Важными параметрами, которые характеризуют свойства проводниковых




Лабораторная работа № 5

“Исследование электрических свойств материалов высокой

проводимости и высокого сопротивления.”

Цель работы:экспериментальное определение основных электрических характеристик проводниковых материалов – удельного сопротивления и температурного коэффициента удельного сопротивления.

 

Основные теоретические сведения.

1.1 Электрические свойства металлов

Наиболее распространенными проводниками являются металлы, металлические сплавы и некоторые модификации углерода.

Металлы обычно определяют как вещества пластичные, хорошо проводящие и электрический ток и тепло. Для электропроводности металлов типичным является:

1) нужная величина удельного сопротивления при t=20С; (от сотых долей до единиц мкОм*м);

2) значительный рост сопротивления при повышении температуры, приблизительно прямо пропорционально росту температуры;

3) уменьшение сопротивления до весьма малой величины, определяемой остаточным сопротивлением r, при понижении температуры до температур, близких к абсолютному нулю.

Важными параметрами, которые характеризуют свойства проводниковых

материалов, являются:

· удельное сопротивление r или обратная ей величина – удельная проводимость γ;

· температурный коэффициент удельного сопротивления ТКr или ar;

· теплопроводность l;

· контактная разность потенциалов и термо - ЭДС.

Высокая проводимость металлических проводников обусловлена значительной концентрацией свободных электронов. Удельное сопротивление проводников выражается в системе СИ мкОм*м.

Удельное сопротивление металлов связано преимущественно с рассеянием свободных электронов на тепловых колебаниях атомов и дефектах кристаллической решетки (примесные атомы, вакансии, дислокации и др.) и состоит из двух составляющих:

r=rтепл+rост (1)

Поэтому, все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой, характеризуются наименьшими значениями удельного сопротивления, т.к. у них остаточное удельное сопротивление мало.

Для изготовления реостатов, резисторов, электронагревательных элементов применяются не металлы, а сплавы высокого сопротивления (их удельное сопротивление при нормальной температуре не менее 0,3 мкОм*м), обладающие повышенным значением rост вследствии нарушения правильности структуры кристаллической решетки. Удельное сопротивление проводника, состоящего из двух сплавленных металлов, значительно увеличивается, если они образуют друг с другом твердый раствор, т.е. при отвердении металлы совместно кристаллизуются, и атомы одного компонента входят в кристаллическую решетку другого. Если же сплав двух металлов создает раздельную кристаллизацию, т.е. не образуется твердого раствора, и искажение кристаллической решетки каждого из компонентов не имеет моста, то rсплава приблизительно определяется арифметическим правилом смешения. Изменение удельного сопротивления проводника с температурой характеризуется температурным коэффициентом удельного сопротивления ТКr или ar (к-1).

Если температура металла изменяется в узких пределах, то для практических целей удобно использовать кусочно-линейную аппроксимацию зависимости r=f (Т),которая позволяет определить средний температурный коэффициент удельного сопротивления

1 r1 - r0

ar = ------ * ----------(2)

r0 Т1 – Т0

 

где ar-- средний температурный коэффициент удельного сопротивления, 0С-1, К-1;

rо -- удельное сопротивление при температуре То, принятой за начальную (обычно принимают То=20 С, мком * м);

r1 -- удельное сопротивление при температуре Т1, мком * м);

Используя значение коэффициента ar, определенном для интервала температур Т1о, можно достаточно точно найти значения r2 для любой температуры Т2 внутри этого интервала:

 

r2= rо[1+ar(Т2-То)](3)

Металлы имеют большой температурный коэффициент удельного сопротивления (у большинства 40 * 10-4 оС и более), так что их сопротивление с температурой изменяется очень заметно.

У сплавов значение ar значительно меньше, (10-4 – 10-6 оС-1 ).

При оценке температурного коэффициента удельного сопротивления следует также учитывать ТКR и ТКе. Эти температурные коэффициенты связаны между собой следующими формулами:

ar = ТКr = ТКR + ТКе; (4)

aR = ТКR = 1/R0*(R1 –R0) / (T1 – T0); (5)

где aR – измеренный температурный коэффициент сопротивления;

-- коэффициент линейного расширения металла.

Для чистых металлов ТКR>>ТКе и ................. можно считать:

ТКR »ТКr,

но для резистивных сплавов с особо малым значением ТКr значением ТКL пренебрегать нельзя. За теплопроводность металлов отвечают те же свободные электроны, которые ответственны и за электропроводность металлов. Так как число свободных электронов в единице объема металла велико, то и коэффициент теплопроводности l металлов значительно больше, чем у диэлектриков. При равных условиях, чем больше удельная электрическая проводимость γ (или чем меньше удельное сопротивление r) металлов, тем больше его коэффициент теплопроводности: наглядно видно из таблицы 1.3

При повышении температуры уменьшается длина свободного пробега электронов, их подвижность, и уменьшается удельная проводимость, а отношение l/γ

должно возрастать. Эта зависимость описывается законом Видемана–Франца-Лоренца:

l/γ = L0 * T1(6)

где γ - удельная проводимость металлов См/м;

l -коэффициент теплопроводности, Вт/(м*к);

L0 - число Лоренца, L = 2.443*10 В /к ;

Т– абсолютная температура, К ;

Отступлением от основных теоретических положений является случай электропроводности в тонких слоях. Для проводников в виде тонкой фольги, провалки или пленки (например, пленки толщиной 10-1000А, напыляемые в вакууме на изолирующие подложки) длина свободного пробега оказывается сравнимой с наименьшим размером проводника. При высоких температурах длина свободного пробега в металлах не сильно отличаются от межатомных расстояний в кристалле, поэтому на проводимость она не оказывает влияния. При уменьшении температуры увеличение длины свободного пробега ограничивается, и сопротивление тонких пленок возрастает по сравнению с массивными образцами.

 

...





Читайте также:
Пример оформления методической разработки: Методическая разработка - разновидность учебно-методического издания в помощь...
Определение понятия «общество: Понятие «общество» употребляется в узком и широком...
Книжный и разговорный стили речи, их краткая характеристика: В русском языке существует пять основных...

Поиск по сайту

©2015-2022 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-27 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту:


Мы поможем в написании ваших работ!
Обратная связь
0.011 с.