Сплавы высокого сопротивления

Наиболее часто сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления:

- резисторов;

- электронагревательных приборов (электроплиток, электрических чайников, паяльников и т.п.);

- термопар.

При этом желательно, чтобы эти материалы были де­шевыми и по возможности не содержали дефицитных компонентов.

Сплавы для резисторов. От сплавов для резисторов, помимо высокого удельного сопротивления ρ, требуются высокая стабильность ρ во вре­мени, малый температурный коэффициент удельного сопротивления ТК_ρ (малая зависимость ρ от температуры) и малый коэффициент термо-ЭДС в паре данного сплава с медью. Наиболее полно этим условиям удовлетворяют два сплава: манганин и константан.

Манганин. Широко применяемый для изготовления образцовых резисторов сплав. Примерный состав его: Сu —85 %, Мn —12 %, Ni — 3 %; название происходит от наличия в нем марганца (латинское manganum). Значение ρ манганина 0,42 - 0,48 мкОм∙м; ТК_ρ весьма мал, (5 - 30)∙10^-6 К^-1; коэффициент термо-ЭДС в паре с медью всего лишь 1 - 2 мкВ/К. Манганин может вытягиваться в тонкую (диаметром до 0,02 мм) проволоку; часто манганиновая проволока выпускается с эмалевой изоляцией. Для обеспечения малого значения ТК_ρ и стабильности ρ во времени манга­ниновая проволока подвергается специальной термообработке (отжиг в вакууме при температуре 550 - 600 °С с последующим медленным охлаждением; намотанные катушки иногда дополнительно отжи­гаются при 200 ^оС. Длительно допустимая рабочая тем­пература сплавов манганина не более 200 °С; механические свойства: σ_р = 450 - 600 МПа, D l / l = 15 - 30 %. Плотность манганина 8 400 кг/м³.

Константан - сплав, содержащий около 60 % меди и 40 % никеля; этот состав отвечает минимуму ТК_ρ в системе Сu - Ni при довольно высоком значении ρ. Название «кон­стантан» объясняется значительным постоянством ρ при изменении температуры (ТК_ρ составляет минус (5 - 25)∙10^-6 К^-1 при ρ = 0.48 - 0,52 мкОм∙м). По механическим свойствам константан близок к манганину (σ_р = 400 - 500 МПа, D l / l = 20 - 40 %). Его плотность 8 900 кг/м³.

Нагревостойкость константана выше, чем манганина: константан можно применять для изготовления реостатов и электронагреватель­ных элементов, длительно работающих при температуре 450 °С.

Существенным отличием константана от манганина является высо­кая термо-ЭДС в паре с медью: его коэффициент термо-ЭДС 45 - 55 мкВ/К. Это является недостатком при использовании константановых резисторов в измерительных схемах: при наличии разности температур в местах контакта константановых проводников с мед­ными возникают термоэлектродвижущие силы, которые могут явиться источником ошибок, особенно при мостовых и потенциометрических методах измерений.

Широкому применению константана препятствует также большое со­держание в его составе дорогого и дефицитного никеля.

Сплавы для электронагревательных приборов. Основное требование, применяемое к таким материалам – высокая нагревостойкость, т.е. способность длительно работать при повышенных температурах не окисляясь кислородом воздуха. Для выполнения этого условия в них вводят достаточно большое количество металлов, имеющих высокое значение объемного коэффициента оксидации и образующих при нагреве на воздухе практически сплошную оксидную пленку. Такими металлами являются никель, хром и алюминий. Что касается железа, то оно имеет объемный коэффициент оксидации меньше единицы и потому при нагреве легко окисляется; чем больше содержание железа в сплаве, например, с Ni и Сr, тем менее нагревостоек этот сплав.

Сплавы системы Fe - Ni - Сr называются нихромами или (при повышенном содержании Fe) ферронихромами; сплавы системы Fe - Сr - Al называются фехралями и хромалями.

Помимо скорости окисления того или иного чистого металла или компонента сплава большое влияние на срок жизни нагревательного элемента, работающего на воздухе, оказывают свойства образу­ющегося оксида. Если он летуч, то он удаляется с поверхности ме­талла и не может защитить оставшийся металл от дальнейшего окис­ления. Так, оксиды вольфрама и молибдена легко улетучиваются, а потому эти металлы не могут работать в накаленном состоянии при доступе кислорода.

Стойкость хромо-никелевых сплавов при высокой температуре в воздушной среде объясняется близкими значениями температурных коэффициентов линейного расширения этих сплавов и их оксидных пленок. Поэтому растрескивание оксидных пленок имеет место только при резких сменах температуры; тогда при последующих нагревах кислород воздуха будет проникать в образовавшиеся трещины и производить дальнейшее окисление сплава. Поэтому при многократном кратковременном включении электронагрева­тельного элемента из нихрома он может перегореть значительно скорее, чем при непрерывной работе элемента при той же темпе­ратуре.

Срок жизни элементов из нихрома и других нагревостойких сплавов существенно укорачивается также при наличии колебаний сечения проволоки: в местах с уменьшенным сечением («шейки») нагревательные элементы перегреваются и легче перегорают.

Длительность работы электронагревательных элементов из ни­хрома и аналогичных сплавов может быть во много раз увеличена при исключении доступа кислорода к поверхности проволоки. В труб­чатых нагревательных элементах спираль из сплава высокого со­противления проходит по оси трубки из стойкого к окислению металла; промежуток между проволокой и трубкой заполняется порошком диэлектрика с высокой теплопроводностью (например, магнезией MgO). При дополнительной протяжке такой трубки ее внешний диаметр уменьшается, магнезия уплотняется и образует механически прочную изоляцию внутреннего проводника. Такие нагревательные элементы применяются, например, в электрических кипятильниках, где они могут работать весьма длительно без повре­ждений.

Нихромы весьма технологичны, их можно легко протягивать в срав­нительно тонкую проволоку или ленту, они имеют высокую рабочую температуру. Однако, как и в константане, в этих сплавах велико содержание дорогого и дефицитного компонента - никеля.

Хромо-алюминиевые сплавы (фехраль, хромаль) намного де­шевле нихромов, так как хром и алюминий сравнительно дешевы и легко доступны. Однако эти сплавы менее технологичны, более тверды и хрупки, из них могут быть получены проволоки и ленты лишь большего поперечного сечения, чем из нихромов. Поэтому эти сплавы в основном используются в электротермической технике для электронагревательных устройств большой мощности и промышлен­ных электрических печей.

 

C плавы для термопар.

Для изготовления термопар применяются следующие сплавы: копель (56% Cu и 44% Ni), алюмель (95% Ni, остальное Al, Si и Mg), хромель (90% Ni и 10% Cr), платинородий (90% Pt и 10% Rh).

Термопары могут применяться для измерения следующих температур: платинородий - платина - до 1600 °С, хромель - копель - до 600 °С, хромель - алюмель - до 1100 °С.

Сверхпроводники

В 1911 г. голландский ученый Хейке Каммерлинг-Оннес обнаружил, что сопротивление кольца из замороженной ртути охлажденного до температуры кипения гелия (4,2 K) внезапно падает практически до нуля. Это исчезновение электрического сопротивления, то есть появление бесконечной удельной проводимости материала, было названо сверхпроводимостью. Температура, при которой совершается переход вещества в сверхпроводящее состояние, называют температурой сверхпроводящего перехода Т _с.

Явление сверхпроводимости можно объяснить уменьшением амплитуды тепловых колебаний узлов кристаллической решетки при снижении температуры. Вследствие этого уменьшается вероятность столкновения дрейфующих под действием электрического поля электронов с ионами решётки и величина сопротивления проводника уменьшается.

В 1933 г. немецкие фи­зики В. Майснер и Р. Оксенфельд сделали новое фундаментальное откры­тие: они обнаружили, что сверхпроводники при пе­реходе из нормального в сверхпроводящее со­стояние становятся идеальными диамагнетиками. Поэтому внешнее магнит­ное поле не может проникать в сверхпроводящее тело (рис. 6.7), что заставляет сверхпроводящее тело висеть над поверхностью маг­нита (эффект Майснера).

 

                                               а)                                       б)

 

Рис. 6.7 Эффект Майснера: а — охлаждаемый шар из сверхпроводника в нормальном состоянии, помещенный в равномер­ное магнитное поле В; б — при переходе материа­ла шара из нормального состояния в сверхпро­водящее магнитное поле выталкивается из шара

 

Первоначальные попытки изготовить практи­чески пригодный сверхпроводниковый электромагнит, создающий в окружающем пространстве магнитное поле с достаточно высокими напряженностью Н и магнитной индукцией В, закончились неуда­чей. Оказалось, что сверхпроводимость нарушается не только при повышении температуры до значений, превышающих Т_с, но и при возникновении на поверхности сверхпроводника магнитного поля с магнитной индукцией, превышающей индукцию перехода В_с (в первом приближении, по крайней мере верно для чистых сверхпроводни­ковых металлов, безразлично, создается ли индукция В_с током, идущим по самому сверхпроводнику, или же сторонним источником магнитного поля). Это поясняется диаграммой состояния сверх­проводника, изображенной на рис. 6.8. Каждому значению тем­пературы Т данного материала, находящегося в сверхпроводящем состоянии, соответствует свое значение индукции перехода В_с. Наибольшая возможная температура перехода Т_с0 (критическая температура) при ничтожно малой магнитной индукции, т. е. для сверхпроводни­кового электромагнита - при весьма малой силе тока, идущего через обмотку этого электромагнита. Соответственно и наибольшее возможное значение В_с0 магнитной индукции перехода (критическая магнитная индукция) соответствует температуре сверхпроводника, ничтожно отличающейся от нуля Кельвина. Заштрихованная об­ласть 0PQ на рис. 6.8 соответствует сверхпроводящему состоянию, а незаштрихованная область вне кривой PQ — нормальному состоя­нию материала.

 

 

Рис. 6.8 Общий вид диаграммы состояния сверхпроводника

 

Все известные в настоящий момент сверхпроводники можно условно разделить на следующие группы (см. рис. 6.9):

- низкотемпературные сверхпроводники (НТСП) с температурой сверхпроводящего перехода Т _с лежащей в области температур жидкого гелия (4,2 К) - NbTi, Nb₃Sn;

- промежу­точные сверхпроводники (MgB₂, pniktides - совсем недавно открытые арсениды железа) Т _с которых лежит в области температур жидкого водорода (20 К);

- высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) с Т _с лежащей в области температур жидкого азота (77К) - Bi-2223, Bi-2212; ReBCO.

Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) бывают двух типов (см. рис. 6.10): ВТСП первого поколения (технология порошок в трубе) и ВТСП второго поколения (длинномерные пленки).

ВТСП первого поколения срав­нительно просты в изготовлении и имеют достаточно высокие критические параме­тры Т _с0 и В _с0. Но в силу ряда технологических тре­бований их матрица (заполнение, в котором размещается сверхпроводящий порошок) должна выполняться только из серебра или его сплавов, причём доля серебра в сечении составляет поряд­ка 50-70%. Естественно, такой сверхпроводник нельзя сделать достаточно дешёвым, на­пример, в сравнении с медью. Стоимость их в удельных единицах составляет примерно 100-150 долл. за 1 кА∙м. Поэтому их производство свёрнуто практически во всём мире в пользу ВТСП вто­рого поколения, которые считаются более перспективными. Однако компания Сумитомо Электрик в Японии продолжает про­изводить сверхпроводник первого поколе­ния на основе висмутовой системы Bi-2223, который пока по многим параметрам, в том числе и по цене, превосходит современные ВТСП второго поколения.

В ВТСП второго поколения стоимость материала сравнительно невелика, но технология в настоящее время настоль­ко сложна, что их цена пока в три-пять раз превышает стоимость ВТСП первого поко­ления. Разумеется, при увеличении мас­штабов производства стоимость таких про­водников должна значительно снизиться и достичь уровня 10-20 долл. за 1 кА∙м, что сравнимо со стоимостью меди.

В настоящее время единственное ком­мерчески успешное применение низкотемпературной сверхпро­водимости - производство медицинских магнитно-резонансных томографов - сканнеров (МРТ). Первые томографы были со­зданы в конце 70-х гг. прошлого века в ком­пании Oxford Instrument. Стандарт­ными полями в сверхпроводящих МРТ являются поля в 1-1.5 Тл, но уже широ­ко начали производиться МРТ с полями в 3 Тл. Помимо стандартных томографов ши­рокого профиля идут разработки специ­альных МРТ с высокими магнитными по­лями (до 11 Тл) для исследования про­цессов в человеческом мозге в реальном времени.

Так-же можно вспомнить про сверхпроводящие магниты для исследований в биологии методом маг­нитно-резонансной спектроскопии. В этом случае требуются постоянные, высокоод­нородные и стабильные магнитные поля порядка 20 Тл и выше. Компания Брукер (Германия) создала на основе низкотемпературных сверхпроводников рекордный сверхпроводящий магнит с полем в 23.3 Тл для ЯМР-спектрометра. Однако рынок таких устройств невелик.

 

 

 

Рис. 6.9 История открытия сверхпроводников и их условное разделение

 

Рис. 6.10 Современные высокотемпературные сверхпроводники:   а) – первого поколения Bi2Sr2Ca2Cu3O10 (Bi-2223) или Bi2Sr2CaCu2Os (Bi-2212); T c ~ 90-110 К; I c = 80-200 A (4 x 0.4 мм2) при 77 К, B = 0 Тл;   б) – второго поколения ReBCO - ReBa2Cu3Oy, где Re: (Y, Sm, Gd, Dy, Eu); T c = 92 K; I c = 80-200 A (4 x 0.1 мм2) при 77 К, B = 0 Тл.

 

Наиболее впечатляющими достижения­ми крупномасштабного применения сверхпроводимости являются так называемые «мегапроекты». Чаще всего целью мегапроектов явля­лось создание мощных ускорителей эле­ментарных частиц для физики высоких энергий и детекторов для них. Cамым крупным из них является Большой Адронный Коллайдер (БАК) в Европейском центре ядер­ных исследований. Для удержания, коррекции и фокусиров­ки протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Магниты ра­ботают при температуре 1.9 K.

И, наконец, использование сверхпрово­дящих низкотемпературных магнитов по­зволит впервые осуществить управляемую термоядерную реакцию в устройстве типа Токамак, при этом потребляемая устрой­ством энергия будет меньше получаемой в результате управляемого термоядерно­го синтеза. В мире уже было построено несколько токамаков с использованием сверхпроводящих магнитов: первый в мире сверхпроводящий токамак Т-7 в Курчатов­ском институте и там же токамак Т-15, французский токамак ТорСупра и другие. Они позволили отработать технологии сверхпроводящих катушек для токамаков и привели к организации крупнейшего меж­дународного проекта экспериментального термоядерного реактора ИТЭР, в котором Россия принимает активнейшее участие. В магнитной системе ИТЭР ис­пользуется около 600 т сверхпроводни­ка Nb₃Sn и примерно столько же NbTi.

Следует, однако, отметить, что возмож­ности низкотемпературных сверхпровод­ников для повышения магнитных полей исчерпаны полностью. Дальнейшее увели­чение магнитного поля, получаемого с по­мощью сверхпроводимости, может быть достигнуто только за счёт высокотемпе­ратурных сверхпроводников охлажденных до температуры жидкого гелия.

Использование сверхпроводимости в электроэнергетике также является перспективным направлением. Прежде всего речь идет о ВТСП кабелях позволяющих в разы увеличить передаваемую мощность (плотность тока в обычных кабелях 1-2 А/мм², в ВТСП кабелях она может составлять 50-100 А/мм²) и отказаться от преобразовательных подстанций (не надо повышать напряжение у генератора и понижать у потребителя).

Кроме того активно разрабатываются ВТСП устройства, ограничивающие токи короткого замыкания до допустимого уровня (сверхпроводящие ограничители токов).

Еще одним направлением являются НТСП накопители энергии, позволяющие сглаживать утренние и вечерние максимумы мощности.

На основе эффекта Майснера созданы несколько транспортных систем, использующую маг нитную лев итацию (маглев) для минимизации трения и достижения высоких скоростей. Максимальная скорость маглева была зафиксирована в Японии в 2003 и составила 581 км/ч. На начало 2017 года единственным в мире поездом на магнитной подушке, находящимся в коммерческой эксплуатации, является шанхайский маглев.