Краткие сведения из теории. Проводниковые материалы применяются для изготовления токопроводящих, нагревательных, контактных элементов
Проводниковые материалы применяются для изготовления токопроводящих, нагревательных, контактных элементов, проводов, кабелей, резисторов. Наибольшее распространение получили такие твердые проводниковые материалы, как металлы и их сплавы, а также электроугольные изделия.
Удельное электрическое сопротивление проводников r принято выражать в системе СИ в микроомах на метр (мкОм × м), удельную проводимость, которая определяется по формуле: g = 1/r, – в мегасименсах на метр (МСм/м). Так называемая стандартная медь, по отношению к удельной проводимости которой выражают в процентах проводимость других проводниковых материалов, имеет в отожженном состоянии g = 58 МСм/м, чему соответствует r = 0,017241 мкОм × м.
На практике для измерения удельного сопротивления часто применяют внесистемную единицу ом-миллиметр в квадрате на метр (Ом × мм2/м), так как при расчете сопротивления токопроводящего элемента удобно его длину выражать в метрах, а площадь поперечного сечения – в квадратных миллиметрах, причем
1 Ом × мм2/м = 1 мкОм × м.
Высокая проводимость металлических проводников обусловлена значительной концентрацией свободных электронов. Удельные сопротивления этих материалов при нормальной температуре лежат в сравнительно узком диапазоне (10–2 – 10 мкОм × м), их разница определяется главным образом различием подвижности электронов проводимости.
Удельное сопротивление металлов связано преимущественно с растяжением свободных электронов при тепловых колебаниях атомов и на дефектах кристаллической решетки (примесные атомы, вакансии, дислокации и др.):
(3.1)
При температуре, превышающей температуру Дебая q (для металлов
q = 100 – 500 К), удельное сопротивление обусловлено в основном тепловыми колебаниями решетки (rТЕПЛ) и возрастает практически линейно. При низких (криогенных) значениях температуры r перестает зависеть от температуры и определяется остаточным сопротивлением (rОСТ), являющимся количественной мерой концентрации дефектов кристаллической решетки.
В проводниковых металлах высокой проводимости, имеющих при нормальной температуре удельное сопротивление не более 0,1 мкОм × м, содержание примесей ограничивается десятыми, сотыми и даже тысячными долями процента с целью снижения их удельного сопротивления за счет rОСТ. Особо чистые металлы с малым rОСТ применяются в качестве криопроводниковых материалов, предназначенных для работы при температуре 70 – 100 К и ниже.
Для изготовления реостатов, резисторов, электронагревательных элементов применяются не металлы, а сплавы высокого электрического сопротивления (их удельное сопротивление при нормальной температуре – не менее
0,3 мкОм × м), обладающие повышенным значением rОСТ вследствие нарушения правильности структуры решетки. Особенно заметно увеличение удельного
сопротивления у сплавов, являющихся твердыми растворами.
У твердых (твердеющих) металлов и сплавов, подвергнутых холодной протяжке, волочению, удельное сопротивление в результате искажения крис-таллической решетки повышается. Мягкие (отожженные) металлы и сплавы вследствие рекристаллизации восстанавливают искаженную при пластической деформации структуру, и их удельное сопротивление уменьшается.
Изменение сопротивления проводника в зависимости от температуры характеризуется температурным коэффициентом удельного сопротивления
ТКr, град–1:
(3.2)
Коэффициент ar характеризует свойства материала при фиксированной температуре Т. В таблицах часто приводится значение ar при 20°С. При расчетах удобно пользоваться средним температурным коэффициентом удельного сопротивления:
(3.3)
где r0 – удельное сопротивление при температуре Т0, принятой за начальную;
r1 – то же при температуре Т1.
Пользуясь коэффициентом aср, рассчитанным для интервала температуры Т0 – Т1, можно достаточно точно найти значение r2 для любой температуры Т2 внутри этого интервала:
(3.4)
Металлы имеют большой температурный коэффициент удельного сопротивления (у большинства – 4 × 10–3 град–1 и более), поэтому их сопротивление в зависимости от температуры изменяется значительно. У сплавов значение ar обычно значительно меньше (10–4 – 10–6 град–1). Сплавы с ar = 10–5 – 10–6 град–1 можно считать материалами, практически не изменяющими сопротивления в широком диапазоне температуры.
Медь считается металлом высокой проводимости, она удачно сочетает в себе следующие технически ценные свойства:
минимальное удельное сопротивление (только серебро имеет r примерно на 5 % меньше, чем медь);
достаточно высокую для большинства случаев практического применения механическую прочность;
удовлетворительную стойкость к воздействию окружающей атмосферы;
хорошую технологичность (благодаря сочетанию прочности и пластич-ности медь перерабатывается в листы, ленты, шины, профили для коллекторов электрических машин, проволоку и другие изделия);
относительную легкость пайки и сварки, что важно при монтажных работах.
Существенным недостатком меди является ее дефицитность. В связи с развитием промышленности (несмотря на увеличение производства меди) вопрос ее замены главным образом алюминием не утратит своей актуальности и в будущем.
К сплавам высокого сопротивления, применяемым для изготовления токоведущих частей электроизмерительных приборов и образцовых резисторов, предъявляется комплекс особых требований: они должны иметь высокое удельное сопротивление для уменьшения размеров и массы; малый ТКr, обеспечивающий стабильность электрического сопротивления прибора или эталона при изменении температуры; достаточную стабильность электрического сопротивления во времени; малую термоЭДС в паре с медью для уменьшения ошибок измерения из-за возникновения паразитных термоЭДС; хорошую технологичность, позволяющую получать тонкую проволоку и другие полуфабрикаты.
Таким требованиям отвечают в значительной степени сплавы на медной основе – манганин и константан.
Для изготовления проволочных или ленточных резисторов применяются жаростойкие сплавы. Помимо высокого удельного электрического сопротивления и малого ТКr эти материалы отличаются высокой жаростойкостью – способностью противостоять химическому разрушению поверхности под воздействием воздуха или иных газообразных сред при высокой температуре, а также имеют удовлетворительную технологичность, хорошую свариваемость и достаточную жаропрочность – способность выдерживать механические нагрузки без существенных деформаций при высокой температуре.
Хромоникелевые сплавы (нихромы) сочетают в себе высокие жаростойкость и технологичность (чем больше в составе сплава никеля, тем выше технологичность, однако выше и стоимость).
Порядок выполнения работы
1) Включить монитор, системный блок, измерительный стенд.
2) Запустить лабораторную работу, нажав соответствующий ярлык на рабочем столе.
3) Ознакомиться с параметрами исследуемых образцов, для этого открыть таблицу «Образцы» (ничего в ней не менять).
4) Выбрать в полосе меню команду «Опции» и выполнить следующие действия:
а) выписать параметры трех исследуемых образцов (наименование, площадь поперечного сечения и длину) при помощи подкоманд «Образец 1» – «Образец 3»;
б) выбрать подкоманду «Тест аппаратуры» и выписать данные теста
(сопротивления образцов, температуру);
в) рассчитать удельное сопротивление образцов по формуле:
, (3.5)
где R – сопротивление образца, Ом;
S – площадь поперечного сечения, мм2;
l – длина образца, м;
г) выбрать подкоманду «Температура» и установить по заданию преподавателя конечную температуру и шаг измерений (целые числа). Нажать кнопку «ОК».
5) Выбрать команду «Измерение» в полосе меню. Появится окно в режиме измерения, где левая вертикаль показывает значение сопротивления R, горизонталь – значение температуры t, правая вертикаль – шкалу термометра с установленным пределом. Измерения происходят автоматически до достижения заданной температуры. Результаты измерений фиксируются на графике. Окно нельзя закрывать! По окончании измерений окно закроется автоматически и на экране появится окно с таблицей исходных данных.
6) Активизировать в таблице данных последнее измерение (дату и время) и нажать на кнопку «Просмотр» (последняя справа в нижнем ряду) либо два раза щелкнуть мышкой на интересующей строке. На экране появится чистый график. Развернуть окно на весь экран.
7) Работа с графиком R = f(t). Составить таблицу по графику зависимости R = f(t), используя масштабирование или команду меню «Буфер обмена». При помощи команды «Буфер обмена» можно переносить в текстовый редактор Word график и таблицу (график переносится легко, а таблицу необходимо обработать). При составлении таблицы сначала указывается значение температуры, например 18,3999996185303, далее следует значение сопротивления для меди, например 200,5, затем – значения для никеля (178,7) и для константана (204). После этого снова идет значение температуры, но оно не отделяется от предыдущего значения (для константана): 20422,5. Так как шаг температуры выставлен, например 4, то значение температуры будет 22,5 и т. д.
Масштабирование графика выполнить следующим образом. Удерживая нажатой левую кнопку мыши, отметить прямоугольник слева направо вокруг точки этой зависимости – получится фрагмент графика. Повторить операцию масштабирования вокруг этой же точки. В результате получится фрагмент графика с масштабами этой точки по осям. Выделение прямоугольника справа налево возвращает к исходному размеру графика. При помощи операции масштабирования необходимо обработать графики зависимости удельного сопротивления от состава и температурного коэффициента удельного сопротивления
от состава.
8) Нажимая кнопки «Уд. сопротивление», «Зав. от состава уд. сопр.» и «Зав. от состава темп. коэфф.», можно просмотреть соответствующие зави-симости.
9) Для графиков зависимости сопротивления от температуры и удельного сопротивления от температуры составить таблицы, подобные табл. 3.1, а для графиков зависимости удельного сопротивления от состава и температурного коэффициента удельного сопротивления от состава – табл. 3.2.
Таблица 3.1
Зависимость сопротивления образцов от температуры
| Температура Т, °С | Исследуемый материал | ||
| медь | никель | константан | |
Таблица 3.2
Зависимость удельного сопротивления и его температурного
коэффициента от состава образцов
| Параметр | Процентное содержание меди (никеля) | ||||
| 0 (100) | 30 (70) | 60 (40) | 80 (20) | 100 (0) | |
| r | |||||
| ТКr |
Комментарий к табл. 3.2. На графиках «Зависимость удельного сопротивления от состава» и «Зависимость температурного коэффициента удельного сопротивления от состава» слева направо указано процентное содержание в сплаве меди, а справа налево – никеля.
Методические указания к проведению данной лабораторной работы размещены и в компьютере. Для их вызова необходимо выбрать команду «Помощь» в полосе меню и в ней – подкоманду «Содержание».
Содержание отчета
1) Цель работы.
2) Понятие удельного сопротивления проводниковых материалов и расчетная формула его значения с пояснениями.
3) Результаты исследований в виде таблиц.
4) Графики полученных зависимостей.
5) Выводы по результатам лабораторной работы.
6) Ответы на контрольные вопросы.
Контрольные вопросы
1) Каким основным требованиям должны отвечать сплавы высокого омического сопротивления?
2) Что такое термопара? Какие сплавы используют для получения
термопар?
3) Каковы основные свойства меди, никеля, нихрома и константана?
4) Какие факторы влияют на удельное сопротивление в разных температурных диапазонах?
Библиографический список
1. Пасынков В. В. Материалы электронной техники / В. В. Пасын-ков, В. В. Сорокин. СПб: Лань, 2004. 368 с.
2. Партала О. Н. Радиокомпоненты и материалы / О. Н. Партала. Киев: Радiоаматор. М.: КУБК-а, 1998. 720 с.
3. Никулин Н. В. Радиоматериалы и радиокомпоненты / Н. В. Никулин, А. С. Назаров. М.: Высшая школа, 1981. 221 с.
4. Богородицкий Н. П. Электротехнические материалы / Н. П. Богородицкий, В. В. Пасынков, Б. М. Тареев. Л.: Энергоатомиздат, 1985. 304 с.
Учебное издание
ЦАРЕВА Лена Алексеевна,
ЛУТЧЕНКО Сергей Святославович
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
«МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ»
Часть 1
 |
Редакторы Н. А. Майорова, Т. С. Паршикова
***
Подписано в печать .06.2007. Формат 60 ´ 84 1/16.
Плоская печать. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2,0. Уч.-изд. л. 2,2.
Тираж 100 экз. Заказ .
**
Редакционно-издательский отдел ОмГУПСа
Типография ОмГУПСа
*
644046, г. Омск, пр. Маркса, 35