Молниезащита
Справочные данные
Статьи / Справочные данные / Электрические свойства металлов и их сплавов
  17.09.18  |  

Электрические свойства металлов и их сплавов

Материал из справочника: Корякин-Черняк С.Л., Шустов М.А., Партала О.Н. "Электротехнический справочник"

2.1. Электрические свойства металлов и их сплавов


Проводниками электрического тока могут быть твердые тела, жидкости и даже газы. Твердыми проводниками являются металлы, металлические сплавы и некоторые модификации углерода. К жидким проводникам относят расплавленные металлы и электролиты. Как правило, температура плавления металлов высока, за исключением ртути, у которой она составляет −39 °С. Температуру плавления, близкую к комнатной температуре (29,8 °С), имеет галлий. Другие металлы являются жидкими проводниками лишь при повышенных или высоких температурах. Механизм прохождения тока по металлам в твердом и жидком состояниях обусловлен движением свободных электронов, вследствие чего их называют проводниками с электронной электропроводностью.





К основным характеристикам проводников относят их удельное электрическое сопротивление и температурный коэффициент сопротивления.


Удельное электрическое сопротивление проводника — сопротивление провода длиной 1 м при площади поперечного сечения 1 мм2 и температуре 20 °С.


Температурный коэффициент сопротивления — коэффициент, равный относительному изменению сопротивления при изменении температуры на 1 градус.


2.2. Черные металлы


При изготовлении и ремонте электрического оборудования широко используют черные и цветные металлы и различные сплавы. Черные металлы (чугун, сталь) применяют как конструкционные материалы для станин электрических машин, баков, кожухов трансформаторов, оснований, цоколей, электрических аппаратов и других узлов и деталей.


Специальные электротехнические стали необходимы для изготовления магнитопроводов, трансформаторов и сердечников электрических машин и аппаратов. Промышленность выпускает ряд марок листовой электротехнической стали, различающихся магнитными и электрическими свойствами. Свойства стали можно менять за счет изменения содержания основного легирующего элемента — кремния, а также применением специальных технологических приемов.


Обычно сталь с низким содержанием кремния имеет меньшую магнитную проницаемость и большие удельные потери. Но она отличается большей величиной магнитного насыщения.


Стали с низким содержанием кремния выгодно применять для работы на постоянном токе и переменном токе низкой частоты при высоких значениях индукции.


Стали с высоким содержанием кремния применяются в тех случаях, когда важно иметь малые потери гистерезиса и вихревых токов или высокую магнитную проницаемость в слабых и средних полях.


Параметры тонкой электротехнической стали приведены в табл. 2.1.


Таблица 2.1 Свойства тонкой электротехнической стали


Марка

Толщина, мм

Магнитная индукция, кГс, при напряженности магнитного поля, а/см, не менее

полные удельные потери, вт/кг, не более

Назначение

25

50

100

300

10/50

15/30

Э-11

1

15,3

16,3

17,6

20,0

5,8

13,4

Сердечники полюсов и статорных пакетов для электрических машин малой мощности

Э-11

0,5

15,3

16,4

17,6

20,0

3,3

7,7

Э-12

0,5

15,0

16,2

17,5

19,8

3,2

7,5

Э-21

0,5

14,8

15,9

17,3

19,5

2,5

6,1

Якоря электродвигателей постоянного тока

Э-31

0,5

14,6

15,7

17,2

19,4

2,0

4,4

Турбо-гидрогенераторы малой мощности, крупные многополюсные и быстроходные электродвигатели

Э-31

0,35

14,6

15,7

17,1

19,2

1,6

3,6





Примечание. Полные удельные потери приведены для максимальных значений индукции 10 и 15 кГс и частоте 50 Гц.


Широкое распространение в технике получили холоднокатаные текстурованные стали, обладающие в направлении проката более высокой проницаемостью в слабых полях и более низкими потерями по сравнению с обычными горячекатаными сталями.


Листовые электротехнические стали очень чувствительны к деформации. Резка, штамповка и другие технологические операции значительно ухудшают магнитные свойства стали вблизи мест наклепа. Поэтому изделия с небольшой шириной пластин (меньше 30–40 мм) должны после штамповки или резки отжигаться в неокисляющей среде (или, по крайней мере, без доступа воздуха) по режиму: отжиг 2 часа при 750–800 °С с последующим медленным охлаждением (50–60 °С/ч) до 400 °С.



2.3. Сплавы, используемые в магнитопроводах


Сплавы высокой магнитной проницаемости, или пермаллои, обладают магнитной проницаемостью в 10–100 раз более высокой, чем листовая электротехническая сталь. Эти сплавы намагничиваются до насыщения в малых магнитных полях.


В результате деформации магнитные свойства этих сплавов могут ухудшаться в десятки раз. Поэтому пермаллои обычно поставляются заказчику в виде лент непосредственно после холодной прокатки. После изготовления деталей они должны быть подвергнуты отжигу, в результате которого могут быть получены требуемые магнитные свойства.





Материалы магнитопроводов рассмотрены в табл. 2.2.


Таблица 2.2 Материалы магнитопроводов, из свойства и области использования


Марка

Основные свойства

Назначение

45Н

50Н

Сплавы с повышенной магнитной проницаемостью, обладающие высоким значением индукции насыщения

Сердечники силовых трансформаторов, дросселей, реле и деталей магнитных цепей, работающих при повышенных значениях индукции без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием

50НП

65НП

34НКМП

Сплавы с повышенной магнитной проницаемостью, обладающие прямоугольной петлей гистерезиса

Сердечники магнитных усилителей, коммутирующих дросселей, выпрямительных установок, элементов вычислительных и счетно-решающих машин и т. д.

50НХС

Сплав с повышенной магнитной проницаемостью и высоким удельным электрическим сопротивлением

Сердечники импульсных трансформаторов и аппаратуры связи звуковых и высоких частот, работающие без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием

79НМ

80НХС

76НХД

Сплавы с высокой магнитной проницаемостью в слабых полях

Сердечники малогабаритных трансформаторов, дросселей, реле, магнитные экраны толщиной 0,02 мм, сердечники импульсных трансформаторов, магнитных усилителей и бесконтактных реле


2.4. Металлопрокат


Параметры стали угловой равнополочной приведены в табл. 2.3.


Таблица 2.3 Сталь угловая равнополочная


номер профиля

Ширина полки, мм

Масса 1 м длины профиля, кг, при толщине полки, мм

3

4

5

6

7

8

2,0

20

0,89

1,15

2,5

25

1,12

1,46

2,8

28

1,27

3,2

32

1,46

1,91

3,6

36

1,65

2,16

4,0

40

1,85

2,42

2,98





 


номер профиля

Ширина полки, мм

Масса 1 м длины профиля, кг, при толщине полки, мм

3

4

5

6

7

8

4,5

45

2,08

2,73

3,37

5,0

50

2,32

3,05

3,77

5,6

56

3,44

4,25

6,0

60

4,58

6,3

63

3,90

4,81

5,72

7,0

70

5,38

6,39

7,39

7,5

75

7,36

8,51

9,65


Параметры стали швеллерной приведены в табл. 2.4.


Таблица 2.4 Сталь швеллерная


номер швеллера

размеры, мм

Масса 1 м, кг

высота швеллера

Ширина полки

толщина стенки

толщина полки

5

50

32

4,4

7,0

4,84

6,5

65

36

4,4

7,2

5,90

8

80

40

4,5

7,4

7,05

10

100

46

4,5

7,6

8,59

12

120

52

4,8

7,8

10,40

14

140

58

4,9

8,1

12,30

14а

140

62

4,9

8,7

13,30

16

160

64

5,0

8,4

14,20

16а

160

68

5,0

9,0

15,30

18

180

70

5,1

8,7

16,30

18а

180

74

5,1

9,3

17,40

20

200

76

5,2

9,0

18,40


Параметры стали листовой тонкой приведены в табл. 2.5.


Таблица 2.5 Сталь листовая тонкая


стандартные размеры

толщина листа, мм

1,0

1,5

2,0

3,0

Ширина листа, мм

710–1100

710–1250

710–1250

710–1400

Строительная длина, м

1,42–2

1,42–2,5

1,42–2,5

1,42–2,8

Вес 1 м2, кг

8

12

16

24



Параметры стальной полосы приведены в табл. 2.6.

Таблица 2.6 Полоса стальная


стандартные размеры

толщина листа, мм

4

5

4

5

4

5

4

5

Ширина, мм

25

25

30

30

35

35

40

40

Вес 1 м2, кг

0,785

0,98

0,94

1,18

1,10

1,37

1,25

1,57






Параметры стальной ленты приведены в табл. 2.7.

Таблица 2.7 Лента стальная


стандартные размеры

холоднокатаная

Горячекатаная

Толщина, мм

1

1

1

1,5

1,5

2

1,5

2

2

3

2

3

Ширина, мм

10

15

20

20

25

25

30

30

35

35

40

40

Вес, кг

0,08

0,12

0,16

0,24

0,29

0,39

0,35

0,47

0,55

0,82

0,68

0,94


Параметры стальной проволоки приведены в табл. 2.8.


Таблица 2.8 Проволока стальная


стандартные размеры

диаметр проволоки, мм

0,7

1,0

1,4

3

4

5

6

Площадь сечения, мм2

0,385

0,785

1,540

7,068

12,656

19,635

28,276

Вес 1 м, кг

0,003

0,006

0,012

0,055

0,098

0,154

0,222


Параметры стали листовой горячекатаной приведены в табл. 2.9.


Таблица 2.9 Сталь листовая горячекатаная


толщина листа, мм

длина листа при ширине, мм

600

650

700

800

900

1000

1250

1400

0,5

1200

1400

1420

1

2000

2000

1420

1600

1800

2000

2

2000

4

6000


Параметры стальных труб приведены в табл. 2.10.


Таблица 2.10 Трубы стальные


условный проход, мм

резьба, дюйм

водогазопроводные

Электросварные прямошовные

наружный диаметр, мм

легкие

обыкновенные

усиленные

под накатку резьбы

наружный диаметр, мм

толщина стенки, мм

Масса 1 м, кг

толщина стенки, мм

Масса 1м, кг

толщина стенки, мм

Масса 1м, кг

толщина стенки, мм

Масса 1м, кг

наружный диаметр, мм

толщина стенки, мм

Масса 1 м, кг

15

0,5

21,3

2,35

1,10

20

2,5

1,08

20

1,6

0,726

15

0,5

21,3

2,5

1,16

2,8

1,2

3,2

1,4

20

1,8

0,808

20

0,75

26,8

2,35

1,42

26

2,5

1,45

26

1,8

1,07

20

0,75

26,8

2,5

1,50

2,8

1,66

3,2

1,86

26

2,0

1,18

25

1

33,5

2,8

2,12

3,2

2,39

4,0

2,91

32

2,8

2,02

33

2,0

1,53

32

1,25

42,3

2,8

2,12

3,2

3,09

4,0

3,78

41

2,8

2,64

42

2,0

1,97





 


условный проход, мм

резьба, дюйм

водогазопроводные

Электросварные прямошовные

наружный диаметр, мм

легкие

обыкновенные

усиленные

под накатку резьбы

наружный диаметр, мм

толщина стенки, мм

Масса 1 м, кг

толщина стенки, мм

Масса 1м, кг

толщина стенки, мм

Масса 1м, кг

толщина стенки, мм

Масса 1м, кг

наружный диаметр, мм

толщина стенки, мм

Масса 1 м, кг

40

1,5

48,0

3,0

3,33

3,5

3,84

4,0

4,34

47

3,0

3,26

48

2,0

2,27

50

2

60,0

3,0

4,22

3,5

4,88

4,5

6,16

59

3,0

4,14

60

2,5

3,55

65

2,5

75,5

3,2

5,71

4,0

7,05

4,5

7,88

74

3,2

5,59

73

2,5

4,35

80

3

88,5

3,5

7,34

4,0

7,05

4,5

9,32

89

2,5

5,33

90

3,5

101,3

3,5

8,44

4,0

9,6

4,5

10,74

102

2,8

6,85

100

4

114,0

4,0

10,85

4,5

12,5

5,0

13,44

114

2,8

7,68


2.5. Проводниковые материалы


Классификация


К проводниковым материалам в электротехнике относятся металлы, их сплавы, контактные металлокерамические композиции и электротехнический уголь.


Металлические вещества являются проводниками первого рода и характеризуются электронной проводимостью; основной параметр для них — удельное электрическое сопротивление в функции температуры.


Диапазон удельных сопротивлений металлических проводников составляет от 0,016 мкОм·м для серебра до 1,6 мкОм·м для жаростойких железохромоалюминиевых сплавов.


По роду применения проводниковые материалы подразделяются на группы:


- проводники с высокой проводимостью — металлы для проводов линий электропередач и для изготовления кабелей, обмоточных и монтажных проводов для обмоток трансформаторов, электрических машин, аппаратуры, катушек индуктивности и пр.;


- конструкционные материалы — бронзы, латуни, алюминиевые сплавы и т. д., применяемые для изготовления различных токоведущих частей;


- сплавы высокого сопротивления — предназначаемые для изготовления дополнительных сопротивлений к измерительным приборам, образцовых сопротивлений и магазинов сопротивлений, реостатов и элементов нагревательных приборов, а также сплавы для термопар, компенсационных проводов и т. п.;


- контактные материалы — применяемые для пар неразъемных, разрывных и скользящих контактов;


- материалы для пайки всех видов проводниковых материалов. Кроме чисто электротехнических свойств, для проведения необходимой технологической обработки и обеспечения заданных сроков службы в эксплуатации проводниковые материалы должны обладать достаточной нагревостойкостью, механической прочностью и пластичностью.


Медь


Чистая медь по электрической проводимости занимает второе место после серебра, обладающего из всех известных проводников наивысшей проводимостью. Высокая проводимость и стойкость к атмосферной коррозии в сочетании с высокой пластичностью делают медь основным материалом для проводов.


На воздухе медные провода окисляются медленно, покрываясь тонким слоем СuO, препятствующим дальнейшему окислению меди. Коррозию меди вызывают SО2, Н2S, NН3, NO, пары HNO3 и другие реактивы.


Проводниковую медь получают из слитков путем гальванической очистки в электролитических ваннах. Примеси даже в ничтожных количествах резко cнижают электропроводность меди, поэтому в качестве электротехнической меди применяют лишь две ее марки: М0 и М1.


Почти все изделия из проводниковой меди изготавливают путем проката, прессования и волочения. Так, волочением могут быть изготовлены провода диаметром до 0,005 мм, ленты толщиной до 0,1 мм и медная фольга толщиной до 0,008 мм.


Проводниковая медь применяется как в отожженном после холодной обработки виде (мягкая медь марки ММ), так и без отжига (твердая медь марки МТ).


При температурах термообработки выше 900 °С вследствие интенсивного роста зерна механические свойства меди резко ухудшаются.


В целях повышения предела ползучести и термической устойчивости медь легируют серебром в пределах 0,07–0,15 %, а также магнием, кадмием, цирконием, другими элементами.


Медь с присадкой серебра применяется для обмоток быстроходных и нагревостойких машин большой мощности, а медь, легированная различными элементами, используется в коллекторах и контактных кольцах сильно нагруженных машин.



Латуни


Сплавы меди с цинком (от 5 до 45 %), называемые латунями, широко используются в электротехнике. Латуни, содержащие до 39 % цинка, имеют однофазную структуру твердого раствора, обладают наибольшей пластичностью. Из них изготавливают детали горячей или холодной прокаткой и волочением: листы, ленты, проволоку. Без нагрева из листовой латуни методом глубокой вытяжки и штамповкой можно изготовить детали сложной конфигурации.


Латуни с содержанием цинка свыше 39 % называют α+β-латунями или


двухфазными и применяют, главным образом, для фасонных отливок.


Двухфазные латуни являются более твердыми и хрупкими и обрабатываются давлением только в горячем состоянии.


Присадка к латуням олова, никеля и марганца повышает механические свойства и антикоррозионную устойчивость, а добавки алюминия в композиции с железом, никелем и марганцем сообщают латуням, кроме улучшения механических свойств и коррозионной стойкости, высокую твердость. Однако присутствие в латунях алюминия затрудняет пайку, а проведение пайки мягкими припоями становится практически невозможным.


Особенности:

- латуни марок Л68 и Л63 вследствие высокой пластичности хорошо штампуются и допускают гибку, легко паяются всеми видами припоев. В электромашиностроении широко используются для различных токоведущих частей;


- латуни марок ЛС59-1 и ЛМЦ58-2 применяются для изготовления роторных (беличьих) клеток электрических двигателей и для токоведущих деталей, изготовленных резанием и штамповкой в горячем состоянии; хорошо паяются различными припоями;


- латунь ЛА67-2,5 пригодна для литых токоведущих деталей повышенной механической прочности и твердости, не требующих пайки мягкими припоями;


- латуни ЛК80-ЗЛ и ЛС59-1Л широко используется для литых токоведущих деталей электрической аппаратуры, для щеткодержателей и для заливки роторов асинхронных двигателей. Хорошо воспринимают пайку различными припоями.


Бронзы


Бронзы относятся к двойным или многокомпонентным сплавам на основе меди, где основным легирующим компонентом является Sn, Be, Mn, Al и т. п. Необходимость легирования вызвана недостаточной механической прочностью и термической устойчивостью чистой меди.



Общая номенклатура бронз весьма обширна, но высокой электропроводностью обладают лишь немногие марки бронз:


- кадмиевая бронза относится к наиболее распространенным проводниковым бронзам. Из всех марок кадмиевая бронза обладает наивысшей электрической проводимостью. Вследствие повышенного сопротивления истиранию и более высокой нагревостойкости эта бронза широко применяется для изготовления троллейных проводов и коллекторных пластин;


- бериллиевая бронза относится к сплавам, приобретающим прочность в результате старения. Она обладает высокими упругими свойствами, устойчивыми при нагревании до 250 °С, и электрической проводимостью в 2–2,5 раза большей, чем проводимость других марок бронз общего назначения. Эта бронза нашла широкое применение для изготовления различных пружинных деталей, выполняющих одновременно и роль проводника тока, например токоведущих пружин, отдельных видов щеткодержателей, скользящих контактов в различных приборах, штепсельных разъемов;


- фосфористая бронза обладает высокой прочностью и хорошими пружинными свойствами, из-за малой электропроводности применяется для изготовления пружинных деталей с низкими плотностями тока.


Литые токоведущие детали изготовляются из различных марок машиностроительных литьевых бронз с проводимостью в пределах 8–15 % проводимости чистой меди. Характерной особенностью бронз является малая усадка по сравнению с чугуном и сталью и высокие литейные свойства, поэтому они применяются для отливки различных токоведущих деталей сложной конфигурации, предназначенных для электрических машин и аппаратов.


Все марки литьевых бронз можно подразделить на оловянные и безоловянные.


Алюминий


Характерными свойствами чистого алюминия являются:


- малый удельный вес;


- низкая температура плавления;


- высокая тепловая и электрическая проводимость;


- высокая пластичность;


- очень большая скрытая теплота плавления;


- прочная, хотя и очень тонкая пленка оксида, покрывающая поверхность металла и защищающая его от проникновения кислорода внутрь.



Малая плотность делает алюминий основой легких конструкционных материалов; большая пластичность позволяет применять к алюминию все виды обработки давлением и получать из него листы, прутки, проволоку, трубы, тончайшую фольгу, штампованные детали с глубокой вытяжкой и др.


Хорошая электрическая проводимость обеспечивает широкое применение алюминия в электротехнике. Так как плотность алюминия в 3,3 раза ниже, а удельное сопротивление лишь в 1,7 раза выше, чем у меди, то алюминий на единицу массы имеет вдвое более высокую проводимость, чем медь.


Прочная пленка оксида быстро покрывает свежий срез металла уже при комнатной температуре, обеспечивая алюминию высокую устойчивость против коррозии в атмосферных условиях.


Сернистый газ, сероводород, аммиак и другие газы, находящиеся в воздухе промышленных районов, не оказывают заметного влияния на скорость коррозии алюминия. Действие водяного пара на алюминий также незначительно. В контакте с большинством металлов и сплавов, стоящими выше в ряду электрохимических потенциалов, алюминий служит анодом и, следовательно, коррозия его в электролитах будет прогрессировать.


Чтобы избежать образования гальванопар во влажной атмосфере, место соединения алюминия с другими металлами герметизируется лакировкой или другим способом.


Длительные испытания проводов из алюминия показали, что они в отношении устойчивости против коррозии не уступают медным.


Основные характеристики проводниковых материалов приведены в


табл. 2.11.


Таблица 2.11 Основные характеристики проводниковых материалов


Материал

плотность,

×103 кг/м3

температура плавления,

°с

удельное электрическое сопротивление при 20 °с,

×10–6 ом·м

средний температурный коэффициент сопротивления от 0 до 100 °с, 1/град

примечание

Алюминий

2,7

660

0,026–0,028

4·10-3

Провода, кабели, шины, проводники короткозамкнутых роторов, корпуса и подшипниковые щиты малых электромашин

Бронза

8,3–8,9

885–1050

0,021–0,052

4·10-3

Кадмиевая бронза — контакты, фосфористая — пружины

Латунь

8,4–8,7

900–960

0,03–0,08

2·10-3

Контакты, зажимы

Медь

8,7–8,9

1080

0,0175–0,0182

3·10-3

Провода, кабели, шины

Олово

7,3

232

0,114–0,120

4,4·10-3

Припои для лужения и пайки в сплаве со свинцом



Таблица 2.11 (продолжение)


Материал

плотность,

×103 кг/м3

температура плавления,

°с

удельное электрическое сопротивление при 20 °с,

×10-6 ом·м

средний температурный коэффициент сопротивления от 0 до 100 °с, 1/град

примечание

Свинец

11,34

327

0,217–0,222

3,8·10-3

Защитная обложка кабелей, вставки предохранителей, пластины аккумуляторов, припои в сплаве с оловом для лужения и пайки

Серебро

10,5

960

0,0160–0,0162

3,6·10-3

Контакты электроприборов аппаратов

Сталь

7,8

1400

0,103–0,137

6,2·10-3

Шины заземления


Сопротивление металлов и сплавов по сравнению с медью приведено в табл. 2.12.



Таблица 2.12 Сопротивление металлов и сплавов по сравнению с медью, отн. ед., при 20 °С



Металл / сплав

Сопротивление по сравнению с медью

Олово

8,5

Сталь

12

Свинец

13

Нейзильбер

17

Никелин

25

Манганин

26

Реотан

28

Константан

29

Чугун

30

Ртуть

60

Нихром

60

Уголь

15000


 


Металл / сплав

Сопротивление по сравнению с медью

Серебро

0,9

Медь

1,0

Хром

1,6

Алюминий

1,67

Магний

2,8

Молибден

2,9

Вольфрам

3,6

Цинк

3,7

Латунь

4,5

Платина

5,5

Кобальт

6,0

Никель

6,5

Железо

7,7



Температурная зависимость электрического сопротивления медных проводов приведена в табл. 2.13.


Таблица 2.13 Изменение электрического сопротивления медных проводов от температуры (сопротивление при 15 °С принято за единицу)


Температура,

°с (десятки)

Температура, °с (единицы)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

0,940

0,944

0,948

0,952

0,956

0,960

0,964

0,968

0,972

0,976

10

0,980

0,984

0,988

0,992

0,996

1,000

1,004

1,008

1,012

1,016

20

1,020

1,024

1,028

1,032

1,036

1,040

1,044

1,048

1,052

1,056

30

1,060

1,064

1,068

1,072

1,076

1,080

1,084

1,088

1,092

1,096

40

1,100

1,104

1,108

1,112

1,116

1,120

1,124

1,128

1,132

1,136

50

1,140

1,144

1,148

1,152

1,156

1,160

1,164

1,168

1,172

1,176

60

1,180

1,184

1,188

1,192

1,196

1,200

1,204

1,208

1,212

1,216


 


Температура,

°с (десятки)

Температура, °с (единицы)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

70

1,220

1,224

1,228

1,232

1,236

1,240

1,244

1,248

1,252

1,256

80

1,260

1,264

1,268

1,272

1,276

1,280

1,284

1,288

1,292

1,296

90

1,300

1,304

1,308

1,312

1,316

1,320

1,324

1,328

1,332

1,336

100

1,340

1,344

1,348

1,352

1,356

1,360

1,364

1,368

1,372

1,376


Примечание. Таблица служит для пересчета сопротивлений при изменении температуры.


Например, для определения изменения сопротивления при температуре 44 °С надо по вертикали взять температуру 40 °С и по горизонтали поправку на 4 °С: получается изменение сопротивления в 1,116 раза.


2.6. Сплавы для катушек сопротивлений и измерительных приборов


Основным и лучшим представителем этих сплавов является медномарганцевый сплав — манганин — термостабильный сплав на основе меди (около 85 %) с добавкой марганца (11,5–13,5 %) и никеля (2,5–3,5 %). Характеризуется чрезвычайно малым изменением электрического сопротивления в области комнатных температур.


Манганин отличается высоким удельным сопротивлением при малом температурном коэффициенте сопротивления, низкой термоЭДС в паре с медью, высокой стабильностью сопротивления во времени, высокой пластичностью и сопротивлением коррозии. Применяется для изготовления точных образцовых сопротивлений.


В целях сохранения постоянства свойств сопротивлений их рабочая температура не должна превышать 60 °С. Для стабильности свойств манганина во времени он подвергается специальной низкотемпературной термической обработке с последующим длительным вылеживанием при комнатной температуре; изготавливается манганин в виде проволоки и ленты.


Менее прецизионным сплавом, чем манганин, является медно- никелевый сплавконстантан, который характеризуется очень малым температурным коэффициентом сопротивления, устойчивостью против коррозии, удовлетворительной жаростойкостью и высокими механическими свойствами.


Недостатком константана при применении его для изготовления образцовых сопротивлений является высокая термоЭДС в паре с медью, в связи с чем он нашел широкое применение при изготовлении термопар для измерения температур до 900 °С.



Для изготовления реостатов и других электротехнических приборов иногда применяют сплав, содержащий медь, никель и цинк — нейзильбер. Этот сплав дешевле, чем константан, однако проволока из нейзильбера вследствие содержания цинка после нагревания ее до 200–250 °С становится хрупкой.


2.7. Жаростойкие сплавы для нагревательных приборов


Жаростойкие сплавы помимо высокого удельного сопротивления и малого температурного коэффициента сопротивления должны обладать высоким пределом рабочей температуры, хорошо обрабатываться и быть достаточно механически прочными во всем диапазоне рабочих температур. В настоящее время выпускаются окалиностойкие деформируемые жаростойкие сплавы девяти различных марок, которые можно подразделить на сплавы на основе хрома и никеля, называемые нихромами, и на жаростойкие сплавы на основе хрома.


Свойства и назначение жаростойких сплавов высокого омического сопротивления приведены в табл. 2.14.


Свойства и назначение жаростойких сплавов


высокого омического сопротивления Таблица 2.14


Марка сплава

размер: диаметр или толщина, мм

удельное электрическое сопротивление при 20 °с, мком / м

рабочая температура нагревательного элемента, °с

характеристика окалиностойкости и жаростойкости

преимущественные области применения

предельная

оптимальная

Х25Н20

Все размеры

0,83–0,96

1000

900

Окалиностойки в окислительной атмосфере,

водороде, вакууме.

Неустойчивы в атмосфере, содержащей

серу и сернистые соединения, более жаропрочные,

чем алюминиевые сплавы

Проволока для промышленных, лабораторных печей и бытовых приборов

Х15Н60

0,1–0,5

1,06–1,16

1000

950

Проволока и ленты для промышленных

и лабораторных печей, электрических аппаратов теплового действия, реостатов и бытовых приборов

Х15Н60Н

0,51

1,07–1,17

1100

950

Х20Н80

0,1–0,5

0,51–3

1,03–1,13

1,04–1,14

1100

1050

Проволока и ленты для промышленных

и лабораторных печей, электрических аппаратов теплового действия, реостатов, сопротивлений; микропроволока для бытовых приборов


 



Марка сплава

размер: диаметр или толщина, мм

удельное электрическое сопротивление при 20 °с, мком / м

рабочая температура нагревательного элемента, °с

характеристика окалиностойкости и жаростойкости

преимущественные области применения

предельная

оптимальная

Х20Н80Н

3,1–10,0

1,06–1,16

1200

1050

Окалиностойки в окислительной атмосфере и

в атмосфере, содержащей серу и сернистые соединения.

Склонны к провисанию при высоких температурах

Х13Ю4

0,2–10,0

1,18–1,34

1000

900

Проволока и ленты для реостатов, нагревательных элементов бытовых приборов, аппаратов

ОХ23Ю5

0,2–10,0

1,29–1,45

1200

1150

Проволока и ленты для промышленных

и лабораторных печей, бытовых приборов, аппаратов, реостатов и свечей зажигания

ОX23НЮА

0,2–10,0

1,3–1,4

1200

1175

То же, но с большим сроком службы

ОХ27НЮА

0,2–10,0

1,37–1,47

1300

1250

Проволока и ленты для высокотемпературных промышленных и лабораторных печей


Поправочные коэффициенты для расчета электрического сопротивления жаростойких сплавов в зависимости от температуры приведены в табл. 2.15.


Таблица 2.15 Поправочные коэффициенты для расчета электрического сопротивления жаростойких сплавов в зависимости от температуры


Марка сплава

Температура нагрева, °с

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

Х15Н60 Х15Н60Н

1,013

1,029

1,046

1,062

1,074

1,083

1,083

1,089

1,097

1,105

Х20Н80 Х20Н80Н

1,006

1,016

1,024

1,031

1,035

1,025

1,019

1,017

1,021

1,028

1,038

Х13Н14

1,004

1,013

1,025

1,041

1,062

1,090

1,114

1,126

1,135

ОХ23Ю5А ОХ23ЮА

1,002

1,007

1,013

1,022

1,036

1,056

1,063

1,067

1,072

1,076

1,079

1,080

ОХ27Ю5А

1,002

1,005

1,010

1,015

1,025

1,030

1,033

1,035

1,040

1,040

1,041

1,043

1,045

ХН60Н

0,984

1,000

1,022

1,040

1,021

1,012

1,008

1,013

1,015

1,031

ХН70Н

1,004

1,051

1,052

1,035

1,015

1,015

1,016

1,021

1,028


Основные характеристики сплавов с большим удельным сопротивлением приведены в табл. 2.16.



Таблица 2.16 Основные характеристики сплавов с большим удельным сопротивлением


Материал

плотность, 103кг/м3

Температура плавления, °с

наибольшая рабочая температура, °с

удельное электрическое сопротивление при 20°с, 10-6Ом·м

температурный коэффициент сопротивления при 20 °с, 1/град

применение

Нихром

1360

1000

1,1

1,7·10-4

Лабораторные и промышленные печи с рабочей температурой до 900 °С

Фехраль

7,6

1450

850

1,2

5·10-4

Бытовые электронагревательные приборы и промышленные электропечи с рабочей температурой до 650 °С

Константан

8,8

1270

450–500

0,5

(0,2–5)·10-3

Реостаты и резисторы приборов низкого качества точности. Нагревательные элементы с температурой до 450 °С

Манганин

8,3

940

250–300

0,46

±(3–6)·10-3

Эталонные и образцовые сопротивления, магазины сопротивлений и сопротивления приборов высокой точности

Нейзильбер

8,4

1050

200–250

0,35

2,9·10-6

Реостаты


Термоэлектродвижущая сила различных металлов приведена в табл. 2.17.


Таблица 2.17 Термоэлектродвижущая сила различных металлов


Металл

ТермоЭДС, мВ

Железо

+ 1,75

Молибден

+ 1,24

Кадмий

+0,90

Цинк

+0,76

Серебро

+0,76

Медь

+0,74

Иридий

+0,67

Олово

+0,42

Магний

+0,42

Алюминий

+0,39

Уголь

+0,25

Ртуть

+0,01

Платина

+0,00

Натрий

-0,21

Кобальт

-1,75

Никель

-1,76

Константан

-3,33

Свинец

-5,85

Висмут

-6,86



Примечание. Значения указаны при разности температур 100 °С по отношению к платине. Знак «+» указывает, что в месте спая ток направлен от данного металла к платине. Разность значений для любой пары дает действующую электродвижущую силу.


Приближенные значения токов плавления проволоки из различных металлов приведены в табл. 2.18.


Таблица 2.18 Приближенные значения токов плавления проволоки из разных металлов


Материал

плотность, 103кг/м3

Температура плавления, °с

наибольшая рабочая температура, °с

удельное электрическое сопротивление при 20 °с, 10-6Ом·м

температурный коэффициент сопротивления при 20 °с, 1/град

применение

Нихром

плавящий ток, а

диаметр, мм

Медь

алюминий

никелин

сталь

олово

свинец

1

0,039

0,066

0,065

0,132

0,183

0,210

2

0,069

0,104

0,125

0,189

0,285

0,325

3

0,107

0,137

0,185

0,245

0,380

0,425

5

0,180

0,193

0,25

0,345

0,53

0,60

7

0,203

0,250

0,32

0,45

0,66

0,78

10

0,250

0,305

0,39

0,55

0,85

0,95

15

0,32

0,400

0,52

0,72

1,02

1,25

20

0,39

0,485

0,62

0,87

1,35

1,52

25

0,46

0,560

0,73

1,00

1,56

1,98

30

0,52

0,640

0,81

1,15

1,77

2,20

35

0,58

0,700

0,91

1,26

1,95

2,44

40

0,63

0,77

0,99

1,38

2,14

2,44

45

0,68

0,83

1,08

1,50

2,30

2,65

50

0,73

0,89

1,15

1,60

2,45

2,78

60

0,82

1,00

1,30

1,80

2,80

3,15

70

0,91

1,10

1,43

2,00

3,10

3,50

80

1,00

1,22

1,57

2,20

3,40

3,80

90

1,08

1,32

1,69

2,38

3,65

4,10

100

1,15

1,42

1,82

2,55

3,90

4,40

120

1,31

1,60

2,05

2,85

4,45

5,00

160

1,59

1,94

2,28

3,20

4,90

5,50

180

1,72

2,10

2,69

3,70

5,80

6,50

200

1,84

2,25

2,89

4,05

6,20

7,00

225

1,99

2,45

3,15

4,40

6,75

7,60

250

2,14

2,60

3,35

4,70

7,25

8,10

275

2,20

2,80

3,55

5,00

7,70

8,70

300

2,40

2,95

3,78

5,30

8,20

9,20


Примечание. Длина проволоки 5–10 см (в зависимости от диаметра).


2.8. Контактные материалы


По роду работы различают три типа контактов: неподвижные, коммутирующие и скользящие.


Неподвижные контакты — зажимы, болтовые и винтовые соединения, скрутки, паяные и сваренные контакты. Качество зажимных контактов определяется их переходным сопротивлением, возникающим в местах непосредственного контакта. Улучшение поверхности и защита контактов от коррозии достигается путем пайки, сварки или покрытия коррозионно-устойчивыми хорошо проводящими металлами.


На воздухе при температурах до 75 °С все проводниковые металлы дают достаточно устойчивые переходные сопротивления. Важнейшим условием при этом является обеспечение необходимых удельных давлений на контактную поверхность.



Общей закономерностью для всех видов непаяных контактов является при прочих равных условиях обратная зависимость переходного сопротивления от силы сжатия контактов. С повышением температуры за счет ускорения процесса коррозии переходное сопротивление резко возрастает, поэтому медные, алюминиевые и стальные контакты покрывают коррозионно-устойчивыми металлами.


При температуре 100–120 °С хорошо работают луженые, посеребренные или кадмированные контакты. Контакты из стали обязательно цинкуют или кадмируют.


Шинные контакты (обычно в виде полос), особенно при применении алюминия, рекомендуется зачищать стеклянной шкуркой под слоем вазелина; для меди и стали необходимо лужение оловянно-свинцовым припоем или чистым оловом.


Коммутирующие контакты — материалы разрывных электрических контактов — должны иметь малое удельное сопротивление и достаточно низкое и особенно стабильное переходное сопротивление, высокую стойкость против окисления, сваривания и эрозии, хорошую износоустойчивость и ряд технологических свойств.


Для изготовления маломощных разрывных контактов, применяемых главным образом в слаботочной технике, используют:


- металлы платиновой группы;


- золото и его сплавы;


- серебро и его сплавы;


- вольфрам, молибден и их сплавы.


Из электроосаждаемых контактов в виде тонких гальванических покрытий, работающих в отсутствии дуги, следует отметить серебро, золото, платину, палладий и особенно родий, сочетающий сравнительно низкое удельное сопротивление и очень высокую твердость.


Для изготовления мощных разрывных, а также прецизионных контактов в современной технике применяют различные металлокерамические композиции, так как использование металлов и их сплавов не дает удовлетворительных результатов. Металлокерамические контакты на основе гетерогенной композиции металлов или сплавов с неметаллами (керамикой) изготавливают из ультрадисперсных порошков металлов методом прессования из смеси заданного состава в форме уже готового изделия с последующим спеканием прессовок, повторным прессованием и отжигом.


Все марки контактов из металлокерамических композиций можно разбить на группы.


Контакты из композиций «серебро-оксид кадмия» широко используют в технике низковольтного аппаратостроения, отличаются надежностью при повышенных токовых нагрузках и умеренных нажатиях на



контакт. Обладают высокой износоустойчивостью, низким и стабильным переходным сопротивлением и повышенной дугостойкостью, но уступают в последнем случае контактам из композиций с присадками вольфрама. Выпускаются для пайки и сварки с подслоем серебра.


Контакты из композиций «серебро-оксид меди» обладают низким и устойчивым переходным сопротивлением, высокой электрической износоустойчивостью и сопротивлением привариванию. При высоких токовых нагрузках они более предпочтительны, чем контакты «серебро-оксид кадмия». Выпускаются для пайки и сварки с подслоем серебра.


Контакты из композиций «серебро-никель» устойчивы к электрическому износу, обладают низким и устойчивым переходным сопротивлением и применяются в низковольтной аппаратуре постоянного и переменного тока с умеренными нагрузками. Уступают контактам типа «сереброоксид кадмия» и «серебро-оксид меди» по сопротивлению привариванию, но более стойки, чем чистое серебро. Допускают пайку и сварку без подслоя серебра.


Контакты из композиций «серебро-никель-графит». Присадка графита повышает дугостойкость и сопротивление привариванию и позволяет применять эти контакты в низковольтной аппаратуре со значительными нагрузками, а также в воздушных автоматических выключателях, обычно в паре с контактами «серебро-никель».


Контакты из композиций «серебро-графит» обладают высокой дугостойкостью, сопротивлением привариванию и устойчивостью к механическому истиранию. Электрическая стойкость и механическая прочность относительно невелики. Применяются в паре с контактами «сереброникель».


Контакты из композиций «серебро-вольфрам» высокоустойчивы к оплавлению, однако обладают повышенным переходным сопротивлением, возрастающим с увеличением присадки вольфрама. Применяются в воздушных высоковольтных выключателях в виде накладок на поверхности медных контактов.


Контакты из композиций «серебро-кадмий-никель» обладают более высокой электрической прочностью, чем контакты из серебра, и характеризуются особо стабильным и низким переходным сопротивлением. Применяются для высоковольтных схем.


Контакты из композиций «медь-вольфрам» обладают высоким сопротивлением износу, привариванию и окислению при больших токовых нагрузках. В связи с повышенным переходным сопротивлением нашли применение в высоковольтных, преимущественно в масляных выключателях, в условиях сильного дугообразования.


Контакты из композиций «медь-графит» применяются для контактов, размыкающих токи в 30–80 кА. Для исключения приваривания контакты изготавливают пористыми; они обладают невысокой прочностью, рассчитываются на небольшое число отключений и изготавливаются с медным подслоем.


2.9. Токопроводящие жилы


Медные (М) и алюминиевые (А) токопроводящие жилы, используемые при изготовлении кабельной продукции, стандартизованы в соответствии с ГОСТ 22483-77 и полностью соответствуют рекомендациям МЭК (публ. 228, 1968). Жилы разделяются на 6 классов и могут иметь от одной до нескольких десятков проволок. Для кабельных изделий стационарной прокладки используются жилы 1 и 2 классов, жилы 3–6 классов используются для кабельных изделий повышенной гибкости.


Жилы могут быть круглыми или фасонными (К или Ф), уплотненными и неуплотненными, а алюминиевые жилы, кроме того, — с металлическим покрытием (МП) или без МП (БМП). Круглые медные жилы имеют сечения до 150 мм2, круглые алюминиевые — до 300 мм2.


Сведения о жилах 1–6 классов приведены в табл. 2.19–2.22.


Таблица 2.19 Медные и алюминиевые жилы класса 1


площадь сечения жилы, мм2

Минимальное число проволок

Электрическое сопротивление постоянному току 1 км жилы при 20 °с, ом

М

а

М (к или ф)

а (к или ф) Мп или БМп

нелуженая

луженая

0,50

1

36,0

36,7

0,75

1

24,5

24,8

1,0

1

18,1

18,2

1,5

1

1

12,1

12,2

18,1

2,5

1

1

7,41

7,56

12,1

4,0

1

1

4,61

4,70

7,41

6,0

1

1

3,08

3,11

5,11

10

1

1

1,83

1,84

3,08

16

1

1

1,15

1,16

1,91

25

1

1

0,727

1,20

35

1

1

0,524

0,868

50

1

1

0,387

0,641

70

1

1

0,268

0,443

95

1

1

0,193

0,320

120

1

1

0,153

0,253

150

1

1

0,124

0,206

185

35

1

0,099

0,164

210

35

1

0,0754

0,125

300

35

1

0,0601

0,100

400

35

35

0,0470

0,0778


 


площадь сечения жилы, мм2

Минимальное число проволок

Электрическое сопротивление постоянному току 1 км жилы при 20 °с, ом

М

а

М (к или ф)

а (к или ф) Мп или БМп

нелуженая

луженая

500

35

35

0,0366

0,0605

625

59

59

0,0283

0,0469

800

59

59

0,0221

0,0367

1000

59

59

0,0176

0,0291


Таблица 2.20 Медные и алюминиевые жилы класса 2


номинальное сечение жилы, мм2

Минимальное число проволок

Электрическое сопротивление постоянному току 1 км жилы при 20 °с, ом

круглая жила

фасонная жила

неуплотненная

уплотненная

Медь

алюминий

М

а

М

а

М

а

луженая

нелуженая

Мп и БМп

0,50

7

36,0

36,7

0,75

7

24,5

24,8

1,0

7

7

18,1

18,2

35,4

1,5

7

7

6

12,1

12,2

22,7

2,5

7

7

6

7,41

7,56

12,4

4,0

7

7

6

4,61

4,70

7,41

6,0

7

7

6

3,08

3,11

5,11

10

7

7

6

1,83

1,84

3,08

16

7

7

6

6

1,15

1,16

1,91

25

7

7

6

6

6

6

0,727

0,734

1,20

35

7

7

6

6

6

6

0,524

0,529

0,868

50

19

19

6

6

6

6

0,387

0,391

0,641

70

19

19

12

12

12

12

0,268

0,270

0,443

95

19

19

15

15

15

15

0,193

0,195

0,320

120

37

37

18

15

18

15

0,153

0,154

0,253

150

37

37

18

15

18

15

0,124

0,126

0,206

185

37

37

30

30

30

30

0,0991

0,100

0,164

240

61

61

34

30

34

30

0,0754

0,0762

0,125

300

61

61

34

30

34

30

0,0601

0,0607

0,100

400

61

61

53

53

53

53

0,0470

0,0475

0,0778

500

61

61

53

53

53

53

0,0366

0,0369

0,0605

625

91

91

53

53

53

53

0,0283

0,0286

0,0469

630

91

91

53

53

53

53

0,0280

0,0283

0,0462

800

91

91

53

53

0,0221

0,0284

0,0367

1000

91

91

53

53

0,0176

0,0177

0,0291



Таблица 2.21 Медные и алюминиевые жилы класса 3


номинальное сечение жилы, мм2

диаметр проволоки, мм, не более

Электрическое сопротивление постоянному току 1 км жилы при 20 °с, ом

Медь

алюминий

нелуженая

луженая

БМп или с Мп

0,50

0,33

39,6

40,7

0,75

0,38

25,5

26,0

1,00

0,43

21,8

22,3

1,2

0,45

17,3

17,6

28,8

1,5

0,53

14,0

14,3

23,4

2,0

0,61

9,71

9,90

16,2

2,5

0,69

7,49

7,63

12,5

3

0,79

5,84

5,95

9,76

4

0,87

4,79

4,88

8,00

5

0,59

3,83

3,91

6

0,65

3,11

3,17

5,20

8

0,87

2,40

2,45

10

0,82

1,99

2,03

3,33

16

0,65

1,21

1,24

2,02

25

0,82

0,809

0,824

1,35

36

0,69

0,551

0,562

0,921

50

0,69

0,394

0,402

0,658

70

0,69

0,277

0,283

0,470

95

0,82

0,203

0,207

0,338

120

0,79

0,158

0,161

0,264

150

0,87

0,130

0,132

0,211

185

0,87

0,105

0,107

0,175

240

0,87

0,0798

0,0814

0,134

300

0,87

0,0654

0,0665

0,109

400

0,87

0,0499

0,0509

0,0835

500

0,87

0,0393

0,0401

0,0657


Таблица 2.22 Медные жилы классов 4, 5 и 6


номинальное сечение жилы, мм2

диаметр проволоки, мм, не более

Электрическое сопротивление постоянному току 1 км жилы при 20 °с, ом

нелуженая

луженая

4

5

6

4

5

6

4

5

6

4

5

6

0,05

0,11

366,6

383,7

0,08

0,13

247,5

254,6

0,12

0,16

165,3

170,3

0,20

0,21

89,1

91,7

0,35

0,27

57,0

58,7

0,50

0,50

0,50

0,31

0,21

0,16

40,5

39,0

39,0

41,7

40,1

40,1

0,75

0,75

0,75

0,31

0,21

0,16

25,2

26,0

26,0

25,9

26,7

26,7

1,0

1,0

1,0

0,31

0,21

0,16

19,8

19,5

19,5

20,4

20,0

20,0

1,2

0,41

16,0

16,5

1,5

1,5

1,5

0,41

0,26

0,16

13,2

13,3

13,3

13,6

13,7

13,7


 


номинальное сечение жилы, мм2

диаметр проволоки, мм, не более

Электрическое сопротивление постоянному току 1 км жилы при 20 °с, ом

нелуженая

луженая

4

5

6

4

5

6

4

5

6

4

5

6

2,0

0,43

9,97

10,3

2,5

2,5

2,5

0,43

0,26

0,16

8,05

7,98

7,98

8,20

8,21

8,21

3,0

0,53

6,52

6,65

4,0

4,0

4,0

0,53

0,31

0,16

4,89

4,95

4,95

4,99

5,09

5,09

5,0

0,53

3,82

3,90

6,0

6,0

6,0

0,53

0,31

0,21

3,28

3,30

3,30

3,35

3,39

3,39

8,0

0,53

2,45

2,49

10

10

10

0,53

0,41

0,21

2,00

1,91

1,91

2,04

1,95

1,95

16

16

16

0,53

0,41

0,21

1,21

1,21

1,21

1,24

1,24

1,24

25

25

25

0,53

0,41

0,21

0,776

0,78

0,78

0,792

0,795

0,795

35

35

35

0,59

0,41

0,21

0,547

0,554

0,554

0,558

0,565

0,565

50

50

50

0,59

0,41

0,31

0,393

0,386

0,386

0,401

0,393

0,393

70

70

70

0,59

0,51

0,31

0,281

0,272

0,272

0,286

0,277

0,277

95

95

95

0,59

0,51

0,31

0,201

0,206

0,206

0,205

0,210

0,210

120

120

120

0,69

0,51

0,31

0,162

0,161

0,161

0,165

0,164

0,164

150

150

150

0,69

0,51

0,31

0,129

0,129

0,129

0,132

0,132

0,132

185

185

185

0,69

0,51

0,41

0,104

0,106

0,106

0,106

0,108

0,108

240

240

240

0,69

0,51

0,41

0,081

0,080

0,080

0,082

0,082

0,082

300

300

300

0,69

0,51

0,41

0,065

0,064

0,064

0,066

0,065

0,065

400

400

0,69

0,51

0,048

0,049

0,049

0,049

500

0,61

0,038

0,039

630

0,61

0,029

0,029



Другие статьи:

Система единиц в электротехнике
Основные определения электротехники
Обозначения в схемах. Условный графический и буквенный код элементов электрических схем.