Наиболее значимые электротехнические металлы и сплавы

Проводники низкого сопротивления

Медь – наиболее широко используемый материал в электротехнике. Его преимущества: малое удельное сопротивление, высокая механическая прочность, удовлетворительная стойкость к коррозии, хорошая техно-логичность, относительная легкость пайки и сварки.

Алюминий — второй по значению проводниковый материал. Удельное сопротивление в 1,6 раза больше удельного сопротивления меди, но алюминий в 3,3 раза легче меди (большая проводимость на единицу массы). Более распространен в природе, меньшая себестоимость. Недостаток – низкая механическая прочность.

Латунь – сплав меди с цинком (до 50 % ), часто с добавками Al, Fe, Mn, Ni, Pb и других элементов (в сумме до 10 %). Хорошо обрабатывается давлением, удовлетворительная механическая прочность, высокая пластичность, стоек к коррозии.

Железо (сталь) — наиболее дешевый и доступный металл, высокая механической прочность. Однако даже чистое железо имеет значительно более высокое по сравнению с медью и алюминием удельное сопротивление. Удельное сопротивление стали (железа с содержанием углерода и других элементов – As, Mn, P, Al, Si ), еще выше. Характерна малая коррозийная устойчивость, поэтому поверхность стальных проводов защищают слоем более устойчивого материала, чаще всего покрывают цинком.

Проводники высокого сопротивления

Сплавы высокого сопротивления применяют при изготовлении электроизмерительных приборов, образцовых резисторов, реостатов, электронагревательных устройств. В электроизмерительной технике от них требуется возможно меньшее значение температурного коэффициента сопротивления и малая термо-э.д.с. относительно меди. Наиболее распространенными являются сплавы на медной основе – манганин и константан, а также хромоникелевые (нихромы) и железохромалюминиевые сплавы.

Манганин – 85 % – Cu, 12 % – Mn, 3 % – Ni, отличается желтоватым оттенком, технологичен. Для получения малого α_р и высокой стабильности сопротивления во времени сплав подвергают отжигу в вакууме с последующим медленным охлаждением и длительной выдержкой при комнатной температуре.

Нихром – от 55 до 78 % – Ni, от 15 до 23 % – Сr, до 1,5 % – Mn, остальное – железо. Используют для нагревательных элементов. Высокая жаростойкость (до 1200 °С ) с близкими значениями температурных коэффициентов линейного расширения сплавов и их оксидных пленок.

Константан – 60 % – Сu, 40 % – Ni. Данное соотношение меди и никеля, обеспечивает максимальное значение ρ и минимальное значение α_ρ(близко к 0 и обычно имеет отрицательный знак) (рис. 3.2). Хорошо поддается обработке. При нагреве до 400 – 500 °С на поверхности образуется прочная и гибкая пленка оксида (электроизоляционная). Константан в паре с медью или железом приобретает большую термо-э.д.с., что позволяет использовать его для изготовления термопар.

Особенности измерения сопротивления проводниковых материалов. Измерение величины удельного электрического сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов затруднено существованием так называемых контактных сопротивлений, возникающих в местах соприкосновения измерительных электродов с поверхностью образца. Величина контактного сопротивления определяется материалом проводника и контактов; состоянием их поверхности; контактным усилием и рядом других факторов.При использовании двухэлектродной схемы (рис. 3.3, а), когда падение напряжения на образце измеряется с помощью тех же электродов (Т₁ и Т₂), через которые к нему проводится ток, величина контактных сопротивлений (R_КТ1 и R_КТ2) входит составной частью в общее измеряемое сопротивление, что вносит большую погрешность в определяемое значение R_Х, а следовательно, и ρ. С целью снижения этой погрешности при измерении удельного сопротивления проводников и полупроводников применяют четырехэлектродный (четырехзондовый) метод (рис. 3.3, в).

.

В дополнение к токовым вводят еще и потенциальные электроды

(П₁ и П₂), и по величине падения напряжения на них определяют сопротивление соответствующего участка образца. Входное сопротивление измерителя напряжения R_v при этом должно быть много больше суммы контактных сопротивлений потенциальных электродов R_КТ1 и R_КТ2. На рис. 3.3 представлены расположение электродов (а, в) и соответствующие эквивалентные схемы (б, г). При расчете удельного электрического сопротивления исследуемого образца учитываются его геометрические размеры – площадь сечения S и расстояние между потенциальными электродами (зондами) l.

Описание измерительной установки

Измерительная установка (рис. 3.4) состоит из термостата, в котором смонтированы исследуемые проволочные проводники и резисторы. Все измерения осуществляются с помощью универсального измерительного прибора Р4833.

Сопротивления металлических проволочных проводников длиной 1 м измеряют по 4-х электродной (зондовой) схеме при соответствующей коммутации переключателями П₁ и П₃.

Измерение сопротивления резисторов проводится по 2-хэлектродной (зондовой) схеме; необходимая коммутация при этом осуществляется переключателями П₁ и П₂.

В работе исследуются следующие резисторы:

С5-5 – резистор из тонкой проволоки манганинового ряда, намотанной на керамическое основание и покрытый стеклоэмалью;

ВС – высокостабильный резистор, состоящий из углеродной пленки на керамическом основании;

МЛТ –многокомпонентный сплав (железо, хром, никель, алюминий, вольфрам и лантаноиды), нанесенный тонкой пленкой на керамическое основание;

ММТ-4 –полупроводниковое медно-марганцевое сопротивление, терморезистор;

МОИ – металлооксидное объемное сопротивление.

Порядок выполнения работы

Перед началом испытаний изучить лабораторную установку, ознакомиться с порядком подключения исследуемых образцов и требуемых схем измерений. Заготовить необходимые таблицы для занесения экспериментальных данных, переписать параметры объектов измерений, необходимые для дальнейших расчетов. После собеседования с преподавателем приступить к выполнению работы.