Сопротивление металлов и сплавов
Обновлено: 24.04.2024
Приведенная ниже таблица удельного электрического сопротивления содержит значения удельного сопротивления для многих веществ, широко используемых в электрике и электронике. В частности, она включает в себя удельное сопротивление меди, алюминия, нихрома, стали, никеля и так далее.
Удельное электрическое сопротивление особенно важно, поскольку оно определяет электрические характеристики и, следовательно, пригодность материала для использования во многих электрических компонентах. Например, можно увидеть, что удельное сопротивление меди, удельное сопротивление алюминия, а также нихрома, никеля, серебра, золота и т.д. определяет, где эти металлы используются.
Для того чтобы сравнить способность различных материалов проводить электрический ток, используются показатели удельного сопротивления.
Что означают показатели удельного сопротивления?
Для того чтобы иметь возможность сравнивать удельное сопротивление различных материалов, от таких изделий, как медь и алюминий, до других металлов и веществ, включая висмут, латунь и даже полупроводники, необходимо использовать стандартное измерение.
Единица измерения удельного сопротивления в Международной системе единиц (СИ) — Ом·м.
Единица измерения удельного сопротивления в системе СИ равна такому удельному сопротивлению вещества, при котором однородный проводник длиной 1 м с площадью поперечного сечения 1 м 2 , изготовленный из этого вещества, имеет сопротивление, равное 1 Ом. Соответственно, удельное сопротивление произвольного вещества, выраженное в единицах СИ, численно равно сопротивлению участка электрической цепи, выполненного из данного вещества, длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м 2
[1]
Таблица удельного сопротивления для распространенных проводников
В таблице ниже приведены показатели удельного сопротивления для различных материалов, в частности металлов, используемых для электропроводности.
Показатели удельного сопротивления приведены для таких “популярных” материалов, как медь, алюминий, нихром, сталь, свинец, золото и других.
| Материал | Удельное сопротивление, ρ, при 20 °C (Ом·м) | Источник |
|---|---|---|
| Латунь | ~0.6 – 0.9 x 10 -7 | |
| Серебро | 1.59×10 −8 | [3][4] |
| Медь | 1.68×10 −8 | [5][6] |
| Обожжённая медь | 1.72×10 −8 | [7] |
| Золото | 2.44×10 −8 | [3] |
| Алюминий | 2.65×10 −8 | [3] |
| Кальций | 3.36×10 −8 | |
| Вольфрам | 5.60×10 −8 | [3] |
| Цинк | 5.90×10 −8 | |
| Кобальт | 6.24×10 −8 | |
| Никель | 6.99×10 −8 | |
| Рутений | 7.10×10 −8 | |
| Литий | 9.28×10 −8 | |
| Железо | 9.70×10 −8 | [3] |
| Платина | 1.06×10 −7 | [3] |
| Олово | 1.09×10 −7 | |
| Тантал | 1.3×10 −7 | |
| Галлий | 1.40×10 −7 | |
| Ниобий | 1.40×10 −7 | [8] |
| Углеродистая сталь (1010) | 1.43×10 −7 | [9] |
| Свинец | 2.20×10 −7 | [2][3] |
| Галинстан | 2.89×10 −7 | [10] |
| Титан | 4.20×10 −7 | |
| Электротехническая сталь | 4.60×10 −7 | [11] |
| Манганин (сплав) | 4.82×10 −7 | [2] |
| Константан (сплав) | 4.90×10 −7 | [2] |
| Нержавеющая сталь | 6.90×10 −7 | |
| Ртуть | 9.80×10 −7 | [2] |
| Марганец | 1.44×10 −6 | |
| Нихром (сплав) | 1.10×10 −6 | [2][3] |
| Углерод (аморфный) | 5×10 −4 – 8×10 −4 | [3] |
| Углерод (графит) параллельно-базальная плоскость | 2.5×10 −6 – 5.0×10 −6 | |
| Углерод (графит) перпендикулярно-базальная плоскость | 3×10 −3 | |
| Арсенид галлия | 10 −3 to 10 8 | |
| Германий | 4.6×10 −1 | [3][4] |
| Морская вода | 2.1×10 −1 | |
| Вода в плавательном бассейне | 3.3×10 −1 – 4.0×10 −1 | |
| Питьевая вода | 2×10 1 – 2×10 3 | |
| Кремний | 2.3×10 3 | [2][3] |
| Древесина (влажная) | 10 3 – 10 4 | |
| Деионизированная вода | 1.8×10 5 | |
| Стекло | 10 11 – 10 15 | [3][4] |
| Углерод (алмаз) | 10 12 | |
| Твердая резина | 10 13 | [3] |
| Воздух | 10 9 – 10 15 | |
| Древесина (сухая) | 10 14 – 10 16 | |
| Сера | 10 15 | [3] |
| Плавленый кварц | 7.5×10 17 | [3] |
| ПЭТ | 10 21 | |
| Тефлон | 10 23 – 10 25 |
Видно, что удельное сопротивление меди и удельное сопротивление латуни оба низкие, и с учетом их стоимости, относительно серебра и золота, они становятся экономически эффективными материалами для использования для многих проводов. Удельное сопротивление меди и простота ее использования привели к тому, что она также используется крайне часто в качестве материала для проводников на печатных платах.
Изредка алюминий и особенно медь используются из-за их низкого удельного сопротивления. Большинство проводов, используемых в наши дни для межсоединений, изготовлены из меди, поскольку она обеспечивает низкий уровень удельного сопротивления при приемлемой стоимости.
Удельное сопротивление золота также важно, поскольку золото используется в некоторых критических областях, несмотря на его стоимость. Часто золотое покрытие встречается на высококачественных слаботочных разъемах, где оно обеспечивает самое низкое сопротивление контактов. Золотое покрытие очень тонкое, но даже в этом случае оно способно обеспечить требуемые характеристики разъемов.
Серебро имеет очень низкий уровень удельного сопротивления, но оно не так широко используется из-за его стоимости и из-за того, что оно тускнеет, что может привести к более высокому сопротивлению контактов.
Однако оно используется в некоторых катушках для радиопередатчиков, где низкое удельное электрическое сопротивление серебра снижает потери. При использовании в таких целях серебро обычно наносилось только на существующий медный провод. Покрытие провода серебром позволило значительно снизить затраты по сравнению с цельным серебряным проводом без существенного снижения производительности.
Другие материалы в таблице удельного электрического сопротивления могут не иметь такого очевидного применения. Тантал фигурирует в таблице, поскольку используется в конденсаторах – никель и палладий используются в торцевых соединениях многих компонентов поверхностного монтажа, таких как конденсаторы.
Кварц находит свое основное применение в качестве пьезоэлектрического резонансного элемента. Кварцевые кристаллы используются в качестве частотоопределяющих элементов во многих осцилляторах, где высокое значение Q позволяет создавать очень стабильные по частоте схемы. Аналогичным образом они используются в высокоэффективных фильтрах. Кварц имеет очень высокий уровень удельного сопротивления и не является хорошим проводником электричества, то есть его относят к категории диэлектрикам.
Удельная проводимость металлов таблица
Электрическое сопротивление, одно из составляющих закона Ома, выражается в омах (Ом). Следует заметить, что электрическое сопротивление и удельное сопротивление — это не одно и то же. Удельное сопротивление является свойством материала, в то время как электрическое сопротивление — это свойство объекта.
Электрическое сопротивление резистора определяется сочетанием формы и удельным сопротивлением материала, из которого он сделан.
Например, проволочный резистор, изготовленный из длинной и тонкой проволоки имеет большее сопротивление, нежели резистор, сделанный из короткой и толстой проволоки того же металла.
В тоже время проволочный резистор, изготовленный из материала с высоким удельным сопротивлением, обладает большим электрическим сопротивлением, чем резистор, сделанный из материала с низким удельным сопротивлением. И все это не смотря на то, что оба резистора сделаны из проволоки одинаковой длины и диаметра.
В качестве наглядности можно провести аналогию с гидравлической системой, где вода прокачивается через трубы.
- Чем длиннее и тоньше труба, тем больше будет оказано сопротивление воде.
- Труба, заполненная песком, будет больше оказывать сопротивление воде, нежели труба без песка
Проводимость и сопротивление
У.с. показывает способность вещества препятствовать прохождению тока. Но в физике есть и обратная величина — проводимость. Она показывает способность проводить электрический ток. Выглядит она так:
σ=1/ρ, где ρ – это и есть удельное сопротивление вещества.
Если говорить о проводимости, то она определяется характеристиками носителей зарядов в этом веществе. Так, в металлах есть свободные электроны. На внешней оболочке их не больше трех, и атому выгоднее их «отдать», что и происходит при химических реакциях с веществами из правой части таблицы Менделеева. В ситуации же, когда мы располагаем чистым металлом, он имеет кристаллическую структуру, в которой эти наружные электроны общие. Они-то и переносят заряд, если приложить к металлу электрическое поле.
В растворах носителями заряда являются ионы.
Если говорить о таких веществах, как кремний, то по своим свойствам он является полупроводником и работает несколько по иному принципу, но об этом позже. А пока разберемся, чем же отличаются такие классы веществ, как:
Читать также: Фото лесоруба с бензопилой
Проводники и диэлектрики
Есть вещества, которые ток почти не проводят. Они называются диэлектриками. Такие вещества способны поляризоваться в электрическом поле, то есть их молекулы могут поворачиваться в этом поле в зависимости от того, как распределены в них электроны. Но поскольку электроны эти не являются свободными, а служат для связи между атомами, ток они не проводят.
Проводимость диэлектриков почти нулевая, хотя идеальных среди них нет (это такая же абстракция, как абсолютно черное тело или идеальный газ).
Условной границей понятия «проводник» является ρ
Удельное сопротивление металлов является мерой их свойства противодействовать прохождению электрического тока. Эта величина выражается в Ом-метр (Ом⋅м). Символ, обозначающий удельное сопротивление, является греческая буква ρ (ро). Высокое удельное сопротивление означает, что материал плохо проводит электрический заряд.
Сопротивление провода
Величина сопротивления провода зависит от трех параметров: удельного сопротивления металла, длины и диаметра самого провода. Формула для расчета сопротивления провода:
где: R — сопротивление провода (Ом) ρ — удельное сопротивление металла (Ом.m) L — длина провода (м) А — площадь поперечного сечения провода (м2)
В качестве примера рассмотрим проволочный резистор из нихрома с удельным сопротивлением 1.10×10-6 Ом.м. Проволока имеет длину 1500 мм и диаметр 0,5 мм. На основе этих трех параметров рассчитаем сопротивление провода из нихрома:
R=1,1*10-6*(1,5/0,000000196) = 8,4 Ом
Нихром и константан часто используют в качестве материала для сопротивлений. Ниже в таблице вы можете посмотреть удельное сопротивление некоторых наиболее часто используемых металлов.
Какое сопротивление меди и алюминия
Алюминий — это легкий металл, который легко поддается обработке и литью. Обладает высокой электропроводностью: он стоит на 4 месте после серебра, меди и золота.
Важно! Несмотря на ряд достоинств (невысокую стоимость, малый вес, простоту обработки и другие) в долгосрочной перспективе алюминиевые провода менее выгодны, чем медные.
В электротехнике значение имеют 2 термина:
- Электропроводность: отвечает за передачу тока от одной точки к другой. Чем выше проводимость металла, тем лучше он передает электричество. При +20 градусах проводимость меди составляет 59,5 миллионов сименс на метр (См/м), алюминия — 38 миллионов См/м. Проводимость медного кабеля практически не зависит от температуры.
- Электросопротивление: чем выше это понятие, тем хуже вещество будет пропускать ток. Удельное сопротивление меди составляет 0,01724-0,0180 мкОм/м, алюминия — 0,0262-0,0295.
Вам это будет интересно Особенности мощности постоянного тока
Алюминиевые кабели востребованы не меньше медных
Иными словами, медь обладает более высокой проводимостью и меньшим сопротивлением, чем алюминий.
Свойства резистивных материалов
Удельное сопротивление металла зависит от температуры. Их значения приводится, как правило, для комнатной температуры (20°С). Изменение удельного сопротивления в результате изменения температуры характеризуется температурным коэффициентом.
Например, в термисторах (терморезисторах) это свойство используется для измерения температуры. С другой стороны, в точной электронике, это довольно нежелательный эффект. Металлопленочные резисторы имеют отличные свойства температурной стабильности. Это достигается не только за счет низкого удельного сопротивления материала, но и за счет механической конструкции самого резистора.
Много различных материалов и сплавов используются в производстве резисторов. Нихром (сплав никеля и хрома), из-за его высокого удельного сопротивления и устойчивости к окислению при высоких температурах, часто используют в качестве материала для изготовления проволочных резисторов. Недостатком его является то, что его невозможно паять. Константан, еще один популярный материал, легко поддается пайке и имеет более низкий температурный коэффициент.
Удельное сопротивление металлов, электролитов и веществ (Таблица)
Удельное сопротивление металлов и изоляторов
В справочной таблице даны значения удельного сопротивления р некоторых металлов и изоляторов при температуре 18—20° С, выраженные в ом·см. Величина р для металлов в сильной степени зависит от примесей, в таблице даны значения р для химически чистых металлов, для изоляторов даны приближенно. Металлы и изоляторы расположены в таблице в порядке возрастающих значений р.
Таблица удельное сопротивление металлов
| Чистые металлы | 104 ρ (ом·см) | Чистые металлы | 104 ρ (ом·см) |
| Серебро | 0,016 | Хром | 0,131 |
| Медь | 0,017 | Тантал | 0,146 |
| Золото | 0,023 | Бронза 1) | 0,18 |
| Алюминий | 0,029 | Торий | 0,18 |
| Дюралюминий | 0,0335 | Свинец | 0,208 |
| Магний | 0,044 | Платинит 2) | 0,45 |
| Кальций | 0,046 | Сурьма | 0,405 |
| Натрий | 0,047 | Аргентан | 0,42 |
| Марганец | 0,05 | Никелин | 0,33 |
| Иридий | 0,063 | Манганин | 0,43 |
| Вольфрам | 0,053 | Константан | 0,49 |
| Молибден | 0,054 | Сплав Вуда 3) | 0,52 (0°) |
| Родий | 0,047 | Осмий | 0,602 |
| Цинк | 0,061 | Сплав Розе 4) | 0,64 (0°) |
| Калий | 0,066 | Хромель | 0,70-1,10 |
| Никель | 0,070 | ||
| Кадмий | 0,076 | Инвар | 0,81 |
| Латунь | 0,08 | Ртуть | 0,958 |
| Кобальт | 0,097 | Нихром 5) | 1,10 |
| Железо | 0,10 | Висмут | 1,19 |
| Палладий | 0,107 | Фехраль 6) | 1,20 |
| Платина | 0,110 | Графит | 8,0 |
| Олово | 0,113 |
Таблица удельное сопротивление изоляторов
| Изоляторы | ρ (ом·см) | Изоляторы | ρ (ом·см) |
| Асбест | 108 | Слюда | 1015 |
| Шифер | 108 | Миканит | 1015 |
| Дерево сухое | 1010 | Фарфор | 2·1015 |
| Мрамор | 1010 | Сургуч | 5·1015 |
| Целлулоид | 2·1010 | Шеллак | 1016 |
| Бакелит | 1011 | Канифоль | 1016 |
| Гетинакс | 5·1011 | Кварц _|_ оси | 3·1016 |
| Алмаз | 1012 | Сера | 1017 |
| Стекло натр | 1012 | Полистирол | 1017 |
| Стекло пирекс | 2·1014 | Эбонит | 1018 |
| Кварц || оси | 1014 | Парафин | 3·1018 |
| Кварц плавленый | 2·1014 | Янтарь | 1019 |
Удельное сопротивление чистых металлов при низких температурах
В таблице даны значения удельного сопротивления (в ом·см) некоторых чистых металлов при низких температурах (0°С).
| Чистые металлы | t (°С) | Удельное сопротивление, 104 ρ (ом·см) |
| Висмут | -200 | 0,348 |
| Золото | -262,8 | 0,00018 |
| Железо | -252,7 | 0,00011 |
| Медь | -258,6 | 0,00014 1 |
| Платина | -265 | 0,0010 |
| Ртуть | -183,5 | 0,0697 |
| Свинец | -252,9 | 0,0059 |
| Серебро | -258,6 | 0,00009 |
Отношение сопротивлении Rt/Rq чистых металлов при температуре Т °К и 273° К.
В справочной таблице дано отношение Rt/Rq сопротивлений чистых металлов при температуре Т °К и 273° К.
| Чистые металлы | Т (°К) | RT/R0 |
| Алюминий | 77,7 | 1,008 |
| 20,4 | 0,0075 | |
| Висмут | 77,8 | 0,3255 |
| 20,4 | 0,0810 | |
| Вольфрам | 78,2 | 0,1478 |
| 20,4 | 0,0317 | |
| Железо | 78,2 | 0,0741 |
| 20,4 | 0,0076 | |
| Золото | 78,8 | 0,2189 |
| 20,4 | 0,0060 | |
| Медь | 81,6 | 0,1440 |
| 20,4 | 0,0008 | |
| Молибден | 77,8 | 0,1370 |
| 20,4 | 0,0448 | |
| Никель | 78,8 | 0,0919 |
| 20,4 | 0,0066 | |
| Олово | 79,0 | 0,2098 |
| 20,4 | 0,0116 | |
| Платина | 91,4 | 0,2500 |
| 20,4 | 0,0061 | |
| Ртуть | 90,1 | 0,2851 |
| 20,4 | 0,4900 | |
| Свинец | 73,1 | 0,2321 |
| 20,5 | 0,0301 | |
| Серебро | 78,8 | 0,1974 |
| 20,4 | 0,0100 | |
| Сурьма | 77,7 | 0,2041 |
| 20,4 | 0,0319 | |
| Хром | 80,0 | 0,1340 |
| 20,6 | 0,0533 | |
| Цинк | 83,7 | 0,2351 |
| 20,4 | 0,0087 |
Удельное сопротивление электролитов
В таблице даны значения удельного сопротивления электролитов в ом·см при температуре 18° С. Концентрация растворов с дана в процентах, которые определяют число граммов безводной соли или кислоты в 100 г раствора.
| c (%) | NH4Cl | NaCl | ZnSO4 | CuSO4 | КОН | NaOH | H2SO4 |
| 5 | 10,9 | 14,9 | 52,4 | 52,9 | 5,8 | 5,1 | 4,8 |
| 10 | 5,6 | 8,3 | 31,2 | 31,3 | 3,2 | 3,2 | 2,6 |
| 15 | 3,9 | 6,1 | 24,1 | 23,8 | 2,4 | 2,9 | 1,8 |
| 20 | 3,0 | 5,1 | 21,3 | — | 2,0 | 3,0 | 1,5 |
| 25 | 2,5 | 4,7 | 20,8 | — | 1,9 | 3,7 | 1,4 |
_______________
Источник информации: КРАТКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ СПРАВОЧНИК/ Том 1, — М.: 1960.
Состав и структура железа
Железо – типичный металл, причем химически активный. Вещество вступает в реакцию при нормальной температуре, а нагрев или повышение влажности значительно увеличивают его реакционноспособность. Железо корродирует на воздухе, горит в атмосфере чистого кислорода, а в виде мелкой пыли способно воспламениться и на воздухе.
Чистому железу присуща ковкость, однако в таком виде металл встречается очень редко. На деле под железом подразумевают сплав с небольшими долями примесей – до 0,8%, которому присущи мягкость и ковкость чистого вещества. Значение для народного хозяйства имеет сплавы с углеродом – сталь, чугун, нержавеющая сталь.
Железу присущ полиморфизм: выделяют целых 4 модификации, отличающиеся структурой и параметрами решетки:
При высоком давлении, а также при легировании металла некоторыми добавками образуется ε- фаза с гексагонической плотноупакованной решеткой.
Температура фазовых переходов заметно изменяется при легировании тем же углеродом. Собственно, сама способность железа образовать столько модификаций служит основой обработки стали в разных температурных режимах. Без таких переходов металл не получил бы столь широкого распространения.
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.
От чего зависит удельное сопротивление проводника
Удельное сопротивление и обратная ей величина — электропроводность — для проводников из химически чистых металлов являются характерной физической величиной, но, несмотря на это, величины удельного сопротивления их известны сравнительно с малой точностью.
Объясняется это тем, что на величину удельного сопротивления металлов сильно влияют различные случайные, трудно контролируемые обстоятельства.
Прежде всего часто ничтожные примеси к чистому металлу увеличивают его удельное сопротивление.
Наиболее важный для электротехники металл — медь, из которого изготовливаются провода и кабели для распределения электрической энергии, оказывается особенно чувствительным в этом отношении.
Ничтожная примесь углерода в 0,05% повышает сопротивление меди на 33% сравнительно с сопротивлением химически чистой меди, примесь 0,13% фосфора увеличивает сопротивление меди на 48%, 0,5% железа — на 176%, следы цинка в количестве, трудно измеримом по своей малости, на 20%.
Влияние примесей на сопротивление других металлов менее значительно, чем в случае меди.
Удельное сопротивление металлов, химически чистых или вообще имеющих определенный химический состав, зависит от способа термической и механической обработки их.
Прокатка, протягивание, закалка и отжиг могут изменить удельное сопротивление металла на несколько процентов.
Объясняется это тем, что расплавленный металл при отвердевании кристаллизуется, образуя многочисленные и беспорядочно распределенные небольшие одиночные кристаллы.
Всякая механическая обработка частично разрушает эти кристаллы и сдвигает группы их одну относительно другой, вследствие чего общая электропроводность куска металла изменяется обычно в сторону увеличения сопротивления.
Длительный отжиг при благоприятной температуре, различной для различных металлов, сопровождается восстановлением кристаллов и обычно уменьшает сопротивление.
Существуют приемы, дающие возможность получать при застывании расплавленных металлов более или менее значительные одиночные кристаллы (монокристаллы).
Если металл дает кристаллы правильной системы, то удельное сопротивление одиночных кристаллов такого металла одинаково по всем направлениям. Если же кристаллы металла принадлежат к гексагональной, тетрагональной или тригональной системе, то величина удельного сопротивления монокристалла зависит от направления тока.
Предельные (экстремальные) значения получаются в направлении оси симметрии кристалла и в направлении, перпендикулярном оси симметрии, во всех других направлениях удельное сопротивление имеет промежуточные значения.
Куски металла, получаемые обычными способами, с беспорядочным распределением мелких кристаллов имеют удельное сопротивление, равное некоторой средней величине, если при затвердевании не устанавливается более или менее упорядоченное распределение кристаллов.
Из этого ясно, что удельное сопротивление образцов далее химически чистых металлов, кристаллы которых не принадлежат к правильной системе, не может иметь вполне определенных значений.
Значения удельных сопротивлений наиболее распространенных проводниковых металлов и сплавов при 20° С: Удельное сопротивление и электропроводность веществ
Влияние температуры на величину удельного сопротивления у различных металлов было предметом многочисленных и тщательных исследований, так как вопрос об этом влиянии имеет большое теоретическое и практическое значение.
У чистых металлов температурный коэффициент сопротивления, по большей части близок к температурному коэффициенту теплового линейного расширения газов, т. е. не очень отличается от 0,004, поэтому в промежутке от 0 до 100°С сопротивление приблизительно пропорционально абсолютной температуре.
При температурах ниже 0° сопротивление убывает быстрее, чем абсолютная температура, и тем быстрее, чем ниже температура. При температурах, близких к абсолютному нулю, сопротивление некоторых металлов делается практически равным нулю. При высоких температурах выше 100° у большинства металлов температурный коэффициент медленно растет, т. е. сопротивление увеличивается несколько быстрее, чем температура.
У так называемых ферромагнитных металлов (железо, никель и кобальт) сопротивление растет гораздо быстрее, чем температура. Наконец у платины и палладия наблюдается увеличение сопротивления, несколько отстающее от увеличения температуры.
Для измерения высоких температур применяют так называемый платиновый термометр сопротивления, состоящий из куска тонкой проволоки чистой платины, намотанный в виде спирали на трубку изолирующего вещества или даже вплавленную в стенки кварцевой трубки. Измеряя сопротивление проволоки, можно определить ее температуру по таблице или по кривой для промежутка температур от -40 до 1000°С.
Из других веществ, обладающих металлической проводимостью, следует отметить уголь, графит, антрацит, которые отличаются от металлов отрицательным температурным коэффициентом.
Сопротивление селена в одной из его модификаций (металлический, кристаллический селен, серый) изменяется в сторону значительного уменьшения при действии на него лучей света. Явление это относится к области фотоэлектрических явлений.
В случае селена и многих других, ему подобных, электроны, отрывающиеся от атомов вещества при поглощении им лучей света, не вылетают через поверхность тела наружу, а остаются внутри вещества, вследствие чего электропроводность вещества естественно возрастает. Явление носит название внутреннего фотоэлектрического явления.
Читайте также: