Глава V
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ
§ 5. 1. Назначение и классификация электрических сопротивлений. Принцип действия
Электрическое сопротивление предназначено для регулирования тока в электрической цепи за счет изменения ее параметров: омического, индуктивного, емкостного сопротивлений.
Наибольшее распространение в аппаратостроении имеют омические, или активные, сопротивления. Ограничение тока осуществляется ими за счет превращения части энергии в тепло и рассеивания этого тепла в окружающем пространстве. Активные сопротивления могут работать как при переменном, так и при постоянном токе.
Работа индуктивного сопротивления (индуктивности) основывается на накоплении энергии при увеличении образованного им электромагнитного поля и отдаче запасенной энергии при уменьшении последнего. Поскольку изменение электромагнитного поля возможно лишь при изменении тока, то индуктивное сопротивление ограничивает только переменный ток; при изменяющемся по величине постоянном токе оно позволяет изменить скорости нарастания или убывания тока и магнитного потока, не влияя на их установившееся постоянное значение. Индуктивные сопротивления довольно широко применяются для изменения характера и скорости протекания переходных режимов.
Аналогично индуктивному работает и емкостное сопротивление, только накопление энергии в нем идет за счет увеличения электростатического поля, а отдача энергии — при его уменьшении. Емкостные и индуктивные сопротивления называются также реактивными.
§ 5. 2. Материалы активных сопротивлений и требования, предъявляемые к ним
Основной особенностью работы активного сопротивления является то, что в нем электрическая энергия преобразуется в тепловую и сопротивление нагревается. Очевидно, что для уменьшения массы и габаритов активного сопротивления необходимо поднять его нагрев до значительной величины или интенсивно его охлаждать. Эта особенность работы — высокие температуры нагрева — и определяют основные требования, предъявляемые как к токоведущим, так и к изоляционным материалам сопротивлений:
- Токоведущие и изоляционные материалы сопротивлений должны обладать высокой жаростойкостью, способностью выдерживать высокие температуры без оплавлений, интенсивного окисления, растрескивания, обугливания, т. е. изоляционные материалы должны быть негорючими.
- Токоведущие материалы должны иметь высокое удельное сопротивление с целью получения значительного активного сопротивления при сравнительно небольших длинах проводника.
- Токоведущие материалы должны обладать малым значением коэффициента температурного повышения удельного сопротивления. Поскольку нагрев активного сопротивления весьма велик, то при значительной зависимости удельного сопротивления от температуры общая величина сопротивления может существенно изменяться с нагревом, что в большинстве случаев нежелательно.
Поскольку чистые металлы имеют довольно низкое значение удельного сопротивления, то в качестве проводниковых материалов активных сопротивлений обычно применяются различные сплавы. Среди медно-никелевых сплавов наиболее часто применяется константан (химический состав: Cu=58,5%, Ni=40%, Мn=1,5%); удельное сопротивление р=0,45-0,52 Ом · мм2 /м; температурный коэффициент повышения сопротивления очень низок; а=0,00003 1/°С; максимальная допустимая рабочая температура — до 500° С, однако с целью увеличения срока службы константановые сопротивления рассчитываются обычно на рабочую температуру до 390° С. Материал изготовляется в виде проволоки и ленты малых сечений и употребляется для сопротивлений малой и средней мощности.
Существенным достоинством константана является образование окисной пленки, имеющей довольно хорошие изоляционные свойства; поэтому на сопротивлениях небольшой мощности витки, при невысоком напряжении между ними, можно располагать вплотную друг к другу.
Значительно реже в качестве проводниковых материалов активных сопротивлений применяются манганин и никелин.
Необходимо отметить, что основными недостатками медно-никелевых сплавов является их довольно высокая стоимость, небольшие удельные сопротивления и невысокие рабочие температуры.
Наибольшее распространение для изготовления сопротивлений нашли хромо-никелевые, железо-хромо-никелевые, железо-хромо- алюминиевые сплавы, обладающие, как правило, высокими рабочими температурами и большими значениями удельных сопротивлений.
Нихром А (химический состав: Ni=87%, Сr=11%, Мn=2%); р=0,87 Ом-мм2 /м; a=0,00017 1/°С; максимальная допустимая рабочая температура — до 930° С.
Нихром В (химический состав: Ni=61 %, Cr=15%, Fe=20%, Мn=4%); р=1,3 Ом-мм2 /м; a=0,00017 1/°С; максимальная допустимая рабочая температура — до 1000° С.
Нихромы — самые термостойкие материалы, находят довольно широкое применение для изготовления сопротивлений малой и средней мощности. Особенно широко применяются для изготовления нагревательных элементов. Изготовляются в виде проволоки и ленты небольших сечений. Недостаток нихрома — несколько завышенное значение температурного коэффициента и довольно высокая стоимость.
Фехраль (химический состав: Fe=80%, Сr=15%, А1=5%); р=1,18 Ом-мм2 /м, a=0,00008; допустимая максимальная рабочая температура — до 850° С. Обычно фехралевые сопротивления, работающие длительно, рассчитывают на температуру до 300-400° С.
Фехраль — самый распространенный материал для изготовления сопротивлений; этому способствуют его высокое удельное сопротивление и термостойкость, а также сравнительно невысокая стоимость. Единственный недостаток фехраля — его большая упругость, затрудняющая намотку сопротивлений при их изготовлении; при перегорании же сопротивления во время работы обмотка раскручивается, вызывая замыкания близко расположенных токоведущих деталей. Фехраль выполняется в виде проволоки преимущественно значительного диаметра и ленты; идет на изготовление сопротивлений средней и большой мощности.
Довольно широкое распространение в качестве материала сопротивлений находят стальная проволока, листовая сталь и особенно чугун.
Удельное сопротивление стальной проволоки р=0,11-0,13 ομ·μμ2/μ, стального листа р=0,3 ομ·μμ2/μ·, температурный коэффициент повышения сопротивления a=0,0024-0,0048; максимально допустимые рабочие температуры для проволоки 2004-300° С, для листа 150-200° С. Основное достоинство этих материалов — их дешевизна. Применяются для сопротивлений, от которых не требуется высокая стабильность при нагреве.
Чугун для изготовления сопротивлений обычно применяется кремнистый с увеличенным значением удельного сопротивления (химический состав Fe= 92,8%, С=3,6%, Si=l,72%, Мn=0,75%, Р=1,06% и некоторые другие присадки); р=0,8 Ом·мм2 /м; а=0,001; максимальная рабочая температура — до 400° С. Величина рабочей температуры для чугуна ограничивается в основном не его термическими свойствами, а довольно значительным температурным коэффициентом: при значительных температурах абсолютная величина сопротивления сильно увеличивается. Отдельные элементы чугунного сопротивления выполняются литыми, поэтому все сопротивление имеет довольно большую массу.
Таблица 5.1
Однако этот недостаток оборачивается и определенным преимуществом: чугунные сопротивления имеют очень большую теплоемкость, что весьма важно при кратковременных режимах работы, когда, несмотря на значительные величины тока, сопротивление нагревается довольно медленно.
Для изготовления специальных сопротивлений применяются также графит, уголь, карборунд; в слаботочных сопротивлениях применяется напыление металла на керамическое основание.
В соответствии с высокими рабочими температурами проводниковых материалов изоляционные материалы в сопротивлениях, непосредственно соприкасающиеся с нагретым проводниковым материалом, применяются класса С: фарфор, керамика, стекло, слюда; материалы, не имеющие непосредственного соприкосновения, применяются класса Н: асбестоцемент, миканит и др.
