15. Проводники с высоким сопротивлением

Эта группа проводниковых материалов представляют собой сплавы металлов, обладающие большим удельным сопротивлением и малым значением температурного коэффициента удельного сопротивления. Все они имеют структуру твёрдых растворов. Материалы этой группы используются как приборные высокоомные проводники, нагревательные сплавы, материалы для термопар. К приборным высокоомным проводникам относятся манганин, константан и никелин.

Манганин - это наиболее типичный и широко применяемый для изготовления образцовых резисторов. Название происходит от наличия в нем марганца (латинское manganum).Цвет манганина светло-оранжевый,объясняется большим содержанием меди. Он содержит: Cu - 84 - 86 % , Mn – 12-13 %, Ni – 2 – 3 %.Плотность 8400 кг/м³, Тпл = 960 ^о С, ρ = 0,42 – 0,43 мкОм*м. Максимальная рабочая температура ≈ 300^оС. Недостатком манганина является высокое значение термо-ЭДС с медью ≈ 1,0 мкВ/К. Разработан новый манганин, имеющий термо-ЭДС с медью ≈ 0,1 мкВ/К. Из манганина изготавливают мягкие и твёрдые проволоки диаметром 0,02 – 6 мм, используемые в производстве резисторов и потенциометров высокого класса.

Константан – сплав, содержащий Cu 58 - 60 % , Ni 32 - 40 % и 1 – 2% Мn. Цвет константана – серебристо-жёлтый плотность 8900 кг/м³, температура плавления Тпл = 1260 ^оС. Удельное сопротивление ρ ≈ 0,5 мкОм*м. Нагревостойкость константана выше, чем манганина: он может длительно работать при 450 ^оС. Недостатком константана является высокая термо-ЭДС в паре с медью и с железом – это может вызывать ошибки измерений в мостовых и потенциометрических схемах. Зато термопары медь – константан (термо – ЭДС = 45 – 55 мкВ/К) широко используются для измерения температур, а сам константан является тензометрическим материалом и применяется для изготовления проволочных тензодатчиков. Нагревательные сплавы стойки к окислению при высоких температурах. Это объясняется образованием на их поверхности плотной оксидной плёнки, чаще всего это оксид хрома или закись никеля. Эти оксиды не испаряются при высоких температурах и имеют ТКЛР близкие к ТКЛР сплава, поэтому не растрескиваются при нагревании.

Сплавы на основе железа. Эти сплавы в основном применяются для электронагревательных элементов. Высокая нагревостойкость таких элементов объясняется введением в их состав достаточно больших количеств металлов, имеющих высокое значение объемного коэффициента оксидации, потому при нагреве на воздухе образующих практически сплошную оксидную пленку. Такими металлами являются никель, хром и алюминий. Железо, как имеет объемный коэффициент оксидации меньше единицы и потому при нагреве легко окисляется, чем больше содержание железа в сплаве, например, тем менее нагревостоек этот сплав.

Нагревостойкие сплавы системы Fe — Ni — Сг называются нихромами (Х15Н60,Х20Н80),или (при повышенном содержании Fe) ферронихромами, сплавы системы Fe — Сг — Аl называются фехралями и хромалями. Нихром имеет ρ ≈ 1 мкОм*м, ТКρ ≈ 10-4 К-1 и максимальную рабочую температуру ≈ 1000 ^оС, хромали имеют более высокое ρ ≈ 1,3 мкОм*м и более высокую рабочую температуру – до 1400 ^оС. Фехрали имеют более низкую рабочую температуру = 750 – 1000 ^оС. Хромоалюминиевые сплавы (фехраль, хромаль) намного дешевле нихромов, так как хром и алюминий сравнительно дешевы и легко доступны. Однако эти сплавы менее технологичны, более тверды и хрупки, из них могут быть получены проволоки и ленты лишь большего поперечного сечения, чем из нихромов. Поэтому эти сплавы в основном используются в электротермической технике для электронагревательных устройств большой мощности и промышленных электрических печей. Большое влияние на срок жизни нагревательного элемента, работающего на воздухе, оказывают свойства образующегося оксида. Если он летуч, то он удаляется с поверхности металла и не может защитить оставшийся металл от дальнейшего окисления. Так, оксиды вольфрама и молибдена легко улетучиваются, а потому эти металлы не могут работать в накаленном состоянии при доступе кислорода. Если же оксид нелетуч, то он при окислении образует слой на поверхности металла. Стойкость хромо никелевых сплавов при высокой температуре в воздушной среде объясняется близкими значениями температурных коэффициентов линейного расширения этих сплавов и их оксидных пленок. Поэтому растрескивание оксидных пленок имеет место только при резких сменах температуры; тогда при последующих нагревах кислород воздуха будет проникать в образовавшиеся трещины и производить дальнейшее окисление сплава. Поэтому при многократном кратковременном включении электронагревательного элемента из нихрома он может перегореть значительно скорее, чем при непрерывной работе элемента при той же температуре. Срок жизни элементов из нихрома и других нагревостойких сплавов существенно укорачивается также при наличии колебаний сечения проволоки: в местах с уменьшенным сечением («шейки») нагревательные элементы перегреваются и легче перегорают. Длительность работы электронагревательных элементов из нихрома и аналогичных сплавов может быть во много раз увеличена при исключении доступа кислорода к поверхности проволоки.

16. Металлические магнитные материалы Металлические магнитные материалы – ферромагнетики – делятся на магнитомягкие (МММ) и магнитотвёрдые (МТМ) – как и те, так и другие в своём составе имеют Fe, Ni, Co, их сплавы, а также присадки Al, Cr, Mn, Cu, Ag. Ферромагнетики обладают большой способностью намагничиваться, то есть у них большая µ_r – различают начальную магнитную проницаемость µ_r нач (проявляется в слабых внешних магнитных полях) и максимальную µ_r max (в разных по интенсивности полях для разных сплавов). Ферромагнетики различаются по площади петли гистерезиса. Магнитомягкие материалы (МММ) Из МММ выполняют магнитопроводы для машин и аппаратов, работающих на переменном токе. Они должны иметь малые магнитные потери (потери на гистерезис и потери на вихревые токи). У них должны быть: 1)большая величина магнитной проницаемости µ_r  2)малая коэрцитивная сила Н_с  3)большая индукция насыщения В_s. Это означает, что петля гистерезиса у них должна быть высокой и узкой, это характерный признак МММ. У всех этих материалов большая µ_r, очень маленькая Н_с, небольшие магнитные потери. К МММ относятся:

-технически чистое железо

-листовая электротехническая сталь

-пермаллои

-альсифер.

Технически чистое железо содержит сотые доли процента примесей (C, S, Mn и другие), поэтому называется не сталь, а железо. Его получают разными способами:

1.армко-железо – получают в мартеновских печах из особо чистых руд, это название фирм, разработавшей метод получения

2.электролитическое железо – получают методом электролитического осаждения из раствора FeSO ₄ или FеCl₂

3.карбонильное железо – железо высокой химической чистоты, это порошок, получаемый при разложении карбонила железа Fe(CO)₅ при температуре 200-250 ^оС и давлении 150 МПа.

Электротехническая сталь – это сплав железа с кремнием, присадка которого увеличивает электрическое сопротивление для уменьшения магнитных потерь на вихревые токи. Листовая электротехническая сталь является самым массовым, то есть имеющим самую широкую область применения, материалом, из неё изготавливают магнитопроводы электромашин. Выплавляется сталь в мартеновских печах, ее листы изготовляются прокаткой стального слитка в горячем или холодном состоянии, поэтому различают горячекатаную и холоднокатаную сталь. Горячекатаная сталь в магнитном отношении изотропна (магнитные свойства одинаковы во всех направлениях). Повторная прокатка листов стали в холодном состоянии с последующим отжигом существенно меняет её кристаллическую структуру за счёт ориентации рёбер кристаллов вдоль направления прокатки, то есть происходит текстурирование стали. Такая сталь отличается большой анизотропией: её магнитные свойства в продольном (по ходу прокатки) направлении в несколько раз выше, чем в других.

Пермаллой – железоникелевые сплавы (раньше их называли сплавы же-ни), применяются для получения больших индукций в слабых магнитных полях. Различают низконикелевые (содержание никеля до 50 %) и высоконикелевые (до 80 % никеля) пермаллои. Индукция насыщения пермаллоев меньше в 1,5÷2 раза (составляет 1÷1,5 Тл), чем у технически чистого железа и электротехнической стали (у них она до 2,18 %), поэтому пермаллои нецелесообразно применять в силовых трансформаторах и других устройствах, где требуется большой магнитный поток.

Альсифер – так называется тройной сплав Al–Si–Fe. У альсифера большая начальная магнитная проницаемость µ_r нач, поэтому из него изготавливают магнитные экраны, корпуса приборов. Альсифер заменяет более дорогие (из-за никеля) пермаллои. Он хрупок, твёрд, изделия из альсифера получают литьём.

Кроме этих основных МММ применяются (в меньших масштабах) сплавы с особыми свойствами, вот некоторые из них:

1. перминвар (Fe-Ni-Co) и изотерм (Fe-Ni плюс Al или Cu) – у них µ_r мало изменяется при изменении напряженности внешнего поля. У изотерма до Н = 500 А/м магнитная проницаемость остаётся постоянной по величине.

2. кальмаллой (Cu-Ni), термаллой (Fe-Ni), компенсатор (Fe-Ni-Cr) – у этих сплавов магнитная проницаемость сильно зависит от температуры.

3. сплавы с высокой магнитострикцией (особенно с присадками редкоземельных элементов – эрбия, тербия, тулия и их соединений) применяются как излучатели ультразвука. Используются в гидроакустике, гидролокации.

4. пермендюр (Fe-Co) – сплав с особо высокой индукцией насыщения В_s, доходящей до 2,43 Тл, это самая большая индукция у известных ферромагнетиков. 

Аморфные магнитные материалы – вещества без кристаллической решётки, получают быстрым охлаждением из расплавленного состояния, по сути они являются переохлаждённой жидкостью. Обладают рядом ценнейших свойств, поэтому очень перспективны, но пока сложность их получения очень и очень велика.

Магнитодиэлектрики – получаются путём прессовки порошкообразного ферромагнетика с органической или неорганической связкой, изолирующей зёрна друг от друга. Основой магнитодиэлектриков являются карбонильное железо, альсифер, изолирующей связкой – фенолформальдегидные смолы, жидкое стекло, полистирол. Используются магнитодиэлект­рики в устройствах, работающих при повышенных и высоких частотах, так как у них большое удельное электрическое сопротивление и малый тангенс угла диэлектрических потерь.