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

91 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

83264. Исследование влияния браков и разводов на воспроизводство населения 64 KB
  Одними из основных факторов влияющих на процесс воспроизводства населения являются браки и разводы. Брачностью называется процесс образования брачных или супружеских пар населения. Брачность находится в тесной связи с воспроизводством населения выступая как один из важнейших факторов рождаемости и смертности.
83265. Поведінка з незнайомими людьми 662.5 KB
  Ознайомити і вивчити способи уникнення небезпеки. Розвивати здатність орієнтуватися у складних ситуаціях, вміння оцінювати небезпеку та вибирати дії самозахисту. Виховувати спостережливість, обачність, увагу, почуття обережності, дбайливе ставлення один до одного...
83266. Лісовий лікар – шипшина 129.5 KB
  Мета: забезпечувати ознайомлення дітей з корисними властивостями «лісового лікаря – шипшини»; збагачувати уявлення про звичаї українського народу, пов’язані з шипшиною; засобами поетичного слова торкатись струн дитячої душі, доносячи красу трояндового дива; виховувати потребу охороняти, доглядати...
83267. Безсмертна Леся Українка була і є, повік жива 1.22 MB
  Фотографії Лесі Українки малюнки до віршів музичний записказка Л. Олена Журлива Сьогодні 25 лютого – День народження Лесі Українки. На фоні музики і демонстрації слайдів звучить вірш Олени Журливої Пам’яті Лесі Українки Я знала Лесю Українку Живу тривожну молоду Вона мов квітка у барвінку Цвіла в поліському саду.
83268. Як людина сприймає повідомлення. Інформація та повідомлення. Отримання людиною повідомлення 413.5 KB
  Мета уроку: формувати початкові уявлення про види повідомлень за способом її сприйняття; розвивати кругозір дітей, увагу, зорову пам’ять, логічне та операційне мислення; удосконалювати навички роботи на клавіатурі та з мишею; виховувати естетичний смак, любов до природи, бережливе ставлення до свого здоров’я.
83269. П’єса-казка Нелі Шейко-Медведєвої «Лисиця, що впала з неба» 39 KB
  Поглибити розуміння побудови тексту п’єси; вчити знаходити за допомогою вибіркового читання уривки слова які характеризують дійових осіб вчити розрізняти характеристики дійових осіб за їхніми висловами вчинками; розвивати творчі здібності дітей дослідницькі якості; виховувати правдивість почуття...
83270. Розмноження рослин. Поширення плодів та насіння в природі 398.5 KB
  Поширення плодів та насіння в природі. Поглибити знання школярів про будову рослин; формувати в учнів уявлення про розмноження рослин плоди і насіння пристосування рослин до поширення плодів у природі; формувати уміння аналізувати порівнювати встановлювати причинно-наслідкові зв’язки між явищами...
83271. Розв’язування прикладів і задач, що містять множення числа 7. Рівняння на знаходження невідомого від’ємника 69 KB
  Мета: вправляти у розв’язання задач та прикладів що містять множення числа 7 вивчені випадки арифметичних дій; закріпити вміння розв’язувати рівняння на знаходження невідомого від’ємника; розвивати вміння що потребують нестандартного мислення винахідливості; формувати абстрактне мислення...
83272. Водойми України 395.5 KB
  Що ми називаємо водоймами це місця у природі з водою: річки озера джерела моря океани. Природа створила джерела озера річки моря океани. Тому під час танення снігу дощу частина води стікає в річки а решта проникає в землю і пісок до глини яка майже не пропускає воду.