Удельное сопротивление нихрома и железа

История сплавов

Название «фехраль» сложено из названий главных элементов, входящих в его состав: Ферум (железо) (Fe) – “фе”, Хром (Cr) – “хр”, Алюминий (Al) – “аль”. Название сплава «нихром» также сложено из названий его основных компонентов: Никель (Ni) – “ни”, хром (Cr) – “хр”, Марганец (Mn) – “ом”.

Первая марка нихрома была разработана в 1905 году А. Маршем – работником американской компании Driver-Harris Company в Соединенных Штатах Америки.

Удельное сопротивление

Удельное электрическое сопротивление определяется как отношение между напряженностью электрического поля внутри металла к плотности тока в нем:
формула удельного сопротевления

где:
ρ — удельное сопротивление металла (Ом⋅м),
Е — напряженность электрического поля (В/м),
J — величина плотности электрического тока в металле (А/м2)

Если напряженность электрического поля (Е) в металле очень большая, а плотность тока (J) очень маленькая, это означает, что металл имеет высокое удельное сопротивление.

Обратной величиной удельного сопротивления является удельная электропроводность, указывающая, насколько хорошо материал проводит электрический ток:

формула удельной электропроводности

где:

σ — проводимость материала, выраженная в сименс на метр (См/м).

Что означают показатели удельного сопротивления?

Для того чтобы иметь возможность сравнивать удельное сопротивление различных материалов, от таких изделий, как медь и алюминий, до других металлов и веществ, включая висмут, латунь и даже полупроводники, необходимо использовать стандартное измерение.

Единица измерения удельного сопротивления в Международной системе единиц (СИ) — Ом·м.

Единица измерения удельного сопротивления в системе СИ равна такому удельному сопротивлению вещества, при котором однородный проводник длиной 1 м с площадью поперечного сечения 1 м2, изготовленный из этого вещества, имеет сопротивление, равное 1 Ом. Соответственно, удельное сопротивление произвольного вещества, выраженное в единицах СИ, численно равно сопротивлению участка электрической цепи, выполненного из данного вещества, длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м2

Таблица удельного сопротивления для распространенных проводников

В таблице ниже приведены показатели удельного сопротивления для различных материалов, в частности металлов, используемых для электропроводности.

Показатели удельного сопротивления приведены для таких “популярных” материалов, как медь, алюминий, нихром, сталь, свинец, золото и других.

МатериалУдельное сопротивление, ρ,при 20 °C (Ом·м)Источник

Латунь~0.6 – 0.9 x 10-7
Серебро1.59×10−8
Медь1.68×10−8
Обожжённая медь1.72×10−8
Золото2.44×10−8
Алюминий2.65×10−8
Кальций3.36×10−8
Вольфрам5.60×10−8
Цинк5.90×10−8
Кобальт6.24×10−8
Никель6.99×10−8
Рутений7.10×10−8
Литий9.28×10−8
Железо9.70×10−8
Платина1.06×10−7
Олово1.09×10−7
Тантал1.3×10−7
Галлий1.40×10−7
Ниобий1.40×10−7
Углеродистая сталь (1010)1.43×10−7
Свинец2.20×10−7
Галинстан2.89×10−7
Титан4.20×10−7
Электротехническая сталь4.60×10−7
Манганин (сплав)4.82×10−7
Константан (сплав)4.90×10−7
Нержавеющая сталь6.90×10−7
Ртуть9.80×10−7
Марганец1.44×10−6
Нихром (сплав)1.10×10−6
Углерод (аморфный)5×10−4 – 8×10−4
Углерод (графит) параллельно-базальная плоскость2.5×10−6 – 5.0×10−6
Углерод (графит) перпендикулярно-базальная плоскость3×10−3
Арсенид галлия10−3 to 108
Германий4.6×10−1
Морская вода2.1×10−1
Вода в плавательном бассейне3.3×10−1 – 4.0×10−1
Питьевая вода2×101 – 2×103
Кремний2.3×103
Древесина (влажная)103 – 104
Деионизированная вода1.8×105
Стекло1011 – 1015
Углерод (алмаз)1012
Твердая резина1013
Воздух109 – 1015
Древесина (сухая)1014 – 1016
Сера1015
Плавленый кварц7.5×1017
ПЭТ1021
Тефлон1023 – 1025

Видно, что удельное сопротивление меди и удельное сопротивление латуни оба низкие, и с учетом их стоимости, относительно серебра и золота, они становятся экономически эффективными материалами для использования для многих проводов. Удельное сопротивление меди и простота ее использования привели к тому, что она также используется крайне часто в качестве материала для проводников на печатных платах.

Изредка алюминий и особенно медь используются из-за их низкого удельного сопротивления. Большинство проводов, используемых в наши дни для межсоединений, изготовлены из меди, поскольку она обеспечивает низкий уровень удельного сопротивления при приемлемой стоимости.

Удельное сопротивление золота также важно, поскольку золото используется в некоторых критических областях, несмотря на его стоимость. Часто золотое покрытие встречается на высококачественных слаботочных разъемах, где оно обеспечивает самое низкое сопротивление контактов. Золотое покрытие очень тонкое, но даже в этом случае оно способно обеспечить требуемые характеристики разъемов.

Серебро имеет очень низкий уровень удельного сопротивления, но оно не так широко используется из-за его стоимости и из-за того, что оно тускнеет, что может привести к более высокому сопротивлению контактов.

Однако оно используется в некоторых катушках для радиопередатчиков, где низкое удельное электрическое сопротивление серебра снижает потери. При использовании в таких целях серебро обычно наносилось только на существующий медный провод. Покрытие провода серебром позволило значительно снизить затраты по сравнению с цельным серебряным проводом без существенного снижения производительности.

Будет интересно➡  Основы электротехники и электроники

Другие материалы в таблице удельного электрического сопротивления могут не иметь такого очевидного применения. Тантал фигурирует в таблице, поскольку используется в конденсаторах – никель и палладий используются в торцевых соединениях многих компонентов поверхностного монтажа, таких как конденсаторы.

Кварц находит свое основное применение в качестве пьезоэлектрического резонансного элемента. Кварцевые кристаллы используются в качестве частотоопределяющих элементов во многих осцилляторах, где высокое значение Q позволяет создавать очень стабильные по частоте схемы. Аналогичным образом они используются в высокоэффективных фильтрах. Кварц имеет очень высокий уровень удельного сопротивления и не является хорошим проводником электричества, то есть его относят к категории диэлектрикам.

Свойства резистивных материалов

Удельное сопротивление металла зависит от температуры. Их значения приводится, как правило, для комнатной температуры (20°С). Изменение удельного сопротивления в результате изменения температуры характеризуется температурным коэффициентом.

Например, в термисторах (терморезисторах) это свойство используется для измерения температуры. С другой стороны, в точной электронике, это довольно нежелательный эффект.
Металлопленочные резисторы имеют отличные свойства температурной стабильности. Это достигается не только за счет низкого удельного сопротивления материала, но и за счет механической конструкции самого резистора.

Много различных материалов и сплавов используются в производстве резисторов. Нихром (сплав никеля и хрома), из-за его высокого удельного сопротивления и устойчивости к окислению при высоких температурах, часто используют в качестве материала для изготовления проволочных резисторов. Недостатком его является то, что его невозможно паять. Константан, еще один популярный материал, легко паяется и имеет более низкий температурный коэффициент.

Основные сведения и марки нихрома

Нихромом называют сплав никеля и хрома с добавками марганца, кремния, железа, алюминия. У этого материала параметры зависят от конкретного соотношения веществ в сплаве, но в среднем лежат в пределах:

  • удельное электрическое сопротивление — 1,05-1,4 Ом*мм 2 /м (в зависимости от марки сплава);
  • температурный коэффициент сопротивления — (0,1-0,25)·10 −3 К −1 ;
  • рабочая температура — 1100 °C;
  • температура плавления — 1400°C;

В таблицах удельное сопротивление часто приводится в мкОм*м (или 10 -6 Ом*м) – численно значения те же, разница в размерности.

Длина нихромовой проволоки на 220 в

В настоящее время есть две самых распространённых марки нихромовой проволоки:

  • Х20Н80. Состоит на 74% из никеля и на 23% хрома, а также по 1% железа, кремния и марганца. Проводники этой марки можно использовать при температуре до 1250 ᵒ С, температура плавления – 1400 ᵒ С. Также он отличается повышенным электросопротивлением. Сплав применяют для изготовления элементов нагревательных приборов. Удельное сопротивление – 1,03-1,18 мкОм·м;
  • Х15Н60. Состав: 60% никеля, 25% железа, 15% хрома. Рабочая температура не более 1150 ᵒ С. Температура плавления – 1390 ᵒ С. Содержит больше железа, что повышает магнитные свойства сплава и увеличивает его антикоррозийную устойчивость.

Более подробно о марках и свойствах этих сплавов вы узнаете из ГОСТ 10994-74, ГОСТ 8803-89, ГОСТ 12766.1-90 и других.

Как уже было сказано, нихромовая проволока применяется повсеместно где нужны нагревательные элементы. Высокое удельное сопротивление и температура плавления позволяют использовать нихром в качестве основы для разных нагревательных элементов, начиная от чайника или фена, заканчивая муфельной печью.

Длина нихромовой проволоки на 220 в

Удельное сопротивление нихрома, его температура плавления и применения

В таблице представлено удельное электрическое сопротивление нихрома в зависимости от температуры в интервале от 20 до 1200°С. Удельное сопротивление нихрома указано в размерности мкОм·м. Например, при температуре 900°С нихром Х20Н80-Н имеет удельное электрическое сопротивление, равное 1,149 микро Ом·м (или 1,149·10-6 Ом·м).

С ростом температуры удельное сопротивление нихрома увеличивается. В процессе нагрева увеличение сопротивления нихрома от температуры может составлять 7…11% в интервале 20…1200°С. Однако, прямая линейная зависимость удельного сопротивления от температуры характерна только для ферронихрома Х15Н60, содержащего большое количество железа.

Сплавы Ni-Cr с низким содержанием железа имеют иной характер зависимости сопротивления от температуры: нихром Х20Н80 показывает снижение величины удельного сопротивления в диапазоне от 500 до 900°С; удельное сопротивление нихрома марки Nikrothal 80 не зависит от температуры в интервале 400…900°С.
Удельное сопротивление нихрома (мкОм·м) в зависимости от температуры

Температура, °CХ15Н60Х20Н80-НNikrothal 80
201,121,131,09
1001,1351,1371,101
2001,1521,1471,112
3001,1721,1551,123
4001,1891,1631,134
5001,2031,1661,134
6001,2131,1561,134
7001,2131,1481,134
8001,221,1471,134
9001,2291,1491,134
10001,2381,1581,145
11001,2481,1671,155
12001,1751,166

Температура плавления нихрома составляет 1400°С. Ферронихром Х15Н60 имеет чуть более низкую температуру плавления. Максимальная рабочая температура рассмотренных сплавов имеет значение 1125…1200°С.

Основное назначение нихрома — применение в виде ленты и проволоки для электрических нагревателей. Необходимо отметить, что максимальная температура применения нихромовой проволоки существенно зависит от ее диаметра. Например, согласно ГОСТ 12766.1-90, для проволоки Х20Н80-Н диаметром 0,2 мм максимальная рабочая температура на воздухе составляет всего 950°С. При увеличении диаметра такой проволоки до 1 мм ее рабочая температура может достигать 1100°С.
Состав нихрома, его температура плавления и максимальная рабочая температура

Будет интересно➡  Тиристорный преобразователь частоты
Марка нихромаСоставtпл, °Ctраб, °C
Х15Н6055-61% Ni, 15-18% Cr, остальное Fe13901125
Х20Н80-НОсновной Ni, 20-23% Cr, Fe не более 1%14001200
Nikrothal 80Основной Ni, 19-21% Cr, Fe не более 2%14001200

Сопротивление нихромовой проволоки

Номинальное значение сопротивления нихромовой проволоки

Диаметр проволоки, ммДопускМасса 1 м

Х20Н80,

Номинальное значениеэлектрического сопротивления 1 метра проволоки, Ом
+ммграммХ20Н80Х15Н60Х23Ю5Т
ГОСТ 8803-89
0,01не16000не изгот.не изгот.
0,01норми-13000не изгот.не изгот.
0,01руется10700не изгот.не изгот.
0,019020не изгот.не изгот.
0,016630не изгот.не изгот.
0,025070не изгот.не изгот.
0,024010не изгот.не изгот.
0,023340не изгот.не изгот.
0,022760не изгот.не изгот.
0,032180не изгот.не изгот.
0,030,011510не изгот.не изгот.
0,040,011050не изгот.не изгот.
0,040,01852не изгот.не изгот.
0,050,02546не изгот.не изгот.
0,060,010,02379не изгот.не изгот.
0,070,03279не изгот.не изгот.
0,080,04214не изгот.не изгот.
0,090,05169не изгот.не изгот.
0,10,010,07137139не изгот.
0,110,08113115не изгот.
0,120,195,196,6не изгот.
0,140,1370,271,3не изгот.
0,150,1561,162,2не изгот.
0,160,1753,854,7не изгот.
0,180,2142,543,3не изгот.
0,20,2634,653,2не изгот.
0,220,3228,729,1не изгот.
0,250,4122,222,6не изгот.
0,280,5117,718,1не изгот.
0,30,5915,415,8не изгот.
0,320,6713,713,9не изгот.
0,340,7512,112,3не изгот.
0,360,8510,811не изгот.
0,41,058,88,9не изгот.
ГОСТ 12766.1-90
Диаметр,Доп.МассаХ20Н80-НХ15Н60Х23Ю5Т
мм+, mm1 м, гр.Х15Н60-Н
0,10,010,07138141не изгот.
0,110,07126129не изгот.
0,110,08114117не изгот.
0,120,09104107не изгот.
0,120,195,698,2не изгот.
0,130,1181,283,5не изгот.
0,140,1370,172,1не изгот.
0,150,156162,7не изгот.
0,160,1753,755,2не изгот.
0,170,1947,648,9не изгот.
0,180,2142,543,7не изгот.
0,190,243839,1не изгот.
0,20,2634,435,4не изгот.
0,210,2931,232,1не изгот.
0,220,3228,429,2не изгот.
0,240,3823,924,6не изгот.
0,250,412222,6не изгот.
0,280,5117,518не изгот.
0,30,5915,315,719,7
0,320,6713,413,817,3
0,340,7511,912,215,3
0,360,8510,610,913,6
0,380,949,569,8212,3
0,41,058,578,8111
0,421,157,777,9910
0,451,326,796,988,74
0,481,55,976,137,68
0,51,635,545,667,09
0,531,834,985,026,29
0,562,044,474,515,65
0,62,353,893,924,91
0,630,022,593,533,564,46
0,672,933,123,143,94
0,73,22,862,883,61
0,753,672,492,513,14
0,84,172,192,212,76
0,854,711,941,962,45
0,95,281,731,752,39
0,955,881,551,571,96
16,521,41,411,77
1,067,321,251,261,58
1,17,891,161,171,46
1,158,631,061,071,34
1,29,380,970,981,23
1,311,040,830,841,05
1,412,780,710,720,9
1,514,690,620,630,79
1,616,680,550,520,69
1,718,840,490,490,61
1,821,080,430,440,55
1,923,570,390,390,49
226,060,350,350,44
2,128,720,320,320,4
2,231,540,290,290,37
2,437,520,240,250,31
2,540,750,220,230,28
2,644,070,210,210,26
2,851,130,180,180,23
358,680,160,160,2
3,20,0266,730,140,140,17
3,475,360,120,120,15
3,684,660,110,140,14
3,893,790,10,10,12
4104,580,090,090,11
4,2114,540,080,080,1
4,5131,970,070,070,09
4,8150,230,060,060,07
5162,680,060,060,07
5,3183,430,050,050,06
5,6204,180,050,050,06
6238,250,040,040,05
6,10,05242,360,040,040,05
6,3258,960,040,040,04
6,7292,160,030,030,04
7319,550,030,030,04
7,5366,860,030,030,03
ГОСТ 12766.3-90
Диаметр,Доп.МассаХ20Н80-НХ15Н60-НХ23Ю5Т
мм+, mm1 м, гр.
60,08239,8не изгот.не изгот.0,05
6,1245,36не изгот.не изгот.0,05
6,3258,96не изгот.не изгот.0,45
6,5278,6не изгот.не изгот.0,04
6,7292,16не изгот.не изгот.0,04
6,9313,94не изгот.не изгот.0,04
7319,55не изгот.не изгот.0,04
7,1332,4не изгот.не изгот.0,04
7,3351,39не изгот.не изгот.0,03
7,5366,86не изгот.не изгот.0,03
7,8401,18не изгот.не изгот.0,03
8422,020,020,020,03
8,2476,420,020,020,03
8,5476,420,020,020,02
8,8510,640,020,020,02
9534,110,020,020,02
9,2558,120,020,020,02
9,5595,110,020,020,02
9,8633,290,020,010,02
10659,40,010,010,02
ГОСТ 12766.4-90
Диаметр,Доп.МассаХ20Н80-НХ15Н60-НХ23Ю5Т
мм+, mm1 м, гр.
80,09422,020,0207-0,02630,0207-0,02630,0250-0,0318
9534,110,0163-0,02070,0163-0,02070,0196-0,0250
10659,40,0132-0,01680,0132-0,01680,0158-0,0203
11797,870,0110-0,01400,0110-0,01400,0131-0,0157
12949,540,0090-0,01100,0090-0,01100,0110-0,0140

Удельное значение электрического сопротивления

МаркаУдельное значение электрического сопротивления, мкОм·м
Х20Н80 (Х20Н80-Н)1,08-1,13
Х15Н60 (Х10Н60-Н)1,11-1,12
Х15Ю51,29
Х23Ю51,35
Х23Ю5Т1,39
Х27Ю5Т1,42
ХН20ЮС1,02
ХН70Ю-Н1,3

Обрашаем Ваше внимание на то, что в формуле расчета электронагревательных элементов используем номинальное значение электрического сопротивления нихромовой проволоки из верхней таблицы. По удельному значению электрического сопротивления так-же можно производить расчеты, но методика расчета другая. С нашей точки зрения мы предложили самый быстрый и точный метод расчета используя номинальное значение электрического сопротивления нихромовой проволоки.

Состав и структура железа

Железо – типичный металл, причем химически активный. Вещество вступает в реакцию при нормальной температуре, а нагрев или повышение влажности значительно увеличивают его реакционноспособность. Железо корродирует на воздухе, горит в атмосфере чистого кислорода, а в виде мелкой пыли способно воспламениться и на воздухе.

Чистому железу присуща ковкость, однако в таком виде металл встречается очень редко. На деле под железом подразумевают сплав с небольшими долями примесей – до 0,8%, которому присущи мягкость и ковкость чистого вещества. Значение для народного хозяйства имеет сплавы с углеродом – сталь, чугун, нержавеющая сталь.

Железу присущ полиморфизм: выделяют целых 4 модификации, отличающиеся структурой и параметрами решетки:

  • α-Fe – существует от нуля до +769 С. Имеет объемно-центрированную кубическую решетку и является ферромагнетиком, то есть, сохраняет намагниченность в отсутствие внешнего магнитного поля. +769 С – точки Кюри для металла;
  • от +769 до +917 С появляется β-Fe. От α-фазы она отличается лишь параметрами решетки. Практически все физические свойства при этом сохраняются за исключением магнитных: железо становится парамагнетиком, то есть, способность намагничиваться оно утрачивает и втягивается в магнитное поле. Металловедение β-фазу как отдельную модификацию не рассматривает. Поскольку переход не влияет на значимые физические характеристики;
  • в диапазоне от 917 до 1394 С существует γ-модификация, которой присуща гранецентрированная кубическая решетка;
  • при температуре выше +1394 С появляется δ-фаза, для которой характерна объемно-центрированная кубическая решетка.

При высоком давлении, а также при легировании металла некоторыми добавками образуется ε- фаза с гексагонической плотноупакованной решеткой.

Температура фазовых переходов заметно изменяется при легировании тем же углеродом. Собственно, сама способность железа образовать столько модификаций служит основой обработки стали в разных температурных режимах. Без таких переходов металл не получил бы столь широкого распространения.

Сфера применения фехраля и нихрома

Нихром считается очень даже прочным сплавом. Это сыграло большую роль для изготовления разного диаметра спиралей и проволок. А также из нихрома изготавливают прутки, нихромовые нити, ленты, листы, полосы.

Благодаря высокой жаростойкости, допустимо использовать нихромовые сплавы в производстве нагревательных приборов.

Нихром сохраняет свои ключевые физические свойства даже при сильных колебаниях температуры, что дает возможность применять сплав достаточно широко.

Из нихрома и фехраля изготовляют трубчатые элементы нагревания. Работать с этими сплавами можно при предельной температуре 1400 °С и 1500 °С соответственно. Поэтому эти сплавы можно применять при производстве элементов реостатов и проволочных резисторов.

Фехраль и нихром применяют в похожих сферах, несмотря на их разный состав и отличительные характеристики.

Предыдущая
ТеорияТриггер Шмитта
Следующая
ТеорияПонятие фидера в электрике и его роль в электроэнергетике
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Electroinfo.net  онлайн журнал
Мы используем cookie-файлы для наилучшего представления нашего сайта. Продолжая использовать этот сайт, вы соглашаетесь с использованием cookie-файлов.
Принять