Лабораторные работы по материаловедению

Летающий спутник

Летающий спутник

Заработок для студента

Заработок для студента

 Заказать диплом

 Курсовые работы

Курсовые работы

Репетиторы онлайн по любым предметам

Репетиторы онлайн по любым предметам

Выполнение дипломных, курсовых, контрольных работ

Выполнение дипломных, курсовых, контрольных работ

Магазин студенческих работ

Магазин студенческих работ

Диссертации на заказ

Диссертации на заказ

Заказать курсовую работу или скачать?

Заказать курсовую работу или скачать?

Эссе на заказ

Эссе на заказ

Банк рефератов и курсовых

Банк рефератов и курсовых

Электротехника
ТОЭ типовые задания примеры
решения задач
Радиотехнические схемы Генераторы
Лабораторные работы
Контрольная работа
Конспект лекций
Электротехника, электроника
Линейные цепи постоянного тока
Переменный ток. Приборы и оборудование
Комплексный метод расчета
цепей синусоидального тока
Электрические цепи с
взаимной индуктивностью
Расчет неразветвленных
магнитных цепей
Электромагнитные устройства
Трансформаторы
Однофазный асинхронный двигатель
Электронно-оптические приборы
Электронные усилители и генераторы
Источники питания электронных устройств
Измерение тока и напряжения
Работа электрической машины
постоянного тока в режиме генератора
История искусства
Стили в архитектуре и дизайне
Стиль АРТДЕКО
Париж оставался центром стиля арт-деко
Развитие традиционной архитектуры
Восточного Китая
ТВОРЧЕСТВО ЛЕ КОРБЮЗЬЕ
ТВОРЧЕСТВО  ВАЛЬТЕРА ГРОПИУСА
Людвиг Мис ван дер Роэ
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ДОМ
Здание Калифорнийской Академии наук
История дизайна
Дизайн в моде
Литература о дизайне
Линия борьбы с академизмом
в искусстве и эстетике
Объяснение промышленного искусства
Дизайнерское проектирование
для промышленности
ТОМАС МАЛЬДОНАДО
Джордж Нельсон
ДИЗАЙН В ДЕЙСТВИИ
фирма «Вестингауз»
„ОЛИВЕТТИ" Фабрика пишущих машин
Активное развитие дизайна «Оливетти»
НОН-ДИЗАЙН
ДИЗАЙН В ДЕЙСТВИИ
авторские концепции дизайна
ДИЗАЙН И ИСКУССТВО
Европейский «артистический» дизайн
Первичность деятельности художника
Современный элитарный дизайн
Художественное проектирование
Индустриальный дизайн
Стиль в дизайне. Понятие "фирменный стиль"
Абстракционизм
ПЕРВЫЕ ШКОЛЫ ДИЗАЙНА Баухауз
ДИЗАЙН В ПРЕДВОЕННУЮ ЭПОХУ
ПОСЛЕВОЕННЫЙ ДИЗАЙН
ДИЗАЙН 60-х
АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ДИЗАЙН
Государственный дизайн
ДИЗАЙН-ТЕХНОЛОГИИ БУДУЩЕГО
Прикладное искусство Византии IV–VII века
Поверхности
Начертательная геометрия
Задачи по математике
Математика Методические указания
к выполнению контрольных работ
Решение линейных дифференциальных уравнений и систем
операционным методом
Область сходимости степенного ряда
Математический анализ
Пример решения типового задания
Найти значение производной функции
Линейная алгебра
Задачи по физике
Оптика
Электростатика
Энергетика
Системы теплоснабжения
Региональный опыт энергосбережения
Тепловые насосы
Проектирование аккумуляторов теплоты
Малая гидроэнергетика
Ветроэнергетика в России
Гелиоэнергетика
Активные гелиосистемы отопления зданий
Гидротермальные системы
Закрытые системы геотермального
теплоснабжения
Мини-теплоэлектростанция на отходах
Энергия морских течений
Водородная экономика
Основы технической механики
Сопротивление материалов
Контрольная работа
Шарнирное соединение деталей
Вычисления моментов инерции
однородных тел
 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Исследовать температурную зависимость удельного электрического сопротивления типовых металлических проводников используемых в электроустановках различного назначения.

ПРОГРАММА РАБОТЫ

Изучить экспериментальные законы классической электронной теории металлов для определения параметров удельных электрических проводимостей и сопротивлений металлических проводниковых материалов электроустановок.

Изучить методы определения электрических сопротивлений металлических проводников.

Изучить лабораторную установку и приспособления для определения электрических удельных сопротивлений металлических проводниковых материалов электроустановок.

Выполнить измерения и расчеты электрических параметров металлических проводниковых материалов.

Построить температурные зависимости удельных электрических сопротивлений различных металлических проводников и провести анализ полученных данных.

Сделать выводы и ответить на вопросы по работе.

Оформить и защитить отчет по лабораторной работе.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

В соответствии с атомно-кинетической теорией средняя кинетическая энергия электронов, находящихся в состоянии непрерывного хаотического движения, линейно возрастает с температурой:

,  (1)

где  - средняя скорость теплового движения;  - постоянная Больцмана. Температуре 300К соответствует средняя скорость порядка 105м/с.

Плотность тока в металлическом проводнике, к которому приложено напряжение, определяется выражением:

,  (2)

где  - заряд электрона,  - концентрация свободных электронов в проводнике,  - средняя скорость направленного движения электронов (скорость дрейфа).

В медном проводе плотности тока 106А/м2 соответствует скорость дрейфа электронов порядка 10-4м/с, т. е. можно считать, что в реальных условиях средняя скорость теплового движения  намного больше скорости направленного движения электронов  в проводнике.

После столкновения для большинства электронов скорость направленного движения падает до нуля, т. е. накопленная кинетическая энергия передается атомам кристаллической решетки металла. Поэтому среднее значение скорости дрейфа за время свободного пробега равно половине максимального:

  (3)

Поскольку средняя скорость теплового движения намного больше скорости направленного движения электронов, то при расчете времени свободного пробега добавку скорости дрейфа можно не учитывать:

  (4)

где  - средняя длина свободного пробега электронов.

Подстановка полученных соотношений в формулу для плотности тока приводит к следующему результату:

,  (5)

т.е. плотность тока пропорциональна напряженности электрического поля, а это есть аналитическое выражение закона Ома.

Вывод формулы (5) нельзя считать строгим, так как принималось во внимание движение лишь одного электрона, а выводы распространялись на все свободные электроны. Более правильным было бы рассмотреть действие электрического поля на всю совокупность свободных электронов, у которых суммарный импульс изменяется как под действием поля, так и под действием соударений с узлами кристаллической решетки. Такой анализ приводит к тому, что средняя скорость дрейфа электронов оказывается вдвое больше. С учетом этой поправки выражение для удельной проводимости принимает следующий вид:

.  (6)

Электроны в металле переносят не только электрический заряд, но и выравнивают в нем температуру, обеспечивая высокую теплопроводность. Благодаря высокой концентрации свободных электронов, электронная теплопроводность преобладает над другими механизмами переноса теплоты. В соответствии с атомно-кинетической теорией идеального газа электронная теплопроводность металла запишем в виде:

  . (7)

Поделив выражение (7) на удельную электрическую проводимость, найденную из формулы (5) получим:

,  (8)

т. е. отношение удельной теплопроводности к удельной проводимости металла при данной температуре есть величина постоянная, независящая от природы проводника. Отсюда следует, что хорошие проводники электрического тока являются и хорошими проводниками теплоты.

Константа  получила название числа Лоренца.

Таким образом, удельная электрическая проводимость металлических проводниковых материалов определяется в основном средней длиной свободного пробега электронов, которая, в свою очередь, зависит от химической природы атомов и типа кристаллической решетки.

Известно, что сопротивление чистых отожженных металлов стремится к нулю, когда температура приближается к абсолютному нулю. Рассеяние энергии, приводящее к появлению электрического сопротивления, возникает в тех случаях, когда в кристаллической решетке имеются нарушения ее правильного строения. Дефекты структуры проводникового металла могут быть динамическими и статическими, точечными и протяженными.

Любые неоднородности структуры кристаллической решетки препятствуют распространению электронных волн, вызывают рост удельного электрического сопротивления материала. В чистых металлических проводниковых материалах единственной причиной, ограничивающей длину свободного пробега электронов, является тепловое колебание атомов в узлах кристаллической решетки.

Таблица 1 - Средняя длина свободного пробега электронов при 0оС для типовых металлов ( 1010,м)

-110

-370

-420

-410

-350

-133

-570

-220

Длина свободного пробега электронов в чистом металле обратно пропорциональна температуре. В области низких температур рассеяние электронов тепловыми колебаниями узлов решетки становится неэффективным. Взаимодействие электрона с колеблющимся атомом лишь незначительно изменяет импульс электрона. В теории колебаний атомов решетки температуру оценивают относительно некоторой характеристической температуры, которую называют температурой Дебая (θД). Температура Дебая определяет максимальную частоту тепловых колебаний, которые могут возбуждаться в металлическом проводнике. Эта температура зависит от сил связи между узлами кристаллической решетки и является важным параметром металла.

Если температура проводника больше температуры Дебая, то удельное электрическое сопротивление изменяется линейному закону до точки плавления металлического проводника. Типичная кривая изменения удельного сопротивления металлического проводникового материала в зависимости от температуры представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Зависимость удельного сопротивления металлического проводника от температуры в широком диапазоне температур:

а, б, в – варианты изменения удельного сопротивления у различных расплавленных металлов

Как показывает эксперимент, линейная аппроксимация температурной зависимости   справедлива и до температур порядка , где ошибка не превышает 10%. Для большинства металлов характеристическая температура Дебая не превышает 400 - 450К. Поэтому линейное приближение обычно справедливо при температурах от 200С и выше. В низкотемпературной области , где спад удельного сопротивления обусловлен постепенным исключением все новых и новых частот тепловых колебаний (фононов), теория, предсказывает степенную зависимость . Температурный интервал, в котором наблюдается резкая степенная зависимость , обычно бывает довольно небольшим, причем экспериментальные значения показателя степени лежат в пределах от 4 до 6.

В узкой области I, составляющей несколько градусов Кельвина, у ряда металлов может наступить состояние сверхпроводимости. На рисунке виден скачок удельного сопротивления при температуре .

В пределах переходной области II наблюдается быстрый рост удельного сопротивления , где n может быть до 5 и постепенно убывает с ростом температуры приблизительно до 1 при температуре .

Линейный участок (область III) в температурной зависимости у большинства металлов простирается до температур, близких к точке плавления ТПЛ. Вблизи точки начала плавления ТНП, т. е. в области IV, в обычных проводниковых металлах может наблюдаться некоторое отступление от линейной зависимости.

При переходе из твердого состояния в жидкое у большинства металлов наблюдается увеличение удельного сопротивления приблизительно в 1,5 - 2 раза. Эксперименты выявили следующую закономерность: если плавление металла сопровождается увеличением объема, то удельное сопротивление скачкообразно возрастает (кривые а и б); у металлов с уменьшением объема происходит понижение сопротивления (кривая в).

На рисунке 2,а показана зависимость удельного сопротивления медного проводника от температуры в широком интервале температур, а на рисунке 2,б дополнительно при низких температурах.

Хотя, как известно, сверхпроводимости у меди не обнаружено, однако при температурах порядка 10 - 20К удельное сопротивление меди весьма маленькое и отличается от сопротивления при 20°С почти на три порядка.

Рисунок 2 – Зависимости удельного электрического сопротивления от абсолютной температуры для меди (а) и алюминия и меди (б) при низких температурах

Зависимость некоторых физических свойств алюминия от температуры показана на рисунке 3.

Рисунок 3 – Зависимости удельного электрического сопротивления, удельной теплоемкости и температурного коэффициента линейного расширения от температуры для алюминия

Известно, что при температуре жидкого азота алюминий почти сравнивается с медью по значению удельного сопротивления, а при еще более низких температурах становится даже лучше ее. Поэтому перспективно использование алюминия в качестве низкотемпературного проводника.

Относительное изменение удельного сопротивления при изменении температуры на один кельвин (градус) называют температурным коэффициентом удельного сопротивления:

. (9)

Положительный знак  соответствует случаю, когда удельное сопротивление в окрестности данной точки возрастает при повышении температуры. Величина коэффициента  также является функцией температуры. В области линейной зависимости  справедливо выражение:

,  (10)

где  и   - удельное сопротивление и температурный коэффициент удельного сопротивления начала температурного диапазона ();

   - удельное сопротивление при температуре Т.

Значение коэффициентов  чистых проводниковых металлов близко к обратно пропорциональной зависимости (). Согласно экспериментальным данным большинство металлов при комнатной температуре имеют параметр  = 0,004 К-1, а повышенным коэффициентом  характеризуются ферромагнитные металлы, например, сталь (железо).

Методы определения электрических сопротивлений металлических проводников. Электрическое сопротивление по постоянному и переменному току измеряется при помощи мостовых электрических схем. Благодаря своей простоте и высокой точности для измерения сопротивлений часто используется мостовая схема Уитстона.

Мост состоит из четырех проводников, имеющих различные номиналы электрических сопротивлений. В плечо моста  включается исследуемое неизвестное сопротивление   а в плечо  - магазин сопротивлений . В плечи  и  включаются одинаковые сопротивления и . Эти сопротивления образуют электрический контур , в одной диагонали которого через ключ () включен источник питания (), а в другой - гальванометр ().

Рисунок 2 - Мостовая схема Уитстона

Измеряя величину неизвестного сопротивления  нужно подобрать электрические сопротивления плеч моста так, чтобы при замыкании ключа в гальванометре величина тока была равна нулю.

В этом случае точки электрической цепи  и  имеют одинаковые потенциалы. Такое положение называется равновесием мостовой схемы. При равновесии моста, на основании закона Кирхгофа, соотношение между сопротивлениями плеч моста:

,  (11)

откуда измеряемое сопротивление проводникового материала:

.  (12)

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

В состав лабораторной установки входит следующее оборудование, устройства и приборы: индикатор сопротивления ММВ, специализированные измерительные мосты Р316 и МО-62, микрометры, штангенциркули, рулетка пятиметровая, наборы исследуемых электрических проводов с изоляцией различного диаметра.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Микрометром (штангенциркулем) измерить диаметры  исследуемого набора проводников, с учетом толщины изоляции провода.

  (13)

Таблица 2 - Справочные данные для расчета диаметра провода без изоляции

Диаметр провода , мм

<0.2

0.2...0.24

0.241...0.5

0.501...0.8

0.8

Толщина изоляции  ,мм

0,015

0,02

0,03

0,04

0,05

2. Определить площадь поперечного сечения провода без изоляции:

.  (14)

Полученные данные занести в таблицу 3. Длина  исследуемого проводника указана на каждом образце материала.

Таблица 3 - Расчетные значения образцов проводниковых материалов

 Номер образца

провода

Диметр проводника, d,

мм

Сечение,

  S,

мм

Длина

м

Сопротивление R,

Ом

Удельное сопротивление, ,

мкОм м

Удельная

  Проводимость ,

МОм/м

 См м

1

2

3

4

3. Проверить исправность приборов. Провести измерения электрических сопротивлений образцов проводниковых материалов.

ММВ. Подключить измеряемое сопротивление к зажимам прибора. Поставить в соответствующее положение переключатель диапазонов, нажать на кнопку и вращать ручку до тех пор, пока стрелка гальванометра не установится на нулевую отметку. Произвести отсчет.

МО-62 . Подключить измеряемое сопротивление к зажимам П1, П2.На переключателе плеч отношения установить выбранный множитель N (0,01 или 0,1). При нажатой кнопке «грубо», а затем «точно» вращением рукояток переключателей «xl00», «xl0», «xl», «0.01», «0.1» установить стрелку гальванометра на нуль. Произвести отсчет.

Р316. Порядок измерения указан на крышке прибора.

4. Измерить сопротивления металлических проводников. Данные измерений занести в таблицу 3.

5. Рассчитать величины удельного сопротивления и удельной проводимости проводниковых материалов. Данные занести в таблицу 3.

6. Проанализировав результаты расчетов параметров, определить виды металлов (сплавов) из которых изготовлены проводники.

7. Рассчитать температурную зависимость удельного электрического сопротивление заданного проводникового материала до температуры начала плавления.

8. Сделать выводы по лабораторной работе. Оформить и защитить отчет.

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

Наименование и цель работы.

Фамилию студента и номер учебной группы.

Основы классической электронной теории металлов для определения параметров удельных электрических проводимостей и сопротивлений металлических проводниковых материалов электроустановок.

Метод определения электрических сопротивлений металлических проводников с помощью мостовой схемы.

Описание лабораторной установки и ее электрической схемы.

Исследуемые электрические и другие характеристики и необходимые таблицы с результатами измерений и вычислений.

Расчетные формулы и экспериментальные данные, полученные при измерениях и вычислениях.

Обоснованные выводы по работе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Чему равна средняя кинетическая энергия электронов, находящихся в состоянии непрерывного хаотического движения?

Чему равна плотность тока в металлическом проводнике, к которому приложено напряжение?

Сформулируйте аналитическое выражение закона Ома для проводника в электрическом поле?

Что представляет число Лоренца для металлических проводников?

Что определяет характеристическая температура Дебая в металлическом проводниковом материале?

Нарисуйте температурную зависимость удельного сопротивления проводника до температуры плавления металла.

Нарисуйте принципиальную электрическую схему моста Уитстона.

Объясните принцип действия мостовой схемы Уитстона.

Какие у проводниковой меди достоинства?

Какие у проводниковой меди недостатки?

Какие достоинства у проводникового алюминия?

  Какие недостатки у проводникового алюминия?

Какие у металлов со средним значением температуры плавления достоинства?

Какие у металлов со средним значением температуры плавления недостатки?

Какие свойства у тугоплавких электротехнических металлов?

Какие благородные металлы применяются в автоматике электроустановок в качестве проводниковых? Перечислите их свойства.

Какие припои применяются при эксплуатации электроустановок? Перечислите их свойства.

Математика примеры решения задач