Для создания реостатов, изготовления точных сопротивлений, производства электрических печей и различных электронагревательных приборов зачастую необходимы проводники из материалов, обладающих высоким удельным сопротивлением и малым температурным коэффициентом сопротивления.
Данные материалы в форме лент и проволок должны желательно обладать удельным сопротивлением от 0,42 до 0,52 ом*кв.мм/м. К таким материалам и относятся сплавы на основе никеля, меди, марганца и некоторых других металлов. Особого внимания заслуживает ртуть, поскольку ртуть в чистом виде сама по себе обладает удельным сопротивлением в 0,94 ом*кв.мм/м.
Характерные свойства, требуемые от сплавов в индивидуальном плане, определяются конкретным назначением того или иного устройства, в котором этот сплав будет использован.
Например, для изготовления точных сопротивлений требуются сплавы с низкой термо-эдс, наводимой при контакте сплава с медью. Сопротивление также должно оставаться постоянным во времени. В печах и электрических нагревательных приборах недопустимо окисление сплава даже при температурах от 800 до 1100 °C, то есть здесь нужны жаростойкие сплавы.
Охватывает все эти материалы одна общая их особенность — это все сплавы с большим удельным сопротивлением, потому данные сплавы и получили название сплавов высокого электрического сопротивления. Материалы высокого электрического сопротивления, в данном контексте, являются растворами металлов, и обладают хаотичной структурой, благодаря чему и удовлетворяют предъявляемым к себе требованиям.
Манганин
Для изготовления точных сопротивлений традиционно используют манганины. Манганины состоят из никеля, меди и марганца. Меди в из составе — от 84 до 86%, марганца — от 11 до 13%, никеля — от 2 до 3%. Самый же популярный из манганинов сегодня содержит 86% меди, 12% марганца и 2% никеля.
Чтобы стабилизировать манганины, в них добавляют немного железа, серебра и алюминия: алюминия - от 0,2 до 0,5%, железа — от 0,2 до 0,5%, серебра — 0,1%. Манганины имеют характерный светло-оранжевый цвет, их средняя плотность — 8,4 г/см3, а температура плавления — от 960 °С.
Манганиновая проволока диаметром от 0,02 до 6 мм (или лента толщиной от 0,09 мм) бывает твердой или мягкой. Отожженная мягкая проволока имеет прочность на разрыв от 45 до 50 кг/кв.мм, относительное удлинение составляет от 10 до 20%, удельное сопротивление — от 0,42 до 0,52 ом*кв.мм/м.
Характеристики твердой проволоки: прочность на разрыв от 50 до 60 кг/кв.мм, относительное удлинение — от 5 до 9%, удельное сопротивление — 0,43 — 0,53 ом*кв.мм/м. Температурный коэффициент проволок или лент из манганина лежит в пределах от 3*10-5 до 5*10-5 1/°С, а для стабилизированных — до 1,5*10-5 1/°С.
Приведенные характеристики указывают на то, что зависимость от температуры электрического сопротивления манганина крайне незначительна, а это фактор в пользу постоянства сопротивления, что весьма значимо для прецизионных электроизмерительных устройств. Малая термо-эдс — еще одно достоинство манганина, и при соприкосновении с медными элементами она не превысит 0,000001 вольта на градус.
С целью стабилизации электрических характеристик проволоки из манганина ее нагревают в условиях вакуума до 400 °С, и выдерживают при такой температуре в течение от 1 до 2 часов. Затем проволоку длительно выдерживают при комнатной температуре для достижения приемлемой однородности сплава и для получения стабильных свойств.
В обычных рабочих условиях такая проволока сможет быть использована при температурах до 200 °С — для стабилизированного манганина, и до 60 °С — для нестабилизированного манганина, ибо нестабилизированный манганин при нагреве от 60 °С и выше претерпит необратимые изменения, которые скажутся на его свойствах. Так, нестабилизированный манганин лучше не нагревать до 60 °С, и следует считать эту температуру максимально допустимой.
На сегодняшний день промышленностью выпускается как голая манганиновая проволока, так и проволока в высокопрочной эмалевой изоляции — для изготовления обмоток, в шелковой изоляции, и в двухслойной лавсановой изоляции.
Константан
Константан, в отличие от манганина, содержит больше никеля — от 39 до 41%, меньше меди — 60-65%, значительно меньше марганца — 1-2%, - это тоже медно-никелевый сплав. Температурный коэффициент сопротивления у константана приближается к нулю — это главное достоинство данного сплава.
Константан отличается характерным серебристо-белым цветом, температура плавления 1270 °С, плотность в среднем около 8,9 г/см3. Промышленностью выпускается константановая проволока диаметром от 0,02 до 5 мм.
Отожженная мягкая константановая проволока имеет прочность на разрыв 45 — 65 кг/кв.мм, ее удельное сопротивление — от 0,46 до 0,48 ом*кв.мм/м. Для твердой константановой проволоки: прочность на разрыв — от 65 до 70 кг/кв.мм, удельное сопротивление — от 0,48 до 0,52 ом*кв.мм/м. Термо-эдс константана в паре с медью равна 0,000039 вольта на градус, что служит ограничением для использования константана в изготовлении точных резисторов и электроизмерительных приборов.
Значительная, в сравнении с манганином, термо-эдс позволяет применять константановую проволоку в термопарах (в паре с медью) с целью измерения температур до 300° С. При температурах выше 300° С медь начнет окислятся, при этом стоит отметить, что константан начнет окисляться лишь при 500° С.
Промышленностью выпускается как константановая проволока без изоляции, так и обмоточная проволока в высокопрочной эмалевой изоляции, проволока в двухслойной шелковой изоляции, и проволока в комбинированной изоляции — один слой эмали и один слой шелка или лавсана.
В реостатах, где напряжение между соседними витками не превышает нескольких вольт, используется такое свойство константановой проволоки: если за несколько секунд проволоку нагреть до 900° С, после чего охладить на воздухе, то проволока покроется темно-серой пленкой оксида, эта пленка может служить своеобразной изоляцией, поскольку обладает диэлектрическими свойствами.
Жаростойкие сплавы
В электронагревательных приборах и в печах сопротивления нагревательные элементы в форме лент и проволок должны быть способны работать на протяжении длительных периодов времени в условиях температур до 1200 °С. К этому не годятся ни медь, ни алюминий, ни константан, ни манганин, поскольку начиная с 300 °С они уже начинают сильно окисляться, пленки окислов затем испаряются, и окисление продолжается. Здесь нужны жаростойкие проводники.
Жаростойкие проводники высокого удельного сопротивления, к тому же стойкие к окислению при нагревании, и обладающие низким температурным коэффициентом сопротивления. Это как раз про нихромы и ферронихромы — двойные сплавы никеля и хрома, и тройные сплавы никеля, хрома и железа.
Еще есть фехраль и хромаль — тройные сплавы железа, алюминия и хрома, - они в соответствии с процентным соотношением входящий в сплав компонентов — отличаются электрическими параметрами и жаростойкостью. Все это твердые растворы металлов с хаотичной структурой.
Нагрев этих жаростойких сплавов приводит к образованию на их поверхности толстой защитной пленки оксидов хрома и никеля, устойчивой к высоким температурам до 1100° С, надежно защищающей эти сплавы от дальнейшей реакции с кислородом воздуха. Так, ленты и проволоки из жаропрочных сплавов могут длительно работать при высоких температурах даже на воздухе.
Помимо главных составляющих, в сплавы входит: углерода — от 0,06 до 0,15%, кремния — от 0,5 до 1,2%, марганца — от 0,7 до 1,5%, фосфора — 0,35%, серы — 0,03%.
В данном случае фосфор, сера и углерод являются вредными примесями, повышающими хрупкость, поэтому их содержание всегда стремятся свести к минимуму, а лучше — полностью исключить. Марганец и кремний способствуют раскислению, они устраняют кислород. Никель, хром и алюминий, особенно хром, помогают обеспечить стойкость к температурам до 1200 °С.
Компоненты сплава служат повышению удельного сопротивления и снижению температурного коэффициента сопротивления, что как раз и нужно от этих сплавов. Если хрома будет более 30%, то сплав получится хрупким и твердым. Чтобы получить тонкую проволоку, например 20 мкм в диаметре, необходимо не более 20% хрома в составе сплава.
Этим требованиям отвечают сплавы марок Х20Н80 и Х15Н60. Остальные марки сплавов подойдут для изготовления лент толщиной от 0,2 мм и проволок диаметром от 0,2 мм.
Сплавы типа фехраль — Х13104, содержат в своем составе железо, от этого они получаются дешевле, но спустя несколько циклов нагрева становятся хрупкими, поэтому спирали из хромаля и фехраля при обслуживании недопустимо деформировать в остывшем состоянии, например если речь идет о спирали, длительное время работавшей в нагревательном приборе. Для ремонта следует скручивать или сращивать только разогретую до 300—400 °С спираль. Вообще, фехраль способен работать при температурах до 850 °С, а хромаль — до 1200 °С.
Нихромовые нагревательные элементы, в свою очередь, предназначены для продолжительной работы при температурах до 1100 °С в стационарных слабо динамических режимах, при этом они не потеряют ни прочности ни пластичности. Но если режим будет резко динамичным, то есть температура будет многократно резко меняться, при частых включениях и выключениях тока через спираль, защитные пленки оксидов потрескаются, кислород проникнет в нихром, и элемент со временем окислится и разрушится.
Промышленностью выпускаются как голые проволоки из жаростойких сплавов, так и проволоки в эмалевой и кремнийорганической лаковой изоляции, предназначенные для изготовления обмоток.
Ртуть
Особенного упоминания заслуживает ртуть, ведь это единственный металл, остающийся в жидком состоянии при комнатной температуре. Температура окисления ртути 356,9 °С, ртуть почти не взаимодействует с газами воздуха. Растворы кислот (серная, соляная) и щелочей не действуют на ртуть, однако она растворима в концентрированных кислотах (в серной, соляной, азотной). В ртути растворяются цинк, никель, серебро, медь, свинец, олово, золото.
Плотность ртути 13,55 г/см3, температура перехода из жидкого в твердое состояние -39 °С, удельное сопротивление — от 0,94 до 0,95 ом*кв.мм/м, температурный коэффициент сопротивления 0,000990 1/°С. Эти свойства позволяют использовать ртуть в качестве жидких проводящих контактов выключателей и реле специального назначения, а также в ртутных выпрямителях. При этом важно помнить, что ртуть чрезвычайно токсична.