1.3. Описание лабораторной установки

Электрическая схема для исследования температурной зависимости сопротивления проводниковых материалов, изготовленных из различных металлов и сплавов, и температурной зависимости термо-э.д.с. различных термопар показана на рис. 1.5.

Исследуемые проводники (называемые далее резисторы) R1…R5 и горячие спаи термопар ВКО, ВК1…ВК5 установлены в термостате, в котором обеспечивается необходимая температура T₂ в интервале от 0 до 170 ^оС. «Холодные» спаи термопар помещаются в термостат с температурой T₁=0°С (сосуд с тающим льдом). При отсутствии льда температура «холодных» спаев термопар T₁ соответствует комнатной температуре. Сведения об исследуемых образцах проводниковых материалов и термопарах указаны на лицевой панели установки. Исследуемые проводники (резисторы) и термопары подключаются к схеме измерения с помощью переключателя SA1, который имеет два направления и пять положений. Направление SA1.1 служит для подключения резисторов R1…R5 к гнездам XS1…XS2 и к омметру PR для измерения сопротивлений, а направление SA1.2 - для подключения термопар ВК1…ВК5 к гнездам XS3…XS4 и к милливольтметру PV1 для измерения термоЭДС. Наличие у переключателя SA1 двух направлений позволяет производить измерения сопротивлений резисторов и термо-э.д.с. термопар одновременно.

Рис. 1.5. Схема макета для исследования электрических

характеристик проводниковых материалов

Для получения в термостате необходимой температуры T₂ служит тиристорный регулятор (sursa de alimentare încălzitorului), питающий нагреватель ЕК термостата. Установив предварительно переменный резистор регулятора в положение “min.” и подключив вольтметр постоянного тока к гнездам “U”, включить тумблер «Сеть» в положение «conectat» (при этом “загорается” светодиод) и подать начальное напряжение на нагревательный элемент ЕК. После установления заданной температуры проводят необходимые измерения. Температуру T₂ повышают путем постепенного увеличения напряжения “U” в допустимых пределах.

Для определения температуры T2 в термостате используется образцовая термопара ВК0. Развиваемая ею термо-э.д.с. регистрируется милливольтметром PV2. Искомая температура Т рассчитывается по формуле:. Т ,ºС = Tкомн., ºС + 25 Uт (мВ). В качестве приборов РR, PV1 и PV2 используются мультиметры типа ДТ-830 и В7-20.

Внимание! Повышение температуры в термостате более 160 ^оС недопустимо, так как при этом происходит нарушение электрических контактов исследуемых объектов и их выводов.

1. 4. Порядок выполнения работы

1.4.1. Собрать электрическую схему установки для проведения измерений по рисунку 1.5. Включить в сеть вольтметры В7-21 и В7-21А/1 и дать им возможность прогреться в течение 10-15 минут.

1.4.2. Определить удельное сопротивление различных проводников при комнатной температуре (нагревательный элемент ЕК термостата выключен).

Для этой цели исследуемые резисторы R1…R5 поочерёдно подключить к омметру PR, устанавливая ручки переключателя SA1 в положение 1..5, соответственно. При этом термопары ТП1..ТП5 также поочерёдно подключаются к милливольтметру PV1. Пределы измерения приборов следует выбирать оптимально с точки зрения обеспечения наибольшей точности измерения. Данные по геометрическим размерам и сопротивлению резисторов занести в таблицу 1.1, а по термо-э.д.с. термопар в таблицу 1.3.

Таблица 1.1

№ п/п	R. Ом	l, м	D, м	S, м2	ρ, Ом∙м

В таблице 1.1 необходимо вычислить площадь поперечного сечения S (S=πd²/4) проводников и рассчитать удельное сопротивление по формуле (1.1).

1.4.3. Исследовать температурные зависимости сопротивления резисторов и температурные зависимости термо-э.д.с. различных термопар. Для этого необходимо включить нагревательный прибор ЕК термостата и установить в термостате температуру на 10..20 ^оС выше первоначальной. 1. По мере нагревания термостата измерять через каждые 10..20 ^оС сопротивление резисторов R1…R5 и термо-э.д.с. термопар способом, указанным в п.1.4.2. Данные по сопротивлению резисторов занести в таблицу 1.2, а по термо-э.д.с. – в таблицу 1.3. Максимальная температура термостата Т₂ не должна превышать 170^о С. В таблицу 1.2. занести также значения сопротивлений резисторов R1…R5 при T=T_комн (п 1.4.2).

Таблица 1.2

T, oC

R1 медь

R2 никель

R3 константан

R4 манганин

R5 нихром

R. Ом

άR, К-1

άρ , К-1

R. Ом

άR, К-1

άρ , К-1

R. Ом

άR, К-1

άρ , К-1

R. Ом

άR, К-1

άρ , К-1

R. Ом

άR, К-1

άρ , К-1

Таблица 1.3

T2, oC	T1, oC	∆T, oC	Термо-э.д.с. Uт , мВ
			ВК1 медь-константан	ВК2 медь-манганин	ВК3 медь-железо

По данным таблицы 1.2 и 1.3 построить графики зависимостей R=f(T) и U_T = f(T).

1.4.4. По результатам измерений рассчитать:

- концентрацию свободных электронов и среднюю длину свободного пробега электронов в медном и никелевом проводниках по формуле: ,

где h – постоянная Планка 6.626 × 10^-34 Дж × с; e = 1.6×10^-18 Кл, ρ – соответствующее значение удельного сопротивления таблице 1.1; n – число свободных электронов в 1 м³ проводника, рассчитанное по формуле (1.3), в которой для меди d=8.93×10³ кг/м³ и A=63.54×10^-3 кг/моль и для никеля d=8.8×10³ кг/м³ и A=58.7×10^-3 кг/моль;

- температурный коэффициент сопротивления исследованных резисторов _ρ.

Значение _R = (1/R_T)(dR/dT) находят путём графического дифференцирования аппроксимированных кривых R(T) при выбранных значениях температур (данные для T берутся из таблицы. 1.2) Для этого проводят касательные к кривой R=f(T) в выбранных точках (T, R_T) и строят на них прямоугольные треугольники произвольных размеров, на которых определяют значения катетов ∆R и ∆T. Значения dR/dT для данного значения R_T определяют как ∆R/∆T. Значение _R можно определить по формуле

, (1.20)

где и значения сопротивления резисторов соответственно при нижнем и при верхнем пределах температуры в данном треугольнике. Значения - занести в таблицу 1.2.

1.4.5. Рассчитать температурный коэффициент удельного сопротивления _ρ для меди, никеля, константана по формуле (1. 9), в которой для меди равно 16,7×10^-6 К^-1 , для никеля 12,8×10^-6 К^-1 и для константана – 17,0×10^-6 К^-1 . Результаты вычислений по формуле (1.9) занести в таблицу 1.2. Построить график зависимостей _ρ = f(T).

1.4.6. Рассчитать значения удельной термо-э.д.с исследованных термопар, воспользовавшись построенным графиком зависимостей U_T = f(T).