ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРОВОДНИКОВЫХ

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Ухтинский государственный технический университет»
(УГТУ)
ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Методические указания
Ухта, УГТУ, 2015
УДК 621.315.592(075.8)
ББК 32.843.277
П 49
Полетаев, С. В.
П 49
Изучение электрических свойств проводниковых материалов
[Текст] : метод. указания / С. В. Полетаев. – Ухта : УГТУ, 2015. –
12 с. : ил.
Методические указания предназначены для выполнения лабораторной
работы по электротехническому и конструкционному материаловедению для
студентов направления 140400 Электроэнергетика и электротехника.
Методические указания составлены в соответствии с программой курса
«Электротехническое и конструкционное материаловедение» и содержат краткие теоретические сведения, указания по проведению экспериментов и обработки результатов измерений.
Содержание указаний соответствует учебной рабочей программе.
УДК 621.315.592(075.8)
ББК 32.843.277
Методические указания рассмотрены и одобрены кафедрой ЭАТП и пр.
№5 от 10.06.2015 г.
Рецензент: А. Э. Старцев, старший преподаватель кафедры ЭАТП УГТУ, к.т.н.
Редактор: А. Э. Беляев.
Корректор и технический редактор: А. Ю. Васина.
В методических указаниях учтены предложения рецензента и редактора.
План 2015 г., позиция 118.
Подписано в печать 31.08.2015. Компьютерный набор.
Объём 12 с. Тираж 100 экз. Заказ №298.
© Ухтинский государственный технический университет, 2015
169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Первомайская, д. 13.
Типография УГТУ.
169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Октябрьская, д. 13.
Оглавление
1. Краткие теоретические сведения..................................................................... 4
2. Измеритель LCR универсальный E7 – 11 ....................................................... 5
3. Описание лабораторной установки ................................................................. 6
4. Проведение измерений ..................................................................................... 7
5. Обработка результатов измерений .................................................................. 7
6. Содержание отчёта............................................................................................ 8
7. Контрольные вопросы ...................................................................................... 9
8. Список литературы: ........................................................................................ 10
Приложение 1 ........................................................................................................ 11
3
Лабораторная работа № 4
«Изучение электрических свойств проводниковых материалов»
Цель работы: Исследовать влияние природы проводника на электропроводность. Изучить влияние температуры на электропроводность. Получить основные представления о природе термо-ЭДС. Приобрести навыки измерения
электрического сопротивления и напряжения.
1. Краткие теоретические сведения
Проводники (ГОСТ Р 5202–2003) – основным свойством которых является электропроводность. К важнейшим проводниковым материалам, применяемым в электротехнической промышленности, относятся металлы и их сплавы.
Металлические проводниковые материалы подразделяются на:
1. Металлы с высокой проводимостью (удельное сопротивление ρ ≤ 0,05 мкОм∙м);
2. Сплавы высокого сопротивления (удельное сопротивление ρ ≤ 0,03 мкОм∙м);
3. Сверхпроводники и криопроводники (удельное сопротивление ρ = 0).
Одними из важнейших параметров, характеризующих свойства проводниковых материалов, являются удельное сопротивление проводников, температурный коэффициент сопротивления и коэффициент термо-ЭДС.
Удельное сопротивление проводниковых материалов определяется следующим выражением:
l
ρ =R ,
S
где R – сопротивление проводника, Ом;
l – длина проводника, м;
S – площадь поперечного сечения проводника, м2.
Величина удельного сопротивления в основном определяется наличием
примесей и дефектов кристаллического строения проводника. Широко известно, что основными носителями заряда в проводниковых материалах являются
свободные электроны. Перемещаясь по проводнику электроны теряют энергию
на дефектах решётки (вакансии, примесные атомы, дислокации) и тепловых колебаниях собственных атомов. С увеличением температуры растёт частота колебаний собственных атомов и соответственно удельное сопротивление.
Изменение удельного сопротивления проводника с температурой называют
температурным коэффициентом сопротивления ТКρ. При небольших изменениях температуры определяют средний температурный коэффициент удельного
сопротивления определяют по выражению
4
ТК ρ=
1 ρ0 − ρ1
⋅
,
ρ 0 Т 0 − Т1
где ρ0 − удельное сопротивление при температуре Т0 принятой за начальную,
ρ1 – удельное сопротивление при температуре Т1.
Соответственно, для любой другой температуры на линейном участке характеристики ρ(Т) будет справедливым следующая формула
ρ = ρ0 (1 + ТК ρ(Т − Т 0 ).
Для металлов температурный коэффициент удельного сопротивления равен 0,004 1 , а для сплавов – 10−4 − 10−6 1 .
К
К
Составляя замкнутую цепь из двух металлических проводников и нагревая один из контактов до более высокой температуры, чем другой, можно получить термоэлектродвижущую силу, которая для данной пары металлов будет
функцией только разности температур:
∆U =
αT (T2 − T1 ),
где αT – коэффициент термо-ЭДС.
Весьма разнообразными физическими свойствами обладают тонкие металлические плёнки, которые широко применяются в качестве элементов микроэлектронных схем. Вследствие поверхностного рассеяния электронов и
повышенной степени дефектности структуры удельное сопротивление металлических плёнок может существенно превосходить удельное сопротивление
массивного материала.
В очень тонких слоях, т. е. на начальной стадии конденсации, плёнки
имеют островковую структуру, характеризующуюся неметаллическим типом
электропроводности. Для сравнительной оценки проводящих свойств тонких
плёнок пользуются сопротивлением квадрата поверхности:
ρ
RS = ,
d
где ρ – удельное сопротивление слоя толщиной d.
Параметр Rs, измеряемый в омах на квадрат, не зависит от размера квадрата. Подбором толщины плёнки можно изменять Rs независимо от удельного
сопротивления.
2. Измеритель LCR универсальный E7 – 11
Измеритель Е7 – 11 предназначен для измерения индуктивности, ёмкости,
сопротивления, тангенса угла потерь и добротности радиодеталей и элементов
5
радио цепей. В основу работы прибора положен мостовой метод измерения по
схеме одинарного моста (моста Витстона).
Мост Витстона (рис. 1) обладает высокой чувствительностью, что позволяет использовать его для проведения измерений в схемах различных автоматических и телемеханических устройств. Три плеча моста состоят из
сопротивлений R1 , R2 и R3 , а четвёртое – из измеряемого сопротивления Rx .
R1
R2
V
Rx
R3
U
Рисунок 1 – Мост Витстона постоянного тока
Работа уравновешенного моста описывается выражением
R
Rx = 3 R2 .
R1
Следовательно, по равновесному состоянию моста можно определить величину сопротивления Rx. При этом условие равновесия можно осуществить,
меняя соотношение R3:R1 при неизменном R2 или при неизменном отношении
R3:R1 путём сравнения Rx с изменяемым R2. В соответствии с этим плечи моста
с сопротивлениями R1 и R2 называют плечами отношения, а плечо с сопротивлением R2 – плечом сравнения.
3. Описание лабораторной установки
Измерение сопротивления производятся прибором Е7 – 11. Порядок измерения сопротивления прибором указан в приложении 1.
Исследование температурной зависимости сопротивления проводников
производится с помощью нагревательного элемента, внутрь которого помещаются образцы из медной, фехралевой и константановой проволок.
6
Исследование термопар осуществляют, помещая исследуемые термопары в нагревательный элемент. Напряжение на зажимах термопары измеряется прибором.
4. Проведение измерений
Для определения удельного электрического сопротивления проводников
при комнатной температуре подключите зажимы прибора RLC к измеряемому образцу. Сопротивление образца измерять в соответствии с указаниями (прил. 1).
При работе прибора не допускается прикосновение к контактам измерительного кабеля и к контактам измеряемых резисторов. Результаты измерения сопротивления образцов, а так же длину и диаметр проводников занести в таблицу 2.
Аналогичным образом замерить сопротивление плёночных резисторов и
записать их геометрические размеры.
При определении зависимости удельного сопротивления металла от температуры необходимо поместить образец в нагревательный элемент. Подключить нагревательный элемент к регулируемому трансформатору (лабораторный
автотрансформатор). Произвести замеры сопротивления образца при повышении температуры, вращая рукоятку автотрансформатора. Результаты измерений
занести в таблицу 3.
При определении зависимости термоэлектродвижущей силы металлов от
температуры поместить образец в нагревательный элемент. Изменяя температуру образца при помощи автотрансформатора измерить величину термо-ЭДС.
Результаты измерений занести в таблицу 3.
5. Обработка результатов измерений
Удельное объёмное сопротивление проводников определяется по формуле:
l
ρ = R , мкОм.м,
S
где R – сопротивление проводника, Ом;
S – площадь поперечного сечения, мм2;
l – длина проводника, м.
Вычисление сопротивления квадрата поверхности плёнки производится
по формуле:
l
RS = R , Ом,
b
где R – сопротивление прямоугольного образца плёнки;
7
b – ширина резистивного слоя;
l – длина плёнки, т. е. расстояние между контактными площадками.
По полученным значениям сопротивления медной, фехралевой и константановой проволок при различных температурах строят усреднённую зависимость R(T) с учётом возможной погрешности измерений. Путём
графического дифференцирования кривой находят значения TK R (температурный коэффициент сопротивления). Для этого при выбранных значениях температуры проводят касательные к кривой R(T) и строят на них прямоугольные
треугольники произвольных размеров. Искомая величина TK R при фиксированной температуре рассчитывается по выражению:
TKR =
1 ∆R
,
RT ∆T
где RТ – сопротивление образца при данной температуре.
Температурный коэффициент удельного сопротивления вычисляют по
формуле:
=
ρ ТКR + αl ,
ТК
где αl – температурный коэффициент линейного расширения, значения которого приведены в таблице 1.
Результаты вычислений температурного коэффициента расширения занести в таблицу 3
Таблица 1 – Температурные коэффициенты линейного расширения образцов
Металл
α l . 106, К-1
Медь
Фехраль
Константан
16,7
15
17,0
6. Содержание отчёта
Отчёт о работе должен содержать:
1. Краткое изложение сущности применённого метода испытаний проводниковых материалов.
2. Описание материалов, с которыми студенты ознакомились в данной
работе (тип, состав, основные свойства и применение).
3. Результаты наблюдений и вычислений в виде таблиц и графиков, формулы, по которым производились расчёты, и примеры вычислений.
4. Результаты определения удельного сопротивления проводников при
нормальной температуре, оформленные в виде таблицы 2.
8
Таблица 2 – Результаты определения удельного сопротивления проводников
Металл или сплав
R, Ом
l, м
d, мм
S, мм2
ρ, мкОм.м
5. Результаты определения сопротивления квадрата поверхности резистивных плёнок.
6. Результаты наблюдений изменения сопротивления металлов и сплавов
от температуры, оформленные в виде таблицы 3.
Таблица 3 – Сопротивление проводников при разных температурах
t, °C
Медь
Rt, Ом
TKρ , K-1
t, °C
Фехраль
Rt, Ом TKρ , K-1
t, °C
Константан
Rt, Ом
TKρ , K-1
По полученным данным строятся графики R(t), из которых путём графического дифференцирования находят значения TK ρ для разных температур.
7. Результаты измерения термо-ЭДС металлов и сплавов по отношению к
меди в зависимости от температуры (табл. 4).
Таблица 4 – Термо-ЭДС металлов и сплавов при разных температурах
∆U, мВ
медь-железо
t, °C
По данным таблицы 4 строят графики ∆U = f(t).
8. В отчёте должна быть дана критическая оценка полученных результатов и проведено сопоставление их с лекционным материалом и литературными
данными.
7. Контрольные вопросы
1. Дайте определение удельного сопротивления проводников; в каких
единицах оно измеряется?
2. Почему металлы обладают высокой электрической проводимостью?
3. Как объяснить возрастание удельного сопротивления металлов при
нагревании?
4. Сформулируйте определение температурного коэффициента удельного
сопротивления.
9
5. Каким параметром характеризуют электрические свойства тонких резистивных плёнок?
6. При каких условиях возникает термоэлектродвижущая сила?
7. Область применения явления термо-ЭДС в промышленности? Отрицательные особенности влияния термо-ЭДС?
8. Список литературы:
1. Богородицкий, Н. П. Электротехнические материалы : учеб. для вузов /
Н. П. Богородицкий, В. В. Пасынков, Б. М. Тареев. – 7-е. изд., перераб. и доп. –
Л. : Энергоатомиздат, 1985. – 304 с.
2. Казанцев, А. П. Электротехнические материалы / А. П. Казанцев –
Мн. : Дизайн ПРО, 1998. – 96 с.
3. Конструкционные и электротехнические материалы / В. Н. Бородулин
[и др.]. – М. : Высш. шк., 1990. – 296 с.
10
Приложение 1
Работа с измерителем L, C, R универсальным Е7 – 11
1.
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
1.6.
Подготовка прибора к работе:
Установите органы управления в исходные положения:
ручку «ЧУВСТВИТ.» в крайне левое положение;
ручку «Uген» на задней стенке прибора в крайнее правое положение;
тумблер «ИЗМЕР.
» в положение «ИЗМЕР.»;
переключатель «Q > 0,5 Q < 0,5 tg δ» в положение «tg δ»;
отсчётные шкалы «tg δ» и «МНОЖИТЕЛЬ» в положение нулевого отсчёта;
переключатель «ЧАСТОТА Hz» в положение 1000 Гц;
Подготовка к проведению измерения
2.
Включите переключатель «СЕТЬ». При этом должна загореться индикаторная лампочка.
3.
Перед проведением измерения дайте прогреться прибору в течении 15 минут.
4.
Разомкните концы соединительного кабеля.
5.
Установите переключатель «L, C, R~, R_» в положение «R_», переключатель «ПРЕДЕЛЫ» в положение, соответствующее пределу, на котором предлагается проводить измерения; переключатель «ЧАСТОТА Hz» в положение 100.
6.
Поставьте переключатель «
ИЗМЕР.» в положение «
» и вращением шлица, установленного над этим переключателем, установите стрелку индикатора прибора в положение «ИЗМЕР.».
Проведение измерений
Присоедините измеряемый объект к зажимам соединительного кабеля L, C, R.
Переключатель «L, C, R~, R_» установите в положение «R_», переключатель «ЧАСТОТА Hz» в положение 100 (при этом загорается сигнальная лампочка «C, L x10»).
Переключатель «ПРЕДЕЛЫ» установите в крайнее левое положение.
Ручку «ЧУВСТВИТ.» установите в крайнее правое положение.
Выберите нужный предел измерения. Для этого вращением ручки
«ПРЕДЕЛЫ» поочерёдно меняйте установленный предел до тех пор, пока знак
напряжения разбаланса на индикаторе не изменится на противоположный. Это
и будет нужный для измерения предел.
11
Уравновесьте мост вращением ручек «МНОЖИТЕЛЬ», постепенно увеличивая чувствительность до величины, обеспечивающей индикацию разбаланса на ½ погрешности измерения для данной величины.
Измеренная величина сопротивления равна произведению отсчёта по
шкалам «МНОЖИТЕЛЬ» на значение сопротивления, соответствующей заданному пределу и указанное в таблице на передней панели прибора.
Например:
Предел измерения – 3. По таблице ему соответствует значение 1 кОм.
Следовательно, измеренная величина сопротивления будет
R = 0,127 · 1 кОм = 127 Ом.
12