Министерство образования и науки РФ

Национальный исследовательский Иркутский технический университет

Энергетический факультет

Кафедра электроснабжения и электротехники.

Лабораторная работа №5

«Исследование электрических свойств проводниковых материалов».

Выполнил: студент группы ЭПб-12-1

Золотов П.Ф.

Проверил: доцент кафедры ЭиЭ

Новиков Г.К.

Иркутск

2013

Цель работы: изучение физических явлений в проводниковых материалах, методы исследования электрических свойств проводниковых материалов и экспериментальное определение электрических характеристик.

Основные понятия: металлические проводники являются основными проводящими материалами в электротехнике и кабельной технике. Высокая электропроводность металлических проводников обусловлена наличием в них большого количества свободных валентных электронов.

Удельное сопротивление проводника любого сечения и длины связано с его сопротивлением формулой:

где R – сопротивление проводника, Ом; S – поперечное сечение проводника, м² ; l – длина проводника, м.

Удельное сопротивление по электронной теории металлов

где е- заряд электрона; – число свободных электронов в единице объема металла; - средняя длина свободного пробега электрона; m – масса электрона; V_T – средняя скорость теплового движения свободного электрона в металле.

Температурный коэффициент =

		1 образец			2 образец			3 образец
№	Т	l=50м; d=0,44 мм			l=1,35 м; d=0,25 мм			l=37 м; d=1 мм
		RT1		TKp1 oC-1			TKp2 oC-1			TKp3 oC-1
		Ом	мк.Омм		Ом	мк.Омм		Ом	мкОмм
1	20	730,08			555			685
2	30	738

Контрольные вопросы

1.Какова физическая природа сопротивления?

При движении свободных электронов в проводнике они сталкиваются на своем пути с положительными ионами, атомами и молекулами вещества, из которого выполнен проводник, и передают им часть своей энергии. При этом энергия движущихся электронов в результате столкновения их с атомами и молекулами частично выделяется и рассеивается в виде тепла, нагревающего проводник. Ввиду того что электроны, сталкиваясь с частицами проводника, преодолевают некоторое сопротивление движению, принято говорить, что проводники обладают электрическим сопротивлением. Если сопротивление проводника мало, он сравнительно слабо нагревается током; если сопротивление велико, проводник может раскалиться. Провода, подводящие электрический ток к электрической плитке, почти не нагреваются, так как их сопротивление мало, а спираль плитки, обладающая большим сопротивлением, раскаляется докрасна. Еще сильнее нагревается нить электрической лампы. За единицу сопротивления принят ом. Сопротивлением 1 Ом обладает проводник, по которому проходит ток 1 А при разности потенциалов на его концах (напряжении), равной 1 В. Эталоном сопротивления 1 Ом служит столбик ртути длиной 106,3 см и площадью поперечного сечения 1 мм2 при температуре 0°С. На практике часто сопротивления измеряют тысячами ом — килоомами(кОм) или миллионами ом — мегаомами (МОм). Сопротивление обозначают буквой R ( r ).

2.Что представляет собой температурный коэффициент удельного сопротивления? Чем отличается от температурного коэффициента сопротивления?

Изменение сопротивления проводника с температурой характеризуется

температурным коэффициентом удельного сопротивления Коэффициент характеризует свойства материала при фиксированной температуре Т, которой соответствует значение удельного сопротивления р_г и производной . Для расчетов удобно пользоваться температурным. Коэффициентом удельного сопротивления

где р_o- удельное сопротивление при температуре Т₀, принятой за начальную; p₁–удельноесопротивление при температуре Т₁.Пользуясь коэффициентом, определенным для интервала температур Т₀–т₁, можно достаточно точно найти значение для любой температуры Т₂ внутри этого интервала:

Чем отличается от температурного коэффициента сопротивления?

Температурный коэффициент удельного сопротивления отличается от температурного коэффициента сопротивления формулой

температурный коэффициент удельного сопротивления

ТК_р= TKR +

Температурный коэффициент сопротивления

3.Как влияют примеси на величину удельного сопротивления?

Влияние примесей на удельное сопротивление. Примеси увеличивают удельное сопротивление металлов, что обусловлено рассеянием электронов примесных атомах . При малом содержании примесей удельное сопротивление возрастает пропорционально концентрации примесных атомов. Удельное сопротивление - величина, обратная электропроводимости. Если удельное сопротивление возрастает, значит электропроводимость снижается. Такие примеси, как сурьма и мышьяк резко снижают электропроводимость металлов. меди. Гафния - тоже.

4.Чем вызвано возникновение контактной разности потенциалов при соприкосновении двух разных металлов и как она определяется?

Возникновение контактной разности потенциалов происходит вследствие двух причин:

Разной работы выхода электронов у различных металлов.

Металл, имеющий меньшее значение работы выхода электронов, легче их теряет и заряжается положительно, а металл с большей работой выхода накапливает электроны и заряжается отрицательно, поэтому между двумя металлами при их контакте возникает разность потенциалов, равная

где А₁ и А₂- работа выхода соответственно первого и второго металлов, е- заряд электронов.

Различной концентрации свободных электронов в металлах.

При соприкосновении двух металлов тот из них, в котором концентрация свободных электронов больше, будет их терять и приобретать положительный заряд. Другой металл, имеющий меньшую концентрацию электронов вследствие их диффузии, зарядится отрицательно.

Переход электронов и рост напряжения прекратятся, когда электрические силы уравновесятся сторонними силами, вызывающими диффузию свободных электронов. Разность потенциалов, образующаяся вследствие диффузии сводных электронов, равна

где k - постоянная Больцмана, е - заряд электрона, n₁ и n₂ - концентрация свободных электронов соответственно в первом и втором металлах.

Суммарная разность потенциалов, обусловленная обеими причинами, равна

5.Как влияют механические нагрузки на величину удельного сопротивления?

Механические нагрузки уменьшают удельное электрическое сопротивление

6.Чем вызвано явление сверхпроводимости и когда оно наблюдается?

   Сверхпроводимость - физическое явление, наблюдаемое у некоторых веществ (сверхпроводников), при охлаждении их ниже определенной критической температуры Tс, и состоящее в обращении в нуль электрического сопротивления постоянному току и выталкивания магнитного поля из объема образца ( эффект Мейснера). Явление открыто в 1911 г. Х. Каммерлинг-Оннесом. Изучая температурный ход электросопротивления Hg, он обнаружил, что  при температуре ниже 4,22К Hg практически теряет сопротивление.

7.Типы сплавов и их основные свойства.

Сплав — макроскопически однородный металлический материал, состоящий из смеси двух или большего числа химических элементов с преобладанием металлических компонентов.

По способу изготовления сплавов различают литые и порошковые сплавы. Литые сплавы получают кристаллизацией расплава смешанных компонентов. Порошковые — прессованием смеси порошков с последующим спеканием при высокой температуре. Компонентами порошкового сплава могут быть не только порошки простых веществ, но и порошки химических соединений. Например, основными компонентами твёрдых сплавов являются карбиды вольфрама или титана.

По способу получения заготовки (изделия) различают литейные (например, чугуны, силумины), деформируемые (например, стали) и порошковые сплавы.

В твердом агрегатном состоянии сплав может быть гомогенным (однородным, однофазным — состоит из кристаллитов одного типа) и гетерогенным (неоднородным, многофазным).Твёрдый раствор является основой сплава (матричная фаза). Фазовый состав гетерогенного сплава зависит от его химического состава. В сплаве могут присутствовать: твердые растворы внедрения, твердые растворы замещения, химических соединений(в том числе карбиды, нитриды, интерметаллиды …) и кристаллиты простых веществ.