Материаловедение

Терморезистивные материалы

Терморезистивными материалами называются электропроводящие материалы, у которых проявляется терморезистивный эффект – явление, заключающееся в изменении удельного электрического сопротивления под действием температуры.

Материалы, у которых этот эффект имеет ярко выраженный характер, используются в качестве термочувствительных элементов в датчиках температуры – терморезисторах. Чувствительность терморезистора к изменению температуры характеризуется температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), который представляет собой относительное изменение сопротивления на единицу приращения температуры.

Терморезисторы бывают металлическими и полупроводниковыми. Для тех и других зависимость сопротивления от температуры имеет свои особенности.

Зависимость сопротивления металлов от температуры впервые установил английский физик Х. Дэви в 1821 г., а в 1871 г. немецкий изобретатель и промышленник В. Сименс сделал первый резистивный термометр из платиновой проволоки.

Для большинства металлов ТКС является положительным: их сопротивление растёт с ростом температуры (нагрев на 1 °С увеличивает сопротивление приблизительно на 0,5 %). Зависимость сопротивления от температуры для чистых металлов объясняется зависимостью длины свободного пробега электронов от температуры. Электроны испытывают рассеяние на фононах – тепловых колебаниях кристаллической решетки, причем тем больше, чем выше температура. При этом длина свободного пробега электронов изменяется обратно пропорционально абсолютной температуре.

Металлы, из которых изготавливают терморезисторы, должны иметь большой и постоянный ТКС, а также большое удельное сопротивление; кроме того, их физические и химические свойства должны быть устойчивы при высоких температурах. Для изготовления терморезисторов используют чистые металлы: медь, платину, никель, железо, реже молибден и вольфрам. Наиболее распространенными являются платиновые и медные терморезисторы. Медь по сравнению с платиной обладает меньшим удельным сопротивлением и, кроме того, окисляется при высоких температурах. Вместе с тем она довольно дешевая и ее легко получить в химически чистом виде. Железные и никелевые терморезисторы, хотя и имеют приблизительно в полтора раза большее значение ТКС, чем медные и платиновые, однако применяются реже. Это объясняется тем, что железо и никель сильно окисляются и при этом значительно изменяют свои свойства. Сплавы металлов для изготовления терморезисторов не применяются, поскольку добавление в металл незначительного количества примесей уменьшает ТКС.

В тех случаях, когда необходимо измерять высокие температуры, приходится применять жаропрочные металлы, такие как вольфрам и молибден, хотя терморезисторы из них обладают сравнительно низкой стабильностью рабочих характеристик.

В последние годы все более широкое применение находят полупроводниковые терморезисторы, которые иначе называют термисторами. Для их изготовления используют оксиды марганца, никеля и кобальта, германий и кремний с различными примесями и др. Для термисторов характерны большой ТКС (в десятки раз больше, чем у металлов), простота устройства, способность работать в различных климатических условиях при значительных механических нагрузках, стабильность характеристик во времени. Термистор был изобретён С. Рубеном в 1930 г. в США.

Характерным признаком беспримесных полупроводников, отличающим их от металлов, является отрицательный ТКС; иными словами, в отличие от металлов сопротивление полупроводников уменьшается с ростом температуры. Зависимость сопротивления от температуры для полупроводников объясняется тем, что при повышении температуры всё большее число электронов переходит в зону проводимости и, соответственно, увеличивается концентрация дырок.

По сравнению с металлическими терморезисторами полупроводниковые имеют на порядок больший ТКС (этот коэффициент является отрицательным), однако его значение непостоянно: с ростом температуры ТКС сильно падает.

Если терморезистор нагревать проходящим через него электрическим током, то его температура будет зависеть от интенсивности теплообмена с окружающей средой. Но поскольку интенсивность теплообмена зависит от физических свойств газовой или жидкой среды (например, от теплопроводности, плотности, вязкости), в которой находится терморезистор, а также от скорости перемещения терморезистора относительно газовой или жидкой среды, то это позволяет использовать терморезисторы для измерения таких неэлектрических величин, как скорость, расход, плотность и др.

Схема термоанемометра

Рис. 1. Схема термоанемометра: 1 – платиновая проволока; 2 – манганиновые стержни; 3 – изоляционная втулка; 4 – выводы

На рис. 1 показан возможный вариант применения металлического терморезистора в термоанемометре – устройстве для измерения скорости газового потока. Терморезистор представляет собой тонкую платиновую проволоку 1, припаянную к двум манганиновым стержням 2, закрепленным в изоляционной втулке 3. С помощью выводов 4 терморезистор включается в измерительную схему. Через терморезистор пропускается ток, вызывающий его нагрев. При этом температура и, следовательно, сопротивление терморезистора определяется скоростью газового потока, в который он помещен: чем больше эта скорость, тем интенсивнее отводится теплота от терморезистора.

На аналогичном принципе основано действие электрического газоанализатора. Если два одинаковых терморезистора с собственным нагревом поместить один в камеру, наполненную воздухом, а другой – в камеру, наполненную смесью воздуха с углекислым газом СО2, то из-за различной теплопроводности воздуха и углекислого газа сопротивление терморезисторов будет разным. Поскольку теплопроводность углекислого газа значительно меньше теплопроводности воздуха, то и отвод теплоты от терморезистора в камере с углекислым газом будет меньше, чем от терморезистора в камере с воздухом. По разнице сопротивлений терморезисторов можно судить о содержании углекислого газа в газовой смеси.

Зависимость теплопроводности газа от его давления позволяет использовать терморезисторы с собственным нагревом в электрических вакуумметрах.

Схема вакуумметра с терморезистором

Рис. 2. Схема вакуумметра с терморезистором: 1 – вакуумная камера; 2 – терморезистор

Таким образом, с помощью терморезисторов можно измерять скорости и расход газов и жидкостей, давление и плотность газов, определять содержание газов в смеси. Кроме платины в таких измерительных устройствах используют вольфрам, никель, полупроводниковые материалы.

Особый практический интерес представляют терморезисторы с положительным температурным коэффициентом, изготовленные из полупроводниковой керамики на основе титаната бария BaTiO3. Такие терморезисторы обычно называют позисторами. Позисторный эффект проявляется при температуре, близкой к температуре перехода керамического материала из тетрагональной сегнетоэлектрической в кубическую параэлектрическую фазу. Сущность данного эффекта состоит в резком (на несколько порядков) росте сопротивления керамики при достижении температуры фазового перехода – точки Кюри. Позисторы широко используют в качестве термостатирующих и регулирующих устройств. Одной из наиболее перспективных областей использования позисторов является автомобилестроение (в частности, термостатирование систем топливоподачи автомобильных двигателей, что позволяет существенно снизить расход топлива в зимнее время или использовать зимой летнее топливо, что, в свою очередь, уменьшает токсичность выхлопных газов, способствует увеличению срока службы двигателей).

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *