ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1. ПРОГРАММА РАБОТЫ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Определение удельного сопротивления и проводимости проводников.

Цель работы: изучить основные электрические свойства проводниковых материалов и их характеристики.

ПРОГРАММА РАБОТЫ

1. Ознакомиться с образцами проводниковых материалов.

2. Изучить основные электрические свойства проводниковых материалов.

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

4. Оформить отчет.

Основные теоретические положения

Проводниками электрического тока в соответствии с терминами и определениями ГОСТ Р 52002-2003 называют вещества, основными электрическими свойствами которых является высокая электропроводность. Их удельное сопротивление при нормальной температуре лежит в пределах от 0,016 до 100 мкОм·м. Эти материалы используют для изготовления токоведущих частей электроустановок. Чаще всего в качестве проводников электрического тока используют твердые тела, реже − жидкости и газы в ионизированном состоянии.

Механизм прохождения тока в металлах − как в твердом, так и в жидком состоянии − обусловлен направленным движением (дрейфом) свободных электронов под воздействием электрического поля; поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода.

Важнейшими твердыми проводниковыми материалами, применяемыми в электротехнике, являются металлы и их сплавы.

Классификация металлических проводников. Металлические проводниковые материалы подразделяются на следующие основные группы.

Металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление р при нормальной температуре не более 0,05 мкОм·м. Металлы высокой проводимости используются для изготовления проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов.

Сверхпроводники − это материалы (чистые металлы и сплавы), удельное сопротивление которых при весьма низких температурах, близких к абсолютному нулю, скачком уменьшается до ничтожно малой величины.

Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) − это проводники, имеющие температуру перехода в сверхпроводящее состояние выше 30 К.

Криопроводники − это металлические проводники высокой проводимости, удельное сопротивление которых плавно снижается при понижении температуры и при криогенных температурах (T <−195 °С) становится гораздо меньше, чем при нормальной температуре без перехода в сверхпроводящее состояние.

Сплавы высокого сопротивления с ρ при нормальной температуре не менее 0,3 мкОм·м. Металлы и сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления резисторов, электронагревательных приборов, нитей ламп накаливания и т.п.

Металлы и сплавы различного назначения. К ним относятся тугоплавкие и легкоплавкие металлы, а также металлы и сплавы для контактов электрических аппаратов.

Классификация неметаллических проводников. К неметаллическим твердым проводникам относятся:

Угольные материалы − это материалы на основе углерода. Из углеродных материалов изготавливают щетки электрических машин, токосъемные вставки для токоприемников электровозов, электроды для прожекторов и дуговых электрических печей. Угольный порошок применяют в микрофонах.

Композиционные проводящие материалы − это искусственные материалы с электронным характером электрической проводимости, состоящие из проводящей фазы, связующего вещества и заполнителей с высокими диэлектрическими свойствами.

Классификация жидких и газообразных проводников. К жидким проводникам относятся:

Расплавленные металлы. В качестве жидкого металлического проводника при нормальной температуре может быть использована только ртуть (Нg), температура плавления которой около минус 39 °С. Другие металлы могут быть жидкими проводниками только при повышенных температурах, превышающих их температуру плавления.

Электролиты, или проводники второго рода − растворы кислот, щелочей и солей. Электропроводность в электролитах носит ионный характер, так как электрический ток в них обусловлен направленным движением анионов и катионов. Процесс прохождения электрического тока через электролит называют электролизом. В соответствии с законами Фарадея, при прохождении тока через электролиты вместе с переносом электрических зарядов происходит перенос ионов электролита, т.е. ионов проводящего вещества, вследствие чего состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукты электролиза. Ионные кристаллы в расплавленном состоянии также являются проводниками второго рода.

К газообразным проводникам относятся все газы и пары, в том числе и пары металлов. При низких напряженностях электрического поля газы являются хорошими диэлектриками. Если же напряженность электрического поля превзойдет некоторое критическое значение, при котором начинается ударная ионизация, то в этом случае газ может стать проводником с электронной и ионной проводимостью. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов в единице объема числу положительных ионов представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы. Газы и пары металлов в качестве проводников используются в газоразрядных лампах освещения. Среди газоразрядных источников оптического излучения наиболее распространены лампы, в которых используется разряд в парах ртути. Это люминесцентные лампы низкого давления (до 0,01 МПа) и дуговые ртутные лампы (ДРЛ) высокого давления (0,01−1МПа).

К важнейшим параметрам, характеризующим свойства проводниковых материалов, относятся:

удельная проводимость γ или обратная ей величина − удельное сопротивление ρ;

температурный коэффициент удельного сопротивления или ;

коэффициент теплопроводности ;

удельная теплоемкость с;

удельная теплота плавления r _пл;

температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР;

работа выхода электронов из металла А;

контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила е_Т (термоЭДС);

предел прочности при растяжении σ_ри относительное удлинение при разрыве Δ l/l.

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.

Для измерения ρпроводниковых материалов разрешается поль­зоваться внесистемной единицей Ом·мм²/м. Связь между названными единицами удельного сопротивления такая:

1 Ом·м = 10⁶ мкОм·м = 10⁶ Ом·мм²/м, т.е. 1 Ом·мм²/м = 1 мкОм·м.

Диапазон значений удельного сопротивления ρ металлических проводников при нормальной температуре довольно узок: от 0,016 для серебра и примерно до 1,4 мкОм·м для железохромоалюминиевых сплавов.

Проводимость – физическая величина, обратная сопротивлению, характеризующая свойство вещества проводить электрический ток.

R - это сопротивление проводника,

1/R - это электрическая проводимость проводника. Единицы измерения Ом^-1.

Для того, чтобы увеличить проводимость металлических проводников, необходимо их нагреть. Увеличение температуры проводника изменяет геометрические параметры проводника.

1/R =1/(Ro (1 + t)), где Ro - сопротивление проводника при 0 градусов Цельсия, t - температура проводника, - температурный коэффициент сопротивления.

При сверхнизких температурах (ниже 25 К) во многих металлах и сплавах; при таких температурах удельное сопротивление этих веществ становится исчезающе малым.

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; n ₀ – число свободных электронов в единице объема металла; λ − средняя длина свободного пробега электрона между двумя соударениями с узлами кристаллической решетки.

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. 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

На электрические свойства этих материалов оказывают влияние примесей (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.

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 термоЭДС 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.