Константан: удельное сопротивление, плотность, состав, применение

Удельное электрическое сопротивление

Сопротивление в омах проводника длиной 1 м, сечением 1 мм² называется удельным сопротивлением

и обозначается греческой буквойρ (ро).

В таблице 1 даны удельные сопротивления некоторых проводников.

Таблица 1

Удельные сопротивления различных проводников

Из таблицы видно, что железная проволока длиной 1 м и сечением 1 мм² обладает сопротивлением 0,13 Ом. Чтобы получить 1 Ом сопротивления нужно взять 7,7 м такой проволоки. Наименьшим удельным сопротивлением обладает серебро. 1 Ом сопротивления можно получить, если взять 62,5 м серебряной проволоки сечением 1 мм². Серебро – лучший проводник, но стоимость серебра исключает возможность его массового применения. После серебра в таблице идет медь: 1 м медной проволоки сечением 1 мм² обладает сопротивлением 0,0175 Ом. Чтобы получить сопротивление в 1 Ом, нужно взять 57 м такой проволоки.

Химически чистая, полученная путем рафинирования, медь нашла себе повсеместное применение в электротехнике для изготовления проводов, кабелей, обмоток электрических машин и аппаратов. Широко применяют также в качестве проводников алюминий и железо.

Сопротивление проводника можно определить по формуле:

где r

– сопротивление проводника в омах;ρ – удельное сопротивление проводника;l – длина проводника в м;S – сечение проводника в мм².

Пример 1.

Определить сопротивление 200 м железной проволоки сечением 5 мм².

Пример 2.

Вычислить сопротивление 2 км алюминиевой проволоки сечением 2,5 мм².

Из формулы сопротивления легко можно определить длину, удельное сопротивление и сечение проводника.

Пример 3.

Для радиоприемника необходимо намотать сопротивление в 30 Ом из никелиновой проволоки сечением 0,21 мм². Определить необходимую длину проволоки.

Пример 4.

Определить сечение 20 м нихромовой проволоки, если сопротивление ее равно 25 Ом.

Пример 5.

Проволока сечением 0,5 мм² и длиной 40 м имеет сопротивление 16 Ом. Определить материал проволоки.

Материал проводника характеризует его удельное сопротивление.

По таблице удельных сопротивлений находим, что таким сопротивлением обладает свинец.

Выше было указано, что сопротивление проводников зависит от температуры. Проделаем следующий опыт. Намотаем в виде спирали несколько метров тонкой металлической проволоки и включим эту спираль в цепь аккумулятора. Для измерения тока в цепь включаем амперметр. При нагревании спирали в пламени горелки можно заметить, что показания амперметра будут уменьшаться. Это показывает, что с нагревом сопротивление металлической проволоки увеличивается.

У некоторых металлов при нагревании на 100° сопротивление увеличивается на 40 – 50 %. Имеются сплавы, которые незначительно меняют свое сопротивление с нагревом. Некоторые специальные сплавы практически не меняют сопротивления при изменении температуры. Сопротивление металлических проводников при повышении температуры увеличивается, сопротивление электролитов (жидких проводников), угля и некоторых твердых веществ, наоборот, уменьшается.

Способность металлов менять свое сопротивление с изменением температуры используется для устройства термометров сопротивления. Такой термометр представляет собой платиновую проволоку, намотанную на слюдяной каркас. Помещая термометр, например, в печь и измеряя сопротивление платиновой проволоки до и после нагрева, можно определить температуру в печи.

Изменение сопротивления проводника при его нагревании, приходящееся на 1 Ом первоначального сопротивления и на 1° температуры, называется температурным коэффициентом сопротивления

и обозначается буквой α.

Если при температуре t

0 сопротивление проводника равноr 0 , а при температуреt равноr t , то температурный коэффициент сопротивления

Примечание.

Расчет по этой формуле можно производить лишь в определенном интервале температур (примерно до 200°C).

Приводим значения температурного коэффициента сопротивления α для некоторых металлов (таблица 2).

Таблица 2

Значения температурного коэффициента для некоторых металлов

Из формулы температурного коэффициента сопротивления определим r t

r t

=r 0 .

Пример 6.

Определить сопротивление железной проволоки, нагретой до 200°C, если сопротивление ее при 0°C было 100 Ом.

r t

=r 0 = 100 (1 + 0,0066 × 200) = 232 Ом.

Пример 7.

Термометр сопротивления, изготовленный из платиновой проволоки, в помещении с температурой 15°C имел сопротивление 20 Ом. Термометр поместили в печь и через некоторое время было измерено его сопротивление. Оно оказалось равным 29,6 Ом. Определить температуру в печи.

Теоретическая масса 1000 м проволоки

Диаметр проволоки, мм	Площадь поперечного сечения, мм2	Теоретическая масса 1000 м проволоки, кг	Диаметр проволоки, мм	Площадь поперечного сечения, мм2	Теоретическая масса 1000 м проволоки, кг
0,020	0,000314	0,0028	0,60	0,2827	2,516
0,025	0,000491	0,0044	0,65	0,3318	2,953
0,030	0,000707	0,0063	0,70	0,3848	3,425
0,040	0,001257	0,0112	0,75	0,4418	3,932
0,050	0,001963	0,0175	0,80	0,5027	4,474
0,060	0,002827	0,0252	0,85	0,5675	5,051
0,070	0,003848	0,0342	0,90	0,6362	5,662
0,080	0,005027	0,0447	1,00	0,785	6,990
0,090	0,006362	0,0566	1,10	0,950	8,458
0,10	0,00785	0,0699	1,20	1,131	10,066
0,12	0,01131	0,1007	1,30	1,327	11,810
0,14	0,01539	0,137	1,40	1,539	13,697
0,15	0,01767	0,157	1,50	1,767	15,726
0,16	0,02011	0,179	1,60	2,011	17,893
0,18	0,02545	0,227	1,70	2,270	20,203
0,20	0,03142	0,280	1,80	2,545	22,651
0,22	0,03801	0,338	1,90	2,835	25,232
0,25	0,04909	0,437	2,00	3,142	27,946
0,28	0,06158	0,548	2,25	3,974	35,369
0,30	0,07069	0,629	2,50	4,909	43,690
0,33	0,08553	0,761	2,75	6,935	52,822
0,35	0,09621	0,856	3,00	7,069	62,914
0,38	0,1134	1,009	3,50	9,616	85,582
0,40	0,1257	1,119	4,00	12,560	111,784
0,45	0,1590	1,415	4,50	15,896	141,474
0,50	0,1964	1,748	5,00	19,625	174,663
0,55	0,2376	2,115

Примечание. Теоретическая масса вычислена при плотности сплава 8,9 г/см3.

Свойства, характеристики константановой проволоки

Свойства константановой проволоки обусловлены способами обработки сплава, которые могут производиться давлением или отжигом, выполняемым при высоких температурных режимах. Прочность сплава регулируется нормативными документами, находится в пределах 650-720 МПа для твердых материалов и 400-500 МПа – для мягких. Предел прочности на разрыв термически не обработанной константановой проволоки – довольно небольшой – всего 400 Мпа, но уже после низкотемпературного отжига данный показатель значительно увеличивается, и становится практически таким же, как у стали 45.

Среди основных свойств константановой проволоки можно выделить:

прочность;
жаростойкость;
устойчивость к процессам коррозии;
высокое электрическое сопротивление.

Характеристики изделия зависят от свойств константана. Наибольшее распространение получила марка изделия МНМц40-1,5. Эта продукция, представляющая собой сплав серебристого цвета с желтоватым отливом, содержит около 56,2% меди по массе, 39-41% кобальта и никеля в общем массе, и марганец (1-2%). Кроме этого, возможно содержание примесей, но в ограниченном количестве

Сплав характеризуется высоким показателем удельного электрического сопротивления (от 0,45 до 0,52 мкОм*м), и, что важно, – сохраняет его при повышении температуры до 400-500оС

Плотность константановой проволоки зависит от марки – варьируется в пределах интервала 8800 – 8900 кг/м3. Проволока константановая не магнитна.

Особого внимания требует термоэлектродвижущая сила константана (ТЭДС), которая является высокой в совокупности с такими элементами, как медь, железо, хромель – (хромоникелевый сплав), обеспечивая применение полуфабриката для производства термопар. При кратковременном нагреве до температуры 900оС, на поверхности создается изолирующий слой оксидной плёнки. Это исключает выполнение дополнительных операций в технологическом процессе по покрытию проволоки лаком или другим изолирующим слоем, благодаря чему снижается стоимость продукции.

Сплав обладает хорошей обрабатываемостью. Относительное сужение константановой проволоки может доходить до 71%, а удлинение – до 30%. Благодаря пластичности изделия МНМц40-1,5 обеспечивается производство из него тонкой проволоки, сечением до микронного диаметра. Материал легко соединяется путем сварки, пайки.

Содержание в составе константановой проволоки таких элементов, как никель, медь, придают данной продукции высокую устойчивость к воздействию процессов коррозии. При температуре менее 800 °С продукция не окисляется под воздействием кислорода. Прекрасно противостоит воздействию большинства кислот органического происхождения, растворов солей.

Поставляется константановая проволока в катушках, мотках, бухтах. Твердые изделия выпускаются диаметром 0,02-5 мм, мягкие – 0,1-5 миллиметров. Пластические свойства мягкой константановой проволоки выше. Контроль качества производства полуфабрикатов осуществляется на всех этапах технологического процесса. Поверхность материала контролируется ГОСТ(ом), не допуская механических повреждений, расслоений и надрывов.

Константановая проволока с сечением меньше 0,1 мм часто носит название «константановая нить» или в обиходе «проволока микронных размеров». У нас можно купить константановую проволоку и константановую нить.

Как и вся металлопродукция, константановая проволока имеет свои преимущества и недостатки.

Среди достоинств можно выделить:

высокие технологические характеристики (обрабатываемость и пр.);
хорошее электросопротивление;
термостабильность;
в паре с некоторыми сплавами, металлами – высокое значение ТЭДС;
низкий температурный коэффициент электросопротивления.

Недостаток – относительно низкая температура перехода в жидкое состояние.

§ 45. Расчёт сопротивления проводника. Удельное сопротивление

Мы знаем, что причиной электрического сопротивления проводника является взаимодействие электронов с ионами кристаллической решётки металла (§ 43). Поэтому можно предположить, что сопротивление проводника зависит от его длины и площади поперечного сечения, а также от вещества, из которого он изготовлен.

На рисунке 74 изображена установка для проведения такого опыта. В цепь источника тока по очереди включают различные проводники, например:

никелиновые проволоки одинаковой толщины, но разной длины;
никелиновые проволоки одинаковой длины, но разной толщины (разной площади поперечного сечения);
никелиновую и нихромовую проволоки одинаковой длины и толщины.

Силу тока в цепи измеряют амперметром, напряжение — вольтметром.

Зная напряжение на концах проводника и силу тока в нём, по закону Ома можно определить сопротивление каждого из проводников.

Рис. 74. Зависимость сопротивления проводника от его размеров и рода вещества

Выполнив указанные опыты, мы установим, что:

из двух никелиновых проволок одинаковой толщины более длинная проволока имеет большее сопротивление;
из двух никелиновых проволок одинаковой длины большее сопротивление имеет проволока, поперечное сечение которой меньше;
никелиновая и нихромовая проволоки одинаковых размеров имеют разное сопротивление.

Зависимость сопротивления проводника от его размеров и вещества, из которого изготовлен проводник, впервые на опытах изучил Ом. Он установил, что сопротивление прямо пропорционально длине проводника, обратно пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от вещества проводника.

Как учесть зависимость сопротивления от вещества, из которого изготовляют проводник? Для этого вычисляют так называемое удельное сопротивление вещества.

Удельное сопротивление — это физическая величина, которая определяет сопротивление проводника из данного вещества длиной 1 м, площадью поперечного сечения 1 м2.

Введём буквенные обозначения: ρ — удельное сопротивление проводника, I — длина проводника, S — площадь его поперечного сечения. Тогда сопротивление проводника R выразится формулой

Из неё получим, что:

Из последней формулы можно определить единицу удельного сопротивления. Так как единицей сопротивления является 1 Ом, единицей площади поперечного сечения — 1 м2, а единицей длины — 1 м, то единицей удельного сопротивления будет:

Удобнее выражать площадь поперечного сечения проводника в квадратных миллиметpax, так как она чаще всего бывает небольшой. Тогда единицей удельного сопротивления будет:

В таблице 8 приведены значения удельных сопротивлений некоторых веществ при 20 °С. Удельное сопротивление с изменением температуры меняется. Опытным путём было установлено, что у металлов, например, удельное сопротивление с повышением температуры увеличивается.

Таблица 8. Удельное электрическое сопротивление некоторых веществ (при t = 20 °С)

Из всех металлов наименьшим удельным сопротивлением обладают серебро и медь. Следовательно, серебро и медь — лучшие проводники электричества.

При проводке электрических цепей используют алюминиевые, медные и железные провода.

Во многих случаях бывают нужны приборы, имеющие большое сопротивление. Их изготавливают из специально созданных сплавов — веществ с большим удельным сопротивлением. Например, как видно из таблицы 8, сплав нихром имеет удельное сопротивление почти в 40 раз большее, чем алюминий.

Фарфор и эбонит имеют такое большое удельное сопротивление, что почти совсем не проводят электрический ток, их используют в качестве изоляторов.

Вопросы

Как зависит сопротивление проводника от его длины и от площади поперечного сечения?
Как показать на опыте зависимость сопротивления проводника от его длины, площади поперечного сечения и вещества, из которого он изготовлен?
Что называется удельным сопротивлением проводника?
По какой формуле можно рассчитывать сопротивление проводников?
В каких единицах выражается удельное сопротивление проводника?
Из каких веществ изготавливают проводники, применяемые на практике?

Железо как проводник в электротехнике

Железо — самый распространенный в природе и технике металл (после водорода, который металлом тоже является). Он и самый дешевый, и имеет прекрасные прочностные характеристики, поэтому применяется повсюду как основа прочности различных конструкций.

В электротехнике в качестве проводника железо используется в виде стальных гибких проводов там, где нужна физическая прочность и гибкость, а нужное сопротивление может быть достигнуто за счет соответствующего сечения.

Имея таблицу удельных сопротивлений различных металлов и сплавов, можно посчитать сечения проводов, выполненных из разных проводников.

В качестве примера попробуем найти электрически эквивалентное сечение проводников из разных материалов: проволоки медной, вольфрамовой, никелиновой и железной. За исходную возьмем проволоку алюминиевую сечением 2,5 мм.

Нам нужно, чтобы на длине в 1 м сопротивление провода из всех этих металлов равнялось сопротивлению исходной. Сопротивление алюминия на 1 м длины и 2,5 мм сечения будет равно

Где R – сопротивление, ρ – удельное сопротивление металла из таблицы, S – площадь сечения, L – длина.

Подставив исходные значения, получим сопротивление метрового куска провода алюминия в омах.

После этого разрешим формулу относительно S

Будем подставлять значения из таблицы и получать площади сечений для разных металлов.

Так как удельное сопротивление в таблице измерено на проводе длиной в 1 м, в микроомах на 1 мм 2 сечения, то у нас и получилось оно в микроомах. Чтобы получить его в омах, нужно умножить значение на 10 -6 . Но число ом с 6 нулями после запятой нам получать совсем не обязательно, так как конечный результат все равно находим в мм 2 .

Как видим, сопротивление железа достаточно большое, проволока получается толстая.

Но существуют материалы, у которых оно еще больше, например, никелин или константан.

Про закон Ома многие слышали, но не все знают, что это такое. Изучение начинается со школьного курса физики. Более подробно проходят на физфаке и электродинамике. Рядовому обывателю эти знания маловероятно пригодятся, но они необходимы для общего развития, а кому-то для будущей профессии. С другой стороны, элементарные знания об электричестве, его устройстве, особенностей в домашних условиях помогут предостеречь себя от беды. Недаром закон Ома называют основным законом электричества. Домашнему мастеру нужно обладать знаниями в области электричества, чтобы не допустить перенапряжения, что может повлечь увеличению нагрузки и возникновению пожара.

Электрическое сопротивление

Электрическое сопротивление, одно из составляющих закона Ома, выражается в омах (Ом). Следует заметить, что электрическое сопротивление и удельное сопротивление — это не одно и то же. Удельное сопротивление является свойством материала, в то время как электрическое сопротивление — это свойство объекта.

Электрическое сопротивление резистора определяется сочетанием формы и удельным сопротивлением материала, из которого он сделан.

Например, проволочный резистор, изготовленный из длинной и тонкой проволоки имеет большее сопротивление, нежели резистор, сделанный из короткой и толстой проволоки того же металла.

В тоже время проволочный резистор, изготовленный из материала с высоким удельным сопротивлением, обладает большим электрическим сопротивлением, чем резистор, сделанный из материала с низким удельным сопротивлением. И все это не смотря на то, что оба резистора сделаны из проволоки одинаковой длины и диаметра.

Тестер транзисторов / ESR-метр / генератор
Многофункциональный прибор для проверки транзисторов, диодов, тиристоров…

Подробнее

В качестве наглядности можно провести аналогию с гидравлической системой, где вода прокачивается через трубы.

Чем длиннее и тоньше труба, тем больше будет оказано сопротивление воде.
Труба, заполненная песком, будет больше оказывать сопротивление воде, нежели труба без песка

Сфера применения

В зависимости от применения мировой рынок сплавов нихрома можно разделить на архитектурные, автомобильные, электронные, аэрокосмические и другие. Нихромовые сплавы используются для изготовления монеля из железа и стали, для производства нержавеющей стали. Сплавы нихрома используются в архитектурных целях, таких как свинец для водопроводных труб, кровли и окон.

Нихром используется в передачах, карданных валах, специальных транспортных средствах для работы в зоне с низкими температурами или интенсивного износа. Он также используется в специальных инженерных целях. Сплавы нихкрома в основном используются для нагрева электрическим сопротивлением. Они обладают высокой электрической стойкостью, хорошей прочностью и пластичностью при рабочих температурах.

Нихром широко используется в индустрии фейерверков и взрывчатых веществ и для подготовки проводов для систем электрического зажигания, таких как зажигалки, электрические спички и электронные сигареты.

Это вещество используется в керамических работах. Он служит для обеспечения внутренней структуры поддержки и помогает удерживать формы глиняных скульптур мягкими. Из-за его устойчивости к высоким температурам он используется, когда куски глины обжигают в печах. Нихромные проволоки используются для проверки цвета пламени в неосвещенных частях катионного огня от катионов натрия, меди, калия и кальция.

Нихром также используется в микробиологических лабораториях и для создания термопар.

Применение

Сфера применения рассматриваемого материала определяется его параметрами. Так, большая термоэлектродвижущая сила обуславливает возможность использования константана в качестве исходного материала для, термопар. Значительное электрическое сопротивление позволяет создавать из него элементы сопротивления, представленные реостатами, и нагревательные элементы. Так как электрическое сопротивление константана слабо связано с температурой, он подходит для тех случаев, когда необходима стабильность электрического сопротивления. Помимо этого, рассматриваемый сплав применяется в измерительном оборудовании низкого класса точности и в качестве материала удлиняющих проводов.

Изделия из константана представлены проволокой диаметром 0,2-2,5 мм и лентами толщиной 0,1-2 мм и шириной 10-300 мм. Причем проволока представлена в двух вариантах: мягкой (отожженной) и твердой. Их свойства отличаются. Так, для мягкого варианта удельное сопротивление составляет 0,46-0,48 ом×мм2/м, прочность на разрыв – 45-65 кг/мм2, в то время как для твердой проволоки удельное сопротивление равно 0,48-0,52 ом×мм2/м, прочность на разрыв -65-70 кг/мм2. Кроме того, выпускают продукцию как без изоляции, так и с различными ее вариантами: высокопрочной эмалевой, двухполосной шелковой, двухслойной комбинированной эмаль-шелковой и эмаль-лавсановой.

Константановая проволока служит для изготовления проводников между приемником и контактором высокоточных температурных измерителей. Также из нее делают компенсационные провода термопар. Из проволоки и лент создают резистивные, ленточные и проволочные нагревательные элементы промышленных печей по выплавке металлов с небольшой температурой плавления. Наконец, из константана производят реостаты, резисторы, тензометрические датчики.

Во-первых, высокое электрическое сопротивление, способствует быстрому и сильному нагреву. Во-вторых, малый температурный коэффициент сопротивления позволяет значительно упростить конструкцию нагревателя. Так, он избавляет от необходимости понижения напряжения при запуске, следовательно, не требуется трансформатор. В-третьих, хорошие технологические особенности позволяют создавать детали сложной конфигурации.

Таким образом, благодаря названным свойствам константана в совокупности возможно изготовление из него коротких нагревательных элементов большой площади поперечного сечения. Это считают существенным преимуществом по следующим причинам. Во-первых, печи многих типов, например, лабораторные, рассчитаны на короткие нагревательные элементы. Во-вторых, детали большого диаметра характеризуются большим сроком службы.

Константан применяют как для открытых, так и для закрытых нагревателей. В первом случае его используют в виде ленты и толстой проволоки. Это объясняется сгоранием тонкой проволоки на открытом воздухе при высоких температурах (более 400-450 °C). Однако материал в такой форме актуален для печей с инертным газом, вакуумных печей, закрытых нагревателей. В последнем случае в устройствах типа ТЭН, ориентированных на нагрев жидкости, воздуха, полов и т. д., константан не контактирует с окружающей средой. В большинстве таких нагревателей он в виде спирали из нити помещен в герметичную трубку. Для высокомощных моделей применяют толстую проволоку и ленту.

Также относительно формы константана следует отметить, что проволоку считают более предпочтительной по техническим и экономическим особенностям для нагревательного оборудования в сравнении с лентой. Так, для крупных промышленных печей применяют материал диаметром 3-7 мм, для меньших аналогов – 0,03-2,5 мм проволоку. К преимуществам проволоки перед лентой относят меньшую стоимость и простоту изготовления нагревательных элементов. Так, спиральные детали создают путем станковой навивки. К тому же проволочную спираль, благодаря компактности и высокой пластичности, можно разместить в оборудовании различными способами: на сводах и стенках зигзагами и лабиринтом, подвесить на керамических изоляторах, навить на трубчатое основание. Второй способ применяют на низкотемпературных печах, а третий считают наиболее эффективным. Вследствие больших трудоемкости и затратности создания нагревательных элементов из ленты обычно ее применяют в основном в специфических случаях. В любом случае константановые нагревательные элементы близки по параметрам эффективности, независимо от формы.

Влияние постоянных примесей на свойства стали

Постоянными примесями сталей считают марганец, кремний, фосфор, серу, а также газы (водород, азот, кислород).

Обычно содержание этих элементов ограничивается следующими верхними пределами, %: 0,8 Мn; 0,5 Si; 0,05 Р; 0,05 S.

При большем содержании их сталь следует отнести к сорту легированных, когда эти элементы введены специально (отсюда и название легированные стали или специальные стали).

Марганец.

Этот элемент вводят в любую сталь для раскисления. Марганец заметно влияет на свойства стали, повышая прочность в горячекатаных изделиях, изменяя и некоторые другие свойства.

Кремний.

Влияние начальных присадок кремнияаналогично влиянию марганца.

Фосфор

вызываетхладноломкость стали (т.е. повышает температур перехода в хрупкое состояние). Таким образом, фосфор является вредным элементом. Следует отметить, что в отдельных случаях фосфор желательный

элемент, так как он, создавая хрупкость, облегчает обрабатываемость стали режущим элементом, а в присутствии меди повышает сопротивление коррозии.

Сера.

Как и фосфор, сера попадает в металл из руд, атакже из печных газов — продукт горения топлива (SO2). Сера вызывает такое явление, каккрасноломкость (т.е. процесс охрупчивания при высоких температурах).«Газы».

Водород, азот и кислород содержатся в стали в небольших количествах, зависящих от способа производства.

Водород, азот, кислород могут присутствовать в следующих формах: находиться в различных несплошностях (газообразном состоянии), находиться в α-твердом растворе; образовывать различные соединения, так называемые неметаллические включения

(нитриды, оксиды).

Наличие большого количества кислорода может привести к чрезвычайно опасным внутренним надрывам в металле (флокенам).

Образованные азотом и кислородом хрупкие неметаллические включения ухудшают свойства металла.

Из сказанного следует, что наличие водорода, азота и кислорода в металле ухудшает его свойства.

Примеси цветных металлов.

Переплавка бытового и машиностроительного лома приводит к загрязнению стали примесями цветных металлов (Сu, Pb, Zn, Sb, Sn и др.). Обычно содержание этих элементов невелико — сотые и даже тысячные доли процента (кроме меди, содержание которой достигает 0,1—0,2%). При таком их количестве влияние их на механические свойства практически не сказывается, однако, тщательно поставленные опыты показывают, что все цветные примеси повышают порог хладноломкости.