11935

Исследование электрических свойств проводниковых материалов

Лабораторная работа

Физика

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 Исследование электрических свойств проводниковых материалов ПРОГРАММА РАБОТЫ 1. Познакомиться с основными проводниковыми материалами применяемыми в энергетике. 2. Изучить основные электрические свойства проводниковых материалов. 3...

Русский

2013-04-14

824 KB

94 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

Исследование электрических свойств проводниковых материалов

ПРОГРАММА РАБОТЫ

1. Познакомиться с основными проводниковыми материалами, применяемыми в энергетике.

2. Изучить основные электрические свойства проводниковых материалов.

3. Определить удельное электрическое сопротивление различных проводниковых материалов при комнатной температуре.

4. Снять зависимость удельного сопротивления металлов и сплавов от температуры.

5. Оформить отчет.

ОБЩИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

В качестве проводников электрического тока используются твердые тела, жидкости и газы. В энергетике из твердых проводниковых материалов наибольшее применение нашли металлы и их сплавы.

Наилучшими проводниками электрического тока являются металлы. Протекание тока в металлах в твердом и жидком состоянии обусловлено движением свободных электронов, поэтому металлы являются проводниками с электронной проводимостью.

Металлические проводниковые материалы могут быть разделены на материалы высокой проводимости, материалы и сплавы высокого сопротивления.

Основными электрическими характеристиками проводниковых материалов являются:

Удельное сопротивление ρ, [Ом·м]  или [Ом·мм2/м];

Температурный коэффициент удельного сопротивления ТКρ, [К-1];

Термо-ЭДС, [mV].

Удельное электрическое сопротивление связано с сопротивлением проводника R, длиной l и площадью поперечного сечения S известной формулой:

                                                                                                             (1)

где S − площадь поперечного сечения, мм2;

R – сопротивление проводника, Ом;

l − длина, м.

На основании электронной теории металлов величина удельного сопротивления металлического проводника равна

                                                                                                 (2)

где m − масса электрона (m = 9,1·10-31 кг);

v − средняя скорость теплового движения электрона в металле;

е − заряд электрона, Кл, q = 1,6·10-19 Кл;

n0 число свободных электронов в единице объема металла;

λ − средняя длина свободного пробега электрона между двумя соударениями с узлами кристаллической решетки.

Скорость теплового движения электронов мало зависит от температуры, так как электронный газ в металлах находится в состоянии «вырождения», для различных проводников она примерно одинаковая. Незначительно отличаются также и числа свободных электронов в единице объема проводников, например, для меди и никеля это различие составляет менее 10 %. Поэтому величина удельного электрического сопротивления различных проводников в основном зависит от средней длины свободного пробега электрона в данном проводнике, которая связана со строением проводника и его структурой.

Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой характеризуются наименьшими значениями удельного сопротивления, а сплавы всегда имеют повышенное значение ρ в сравнении с компонентами, входящими в их состав.

Повышенное сопротивление сплавов объясняется тем, что число свободных электронов и длина свободного пробега электрона у них понижена по сравнению с чистыми металлами.

С повышением температуры колебания узлов кристаллической решетки металлического проводника становится  более активными. На пути направленного движения электронов под воздействием электрического поля возникает больше препятствий,  средняя длина свободного пробега электронов λ уменьшается и растет сопротивление. Величина, характеризующая зависимость удельного сопротивления от температуры, получила название ТКρ (температурный коэффициент удельного сопротивления)

                                                         ТКρ =                                                 (3)

Зависимость удельного сопротивления проводника от температуры в узких пределах близка к линейной, для практических целей можно использовать формулу:

                                                                               (4)

где ρ0 − значение удельного сопротивления при начальной (комнатной) температуре. Значение ТКρ берется из этого диапазона температур.

Температурные коэффициенты для чистых металлов всегда больше, чем для сплавов из этих металлов и близки к , т.е. к 0,004 K-1. Температурные коэффициенты сплавов  малы, а в некоторых случаях приобретают даже отрицательные значения.

Составляя цепь из двух разнородных металлических проводников, и нагревая один из контактов до более высокой температуры, можно получить термо-ЭДС, которая для данной пары будет функцией разности температур. Систему, составленную из двух изолированных проволок из различных металлов или сплавов, называют термопара. Термопару применяют для измерения температур. В них используют проводники, имеющие большой и стабильный коэффициент термо-ЭДС.

По удельному электрическому сопротивлению металлические проводниковые материалы могут быть разделены на материалы высокой проводимости, материалы и сплавы высокого сопротивления.

Из металлов высокой проводимости для электротехники наибольший интерес представляют серебро, медь, алюминий,  вольфрам и их сплавы.

Основные усредненные физические свойства металлов высокой проводимости при температуре 20 С представлены в табл. 1.

Т а б л и ц а  1

Металл

Плотность

кг/м3

Температура плавления, С.

Удельное электрическое

сопротивление, мкОм·м.

Серебро

10500

961

0,016

Медь

8940

1068

0,0172

Алюминий

2700

867

0,028

Золото

19300

1063

0,024

Вольфрам

19300

3380

0,055

Железо

7870

1535

0,098

На электрические свойства этих материалов оказывают влияние примеси (особенно на проводимость) и способ обработки (на механические характеристики).

В энергетике широко используются обмоточные провода, применяемые для изготовления обмоток электрических машин и аппаратов. Они изготовляются из электротехнической меди и алюминия. Из меди марки М1 с содержанием примеси не более 0,1 % можно получить провод диаметром до 0,03 − 0,02 мм, а из бескислородной меди марки М0, с содержанием примеси не более 0,05 % (в том числе кислорода не более 0,02 %) можно получать провод еще меньшего диаметра.

Марки обмоточных проводов определяют собой как материал провода, так и их изоляцию. Например, марка ПЭЛ − провод медный, покрыт лакостойкой эмалью на масляно-смоляной основе. АПЭЛ – изоляция та же, но материал провода − алюминий, на это указывает первая буква марки А, при медном проводе специальных указаний не делается.
Изоляцию обмоточных проводов классифицируют по ее роду на: эмалевую (марки ПЭВ, ПЭМ, ПЭТВ, ПЭЛО), комбинированную (ПЭЛБО, ПЭЛДО, ПЭТЛО) и др.

Эмалевые изоляции проводов отличаются высокой электрической прочностью при малой толщине,  что очень важно для лучшего использования заполнения паза электрических машин или окон магнитопроводов трансформаторов, однако они имеют недостаточную механическую прочность.

Провода с волокнистой или стекловолокнистой изоляцией обладают большей механической прочностью, но, к сожалению и большей толщиной, особенно из хлопчатобумажной или асбестовой пряжи.

Комбинированная изоляция проводов удачно сочетает преимущества двух указанных видов.

В особую группу целесообразно выделить провода с высокой нагревостойкостью: с эмалевой изоляцией ПЭТ-155 (155 °С), на полиамидной основе ПЭТ-200 (200 °С), со стекловолокнистой изоляцией ПСД (155 °С), ПСДК (180 °С), с комбинированной изоляцией ПЭТЛО (130 °С) и др.

Сплавы высокого сопротивления получили широкое применение при изготовлении электроизмерительных приборов, образцовых резисторов и нагревательных элементов (манганин, никелин,  константан, нихром и др.).

В первых двух случаях от сплавов требуется высокое удельное сопротивление и его высокая стабильность во времени, малый температурный коэффициент удельного сопротивления и малый температурный коэффициент термо-ЭДС в паре данного сплава с медью. В последнем случае от сплава требуется способность длительно работать на воздухе при высоких температурах (1000°С и более). Кроме того, они должны быть дешевыми и по возможности не содержать дефицитных составляющих.

К проводникам относятся также припои и флюсы − специальные материалы, применяемые при пайке.

В зависимости от температуры плавления припои делятся на 2 группы:

  •  мягкие (до 400 °С), к ним относится олово, оловянно-свинцовые  припои марки ПОС и др. Они применяются там, где требуется лишь хороший электрический контакт;
  •  твердые (выше 500 °С) − медно-цинковые марки ПМЦ, серебряные − ПСр и др. Применяются для получения хорошего электрического контакта и механической прочности соединения.

Флюсы − это вспомогательные материалы, применяемые при пайке (канифоль, бура и др.). Они способны хорошо растворять и удалять окислы из расплава, создавать прочную пленку для защиты металла от окисления, улучшать растекаемость припоя.

Особую группу проводников составляют криопроводники и сверхпроводники – материалы, которые обладают ничтожно малым электрическим сопротивлением при температурах, близких к абсолютному нулю.

В настоящей работе студенты изучают металлы высокой проводимости и сплавы высокого сопротивления, исследуя температурные зависимости удельного сопротивления от состава и структур металлов и сплавов.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Включить микрометр Ф4104 в сеть. Установить переключатель микрометра Ф4104 в положение, соответствующее выбранному диапазону измерений.

2. Измерить сопротивление проводников Rx по схеме (Рис. 1) с исключением влияния сопротивления соединительных проводов. Для этого:

2.1. Установить  переключатель «ОТКЛ, КЛБ, ПРЕДЕЛЫ» (далее переключатель 2) в положение «КЛБ».

2.2. Нажать кнопку «УСТ. О» и ручкой установить стрелку на нулевую отметку шкалы.

2.3. Нажать кнопку «ИЗМ» и ручкой «КЛБ» установить стрелку на конечную отметку шкалы. Калибровку микрометра можно проводить при закороченных зажимах Т1 и Т2 или при подключенном образце.

2.4. Установить переключатель 2 в одно из положений «0,1», «1», «10», соответствующее выбранному пределу измерений, провести проверку установки  нуля.

2.5. Нажать кнопку «ИЗМ» и провести измерения. Провести измерение сопротивления образцов при комнатной температуре, а затем через каждые 10 °С до 130 °С. Интервал времени между измерением не менее 10 с.

Р и с у н о к  1 – Принципиальная схема испытательной установки

3. Написать отчет о работе, который должен содержать:

3.1. Принципиальную схему испытательной установки.

3.2. Краткое изложение сущности применяемого метода испытания проводников.

3.3. Описание материала, с которым студенты ознакомились в данной работе. Указать, для каких целей применяются данные материалы, какими способами их получают и чем отличаются друг от друга.

3.4. Результаты наблюдений и вычислений представить в виде таблиц, отдельных записей и графиков, привести формулы, по которым производились расчеты:

3.4.1. Результаты определений удельного сопротивления проводников при комнатной температуре оформляются в виде таблицы.

3.4.2. Результаты вычислений средней длины свободного пробега электронов в материалах должны быть приведены в виде отдельных записей.

3.4.3. Результаты наблюдения изменения сопротивления металлов и сплавов от температуры для каждого материала оформляются в виде табл. 3.

Т а б л и ц а  3

Наименование материала

R,Ом

l, м

D, мм

S, мм2

ρ, Ом·мм2

3.4.4. По полученным данным для каждого материала строят графики ρ = f (tC). Вычисляются значения TKρср в интервале температур 20 − 130 °С. Результаты заносят в табл.4.

Т а б л и ц а  4

t, °C

Rt, Oм

ρt, Ом·мм2

ТКρ, град-1

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОПЫТА

1. Вычисление удельного сопротивления производят по формуле (1).

2. Среднюю длину свободного пробега в проводе вычисляют по выражению (2), преобразованному на основании выводов квантовой (волновой) механики

                            ,  Å                           (5)

где h постоянная Планка, Дж·сек, h = 6,62·10-34 Дж·сек;

е − заряд электрона, Кл,  е = 1,6·10-19 Kл;

ρ − удельное сопротивление, Oм·мм2/м;

n0 − число электронов в 1 м3 проводника, м-3, равно

                                           ,                                                      (6)

где δ − плотность проводника, кг/м3;

     Мв − молярная масса, кг/моль;

     NА − число Авогадро, моль-1, NА = 6,02·1023, моль-1.

3. Вычисление температурного коэффициента удельного сопротивления металлов и сплавов.

По полученным значениям сопротивления образцов при различных температурах строят графики, откладывая по оси абсцисс температуру в °С, а по оси ординат значения сопротивления в омах. Полученные точки соединяют плавными линиями.  ТКρ вычисляют для интервала температур 20 − 130 °С по формуле:

                                                     ,                                            (7)

где ρ0 − значение удельного сопротивления проволоки  при нижнем пределе температуры в данном интервале, Ом·м;

ρ1 – удельное сопротивление при верхнем пределе температуры в данном интервале.

Вычисленные данные занести в табл. 5.

Т а б л и ц а  5

Наименование материала

ТКρ, град-1

1.

2.

3.

4.

5.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как классифицируются проводниковые материалы?

2. Каковы основные   характеристики  проводниковых материалов?

3. Дайте определение удельного сопротивления проводников, в каких
единицах оно измеряется.

4. Сформулируйте определение температурного коэффициента удельного сопротивления, термо-ЭДС,  в каких единицах измеряются эти величины.

5. Какие металлы и сплавы нашли применение в энергетике?

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Богородицкий Н. П., Пасынков В. В., Тареев Б. М. Электротехнические материалы. − Л.: Энергоатомиздат,  1985. – 304 с.

2. Конструкционные и электротехнические материалы / В. Н. Бородулин и др.; Под ред. В. А. Филикова. – М.: Высш. шк., 1990. − 296 с.

3. Справочник по электротехническим материалам: В 3 т. Т. 1 / Под ред. Ю. В. Корицкого и др. − 3-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1986. − 368 с.

4. Справочник по электротехническим материалам: В 3 т. Т. 2 / Под ред. Ю. В. Корицкого и др. − 3-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1987. − 464 с.

PAGE   \* MERGEFORMAT 1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

329. Разработка организации технического обслуживания и ремонта МТП в ЦРМ хозяйства 2.51 MB
  Определение количества технических обслуживаний и ремонтов тракторов и автомобилей, распределение их по кварталам. Определение трудоемкости технических обслуживаний и ремонтов для тракторов и автомобилей. Подбор основного технологического оборудования и расчет площади участка.
330. Использование средств VBA для вычисления корня функционального уравнения с помощью численных методов 220 KB
  Описание заданного численного метода. Программа процедуры вычисления корня. Результаты вычисления значения корня для заданных пяти вариантов допустимой ошибки. Аргументы процедуры Koren.
331. Государственное регулирование занятости и трудоустройства молодежи на рынке труда 352.5 KB
  Теоретико-методологические основы исследования государственного регулирования молодежной безработицы. Молодежная безработица в современной России, в Агинском Бурятском Округе. Пути улучшения государственного направления по обеспечению занятости молодежи.
332. Современные проблемы организации коммерческой деятельности на примере магазина Рекорд 630 KB
  Основные направления организации коммерческой деятельности малых предприятий. Современное состояние организации коммерческой деятельности на малом предприятии Рекорд Рекомендации по совершенствованию организации коммерческой деятельности на малых предприятиях.
333. Расчет редуктора в выбранном электродвигателе 5.16 MB
  Пределы выносливости при симметричном цикле изгиба для материала шестерен. Межосевое расстояние из условия контактной прочности зубьев. Ориентировочный расчет валов редуктора. Коэффициенты запаса прочности для предположительно опасных сечений каждого вала.
334. Организация работы воспитателя в логопедической группе для детей с общим недоразвитием речи 195.5 KB
  Обучение детей с общим недоразвитием речи по коррекционной программе в условиях специализированной группы для детей с общим недоразвитием речи позволяет устранить речевые нарушения и подготовить детей к обучению в школе.
335. Жилой 5-ти этажный 2 секционный дом в город Чита 185.5 KB
  Архитектурно-конструктивная часть Фасад 1-9; План 1-го и типового этажей. генеральный план. Схемы расположения фундаментов, плит перекрытия и покрытия; план кровли, разрез 1-1 конструктивные узлы. Защита конструкций от коррозии, гниения и возгорания.
336. Древнейший период истории Сурского края 27.5 KB
  Исследователи выделяют следующие этапы начальной истории человечества: палеолит(древний каменный век)-2,6 млн.- 10 тыс.лет до н.э.; мезолит-10 тыс.-6 тыс.лет до н.э.; неолит(новый каменный век)-6 тыс.-4-3 тыс.лет до н.э.; энеолит(медно-каменный век) 4-3 тысячелетия до н.э.
337. Расчёт области несмешиваемости в системе In-Ga-Sb 236 KB
  Термодинамические модели растворов. Гетерогенные равновесия в трехкомпонентных системах с двумя двойными полупроводниковыми соединениями. Несмешиваемость и спинодальный распад. Расчет области несмешиваемости квазибинарной тройной системы InGaSb.