Иногда электроустройство должно иметь большое сопротивление, тогда применяемый материал должен обладать большим удельным сопротивлением, так как чем больше ρ, тем меньше масса металла. Таковыми являются металлы и сплавы, у которых ρ20ос не менее 0,3 мкОм.м. Чистые металлы в таких случаях применяются реже, чем сплавы. Классифицировать их можно по разным признакам, в том числе – по области применения, определяющей требования к материалам с большим сопротивлением.
Общие требования к материалам с большим сопротивлением:
1) большое удельное сопротивление (не менее 0,3 мкОм.м)
2) достаточная механическая прочность
3) технологичность, обеспечивающая возможность получения соответствующих сечений.
Другие требования – в зависимости от области применения:
I группа – точные электроизмерительные приборы и образцовые сопротивления
Дополнительные, кроме общих, требования:
4) стабильность сопротивления во времени (отсутствие явления старения, то есть изменения ρ во времени)
5) при изменениях температуры ρ не должно меняться, то есть должен быть как можно малыйТКρ (αρ)
6) термо-ЭДС этих материалов относительно меди должна быть минимальной, чтобы в измерительной схеме не возникали посторонние разности потенциалов (помехи).
Основным материалом этой группы является манганин – медно-марганцевый сплав, в состав которого могут входить также Ni, Co, Al, Fe, марка – МНМц 3-12 (медь; среднее содержание никеля 2,5 ÷ 3,5 %; среднее содержание марганца 11,5 ÷ 13,5 %),у манганина очень малая термо-ЭДС с медью и очень маленький ТКρ.
II группа – резисторы и реостаты различных назначений
Дополнительные, кроме общих, требования:
|
|
4) повышенные требования в отношении допустимой рабочей температуры, так как при работе выделяется тепло
5) необходимы материалы низкой стоимости, так как резисторы и реостаты являются массовыми изделиями, не отличающиеся высокой точностью.
Основной материал – константан, также медно-никелевый сплав с марганцем, маркируется МНМц-40-1,5 – состоит из меди, примерно 40 % никеля и 1,5 % марганца. ТКρ у него в 10 раз меньше, чем у манганина (10-6 1/К). Большая термо-Эдс не даёт использовать константан в измерительных приборах высокой точности, зато он хорош в термопарах. ТКρ у константана близок к нулю, но для резисторов и реостатов это не важно, ТКρ может быть большим, как и термо-Эдс. Вместо константана (который дорог из-за большого содержания никеля) в ряде случаев применяют более дешёвый нейзильбер (маркировка – МНЦ-15-20, что означает медь, в среднем 15 % никеля и 20 % цинка), у которого меньшие ρ и допустимая рабочая температура.
III группа – нагревательные приборы, нити осветительных ламп
Дополнительные, кроме общих, требования:
4) высокая рабочая температура – может быть получена при использовании материалов с высокой температурой плавления и полным отсутствием окисления или при окислении с образованием тугоплавких нелетучих окислов, предохраняющих материал от дальнейшего окисления.
Широко применяются сплавы нихром, фехраль, хромаль – они различаются разным содержанием хрома, который придаёт окислам высокую тугоплавкость, у этих сплавов высокая жаростойкость и большое удельное сопротивление.
|
|
| название | состав | Содержание хрома, % | Рабочая температура, о C |
| Фехраль (фе + хр + ал) | Fe, 13 % Cr и 4,5 % Al | 1000 оС | |
| Нихром (ни + хром) | 55-78 % Ni, 20 % Cr, Fe | 1200 оС | |
| Хромаль (хром + ал) | 22 % Cr, 5 % Al, Fe | 1300 оС |
Нити осветительных ламп выполняют из вольфрама, ножки (держатели нити) – из молибдена, у которого со стеклом одинаковый температурный коэффициентобъемного расширения, следовательно, при работе (при нагреве) не возникает зазор между ножкой и стеклянной колбой.
IV – сплавы для термопар
При соприкосновении двух различных металлических проводников между ними возникает контактная разность потенциалов, обусловленная разной работой выхода электронов из поверхности металла. Провод, составленный из двух изолированных друг от друга проволок из различных металлов, называется термопарой. Материалы, образующие термопару, подбираются таким образом, чтобы в диапазоне измеряемых температур они обладали максимальным значением термо-ЭДС, что уменьшает погрешность измерения. Наиболее широко применяются следующие сплавы: копель (Cu-Ni), алюмель (Al-Ni с добавкой кремния и магния), хромель (Cr-Ni), платино-родий (Pt-Rh), константан (Cu-Ni).
Наибольшее применение получили термопары, которые дают наилучшие результаты при их использовании в следующих температурных диапазонах:
 |  |  |  | ||||||
 |
медь-копель хромель-копель хромель-алюмель платинородий-платина
медь-константан железо-константан
железо-копель
Большими значения термо-ЭДС обладают также некоторые полупроводниковые материалы (висмут, сурьма, цинк), их тоже можно использовать. Термо-ЭДС используют не только в измерительных приборах, но и в качестве термоэлементов – на зимовках, маяках, подводных лодках, космических орбитах – нагревают, например, паяльной лампой одни спаи, на других, холодных, спаях получают электрический свет, но их КПД мал, примерно 10 % и они пока дороги.
|
|
Контактные материалы
Электрическим контактом называется поверхность соприкосновения токоведущих частей электроустановки и конструктивные приспособления, обеспечивающие само соприкосновение. Контакты бывают неподвижные, разрывные и скользящие.
Неподвижные контакты – различают цельнометаллические (сварные, паяные) и зажимные (болтовые, винтовые) соединения. Цельнометаллический контакт должен быть стабильным, с малым сопротивлением, если надо (в линии электропередач) – то должен быть механически прочным. Зажимный контакт зависит от способности материала к пластической деформации и от давления в месте контакта. Места контакта покрывают мягким (пластичным) коррозионно стойким металлом – оловом, серебром, кадмием.
Разрывные контакты служат для периодических замыканий и размыканий электрических цепей. Особенностью работы разрывных контактов является возникновение между ними электрических разрядов в виде искры или дуги. Материалы для разрывных контактов (особенно для электрических цепей с большими токами и высокими напряжениями) должны:
- обеспечивать надёжность соединения,
- обеспечивать минимальность и стабильность электрического сопротивления,
- исключать возможность обгорания контактирующих поверхностей,
- исключать возможность приваривания поверхностей друг к другу,
- исключать коррозию поверхностей контакта из-за того, что образующаяся плёнка оксидов ухудшает контакт, увеличивает сопротивление и выделение теплоты,
- иметь высокую теплопроводность, чтобы отводить тепло,
- иметь стойкость к действию механических нагрузок.
Контактные материалы для слабых токов:
чистые тугоплавкие металлы (вольфрам, мoлибден), благородные металлы (золото, серебро, платина), сплавы на их основе (золото-серебро, платина-рутений, платина-родий), металлокерамические композиции (серебро-окись кадмия, где кадмия – 12-20 %).
Контактные материалы для сильных токов:
металлокерамика– серебро с окислами кадмия, никеля, хрома, вольфрама, мoлибдена, медь с вольфрамом и кoбальтом, золото с вольфрамом и мoлибденом, медь и серебро с графитом. Медь, серебро, золото дают высокую прочность и теплопроводность, тугоплавкая фаза – механическую и электрическую стойкость, контакты не привариваются друг к другу. Используются композиции Ag-CdO; Ag-CuO; Cu-C (графит); Ag-Ni; Ag-C (графит); Ag-Ni-C; Ag-W-Ni; Cu-W-Ni.
С помощью металлокерамики в электротехнике получают не только постоянные магниты, но и контакты разной формы. Изделия получают методами порошковой металлургии, но по-разному:
- подготавливают 2 или 3 фазы, измельчают, прессуют, спекают;
- изготавливают каркас из тугоплавкого материала, спрессованный и спечённый, пропитывают серебром или медью.
Удельное сопротивление металлокерамики не больше 0,07 МкОм.м при температуре 20 оС, оно должно быть стабильным во времени и не зависеть от условий эксплуатации.
Скользящие контакты применяются в электрических машинах постоянного тока (щётки скользят по поверхности коллектора) и др. Материалы для скользящих контактов должны обладать высокой стойкостью к истиранию. Для скользящих контактов применяют медь марки МТ, бериллиевую бронзу, материалы системы «Ag-CdO».