Проводниковые материалы с большим удельным сопротивлением

Это сплавы, имеющие при нормальных условиях удельное электрическое сопротивление ρ≥0,3 мкОм∙м, а так же обладатют малым температурным коэффициентом электрического сопротивления, хорошей пластичностью и высокой жаростойкостью.

1. Манганин. Сплав светло-оранжевого цвета, 85-89% меди Cu, 11-13% марганца Mn, 2-3% никеля Ni.

Свойства:

- высокое удельное электрическое сопротивление (ρ=0,4-0,52 мкОм∙м);

- сопротивление мало зависит от температуры (α=10-25 ∙ 10^{-6 0}С^-1);

- малая термоЭДС в паре с медью (0,9-1 мкВ/⁰С).

Применение: проволока и ленты для реостатов и электроизмерительных приборов высоких классов точности.

2. Константан. Сплав серебристо-жёлтого цвета, 56-59% меди Cu, 39-41% никеля Ni, 1-2% марганца Mn.

Свойства:

- высокое удельное электрическое сопротивление (ρ=0,45-0,52 мкОм∙м);

- сопротивление мало зависит от температуры (α=20 ∙ 10^{-6 0}С^-1);

- значительная термоЭДС в паре с медью (42,8 мкВ/⁰С).

Применение: проволока и ленты для реостатов и нагревательных элементов, длительно работающие при 450 ⁰С, термопары.

Термопара – датчик для измерения температуры.

Т очка спая термоэлектродов помещается в область контролируемой температуры. Если температура свободных “холодных” концов термопары t₁ отличается от температуры “горячего” спая t₂, то в силу термоэлектрического эффекта в термоэлектродах возникает термоЭДС, пропорциональная разности температур.

где с – коэффициент пропорциональности, зависящий от материалов термопары;

t₁ – температура холодных концов;

t₂ – температура горячего спая.

Если вдоль проводника есть перепад температур, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном. Благодаря этому возникает движение электронов от горячего конца к холодному, разное в различных металлах. При наличии замкнутой цепи разное движение электронов создаёт ток, который можно рассматривать как результат возникновения термоэлектродвижущей силы в горячем спае, за счёт этой ЭДС появляется выходное напряжение.

3. Нихром. Сплав 15-25% хрома Cr, 55-78% никеля Ni, 1-2% марганца Mn.

Свойства:

- высокое удельное электрическое сопротивление (ρ=1,02-1,12 мкОм∙м);

- сопротивление очень мало зависит от температуры (α=110-130 ∙ 10^{-6 0}С^-1);

- высокая жаростойкость (до 1250 ⁰С).

Применение: проволока и ленты для электронагревательных элементов.

4. Фехраль. Сплав 79,5-84,5% железо Fe, 12-15% хрома Cr, 3,5-5,5% алюминия Al.

Свойства:

- твёрдый и хрупкий;

- плохо поддаётся обработки;

- высокое удельное сопротивление (ρ=1,2-1,3 мкОм∙м);

- сопротивление очень мало зависит от температуры (α=110-130 ∙ 10^{-6 0}С^-1);

- высокая жаростойкость (до 1350⁰С).

Применение: для мощных электронагревательных устройств и промышленных печей, пуско - тормозных резисторов электровозов.

Практическое задание

Задание.

Определить материал и длину проволоки l необходимой для изготовления электронагревательного элемента, если

а) она имеет диаметр d=1 мм, мощность элемент P=500 Вт при напряжении U=220 В, рабочая температура 450 ⁰С;

б) она имеет диаметр d=1,5 мм, мощность элемент P=700 Вт при напряжении U=220 В, рабочая температура 1250 ⁰С.

Решение.

Сопротивление проволоки

_{где ρ – удельное сопротивление материала, Ом∙м (таблица №2);}

l – длина проволоки, м;

S – площадь поперечного сечения проволоки, м².

_{Мощность электронагревательного элемента (приёмника)}

где U –напряжение, приложенное к элементу, В;

_{R – сопротивление проволоки, Ом.}

Площадь поперечного сечения проволоки

_{где r – радиус проволоки, м.}

По условию а) выбираем константан.

С увеличением длины проводника его сопротивление увеличивается.

По условию б) выбираем нихром.