Металлы с высоким сопротивлением

Обновлено: 28.09.2024

Удельное сопротивление сплавов

Есть много металлов и намного больше сплавов из нескольких металлов.

Самые первые искусственные сплавы в результате металлургических экспериментов, проведенных человеком, были созданы (на основе найденных археологических останков) примерно от 3000 до 2500 лет до нашей эры.

Это была прежде всего бронза, потому что металлы, из которых она состоит (медь и олово), присутствуют (в изобилии) в самородном состоянии и не требуют извлечения из руды.

Золото и серебро - металлы находящиеся в изобилии в природе, и по этой причине они известны с 5-го тысячелетия до нашей эры, поэтому их тоже очень часто смешивали, в частности, чтобы изменить цвет или твердость золота.

Теоретически существует бесконечное множество сплавов. Базовый процесс прост: достаточно нагреть два или более металлов до тех пор, пока они не достигнут соответствующей точки плавления, затем смешать их в соответствии с точными дозировками и запустить их охлаждение.

Таким образом, достаточно даже незначительно варьировать дозировку ингредиентов, чтобы создать новый сплав, который будет обладать уникальными свойствами. Кроме того, условия производства нового сплава также имеют решающее значение: достаточно, например, варьировать температуру плавления, условия обжига или даже продолжительность охлаждения.

Зависимость удельного сопротивление сплавов от их состава имеет весьма различный характер. В некоторых случаях сплав является совокупностью очень мелких кристаллов обоих металлов, входящих в сплав. Каждый металл кристаллизуется независимо от другого, то их кристаллы равномерно и вполне беспорядочно перемешаны в сплаве.

Таковы свинец, олово, цинк и кадмий, смешивающиеся в любых отношениях. Удельное сопротивление таких сплавов при различных концентрациях лежит между крайними значениями сопротивления чистых металлов, т. е. всегда меньше большего из них и больше меньшего.

На рисунке ниже изображена графически зависимость удельного сопротивления сплава цинка и олова от объемных концентраций обоих металлов.

По оси абсцисс отложены в процентах к единице объема сплава объемы олова, т. е. абсцисса 60 означает, что в единице объема сплава содержится 0,6 объема олова и 0,4 объема цинка. По оси ординат отложены величины удельного сопротивления сплава, умноженное на 10 6 .

Так как у чистых металлов температурные коэффициенты сопротивления суть величины одного порядка, близкие к коэффициенту расширения газов, то, очевидно, что и сплавы рассматриваемой группы имеют коэффициенты того же порядка.

Во многих других случаях сплавы двух металлов являются однородной массой, состоящей из небольших кристаллов, построенных из атомов обоих металлов.

Иногда такие смешанные кристаллы могут быть образованы атомами обоих металлов в любом отношении, иногда такие образования возможны лишь в определенных, областях концентрации.

Вне этих областей сплавы подобны сплавам только что рассмотренной первой группы с тем различием, что они представляют смесь кристаллов чистого металла и кристаллов смешанного типа, построенных из атомов обоего рода.

Сопротивление сплавов рассматриваемого типа обычно больше сопротивлений обоих металлов.

На рисунке ниже представлена графически зависимость от концентрации удельного сопротивления сплава золота и серебра, образующих смешанные кристаллы в любых концентрациях. Способ построения кривой такой же, как и кривой на предыдущем рисунке.

Удельное сопротивление чистого серебра на графике равно 1,5*10 -6 , чистого золота 2,0*10 -8 . Сплавляя равные объемы обоих металлов (50%), получаем сплав с удельным сопротивлением 10,4*10 -6 .

Температурные коэффициенты сопротивления у сплавов этой группы обыкновенно меньше, чем у каждого из металлов, входящих в состав сплава.

На рисунке ниже представлена графически зависимость величины температурного коэффициента сплава золота и серебра от концентрации золота.

В области концентраций от 15% до 75% температурный коэффициент сопротивления не превышает четверти того же коэффициента чистых металлов.

Важное техническое значение имеют некоторые сплавы из трех металлов.

Первый из этих сплавов манганин при надлежащей обработке имеет температурный коэффициент равный нулю, вследствие чего манганиновая проволока употребляется для изготовления точных магазинов сопротивления.

Сплав никеля, хрома, с добавками марганца, кремния, железа, алюминия (нихром) является самым распротраненным материалом для изготовления различных нагревательных элементов.

Остальные сплавы (константан, никелин, нейзильбер) применяются для изготовления регулирующих реостатов, так как они обладают значительным удельным сопротивлением и сравнительно мало окисляются в воздухе при тех довольно высоких температурах, которые часто имеют проволоки реостатов.

Подробно про трехкопонентные сплавы, наиболее часто используемые в электротехнической промышленности смотрите здесь: Материалы с высоким сопротивлением, сплавы с большим удельным сопротивлением

Конкретные значения удельных сопротивлений различных сплавов лучше всего искать в специальных справочниках или же определять экспериментально, т.к. они могут изменяться в широких пределах.

Для примера приведем значения удельного электрического сопротивления и теплопроводности сплавов Mg-Al и Mg-Zn:

В этой работе были исследованы удельное электрическое сопротивление и теплопроводность бинарных сплавов Mg – Al и Mg – Zn в диапазоне температур от 298 К до 448 К, а также проанализирована корреляция между соответствующей электропроводностью и теплопроводностью сплавов.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Материалы с высоким сопротивлением, сплавы с большим удельным сопротивлением

Для создания реостатов, изготовления точных сопротивлений, производства электрических печей и различных электронагревательных приборов зачастую необходимы проводники из материалов, обладающих высоким удельным сопротивлением и малым температурным коэффициентом сопротивления.

Данные материалы в форме лент и проволок должны желательно обладать удельным сопротивлением от 0,42 до 0,52 ом*кв.мм/м. К таким материалам и относятся сплавы на основе никеля, меди, марганца и некоторых других металлов. Особого внимания заслуживает ртуть, поскольку ртуть в чистом виде сама по себе обладает удельным сопротивлением в 0,94 ом*кв.мм/м.

Характерные свойства, требуемые от сплавов в индивидуальном плане, определяются конкретным назначением того или иного устройства, в котором этот сплав будет использован.

Например, для изготовления точных сопротивлений требуются сплавы с низкой термо-эдс, наводимой при контакте сплава с медью. Сопротивление также должно оставаться постоянным во времени. В печах и электрических нагревательных приборах недопустимо окисление сплава даже при температурах от 800 до 1100 °C, то есть здесь нужны жаростойкие сплавы.

Охватывает все эти материалы одна общая их особенность — это все сплавы с большим удельным сопротивлением, потому данные сплавы и получили название сплавов высокого электрического сопротивления. Материалы высокого электрического сопротивления, в данном контексте, являются растворами металлов, и обладают хаотичной структурой, благодаря чему и удовлетворяют предъявляемым к себе требованиям.

Для изготовления точных сопротивлений традиционно используют манганины. Манганины состоят из никеля, меди и марганца. Меди в из составе — от 84 до 86%, марганца — от 11 до 13%, никеля — от 2 до 3%. Самый же популярный из манганинов сегодня содержит 86% меди, 12% марганца и 2% никеля.

Чтобы стабилизировать манганины, в них добавляют немного железа, серебра и алюминия: алюминия - от 0,2 до 0,5%, железа — от 0,2 до 0,5%, серебра — 0,1%. Манганины имеют характерный светло-оранжевый цвет, их средняя плотность — 8,4 г/см3, а температура плавления — от 960 °С.

Манганиновая проволока диаметром от 0,02 до 6 мм (или лента толщиной от 0,09 мм) бывает твердой или мягкой. Отожженная мягкая проволока имеет прочность на разрыв от 45 до 50 кг/кв.мм, относительное удлинение составляет от 10 до 20%, удельное сопротивление — от 0,42 до 0,52 ом*кв.мм/м.

Характеристики твердой проволоки: прочность на разрыв от 50 до 60 кг/кв.мм, относительное удлинение — от 5 до 9%, удельное сопротивление — 0,43 — 0,53 ом*кв.мм/м. Температурный коэффициент проволок или лент из манганина лежит в пределах от 3*10-5 до 5*10-5 1/°С, а для стабилизированных — до 1,5*10-5 1/°С.

Приведенные характеристики указывают на то, что зависимость от температуры электрического сопротивления манганина крайне незначительна, а это фактор в пользу постоянства сопротивления, что весьма значимо для прецизионных электроизмерительных устройств. Малая термо-эдс — еще одно достоинство манганина, и при соприкосновении с медными элементами она не превысит 0,000001 вольта на градус.

С целью стабилизации электрических характеристик проволоки из манганина ее нагревают в условиях вакуума до 400 °С, и выдерживают при такой температуре в течение от 1 до 2 часов. Затем проволоку длительно выдерживают при комнатной температуре для достижения приемлемой однородности сплава и для получения стабильных свойств.

В обычных рабочих условиях такая проволока сможет быть использована при температурах до 200 °С — для стабилизированного манганина, и до 60 °С — для нестабилизированного манганина, ибо нестабилизированный манганин при нагреве от 60 °С и выше претерпит необратимые изменения, которые скажутся на его свойствах. Так, нестабилизированный манганин лучше не нагревать до 60 °С, и следует считать эту температуру максимально допустимой.

На сегодняшний день промышленностью выпускается как голая манганиновая проволока, так и проволока в высокопрочной эмалевой изоляции — для изготовления обмоток, в шелковой изоляции, и в двухслойной лавсановой изоляции.

Константан, в отличие от манганина, содержит больше никеля — от 39 до 41%, меньше меди — 60-65%, значительно меньше марганца — 1-2%, - это тоже медно-никелевый сплав. Температурный коэффициент сопротивления у константана приближается к нулю — это главное достоинство данного сплава.

Константан отличается характерным серебристо-белым цветом, температура плавления 1270 °С, плотность в среднем около 8,9 г/см3. Промышленностью выпускается константановая проволока диаметром от 0,02 до 5 мм.

Отожженная мягкая константановая проволока имеет прочность на разрыв 45 — 65 кг/кв.мм, ее удельное сопротивление — от 0,46 до 0,48 ом*кв.мм/м. Для твердой константановой проволоки: прочность на разрыв — от 65 до 70 кг/кв.мм, удельное сопротивление — от 0,48 до 0,52 ом*кв.мм/м. Термо-эдс константана в паре с медью равна 0,000039 вольта на градус, что служит ограничением для использования константана в изготовлении точных резисторов и электроизмерительных приборов.

Значительная, в сравнении с манганином, термо-эдс позволяет применять константановую проволоку в термопарах (в паре с медью) с целью измерения температур до 300° С. При температурах выше 300° С медь начнет окислятся, при этом стоит отметить, что константан начнет окисляться лишь при 500° С.

Промышленностью выпускается как константановая проволока без изоляции, так и обмоточная проволока в высокопрочной эмалевой изоляции, проволока в двухслойной шелковой изоляции, и проволока в комбинированной изоляции — один слой эмали и один слой шелка или лавсана.

В реостатах, где напряжение между соседними витками не превышает нескольких вольт, используется такое свойство константановой проволоки: если за несколько секунд проволоку нагреть до 900° С, после чего охладить на воздухе, то проволока покроется темно-серой пленкой оксида, эта пленка может служить своеобразной изоляцией, поскольку обладает диэлектрическими свойствами.

В электронагревательных приборах и в печах сопротивления нагревательные элементы в форме лент и проволок должны быть способны работать на протяжении длительных периодов времени в условиях температур до 1200 °С. К этому не годятся ни медь, ни алюминий, ни константан, ни манганин, поскольку начиная с 300 °С они уже начинают сильно окисляться, пленки окислов затем испаряются, и окисление продолжается. Здесь нужны жаростойкие проводники.

Жаростойкие проводники высокого удельного сопротивления, к тому же стойкие к окислению при нагревании, и обладающие низким температурным коэффициентом сопротивления. Это как раз про нихромы и ферронихромы — двойные сплавы никеля и хрома, и тройные сплавы никеля, хрома и железа.

Еще есть фехраль и хромаль — тройные сплавы железа, алюминия и хрома, - они в соответствии с процентным соотношением входящий в сплав компонентов — отличаются электрическими параметрами и жаростойкостью. Все это твердые растворы металлов с хаотичной структурой.

Нагрев этих жаростойких сплавов приводит к образованию на их поверхности толстой защитной пленки оксидов хрома и никеля, устойчивой к высоким температурам до 1100° С, надежно защищающей эти сплавы от дальнейшей реакции с кислородом воздуха. Так, ленты и проволоки из жаропрочных сплавов могут длительно работать при высоких температурах даже на воздухе.

Помимо главных составляющих, в сплавы входит: углерода — от 0,06 до 0,15%, кремния — от 0,5 до 1,2%, марганца — от 0,7 до 1,5%, фосфора — 0,35%, серы — 0,03%.

В данном случае фосфор, сера и углерод являются вредными примесями, повышающими хрупкость, поэтому их содержание всегда стремятся свести к минимуму, а лучше — полностью исключить. Марганец и кремний способствуют раскислению, они устраняют кислород. Никель, хром и алюминий, особенно хром, помогают обеспечить стойкость к температурам до 1200 °С.

Компоненты сплава служат повышению удельного сопротивления и снижению температурного коэффициента сопротивления, что как раз и нужно от этих сплавов. Если хрома будет более 30%, то сплав получится хрупким и твердым. Чтобы получить тонкую проволоку, например 20 мкм в диаметре, необходимо не более 20% хрома в составе сплава.

Этим требованиям отвечают сплавы марок Х20Н80 и Х15Н60. Остальные марки сплавов подойдут для изготовления лент толщиной от 0,2 мм и проволок диаметром от 0,2 мм.

Сплавы типа фехраль — Х13104, содержат в своем составе железо, от этого они получаются дешевле, но спустя несколько циклов нагрева становятся хрупкими, поэтому спирали из хромаля и фехраля при обслуживании недопустимо деформировать в остывшем состоянии, например если речь идет о спирали, длительное время работавшей в нагревательном приборе. Для ремонта следует скручивать или сращивать только разогретую до 300—400 °С спираль. Вообще, фехраль способен работать при температурах до 850 °С, а хромаль — до 1200 °С.

Нихромовые нагревательные элементы, в свою очередь, предназначены для продолжительной работы при температурах до 1100 °С в стационарных слабо динамических режимах, при этом они не потеряют ни прочности ни пластичности. Но если режим будет резко динамичным, то есть температура будет многократно резко меняться, при частых включениях и выключениях тока через спираль, защитные пленки оксидов потрескаются, кислород проникнет в нихром, и элемент со временем окислится и разрушится.

Промышленностью выпускаются как голые проволоки из жаростойких сплавов, так и проволоки в эмалевой и кремнийорганической лаковой изоляции, предназначенные для изготовления обмоток.

Особенного упоминания заслуживает ртуть, ведь это единственный металл, остающийся в жидком состоянии при комнатной температуре. Температура окисления ртути 356,9 °С, ртуть почти не взаимодействует с газами воздуха. Растворы кислот (серная, соляная) и щелочей не действуют на ртуть, однако она растворима в концентрированных кислотах (в серной, соляной, азотной). В ртути растворяются цинк, никель, серебро, медь, свинец, олово, золото.

Плотность ртути 13,55 г/см3, температура перехода из жидкого в твердое состояние -39 °С, удельное сопротивление — от 0,94 до 0,95 ом*кв.мм/м, температурный коэффициент сопротивления 0,000990 1/°С. Эти свойства позволяют использовать ртуть в качестве жидких проводящих контактов выключателей и реле специального назначения, а также в ртутных выпрямителях. При этом важно помнить, что ртуть чрезвычайно токсична.

Металлы с высоким сопротивлением

В эту группу входят сплавы, имеющие при нормальной температуре удельное электрическое сопротивление не менее 0,3 мкОм*м. При использовании этих сплавов для электроизмерительных приборов и образцовых резисторов, помимо высокого значения ρ, требуются также высокая стабильность этого значения во времени, малый температурный коэффициент ТК_ρ, малый коэффициент термоЭДС в паре сплав – медь (при изготовлении образцовых резисторов) и, наоборот, большой – при изготовлении термопар. Сплавы для электронагревательных элементов должны длительно работать на воздухе при высоких температурах (до 1000 o С и выше). Кроме того, для многих случаев применения требуется технологичность сплавов – возможность изготовления из них тонкой гибкой проволоки с диаметром в сотые доли миллиметра. Имеет значение также невысокая стоимость сплава.

Всем перечисленным требованиям удовлетворяют манганин, константан и сплавы на основе железа.

Манганин, названный так из-за наличия в нем марганца (латинское название manganum), широко применяется для изготовления образцовых резисторов, шунтов и других элементов. Примерный состав сплава: Cu – 85%; Mn – 12%; Ni – 3%. Желтоватый цвет сплава объясняется большим содержанием меди.

Манганин может протягиваться в тонкую (диаметром до 0,02 мм) проволоку; манганиновая проволока часто выпускается в эмалевой изоляции. Для обеспечения малого значения ТК_ρ и стабильности ρ манганиновую проволоку подвергают специальной термообработке (рисунок 2.15) – отжиг в вакууме при температуре порядка 550 – 600 o С в течение 1 – 2 часов с последующим медным охлаждением. Намотанные катушки резисторов дополнительно отжигаются при 200 o С, а затем длительное время (до 1 года) выдерживаются при комнатной температуре.

Рисунок 2.15 – Технология производства образцовых резисторов из манганина

Предельно допустимая рабочая температура сплава – 200 o С.

Маркировка манганина – МНМц 3-12.

Основная область использования – прецизионные резисторы. Кроме того, из манганина изготавливают датчики для измерения больших гидростатических давлений. Сопротивление манганиновой проволоки линейно возрастает с повышением давления от 0 до 1 ГПа; увеличение сопротивления в этом диапазоне давлений составляет 2,5% от начального (при отсутствии давления) значения.

► Константан

Константан – один из сплавов медно-никелевой группы с примерным содержанием 60% Cu и 40% Ni, что соответствует минимуму ТК_ρ при довольно высоком значении ρ (см. рисунок 2.5). Название «константан» объясняется значительным постоянством ρ при изменении температуры, т.е. малостью ТК_ρ.

Нагревостойкость константана выше, чем манганина: его можно использовать для изготовления реостатов и электронагревательных элементов, длительно работающих при температуре 500 o С. При быстром нагреве константановой проволоки на воздухе до температуры 900 o С на ее поверхности образуется тонкая оксидная пленка, обладающая электроизоляционными свойствами. В случае, если напряжение между витками константановой проволоки с оксидной изоляцией не превышает 1 В, ее можно плотно наматывать виток к витку без дополнительной изоляции.

Существенным отличием от манганина является высокая термоЭДС в паре с медью, а также с железом. Это исключает использование константановых резисторов в измерительных схемах, т.к. при наличии разности температур в местах контакта константановых и медных проводников возникают паразитные термоЭДС. Эти ЭДС являются источником погрешности, особенно при нулевых измерениях в мостовых и потенциометрических схемах. С другой стороны, это позволяет использовать константан в качестве термоэлектродов термопар для измерения температур до 800 o С в паре с железом и до 400 o С – в паре с медью.

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

► Сплавы на основе железа

Эти сплавы используются преимущественно для изготовления электронагревательных элементов. Высокая нагревостойкость (жаростойкость) сплавов создается введением в их состав достаточно больших количеств металлов, образующих при нагреве на воздухе практически сплошную оксидную пленку. К таким металлам относятся никель, хром и алюминий. Само железо, как уже отмечалось, окисляется достаточно легко. Поэтому, чем больше содержание железа в сплаве, например, с Ni и Cr, тем менее он жаростоек.

Сплавы системы Fe – Ni – Cr называют нихромами или (при повышенном содержании Fe) ферронихромами. Их примерный состав 55 – 78% Ni, 15 – 25% Cr, 1,5% Mn и остальное – Fe. Их механические параметры: Δl/l = 25 – 30%; σ_р = 650 – 700 МПа. Удельное электрическое сопротивление нихромов составляет 1,0 – 1,2 мкОм*м.

Сплавы системы Fe – Cr – Al, содержащие в своем составе 2 – 15% Cr, 3,5 – 5,5% Al, 0,7% Mn, 0,6% Ni и остальное – Fe, называются фехралями и хромалями. Их механические характеристики Δl/l = 10 – 20%; σ_р = 700 – 800 МПа. Удельное электрическое сопротивление 1,2 – 1,4 мкОм*м.

Условное обозначение этих сплавов состоит из букв и чисел. Буквы обозначают наиболее характерные элементы сплава, причем буква, обозначающая элемент, не всегда является первой буквой его названия; алюминий, например, обозначается буквой Ю, хром – Х, никель – Н, марганец – Г. Число соответствует приблизительному содержанию данного компонента в сплаве в массовых процентах. В начале обозначения могут указываться дополнительные цифры, соответствующие повышенному (0) или пониженному (1) качеству сплава. Так, например, обозначение 0Х25Ю5 соответствует особо жаростойкому (до 1400 o С) хромалю, т.е. сплаву с примерным содержанием 25% хрома, 5% алюминия, 70% железа. Обозначение 1Х25Ю5 – это хромаль такого же состава, но обладающий пониженной жаростойкостью – 1000 o С.

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, а именно его летучесть и температурный коэффициент линейного расширения ТК_l. Если оксид летуч, он не может защитить оставшийся металл от дальнейшего окисления. Легко улетучиваются, например, оксиды вольфрама и молибдена, поэтому такие металлы не могут работать в накаленном состоянии при доступе кислорода. Если же оксид нелетуч (как у Ni, Cr и Al), то он образует надежную защиту на поверхности металла.

Значение ТК_l оксидов перечисленных металлов является близким к значению ТК_l самого сплава железа с ними. Этим объясняется стойкость хромоникелевых и хромоалюминиевых сплавов при высокой температуре на воздухе. Растрескивание оксидных пленок происходит при резких сменах температуры; тогда при последующих нагревах кислород воздуха проникает в образовавшиеся трещины и производит дальнейшее окисление сплава. Так, при многократном кратковременном включении – отключении нагревательного элемента он перегорает значительно быстрее, чем в случае непрерывной работы при той же температуре.

На срок жизни элементов из нихрома и других жаростойких сплавов влияет также наличие колебаний значений сечения проволоки по ее длине; в местах с уменьшенным сечением элементы перегреваются и легче перегорают.

Длительность работы электронагревательных элементов из нихрома и аналогичных сплавов может быть во много раз увеличена, если исключить доступ кислорода к поверхности проволоки. В трубчатых нагревательных элементах (так называемых ТЭНах) проволоку из сплава с высоким сопротивлением помещают в трубку из стойкого к окислению металла; промежуток между проволокой и трубкой заполняют порошком диэлектрика с высокой теплопроводностью (например, магнезией MgO). При дополнительной протяжке этих трубок их внешний диаметр уменьшается, магнезия уплотняется и образует механически прочную изоляцию внутреннего проводника. Такие нагревательные элементы используются, например, в кипятильниках; они могут работать длительное время без повреждений.

Нихромы очень технологичны – их можно легко протягивать в сравнительно тонкую проволоку или ленту. Они выдерживают высокие рабочие температуры, но из-за большого содержания дорогие.

Фехрали и хромали менее технологичные, более твердые и хрупкие. Изделия из них имеют больший диаметр, но зато они гораздо дешевле. Эти сплавы используются в основном для изготовления мощных резисторов, а также в электротермической технике для электронагревательных устройств большой мощности и промышленных электрических печей.

© ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»
Редакционно-издательский центр
Отдел допечатной подготовки и программно-методического обеспечения
Уфа 2014

Введение

1 Общие сведения об электроматериалах

1.2 Особенности строения твердых тел
1.3 Элементы зонной теории твердого тела

2.1 Виды электропроводности проводниковых материалов
2.2 Основные свойства металлических проводников
2.3 Металлы высокой проводимости
2.4 Тугоплавкие металлы
2.5 Благородные металлы
2.6 Коррозионно-стойкие металлы
2.7 Некоторые другие металлы
2.8 Сплавы высокого сопротивления
2.9 Сплавы для термопар
2.10 Тензометрические сплавы
2.11 Контактные материалы
2.12 Припои и флюсы
2.13 Неметаллические проводящие материалы

3.1 Электропроводность полупроводников
3.2 Влияние внешних факторов на электропроводность полупроводников
3.3 Термоэлектрические и электротермические эффекты в полупроводниках
3.4 Гальваномагнитные эффекты в полупроводниках
3.5 Оптические и фотоэлектрические эффекты в полупроводниках
3.6 Электрические переходы
3.7 Основные полупроводниковые материалы

4.1 Поляризация диэлектриков

4.1.1 Полярные и неполярные диэлектрики
4.1.2 Механизмы поляризации
4.1.3 Влияние различных факторов на относительную диэлектрическую проницаемость

4.2.1 Электропроводность твердых диэлектриков
4.2.2 Электропроводность жидких диэлектриков
4.2.3 Электропроводность газов

4.3.1 Потери на электропроводность
4.3.2 Релаксационные потери
4.3.3 Резонансные потери
4.3.4 Миграционные и ионизационные потери (потери от неоднородности структуры)

4.4.1 Пробой газов
4.4.2 Пробой жидкостей
4.4.3 Пробой твердых диэлектриков

4.5.1 Газообразные диэлектрики
4.5.2 Жидкие диэлектрики
4.5.3 Твердые диэлектрики

4.6.1 Сегнетоэлектрики
4.6.2 Пьезоэлектрики
4.6.3 Пироэлектрики
4.6.4 Электреты
4.6.5 Жидкие кристаллы

5.1 Общие сведения о магнитных свойствах вещества
5.2 Классификация веществ по магнитным свойствам

5.3 Физическая сущность ферромагнетизма

5.3.1 Доменное строение как основа ферромагнетизма
5.3.2 Намагничивание ферромагнетиков

5.5.1 Магнитострикция и магнитоупругость
5.5.2 Влияние температуры на магнитные свойства
5.5.3 Магнитные потери

5.6.1 Постоянные магниты
5.6.2 Пермаллои

6.1 Общие сведения о компонентах радиоэлектроаппаратуры

6.2 Резисторы: классификация, основные параметры

6.2.1 Классификация резисторов
6.2.2 Основные параметры и свойства резисторов
6.2.3 Основные виды проводящих элементов резисторов
6.2.4 Магниторезисторы
6.2.5 Фоторезисторы

6.3.1 Классификация конденсаторов
6.3.2 Основные характеристики конденсаторов
6.3.3 Нелинейные конденсаторы

6.4.1 Общие сведения и основные параметры
6.4.2 Классификация диодов
6.4.3 Условное графическое обозначение диодов в схемах
6.4.4 Надежность и причины отказов полупроводниковых диодов

7.1 Краткие сведения о датчиках
7.2 Термоэлектрический эффект Зеебека
7.3 Электротермический эффект Пельтье
7.4 Эффект Холла
7.5 Магниторезистивный эффект (эффект Гаусса)
7.6 Магнитоупругий эффект
7.7 Фотоэффект
7.8 Терморезистивный эффект
7.9 Тензорезистивный эффект
7.10 Пьезоэлектрический эффект
7.11 Пироэлектрический эффект

2.3 Металлы высокой проводимости

В эту группу входят материалы с удельным электрическим сопротивлением до 0,1 мкОм*м – медь, алюминий, железо и некоторые сплавы.

► Медь

Медь занимает III место в мире по производству и потреблению. Как ЭТМ, она обладает целым рядом ценных свойств:

малое удельное сопротивление (из всех металлов только серебро обладает несколько меньшим ρ);
достаточно высокая механическая прочность;
удовлетворительная коррозионная стойкость – на воздухе даже в условиях повышенной влажности медь окисляется значительно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах;
хорошая обрабатываемость – медь прокатывается в листы и ленты толщиной до 0,005 мм и протягивается в проволоку;
легкость пайки и сварки.

Медь встречается в природе в самородном состоянии, а также в виде медных руд. Ее содержание в земной коре составляет 3*10 -3 %, поэтому медь относится к сравнительно дорогим и дефицитным материалам. Медь выпускается в виде слитков, прутков, труб и трубок катанки, листов и лент, проволоки и проводов различных видов, катодов, профилей для коллекторных пластин и других фасонных изделий. Производство меди основано на переработке сульфидных и оксидных соединений. После обогащения медной руды флотационным способом и получения медного концентрата он плавится, после чего медь, предназначенная для электротехнических целей, обязательно подвергается электролитической очистке – так называемому рафинированию. Полученные в результате электролиза катодные пластины меди переплавляют в болванки массой 80 – 90 кг, которые прокатывают и протягивают, создавая изделия требуемого поперечного сечения (рисунок 2.12).

Рисунок 2.13 – Технологические стадии производства электротехнической меди

В качестве проводникового материала используется медь марок М1 и М0, отличающихся степенью чистоты, т.е. содержания Cu. Медь марки М1 содержит 99,9% Cu, а в общем количестве примесей (0,1%) регламентируется доля кислорода – она не должна превышать 0,08% (кислород ухудшает механические свойства меди). Лучшими механическими свойствами обладает медь марки М0, в которой содержание Cu составляет 99,95%, а кислорода – не более 0,02%. Из меди марки М0 может быть изготовлена особо тонкая проволока (диаметром 0,01 мм).

При холодной протяжке получают твердую (твердотянутую) медь (МТ), которая благодаря наклепу имеет высокий предел прочности при растяжении и малое относительное удлинения перед разрывом, а также твердость и упругость; при изгибе проволока из твердой меди несколько пружинит.

Если же медь подвергнуть отжигу, т.е. нагреву до нескольких сотен градусов без доступа воздуха с последующим медленным охлаждением, то получается мягкая (отожженная) медь (ММ), которая сравнительно пластична, имеет пониженную твердость и небольшую прочность, но весьма большое удлинение при разрыве и более высокую удельную проводимость (на 3 – 5% больше, чем у марки МТ).

Твердую медь марки МТ используют там, где надо обеспечить особо высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию: для контактных проводов, шин распределительных устройств, коллекторных пластин электрических машин. Мягкую медь применяют главным образом в качестве токопроводящих элементов (жил кабелей, проводов и т.п.), т.е. там, где важны хорошая электропроводность, гибкость и пластичность, а прочность не имеет существенного значения. Ленточная мягкая медь используется для экранирования радиочастотных кабелей и т.п. изделий.

Кроме того, несмотря на большой коэффициент линейного расширения по сравнению с коэффициентом расширения стекол, медь применяется в спаях с ними благодаря следующим своим свойствам: низкому пределу текучести, мягкости и высокому коэффициенту теплопроводности. Для впаивания в стекло медному электроду придается специальная форма в виде тонкого рантика (т.н. рантовые спаи).

Удельное сопротивление меди существенно зависит от примесей, причем не только от их содержания, но и от вида примеси: например, примесь цинка, кадмия, серебра в количестве 0,5% изменяет удельное сопротивление на 5% (по сравнению с чистой медью), а аналогичное количество бериллия или фосфора – больше чем на 55%.

В тех случаях, когда проводник должен обладать повышенными механическими характеристиками и не предъявляются высокие требования к его электропроводности, используются сплавы меди с другими металлами.

Сплавы меди с цинком называются латуни. Они маркируются буквой Л и числами, характеризующими среднее значение основного и легирующих элементов, – например, латунь Л80 содержит 80% меди и 20% цинка. Если латунь легирована, помимо цинка, другими элементами, после буквы Л указывается условное обозначение этих элементов: С – свинец; О – олово; Ж – железо; А – алюминий; К – кремний; Мц – марганец; Н – никель. Цифры после букв указывают среднее содержание каждого легирующего элемента в латуни, кроме цинка, – его содержание определяется по разности от 100%. Например, в латуни ЛАН-59-3-2 содержится 59% Cu, 3% Al, 2% Ni и 36% Zn. Латуни обладают большим коэффициентом линейного удлинения при разрыве и большим значением σ_р, что обеспечивает технологические преимущества при производстве деталей штамповкой.

Медно-никелевыми называются сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является никель, образующий с медью непрерывный ряд твёрдых растворов. При добавлении никеля к меди возрастают её прочность и электросопротивление, снижается температурный коэффициент электросопротивления, сильно повышается стойкость против коррозии. Медно-никелевые сплавы хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии – из них получают листы, ленты, проволоку, прутки, трубы, штампуют различные изделия. Медно-никелевые сплавы подразделяются на конструкционные и электротехнические. Конструкционные медно-никелевые сплавы отличаются высокой коррозионной стойкостью и красивым серебристым цветом, к ним относятся мельхиор и нейзильбер. Электротехнические медно-никелевые сплавы имеют высокое электросопротивление и значительную термоЭДС в паре с другими металлами. Их применяют для изготовления резисторов, реостатов, термопар. К электротехническим медно-никелевым сплавам относятся константан, копель и другие сплавы.

Сплавы меди со всеми остальными элементами (оловом, алюминием, кремнием, бериллием и т.д.) называются бронзами. При правильно подобранном составе бронзы имеют значительно более высокие механические свойства по сравнению с чистой медью; σ_р бронз может доходить до 800 – 1350 МПа (бериллиевая бронза). Электропроводимость бронз составляет 10 – 30% от значения для чистой меди (за исключением кадмиевой бронзы, у которой удельная электропроводимость снижается сравнительно мало). Бронзы маркируются Бр, а затем, также как у латуней, указываются основные легирующие элементы и их среднее содержание в сплаве. При этом цинк обозначается Ц, фосфор – Ф, бериллий – Б, хром – Х. Например, бронза БрО10 – сплав 90% Cu и 10% Sn.

► Алюминий

Алюминий – важнейший представитель так называемых легких металлов, к которым относятся металлы с плотностью до 5000 кг/м 3 ; его плотность составляет 2600 – 2700 кг/м 3 , т.е. он примерно в 3,5 раза легче меди. Алюминий является вторым по значению (после меди) проводниковым материалом с высокой электро- и теплопроводностью. По значению удельного сопротивления алюминий занимает третье место. Поэтому замена меди алюминием не всегда возможна, особенно в радиоэлектронике. Что же касается проводов, то, если сравнить отрезки алюминиевого и медного провода одинаковой длины и сопротивления, то окажется, что алюминиевый провод, хоть и толще медного примерно в 1,3 раза, будет, тем не менее, легче в 2 раза.

Алюминий дешевле и доступнее меди, т.к. он является самым распространенным в природе металлом. Его содержание в земной коре – не менее 8%. Технология получения алюминия схожа с технологией производства меди: его получают путем электролиза глинозема и электролитического рафинирования, с помощью которого можно довести его чистоту до 99,99%. Из слитков алюминия изготавливают алюминиевую проволоку и катанку диаметром 9 – 23 мм. При этом, хотя температура плавления алюминия почти в 2 раза меньше, чем у меди, для его расплавления требуется большая затрата тепла. Это связано с тем, что алюминий имеет более высокие значения температурного коэффициента расширения, удельной теплоемкости и теплоты плавления. В результате холодной прокатки получают твердый алюминий (АТ), который имеет повышенную механическую прочность, твердость и удельное сопротивление; относительное удлинение перед разрывом составляет для него 12 – 14%. После отжига получают мягкий (отожженный) алюминий (АМ), для которого относительное удлинение составляет 30 – 33%.

Маркировка алюминия состоит из буквы А и цифры, обозначающей сотые или тысячные доли процента (после 99%) содержания алюминия. Например, особо чистый алюминий А999 содержит не менее 99,999% алюминия, остальное – примеси. Для электротехнических целей используются также марки А1 (содержание примесей менее 0,5%), АВ00 (≤ 0,03%) – для изготовления тонкой фольги (до 6 – 7 мкм), применяемой в качестве обкладок в бумажных и пленочных конденсаторах, и АВ0000
(≤ 0,004%) – специального назначения.

Алюминий весьма активно окисляется на воздухе и покрывается тонкой (порядка 0,0001 мм) оксидной пленкой Al₂O₃ с большим электрическим сопротивлением (порядка 10 14 Ом*м), предохраняющей алюминий от дальнейшей коррозии. С одной стороны, эта пленка создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов и делает невозможной пайку алюминия обычными методами (используются ультразвуковые паяльники и специальные пасты – припои); с другой стороны, она служит естественной межвитковой изоляцией (при небольших напряжениях) и используется в этом качестве в производстве электролитических конденсаторов и микросхем.

В местах контакта алюминия и меди, особенно на открытом воздухе в присутствии влаги, возникает довольно значительная гальваническая ЭДС, вызывающая коррозию металла. На поверхности контакта ток идет от алюминия к меди, и алюминий сильно разрушается коррозией. Поэтому в местах соединения алюминиевых и медных проводников устанавливаются стальные шайбы.

Алюминиевые сплавы, также как и медные, обладают повышенной механической прочностью и твердостью, и тоже делятся на электротехнические и конструкционные. Из электротехнических сплавов наиболее известен альдрей, в который, кроме алюминия, входят 0,3 – 0,5% Mg, 0,4 – 0,7% Si и 0,2 – 0,3% Fe. Выпускается в виде проволоки, которая сохраняет легкость алюминия при небольшом увеличении удельной проводимости. А по механической прочности этот сплав близок к твердотянутой меди.

Еще одним изделием из алюминия, получившим широкое применение в качестве ЭТМ, является сталеалюминиевый провод. Он представляет собой сердечник, свитый из стальных оцинкованных жил и обвитый снаружи алюминиевой проволокой. Прочность этого провода определяется стальным сердечником, а электрическая проводимость – алюминием.

► Железо

Железо (в виде стали) является наиболее дешевым и доступным металлом (содержание в земной коре около 5%), поэтому оно часто используется в качестве проводникового и конструкционного материала. Основные рудные минералы железа – магнетит, гематит, бурый железняк. Чистое железо имеет значительно более высокое по сравнению с медью и алюминием удельное сопротивление; значение ρ стали, т.е. сплава железа с углеродом и другими элементами, еще выше, но зато эти сплавы обладают высокой механической прочностью.

Поскольку сталь является хорошим ферромагнетиком, то на переменном токе в ней сильно проявляется поверхностный эффект, из-за чего активное сопротивление стальных проводников переменному току больше, чем постоянному. Кроме того, на переменном токе возникают дополнительные потери на гистерезис.

В качестве проводникового материала обычно используется мягкая сталь с содержанием углерода 0,1 – 0,15%.

Недостатком стали является малая коррозионная стойкость.

В промышленности широко используется так называемый проводниковый биметалл – стальной провод, покрытый снаружи слоем меди или алюминия. Для его производства используется два способа – горячий и холодный. При горячем способе стальную болванку помещают в форму, промежуток заливают расплавленной медью, затем прокатывают и протягивают до нужного диаметра. Холодный способ – электролитический: стальная проволока пропускается через ванну с медным купоросом. В этом случае получается более равномерное покрытие, но менее прочное сцепление; этот способ более дорогой.

Наиболее широко железо используется в сплавах высокого сопротивления.

Руководство по материалам электротехники для всех. Часть 3

Продолжение руководства по материалам электротехники. В этой части заканчиваем разбирать проводники: Углерод, Нихромы, термостабильные сплавы, припои — олово, прозрачные проводники.

Хочу сказать спасибо всем за дельные комментарии к предыдущим частям, мой список TODO растет. Если тенденция сохранится, то итоговую версию руководства в формате pdf я опубликую не в 11 части, как планировал, а отдельно 12й частью вместе со списком доработок и улучшений. Оставляйте пожелания в комментариях какие места требуют более подробного обьяснения.

Эта часть посвящена «так себе проводникам» — материалам которые проводят ток, но делают это весьма паршиво, и с этим мирятся только благодаря каким-то особым свойствам материала, которого нет у других проводников.

Углерод

С — углерод. Не совсем металл, но тоже проводник. Графит, угольная пыль — не такие хорошие проводники как металлы, но зато очень дешевые, не подвержены коррозии.

Примеры применения

Компонент резисторов. В виде пленок, в виде объемных брусков в диэлектрической оболочке.

Добавка в полимеры для придания электропроводности. Для защиты от образования статического электричества достаточно ввести в состав полимера мелкодисперсный графит, и пластик из диэлектрика становится очень плохим проводником, достаточным, что бы статический заряд с него стекал. При работе с изделиями из такого пластика они не будут прилипать и искрить, что важно при пожароопасности или работе с электроникой.

Токопроводящий лак на базе суспензии графита.

На базе полимеров, заполненных мелкодисперсным графитом, основаны различные нагреватели — пленочные электронагреватели теплых полов, греющие кабели для систем водоснабжения, нагреватели для одежды и т.д. Высокий коэффициент расширения полимеров при нагреве приводит к отрицательной обратной связи, что делает такие нагреватели саморегулирующимися и потому безопасными. При пропускании тока через такой полимер, он нагревается, от нагрева расширяется, контакт между частичками углерода в матрице из полимера ухудшается, от этого увеличивается сопротивление — уменьшается протекаемый ток, уменьшается нагрев. В итоге, устанавливается некоторая температура полимера, стабильно поддерживающаяся этим механизмом обратной связи без каких либо внешних устройств.

Нагреватель от печки лазерного принтера. Основа — фарфор, проводники — серебро. Нагреватель — углеродная композиция, покрыта для защиты слоем глазури.

Аналогично устроены полимерные самовосстанавливающиеся предохранители. Если ток через такой предохранитель превысит номинальный, от нагрева полимер в составе расширяется, и резко увеличившееся сопротивление прерывает ток через предохранитель до некоторого небольшого значения. Такие предохранители обеспечивают медленную защиту, но не требуют замены предохранителя после каждой аварии.

Угольный сварочный электрод — используется для сварки, когда от электрода требуется только поддерживать дугу не плавясь. Уголь значительно дешевле вольфрама, но менее прочен и постепенно сгорает на воздухе.

Электроды от дуговой лампы, использовавшейся для киносъемок. Марка электродов КСБ — Уголь КиноСьемочный Белопламенный неомедненный.

Медно-графитовые материалы. Получают спеканием порошка меди и графита в разных пропорциях. В зависимости от состава могут быть от чёрных как уголь до темно красных с медным блеском. Используется как материал скользящих контактов — щеток электрических приборов. Такие щетки обеспечивают низкое сопротивление вращению — хорошо скользят по контактам коллектора. Кроме того их твёрдость заметно ниже твёрдости металла коллектора, так что в процессе работы истираются и подлежат замене дешевые щетки а не дорогой ротор.

Изношенные щетки от двигателя стиральной машины. Плохой контакт щеток с коллектором — причина повышенного искрения.

Источники

Если вдруг понадобился срочно угольный электрод, например сварить термопару, самый доступный способ — вытащить центральный электрод из солевой батарейки (маркировка которой начинается с R а не LR, щелочные («алкалиновые») не подойдут). Угольный стержень из батарейки содержит в себе следы электролита, поэтому перед применением не лишнем будет промыть и прокипятить его в воде для удаления остатков электролита.

Нихромы

Для изготовления нагревателей, мощных сопротивлений требуются сплавы со следующими требованиями:

Относительно высокое удельное сопротивление — иначе нагреватель придется делать длинным и тонким, что отрицательно скажется на долговечности.
Устойчивость к окислению на воздухе. Если в колбу лампы накаливания попадет воздух, то спираль очень быстро сгорит. При высоких температурах скорости химических реакций растут, и кислород воздуха начинает окислять даже стойкие при комнатной температуре металлы.
Иметь приемлемые механические характеристики. Низкая пластичность и повышенная хрупкость негативно скажется на надежности изделия.

Нихром (55-78% никеля, 15-23% хрома) рабочая температура до 1100 °C хотя нихромы — это целый класс сплавов с небольшой разницей в составе.
Фехраль, название образовано от состава FeCrAl (12-27% Cr, 3.5-5.5% Al, 1% Si, 0.7% Mn, остальное Fe) рабочая температура до 1350 °C (Иногда называют канталом — kanthal, это не марка сплава, а торговая марка, которая стала нарицательной, как например «термос»).

Добавка хрома обеспечивает образование защитной пленки на поверхности сплава, благодаря чему нагреватели из нихрома могут длительное время работать на воздухе с высокой температурой поверхности.

Фехраль после нагрева становится ломким. Нихром после нагрева еще можно как-то гнуть. При этом фехраль дешевле нихрома, в рознице не так заметно, но ощутимо в оптовых партиях.

Нихромовая спиралька с фитилем внутри — испаритель электронной сигареты. Нихромовой струной, подогреваемой электрическим током, режут пенополистирол. Также из нихрома изготавливают термосьемники изоляции — на сегодняшний день самый надежный способ снять изоляцию с провода и не повредить токопроводящую жилу.

На удивление, достаточно трудно купить нихром в виде проволоки в небольших количествах, местные продавцы о количествах менее килограмма даже слышать не хотят. Так что, если понадобится изготовить нагревательный элемент — то проще перемотать нихром с какогонибудь неисправного тепловентилятора.

Концы нагревательных элементов обычно приваривают к тоководам или зажимают механически — винтом или опрессовкой.

Сплавы для изготовления термостабильных сопротивлений

У всех материалов есть ТКС — температурный коэффициент сопротивления, мера того, насколько изменяется сопротивление с изменением температуры. Он может быть положительным — как у металлов, с ростом температуры сопротивление растет, может быть отрицательным, как у полупроводников, с ростом температуры сопротивление падает. При изготовлении точных измерительных приборов необходимо иметь сопротивления с минимальным дрейфом номинала в зависимости от температуры. Для этого изобрели сплавы с минимальным ТКС:

Константан (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn)
Манганин (85% Cu, 11.5-13.5% Mn, 2.5-3.5% Ni)

Таблица, с указанием температурного коэффициента (обозначается как α) для различных
металлов:

Материал	Температурный коэффициент α
Кремний	-0,075
Германий	-0,048
Манганин	0,00002
Константан	0,00005
Нихром	0,0004
Ртуть	0,0009
Сталь 0,5% С	0,003
Цинк	0,0037
Титан	0,0038
Серебро	0,0038
Медь	0,00386
Свинец	0,0039
Платина	0,003927
Золото	0,004
Алюминий	0,00429
Олово	0,0045
Вольфрам	0,0045
Никель	0,006
Железо	0,00651

Если упростить, то коэффициент α говорит, во сколько раз изменится сопротивление проводника при изменении температуры на один градус Цельсия.

Припои

Пайка — это процесс соединения двух деталей при помощи припоя, материала с температурой плавления меньшей, чем у соединяемых деталей. Например, соединение двух медных проводников при помощи олова. Именно использование припоя — основное отличие от сварки, когда детали соединяются расплавом из самих себя, например стальной крюк к стальной двери приваривается при помощи стального плавящегося сварочного электрода.

Припои чаще классифицируют на две группы — тугоплавкие (температура плавления 400°С и более) и легкоплавкие. Или, иногда, на твёрдые и мягкие. Учитывая, что мягкие припои обычно легкоплавкие, то часто твёрдые припои синоним тугоплавких, а мягкие припои — легкоплавких.

В электронной технике припои используют для создания надежного электрического контакта. Основные припои в электронной технике — мягкие, на базе олова и оловянно-свинцовых сплавов. Все остальные экзотические припои рассматриваться не будут.

Олово

Sn — Олово. Основной компонент мягких припоев. Олово — относительно легкоплавкий металл, что позволяет использовать его для соединения проводников. В чистом виде не используется (см. факты). Из-за дороговизны олова (а также других причин, см. ниже), его в припоях разбавляют свинцом. Припой из 61% олова и 39% свинца образует эвтектику, такой смесью, ПОС-61 (Припой Оловянно-Свинцовый — 61% олова) паяют радиодетали на платах, провода. В менее ответственных узлах (шасси, теплоотводы, экраны и т.п.) олово в припоях разбавляют сильнее, до 30% олова, 70% свинца.

Электронные устройства долгое время паяли оловянно-свинцовыми припоями. Затем набежали экологи и заявили, что свинец — металл тяжелый, токсичный, и проблемы бы не было, если бы все эти ваши айфоны, компьютеры и прочие гаджеты не оказывались на свалке, откуда свинец попадает в окружающую среду. Поэтому придумали серию бессвинцовых припоев, когда олово разбавлено висмутом, или вовсе используется в чистом виде, стабилизированное добавками, например, серебра. Но эти припои дороже, хуже по характеристикам, более тугоплавкие. Поэтому оловянно-свинцовые припои надолго останутся в ответственных изделиях военного, космического, медицинского применения.

Кроме того, бессвинцовые припои склонны к образованию «усов». Оловянные усы — длинные тонкие кристаллы, вырастающие из оловянного припоя — причина отказов и сбоев аппаратуры. К сожалению, присадки в припои не позволяют на 100% прекратить рост «усов», поэтому оловянно-свинцовые припои, как проверенные временем, используются в критичных системах — космос, медицина, военка, атомные применения. Подробнее про усы.

Факты об олове

Чистое олово подвержено «оловяной чуме», когда при температурах ниже 13,2 °C олово меняет свою кристаллическую решетку, превращаясь из блестящего металла в серый порошок (как при нагревании алмаз превращается в графит). Согласно байкам, оловянная чума — одна из причин поражения Наполеоновской армии в условиях суровых российских городов (представьте, как на морозе ваши пуговицы, ложки, вилки, кружки превращаются в серый порошок). И вполне состоявшийся факт, что оловянная чума стала одной из причин которая погубила экспедицию Скотта — консервные банки, емкости с топливом были пропаяны оловом и на морозе просто развалились. Небольшая добавка висмута практически устраняет оловянную чуму.
Олово проводит электрический ток в 7 раз хуже меди.
Олово используется как защитное покрытие консервных банок — луженая жесть при контакте с пищей не делает её опасной. (но так как олово правее железа в ряду напряженности металлов, лужение не защищает железо от коррозии гальванически, как цинк, который левее железа в ряду напряженности. Как работает гальваническая защита можно прочитать по ссылке).
До широкого распространения алюминия, фольгу делали из олова, её называли «станиоль» (от stannum — латинское навание олова).
Не пытайтесь отремонтировать ювелирные украшения при помощи мягких оловянных и оловянно-свинцовых припоев. Прочность соединения будет неприемлемой, а наличие легкоплавкого припоя на поверхности осложнит нормальную пайку твёрдыми припоями.

Легкоплавкие припои

На базе сплавов с содержанием олова были разработаны легкоплавкие припои. И даже очень легкоплавкие припои, которые плавятся в горячей воде. Хороший список сплавов есть в Википедии.

Катушки и прутки оловянно-свинцовых припоев. Проволока из припоя содержит центральный канал с флюсом, облегчающим процесс пайки.

Основные припои для радиоаппаратуры

ПОС-61 — 61% олова, остальное — свинец. Температура плавления (ликвидус) 183 °C. Есть множество сходных по составу и по свойствам импортных припоев, в которых пропорции компонентов отличаются на пару процентов, например Sn60Pb40 или Sn63Pb37.
ПОС-40 — 40% олова. Остальное — свинец. Температура плавления (ликвидус) 238 °C Менее прочный, более тугоплавкий, неэвтектический (плавится не сразу, есть диапазон температур при котором припой больше походит на кашу). Но благодаря тому, что чуть ли не в два раза дешевле (олово дорогое), применяется для неответственных соединений — пайка экранов, шин. Аналогичны припои ПОС-33 (температура плавления 247С), ПОС-25 (температура плавления 260С), ПОС-15 (температура плавления 280С).
Бессвинцовые припои. Для пайки медных водопроводных труб горелкой чаще всего используют мягкий припой с 3% меди (Sn97Cu3). Он не содержит свинца, потому пригоден для питьевой воды. По экологическим причинам современную электронику на заводах паяют в основном бессвинцовыми припоями. Хорошая статья.

Сплав Розе: 25% Sn, 25% Pb, 50% Bi. Температура плавления +94 °C.
Сплав Вуда: 12,5% Sn, 25% Pb, 50% Bi, 12.5% Cd Температура плавления +68,5 °C.

Если спаять подпружиненные контакты легкоплавким припоем, то получится простой и надежный термопредохранитель, при превышении температуры припой плавится и контакты разрывают цепь. Правда, предохранитель получится одноразовым. Во многих советских телевизорах в блоке строчной развертки была защита из обычной стальной спиральной пружинки, припаянной на легкоплавкий припой. При перегреве, в том числе от большого тока через пружинку, она отпаивалась и отрывалась. Предохранители такого типа очень хороши как защита от пожара.

Прочие проводники

Термопарные сплавы

Для изготовления термопар используют сплавы стойкие к высоким температурам, но при этом обладающие высокой ТермоЭДС. Подробнее про термопары можно прочитать в соответствующей литературе.

Оксид Индия-Олова

Оксид Индия — Oлова (Indium tin oxide или сокращённо ITO) — полупроводник, но обладает невысоким сопротивлением, а самое главное, пленка из оксида индия-олова прозрачна.

Это свойство используется при производстве ЖК дисплеев, сетка электродов на поверхности стекла нанесена именно из оксида индия-олова. Также резистивные touch панели имеют прозрачное проводящее покрытие.

Пленка ITO едва видна в отражении, чтобы хоть как то она была заметна пришлось разобрать ЖК дисплей:

Стекла от ЖК индикатора электронных часов. Индикатор подключался к электронной схеме через токопроводящую резинку, гребенка контактов видна в нижней части стекла.

На просвет проводящая пленка не видна

На удивление, сопротивление пленки довольно низкое.

На этом мы закончили проводники. В следующей части начнем обзор диэлектриков

Ссылки на части руководства:

1: Проводники: Серебро, Медь, Алюминий.
2: Проводники: Железо, Золото, Никель, Вольфрам, Ртуть.
3: Проводники: Углерод, нихромы, термостабильные сплавы, припои, прозрачные проводники.
4: Неорганические диэлектрики: Фарфор, стекло, слюда, керамики, асбест, элегаз и вода.
5: Органические полусинтетические диэлектрики: Бумага, щелк, парафин, масло и дерево.
6: Синтетические диэлектрики на базе фенолформальдегидных смол: карболит (бакелит), гетинакс, текстолит.
7: Диэлектрики: Стеклотекстолит (FR-4), лакоткань, резина и эбонит.
8: Пластики: полиэтилен, полипропилен и полистирол.
9: Пластики: политетрафторэтилен, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат и силиконы.
10: Пластики: полиамиды, полиимиды, полиметилметакрилат и поликарбонат. История использования пластиков.
11: Изоляционные ленты и трубки.
12: Финальная

Читайте также: