6. Основные свойства и применение проводниковых материалов высокого сопротивления (манганин, константан)

Проводниковые материалы высокого сопротивления представляют собой сплавы металлов, обладающих большим удельным сопротивлением и малым температурным коэффициентом удельного сопротивления, что позволяет создавать из них термостабильные резисторы и другие изделия, электрическое сопротивление которых практически не зависит от температуры.

Манганин — сплав 84—86 % меди, 2—3 % никеля и 12—13% марганца. Цвет манганина светло-оранжевый, плотность 8400 кг/м³, температура плавления 960°С, КТР =1,8∙10ˉ⁵ 1/°С.

Для увеличения удельного электрического сопротивления манганина до 1,5—2 мкОм∙м в его состав вводят повышенные количества марганца (60— 67%) и никеля (16—30%), уменьшая содержание меди.

Достоинством манганиновых изделий является то, что их электрическое сопротивление очень мало зависит от температуры, а также весьма малая термо-эдс в контакте с медью (0,9—1 мкВ/°С).

Для стабилизации электрических характеристик манганиновых изделий их подвергают тепловой обработке в вакууме при 400 °С и последующей длительной выдержке при комнатной температуре. Это повышает однородность сплава и стабилизирует его свойства. Наибольшая допустимая температура для изделий из стабилизированных сортов манганина 200 °С, из нестабилизированных — 60 °С. При повышении этих температур происходит необратимое изменение свойств манганиновых изделий.

Из манганина изготовляют мягкие и твердотянутые проволоки диаметром 0,02—6 мм и ленты толщиной до 0,08 мм и шириной до 270 мм. Кроме того, выпускают манганиновые обмоточные провода с эмалевой изоляцией, с изоляцией из натурального шелка, а также изолированные эмалью и одним слоем натурального шелка. Манганиновые изделия применяют в производстве резисторов и потенциометров высоких классов точности.

Константан — сплав 58—60 % меди, 32—40 % никеля и 1—2% марганца. Цвет константана сереб­ристо-желтый, плотность 8900 кг/м³, температура плав­ления 1260 °С, КТР = 1,4-10⁵ 1/°С.

Температурный коэффициент удельного сопротивления изделий из константана (0÷6)∙10^-5 1/°С, т. е. элек­трическое сопротивление многих составов константана при изменении температуры не изменяется.

Термо-эдс константана в паре с медью значительна и составляет 42,8 мкВ/°С, что не позволяет использовать константановую проволоку и ленты в высокоточных электроизмерительных приборах.

Из константана изготовляют мягкие и твердые изделия: проволоку диаметром от 0,03 до 5 мм и ленту толщиной до 0,1 мм. Изолированную константановую проволоку в паре с медной применяют для изготовления термопар. Константановые изделия (проволока, ленты) могут использоваться при температурах не выше 1500 °С.

7. Электрические характеристики электротехнических материалов

Удельное электрическое сопротивление р служит для оценки степени электропроводности того или иного материала.

Удельное электрическое сопротивление (Ом∙м) рассчитывают по формуле^:

где R — общее электрическое сопротивление образца материала. Ом; l — длина пути тока в образце материала, м; S- площадь образца материала, через которую протекают ток проводимости, м².

Удельные сопротивления металлических проводников очень малы (р =10^-8—10^-6 Ом∙м). Это указывает на большую электрическую проводимость проводниковых материалов.

Удельные сопротивления полупроводниковых мате­риалов (полупроводников) больше, чем проводников ( р =10^-4—10⁸ Ом∙м), а диэлектриков еще больше (р =10⁸—10¹⁸ Ом∙м).

Большие удельные сопротивления диэлектриков ука­зывают на их весьма малую электрическую проводимость. В диэлектриках приходится учитывать два удель­ных сопротивления: удельное объемное сопротивление р_V и удельное поверхностное сопротивление p_S. Удель­ное объемное сопротивление позволяет оценить электри­ческое сопротивление диэлектрика при прохождении то­ка через его объем, а удельное поверхностное сопро­тивление — электрическое сопротивление при протека­нии тока по его поверхности.

Температурный коэффициент удельного сопротивления ТКр. Эта характеристика позволяет оценить изменение удельного электрического сопротивления материала при изменении его температуры. При линейном изменении удельного сопротивления (в узком интер­вале температур) значение ТКр(1/°С) рассчитывают формуле

ТКр = (р₂-р₁) / [(р₁∙(t₂-t₁)]

где p₁ и р₂ — удельные электрические сопротивления материала при начальной температуре t₁ и температуре t₂

ТКр проводников больше нуля. Это указывает на рост электрического сопротивления проводников с повышением температуры. У полу­проводников и диэлектриков ТКр<0, что указывает на уменьшение сопротивления этих материалов с повыше­нием темиературы.

Диэлектрическая проницаемость Эта характеристика позволяет определить способность диэлектрика при нанесении на него электродов и подаче напряжения образовывать электрическую емкость.

Диэлектрическая проницаемость электроизоляционных материалов зависит от интенсивности процессов поляризации, протекающих в диэлектриках под действием приложенного напряжения. Различают четыре основных вида поляризации диэлектриков: электронную, дипольную, ионную и спонтанную.

Электронная поляризация — упругое смещение электронных оболочек относительно ядра в атомах диэлектрика — мгновенный процесс, происходящий за 10^-15—10^-16 с.

Электронная поляризация характерна для всех без исключения диэлектриков.

Дипольная поляризация представляет собой поворот полярных молекул (диполей) и наблюдается только в диэлектриках, состоящих из полярных (электрически заряженных) молекул. Диэлектрики же состоящие из электрически нейтральных молекул, называют неполярными.

Ионная поляризация, представляющая собой упругое смещение ионов с мест своего закрепления относительно узлов кристаллической решетки, характерна для ионных кристаллических диэлектриков (слюда, электрокерамика). Одновременно в них протекает и электронная поляризация.

Спонтанная поляризация протекает в диэлектриках особого вида, называемых сегнетоэлектриками

Диэлектрическая проницаемость электроизоляционных материалов изменяется в зависимости от температуры, частоты приложенного напряжения и других факторов.

Тангенс угла диэлектрических потерь определяет потери энергии в диэлектриках, но в сильной степени зависит от их температуры

Электрическая прочность Е_пр- это напряженность однородного электрического поля при которой происходит пробой- разрушение диэлектрика с образованием в нем сквозного канала с очень большой проводимостью.

В/м

где Uпр- пробивное напряжение, при котором наступает пробой диэлектрика, В; h – толщина диэлектрика в месте пробоя, м

Электрическая прочность уменьшается с увеличением толщины диэлектрика и с повышением температуры.