдена легко улетучиваются, а потому эти металлы не могут работать в накаленном состоянии при доступе кислорода.

Стойкость хромо-никелевых сплавов при высокой температуре в воздушной среде объясняется близкими значениями температурных коэффициентов линейного расширения этих сплавов и их оксидных пленок. Поэтому растрескивание оксидных пленок имеет место только при резких сменах температуры; тогда при последующих нагревах кислород воздуха будет проникать в образовавшиеся трещины и производить дальнейшее окисление сплава. Поэтому при многократном кратковременном включении электронагрева­тельного элемента из нихрома он может перегореть значительно скорее, чем при непрерывной работе элемента при той же темпе­ратуре.

Срок жизни элементов из нихрома и других нагревостойких сплавов существенно укорачивается также при наличии колебаний сечения проволоки: в местах с уменьшенным сечением («шейки») нагревательные элементы перегреваются и легче перегорают.

Длительность работы электронагревательных элементов из ни­хрома и аналогичных сплавов может быть во много раз увеличена при исключении доступа кислорода к поверхности проволоки. В труб­чатых нагревательных элементах спираль из сплава высокого со­противления проходит по оси трубки из стойкого к окислению металла; промежуток между проволокой и трубкой заполняется порошком диэлектрика с высокой теплопроводностью (например, магнезией MgO). При дополнительной протяжке такой трубки ее внешний диаметр уменьшается, магнезия уплотняется и образует механически прочную изоляцию внутреннего проводника. Такие нагревательные элементы применяются, например, в электрических кипятильниках, где они могут работать весьма длительно без повре­ждений.

Нихромы весьма технологичны, их можно легко протягивать в срав­нительно тонкую проволоку или ленту, они имеют высокую рабочую температуру. Однако, как и в константане, в этих сплавах велико содержание дорогого и дефицитного компонента - никеля.

Хромо-алюминиевые сплавы (фехраль, хромаль) намного де­шевле нихромов, так как хром и алюминий сравнительно дешевы и легко доступны. Однако эти сплавы менее технологичны, более тверды и хрупки, из них могут быть получены проволоки и ленты лишь большего поперечного сечения, чем из нихромов. Поэтому эти сплавы в основном используются в электротермической технике для электронагревательных устройств большой мощности и промышлен­ных электрических печей.

Cплавы для термопар.

Для изготовления термопар применяются следующие сплавы: копель (56% Cu и 44% Ni), алюмель (95% Ni, остальное Al, Si и Mg), хромель (90% Ni и 10% Cr), платинородий (90% Pt и 10% Rh).

Термопары могут применяться для измерения следующих температур: платинородий - платина - до 1600 °С, хромель - копель - до 600 °С, хромель - алюмель - до 1100 °С.

Билет № 26. Термоэлектродвижущая сила (термо ЭДС). Причины появления и практическое применение.

При соприкосновении двух различных металлов 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:

, (6.3)

где U_А и U_В - потенциалы соприкасающихся металлов; n_оА и n_оВ - концентрации электронов в металлах А и В; k – постоянная Больцмана; e – заряд электрона.

На практике явление Термо-ЭДС широко используется при изготовлении термопар – приборов для измерения температуры. Принципиальная схема термопары представлена на рис. 6.5.

Рис 6.5 Схема термопары

Два проводника, выполненные из металлов А и В соединяются между собой посредством сварки образуя горячий спай (на рис. 6.5 горячий спай имеет температуру Т₁). С другой стороны проводники соединяются между собой через электроизмерительный прибор (mV) образуя холодный спай с температурой Т₂.

Если температуры горячего и холодного спаев одинаковы (Т₁ = Т₂), то сумма разностей потенциалов в замкнутой цепи из двух (или большего числа) металлов равна нулю. Если же один из спаев имеет температуру Т₁, а другой Т₂, причем Т₁  Т₂, между спаями возникает термо-ЭДС, равная:

, (6.4)

что можно записать в виде

, (6.5)

где ψ - постоянный для данной пары проводников коэффициент термо-ЭДС. Как следует из формулы (6.5) термо-ЭДС будет пропорциональна разности температур спаев. Измерение температуры посредством термопары будет состоять в следующем: горячий спай помещается в исследуемую область, температура которой отличается от температуры окружающей среды (температуры холодного спая). В цепи появляется термо-ЭДС и электроизмерительный прибор показывает его величину U. Зная материал термопары (ψ) и температуру холодного спая Т₂ можно определить искомую температуру горячего спая Т₁.