Константан — термостабильный сплав

Таблица удельных сопротивлений проводников

Материал проводника	Удельное сопротивление ρ в
Серебро Медь Золото Латунь Алюминий Натрий Иридий Вольфрам Цинк Молибден Никель Бронза Железо Сталь Олово Свинец Никелин (сплав меди, никеля и цинка) Манганин (сплав меди, никеля и марганца) Константан (сплав меди, никеля и алюминия) Титан Ртуть Нихром (сплав никеля, хрома, железа и марганца) Фехраль Висмут Хромаль	0,015 0,0175 0,023 0,025… 0,108 0,028 0,047 0,0474 0,05 0,054 0,059 0,087 0,095… 0,1 0,1 0,103… 0,137 0,12 0,22 0,42 0,43… 0,51 0,5 0,6 0,94 1,05… 1,4 1,15… 1,35 1,2 1,3… 1,5

Из таблицы видно, что железная проволока длиной 1 м и сечением 1 мм2 обладает сопротивлением 0,13 Ом. Чтобы получить 1 Ом сопротивления нужно взять 7,7 м такой проволоки. Наименьшим удельным сопротивлением обладает серебро. 1 Ом сопротивления можно получить, если взять 62,5 м серебряной проволоки сечением 1 мм2. Серебро – лучший проводник, но стоимость серебра исключает возможность его массового применения. После серебра в таблице идет медь: 1 м медной проволоки сечением 1 мм2 обладает сопротивлением 0,0175 Ом. Чтобы получить сопротивление в 1 Ом, нужно взять 57 м такой проволоки.

Химически чистая, полученная путем рафинирования, медь нашла себе повсеместное применение в электротехнике для изготовления проводов, кабелей, обмоток электрических машин и аппаратов. Широко применяют также в качестве проводников алюминий и железо.

Сопротивление проводника можно определить по формуле:

где r – сопротивление проводника в омах; ρ – удельное сопротивление проводника; l – длина проводника в м; S – сечение проводника в мм2.

Пример 1. Определить сопротивление 200 м железной проволоки сечением 5 мм2.

Пример 2. Вычислить сопротивление 2 км алюминиевой проволоки сечением 2,5 мм2.

Из формулы сопротивления легко можно определить длину, удельное сопротивление и сечение проводника.

Пример 3. Для радиоприемника необходимо намотать сопротивление в 30 Ом из никелиновой проволоки сечением 0,21 мм2. Определить необходимую длину проволоки.

Пример 4. Определить сечение 20 м нихромовой проволоки, если сопротивление ее равно 25 Ом.

Пример 5. Проволока сечением 0,5 мм2 и длиной 40 м имеет сопротивление 16 Ом. Определить материал проволоки.

Материал проводника характеризует его удельное сопротивление.

По таблице удельных сопротивлений находим, что таким сопротивлением обладает свинец.

Выше было указано, что сопротивление проводников зависит от температуры. Проделаем следующий опыт. Намотаем в виде спирали несколько метров тонкой металлической проволоки и включим эту спираль в цепь аккумулятора. Для измерения тока в цепь включаем амперметр. При нагревании спирали в пламени горелки можно заметить, что показания амперметра будут уменьшаться. Это показывает, что с нагревом сопротивление металлической проволоки увеличивается.

У некоторых металлов при нагревании на 100° сопротивление увеличивается на 40 – 50 %. Имеются сплавы, которые незначительно меняют свое сопротивление с нагревом. Некоторые специальные сплавы практически не меняют сопротивления при изменении температуры. Сопротивление металлических проводников при повышении температуры увеличивается, сопротивление электролитов (жидких проводников), угля и некоторых твердых веществ, наоборот, уменьшается.

Способность металлов менять свое сопротивление с изменением температуры используется для устройства термометров сопротивления. Такой термометр представляет собой платиновую проволоку, намотанную на слюдяной каркас. Помещая термометр, например, в печь и измеряя сопротивление платиновой проволоки до и после нагрева, можно определить температуру в печи.

температурный коэффициент сопротивления – это изменение сопротивления проводника при его нагревании, приходящееся на 1 Ом первоначального сопротивления и на 1° температуры, обозначается буквой α.

Если при температуре t сопротивление проводника равно r, а при температуре t равно r_t, то температурный коэффициент сопротивления

Примечание. Расчет по этой формуле можно производить лишь в определенном интервале температур (примерно до 200°C).

Приводим значения температурного коэффициента сопротивления α для некоторых металлов (таблица 2).

Таблица 2

Характеристика, свойства и особенности

Константан относится к электротехнической группе медноникелевых сплавов. Процент содержания никеля колеблется от 39 до 41% в зависимости от марки. Для увеличения механических свойств дополнительно легируется 1-2%-ом марганца. Помимо основных элементов включает небольшое количество примесей: меньше 1%. Сюда входит сера, фосфор, алюминий, магний и свинец. Причина их содержания – несовершенство технологии выплавки и неточность химического состава лигатур. Всего насчитывается более 30 марок константа, но самой распространённой в производстве является МНМц 40-1,5.

Плотность варьируется в пределах 8800-8900 кг\м2. Температура плавления 1350 ºС. Не магнитен.

Константан отличается низким значением удельного электрического сопротивления 0,5 Ом*мм2\м. Для сравнения аналогичный показатель меди составляет 0,2 Ом*мм2\м. Константан обладает минимальным температурным коэффициентом электросопротивления 0,06*10-6 1\С, т.е. при повышении температуры проводимость проводника изменяется незначительно.

Среди достоинств константана отмечают его способность аккумулировать термоэлектродвижущую силу. Особенно при работе в паре с такими металлами как медь и железо.

Коэффициент линейного расширения сплава составляет 14,4*10-6 1\С, т. е. при нагреве константана на 100 ºС его длина изменится на 14,4 мкм. Теплопроводность – 0,05 кал\см*с*С. Теплоемкость – 0,0977 кал\г*С.

Касаемо механических свойств, константан выделяется своей высокой пластичностью. Модуль упругости равен 16 600 кгс\мм2. Относительное удлинение доходит до 30%, а относительное сужение до 71%.

Предел прочности на разрыв «сырого» сплава имеет довольно низкое значение 400 МПа. Термическая обработка, которая включает в себя низкотемпературный отжиг, позволяет повысить данный показатель в 2 раза 700-800 МПа. А это уже сравнимо с прочностью стали 45.

Дополнительного упрочнения сплава достигают проведением наклепа: прокаткой стальными роликами поверхность константана. В результате возникающие пластические деформации увеличивают предел прочности до 850 МПа, а твердость до 75-90 единиц шкалы Бринелля. Стоит отметить, что термическое и механическое упрочнения уменьшают пластичность сплава. Относительное удлинение падает до 4%, относительное сужение до 21%.

Константан хорошо проявляет себя при работе в условиях переменных нагрузок. Так, предел выносливости горячекатаных прутков составляет 243 МПа. Для сравнения аналогичный параметр стали 45 является немногим больше – 245 МПа.

Константан отличается высокими технологическими свойствами. Поддается всем способам обработки давлением: штамповка, чеканка, ковка и прочее. Обрабатывается резанием, правда перед этим требуется проведение термического отжига. Легко паяется.

Теоретическая масса 1000 м проволоки

Диаметр проволоки, мм	Площадь поперечного сечения, мм2	Теоретическая масса 1000 м проволоки, кг	Диаметр проволоки, мм	Площадь поперечного сечения, мм2	Теоретическая масса 1000 м проволоки, кг
0,020	0,000314	0,0028	0,60	0,2827	2,516
0,025	0,000491	0,0044	0,65	0,3318	2,953
0,030	0,000707	0,0063	0,70	0,3848	3,425
0,040	0,001257	0,0112	0,75	0,4418	3,932
0,050	0,001963	0,0175	0,80	0,5027	4,474
0,060	0,002827	0,0252	0,85	0,5675	5,051
0,070	0,003848	0,0342	0,90	0,6362	5,662
0,080	0,005027	0,0447	1,00	0,785	6,990
0,090	0,006362	0,0566	1,10	0,950	8,458
0,10	0,00785	0,0699	1,20	1,131	10,066
0,12	0,01131	0,1007	1,30	1,327	11,810
0,14	0,01539	0,137	1,40	1,539	13,697
0,15	0,01767	0,157	1,50	1,767	15,726
0,16	0,02011	0,179	1,60	2,011	17,893
0,18	0,02545	0,227	1,70	2,270	20,203
0,20	0,03142	0,280	1,80	2,545	22,651
0,22	0,03801	0,338	1,90	2,835	25,232
0,25	0,04909	0,437	2,00	3,142	27,946
0,28	0,06158	0,548	2,25	3,974	35,369
0,30	0,07069	0,629	2,50	4,909	43,690
0,33	0,08553	0,761	2,75	6,935	52,822
0,35	0,09621	0,856	3,00	7,069	62,914
0,38	0,1134	1,009	3,50	9,616	85,582
0,40	0,1257	1,119	4,00	12,560	111,784
0,45	0,1590	1,415	4,50	15,896	141,474
0,50	0,1964	1,748	5,00	19,625	174,663
0,55	0,2376	2,115

Примечание. Теоретическая масса вычислена при плотности сплава 8,9 г/см3.

§ 45. Расчёт сопротивления проводника. Удельное сопротивление

Мы знаем, что причиной электрического сопротивления проводника является взаимодействие электронов с ионами кристаллической решётки металла (§ 43). Поэтому можно предположить, что сопротивление проводника зависит от его длины и площади поперечного сечения, а также от вещества, из которого он изготовлен.

На рисунке 74 изображена установка для проведения такого опыта. В цепь источника тока по очереди включают различные проводники, например:

1. никелиновые проволоки одинаковой толщины, но разной длины;
2. никелиновые проволоки одинаковой длины, но разной толщины (разной площади поперечного сечения);
3. никелиновую и нихромовую проволоки одинаковой длины и толщины.

Силу тока в цепи измеряют амперметром, напряжение — вольтметром.

Зная напряжение на концах проводника и силу тока в нём, по закону Ома можно определить сопротивление каждого из проводников.

Рис. 74. Зависимость сопротивления проводника от его размеров и рода вещества

Выполнив указанные опыты, мы установим, что:

1. из двух никелиновых проволок одинаковой толщины более длинная проволока имеет большее сопротивление;
2. из двух никелиновых проволок одинаковой длины большее сопротивление имеет проволока, поперечное сечение которой меньше;
3. никелиновая и нихромовая проволоки одинаковых размеров имеют разное сопротивление.

Зависимость сопротивления проводника от его размеров и вещества, из которого изготовлен проводник, впервые на опытах изучил Ом. Он установил, что сопротивление прямо пропорционально длине проводника, обратно пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от вещества проводника.

Как учесть зависимость сопротивления от вещества, из которого изготовляют проводник? Для этого вычисляют так называемое удельное сопротивление вещества.

Удельное сопротивление — это физическая величина, которая определяет сопротивление проводника из данного вещества длиной 1 м, площадью поперечного сечения 1 м2.

Введём буквенные обозначения: ρ — удельное сопротивление проводника, I — длина проводника, S — площадь его поперечного сечения. Тогда сопротивление проводника R выразится формулой

Из неё получим, что:

Из последней формулы можно определить единицу удельного сопротивления. Так как единицей сопротивления является 1 Ом, единицей площади поперечного сечения — 1 м2, а единицей длины — 1 м, то единицей удельного сопротивления будет:

Удобнее выражать площадь поперечного сечения проводника в квадратных миллиметpax, так как она чаще всего бывает небольшой. Тогда единицей удельного сопротивления будет:

В таблице 8 приведены значения удельных сопротивлений некоторых веществ при 20 °С. Удельное сопротивление с изменением температуры меняется. Опытным путём было установлено, что у металлов, например, удельное сопротивление с повышением температуры увеличивается.

Таблица 8. Удельное электрическое сопротивление некоторых веществ (при t = 20 °С)

Из всех металлов наименьшим удельным сопротивлением обладают серебро и медь. Следовательно, серебро и медь — лучшие проводники электричества.

При проводке электрических цепей используют алюминиевые, медные и железные провода.

Во многих случаях бывают нужны приборы, имеющие большое сопротивление. Их изготавливают из специально созданных сплавов — веществ с большим удельным сопротивлением. Например, как видно из таблицы 8, сплав нихром имеет удельное сопротивление почти в 40 раз большее, чем алюминий.

Фарфор и эбонит имеют такое большое удельное сопротивление, что почти совсем не проводят электрический ток, их используют в качестве изоляторов.

Вопросы

1. Как зависит сопротивление проводника от его длины и от площади поперечного сечения?
2. Как показать на опыте зависимость сопротивления проводника от его длины, площади поперечного сечения и вещества, из которого он изготовлен?
3. Что называется удельным сопротивлением проводника?
4. По какой формуле можно рассчитывать сопротивление проводников?
5. В каких единицах выражается удельное сопротивление проводника?
6. Из каких веществ изготавливают проводники, применяемые на практике?

Параметры и характерности

Данное наименование носит сплав медно-никелевого состава, отличающийся термостабильностью, электрическим сопротивлением, обрабатываемостью, применяется в электротехнической промышленности.

Последнее гарантирует стабильность сопротивления при разной температуре. Благодаря показателям сопротивления константан называют резистивным сплавом. Более того этот материал отличается существенной термоэлектродвижущей силой. Напоследок, константан обладает хорошим технологичными качествами, обуславливающими обрабатываемость его механическими методами. Так, для него применимы паяние, чеканка, штамповка, ковка и т. д. После отжига возможно применять резание. Засорение цинком значительно осложняет обработку.

Дальше приведены другие характеристики константана. Плотность его равна 8,8–8,9 г/см 3 . Аналогичным образом, это наиболее плотный никелевый сплав, превосходящий по этому параметру сталь. Эта характерность, определяющая большую массу константана, вызвана существенной долей меди в его составе. Температура плавления составляет 1260 °C, из-за чего сплав считается термостабильным, сохраняя до названной температуры внутреннее строение. Твердость равна 155 НВ, прочностный предел на разрыв – 400 МПа. Температурный показатель линейного увеличения составляет 14,4?10 -6 в диапазоне от 20 до 100 °C. Теплоемкость равна 0,0977 кал/г?C, проводимость тепла – 0,05 кал/см?с?C. Магнитные свойства отсутствуют. Константан отличается большими показателями пластичности. Так, модуль упругости составляет 16600 кгс/мм 2 , относительное удлинение может достигать 30%, сужение – 71%. Нужно сказать, что эластичность сильно уменьшается при загрязнении константана цинком. Благодаря высокому пределу выносливости, составляющему для горячетканых прутьев 243 МПа (что отвечает стали 45), константан подойдет для условий переменных нагрузок. Медно-никелевый состав обеспечивает сопротивление сплава коррозии. Так, он не реагирует с кислородом до 800 °C, а еще с органическими кислотами и соляными растворами. Цвет – желтоватый.

Ввиду плохой прочности константан нередко подвергают повторной обработке. После отжига прочностный предел увеличивается до 700-800 МПа, что приравнивает сплав по этому показателю к стали 45. Для еще большего упрочнения рассматриваемого материала используют наклеп, предполагающий поверхностную прокатку стальными роликами, вызывающую пластические деформации. В результате подобной отделки константан приобретает критерии предела прочности в 850 МПа и твердости в 75-90 НВ

Однако необходимо брать во внимание, что как механическая, так и термообработка константана МНМц 40-1,5 уменьшает эластичность: относительное удлинение уменьшается до 4%, сужение – до 21%

Это покрытие сформировывается в результате прокаливания, по этому изделия, ориентированные на применение в электрическом оборудовании, подвергают этой отделке при изготовлении.

Стоимость константана сформировывается, в первую очередь, под воздействием цены Ni. К примеру, стоимость рассматриваемого материала в октябре 2017 г. составляла примерно 5 тыс. рублей за 1 кг. В большинстве случаев она подчиняется от формы и ее свойств. Так, лента чуть дороже если сравнивать с проволокой. А для проволки имеет большое значение толщина: варианты с большим диаметром доступнее. К примеру, на декабрь 2016 г. тонна 0,6 мм проволки стоила около 2,3 млн., а материала диаметром 1,2 мм – 0,8-1 млн. Более того, как видно из приведенных данных, при массовой реализации цена существенно уменьшается. Стоимость покупки также устанавливается определенными моментами

Во-первых, важное имеет значение состояние лома, определяемое, в первую очередь, наличием следов коррозии. Второе, для проволки имеет большое значение диаметр. Тонкие материалы ценятся выше

Тонкие материалы ценятся выше.

Третье, важен размер поставок. Пункты приема лома предпочитают принимать большие партии (более 100 кг) ввиду ускоренной реализации. В данных случаях они наценивают лом на 10–15%.

Стоимость нихрома

Исходя из географии, мировой рынок сплавов нихрома можно классифицировать по Азиатско-Тихоокеанскому региону, Европе, Северной Америке, Латинской Америке, а также на Ближнем Востоке и в Африке. Северная Америка и Европа являются основными рынками для сплавов нихрома, что обусловлено ростом аэрокосмической и электронной промышленности. Производственные компании Nichrome в Азиатско-Тихоокеанском регионе и Латинской Америке вкладывают значительные средства в исследования и разработки нихрома в Азии.

Стоимость продукции нихрома в виде :

• Проволока 0.8 мм Х20Н80 – 1 990 руб./кг;
• Проволока 2.0 мм Х20Н80 -2 050 руб./кг;
• Лента #1,0х15 мм Х20Н80 – 1 990 руб./кг;
• Проволока нихром 1.5 мм Х15Н60 – 1 590 руб./кг.

Нихром Bibus Metals Основными игроками, работающими на мировом рынке сплавов нихрома, являются American Elements, Bibus Metals, VDM Metals, Crown Alloys, Wickeder Westfalenstahl GmbH, Tri Star Metals и другие. Эти компании составляют значительную долю рынка сплавов и лома нихрома, таким образом, на рынке наблюдается острая конкуренция.

Российские производители нихрома: Волгоградский сталепроволочноканатный завод, ГРЭЙС-1000 (Москва), Западно-Уральское промышленное снабжение (Пермь), Индекс-ВК (Екатеринбург), Каменск-Уральский завод, Металлокомерция (Москва), Проммет(Москва), Промснабметалл АГ (Москва), Уральский Завод Прецизионных Сплавов.

Свойства, характеристики константановой проволоки

Свойства константановой проволоки обусловлены способами обработки сплава, которые могут производиться давлением или отжигом, выполняемым при высоких температурных режимах. Прочность сплава регулируется нормативными документами, находится в пределах 650-720 МПа для твердых материалов и 400-500 МПа – для мягких. Предел прочности на разрыв термически не обработанной константановой проволоки – довольно небольшой – всего 400 Мпа, но уже после низкотемпературного отжига данный показатель значительно увеличивается, и становится практически таким же, как у стали 45.

Среди основных свойств константановой проволоки можно выделить:

• прочность;
• жаростойкость;
• устойчивость к процессам коррозии;
• высокое электрическое сопротивление.

Характеристики изделия зависят от свойств константана. Наибольшее распространение получила марка изделия МНМц40-1,5. Эта продукция, представляющая собой сплав серебристого цвета с желтоватым отливом, содержит около 56,2% меди по массе, 39-41% кобальта и никеля в общем массе, и марганец (1-2%). Кроме этого, возможно содержание примесей, но в ограниченном количестве

Сплав характеризуется высоким показателем удельного электрического сопротивления (от 0,45 до 0,52 мкОм*м), и, что важно, – сохраняет его при повышении температуры до 400-500оС

Плотность константановой проволоки зависит от марки – варьируется в пределах интервала 8800 – 8900 кг/м3. Проволока константановая не магнитна.

Особого внимания требует термоэлектродвижущая сила константана (ТЭДС), которая является высокой в совокупности с такими элементами, как медь, железо, хромель – (хромоникелевый сплав), обеспечивая применение полуфабриката для производства термопар. При кратковременном нагреве до температуры 900оС, на поверхности создается изолирующий слой оксидной плёнки. Это исключает выполнение дополнительных операций в технологическом процессе по покрытию проволоки лаком или другим изолирующим слоем, благодаря чему снижается стоимость продукции.

Сплав обладает хорошей обрабатываемостью. Относительное сужение константановой проволоки может доходить до 71%, а удлинение – до 30%.  Благодаря пластичности изделия МНМц40-1,5 обеспечивается производство из него тонкой проволоки, сечением до микронного диаметра. Материал легко соединяется путем сварки, пайки.

Содержание в составе константановой проволоки таких элементов, как никель, медь, придают данной продукции высокую устойчивость к воздействию процессов коррозии. При температуре менее 800 °С продукция не окисляется под воздействием кислорода. Прекрасно противостоит воздействию большинства кислот органического происхождения, растворов солей.

Поставляется константановая проволока в катушках, мотках, бухтах. Твердые изделия выпускаются диаметром 0,02-5 мм, мягкие – 0,1-5 миллиметров. Пластические свойства мягкой константановой проволоки выше. Контроль качества производства полуфабрикатов осуществляется на всех этапах технологического процесса. Поверхность материала контролируется ГОСТ(ом), не допуская механических повреждений, расслоений и надрывов.

Константановая проволока с сечением меньше 0,1 мм часто носит название «константановая нить» или в обиходе «проволока микронных размеров». У нас можно купить константановую проволоку и константановую нить.

Как и вся металлопродукция, константановая проволока имеет свои преимущества и недостатки.

Среди достоинств можно выделить:

• высокие технологические характеристики (обрабатываемость и пр.);
• хорошее электросопротивление;
• термостабильность;
• в паре с некоторыми сплавами, металлами – высокое значение ТЭДС;
• низкий температурный коэффициент электросопротивления.

Недостаток – относительно низкая температура перехода в жидкое состояние.

Применение

Сфера применения рассматриваемого материала определяется его параметрами. Так, большая термоэлектродвижущая сила обуславливает возможность использования константана в качестве исходного материала для, термопар. Значительное электрическое сопротивление позволяет создавать из него элементы сопротивления, представленные реостатами, и нагревательные элементы. Так как электрическое сопротивление константана слабо связано с температурой, он подходит для тех случаев, когда необходима стабильность электрического сопротивления. Помимо этого, рассматриваемый сплав применяется в измерительном оборудовании низкого класса точности и в качестве материала удлиняющих проводов.

Изделия из константана представлены проволокой диаметром 0,2-2,5 мм и лентами толщиной 0,1-2 мм и шириной 10-300 мм. Причем проволока представлена в двух вариантах: мягкой (отожженной) и твердой. Их свойства отличаются. Так, для мягкого варианта удельное сопротивление составляет 0,46-0,48 ом×мм 2 /м, прочность на разрыв – 45-65 кг/мм 2 , в то время как для твердой проволоки удельное сопротивление равно 0,48-0,52 ом×мм 2 /м, прочность на разрыв -65-70 кг/мм 2 . Кроме того, выпускают продукцию как без изоляции, так и с различными ее вариантами: высокопрочной эмалевой, двухполосной шелковой, двухслойной комбинированной эмаль-шелковой и эмаль-лавсановой.

Константановая проволока служит для изготовления проводников между приемником и контактором высокоточных температурных измерителей. Также из нее делают компенсационные провода термопар. Из проволоки и лент создают резистивные, ленточные и проволочные нагревательные элементы промышленных печей по выплавке металлов с небольшой температурой плавления. Наконец, из константана производят реостаты, резисторы, тензометрические датчики.

Во-первых, высокое электрическое сопротивление, способствует быстрому и сильному нагреву. Во-вторых, малый температурный коэффициент сопротивления позволяет значительно упростить конструкцию нагревателя. Так, он избавляет от необходимости понижения напряжения при запуске, следовательно, не требуется трансформатор. В-третьих, хорошие технологические особенности позволяют создавать детали сложной конфигурации.

Таким образом, благодаря названным свойствам константана в совокупности возможно изготовление из него коротких нагревательных элементов большой площади поперечного сечения. Это считают существенным преимуществом по следующим причинам. Во-первых, печи многих типов, например, лабораторные, рассчитаны на короткие нагревательные элементы. Во-вторых, детали большого диаметра характеризуются большим сроком службы.

Константан применяют как для открытых, так и для закрытых нагревателей. В первом случае его используют в виде ленты и толстой проволоки. Это объясняется сгоранием тонкой проволоки на открытом воздухе при высоких температурах (более 400-450 °C). Однако материал в такой форме актуален для печей с инертным газом, вакуумных печей, закрытых нагревателей. В последнем случае в устройствах типа ТЭН, ориентированных на нагрев жидкости, воздуха, полов и т. д., константан не контактирует с окружающей средой. В большинстве таких нагревателей он в виде спирали из нити помещен в герметичную трубку. Для высокомощных моделей применяют толстую проволоку и ленту.

Также относительно формы константана следует отметить, что проволоку считают более предпочтительной по техническим и экономическим особенностям для нагревательного оборудования в сравнении с лентой. Так, для крупных промышленных печей применяют материал диаметром 3-7 мм, для меньших аналогов – 0,03-2,5 мм проволоку. К преимуществам проволоки перед лентой относят меньшую стоимость и простоту изготовления нагревательных элементов. Так, спиральные детали создают путем станковой навивки. К тому же проволочную спираль, благодаря компактности и высокой пластичности, можно разместить в оборудовании различными способами: на сводах и стенках зигзагами и лабиринтом, подвесить на керамических изоляторах, навить на трубчатое основание. Второй способ применяют на низкотемпературных печах, а третий считают наиболее эффективным. Вследствие больших трудоемкости и затратности создания нагревательных элементов из ленты обычно ее применяют в основном в специфических случаях. В любом случае константановые нагревательные элементы близки по параметрам эффективности, независимо от формы.

Что такое нихром

Нихромовый сплав обладает хорошей способностью сопротивляться потоку электронов. Эти уникальные свойства делают его пригодными для применений в нагревательных элементах фёнов и тепловых пушек. Он обладает высокой стойкостью к окислению, что также делает его подходящим материалом для нагревательной техники. Нихромовая проволока наматывается в катушки с определенным электрическим сопротивлением нихрома, через который пропускается ток для производства тепла.

Никелево-хромовый сплав в соотношении 90/10 используют в термопарах в сочетании со сплавом Ni / Al 95/5. Эта комбинация называется хромель-алюмель, представляет нагревательные элементы с максимальной рабочей температурой 1100 C и подвержен дрейфу в области 1000 C из-за окисления. Этот эффект устраняют добавлением кремния. Коммерческие сорта включают Nicrosil (содержащий 14% Cr и 1,5% Si) и Nisil (содержащий 4,5% Si и 0,1% Mg).

Как выглядит нихром

Никелево-хромовый металл в соотношении 80/20 относится к высокотемпературному коррозионностойкому сплаву, применяемого для деформируемых и литых деталей, поскольку он имеет лучшую стойкость к окислению и горячей коррозии в сравнении с дешевыми железо-никель-хромовыми сплавами.

Удельное электрическое сопротивление

Сопротивление в омах проводника длиной 1 м, сечением 1 мм² называется удельным сопротивлением

и обозначается греческой буквойρ (ро).

В таблице 1 даны удельные сопротивления некоторых проводников.

Таблица 1

Удельные сопротивления различных проводников

Из таблицы видно, что железная проволока длиной 1 м и сечением 1 мм² обладает сопротивлением 0,13 Ом. Чтобы получить 1 Ом сопротивления нужно взять 7,7 м такой проволоки. Наименьшим удельным сопротивлением обладает серебро. 1 Ом сопротивления можно получить, если взять 62,5 м серебряной проволоки сечением 1 мм². Серебро – лучший проводник, но стоимость серебра исключает возможность его массового применения. После серебра в таблице идет медь: 1 м медной проволоки сечением 1 мм² обладает сопротивлением 0,0175 Ом. Чтобы получить сопротивление в 1 Ом, нужно взять 57 м такой проволоки.

Химически чистая, полученная путем рафинирования, медь нашла себе повсеместное применение в электротехнике для изготовления проводов, кабелей, обмоток электрических машин и аппаратов. Широко применяют также в качестве проводников алюминий и железо.

Сопротивление проводника можно определить по формуле:

где r

– сопротивление проводника в омах;ρ – удельное сопротивление проводника;l – длина проводника в м;S – сечение проводника в мм².

Пример 1.

Определить сопротивление 200 м железной проволоки сечением 5 мм².

Пример 2.

Вычислить сопротивление 2 км алюминиевой проволоки сечением 2,5 мм².

Из формулы сопротивления легко можно определить длину, удельное сопротивление и сечение проводника.

Пример 3.

Для радиоприемника необходимо намотать сопротивление в 30 Ом из никелиновой проволоки сечением 0,21 мм². Определить необходимую длину проволоки.

Пример 4.

Определить сечение 20 м нихромовой проволоки, если сопротивление ее равно 25 Ом.

Пример 5.

Проволока сечением 0,5 мм² и длиной 40 м имеет сопротивление 16 Ом. Определить материал проволоки.

Материал проводника характеризует его удельное сопротивление.

По таблице удельных сопротивлений находим, что таким сопротивлением обладает свинец.

Выше было указано, что сопротивление проводников зависит от температуры. Проделаем следующий опыт. Намотаем в виде спирали несколько метров тонкой металлической проволоки и включим эту спираль в цепь аккумулятора. Для измерения тока в цепь включаем амперметр. При нагревании спирали в пламени горелки можно заметить, что показания амперметра будут уменьшаться. Это показывает, что с нагревом сопротивление металлической проволоки увеличивается.

У некоторых металлов при нагревании на 100° сопротивление увеличивается на 40 – 50 %. Имеются сплавы, которые незначительно меняют свое сопротивление с нагревом. Некоторые специальные сплавы практически не меняют сопротивления при изменении температуры. Сопротивление металлических проводников при повышении температуры увеличивается, сопротивление электролитов (жидких проводников), угля и некоторых твердых веществ, наоборот, уменьшается.

Способность металлов менять свое сопротивление с изменением температуры используется для устройства термометров сопротивления. Такой термометр представляет собой платиновую проволоку, намотанную на слюдяной каркас. Помещая термометр, например, в печь и измеряя сопротивление платиновой проволоки до и после нагрева, можно определить температуру в печи.

Изменение сопротивления проводника при его нагревании, приходящееся на 1 Ом первоначального сопротивления и на 1° температуры, называется температурным коэффициентом сопротивления

и обозначается буквой α.

Если при температуре t

0 сопротивление проводника равноr 0 , а при температуреt равноr t , то температурный коэффициент сопротивления

Примечание.

Расчет по этой формуле можно производить лишь в определенном интервале температур (примерно до 200°C).

Приводим значения температурного коэффициента сопротивления α для некоторых металлов (таблица 2).

Таблица 2

Значения температурного коэффициента для некоторых металлов

Из формулы температурного коэффициента сопротивления определим r t

r t

=r 0 .

Пример 6.

Определить сопротивление железной проволоки, нагретой до 200°C, если сопротивление ее при 0°C было 100 Ом.

r t

=r 0 = 100 (1 + 0,0066 × 200) = 232 Ом.

Пример 7.

Термометр сопротивления, изготовленный из платиновой проволоки, в помещении с температурой 15°C имел сопротивление 20 Ом. Термометр поместили в печь и через некоторое время было измерено его сопротивление. Оно оказалось равным 29,6 Ом. Определить температуру в печи.

Зависимость от температуры

Удельное электрическое сопротивление зависит от температуры. Но все группы веществ проявляют себя по-разному при ее изменении. Это необходимо учитывать при расчете проводов, которые будут работать в определенных условиях. К примеру, на улице, где значения температуры зависят от времени года, необходимые материалы с меньшей подверженностью изменениям в диапазоне от -30 до +30 градусов Цельсия. Если же планируется применение в технике, которая будет работать в одних и тех же условиях, то здесь также нужно оптимизировать проводку под конкретные параметры. Материал всегда подбирается с учетом эксплуатации. В номинальной таблице удельное электрическое сопротивление берется при температуре 0 градусов Цельсия. Повышение показателей данного параметра при нагреве материала обусловлено тем, что интенсивность передвижения атомов в веществе начинает возрастать. Носители электрических зарядов хаотично рассеиваются во всех направлениях, что приводит к созданию препятствий при передвижении частиц. Величина электрического потока снижается.

При уменьшении температуры условия прохождения тока становятся лучше. При достижении определенной температуры, которая для каждого металла будет отличаться, появляется сверхпроводимость, при которой рассматриваемая характеристика почти достигает нуля.

Отличия в параметрах порой достигают очень больших значений. Те материалы, которые обладают высокими показателями, могут использовать в качестве изоляторов. Они помогают защищать проводку от замыкания и ненамеренного контакта с человеком. Некоторые вещества вообще не применимы для электротехники, если у них высокое значение этого параметра. Этому могут мешать другие свойства. Например, удельная электрическая проводимость воды не будет иметь большого значения для данный сферы. Здесь приведены значения некоторых веществ с высокими показателями.

Материалы с высоким удельным сопротивлением	ρ (Ом·м)
Бакелит	1016
Бензол	1015…1016
Бумага	1015
Вода дистиллированная	104
Вода морская	0.3
Дерево сухое	1012
Земля влажная	102
Кварцевое стекло	1016
Керосин	1011
Мрамор	108
Парафин	1015
Парафиновое масло	1014
Плексиглас	1013
Полистирол	1016
Полихлорвинил	1013
Полиэтилен	1012
Силиконовое масло	1013
Слюда	1014
Стекло	1011
Трансформаторное масло	1010
Фарфор	1014
Шифер	1014
Эбонит	1016
Янтарь	1018

Более активно в электротехнике применяются вещества с низкими показателями. Зачастую это металлы, которые служат проводниками. В них также наблюдается много различий. Чтобы узнать удельное электрическое сопротивление меди или других материалов, стоит посмотреть в справочную таблицу.

Материалы с низким удельным сопротивлением	ρ (Ом·м)
Алюминий	2.7·10-8
Вольфрам	5.5·10-8
Графит	8.0·10-6
Железо	1.0·10-7
Золото	2.2·10-8
Иридий	4.74·10-8
Константан	5.0·10-7
Литая сталь	1.3·10-7
Магний	4.4·10-8
Манганин	4.3·10-7
Медь	1.72·10-8
Молибден	5.4·10-8
Нейзильбер	3.3·10-7
Никель	8.7·10-8
Нихром	1.12·10-6
Олово	1.2·10-7
Платина	1.07·10-7
Ртуть	9.6·10-7
Свинец	2.08·10-7
Серебро	1.6·10-8
Серый чугун	1.0·10-6
Угольные щетки	4.0·10-5
Цинк	5.9·10-8
Никелин	0,4·10-6