ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ТВЕРДЫХ И ЖИДКИХ ПРОВОДНИКОВ
17 июня, 2016 
Oleg Maloletnikov Электрический ток, проходя через проводник, нагревает его по закону Джоуля — Ленца. Выделение тепла при нагреве происходит по всему объему, пронизываемому током. Нагрев за счет сопротивления проводников отличается от действия таких источников тепла, как газовое пламя, дуга и др.
В простейшей форме механизм сопротивления проводника и выделение в нем тепла при протекании тока можно представить следующим образом. Свободные электроны проводника под действием приложенного напряжения приобретают ускорение и дополнительный запас кинетической энергии. Двигаясь между атомами, составляющими структуру проводника, некоторые электроны сталкиваются с атомами и передают им часть своей кинетической энергии. Это приводит к усилению тепловых колебаний атомов проводника, т. е. к повышению его температуры.
Наличие в металле проводника искажений решетки и несовершенств всякого рода увеличивает вероятность столкновения электронов с атомами, т. е. повышает сопротивление проводника, В частности, к числу факторов, увеличивающих сопротивление металлических проводников, относятся упругие искажения решетки, все виды дислокаций, внедрения чужеродных атомов в кристаллическую решетку и другие дефекты.
Сопротивление металлических проводников выражается известной формулой
г— р-^-ОЛ2, (III.26)
где р — удельное сопротивление металла, ом • см
I — длина проводника, см;
s — площадь поперечного сечения проводника, см".
Для некоторых металлов и сплавов значения р при температуре 18—20 °С даны ниже:
Материал рхЮ°,
ом-см
Алюминий.............................. 2,7—2,8
Железо................................... 9,9—10
Малоуглеродистая сталь. . 12—15
Медь....................................... 1,7—1,75
Никель.................................... 7,4—9
Нихром.................................. 100—110
Влияние температуры на удельное сопротивление. Для чистых немагнитных металлов сопротивление с повышением температуры растет приблизительно по линейному закону:
Рг - Ро (1 + «Т), (И 1.27)
где рг — удельное сопротивление при Т °С, ом • см;
р0 — то же при О °С, ом • см;
а — температурный коэффициент электрического сопротивления, 1/°С; в среднем
Т — температура нагрева проводника, °С.
Для ферромагнитных металлов, а также для сплавов (например, сталей) зависимость сопротивления от температуры гораздо более сложная.
На рис. 41 показаны кривые рг — / (Т) для чистого железа (1), малоуглеродистой стали (2) и аустенитной нержавеющей стали 1Х18Н9 (5).
Существуют сплавы, для которых значение а близко к нулю.
Сопротивление контакта. Если пропускать электрический ток через сжатые детали, то в месте соприкосновения их будет наблюдаться значительное падение напряжения. Это результат контактного сопротивления. Последнее зависит от сужения линий тока, от характера механической обработки соприкасающихся деталей, величины давления в контакте, а также от температуры и потому меняет свое значение в весьма широких пределах.
Поверхность деталей имеет выступы и впадины. Поэтому при сближении детали соприкасаются лишь в отдельных точках. Суммарная площадь контактирующих участков значительно меньше сечения всего проводника. Поверхность их, к тому же, не всегда бывает идеально чистой. Загрязнение ее оксидами, маслами и т. п. в общем приводит к увеличению сопротивления контакта. Величина контактного сопротивления Rк зависит также от свойств металла и давления, приложенного в контакте. С ростом давления часть выступов сминается, площадь соприкосновения деталей увеличивается, окисные и другие пленки на поверхности разрушаются, что в конечном счете приводит к падению контактного сопротивления.
Для определения RK опытным путем была выведена формула * = ~- ом, (111.28)
где л< — контактное сопротивление при Р = 1 кГ (находится опытным путем), ом;
Р — сила сжатия, кГ
а — показатель, зависящий от металла и состояния его поверхности; величина а колеблется в пределах 0,5—1,0.
Следует обратить внимание, что сопротивление контакта почти не зависит от его кажущейся площади.
 |
 |
Удельное контактное сопротивление для стальных пластин с тщательно очищенной поверхностью гк — 0,004 - f- 0,006 ом, а для алюминиевых ставов гк = 0,001 - н 0,0015 ом.
Рис. 42. Кривые зависимости контакт - Рис. 43. Кривые
ного сопротивления малоуглеродистой зависимости элект-
стали от температуры и сжатия. ровной (2, 2‘) и
ионной (/, /') про-
„ водимостей шлака
Сопротивление контакта очень сильно от содержания в нем
изменяется при его нагреве. С увеличением FeO. температуры контакта сопротивление слоя
металла вблизи контактирующей поверхности увеличивается и, казалось бы, следовало ожидать повышения общего сопротивления. Однако в действительности снижается предел текучести металла, сминаются выступы на поверхностях контакта, растет площадь контактирующих участков и общее сопротивление в контакте падает.
Зависимость контактного сопротивления малоуглеродистой стали от температуры и сжатия показана на рис. 42. Для других материалов, например для алюминиевых сплавов, кривые RK — — f (Г) имеют примерно такой же характер.
Сопротивление жидких проводников. Жидкими проводниками электрического тока в условиях сварки чаще всего служат расплавленные металлы и различные шлаки.
Тепло, выделяющееся при протекании тока через расплавленный металл или шлак, для ряда способов сварки играет существен
ную роль в тепловом балансе всего процесса. Так, при сварке пол флюсом электрическая дуга всегда шунтируется расплавленным шлаком, вследствие чего часть электрической мощности неизбежно расходуется на его перегрев. Если электропроводность шлака велика, часть тока, протекающего через него, увеличивается настолько, что тепловой баланс дуги нарушается и поддержание устойчивого горения ее становится невозможным. Еще большее значение имеет тепло, выделяющееся при протекании тока через шлак, для электро - шлаковой сварки. Механизм протекания тока в жидких металлах и шлаках различен и потому их сопротивление меняется по разным законам — в зависимости, например, от температуры.
Перенос электрического заряда в жидких металлах осуществляется свободными электронами таким же путем, как и в твердых металлических проводниках. Подтверждением однотипности этого механизма в твердых и жидких металлах служит отсутствие скачка на кривой электропроводности в области температур перехода металла из твердого состояния в жидкое. Сопротивление жидких металлических проводников, как и твердых, увеличивается с повышением температуры.
Природа проводимости расплавленных шлаков весьма сложна. Большинство исследователей считает, что наряду с ионной проводимостью, которая характерна для жидких шлаков как электролитов, в них имеет место и электронная, а также некоторые другие виды проводимости. Преобладание того или иного механизма протекания тока зависит прежде всего от химического состава шлаков. На рис. 43 показан характер изменения ионной (кривые 1,1') и электронной (кривые 2,2') проводимостей шлака в зависимости от'со- держания в нем FeO (кривые 1, 2 — приcaQ_|_siO = 0,2; 1',2'— при
|
|
С увеличением температуры ионная составляющая электропроводности расплавленных шлаков увеличивается, чему способствует уменьшение вязкости шлаков и повышение подвижности ионов. Вследствие этого с ростом температуры жидких шлаков удельное сопротивление их обычно снижается, тогда как для металлических проводников оно возрастает. Важно отметить, что общая электропроводность расплавленных сварочных флюсов сильно повышается с увеличением содержания в них фторидов (CaF2, NaF, Na3AlFe и др.), образующих легкоподвижные ионы, и уменьшается от внедрения в расплав сложных малоподвижных анионов типа SWV-, Мп*СУ~, А120з- и т. п.
На’рис. 44, а приведены результаты исследований характера изменения общей электропроводности для некоторых фторидних и силккомарганцевых расплавленных флюсов в зависимости от температуры. Видно, что с повышением температуры электропровод-
|
|
|
 |
|
|
|
|
|
|
Опубликовано в