4.3. Металеві резистивні матеріали

З металевих матеріалів для резисторів найбільше поширення одержали матеріали на основі нікелю, хрому й заліза, т.н ніхроми, і родинні їм матеріали на основі заліза, хрому й алюмінію, т.зв. фехралі. У позначенні марки буква Х означає хром, буква Н-Нікель, буква Ю - алюміній. Цифра після кожної букви - процентний вміст цього елемента (масові відсотки). Залізо звичайне становить основу, його не позначають, а його зміст становить решта, тобто скільки потрібно, щоб доповнити до 100 %.

Застосування цих сплавів для нагрівачів і резисторів обумовлено двома головними обставинами. У перших, їх питомий опір зразковий в 40-60 раз перевищує питомий опір провідників - алюмінію й міді. Це пов'язане з порушенням структури матеріалу в сплаві декількох металів. У других, на поверхні цих матеріалів утворюється міцна, хімічно стійка плівка з окислів, що забезпечує високу жаростійкість матеріалів. Температурний коефіцієнт питомого опору ніхромів позитивний, тобто з ростом температури питомий опір збільшується. Це означає, що при використанні ніхрому як нагрівача потужність нагрівача в міру роботи, і, відповідно прогрівання самого резистивного матеріалу, буде зменшуватися. Важливо також, що температурні коефіцієнти розширення в плівки оксиду й у металу близькі, тому плівка не відшаровується при включенні - вимиканні нагрівачів.

Розглянемо конкретний приклад використання ніхрому для створення, наприклад, електронагрівника потужністю P = 1 кВт, на напругу U = 220 В.

Скористаємося відомим вираженням P = U²/R, звідси R = U²/P. Використовуючи формулу для перерахування R = l S, де - питомий опір, l - довжина провідника, S - площа перетину одержимо l / S =U²/(P). Оберемо сплав Х20Н80. У нього питомий опір = 1 мкОмм. Тоді l/s = 220²10⁶/10³ = 4.810⁷ 1/м. Якщо обрати діаметр проводу 1 мм, площа складе 10^-6/4 м², а необхідна довжина приблизно 40 м. Ясно, що це занадто значна величина, тому можна обрати провод з ніхрому меншого діаметра, наприклад 0.5 мм. Для нього довжина нагрівача складе 10 м. Якщо звити в спіраль діаметром 10 мм, кількість витків складе 300, довжина спіралі при кроці 1 мм буде приблизно 30 см. Ясно, що з такої спіралі можна виконати побутовий нагрівач.

Таким чином, ми з вами навчилися розраховувати нагрівач у першім наближенні. Насправді при розрахунках ще слід урахувати, що за рахунок температурного коефіцієнта при нагріванні опір збільшиться й, отже потужність поменшується. Виходить, насправді потрібно обрати провідник трохи меншої довжини. Точний розрахунки досить складний, обмежимося оцінкою. Температурний коефіцієнт питомого опору для ніхромів становить приблизно 210^-4 1/К. Це означає, що при нагріванні на 100 °К опір зміниться (збільшиться) на 2 %. У дротових нагрівачах резистивний матеріал нагрівається до 600-700 С. Це приводить до росту опору на 10-15%.

4.4. Принципи надпровідності.

Протікання струму в провідниках завжди пов'язане із втратами енергії, тобто з переходом енергії з електричного виду в тепловий вид. Цей перехід необоротний. Насправді, - і цей факт дивний, існує ряд провідників, у яких, при виконанні деяких умов, втрат енергії при протіканні струму немає!

Надпровідність, як і надплинність, були виявлені в експериментах при наднизьких температурах, поблизу абсолютного нуля температур. У міру наближення до абсолютного нуля коливання ґрати завмирають. Опір протіканню струму зменшується навіть згідно із класичною теорією, але до нуля при деякій критичній температурі Т_с, воно зменшується тільки згідно із квантовими законами.

Однак ці явища характерні тільки для слабких магнітних полів. Виявляється, сильне магнітне поле може проникати в матеріал, більше того, воно руйнує саме надпровідність! Уводять поняття критичного поля В_с, яке руйнує надпровідник. Воно залежить від температури: максимально при температурі, близької до нуля, зникає при перехід до критичної температури Тс. Для чого нам важливо знати напруженість, (або індукцію) при якій зникає надпровідність? Справа в тому, що при протіканні струму по надпровідникові фізично створюється магнітне поле навколо провідника, яке повинне діяти на провідник.

Чим більше струм, тим більше поле. Таким чином, при деякій індукції (або напруженості) надпровідність пропадає, а отже, через провідник можна пропустити тільки струм, менше того, який створює критичну індукцію.

У такий спосіб для надпровідного матеріалу ми маємо два параметри: критична індукція магнітного поля В_с і критична температура Тс.

Температурну шкалу в криогенній області умовно ділять на кілька областей по температурах кипіння зріджених газів: гелієва (нижче 4.2°К), воднева 20.5°К, азотна 77°К, киснева 90°К, аміак (-33 С). Якби вдалося знайти матеріал, у якого температура кипіння була б поблизу або вище водневої - витрат на підтримку кабелю в робочому стані було б вдесятеро менше ніж для гелієвих температур. При перехід до азотних температур був би виграш ще на кілька порядків величини. Тому надпровідні матеріали, що працюють при гелієвих температурах, хоча були відкриті більш 80 років тому, дотепер не знайшли застосування в енергетиці.