![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Краткие теоретические сведения. Цель работы: ознакомиться с основными процессами, обуславливающими электропроводность металлов, методикой исследования и определения удельного сопротивления иСтр 1 из 3Следующая ⇒
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО КОЭФФИЦИЕНТА СОПРОТИВЛЕНИЯ
Цель работы: ознакомиться с основными процессами, обуславливающими электропроводность металлов, методикой исследования и определения удельного сопротивления и температурного коэффициента удельного электрического сопротивления.
Краткие теоретические сведения В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при определенных условиях и газы. Твердыми проводниками, нашедшими широкое практическое применение в электротехнике, являются металлы и сплавы. Из металлических проводников можно выделить металлы высокой проводимости, имеющие при нормальных условиях удельное сопротивление Значительный интерес представляют собой материалы, обладающие малым К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Механизм прохождения тока в металлах (как в твердом, так и в жидком состоянии) обусловлен движением (дрейфом) свободных электронов под воздействием электрического поля. Поэтому металлы называют проводниками с электронной проводимостью или проводниками первого рода. Проводниками второго рода, или электролитами, являются растворы кислот, щелочей и солей. Прохождение тока через эти вещества связано с переносом вместе с электрическими зарядами ионов (в соответствии с законом Фарадея). Электропроводность металлов. Классическая электронная теория металлов представляет твердый проводник в виде системы, состоящей из узлов кристаллической решетки, внутри которой находится электронный газ (свободные, коллективизированные электроны). В свободное состояние от каждого атома металла переходят от одного до двух электронов. Основными параметрами, характеризующими электрические свойства проводниковых материалов, являются: 1) удельная проводимость, или обратная ей величина - удельное сопротивление; 2) температурный коэффициент удельного сопротивления. Экспериментально удельное электрическое сопротивление определяется по формуле: ρ =R·S/l, (1.1) где R – электрическое сопротивление проводника, S, l –площадь поперечного сечения и длина проводника. Удельное сопротивление измеряется в Ом× м. Для измерения
Диапазон значений r металлических проводников (при нормальных условиях) довольно узок: от 0, 016 для серебра и до 10 мкОм× м для железохромалюминиевых сплавов. Величину, обратную удельному электрическому сопротивлению r, называют удельной электрической проводимостью (См/м): γ = 1/ρ (1.2)
Скорости хаотического теплового движения свободных электронов и их концентрации для различных металлов примерно одинаковы. Поэтому значение Число носителей заряда в металлическом проводнике при повышении температуры практически остается постоянным. Однако в результате колебаний узлов кристаллической решетки с ростом температуры появляется все больше и больше препятствий на пути движения свободных электронов под действием электрического поля. Уменьшается длина свободного пробега, подвижность и, как следствие, уменьшается Удельное сопротивление металлов при нагревании увеличивается в результате увеличения скорости движения атомов в материале проводника с возрастанием температуры. Удельное сопротивление электролитов и угля при нагревании, наоборот, уменьшается, так как у этих материалов, кроме увеличения скорости движения атомов и молекул, возрастает число свободных электронов и ионов в единице объема. Некоторые сплавы, обладающие большим удельным сопротивлением, чем составляющие их металлы, почти не меняют удельного сопротивления с нагревом (константан, манганин и др.). Это объясяняется неправильной структурой сплавов и малым средним временем свободного пробега электронов. Для оценки изменений удельного электрического сопротивления используется характеристика - температурный коэффициент удельного сопротивления металлов. Температурным коэффициентом удельного сопротивления ar(ТКr) называется относительное изменение удельного сопротивления при изменении температуры на один Кельвин (градус): TKρ = Для чистых металлов в твердом состояни TKρ должен быть близок к температурному коэффициенту расширения идеальных газов и составлять величину порядка 0, 0037
где
Средний температурный коэффициент удельного электрического сопротивления металлов (1/град) в диапазоне температур
где Введение примесей снижает величину Среди металлических проводников выделяют проводниковые материалы высокой проводимости, к которым относятся серебро, медь, алюминий, железо, биметаллы. Серебро обладает наименьшим значением Медь является основным проводниковым материалом, применяемым в электротехнике. Это объясняется удачным сочетанием высокой электропроводности с механической прочностью, стойкостью к коррозии, хорошей обрабатываемостью, легкостью пайки (сварки), большой распространенностью в природе. Удельное электрическое сопротивление меди лишь немного хуже серебра и составляет 0, 01724 мкОм× м. Для улучшения механических свойств меди разработаны и широко используются сплавы меди (латунь, бронза). Алюминий является следующим по значению проводниковым материалом после меди, он в 3, 5 раза легче меди, а
Железо (сталь) нашло широкое применение как наиболее дешевый и доступный металл, обладающий высокой механической прочностью, а удельное электрическое сопротивление железа составляет 0, 1 мкОм× м. Биметалл (проводниковый биметалл) - сталь, алюминий, покрытые медью. Проводниковые материалы высокого сопротивления используются для изготовления сопротивлений, реостатов и электронагревательных приборов. Для этого необходим материал с повышенным удельным электрическим сопротивлением (чистые металлы не подходят). Используются специальные сплавы, представляющие собой твердые растворы двух или трех компонентов. Ниже приведены составы некоторых сплавов и величины их удельных сопротивлений. На основе меди: ü манганин (Mn 12 %, Ni 2, 5...3, 5 %); ü константан (Ni 40 %, Mn 1...2 %); ü нейзильбер (Ni 15 %, Zn 20...25 %); На основе никеля: нихром (Fe - Ni - Cr); На основе железа: ü фехраль (Cr 12...15 %, Al 3, 5...5, 5 %); ü хромаль (Cr 23...27 %, Al 4, 5...6, 5 %); Углерод в кристаллографической модификации, называемой графитом, используется в качестве материала высокого сопротивления, его удельное электрическое сопротивление составляет 10 мкОм× м. В электротехнике находят применение сверхпроводники и криопроводники. Под сверхпроводимостью понимают явление полного исчезновения электрического сопротивления проводника при температурах, близких к абсолютному нулю (- 273° С = 0 K). Температура, при которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние, называется температурой сверхпроводящего перехода, а вещество – сверхпроводником. Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым. Явление сверхпроводимости связано с тем, что ток, однажды наведенный в сверхпроводящем контуре, будет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы и, притом, без всякого подвода энергии извне. Кроме явления сверхпроводимости, в электротехнике используется явление криопроводимости (прежнее название - гиперпроводимость), т.е. достижение металлами весьма малого значения удельного электрического сопротивления при криогенных температурах (но без перехода в сверхпроводимость). Металлы, обладающие таким свойством, называются криопроводниками.
|