43. Провідникові матеріали високого опору: властивості і застосування.

При використанні сплавів високого опору для електровимірювальних пристроїв і зразкових резисторів, крім високого питомого опору r, вимагається й висока стабільність r в часі, малий температурний коефіціент питомого опору і малий коефіціент термоЕРС в парі даного сплаву з міддю. Сплави для електронагрівальних приладів (елементів) повинні довготривало працювати на повітрі при високих температурах (інколи до 1000°С і вище). Крім того в багатьох випадках вимагається технологічність сплавів – можли-вість виготовлення з них гнучкої проволоки діаметром сотих долей міліметра. Для отримання особливо високих значень питомого опору застосовують вплив двох факторів, тобто матеріали, що мають високий опір в масивному стані (сплави, оксиди, сіліциди) використовують в мілкозернистому виді.

Провідникові сплави високого опору по призначенню і власти-востях розділяють на резистивні і нагрівостійкі.

Із сплавів для проволочних резисторів найбільше поширення от-римали сплави на основі міді і нікелю, особливо манганін і константан.

Манганін – сплав на основі міді, що отримав свою назву із-за наявності в ньому марганцю (до 12%), що широко застосовується для виготовлення еталонних резисторів. Жовтий колір пояснюється великим вмістом міді – 85%, решта – 3% – нікель. Манганін може витягуватись в тонку проволоку, що може мати емалеву ізоляцію. Мікропровід з манганіну в скляній ізоляції виготовляють діаметром в декілька мкм. Мікропровід використовують для конструювання мініатюрних високоточних елементів. Скляна ізоляція харак-теризується високими електроізоляційними властивостями, підвищеною нагріво- і вологостійкістю. Недоліком є хрупкість скляної ізоляції. Для за без-печення підвищеної стабільності опору і зниження ТКρ проволоку піддають тепловому старінню: обпалюванні у вакуумі при температурі 550 – 600 ºС з подальшим повільним охолодженням. Гранично допустима робоча темпера-тура сплавів цього типу не перевищує 200ºС. Механічні властивості: σр = 450-600 МПа; Δl ∕ l = (15 – 30)%, D = 8,4 МГ/м³, питомий опір ρ = (0,47 – 0,48)·10-6 Ом·м, ТКρ=(10 – 15)·10-6 К-1.

Константан – сплав, що має більше 60% міді і 40% нікелю. Щоб сплав відповідав мінімуму αρ в системі Cu – Ni при доволі високому ρ. Назва константан пояснюється значною незмінністю ρ при зміні температури. Сплав добре піддається обробці, його можна протягнути в проволоку діаметром 10 – 20 мкм.

Нагрівостійкість константану вища, ніж у манганіну, гранично допустима температура при довготривалій роботі досягає 500°С. Утворюється плівка оксиду, що володіє електроізоляційними властивостями. Це дозволяє застосовувати константан без спіральної міжвиткової ізоляції для виготов-лення реостатів чи нагрівальних елементів. Однак в парі з міддю константан розвиває високу термоЕРС. Це затрудняє використання константанових резисторів в точних вимірювальних схемах, особливо при нульових вимірах в мостових і потенціометричних системах. Але ця ж властивість константану дає змогу використовувати його в парі з міддю чи залізом при виготов-ленні термопар, що служать для вимірювання температури. Сплави на основі заліза в основному використовуються для електронагрівальних пристроїв. При нагріванні на поверхні константану утворюється плівка окислу, яка має електроізоляційні властивості, що дає змогу виготовляти з неї реостати без ізоляції між витками. Однак наявність у складі константану великої кількості дефіцитного нікелю обмежує його використання у виробах масового застосування.

Сплави системи Fe-Ni-Cr називають ніхромами або (при підвищеному вмісті Fe) фероніхромами. Сплави системи Fe-Cr-Al називають фехралями і хромалями.

Стійкість хромонікелевих сплавів при високій температурі в навколиш-ньому середовищі пояснюється близькими значеннями температурних коефіцієнтів лінійного розширення цих сплавів і їх оксидних плівок. Тому роз-тріскування оксидних плівок має місце тільки при різких змінах температури. Тоді при подальших нагрівах кисень буде проникати в утворені тріщини і призводити подальше окислення сплаву. Тому при багатократному коротко-часному ввімкненні електронагрівального елементу з ніхрому він може перегоріти значно швидше, ніж при неперервній роботі елементу при цій же температурі. Строк експлуатації елементів з ніхрому та інших нагрівостійких сплавів суттєво скорочується при наявності коливань перерізу проволоки: в місцях із зменшеним перерізом нагрівальні елементи перегріваються і легше перегоряють. Довго тривалість роботи електронагрівальних елементів з ніхрому та аналогічних сплавів може бути суттєво збільшена, якщо доступ повітря буде обмежений. В трубчастих нагрівальних елементах спіраль із сплаву високого опору проходить по осі трубки із стійкого до окислення металу. Проміжок між проволокою і трубкою заповнюється порошком діе-лектрику з високою теплопровідністю (наприклад магнезій MgO). При додатковій протяжці цієї трубки її зовнішній діаметр зменшується, магнезія ущільнюється і утворює механічно міцну ізоляцію внутрішнього провідника (приклад електричного кип’ятильника).

Хромо-алюмінієві сплави (фехраль, хромаль) набагато дешевше ніхро-мів, так як хром і алюміній порівняно дешеві і легко доступні. Однак ці сплави менш технологічні, більш тверді і хрупкі, з них можуть бути отримані прово-локи і стрічки лише великого поперечного перерізу, ніж з ніхромів. Тому ці сплави в основному використовуються в електротермічній техніці для нагрі-вальних пристроїв великої потужності і промислових електричних печей.