Konstantan

Definition und Zusammensetzung

Konstantan ist eine Kupfer-Nickel-Legierung und zugleich ein Markenname der VDM Metals, vormals ThyssenKrupp VDM GmbH. Die Legierung besteht im Allgemeinen aus 55 % Kupfer, 44 % Nickel und 1 % Mangan. In der angegebenen Zusammensetzung werden 53…57 % Kupfer, 43…45 % Nickel, 0,5…1,2 % Mangan und weniger als 0,5 % Eisen als Restanteil genannt.

Wichtig ist Konstantan vor allem, weil sein spezifischer elektrischer Widerstand über weite Temperaturbereiche annähernd konstant bleibt. Der spezifische elektrische Widerstand gibt an, wie stark ein Material den elektrischen Stromfluss behindert. Für Konstantan werden ρ = 4,9 · 10^{−7} Ω·m bei 20 °C und ρ = 5,1 · 10^{−7} Ω·m bei 600 °C angegeben. Der Widerstands-Temperaturkoeffizient, also die Änderung des Widerstands bei Temperaturänderung, beträgt α = 0,00001 K^{-1} bei 20 °C.

Eigenschaften

Konstantan hat eine Dichte von ρ = 8,9 g·cm^{−3}. Die spezifische Wärmekapazität, also die Wärmemenge, die nötig ist, um ein Kilogramm des Stoffes um 1 Kelvin zu erwärmen, beträgt c = 410 J/(kg·K). Die Wärmeleitfähigkeit beträgt λ = 23 W/(m·K), die elektrische Leitfähigkeit κ = 2 m/(Ω·mm²).

Weitere Kenndaten sind ein Elastizitätsmodul von E = 180 kN/mm², ein Schmelzpunkt von 1280 °C und ein Siedepunkt von ca. 2400 °C. Diese Werte beschreiben mechanische und thermische Eigenschaften der Legierung, etwa ihre Steifigkeit sowie die Temperaturen, bei denen sie schmilzt oder siedet.

Markenname

Der Markenname Konstantan wurde am 25. Januar 1941 beim Deutschen Patent- und Markenamt angemeldet. Er ist inzwischen als Bezeichnung für diese Kupfer-Nickel-Legierung in den allgemeinen Sprachgebrauch übergegangen. Im englischen Sprachraum ist der Name in der Schreibweise Constantan geschützt.

Erfunden wurde Konstantan von Edward Weston (1850–1936). Ein anderer Markenname für eine sehr ähnliche Legierung ist Isotan von der Isabellenhütte Heusler; dieser Name wurde erstmals am 10. April 1952 angemeldet.

Grund für den fast konstanten Widerstand

Die geringe Temperaturabhängigkeit des spezifischen elektrischen Widerstands hängt fast ausschließlich mit der hohen Störstellendichte im Kristallgefüge der Legierung zusammen. Störstellen sind Unregelmäßigkeiten im Aufbau eines Kristalls. Ihre Dichte hängt zwar ebenfalls von der Temperatur ab und steigt bei zunehmender Temperatur langsam, aber wegen der großen Zahl solcher Störstellen bestimmen sie hauptsächlich die Elektronen-Streuungen.

Dadurch spielen andere temperaturabhängige Streuprozesse, etwa Elektron-Elektron-Streuungen oder Elektron-Phonon-Streuungen, eine geringere Rolle. Elektron-Phonon-Streuung bedeutet, dass Elektronen durch Gitterschwingungen im Material beeinflusst werden. Eine ähnliche Eigenschaft wird für die Legierung Kanthal genannt.

Verwendung

Wegen seines kleinen Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstands wird Konstantan für Präzisionswiderstände und Messwiderstände verwendet. Präzisionswiderstände sollen einen möglichst genau bekannten Widerstand haben; Messwiderstände dienen dazu, elektrische Größen zuverlässig zu messen.

Außerdem werden Schiebewiderstände und Heizwiderstände aus Konstantan hergestellt. Bei diesen Anwendungen ist es vorteilhaft, dass sich der elektrische Widerstand bei Temperaturänderungen nur wenig verändert.

Wärmeausdehnung

Der lineare Ausdehnungskoeffizient beschreibt, wie stark sich ein Material bei Erwärmung in der Länge ausdehnt. Für Konstantan werden folgende Werte angegeben: α = 13,5 · 10^{-6} K^{-1} bei 100 °C, α = 14 · 10^{-6} K^{-1} bei 200 °C, α = 14,5 · 10^{-6} K^{-1} bei 300 °C, α = 15 · 10^{-6} K^{-1} bei 400 °C und α = 16 · 10^{-6} K^{-1} bei 600 °C.

Nach einer anderen Quelle hat Konstantan mit 60 % Kupfer und 40 % Nickel im Temperaturbereich von −161 °C bis +16 °C einen linearen Ausdehnungskoeffizienten von α = 12,22 · 10^{-6} K^{-1}. Insgesamt wird der Ausdehnungskoeffizient als unauffällig beschrieben und ähnelt dem einiger anderer Metalle wie Nickel, Eisen und Stahl. Es gibt aber Reinmetalle mit nur etwa der Hälfte dieses Werts, zum Beispiel Tantal, und Speziallegierungen mit weniger als einem Zwanzigstel der Wärmeausdehnung von Konstantan, etwa Invar.