Удельное сопротивление нихромовой проволоки
Содержание
В далёком 1906 году металлург Альберт Лерой Марш и предприниматель Уильям Хоскинс изобрели и запатентовали сплав, который мог выдержать не только высокую температуру, но и отличался высокой прочностью. Они использовали соединение никеля и хрома. Однако, проведя немалое количество экспериментов, поняли, что двух элементов недостаточно, чтобы добиться такого сплава, из которого впоследствии получится сделать проволоку с высоким удельным сопротивлением. Было решено добавить в этот сплав марганец (Mn), алюминий (Al), кремний (Si) и железо (Fe). Изначально он получил название хромель, а чуть позже его переименовали в нихром.
Удельное сопротивление и свойства
У любого материала есть своё удельное сопротивление и нихром не исключение. Более того, у нихрома эта характеристика довольно высокая. Убедиться в этом поможет специальная таблица с удельными сопротивлениями некоторых веществ. Это уже экспериментально выведенные значения, которые помогают в расчётах. Здесь учитываются параметры при комнатной температуре. И это не случайно, поскольку ρ зависит от температуры. Если вещество находится в условиях низкой температуры, то и характеристика его будет в 10 раз меньше. Поэтому зачастую температуру указывают для большей точности.
Как видим, у разных веществ разное удельное сопротивление. Самое маленькое значение имеет серебро. У нихрома (Ni-Cr) при температуре 20 градусов удельное электрическое сопротивление составляет 1.1 Ом*мм2 на 1 м. То есть, если мы возьмём 1 метр нихромового провода с поперечным сечением 1 кв. мм, то его ρ будет равно 1.1 Ом. Стоит отметить, что у любого сплава удельное сопротивление всегда выше, чем у чистого материала.
Конечно, можно заметить, что есть и другие вещества с большим сопротивлением. Однако, чем же хорош нихром? А тем, что он не боится нагрева до высоких температур. Если нагреть этот проводник до 1000 градусов, то он покроется тонкой окисной плёнкой, которая позволяет нагревать нихромовую нить на открытом воздухе. То есть, нихром имеет большую химическую стойкость и высокое удельное сопротивление. Медь и железо при такой температуре покрываются окислом, поэтому повторно использовать эти материалы, даже после лужения, будет невозможно.
Примечательно, что чем выше температура нагрева, тем больше удельное сопротивление нихрома. Но, как и у любой другой проводник, нихромовая проволока имеет свой температурный предел. Опять же здесь стоит опираться на марку нихрома.
В таблице можно заметить одну закономерность: прямая зависимость удельного сопротивления от нагрева характерна только для нихрома, содержащего большое количество железа — это X15H20 (ферронихром). Железа (Fe) в этом сплаве примерно 25%. Его удельное сопротивление с повышением температуры растёт. А вот сопротивление сплавов Х20H80 с содержанием железа 6.3% и Nikrothal 80, где железа не более 2%, от температуры мало зависит, особенно в диапазоне от 400 до 900 градусов. Температура плавления нихрома также зависит от марки и колеблется от 1100 до 1400 градусов.
Расчёт сопротивления
Сопротивление зависит от материала, из которого изготовлен проводник, а также от диаметра и длины этого проводника. Поэтому для вычисления R важно знать геометрические параметры и марку материала. Если опираться на формулу, выведенную ещё в 1826-м году Георгом Омом, то получим:
Из этой формулы легко находится удельное сопротивление:
Чтобы было более понятно, можно привести пример с кубом, длина ребер которого 1 метр. Через этот куб мы пропускаем ток. Нам известно напряжение на его гранях. Зная параметры тока и напряжения, можно определить сопротивление (R = U/I). Если обратиться к формуле R = ρ * L/S, то можно заметить, что удельное сопротивление численно равно R куба с ребром в 1 метр.
С помощью приведенной выше формулы несложно вычислить сопротивление любого проводника. Например, если поставлена задача определите сопротивление нихромовой проволоки длиной 40 метров и площадью поперечного сечения S = 0.5 кв. мм, то сначала необходимо перевести мм в м: 0.5 = 0.5 * .
Затем из таблицы находим удельное сопротивление нихромовой проволоки. Теперь выполняем расчет, подставив в формулу сопротивления известные нам значения:
Если взять два проводника одинаковой длины, но разных диаметров, то сопротивление проводника с большим диаметром будет меньше. Поэтому можно сделать вывод, что сопротивление не всегда зависит от длины. И тому есть доказательство — таблица со значениями сопротивления в зависимости от диаметра для одного метра нихромовой проволоки.
Если обратить внимание на значение диаметра и сопротивления, то можно увидеть закономерность, что показания R становятся меньше с увеличением диаметра. Такая же тенденция наблюдается и для одного метра нихромовой нити.
Чтобы было более понятно, можно воспользоваться аналогией с трубопроводом. Если диаметр трубы на каком-то участке меньше, то напор воды увеличивается. Если же диаметр трубы больше, то напор уменьшается, поскольку нет препятствия для нормального прохождения воды. Точно такие же законы действуют и в электричестве.
Где применяется нихром
Нихром является прочным, термостойким сплавом. Из него изготавливают листы, ленты, провода и нити. Даже при сильном колебании температуры этот проводник не теряет своих физических свойств. Поэтому чаще всего его используют при производстве электронагревательных устройств:
- Паяльников (нихромовое жало).
- Стайлинговых приборов (фены, плойки и т. п.).
- Автомобильных свеч.
- Электронных сигарет.
- Электрических духовок.
Из нихрома наматывают спирали в электрических конвекторах, которые мы используем дома, когда нам холодно. Если сделать такую спираль из меди, то потребуется очень длинный провод и при подключении это может привести к короткому замыканию. Длина нихромового проводника для аналогичного применения будет в 60 раз меньше.
Есть и нетипичное использование данного материала. Некоторые мастера используют нихромовую нить для выжигания и вырезания узоров по дереву. При этом нет необходимости дополнительно обрабатывать поверхность дерева.
За счёт химической стойкости Ni-Cr никогда не ржавеет. Поэтому этим сплавом покрывают болты и ножи, предназначенные для бытовой техники (блендеры, комбайны, мясорубки и т. п.).
Как отличить нихром от нержавеющей стали
Сплав пользуется популярностью благодаря коррозионной стойкости. Его относят к группе нержавеющих материалов. Отличить нихром (Ni-Cr) от обычной нержавеющей стали (X5CrNi18–10) на первый взгляд довольно трудно, поскольку эти материалы по внешним характеристикам практически не отличаются. Для этого необходимо проверить оба материала на искру посредством обычного точильного камня. Нержавеющая сталь при поднесении к камню будет искрить, а нихром просто раскаляться. Всё это благодаря термическому коэффициенту, которым наделён этот сплав.