РЕФЕРАТ

"Высокоомные сопротивления"

2009

1. Высокоомные сопротивления

А) Металлические сопротивления

и) Проволочные сопротивления. В результате производства очень тонкой проволоки из сплавов, имеющих высокое сопротивление, возможно изготовление высокоомных проволочных сопротивлений. Для этой цели применяют проволоку толщиной до 0,01 мм. Проволоку наматывают спирально на шнур из асбеста, шелка или древесной шерсти. Шнур после этого покрывается лаком для предохранения его от влаги и загрязнений. Таким образом изготовляют шнуры, обладающие сопротивлением до 2 10⁶ ом/м. Наматывая много метров такого шнура на изолирующую трубку, например, из пертинакса или закрепляя его как поперечную нитку в тканях, можно получать высокоомные сопротивления до 10⁸ ом, пригодные для работ с высокими напряжениями; чтобы такие сопротивления имели малую самоиндукцию и небольшую собственную емкость, проволоку следует наматывать бифилярно. В качестве материалов для изготовления сопротивлений применяются манганин, константан и нихром. Промышленность выпускает такие сопротивления со следующими данными.

Сопротивление, OMlM

Толщина проволоки,

MM

50 000

0,04

100 000

0,03

1–10°

0,02

2–10»

0,01

6) Кроме того, очень удобны для изготовления высокоомных Проволочных сопротивлений сетки и ленты из витой проволоки, а также специальные ленточные сопротивления. Обычно в таких плоских сетках и лентах через асбестовую ленту, сплетенную широкой петлей, пропускается зигзагообразно тонкая проволока с большим сопротивлением. Сетки и ленты из витой проволоки выпускаются в продажу, различной ширины, с величиной сопротивления до 10000 ом/м. Специальные ленты сопротивления при ширине 3 см выпускаются двух типов: 115000 ом/м и 250000 ом/м.

Б) Сопротивления из тонких металлических слоев

Высокоомное сопротивление можно получить, нанося очень тонкий слой соответствующего металла на хорошо изолирующую* поверхность твердого тела. Самыми известными и надежными сопротивлениями этого типа являются сопротивления Крюгера. Они представляют собой очень тонкие платиновые слои, которые наносятся на пластинки или трубочки из кварца или янтаря катодным распылением или испарением в высоком вакууме – После отложения платиновый слой «старится» при помощи умеренного нагревания. В результате получаются сопротивления с очень постоянной величиной. Такие платиновые сопротивления могут достигать величины 10¹³ ом. Их температурный коэффициент сопротивления – против ожидания – оказывается отрицательным; его значение невелико: от 2 до 4% на 10 градусов.

Подобные сопротивления из платиновых пли серебряных слоев, отложенных на калане, применяются в высокочастотной технике; их сопротивление достигает 10⁹ ом.

В) Полупроводниковые сопротивления

а) Сопротивления с угольным слоем. Очень большое сопротивление имеют слои угля, осажденного на изоляторе. Такие угольные сопротивления очень высокого качества, являющиеся продуктом массового производства, особенно необходимы при монтаже радиоустановок, но одновременно находят очень широкое применение также и в лабораторной практике. В Германии они известны под различными торговыми названиями; их стоимость не выше, чем сопротивлений с металлическими слоями. Следует коротко описать единственный применяемый в настоящее время способ изготовления угольных сопротивлений. В качестве изоляционной подложки употребляются стержни и трубочки из твердого фарфора. В электровакуумных печах они нагреваются до температуры каления и затем при этой температуре вводятся в атмосферу некоторых углеводородов. При этом, благодаря каталитическому действию горячей поверхности фарфора, углеводород разлагается, и получающийся углерод в виде мельчайших кристаллов осаждается на фарфоре. Толщина угольного слоя составляет около 10^-4 мм. На концы фарфоровой подложки надеваются контактные колпачки. Затем весь этот элемент покрывается изоляционным лаком, который, однако, не должен препятствовать охлаждению. Изготовленные таким приемом угольные сопротивления отличаются очень хорошим постоянством, величина сопротивления практически совершенно не зависит от напряжения. Их температурный коэффициент отрицателен, его значение невелико: при изменении температуры на 10° величина сопротивления изменяется на 0,2–0,3%.

Сопротивления «Сименс-Карбо» с сплошным угольным слоем изготовляются весьма различной величины, от 20 до 10⁵ ом. Но если па фарфоровом цилиндре отложить слой угля в виде винтовой линии с малым шагом, то можно получить сопротивление до 150 Мом. При стандартном способе изготовления угольных сопротивлений нх величина может отклоняться от номинального значения не более чем на ±5%. При специальных методах изготовления это отклонение гарантируется в пределах ±1%. Кроме того, угольные сопротивления изготовляются на различные нагрузки от 0,5 До 200 ст.

Во всех случаях, когда можно допустить более высокие отклонения от номинального значения сопротивлений, применяют преимущественно дешевые, предназначенные для радиоаппаратуры угольные сопротивления с точностью ±10% и для нагрузок от 0,05 до 1 его. Эти сопротивления выпускаются величиной от 100 до 5 · 10⁶ ом.

Наконец, следует еще указать, что при помощи особых методов удается изготовить угольные сопротивления величиной до 50000 Mом.

6) Сопротивления с бороувольным слоем. Если раскаленный фарфоровый цилиндр ввести в атмосферу из смеси углеводородов и соединений бора, то получается бороугольное сопротивление; оно имеет величину значительно большую, а температурный коэффициент значительно меньший, чем соответствующие угольные сопротивления.

в) Сопротивления с германиевым слоем. Тонкие слои германия, нанесенные на внутреннюю поверхность стеклянных трубочек, дают весьма постоянные высокоомные сопротивления, имеющие широкое применение. Слои германия наносятся следующим приемом: трубочку из твердого стекла, откачанную и обезгаженную нагреванием, заполняют смесью 25% газообразного GeH₄ и 75% водорода. При нагревании до температуры выше 370 °С GeH₄ разлагается, и на внутренней стенке трубочки осаждается тонкий слой германия. После продолжительной процедуры старения эти сопротивления практически не меняются. Величины их сопротивлений при комнатной температуре лежат в пределах от 1000 ом до многих мегом. Температурный коэффициент сопротивления лежит в пределах от 0,1 до 0,3% на градус. Если осаждать слои германия на стеклянные трубочки, покрытые предварительно тонким слоем серебра, то сопротивления получаются по величине малыми, но с температурными коэффициентами, меньшими 0,1% на градус.

г) Сопротивления из окиси меди, окиси урана и урдокса. Эти термочувствительные сопротивления изготовляются с значениями сопротивлений до 10⁵ ом при 20 С. Так как они имеют очень высокие отрицательные температурные коэффициенты, то применяются преимущественно как элементы автоматических регуляторов, например, как пусковые или предохранительные сопротивления, регуляторы температуры и приборы для измерения температур. CuO-сопротивления имеют наибольший температурный коэффициент – 2,6% на градус. Их максимальная рабочая температура 220° С, превышение ее не допускается. Они выпускаются только для нагрузок 1,2 и 4 вт. сопротивления и урдокс-сопротивления необходимо помещать в стеклянные колбы, эвакуированные или наполненные инертным газом, так как при высоких температурах в этих сопротивлениях под действием кислорода воздуха обычно происходят химические изменения. Стеклянные колбы снабжаются нормальными цоколями, применяемыми для радиоламп. Такие ИОг-сопротивлепия могут работать при температурах не выше 600° С, а урдокс-сопротивления – не выше 500° С. Температурный коэффициент для иОг-сопротивле-ния равен – 1,5% на градус, а для урдокс-сопротивления – от –1,3 до –2,3% на градус.

Г) Высокоомные жидкостные сопротивления

В качестве высокоомных сопротивлений можно также применять некоторые жидкие растворы. Однако сопротивления такого типа на практике применяются редко, так как они имеют несколько крупных недостатков. В жидкостных сопротивлениях наблюдаются более пли менее ярко выраженные поляризационные явления, так что величина их сопротивления колеблется. Кроме того, температурный коэффициент таких сопротивлений обычно очень велик. С повышением температуры величина сопротивления их резко падает.

а) Сопротивление Геманта 17]. Это сопротивление является, пожалуй, самым употребительным жидкостным высокоомным сопротивлением. Гемант применяет в качестве изолирующей жидкости бензол, содержащий 0,7% пикриновой кислоты, и добавляет к нему этиловый спирт; в результате возникает определенная концентрация ионов, причем постоянно обеспечивается достаточный ионный резерв, так что проводимость раствора следует закону Ома. Это имеет место, пока напряженность поля меньше 3000 в/см. Удельное сопротивление раствора увеличивается с уменьшением содержания этилового спирта по логарифмическому закону.

Сосудом для сопротивления служит стеклянная трубка, в которую впаяны платиновые электроды, покрытые платиновой чернью.

Заплавлять или заклеивать стеклянную трубку следует очень осторожно, так как пикриновая кислота является взрывчатым веществом. Сопротивления Геманта служат удобными добавочными сопротивлениями при исследованиях газовых разрядов. Они выдерживают продолжительную токовую нагрузку от 10^-5 до 10^-4 а. Если в раствор Геманта добавить от 10 до 20% фенола, то температурный коэффициент сопротивления становится настолько малым, что практически его можно не принимать во внимание.

б) Сопротивление Mанъянини. В 1 л дистиллированной воды растворяется 121 г. маннита, 41 г. борной кислоты и 0,06 г. хлористого калия. Удельное сопротивление 1300 ом см, температурный коэффициент 0,2% на градус.

в) Сопротивление Гитторфа. Концентрированный раствор йодистого кадмия в амиловом спирте; амальгамированные кадмиевые электроды. Удельное сопротивление 25000 ом см.

г) Сопротивление Кэмпбелла. Раствор из 90% технического ксилола и 10% не содержащего воды абсолютного этилового спирта; платиновые электроды, покрытые платиновой чернью. Удельное сопротивление IO¹⁰Ojh · см, температурный коэффициент 1% на градус.

д) Сопротивление Роллефсона. 2–10% раствор йода в бензине. Удельное сопротивление от 1 до 5 · IO^u ом · см, температурный коэффициент около 1% на градус.

е) Сопротивление Либби. 7% раствор изопропилового спирта в пентане.

ж) Применение электродных ламп в качестве сопротивлений. Рицлер для работы со счетчиками с острием и с обычными счетчиками применял в качестве высокоомных сопротивлений электронные лампы, работающие с недокалом.

Изоляторы

Оценивая пригодность какого-либо изолятора, надо знать, прежде всего, его удельное сопротивление, затем сопротивление на пробой и, наконец, величину диэлектрических потерь. Удельное сопротивление изоляторов, применяемых в электростатике, должно быть выше IO¹⁵ ом ■ см. Далее, всегда надо следить за чистотой поверхности изолятора, удаляя с нее проводящие поверхностные слои. Сопротивление на пробой имеет значение исключительно при работах с высоким напряжением. Диэлектрические потери играют совершенно особую, решающую роль в высокочастотной технике.

Для физика-экспериментатора, кроме электрических свойств изолятора, имеют значение также и его механические свойства и особенно возможность механической обработки материала изолятора и его механическая прочность. Поэтому при дальнейшем описании изоляторов, которые применяются или пригодны для применения в лабораторной практике, будут указываться эти свойства.

А) Твердые изоляционные материалы, хорошо поддающиеся обработке

а) Янтарь. Самым совершенным и прочным изоляционным материалом является янтарь. Природный янтарь полностью проявляет свои изоляционные свойства, чего нельзя сказать о прессованном. Удельное сопротивление при 20° С равно IO¹⁸ ом и больше, но сопротивление пробою по сравнению с этой величиной незначительно. Для высоких частот янтарь непригоден, так как имеет большие диэлектрические потери.

Механическая прочность природного янтаря несколько выше, чем прессованного, однако в обоих случаях она достаточна для тех нагрузок, которые имеют место в лабораторных условиях. Янтарь очень хорошо поддается механической обработке, например токарной, сверлению и полировке. Сверлить надо осторожно, так как в янтаре легко образуются трещины. Незначительно янтарь растворяется только в этиловом спирте, амиловом спирте, серном эфире, ацетоне, хлороформе, скипидаре и бензоле.

Для получения высоких изолирующих свойств поверхности янтарных изоляторов должны быть хорошо отполированы; их следует поддерживать в сухом состоянии, протирая спиртом.

б) Эбонит. К эбониту как к изолятору при работах со статистическим электричеством следует относиться с большой осторожностью. В частности, под действием коротковолновых лучей, например, под действием солнечного света, поверхность эбонита, очень быстро окисляясь на воздухе, покрывается налетом сернистых кислот. В результате этого появляется значительная поверхностная электропроводность. Поэтому эбонитовые изоляторы должны иметь хорошо отполированную поверхность, которую необходимо периодически промывать спиртом. Чистый эбонит имеет удельное сопротивление в пределах от IO¹⁷ до IO¹⁸ ом ■ см. Пробивное напряжение высокое. Однако диэлектрические потери так велики, что применение в высокочастотной технике исключается.

Механическая прочность эбонита достаточная. Он хорошо поддается механической обработке. Несмотря на хорошие изоляционные свойства, эбонит все более вытесняется новыми искусственными веществами, имеющими часто еще лучшие свойства.

в) Искусственные вещества.

Изоляционные материалы, отличающиеся исключительно хорошими электрическими и механическими свойствами, изготовляются в настоящее время промышленностью искусственных материалов.

1) Полистирол. Вероятно, самым совершенным исходным веществом для изоляторов из искусственных материалов является полистирол. Под принятым в практике названием тролитул подразумевается полистирол, изготовленный в форме пластин и стержней. Тонкая изолирующая полистироловая пленка известна под названием стирофлекс. Полистирол при применении его в высоковольтных устройствах и на высоких частотах обладает по сравнению с эбонитом существенными преимуществами. Его удельное сопротивление при 20° С достигает IO¹⁷–IO¹⁸. Помимо этого, он отличается высоким пробивным напряжением – до 500 кв/см. Небольшой коэффициент диэлектрических потерь – около 0,2 X XlO^-3 при IO⁶ гц – позволяет применять его также для высокочастотных работ. Тролитул отлично обрабатывается. Кроме того, он совершенно не впитывает влаги, так что его изоляционные свойства остаются исключительно хорошими и во влажной атмосфере. Так как по механической прочности он превосходит янтарь, то его можно считать полноценным заменителем янтаря.

2) Поливинилхлорид. Этот искусственный материал также обладает очень хорошими электрическими и механическими свойствами, хотя и уступает в этих отношениях полистиролу.

Под названием твердый миполам в продажу выпускается искусственный материал, который состоит из поливинилхлорида; он поступает в продажу в форме пластинок, круглых заготовок и трубок. Его удельное сопротивление при 20° С составляет IO¹' ом · см и выше. Пробивное напряжение достигает 500 кв/см. Но коэффициент диэлектрических потерь большой, и это делает материал непригодным для применения в высокочастотных работах. Миполам очень хорошо поддается механической обработке и обладает высокой механической прочностью. Однако он поглощает небольшое количество влаги, что снижает его изоляционные качества.

Винидур является изолирующим материалом, электрические и механические свойства которого соответствуют свойствам миполама. Он также состоит из поливинилхлорида, поступает в продажу в форме пластин, стержней, труб н пленки.

3) Политетрафторэтилен. Это искусственное вещество, поступившее в продажу под названием тефлона лишь в последние годы, наряду с весьма хорошими электрическими и механическими свойствами обладает еще очень высокой теплостойкостью. Оно выдерживает без осложнений нагревание до примерно 400° С.

Его удельное сопротивление несколько ниже, чем у поливинилхлорида, а пробивное напряжение достигает также 500 кв/см. Диэлектрические потери даже на самых высоких частотах очень малы, так что в технике сверхвысоких частот тефлон является отличным изолирующим материалом. Тефлон очень хорошо поддается механической обработке, прочность его весьма велика.

4) Полиэтилен. Этот материал имеется в продаже в форме пластин и пленок двух сортов под торговыми названиями луполен N р Н. Наряду с хорошими изолирующими свойствами луполен обладает высоким пробивным напряжением и очень малым коэффициентом диэлектрических потерь даже на самых высоких частотах.

Луполен хорошо обрабатывается. Другим его преимуществом является малое поглощение влаги, так что его изолирующие свойства сохраняются и во влажной атмосфере.

5) Ацетил целлюлоз а, нитроцеллюлоза, б е н з и л ц е л л ю л о з а. Пз этих органических соединений путем их переработки получается ряд хороших искусственных изоляторов, из которых в продаже имеется материал под названием тролит. Тролит изготовляется в форме пластинок, стержней и трубот; при хорошей механической прочности он очень хорошо обрабатывается. Величина удельного сопротивления ~10¹⁵ ом-см. Пробивное напряжение достигает 450 кь/см. Однако диэлектрические потери так велики, что для высокочастотных работ тролит не применяется.

6) Плексиглас, или полиметилметакрилат, имеет удельное сопротивление порядка IO^is. Его пробивное напряжение лежит между 400 и 450 кв/см. Для высокочастотных работ он не применяется вследствие большого коэффициента диэлектрических потерь. Изготовляется в форме листов, круглого материала и труб. Отлично поддается механической обработке и обладает хорошей механической прочностью. Плексиглас заметно абсорбирует воду.

7) Продукты из феноловых и карбамидиы X смол. Изготовляемые па этих основах искусственные материалы применяются во всех тех случаях, когда не требуется особенно высоких изоляционных свойств. Чаще всего смолой пропитывают бумажные ленты, складывают их в несколько слоев и спрессовывают йод большим давлением. Такого типа изоляторы из твердой бумаги имеют удельное сопротинлепие от 10¹² до 10¹⁴ ом см. Их пробивное напряжение лежит между 200 и 350 кв/см, диэлектрические потери велики. Твердая бумага в виде листов и труб, обладающая хорошей механической прочностью и хорошо поддающаяся механической обработке, имеется в продаже. Одним из самых известных сортов твердой бумаги является пертииакс. On представляет собой твердую бумагу, пропитанную феноловой смолой и спрессованную.

Другим легко обрабатываемым материалом, изготавливаемым на основе карбамидных смол, является поллопас. Этот прессованный материал выпускается в виде пластин, труб и стержней. Его изолирующие свойства невысоки.

Очень хорошая изоляционная масса получается, если слюду, расщепленную на тонкие листочки, смешать с искусственной смолой в качестве связующего вещества и затем спрессовать в плотную массу. Изоляционный материал этого вида имеет удельное сопротивление около 10¹⁵ см при хороших значениях пробивного напряжения и малых диэлектрических потерях. Он поступает в продажу под названием миканит в виде листов и труб, хорошо поддающихся механической обработке. Миканит обладает также и высокой теплостойкостью.

Б) Твердые изоляционные материалы, плохо поддающиеся обработке

а) Плавленый кварц, имеющий удельное сопротивление менаду 10¹¹ и IO¹⁸ еж · см при 20 °С, является превосходным изолятором. Единственным недостатком его является невозможность механической обработки. Пробивное напряжение не очень велико – т – от 100 до 150 кв/см. Коэффициент диэлектрических потерь при 10⁶ гц составляет только 0,1 · 10¹³. Кварц является идеальным изолятором для высокочастотных работ. Из кварцевого порошка с полистиролом в качестве связующего вещества изготовляются заготовки различной формы; этот материал называется аменитом, заготовки из него применяются в высокочастотной технике.

б) Фарфор. Твердые фарфоры, изготовляемые для различных электротехнических целей, вследствие относительно небольшого удельного сопротивления малопригодны для лабораторных работ со статическими зарядами. С повышением температуры удельное сопротивление фарфора быстро падает. Для высокочастотных работ фарфор также малопригоден.

в) Керамические диэлектрики для высокочастотной техники отличаются очень малыми диэлектрическими потерями и высокой диэлектрической постоянной. Удельное сопротивление этих материалов имеет среднюю величину. Они выпускаются в виде специальных керамических масс, в состав которых входят магний и кремний, рутил и титан. Вследствие их твердости они не поддаются механической обработке и поэтому применяются только в виде готовых изделий.

г) Стекла. Все сорта стекла можно рассматривать только как посредственные изоляторы. При повышении температуры изоляционные свойства стекла быстро падают. Все стекла в большей или меньшей степени обладают одним крайне неприятным свойством – па их поверхности образуется водяная пленка. Поэтому для улучшения изоляционных свойств стеклянных изоляторов рекомендуется покрывать их поверхность топким слоем шеллака или янтарного лака. Диэлектрические потери у стандартных сортов стекол очень велики, однако пробивное напряжение является высоким.

Специальным стеклом с малыми диэлектрическими потерями и высоким пробивным напряжением является стекло минос.

д) Слюда. Обладая весьма малыми диэлектрическими потерями, слюда является очень подходящим для высокочастотных исследований изолятором. Ее пробивное напряжение очень велико. В зависимости от происхождения слюда обладает весьма различными изоляционными качествами. Ее удельное сопротивление при комнатной температуре лежит в пределах между 10¹³ и 10¹⁷ ом · см; при повышении температуры эта величина быстро уменьшается. Неприятным свойством слюды является ее легкая расщепляемость, что затрудняет возможность ее обработок.

е) Поливинилкарбазол под торговым названием лувикан применяется для изготовления очень хорошо изолирующих спрессованных или литых под давлением деталей с высокой теплостойкостью. Его пробивное напряжение велико, а коэффициент диэлектрических потерь мал. Поэтому он может применяться в высокочастотной технике.

В) Пластические изолирующие вещества, смолы, воск и, тонкие пленки

а) Суперполиамид. Это похожее на роговицу вещество изготовляется для электрических целей в форме труб, шлангов и фольги. Торговые названия: игамид и лупамид. Удельное сопротивление близко к 10¹⁴. Большие диэлектрические потери препятствуют применению этого материала при высоких частотах.

б) Полиизобутилен. Этот продукт, изготовленный в виде изолирующей пленки, обозначается как опаноль С. Он весьма пригоден для применения в высокочастотной технике вследствие незначительных диэлектрических потерь. Удельное сопротивление равно примерно 10¹⁵ ом · см; пробивное напряжение велико.

в) Воски, смолы, парафин и церезин являются превосходными изоляторами, если освободиться от незначительного количества кислоты, содержащейся в них; для этого достаточно кипячения в воде. Точно так же хорошо изолирует шеллак; пользуясь им, можно наносить прочные, хорошо изолирующие защитные слои на поверхностях, например, стеклянных изоляторов. Далее можно назвать в качестве хороших изоляторов канифоль, сургуч и пицеин.

Прекрасно изолирующей твердой смолой является аральдит, из которого можно получать очень теплостойкие детали, добавляя к нему некоторые отвердители. Для работы на высоких частотах из-за большой величины диэлектрических потерь этот материал непригоден.

Здесь следует также назвать бакелитовые смолы и клеи на основе фенолальдегидных смол. Их изолирующие свойства не очень хороши.

г) Тонкие изолирующие пленки. Если необходимо получить тонкий изолирующий слой на поверхности, например, какого-либо твердого тела, то этого можно достичь очень простыл! приемом.

Достаточно, нагрев поверхность тела до 40–50° С, погрузить ее затем на короткое время в слабый раствор изолирующего лака в ацетоне.

Новыми весьма хорошо изолирующими лаками являются силиконовые лаки. Изготовленные из них изолирующие пленки обладают высоким пробивным напряжением. Кроме того, коэффициент их диэлектрических потерь очень мал.

Очень подходящим для этой цели является раствор цапонлака или универсального клея в ацетоне.

Точно так же, погружая различные детали в смолообразующие органические жидкости, такие, как пиперидин, хиполин, пиридин или триэтаноламин, можно получать па поверхности деталей изоляционные слои с высокой пробивной прочностью.

Блэкберн и Сэслоу пользовались для получения поверхностных изоляционных слоев горячими слабыми растворами поливинилового спирта, поливинилацетата или ацетилцеллюлозы.