Сплавы высокого сопротивления

Манганины – сплавы на медной основе, содержащие около 85 % Cu, 12 % Mn, 3 % Ni.

Применяются для изготовления образцовых резисторов, шунтов, приборов и т.д., имеют малую термо ЭДС в паре с медью (1 – 2 мкВ/К), удельное сопротивление 0,42 – 0,48 мкОм·м, относительное удлинение перед разрывом 15 – 30 %, максимальную длительную рабочую температуру не более 200 ^оС. Можно изготовлять в виде проволоки толщиной до 0,02 мм с эмалевой и др. изоляцией.

Константан – медно-никелевый сплав (средний состав 60 % Cu, 40 % Ni), = 0,648 – 0,52 мкОм·м,относительное удлинение перед разрывом 20 – 40 %. Термо ЭДС в паре с медью 45 – 55 мкВ/К,поэтому константан можно использовать для термопар. Реостаты и нагревательные элементы из константана могут длительно работать при температуре 450 ^оС.

Жаростойкие сплавы – это сплавы на основе никеля, хрома и других компонентов. Устойчивость этих сплавов к высоким температурам объясняется наличием на их поверхности оксидов хрома Cr₂O₃ и закиси никеля NiO. Сплавы системы Fe–Ni–Cr называются нихромами, на основе никеля, хрома и алюминия фехралями и хромалями. В марках сплавов буквы обозначают: Х – хром, Н – никель, Ю – алюминий, Т – титан. Цифра, следующая за буквой, означает среднее процентное содержание этого металла.

Металл	,мкОм·м	Максимально допустимая температура, оС
Х20Н80 Нихром	1,04 – 1,17	1100
Х13Ю4 Фехраль	1,2 –1,34	960
Х23Ю5Т Хромаль	1,3 –1,5	1150

Основная область применения этих сплавов – электронагревательные приборы, реостаты, резисторы. Для электротермической техники и электрических печей большой мощности используют обычно более дешевые, чем нихром, фехраль и хромаль сплавы.

Вольфрам

Вольфрам – чрезвычайно тяжелый твердый металл серого цвета. Из всех металлов он обладает наиболее высокой температурой плавления. Вольфрам получают из руд различного состава: промежуточным продуктом является вольфрамовая кислота H₂WO₄, из которой восстановлением водородом при нагреве до 900 ^оС получается металлический вольфрам в виде мелкого порошка. Из этого порошка при высоком давлении прессуют стержни, которые подвергают сложной термической обработке в атмосфере водорода (во избежание окисления), ковке и волочению в проволоку диаметром до 0,01 мм, прокатке в листы и т.п. Для вольфрама характерна слабая связанность отдельных кристаллов, поэтому при зернистом строении сравнительно толстые вольфрамовые изделия хрупки и легко ломаются. При механической обработке ковкой и волочением вольфрам приобретает волокнистую структуру; этим объясняется гибкость тонких вольфрамовых нитей. С уменьшением толщины вольфрамовой проволоки сильно возрастает и ее предел прочности при растяжении (от 500 – 600 МПа для стержней диаметром 5 мм до 3000 – 4000 МПа для тонких нитей; относительное удлинение перед разрывом таких нитей около 4 %). Вольфрам является одним из важнейших металлических материалов электровакуумной техники. Применение вольфрама для изготовления нитей ламп накаливания было впервые предложено русским изобретателем А.Н. Лодыгиным в 1890 г.

Вследствие тугоплавкости и большой механической прочности при повышенных температурах вольфрам может работать при высокой температуре (более 2000 ^оС), но лишь в глубоком вакууме или в инертном газе (азот, аргон и т.п.), так как уже при нагреве до температуры в несколько сот градусов Цельсия в присутствии кислорода он сильно окисляется. Благодаря высокому вольфрам иногда используют для бареттеров. Такие бареттеры из-за тугоплавкости вольфрама обладают повышенной способностью выдерживать значительные перегрузки током.

Вольфрам применяют также для изготовления контактов марок КМК-А-60, КМК-А-61, КМК-Б-21, КМК-Б-20. К достоинствам вольфрамовых контактов можно отнести: устойчивость в работе, малый механический износ ввиду высокой твердости материала, способность противостоять действию дуги и отсутствие привариваемости вследствие большой тугоплавкости, малую подверженность электрической эрозии (т.е. износу с образованием кратеров и наростов в результате местных перегревов и плавления металла). Недостатками вольфрама как контактного материала являются: трудная обрабатываемость, образование в атмосферных условиях оксидных пленок, необходимость применять большие давления для обеспечения малого электрического сопротивления контакта.

Для контактов на большие значения разрываемой мощности используют металлокерамические материалы. Заготовку прессуют из порошка вольфрама под большим давлением, спекают в атмосфере водорода, получая достаточно прочную, но пористую основу, которую затем пропитывают расплавленным серебром или медью для увеличения проводимости.

Полупроводники

Свойства полупроводников

Полупроводники – вещества с электронной электропроводностью, удельное электрическое сопротивление которых зависит нелинейно от различных факторов: температуры, света, электрического поля, механических усилий. Эти факторы положены в основу управляемости электропроводностью полупроводников.

а) Температурная зависимость

Рассмотрев влияние температуры на концентрацию и подвижность носителей заряда, можно представить и общий ход изменений проводимости с температурой. В полупроводниках с атомной решёткой (а так же в ионных при повышенных температурах) подвижность изменяется с температурой сравнительно слабо (по степенному закону), а концентрация очень сильно (по экспоненциальному закону), поэтому температурная зависимость проводимости похожа на температурную зависимость концентрации.

В области истощения (концентрация постоянна) изменение проводимости обусловлена температурной зависимостью подвижности.

б) Влияние деформации на проводимость полупроводников

Проводимость твердого кристаллического тела изменяется от деформации вследствие увеличения или уменьшения (растяжения, сжатия) между атомных расстояний, приводящего к изменению концентрации и подвижности носителей. Подвижность носителей заряда меняется из-за увеличения или уменьшения амплитуды колебания атомов при их сближении и удалении. У различных полупроводников одна и та же деформация может вызвать как увеличение, так и уменьшение проводимости.

в) Фотопроводность

Фотопроводностью называется явление увеличения электрической проводимости или, что то же самое, уменьшения удельного сопротивления вещества под воздействием электромагнитного излучения. В явлениях фотопроводимости обнаруживается квантовая природа света. При этом, существует пороговая длинна волны, определяемая энергия кванта, достаточной для возбуждения электрона с самого верхнего уровня валентной зоны на самый нижний уровень зоны проводимости, т.е. равная ширине запрещенной зоны полупроводника.

г) Электропроводность полупроводников в сильном электрическом поле

Сильными полями называют такие поля, в которых проводимость оказывается зависящей от напряженности поля. Напряженность поля, которую можно условно принять за границу между областью слабых и сильных полей называют критической. Эта граница не является резкой и определённой и зависит от природы полупроводника, концентрации примесей и температуры окружающей среды. Удельная проводимость полупроводника в сильных полях возрастает. Это происходит в результате появления неравновесных носителей заряда, возбуждаемых полем и увеличения вследствие этого концентрации носителей заряда в полупроводнике. Эти нелинейные свойства электропроводности полупроводников легли в основу принципа действия электронных элементов: терморезисторов (термисторов), фоторезисторов, нелинейных резисторов (варисторов), тензорезисторов и т.д.