Материалы и оборудование

Лабораторная работа № 1

Изучение температурной зависимости сопротивления резисторов и удельного сопротивления проводниковых материалов.

Цель работы: изучить характер температурной зависимости сопротивления и удельного сопротивления различных металлов и сплавов путем измерения температурной зависимости сопротивления этих материалов и некоторых резисторов и расчета их температурных коэффициентов и определения удельного сопротивления и температурного коэффициента удельного сопротивления изучаемых материалов.

Электропроводность металлов и сплавов

Основным электрическим свойством проводниковых материалов является сильно выраженная электропроводность. Условно к проводникам относятся материалы с удельным сопротивлением ρ<10^-5 Ом-м. Удельным сопротивлением принято считать сопротивление образца, имеющего форму куба, со стороной, равной 1м, току, протекающему через две противоположные стороны куба.

Среднюю скорость теплового движения электронов υ можно определить из равенства

Приложение внешнего электрического поля приводит к увеличению электронов в направлении действующих сил поля, т.е. электроны получают некоторую добавочную скорость направленного движения, благодаря чему возникает электрический ток, плотность которого равна:

где е – заряд электрона;

n – концентрация носителей заряда;

– средняя скорость направленного движения носителей заряда (скорость дрейфа), которая может быть представлена в виде

Если объединить температурно-зависимые члены и выделить остаточное удельное сопротивление, то можно получить уравнение Маттиссена:

Получаем: , тогда

Что касается сопротивления сплавов, то экспериментально установлено, что при введении в чистый металл любого другого металла удельное сопротивление повышается. Минимальное количество примеси, при котором становится заметным ее влияние на электропроводность, составляет доли процента.

Материалы и оборудование

№ п/п	Материал	Состав	Диаметр d, мм	Длина, l,мм	Температурный коэффициент линейного расширения β,
	Медь	99,95 % Cu	0,05	94,5	16,4 •
	Манганин	85,5 % Cu 2,5 % Ni 12% Mn	0,104		18•
	Нихром	80 % Ni 20% Cr	0,315	5,8	16,3•

Изучение температурной зависимости удельного сопротивления чистых проводниковых материалов и их сплавов проводится на осно­ве исследования температурной зависимости сопротивления проводников из меди, манганина нихрома. Физические параметры провод­ников и состав материала.

 

Удельное сопротивление материалов вычисляется по формуле:

(T) =

Где - сопротивление при температуре измерения;

S - сечение проводника, S = ;

l(T)= +Δl(T)= [1+(T- )β];

- длина проводника при ;

T- температура измерения;

- температура начала измерения;

β- температурный коэффициент линейного расширения проводника;

d - диаметр проводника.

Измерение сопротивления производится мостовым методом, схема которого дана на рис. 2, где ИП1 — источник питания, а ЦИП - цифровой 4-разрядный индикатор.

Для измерения сопротивления от ИП1 подать напряжение не менее 15 В. Переключатель П2 поставить в положение «R». С помощью переключателя П1 можно поочередно измерять сопротивления образцов. Отсчет проводится по ЦП, который проградуирован так, что измеряет величину сопротивления, которая либо превышает, либо не достигает 1000 Ом с точностью 0,1 Ом. Иными словами, для определе­ния сопротивления образца необходимо или вычесть из 1 ООО Ом величину, которую показывает ЦП со знаком «минус», или прибавить, если перед измеренной величиной знак «минус» отсутствует.

Задание

1. Подготовить измерительные приборы к работе

2. Приобрести навыки в измерении сопротивлений при комнатной температуре

3. В процессе нагрева через каждые 10⁰ С производить измерение величин сопротивлений образцов

Максимальное значение температуры 100⁰ С

Результаты измерений оформить в виде таблицы

4. По данным таблицы определить удельное сопротивление материалов и построить графики температурной зависимости удельного сопротивления изученных материалов.

Положение переключателя	Материал	Температура,0С
	Резистор С5-5-5	994,6 Ом	994,5 Ом	994,4 Ом	994,2 Ом	994 Ом	993,9 Ом	993,8 Ом	993,6 Ом	993,4 Ом
	Резистор МЛТ-2	1014,2 Ом	1015,9 Ом	1017,3 Ом	1018,6 Ом	1019,2 Ом	1019,7 Ом	1020,3 Ом	1020,8 Ом	1021,1 Ом
	Сплав Резистивный РС	1084,7 Ом	1083,1 Ом	1081,8 Ом	1080,6 Ом	1079,8 Ом	1078,8 Ом	1077,9 Ом	1077,2 Ом	1076,9 Ом
	Манганин	994,4 Ом	994,5 Ом	994,3 Ом	994,3 Ом	994,2 Ом	994 Ом	993,8 Ом	993,4 Ом	993 Ом
	Медь	756,8 Ом	Ом	809,8 Ом	847 Ом	867,5 Ом	903 Ом	928,4 Ом	956,6 Ом	984,4 Ом
	Нихром	997,7 Ом	1013,3 Ом	1004,1 Ом	1004,9 Ом	1013 Ом	1023,2 Ом	1012,9 Ом	1008,5 Ом	1010 Ом

Определяем удельные сопротивления меди при 21⁰С:

(T) =

 

T, C	Медь ρ(T) * (Ом*м)	Манганин ρ(T) * (Ом*м)	Нихром ρ(T) * (Ом*м)
	0,0157	0,49736	13,3987
	0,0163	0,49794	13,4343
	0,0168	0,4972	13,4804
	0,0177	0,49724	13,4893
	0,0185	0,4973	13,5555
	0,0193	0,497026	13,5991
	0,02	0,49668	13,5897
	0,0205	0,49657	13,5285
	0,0209	0,4965	13,5464

Рассчитываем температурные коэффициенты сопротивления резисторов и температурные коэффициенты удельного сопротивления изучаемых материалов.

Температурный коэффициент сопротивления резистора С5-5-5:

Температурный коэффициент сопротивления резистора МЛТ-2:

Температурный коэффициент сопротивления сплава резистивного РС:

Температурный коэффициент удельного сопротивления меди:

Температурный коэффициент удельного сопротивления манганина:

Температурный коэффициент удельного сопротивления нихрома: