Одна важных характеристик нихрома – высокое электросопротивление. В связи с этим, нихромовая нить, проволока и лента, активно применяются при производстве резистивных элементов (элементов сопротивления).
Полуфабрикаты из нихрома марок Х20Н80 и Х20Н80-Н, Х15Н60 и Х15Н60-Н, широко используются для изготовления электрических нагревателей и их производных. Это обусловлено высокой тугоплавкостью и коррозионной стойкостью сплавов в сочетании никель-хром (Ni-Cr). Между тем, наиболее важная характеристика нихрома, как прецизионного сплава – высокое электрическое сопротивление. В связи с этим, нихромовая проволока, нить и лента, активно применяются при производстве элементов сопротивления (резистивных элементов) для промышленных, технологических и лабораторных электротехнических изделий.
Что такое элемент сопротивления
Элемент сопротивления – это проводник, используемый в конструкции электрической схемы, ограничивающий течение электрического тока (потока электронов) в цепи, чтобы остальные детали и электронная схема в целом работали в необходимом режиме. Чем эффективнее проводник препятствует прохождению тока, тем выше его сопротивление. Сопротивление проводника обозначается буквой R. Единица измерения – Ом. Сопротивление проводника равно 1 Ом, если напряжение между его концами равняется 1 вольту при силе тока в 1 ампер.
Почему элементы сопротивления называют резистивными или резисторами
В основном, элементы сопротивления для общего применения изготавливают не из чистых металлов с высокой проводимостью, а из сплавов, таких как нихром Х15Н60 или Х15Н60-Н, которые вследствие деформации кристаллической решётки приобретают способность в некоторой степени задерживать прохождение электрического тока. Эта способность называется резистивностью, от английского слова «resist», которое в переводе на русский как раз и означает «сопротивляться», «препятствовать». Из-за этого, материалы, включая нихромовые и другие сплавы, обладающие высоким электросопротивлением, называют резистивными, а изготовленные из них элементы сопротивления, например отрезки нихромовой проволоки или ленты – резисторами. Именно этим словом, для краткости, далее в статье мы будем иногда обозначать элементы сопротивления, что, по сути, одно и то же.
Рисунок 1. Резисторы различных номиналов и мощности.
Параметры, влияющие на сопротивление проводника
Величина электрического сопротивления резистора во многом зависит от его длины и сечения. Например, нихромовая проволока марки Х20Н80 длиной в 1 метр и Ø 1,0 мм имеет (теоретически) сопротивление, равное 1,4 Ом, а при Ø 5 мм уже 0,056 Ом. Точно такую же зависимость показывает нихромовая лента Х20Н80 длиной 1 метр с площадью сечения 2 мм² (0,1×20) и 10 мм² (1,0×10), сопротивление которой в первом случае будет равняться 0,55 Ом, а во втором – 0,11 Ом. Однако подобрать длину и сечение резистора для определенных задач и условий работы недостаточно.
Крайне важно правильно выбрать материал с минимальной зависимостью его физико-механических характеристик от температуры. Дело в том, что чем выше сопротивление резистора, тем больше тепла выделяется при прохождении по нему тока, тем больше он нагревается, что может негативно влиять на стабильность его работы и срок службы. Зависимость сопротивления резистора (и материала) от температуры обосновывается формулой: Rt = R0 × (1 + А × t), где:
- Rt – температура сопротивления проводника при t °С;
- R0 – температура сопротивления проводника при 0°С;
- А – температурный коэффициент сопротивления.
Материалы элементов сопротивления
Элементы сопротивления бывают проволочными и не проволочными. Проволочные производятся из резистивных сплавов, как из условной нихромовой нити или проволоки, так и ленты. Непроволочные специальные и малогабаритные резисторы изготавливаются из металлов (титан, тантал и т.п.), проводящих композитов, углеродных образований (графит, электротехнический уголь, сажа), и других токопроводящих материалов, которые в готовом изделии нанесены на изоляционное основание намоткой нити, в виде фольги, напылением, путём погружения в ванну с проводниковой смесью и т.д.
Наибольшее распространение получили проволочные резисторы, которые отличает не только обязательное высокое сопротивление, но и механическая прочность, пластичность, термостойкость. Учитывая зависимость сопротивления металлов и сплавов от температуры, для производства проводников общего применения используют жаростойкие резистивные сплавы, у которых допустимая температура для длительной точной и стабильной работы в качестве элемента сопротивления составляет не менее 300°С. Наиболее яркие представители этой категории: манганин, константан, фехраль, нихром и хромаль.
Сравнение резистивных сплавов
Из перечисленных выше сплавов, нихром, пожалуй, один из наиболее часто используемых материалов при изготовлении промышленных резисторов. Рассмотрим и сравним их физико-механические свойства. Наибольшую пропорцию в составе манганина и константана занимает медь (Cu). У константана доля меди может достигать 58 процентов, а у манганина – до 85 процентов. Манганин имеет крайне малую термоЭДС, за счёт чего его используют для создания миниатюрных резисторов для электронных приборов высокого класса точности, однако он неустойчив к коррозионным процессам, чувствителен к влаге. Константан лишён этих недостатков, но уступает нихрому вдвое по удельному электрическому сопротивлению (около 0,5 Ом × мм² / м), и на 10-15% по предельному значению прочности на растяжение (около 60 кг/мм²),
Определенную конкуренцию нихрому на рынке элементов сопротивления составляют железохромалюминиевые сплавы: фехраль и хромаль. Поскольку их основу составляют недорогое железо и алюминий, они более доступны по цене, но в это же время, эти сплавы являются жёсткими и становятся хрупкими при нагревании, что соответствующим образом сказывается на их технологичности. В списке резистивных сплавов, нихром, по ключевым характеристикам, таким как цена, удельное электрическое сопротивление ρ (около 1,0 Ом × мм² / м), плотность (около 8,4 кг/дм³), прочность на разрыв (около 70 кг/мм²), пластичность, занимает «золотую середину», а по обрабатываемости и общей технологичности превосходит ряд конкурентов. Навивка, ремонт, пайка нихромовой проволоки не вызывают никаких проблем.
Производство резисторов
Для производства элементов сопротивления нихромовая проволока и лента используются в тех случаях, когда от резистора требуется высокая точность и стабильность параметров при высоких рабочих температурах. Как правило, проводящий элемент (проволока, нить, лента) наматывается на цилиндрические или пластинчатые изоляционные основания (керамика, пластмасса, пресспорошок), либо помещается в изоляционный корпус. Намотка может быть одно- и многослойной. Сверху наносят силикатную эмаль, которая фиксирует и защищает проводник от внешних химических и механических воздействий, а также изолирует соседние витки друг от друга. Существуют резисторы свободные от изоляции. На торцах отрезков нихромовой ленты или нити формируют контактные площадки для включения резистора в электрическую цепь.
Рисунок 2. Постоянный проволочный резистор.
Область применения
В качестве элемента сопротивления нихромовая проволока и нить марок Х20Н80 и Х20Н80-Н, Х15Н60 и Х15Н60-Н применяются при производстве резисторов для замера мощности и тестирования промышленных электроприборов (например, усилителей), реостатов (ползунковых) с переменным сопротивлением, шунтов, катушек сопротивления, качественно работающих при разной степени нагрева. Нихромовые полуфабрикаты используются для изготовления элементов сопротивления пускорегулирующих устройств в подъёмно-транспортных машинах и агрегатах.
Зависимость сопротивления нихрома от температуры обуславливает применение нихромовых полуфабрикатов при изготовлении спиралей для термометров сопротивления, которыми измеряют температуру внутри двигателей, турбин, доменных печей и т.п. Проволоку или ленту определенной длины и сечения спиралью навивают на изолятор, который устанавливают в защитный корпус, концы подключают к электрической цепи с амперметром, градуированным в градусах. Когда нихромовая лента или проволока нагревается, сила тока в цепи уменьшается, на что реагирует амперметр, показывая температуру измеряемой среды.
