3.4. Сплавы высокого сопротивления для резисторов измерительных приборов

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, б_р= 450 – 600 МПа, 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 ), имеет r=0.648 – 0.52 мкОм ^. м, TKρ =(5 – 25) ^. 10^-6К^-1, б_р= 400 – 500 МПа, 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. 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.

3.5. Контактные материалы

Для разрывных контактов в слаботочных контактах, кроме чистых тугоплавких металлов вольфрама и молибдена применяют платину, золото, серебро, сплавы на их основе и металлокерамические композиции, например, Ag – CdO. Сильноточные разрывные контакты обычно изготовляют из металлокерамических материалов и композиций, например, серебро – никель, серебро – графит, медь – вольфрам – никель и др. Для скользящих контактов часто используют контактные пары из металлического и графитсодержащего материалов, а также проводниковые бронзы, латуни (сплавы меди и цинка), твердую медь и медь, легированную серебром (для коллекторных пластин) и др. материалы.

3.6. Сверхпроводники и криопроводники

3.6.1. Сверхпроводники. С понижением температуры наблюдается монотонное падение электросопротивления. Вблизи абсолютного нуля у многих металлов и сплавов происходит резкое падение электросопротивления, и они становятся сверхпроводниками. Сверхпроводимость – способность материалов не оказывать сопротивления электрическому току при температурах ниже характерной для них критической температуры T_к. Впервые сверхпроводимость обнаружил в 1911 г. голландский ученый Гейке Камерлинг-Оннес, который наблюдал скачкообразное исчезновение сопротивления ртути до неизмеримо малой величины при температуре 4,2 К. К настоящему времени сверхпроводимость обнаружена у большинства чистых металлов, причем сверхпроводящее состояние легче всего возникает в металлах с низкой обычной проводимостью. Открыто и изучено около трех тысяч сверхпроводящих сплавов и интерметаллических соединений, и их число непрерывно растет. Чистые металлы принято относить к сверхпроводникам первого рода, а сплавы и соединения – к сверхпроводникам второго рода. Напряженность магнитного поля в объеме сверхпроводников при температурах ниже критической равна нулю. Металл становится диамагнетиком – материалом, приобретающим во внешнем магнитном поле магнитный момент, направленный против намагничивающего поля. Поэтому при переходе материала в сверхпроводящее состояние внешнее магнитное поле “выталкивается” из его объема и остается лишь в тонком поверхностном слое толщиной около 10^-5 мм. Это явление называется эффектом Мейснера.

Перевод материала в сверхпроводящее состояние связан с фазовым переходом. Новое фазовое состояние характеризуется тем, что свободные электроны перестают взаимодействовать с ионами кристаллической решетки и вступают во взаимодействие между собой. Электроны с противоположными спинами объединяются в пары, и результирующий спиновый момент становится равным нулю. Электронные пары называют куперовскими по имени Леона Купера, впервые показавшего, что сверхпроводимость в металлах связана с их образованием. В обычном, неспаренном состоянии электроны рассеиваются на примесях, имеющихся в металле, или на тепловых колебаниях кристаллической решетки – фотонах. Рассеивание электронов приводит к возникновению электрического сопротивления. Куперовские пары не рассеиваются, так как энергия фотонов, которую пара может получить от взаимодействия с ними или дефектами решетки при криогенных температурах, слишком мала. Не испытывая рассеяния, куперовские пары движутся сквозь решетку кристалла без сопротивления, что и приводит к явлению сверхпроводимости. Сверхпроводящее состояние может быть разрушено как при нагреве материала до температуры выше критической, так и в результате воздействия сильных внешних магнитных полей с напряженностью Н_к, превышающей критическое значение. Критическое магнитное поле подобно критической температуре является основной характеристикой сверхпроводящего материала. При превышении Т_к или Н_к происходит скачкообразное восстановление электросопротивления, и магнитное поле проникает в металл. Одним из главных преимуществ сверхпроводников является возможность достижения высоких плотностей тока. Чем выше плотность тока, тем компактнее приборы, меньше расход дорогостоящих сверхпроводящих материалов и меньше масса, которую необходимо охлаждать. Высокая плотность тока позволяет снизить капитальные и эксплуатационные расходы установок на сверхпроводниках. Свойства некоторых сверхпроводниковых материалов приведены в табл.3.1.

Таблица 3.1.Основные свойства некоторых сверхпроводниковых материалов

Параметр	Мягкие сверхпроводники				Твердые сверхпроводники
	Al	Hg	Pb	Nb	44%Nb+56%Ti	50%Nb+50%Zr	V3Ca	Nb3Sn
Наибольшее значение: температуры перехода Ткр0, К магнитной индукции Вкр0, Тл	1,2 0,010	4,2 0,04	7,2 0,080	7,4 0,195	8,7 12	9,5 11	4 50	18 22

3.6.2. Криопроводники. Некоторые металлы могут достигать при низких температурах весьма малого значения удельного электрического сопротивления ρ, которое в сотни и тысячи раз меньше, чем удельное электрическое сопротивление при нормальной температуре. Материалы, обладающие такими свойствами, называют криопроводниками (гиперпроводниками). Физическое явление криопроводимости не сходно с явлением сверхпроводимости. Плотность тока в криопроводниках при рабочих температурах в тысячи раз превышает плотность тока в них при нормальной температуре, что определяет их использование в сильноточных электротехнических устройствах, к которым предъявляются высокие требования по надежности и взрывобезопасности. Применение криопроводников в электрических машинах, кабелях и т.п. имеет существенное преимущество по сравнению со сверхпроводниками. Если в сверхпроводниковых устройствах в качестве охлаждающего агента применяют жидкий гелий, работа криопроводников обеспечивается благодаря более высококипящим и дешевым хладагентам – жидкому водороду или даже жидкому азоту. Это упрощает и удешевляет производство и эксплуатацию устройства. Однако необходимо учитывать технические трудности, которые возникают при использовании жидкого водорода, образующего при определенном соотношении компонентов взрывоопасную смесь с воздухом. В качестве криопроводников используют медь, алюминий, серебро, золото.

3.7. Основные эффекты в проводниках и их применение

Сверхпроводимость. В 1911 г. при охлаждении кольца из замороженной ртути до температуры 4,2 К голландский ученый Г.Каммерлинг-Оннес обнаружил, что электрическое сопротивление ρ кольца внезапно падает до очень малого значения, которое невозможно измерить. Такое исчезновение электрического сопротивления, т.е. появление бесконечной удельной проводимости у материала, было названо сверхпроводимостью. Материалы, обладающие способностью переходить в сверхпроводящее состояние при их охлаждении до достаточно низкой температуры, стали называть сверхпроводниками. Критическая температура охлаждения, при которой происходит переход вещества в сверхпроводящее состояние, называют температурой сверхпроводимого перехода или критической температурой перехода Т_кр. Переход в сверхпроводимое состояние является обратимым. При повышении температуры до Т_кр материал возвращается в нормальное состояние.

Сверхпроводники используют при создании: электрических машин и трансформаторов малых массы и размеров с высоким коэффициентом полезного действия; кабельных линий для передачи энергии большой мощности и на большие расстояния; волноводов с особо малым затуханием; накопителей энергии и устройств памяти; магнитных линз электронных микроскопов; катушек индуктивности с печатным монтажом. На основе пленочных сверхпроводников создан ряд запоминающих устройств и элементов автоматики и вычислительной техники. Обмотки электромагнитов из сверхпроводников позволяют получить максимально возможные значения напряженности магнитного поля.

Эффект Мейснера. При переходе материала в сверхпроводящее состояние внешнее магнитное поле “выталкивается” их его объема и остается лишь в тонком поверхностном слое толщиной около 10^-5 мм. Это явление называется эффектом Мейснера.

Термоэлектродвижущая сила (эффект Зеебека). Между двумя различными металлическими проводниками в месте их соединения возникает контактная разность потенциалов, обусловленная различием работы выхода электронов из разных металлов, неодинаковой концентрацией электронов и давлением электронного газа (рис. 3.1). Разность потенциалов U, появляющаяся на концах разомкнутой электрической цепи, состоящей из двух различных проводников, контакты которых находятся при различных температурах (Т₁ и Т₂) называется термоэлектродвижущей силой (эффект Зеебека)

U = λ_Т(Т₂ - Т₁),

где λ_Т - относительная дифференциальная (удельная) термо-ЭДС

Причины возникновения термо-ЭДС:

– температурная зависимость контактной разности потенциалов;

– диффузия носителей заряда от горячих спаев к холодным;

– увлечение электронов фононами (квантами тепловой энергии).

3.8. Зависимость удельного электрического сопротивления металлов от температуры.

Характерными температурами являются: – Тпл – температура плавления; – ΘД– температура Дебая; – Ткр – температура перехода в сверхпроводящее состояние.

У металлов, не обладающих сверхпроводимостью, при низких температурах из-за наличия примесей (рис. 3.2) наблюдается область 1 – область остаточного сопротивления, почти не зависящая от температуры. Остаточное сопротивление тем меньше, чем чище металл. Быстрый рост удельного сопротивления при низких температурах до температуры Θ_Д может быть объяснен возбуждением новых частот тепловых колебаний решетки, при которых происходит рассеяние носителей заряда - область 2. При Т > Θ_Д , когда спектр колебаний возбужден полностью, увеличение амплитуды колебаний с ростом температуры приводит к линейному росту сопротивления примерно до Т_пл – область 3. При переходе в жидкое состояние у большинства металлов удельное сопротивление увеличивается в 1.5 – 2 раза (у висмута и галлия уменьшается).

Температурный коэффициент удельного электрического сопротивления определяется так:

Т_кр=α_ρ =(1/ρ)(dρ/dТ) , K^-1.

В справочниках часто приводится величина:

= (1 / ρ _ср)(ρ ₂ - ρ ₁ )/( T₂ -T₁).

В области линейной зависимости ρ (T) можно пользоваться выражением:

ρ = ρ _о (1 +α_ρ( T - T_о )),

где ρ _о и α_ρ удельное сопротивление и температурный коэффициент в начале температурного диапазона; ρ удельное сопротивление при температуре T.