4.3.2. Материалы высокого удельного сопротивления.

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 содержит: Cu - 84 - 86 % , Mn – 12-13 %, Ni – 2 – 3 %. Цвет манганина светло-оранжевый, плотность 8400 кг/м³, Т_пл = 960 ^оС, ρ = 0,42 – 0,43 мкОм^.м, ТКρ = (2 – 6) ^. 10^-6 К^-1. 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 Т_пл = 1260 ^оС, ТКЛР = 14^.10^-6 К^-1. Удельное сопротивление ρ ≈ 0,5 мкОм^.м, ТКρ при нормальных температурах = -(5 - 25) ^. 10^-6 К^-1, т.е., имеет отрицательное значение. 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. Действие тензодатчиков основано на изменении сопротивления при деформации тензометрического элемента.

Нагревательные сплавы стойки к окислению при высоких температурах. Это объясняется образованием на их поверхности плотной оксидной плёнки, чаще всего это оксид хрома Cr₂O₃ или закись никеля NiO. Эти оксиды не испаряются при высоких температурах и имеют ТКЛР близкие к ТКЛР сплава, поэтому не растрескиваются при нагревании.

Нагревостойкие материалы обычно представляют собой сплавы хрома и никеля, называемые нихромами (Х15Н60, Х20Н80), хрома и алюминия, называемые хромалями (Х23Ю5Т), железа и хрома, называемые фехралями (Х13Ю4)

Нихром имеет ρ ≈ 1 мкОм^.м, ТК_ρ ≈ 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 дешевле нихромов, но имеют более низкую рабочую температуру = 750 – 1000^оС.

Сплавы для термопар. При соприкосновении двух металлов (или полупроводников) между ними возникает контактная разность потенциалов W. Причиной появления W являются различные значения работы выхода электрона. В замкнутой цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников при условии, что контакты проводников находятся при разных температурах, возникает электродвижущая сила. В этом заключается эффект Зеебека. Величина термо-ЭДС U подчиняется уравнению:

U = k/e (T₁ – T₂) ln n_a/n_b, (4.3)

где k – константа Больцмана, е – заряд электрона, n_a и n_b – концентрация электронов в металле а и b, T₁ – температура горячего спая, T₂ – температура холодного спая. Поскольку k/e ^. ln n_a/n_b – для каждой пары металлов является величиной постоянной, уравнение принимает вид U = с (T₁ – T₂). Этот эффект используется для измерения температур с помощью термопар, с называется температурным коэффициентом термо-ЭДС термопары.

Для изготовления термопар применяют следующие сплавы:

копель (56 % Cu + 44% Ni), ρ = 0,46 мкОм^.м; алюмель (95 % Ni, остальное Al, Si и Mg); хромель (90 % Ni и 10 % Cr), ρ = 0,66 мкОм^.м; платинородий (90 % Рt и 10 % Rh).

Термопары могут применяться для измерения следующих температур:

медь – константан и медь-копель – до 350 ^оС;

хромель-копель, железо-копель, железо-константан – до 600 ^оС;

хромель-алюмель – до 900 – 1000 ^оС;

платинородий-платина – до 1600 ^оС.

Самая высокая термо-ЭДС у термопары хромель-копель (ХК), самая низкая – у термопары платинородий-платина.

Материалы для термометров сопротивления.

Для измерения температуры в области от -200 до +700 ^оС широко применяются термометры сопротивления. Действие этих термометров основано на свойстве металлов увеличивать своё электрическое сопротивление при возрастании их температуры. Тепловоспринимающая часть, или чувствительный элемент термометра сопротивления, представляет собой тонкую проволоку, намотанную на жёсткий каркас из изоляционного материала или, в научных исследованиях, непосредственно на измерительную ячейку.

Достоинствами термометров сопротивления являются: 1) высокая степень точности измерения температуры; 2) возможность дистанционного размещения измерительной аппаратуры; 3) возможность автоматической записи температуры; 4) возможность автоматического регулирования температуры; 5) возможность использования многоточечных измерительных приборов.

Термометр сопротивления работает в комплекте с электроизмерительными приборами, фиксирующими изменение его состояния. К числу таких приборов относятся логометры и уравновешенные мосты, а в лабораторных условиях – также неуравновешенные мосты и потенциометры.

Для изготовления термометров сопротивления используются металлы, удовлетворяющие следующим требованиям:

1. Большой температурный коэффициент сопротивления (ТКρ) α . Как и любой ТК, α = (1/ρ) (Δρ/ΔТ). Для большинства чистых металлов α ≈ 4 х 10^-3 град^-1. Исключение – Fe и Ni, для которых α ≈ 6,35 х 10^-3 град^-1.

2. Зависимость сопротивления металла от температуры при графическом её представлении должна выражаться плавной кривой, а оптимально – прямой линией. Предпочтительнее – прямая пропорциональность. Изменение сопротивления проводника выражается уравнением R_t = R₀(1 + αt).

3. Большое удельное сопротивление ρ. Чем больше ρ, тем, при выбранном сечении, меньшей длины проволока должна быть намотана на каркас для получения желаемой величины сопротивления термометра.

4. Постоянство химических и физических свойств металла в области измеряемых температур.

5. Высокая воспроизводимость свойств металла.

Наиболее подходящими металлами являются платина, медь, никель и железо.

Платина в окислительной атмосфере инертна даже при высоких температурах. В восстановительной среде при высоких температурах возможно загрязнение платины окисью углерода и парами металлов, что вызывает хрупкость и непостоянство её характеристик. ТКρ платины ≈ 3,9 ^х 10^-3 град^-1, ρ ≈ 0,1 Ом ^х мм²/м, зависимость ρ от температуры практически линейная вплоть до 600 ^оС. Таким образом, платина удовлетворяет практически всем вышеперечисленным требованиям.

Медь имеет ТКρ ≈ 4,25 ^х 10^-3 град^-1 и линейный характер зависимости сопротивления от температуры в интервале -50 – 200 ^оС. Недостатком меди является малое удельное сопротивление и её лёгкая окисляемость.

Никель и железо обладают более высокими значениями ТКρ, чем все прочие металлы – 6,28 ^х 10^-3 град^-1 и 6,4 ^х 10^-3 град^-1 соответственно и довольно высоким значением ρ ≈ 0, - 0,13 Ом ^х мм²/м. Однако, получение их в чистом виде затруднено, они легко окисляются, поэтому низка воспроизводимость их свойств. Кроме того, зависимость ρ от температуры практически выражается кривыми. Всё это затрудняет их применение.