Классификация магнитных материалов
Применяемые в радиотехнике магнитные материалы подразделяют на две основные группы: магнитомягкие и магнитотвердые. В отдельную группу выделяют материалы специализированного назначения.
|
|
|
Рисунок 2.16 – Классификация магнитных материалов
К магнитомягким относят магнитные материалы с малой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью. Они обладают способностью намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях, характеризуются узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание. Магнитомягкие материалы используются в основном в качестве различных магнитопроводов: сердечников дросселей, трансформаторов, электромагнитов, магнитных систем электро-измерительных приборов и т.п. К магнитомягким материалам можно отнести низкоуглеродистые стали, кремнистую электротехническую сталь, низкокоэрцитивные сплавы, ферриты и магнитодиэлектрики. Приведем пределы изменения параметров магнитомягких материалов:
МНАЧ=5 – 35000(100000); НС=0.08 – 800 А/м;
ММАХ=3500 – 200000(900000); ВS=0.13 – 2.45 Т.
Магнитотвердые материалы характеризуются широкой петлёй гистерезиса, то есть они имеют большое значение коэрцитивной силы и остаточной индукции. Магнитотвердые материалы применяются при изготовлении постоянных магнитов для записи и хранения звука и изображения. Постоянный магнит работает при наличии размагничивающего поля, поэтому его остаточная индукция не равна Вr, а несколько ниже, и свойства постоянного магнита определяются характером изменения индукции по участку петли гистерезиса, лежащего во втором квадранте, - по кривой размагничивания. Специфической характеристикой магнитопровода с зазором является энергия, выделяемая в зазор: W=(B∙H)/2.
Если в первом квадранте изобразить график изменения энергии, то эта кривая пройдет через максимум, так как в двух крайних точках энергия, выделяемая в зазор, равна нулю(рисунок 2.17): при В=Вr Н=0, отсюда В∙Н=0 и при В=0 Н=НС , В∙Н=0. Верхняя нулевая точка соответствует отсутствию зазора, нижняя – бесконечному зазору. Правильно сконструировать постоянный магнит – значит найти такое соотношение длины магнитопровода и зазора, при котором энергия в зазоре была бы максимальна. Чем выше Вr иНС материала и чем прямоугольнее петля гистерезиса, тем выше энергия зазора. Форму кривой размагничивания оценивают коэффициентом выпуклости
. (2.25)
Повышение Br достигается применением материалов с высокой плотностью магнитных моментов и увеличением степени прямоугольности петли. Прямоугольность петли повышается созданием магнитных текстур, при этом домены переориентируются примерно в одинаковых полях. Коэрцитивную силу повышают за счет создания внутренних механических напряжений, что затрудняет переориентацию доменов.
В процессе работы постоянного магнита возможно смещение рабочей точки (точка, при которой W максимальна). Это вызывается изменением величины воздушного зазора, под действием внешних магнитных полей, температуры, тряски, ударов и т.п. Изменение магнитного состояния во всех перечисленных случаях происходит по кривым возврата, которые представляют собой частные петли гистерезиса с вершиной, лежащей на кривой размагничивания. Как правило, эти кривые возврата узки и их обычно заменяют прямыми линиями (смотрим рисунок 2.17). Ход прямой возврата оцениваетсякоэффициентом возврата μ∆=∆В/∆Н, μ∆≈1 – 10. Чем меньше коэффициент возврата, тем стабильнее магнитная цепь. Кроме основных параметров магнитотвердых материалов оказываются существенными механическая прочность, технологичность, электросопротивление, стоимость, стабильность. Магнит считается стабилизированным, если он не меняет свойств с течением времени и возвращается к первоначальному магнитному состоянию после устранения внешней причины, которая вывела его из этого состояния.
Нестабильность свойств может быть обратимой и необратимой. Обратимые процессы связаны с изменением доменного строения материала, которое может быть восстановлено в результате термомагнитной обработки. Необратимые процессы связаны с кристаллографическими деформациями, которые уже невозможно восстановить. На практике для стабилизации свойств магнита применяют предварительное искусственное старение (обработка температурными циклами), частичное размагничивание и др. При этом необратимые процессы резко уменьшаются.
К материалам специализированного назначения относятся материалы с прямоугольной петлей гистерезиса, ферриты для устройств сверхвысокочастотного диапазона и магнитострикционные материалы.
Магнитным гистерезисом называется явление отставания изменений намагниченности или магнитной индукции от вызывающих эти изменения изменений напряженности магнитного поля.
Если начать намагничивать образец магнитного материала, то при непрерывном возрастании напряженности магнитного поля индукция образца увеличивается, пока не достигнет максимального значения магнитной индукции ВMAX (рисунок 2.18, участок 0-1).Если после этого уменьшать напряжен-
Рисунок 2.18 – Петля магнитного гистерезиса.
ность магнитного поля Н, индукция В уменьшится, но отдельным значениям Н при уменьшении будут соответствовать уже другие, большие значения В. Это означает, что кривые В=f(Н) при увеличении и при уменьшении Н не тождественны. Если направление поля изменить на противоположное и начать его увеличивать, то при Н= -НС индукция В уменьшится до нуля. В этом случае величина НСназывается коэрцитивной силой по индукции. При дальнейшем возрастании поля в обратном направлении образец будет намагничиваться в обратном направлении, пока при значении напряженности минус НMAX индукция не достигнет значения -ВМАХ. При последующем уменьшении поля индукция снова будет уменьшаться, причем значения будут отличаться от соответствующих значений индукции при увеличении поля. При Н=0 остается остаточная магнитная индукция Вr. Для её исчезновения необходимо изменить направление поля и увеличить его до Н=НС. При дальнейшем увеличении Н до НМАХ значения В увеличатся до ВМАХ.
Кривая изменения магнитной индукции при изменении напряженности магнитного поля Н от НМАХ до – НМАХ и обратно называетсяпредельной петлей магнитного гистерезиса. Она является важной характеристикой магнитного материалы, так как на её основе определяются важные показатели свойств материала – коэрцитивная сила НС и остаточная магнитная индукция Вr, а также остаточная намагниченность Мr и индукция насыщения ВМАХ.
Вследствие магнитного гистерезиса одному значению напряженности магнитного поля соответствует бесконечное множество значений магнитной индукции, которые зависят не только от напряженности магнитного поля, но и от предыстории намагничивания образца.
Если при циклическом перемагничивании значения Н не достигают НМАХ, явление гистерезиса становится более сложным и в этом случае петля гистерезиса не всегда бывает замкнутой и симметричной. Для получения симметричной кривой обычно бывает необходимо около 10 циклов перемагничивания.
Явление магнитного гистерезиса в некоторых случаях является нежелательным, например, в магнитопроводах трансформаторов, так как оно вызывает большие потери. Во многих случаях, однако, оно используется, например, в постоянных магнитах, в магнитных запоминающих устройствах и т.п.
Физической причиной явления магнитного гистерезиса является то, что доменная структура магнитного материала зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Изменения в доменной структуре осуществляются путем перемещения доменных границ, что требует определенных энергии и времени. При циклическом перемагничивании перемещения доменных границ не успевают происходить одновременно с изменениями напряженности магнитного поля. Часть этих перемещений необратима, т.е. изменения остаются и после того, как напряженность магнитного поля исчезает. Это является причиной возникновения остаточной магнитной индукции.
Свойства магнитных материалов характеризуются следующими параметрами.
Во внешнем магнитном поле напряженностью 
магнитный материал характеризуется намагниченностью 
или индукцией 
. Намагниченность равна результирующему моменту единицы объема:
. (2.26)
Соответственно индукция
, (2.27)
где µ0 – магнитная проницаемость вакуума, равная 4π·10-7 Гн/м.
Размерность Н – А/м, так как
, (2.28)
где IH – ток намагничивания, W – число витков обмотки, l – длина магнитопровода. Размерность В – тесла (Т: Т=(Кл·Ом)/м2).
Чаще всего магнитную индукцию В выражают в зависимости от намагничивающего поля Н соотношением вида
В=µа·Н , (2.29)
где µа – абсолютная магнитная проницаемость, определяемая из кривой В=f(Н). В технике пользуются безразмерной магнитной проницаемостью (относительной проницаемостью) µ= µа/ µ0 .
В системе СИ
. (2.30)
Зависимость В=f(Н) может быть трех типов. Кривая, полученная для предварительно размагниченного материала при монотонном возрастании Н, называется первоначальной (нулевой кривой) кривой намагничивания.
Кривая 1 (рисунок 2.19) – это безгистерезисная (идеальная) кривая намагничивания, полученная при одновременном воздействии постоянного поля и переменного, с убывающей до нуля амплитудой. Кривая 2 – основная, коммутационная кривая намагничивания, представляет собой геометрическое место точек, вершин кривых, полученных при циклическом перемагничивании. Нулевая кривая близко совпадает с основной, но зависит от случайных причин, например, от механических сотрясений, колебаний температуры, характера изменения внешнего поля и т.д. Нулевая кривая не имеет хорошей воспроизводимости и не может быть использована для сравнительной оценки свойств различных материалов. В инженерной практике она не используется. Безгистерезисная кривая выходит в область насыщения уже в слабых полях. Намагничивание по этой кривой имеет место в некоторых случаях. Основная кривая намагничивания является важнейшей характеристикой магнитных материалов. Она хорошо воспроизводится. На ней принято различать три участка.
Начальный 1 (рисунок 2.20), соответствующий очень слабым магнитным полям (до 0.08 А/м), характеризуется линейным ростом индукции В от Н. Магнитная проницаемость на этом участке остается постоянной. Начальный участок основной кривой намагничивания обратим и используется в технике слабых токов. В области очень слабых полей в магнитном материале происходит ориентация и упругое смещение стенок доменов, направление которых составляло наименьший угол с направлением внешнего поля. В области слабых и средних полей наблюдается резкий рост индукции и магнитной проницаемости, участок 2. При этом внутри материала происходит рост доменов за счет ломки стенок соседних доменов, и наибольших размеров достигают те домены, направление которых имело меньший угол с направлением внешнего поля. Участок 2 кривой намагничивания необратим; в .той области работают сердечники силовых трансформаторов. В сильных полях, участок 3, кривая намагничивания выходит в область насыщения. На этом участке кривой работают специальные виды трансформаторов. На кривой μ=f(H) отметим две характерные точки: μНАЧ – начальная магнитная проницаемость, значение которой получают в очень слабых магнитных полях (до 0.08 А/м); она является основным параметром высокочастотных магнитных материалов; μМАХ – максимальная магнитная проницаемость, равная отношению максимальной напряженности внешнего поля; определяется по наклону касательной, проведенной из начала координат к точке верхнего перегиба кривой В=f(H).
10
При намагничивании парамагнетиков и диамагнетиков магнитная индукция изменяется прямо пропорционально напряженности поля. На рис. 22.25 показана зависимость магнитной индукции парамагнетиков (μ>1) идиамагнетиков(μ<1) от напряженности магнитного поля; отклонения графиков от прямой B=μ0H для вакуума (μ = 1) для наглядности сильно преувеличены.
Намагничивание ферромагнетика происходит иначе (рис. 22.26). Сначала при увеличении напряженности Н индукция очень быстро возрастает, а затем ее рост замедляется, и при достаточно большом Н индукция В почти не изменяется при увеличении H. Если опыт производится с ферромагнетиком, который раньше не намагничивался, то процесс намагничивания идет по кривой ОА, которую называют кривой первоначального намагничивания. Из графика видно, что μс=В/H при малых H невелико, потом быстро возрастает, а затем начинает уменьшаться. Следовательно, магнитная проницаемость ферромагнетиков непостоянна и изменяется в зависимости от H.
Показанный на графике ход кривой ОА объясняется следующим образом. До тех пор, пока идет намагничивание доменов по направлению внешнего поля, индукция быстро растет. Когда ферромагнетик намагнитится до насыщения, дальнейший рост индукции В будет происходить уже только за счет увеличения H. Если затем постепенно уменьшать напряженность, то размагничивание будет идти по кривой АС, и при Н=0 ферромагнетик остается намагниченным, так как значение индукции внутри него при этом соответствует отрезку ОС. Таким образом, значение индукции В в ферромагнетике зависит не только от H, но и от того, как был намагничен ферромагнетик раньше.
На рис. 22.26 видно, что при размагничивании индукция спадает медленнее, чем нарастала при намагничивании ферромагнетика. Это явление называется магнитным гистерезисом(запаздыванием). При периодическом перемагничивании ферромагнетика переменным магнитным полем кривая индукции образует замкнутую кривую, которую называют петлей гистерезиса (рис. 22.27). Оказывается, что площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, затраченной на процесс перемагничивания ферромагнетика. Эта энергия превращается во внутреннюю энергию ферромагнетика. Следовательно, при периодическом перемагничивании ферромагнетик должен нагреваться. Ферромагнетик с большой площадью петли гистерезиса называют жестким (рис. 22.27, а), а с маленькой площадью — мягким (рис. 22.27, б). Постоянные магниты изготавливают из жестких ферромагнетиков. Сравнительно недавно были получены материалы, обладающие очень маленькой площадью петли гистерезиса, которые назвали ферритами. Их применение позволяет уменьшать потери энергии на перемагничивание.
Опыт показал, что магнитные свойства ферромагнетиков зависят от температуры. При нагревании магнитная проницаемость ферромагнетиков уменьшается, и при достаточно большей температуре в них происходит распад доменов. При этом ферромагнетик превращается в парамагнетик. Температуру, при которой происходит такое превращение, называют точкой Кюри (у железа точка Кюри равна 770°С, а у никеля 360°С). Если это вещество охладить, то оно снова превращается в ферромагнетик.
«Втягивание» линий индукции в ферромагнетик используется для магнитной защиты. Если сделать футляр из ферромагнетика, то линии индукции внешнего поля будут проходить по стенкам футляра, а поле внутри него исчезнет (рис. 22.28). Таким способом предохраняют чувствительные приборы от влияния на их работу внешних магнитных полей, в частности поля Земли.
Усиление магнитного поля ферромагнетиками широко используется в технике. Так, например, усиление магнитного поля соленоида с помощью ферромагнетика используется для устройства электромагнита. Стержень, который вставляют в соленоид, называют сердечником. Соленоид с сердечником из мягкой стали называют электромагнитом, а провод, из которого сделан соленоид, — обмоткой электромагнита. Часто электромагниту придают подковообразную форму. Схема такого электромагнита показана на рис. 22.29.
Электромагнит замечателен тем, что его можно намагничивать и размагничивать, включая и выключая ток в его обмотке. Именно эта особенность электромагнита определяет его широкое использование в различных автоматических устройствах, например, в электромагнитном реле. Электромагниты используют в подъемных кранах, в телефоне, телеграфе, в электродвигателях, в генераторах, в измерительных приборах и т. д.
Одно из важных свойств ферромагнетиков заключается в том, что они изменяют свой, объем в процессе перемагничивания. Это свойство ферромагнетиков называют магнитострикцией. Его используют для получения ультразвуковых колебаний. Для этого вставляют в катушку сердечник с выступающим концом и питают катушку переменным током высокой частоты.
Характеристики проводников:
1) Удельная проводимость.
2) Удельное сопротивление.
3) Коэффициент теплопроводности.
4) Контактная разность потенциалов и термо ЭДС
5) Температурный коэффициент линейного расширения. TKl( )
6) Работа выхода электронов из Me.
7) Предел прочности при растяжении.
8) Относительное удлинение перед разрывом.
Удельное сопротивление ( проводимость ).
Удельная проводимость определяется по формуле
– заряд электрона,
концентрация электронов на единицу объёма материала,
средняя длина пробега электрона между соударениями об узлы кристаллической решётки,
масса решётки,
средняя скорость теплового движения электронов.
Концентрация электронов и средняя скорость теплового движения электронов для различных металлов меняется незначительно. В связи с этим значение удельной проводимости в значительной мере зависит от средней длины пробега электрона между соударениями об узлы кристаллической решётки. средняя скорость теплового движения электронов определяется структурой материала проводника. Поэтому у чистых металлов с правильным строением кристаллической решётки удельное сопротивление мало. И наоборот увеличение примесей и дефектов в материале приводит к увеличению удельного сопротивления.
Удельная проводимость проводника определяется законом Ома в дифференциальной форме.
где j – плотность тока,
Е – напряжённость электрического поля.
Удельное электрическое сопротивление
,
где .
Несистемные единицы: , 1
Удельное сопротивление некоторых чистых металлов приведён в таблице П2.
Таблица П2 – Удельное сопротивление проводниковых материалов
| Материал | |
| Cu | 0,017 |
| Al | 0,028 |
| Fe | 0,098 |
Удельное сопротивление определяется наличием примесей и искажением структуры входящих в них металлов. Наиболее сильно оно возростает, если металлы при сплавлении образуют твёрдые растворы (рисунок П1).
Рисунок П1 – Удельное сопротивление двух разных материалов при изменении концентрации компонентов
Если при сплавлении двух металлов сплавы образуют механические смеси, удельное сопротивлении сплава при изменении концентрации компонентов, его составляющих, изменяется практически линейно. При образовании сплавов химических соединений образуются новые компоненты, образующиеся в результате химической реакции исходных компонентов, интерметалиды зависимость удельного сопротивления от концентрации компонентов зависит практически линейно.
При изменении температуры происходит изменение скорости движения основных носителей зарядов. Часть энергии движения основных носителей рассеивается на дефектах кристаллической решётки (примесные атомы, вакансии, дислокации) и при соударении носителей с атомами, вызванного их тепловыми колебаниями. Характерная зависимость удельного сопротивления от температуры приведена на рисунке П2.
Рисунок П2 – Зависимость удельного сопротивления проводников от тмпературы
При температурах превышающих температуру Дебая (для большинства проводниковых материалов θ=400 – 800 ˚С) удельное сопротивление повышается практически линейно и в основном обусловлено усилением тепловых колебаний атомов. В области низких (криогенных) температур тепловое колебание атомов практически отсутствует и удельное сопротивление определяется сопротивление ρост.
Коэффициент удельного сопротивления.
При увеличении температуры проводника увеличивается объём металла (для меди: при достижении температуры плавления объём увеличивается в 2,4 раза) уменьшается его плотность и вместе с тем концентрация свободных носителей заряда. При этом увеличивается удельное сопротивление проводника. Изменение удельного сопротивления проводника в зависимости от температуры характеризуется температурным коэффициентом удельного сопротивления или αρ
где удельное сопротивление при начальной температуре.
Удельное сопротивление при температуре отличной от начальной (обычно 20˚С) определяется соотношением
Повышенными значениями обладают: Ni, Co, F. Для металлов , а для большинства сплавов - .
Коэффициент теплопроводности.
Энергию теплового движения в металлах в основном передают свободные электроны, число которых в металле велико. Поэтому существует взаимосвязь между удельным электрическим сопротивлением и коэффициентом теплопроводности которая носит название закона Видемана Франца – Лоренца.
где Т – температура, число Лоренца = .
Контактная разность потенциалов.
При соприкосновении двух различных металлических проводников между мини возникает контактная разность потенциалов. Причина появления: различные значения электронов, а так же их различная концентрация в различных проводниках.
Рассмотрим электрическую цепь из двух различных проводников, соединённых спаем (рисунок П3). Если имеется два спая, один из которых имеет температуру , а другой - , то между спаями возникает термоЭДС, которую можно рассчитать
коэффициент термоЭДС.
Рисунок П3 – Схема термопары
Два изолированных друг от друга проводника из различных металлов или сплавов соединённых между собой при помощи сварки или пайки, называется термопарой и применяются для измерения температуры. В термопарах используются проводники имеющие большой коэффициент термо-ЭДС. Для обмоток измерительных приборов применяют проводники с малым значением термо-ЭДС относительно меди, чтобы избежать пояления в измерительных схемах паразитную термо – ЭДС.
Температурный коэффициент линейного расширения проводников.
Температурный коэффициент линейного расширения определяется соотношением
При нормальной температуре легкоплавкие металлы имеют большое значение ТКl, а тугоплавкие – низкое.
Работа выхода электронов определяется по справочным данным.
Механические свойства проводников характеризуют предел прочности при растяжении , а также относительным удлинением перед разрывом . Механические свойства проводников зависят от механической и термической обработки, наличия примесей, легирующих добавок и.т.п.
К наиболее широкораспрстраненным материалам высокой проводимости следует отнести медь и алюминий.
Медь Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие:
1.малое удельное сопротивление;
2.достаточно высокая механическая прочность;
3.удовлетворительная в большинстве случаев применения стойкость по отношению к коррозии;
4.хорошая обрабатываемость: медь прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой должна быть доведена до тысячных долей миллиметра;
5.относительная легкость пайки и сварки.
Медь получают чаще всœего путем переработки сульфидных руд. После ряда плавок руды и обжигов с интенсивным дутьем медь, предназначенная для электротехнических целœей, обязательно проходит процесс электролитической очистки.
В качестве проводникового материала чаще всœего используется медь марок М1 и М0. Медь марки М1 содержит 99.9% Cu, а в общем количестве примесей (0.1%) кислорода должно быть не более 0,08%. Присутствие в меди кислорода ухудшает ее механические свойства. Лучшими механическими свойствами обладает медь марки М0, в которой содержится не более 0.05% примесей, в т.ч. не свыше 0.02% кислорода.
Медь является сравнительно дорогим и дефицитным материалом, в связи с этим она всœе шире заменяется другими металлами, особенно алюминием.
В отдельных случаях применяются сплавы меди с оловом, кремнием, фосфором, бериллием, хромом, магнием, кадмием. Такие сплавы, носящие название бронз, при правильно подобранном составе имеют значительно более высокие механические свойства, чем чистая медь.
Алюминий Алюминий является вторым по значению после меди проводниковым материалом. Это важнейший представитель так называемых легких металлов: плотность литого алюминия около 2.6, а прокатанного – 2.7 Мг/м3. Т.о., алюминий примерно в 3.5 раза легче меди. Температурный коэффициент расширения, удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем меди. Вследствие высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления для нагрева алюминия до температуры плавления и перевода в расплавленное состояние требуется большая затрата тепла, чем для нагрева и расплавления такого же количества меди, хотя температура плавления алюминия ниже, чем меди.
Алюминий обладает пониженными по сравнению с медью свойствами – как механическими, так и электрическими. При одинаковом сечении и длинœе электрическое сопротивление алюминиевого провода в 1.63 раза больше, чем медного. Весьма важно, что алюминий менее дефицитен, чем медь.
Для электротехнических целœей используют алюминий, содержащий не более 0.5% примесей, марки А1. Еще более чистый алюминий марки АВ00 (не более 0.03% примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов электролитических конденсаторов. Алюминий наивысшей чистоты АВ0000 имеет содержание примесей не более 0ю004%. Добавки Ni, Si, Zn или Fe при содержании их 0.5% снижают γ отожженного алюминия не более, чем на 2-3%. Более заметное действие оказывают примеси Cu, Ag и Mg, при том же массовом содержании снижающие γ алюминия на 5-10%. Очень сильно снижают электропроводность алюминия Ti и Mn.
Алюминий весьма активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет металл от дальнейшей коррозии.
Алюминиевые сплавы обладают повышенной механической прочностью. Примером такого сплава является альдрей, содержащий 0.3-0.5% Mg, 0.4-0.7% Si и 0.2-0.3% Fe. В альдрее образуется соединœение Mg2Si, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ сообщает высокие механические свойства сплаву.
Желœезо Желœезо (сталь) как наиболее дешевый и доступный металл, обладающий к тому же высокой механической прочностью, представляет большой интерес для использования в качестве проводникового материала. При этом даже чистое желœезо имеет значительно более высокое сравнительно с медью и алюминием удельное сопротивление; ρ стали, ᴛ.ᴇ. желœеза с примесью углерода и других элементов, еще выше. Обычная сталь обладает малой стойкостью коррозии: даже при нормальной температуре, особенно в условиях повышенной влажности, она быстро ржавеет; при повышении температуры скорость коррозии резко возрастает. По этой причине поверхность стальных проводов должна быть защищена слоем более стойкого материала. Обычно для этой цели применяют покрытие цинком.
В ряде случаев для уменьшения расхода цветных металлов применяют так называемыйбиметалл. Это сталь, покрытая снаружи слоем меди, причем оба металла соединœены друг с другом прочно и непрерывно.
Натрий Весьма перспективным проводниковым материалом является металлический натрий. Натрий должна быть получен электролизом расплавленного хлористого натрия NaCl в практически неограниченных количествах. Из сравнения свойств натрия со свойствами других проводниковых металлов видно, что удельное сопротивление натрия примерно в 2.8 раза больше ρ меди и в 1.7 раз больше ρ алюминия, но благодаря чрезвычайно малой плотности натрия (плотность его почти в 9 раз меньше плотности меди), провод из натрия при данной проводимости на единицу длины должен быть значительно легче, чем провод из любого другого металла. При этом натрий чрезвычайно активен химически (он интенсивно окисляется на воздухе, бурно реагирует с водой), почему натриевый провод должен быть защищен герметизирующей оболочкой. Оболочка должна придавать проводу необходимую механическую прочность, так как натрий весьма мягок и имеет малый предел прочности при деформациях.
В качестве материалов с высоким сопротивлением используют металлические сплавы типа твердых растворов замещения, металлические и угольные пленки, проводниковые композиции. Материалы высокого сопротивления по назначению разделяются: 1) на проводниковые резистивные материалы, 2) пленочные резистивные материалы, 3) материалы для термопар. 1) Проводниковые резистивные материалы разделяют на сплавы для проволочных резисторов (манганин, константан) и для электронагревательных элементов (нихром, фехраль, хромаль). а) К проволочным резистивным материалам предъявляются следующие требования: удельное электрическое сопротивление р при нормальной температуре не менее 0,3 мкОм-м и высокая стабильность его значения во времени; малый температурный коэффициент термоЭДС в паре сплава с медью; малый температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТКr; технологичность. В отличие от материалов с высокой проводимостью (чистых металлов) резистивные материалы представляют собой в основном сплавы с заметно деформированной кристаллической решеткой, что характерно для твердых растворов металлов. Для получения проволоки разного диаметра, применяемой для изготовления проволочных резисторов различного назначения, наибольшее распространение получили сплавы на основе меди и никеля. Важнейшие электрические характеристики этих сплавов зависят от процентного соотношения меди и никеля. Константан Константин представляет собой твердый раствор никеля и меди (до 60%), получивший свое название за высокое постоянство коэффициента удельного электрического сопротивления rэ (константа) при изменении температуры. Обладает высокой нагревостойкостью, предельно допустимая температура при длительной работе достигает 500°С. При нагревании до высоких температур (примерно 900°С) константан окисляется с образованием оксидной изолирующей пленки. Это позволяет применять константан для изготовления реостатов, резисторов и электронагревательных элементов без специальной межвитковой изоляции. Однако в паре с медью константан создает сравнительно высокую термоЭДС, что затрудняет использование константановых резисторов в точных измерительных схемах. Но это же свойство константана позволяет использовать его в паре с медью или железом для изготовления термопар. Константан применяют для изготовления потенциометров, гасящих резисторов. Широкому применению константана препятствует его повышенная стоимость из-за большого содержания в нем дефицитного никеля. Манганин Манганин сравнительно пластичный сплав, получивший свое название из-за содержания в нем марганца. Его состав входит медь (до 85%), марганец, никель. Для обеспечения малого значения температурного коэффициента удельного электрического сопротивления ТКr и стабильности коэффициента удельного электрического сопротивления r манганин подвергают отжигу в вакууме при температуре примерно 550...600°С в течение 10 ч с последующим медленным охлаждением. При температуре 60°С манганиновая проволока начинает окисляться, поэтому ее применяют в стеклянной изоляции, которая отличается высокими электроизоляционными свойствами, повышенной нагрево- и влагостойкостью. Микропровод используют для конструирования миниатюрных высокоточных элементов, в том числе прецизионных резисторов больших номиналов. К недостаткам манганинового микропровода относят невысокую воспроизводимость характеристик и пониженную гибкость из-за хрупкости стеклянной изоляции. б) К сплавам для электронагревательных элементов предъявляются следующие требования: высокий коэффициент удельного электрического сопротивления r, малый температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТКr, длительная работа на воздухе при высоких температурах (иногда до 1000°С и даже выше), технологичность, невысокая стоимость и доступность компонентов. К нагревостойким сплавам относят сплавы на основе железа, никеля, хрома и алюминия. Высокая нагревостойкость этих сплавов достигается благодаря введению в их состав достаточно большого количества металлов, которые образуют при нагреве на воздухе сплошную оксидную пленку. Нихромы Нихромы представляют собой твердые растворы никель-хром (Ni-Cr) или тройные сплавы никель-хром-железо (Ni-Cr-Fe). Железо вводится в сплав для обеспечения лучшей обрабатываемости и снижения стоимости, но в отличие от никеля и хрома железо легко окисляется, что приводит к снижению нагревостойкости сплава; содержание хрома придает высокую тугоплавкость оксидам. Близость значений температурных коэффициентов линейного расширения ТКl этих сплавов и их оксидных пленок повышает стойкость хромоникелевых сплавов при высокой температуре воздуха. Растрескивание оксидных пленок происходит при резких сменах температуры. В результате кислород воздуха проникает в образовавшиеся трещины и продолжает процесс окисления. Поэтому при многократном кратковременном включении электронагревательного элемента из нихрома он перегорает значительно быстрее, чем в случае непрерывной работы при той же температуре. Для увеличения срока службы трубчатых нагревательных элементов нихромовую проволоку помещают в трубки из стойкого к окислению металла и заполняют их диэлектрическим порошком с высокой теплопроводностью. Такие нагревательные элементы применяют, например, в электрических кипятильниках, которые могут работать длительное время. Нихромовая проволока применяется для изготовления проволочных резисторов, потенциометров, паяльников, электропечей и пленочных резисторов интегральных схем. Как и константаны, нихромы содержат большое количество дорогого дефицитного никеля. 2) Пленочные резистивные мат Наши рекомендации |