Порядок выполнения работы

Министерство образования и науки Российской Федерации

Иркутский государственный технический университет

Кафедра «Электроснабжения и электротехники»

Отчёт по лабораторной работе №5

Исследование электрических свойств проводниковых материалов

Выполнил: студент

гр. ЭСб -11-2

Горяшин С.А.

Проверил доцент кафедры

«Электроснабжения и электротехники»

Новиков Г.К.

Иркутск 2012 г

Цель работы

изучение физических явлений в проводниковых материалах, методы исследования электрических свойств проводниковых материалов и экспериментальное определение электрических характеристик.

Основные понятия

Металлические проводники являются основными проводниковыми материалами, применяемыми в электротехнике. Высокая электропроводность металлических проводников обуславливается наличием в них большого количества свободных валентных электронов.

С точки зрения классической электронной теории металлов проводники состоят из положительных ионов, колеблющихся около своих узлов, и хаотически движущихся электронов. Под, действием электрического поля движение электронов в направлении положительного полюса ускоряется, и при своем движении электроны испытывают соударения с узлами кристаллической решётки. Эти соударения и обуславливают сопротивление металлов. Способность проводников пропускать электрический ток оценивается величиной удельного сопротивления, которое измеряется в системе СИ как,0м- м. Удельное сопротивление связано с сопротивлением проводника любой

длины и площади сечения формулой — где R – сопротивление

проводника. Ом; S - поперечное сечение проводника, м²; l - длина проводника, м.

Удельное сопротивление по электронной теории металлов

где е - заряд электрона; n_o - число свободных электронов в единице объема металла; - средняя длина свободного пробега электрона; m - масса электрона; V_T - средняя cкорость теплового движения свободного электрона в металле.

Средняя скорость теплового движения электронов мало зависит от температуры, число свободных электронов в единице объёма меняется лишь в связи с изменением плотности вещества. Основную роль в изменении удельного сопротивления от температуры играет длина свободного пробега электрона. Возрастание температуры увеличивает интенсивность колебания узлов кристаллической решетки, уменьшает длину свободного пробега и увеличивает удельное сопротивление материала.

Изменение сопротивления проводника с температурой характеризуется

температурным коэффициентом удельного сопротивления Коэффициент характеризует свойства материала при фиксированной температуре Т, которой соответствует значение удельного сопротивления р_г и производной . Для расчетов удобно пользоваться температурным. Коэффициентом удельного сопротивления

где р_o - удельное сопротивление при температуре Т₀, принятой за начальную; p₁ – удельное сопротивление при температуре Т₁.Пользуясь коэффициентом, определенным для интервала температур Т₀ – т₁, можно достаточно точно найти значение для любой температуры Т₂ внутри этого интервала:

Температурный коэффициент сопротивления (1)

где R_o, R₁ - сопротивление проводника при нижнем и верхнем пределах температуры. Используя формулу (1), запишем ТК_p как ТК_р = TKR + (2)

где - температурный коэффициент расширения.

Методика и техника эксперимента

В данной работе измерение сопротивления производится по нижеследующей схеме (рисунок). Образцы проволок помещены в сушильный шкаф, температура в котором может изменяться от комнатной до 150°С.


	Мост		Измерителен.
	постоянного		ячсйка
	тока

Структурная схема установки

Порядок выполнения работы

1. Включить питание лабораторной установки ключом С.

2. Определить сопротивление проволок при комнатной температуре, для чего поворотом рукоятки на термошкафу совместить стрелку с клеммой R_x₁, то есть произвести подключение первого образца к зажимам моста.

Уравновешивание моста осуществляется в следующей последовательности:

на переключатели, плеч отношений установить R₂=10, R₃ = 1000;

включить питание моста;

нажать кнопку "грубо" и вращением ручек декад сопротивлений установить стрелку гальванометра на нуль;

нажать кнопку "точно" и снова, добиться равновесия моста вращением ручек декад;

Величина измеряемого сопротивления

где R₁ - отсчет по декадам плеч сравнению; R₂, R₃ - переключателю плеч отношений.

3. Подключить последовательно образца R^ и R^ и повторить измерения по п.2.

4. Включить термостат и определить сопротивление образцов при трех- четырех значениях температур. Полученные результаты занести в таблицу.

5. Определить удельное сопротивление образцов при трех-четырех значениях температур. Подсученные результаты занести в таблицу.

6. Определить удельное сопротивление всех образцов при комнатной температуре (см. приложение), определить материалы и температурный коэффициент удельного сопротивления по формуле (2).

7. Подученные результаты занести в таблицу.

8. Построить график зависимости сопротивления от температуры и в отчете объяснить письменно.

		1-й образец	2-й образец	3-й образец
№	Т,°С	50 м; d = 0.44 мм	1= 1.35 м; d = 0.25 мм	щ	37 м; d = 1 мм
, h/n	Rxi Ом	Pi мкОм-м	TKpi D_C-1	R*2 Ом	P2 мкОм-м	ТКР2 о_С1	Rx3 Ом	Рз мкОмм	ТКрз "С¹

Контрольные вопросы

1. Какова физическая природа сопротивления?

2. Что представляет собой температурный коэффициент удельного сопротивления? Чем отличается от температурного коэффициента сопротивления?

3. Как влияют примеси на величину удельного сопротивления?

4. Чем вызвано возникновение контактной разности потенциалов при соприкосновении двух разных металлов и как она определяется?

5. Как влияют механические нагрузки на величину удельного сопротивления?

6. Чем вызвано явление сверхпроводимости и когда оно наблюдается?

7. Типы сплавов и их основные свойства.

8. Области применения материалов с высокой проводимостью.

9. Области применения материалов, с высоким сопротивлением.

10. Какие материалы применяются для изготовления термопар?

11. Преимущества и недостатки меди.

12. Чем вызвано широкое применение алюминия в электротехнике?

13. Сплавы на основе меди и области их применения.

14. Что представляет собой проводниковый биметалл? Где он применяется?

15. Как влияет отжиг на механические и электрические свойства проводниковых материалов?.

16. Что такое "наклёп" и как он влияет на механические и электрические свойства проводниковых материалов?

17. Какие требования предъявляются к сплавам высокого сопротивления?

18. Чем объясняется способность жаропрочных сплавов выдерживать длительное время нагрева до высокой температуры в воздухе?

19. Как зависит удельное электрическое сопротивление проводников от температуры?

20. С помощью, каких характеристик можно оценивать качество проаодниковых материалов?

Материал	Плотность кг/м³- 10³	Температура плавления, °С	Удельное электрическое сопротивление при 20 °С См-м Ю'⁶	Средний температурный коэффициент сопротивления отОдо 1000 °С	температурный коэффициент линейного расширения 10 С^¹ _;;
Алюминий	• 2,7		0,026-0,028	4-10'³	22,4
Бронза	8,3-8,9	885-1050	0,021-0,052	4-10"³	18,0
Латунь	8,4-8,7	900-960	0,03-0,08	2-10'³	19,0
Медь	8,7-8,9		0,0175-0,0182	З-Ю'³	16,2
Олово	7,3		0,114-0,120	4,4-10"³
Свинец	11,34		0,217-0,222	3,8-10"³	27,6
Серебро	10,5		0,0160-0,0162	3,6-10°	19,5
Сталь	7,8		0,103-0,137	62-10"⁴
Нихром	8,2		1,1.	1,7-10"⁴	13,0
Фехраль	7,6		1,2	(10-5)-Ю^-5	14,4
Константан	8,8		0,5	(20-5)-10"⁶	14,4
Манганин	8,3		0,46	+(3-20)-10'⁶	16,0
Нейзильбер	8,4		0,35	2,9-10"⁶	18,4

ответы

1. При движении свободных электронов в проводнике они сталкиваются на своем пути с положительными ионами, атомами и молекулами вещества, из которого выполнен проводник, и передают им часть своей энергии. При этом энергия движущихся электронов в результате столкновения их с атомами и молекулами частично выделяется и рассеивается в виде тепла, нагревающего проводник.Тепловое движение узлов кристаллической решетки мешает свободному движению электронов. Если убрать это движения получится явление сверх проводимости при низких температурах.

2. Коэффициент характеризует свойства материала при фиксированной температуре Т, которой соответствует значение удельного сопротивления р_г и производной . Для расчетов удобно пользоваться температурным. Коэффициентом удельного сопротивления

Температурный коэффициент сопротивления

3. Влияние примесей на удельное сопротивление. Примеси увеличивают удельное сопротивление металлов, что обусловлено рассеянием электронов примесных атомах. При малом содержании примесей удельное сопротивление возрастает пропорционально концентрации примесных атомов.Удельное сопротивление - величина, обратная электропроводимости.Если удельное сопротивление возрастает, значит электропроводимость снижается. Такие примеси, как сурьма и мышьяк резко снижают электропроводимость металлов,например, меди. Гафния - тоже.

4. При соприкосновении двух проводников с разными работами выхода на проводниках появляются электрические заряды. А между их свободными концами возникает разность потенциалов. Разность потенциалов между точками находящимися вне проводников, в близи их поверхности называется контактной разностью потенциалов.

Возникновение контактной разности потенциалов происходит вследствие двух причин:

a)Разной работы выхода электронов у различных металлов.

Металл, имеющий меньшее значение работы выхода электронов, легче их теряет и заряжается положительно, а металл
с большей работой выхода накапливает электроны и заряжается отрицательно, поэтому между двумя металлами при их контакте возникает разность потенциалов, равная

(2)

где А₁ и А₂- работа выхода соответственно первого и второго металлов, е - заряд электронов.

b)Различной концентрации свободных электронов в металлах.

При соприкосновении двух металлов тот из них, в котором концентрация свободных электронов больше, будет их терять и приобретать положительный заряд. Другой металл, имеющий меньшую концентрацию электронов вследствие их диффузии, зарядится отрицательно.

Переход электронов и рост напряжения прекратятся, когда электрические силы уравновесятся сторонними силами, вызывающими диффузию свободных электронов. Разность потенциалов, образующаяся вследствие диффузии сводных электронов, равна

(3)

где k - постоянная Больцмана, е - заряд электрона, n₁ и n₂ - концентрация свободных электронов соответственно в первом и втором металлах.

5. Сверхпроводимость, свойство многих проводников, состоящее в том, что их электрическое сопротивление скачком падает до нуля при охлаждении ниже определённой критической температуры Т_к, характерной для данного материала. Сверхпроводимость обнаружена у более чем 25 металлических элементов, у большого числа сплавов и интерметаллических соединений, а также у некоторых полупроводников. Рекордновысоким значением Т_к (около 23 К) обладает соединение Nb₃Ge.

6.Чем вызвано явление сверхпроводимости и когда оно наблюдается?

Сверхпроводимость - физическое явление, наблюдаемое у некоторых веществ (сверхпроводников), при охлаждении их ниже определенной критической температуры Tс, и состоящее в обращении в нуль электрического сопротивления постоянному току и выталкивания магнитного поля из объема образца (эффект Мейснера). Явление открыто в 1911 г. Х. Каммерлинг-Оннесом. Изучая температурный ход электросопротивления Hg, он обнаружил, что при температуре ниже 4,22К Hg практически теряет сопротивление.

7.Типы сплавов и их основные свойства.

Сплав — макроскопически однородный металлический материал, состоящий из смеси двух или большего числа химических элементов с преобладанием металлических компонентов.

По способу изготовления сплавов различают литые и порошковые сплавы. Литые сплавы получают кристаллизацией расплава смешанных компонентов. Порошковые — прессованием смеси порошков с последующим спеканием при высокой температуре. Компонентами порошкового сплава могут быть не только порошки простых веществ, но и порошки химических соединений. Например, основными компонентами твёрдых сплавов являются карбиды вольфрама или титана.

По способу получения заготовки (изделия) различают литейные (например, чугуны, силумины), деформируемые (например, стали) и порошковые сплавы.

В твердом агрегатном состоянии сплав может быть гомогенным (однородным, однофазным — состоит из кристаллитов одного типа) и гетерогенным (неоднородным, многофазным).Твёрдый раствор является основой сплава (матричная фаза). Фазовый состав гетерогенного сплава зависит от его химического состава. В сплаве могут присутствовать: твердые растворы внедрения, твердые растворы замещения, химических соединений(в том числе карбиды, нитриды, интерметаллиды …) и кристаллиты простых веществ.

8. Области применения отдельных цветных металлов и сплавов на их основе весьма разнообразны.

Медь и ее сплавы широко используют в химическом машиностроении, для изготовления трубопроводов самого различного назначения, емкостей, различных сосудов в криогенной технике, в электроэнергетике и т. п.

Алюминий и его сплавы применяют для изготовления различных емкостей в химической и пищевой промышленности. Сплавы на основе алюминия широко применяют для самолетов, ракет, судов, в строительстве и электроэнергетике. В связи с их сравнительно высокой прочностью при малой плотности, высокой коррозионной стойкостью в некоторых агрессивных средах и высокими механическими свойствами при низких температурах.

9. Материалы с высоким сопротивлением используют в качестве резистивных материалов и материалов для термопар. Наиболее известные сплавы с высоким сопротивлением: медно-марганцевые (манганины), медно-никелевые (константаны), сплавы железа, никеля и хрома (нихромы).

10. Для изготовления термопар более предпочтительными являются материалы с большой добротностью, в значительной степени определяемой значением а. чем больше каоэффициент а, тем больше термо- э.д.с материала, развиваемая в паре с эталенным материалом, что дает возможность повысить чувствительность термопар на основе этих материалов.

Термоэлектрические материалы должны обладать как можно большей удельной мощностью. Это алюмель, константан, копель, хромель, фехраль

11. Преимущества и недостатки меди.

v Преимущества

Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие: 1) малое удельное сопротивление (из всех металлов только серебро имеет несколько меньшее удельное сопротивление, чем медь); 2) достаточно высокая механическая прочность; 3) удовлетворительная в большинстве случаев применения стойкость по отношению к коррозии (медь окисляется на воздухе даже в условиях высокой влажности значительно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах);4)хорошая обрабатываемость: медь прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра; 5) относительная легкость пайки и сварки. В электровакуумном производстве применяют более чистую медь. Медь ре кристаллизируется при температуре 270° С.

v Недостатки

Цена меди дороже других металлов. Медь легко деформировать

12. Широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной плёнкой Al2O3, которая препятствует его дальнейшему окислению), высокая теплопроводность, неядовитость его соединений. В частности, эти свойства сделали алюминий чрезвычайно популярным при производстве кухонной посуды, алюминиевой фольги в пищевой промышленности и для упаковки.

Электропроводность алюминия всего в 1,7 раза меньше, чем у меди, при этом алюминий приблизительно в 2 раза дешевле. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при изготовлении проводников в чипах. Меньшую электропроводность алюминия (37 1/ом) по сравнению с медью (63 1/ом) компенсируют увеличением сечения алюминиевых проводников. Правда, у алюминия как электротехнического материала есть неприятное свойство — из-за прочной оксидной плёнки его тяжело паять.

13.Медные сплавы подразделяют на латуни, бронзы и медно-никелевые сплавы

Одна из важнейших отраслей применения меди - электротехническая промышленность. Из меди изготавливают электрические провода. Для этой цели металл должен быть очень чистый: примеси резко снижают электрическую проводимость. Присутствие в меди 0,02% алюминия снизит ее электрическую проводимость почти на 10%. Еще более резко возрастает. сопротивление металла в присутствии неметаллических примесей. Для получения чистой меди, которую можно использовать в электротехнике, проводят ее электрорафинирование

Сплав меди, известный с древнейших времен,-бронза содержит 4-30% олова (обычно 8-10%). Интересно, что бронза по своей твердости превосходит отдельно взятые чистые медь и олово. Бронза более легкоплавка по сравнению с медью. До наших дней сохранились изделия из бронзы мастеров Древнего Египта, Греции, Китая. Из бронзы отливали в средние века орудия и многие другие изделия. Знаменитые Царь-пушка и Царь-колокол в Московском Кремле также отлиты из сплава меди с оловом.

В настоящее время в бронзах олово часто заменяют другими металлами, что приводит к изменению их свойств. Алюминиевые бронзы, которые содержат 5-10% алюминия, обладают повышенной прочностью. Из такой бронзы чеканят медные монеты. Очень прочные, твердые и упругие бериллиевые бронзы содержат примерно 2% бериллия. Пружины, изготовленные из бериллиевой бронзы, практически вечные. Широкое применение в народном хозяйстве нашли бронзы, изготовленные на основе других металлов: свинца, марганца, сурьмы, железа, никеля и кремния.
Большую группу составляют медно-никелевые сплавы. Эти сплавы имеют серебристо-белый цвет, несмотря на то что преобладающим компонентом является медь. Сплав мельхиор содержит от 18 до 33% никеля (остальное медь). Он имеет красивый внешний вид. Из мельхиора изготавливают посуду и украшения, чеканят монеты («серебро»). Похожий на мельхиор сплав - нейзильбер-содержит кроме 15% никеля, до 20% цинка. Этот сплав используют для изготовления художественных изделий, медицинского инструмента.

Медно-никелевые сплавы константан (40% никеля) и манганин (сплав меди, никеля и марганца) обладают очень высоким электрическим сопротивлением. Их используют в производстве электроизмерительных приборов. Характерная особенность всех медно-никелевых сплавов-их высокая стойкость к процессам коррозии - они почти не подвергаются разрушению даже в морской воде.
Сплавы меди с цинком с содержанием цинка до 50% носят название латунь. Это дешевые сплавы, обладают хорошими механическими свойствами, легко обрабатываются. Латуни благодаря своим качествам нашли широкое применение в машиностроении, химической промышленности, в производстве бытовых товаров. Для придания латуням особых свойств в них часто добавляют алюминий, никель, кремний, марганец и другие металлы.
Из латуней изготавливают трубы для радиаторов автомашин, трубопроводы, патронные гильзы, памятные медали, а также части технологических аппаратов для получения различных веществ.
В технике применяют процессы меднения - покрытие стальных изделий тонким слоем меди. Зачем это делается? Стальные детали и изделия часто покрывают защитно-декоративными хромовыми и никелевыми покрытиями. Такое покрытие, нанесенное непосредственно на сталь, непрочно: оно растрескивается и отпадает. Если сталь покрыть тонким слоем меди, а затем хромом или никелем, то электролитические осадки получаются высокого качества. Меднение проводят также для облегчения спаивания деталей - медь очень хорошо подвергается пайке.

Еще одна важная отрасль, где медь используется электрохимиками, - гальванопластика. Этот метод получения точных Металлических копий был предложен в 1837 г. российским академиком Б. С. Якоби. Сущность метода состоит в следующем. Вначале изготавливается исходная форма или берется предмет, подлежащий копированию. Они могут быть выполнены из гипса, пластмассы, воска,.металлов и других материалов.

14. Проводниковый биметалл состоит из стальной сердцевины и медной оболочки, сваренных между собой. Механическая прочность биметалла благодаря стальной сердцевине значительно выше, чем у меди. Проводимость биметалла практически определяется сечением медной оболочки. Кроме того медь защищает сталь от коррозии. Биметаллические провода применяют для линий связи. Из биметалла изготовляют ножи для рубильников и другие элементы.

применение

Для воздушных линий передачи энергии и линий связи находит применениепроводниковый биметалл, представляющий собой провод со стальным сердечником и медной оболочкой.

Применение биметаллических проводов особенно целесообразно для линий связи повышенной частоты, при которой менее электропроводящий стальной сердечник, обеспечивающий повышенную механическую прочность, работает с меньшей плотностью тока.

В электропромышленности и электронике широкое применение имеют биметаллы в виде проволоки, полос, лент и труб. Они применяются в качествепроводниковых биметаллов. В этих биметаллах используются разнообразные сочетания металлов и сплавов, причем чаще всего более электропроводный металл располагается на поверхности, а основой является менее электропроводный металл или сталь.

15. Отжиг влияет на мягкость материала и уменьшает напряжения в отливках. Закалка и старение повышают механические свойства.

Влияние отжига приводит к существенному уменьшению σ_р и увеличению Δl/l. Такие параметры проводниковых материалов, как температуры кипения и плавления, удельная теплоемкость и др., не требуют особых пояснений.

16. Что такое "наклёп" и как он влияет на механические и электрические свойства проводниковых материалов?

Наклеп – изменение структуры и свойств металлического материала в результате пластической деформации. При наклепе происходит искажение кристаллической решетки, и возникают дефекты, которые приводят к дополнительному рассеянию электронов. Из вышеизложенного очевидно влияние термообработки на электросопротивление. Закалка, фиксируя высокотемпературное (обычно более дефектное) состояние, приводит к возрастанию электросопротивления. Отжиг, снимающий наклеп (возврат, полигонизация, рекристаллизация), и отжиг, увеличивающий зерно, должны приводить к уменьшению сопротивления и т.п.

17. Какие требования предъявляются к сплавам высокого сопротивления?

высокое удельное сопротивление, близкий к нулю температурный коэффициент сопротивления, малая термоэлектродвижущая сила в сочетании с другими металлами (особенно с медью), постоянство сопротивления во времени, высокая стойкость против коррозии. К сплавам этой группы относятся сплавы на основе меди — манганин и константан.

Жаропрочность – это способность металла сопротивляться пластической деформации и разрушению при высоких температурах.

Критериями оценки жаропрочности являются кратковременная и длительная прочности, ползучесть.

· Кратковременная прочность определяется с помощью испытаний на растяжение разрывных образцов. Образцы помещают в печь и испытывают при заданной температуре. Обозначают кратковременную прочность =, например ^300oС= 300МПа.

· Пределом длительной прочности называется максимальное напряжение , которое вызывает разрушение образца при заданной температуре за определенное время.

· Ползучесть – свойство металла медленно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки при постоянной температуре.

19. Как зависит удельное электрическое сопротивление проводников от

температуры?

Удельное электрическое сопротивление проводников зависит оот температуры, оно тем больше, чем выше температура: р= р₀ (1 + at), где ро и р, — удельное сопротивление при температурах 0 °С и 1; а — температурный коэффициент.

20. С помощью, каких характеристик можно оценивать качество проводниковых материалов?

· удельная электрическая проводимость или удельное электросопротивление

· температурный коэффициент удельного сопротивления -

· коэффициент теплопроводности _т;

· контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила (термо - э.д.с.);

· предел прочности при растяжении б_пр и относительное удлинение при разрыве l /l.

Порядок выполнения работы

Поиск по сайту