ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ОБЪЕМНОГО

МЕДНОГО ПРОВОДНИКА

Цель работы: Изучить электропроводность объемного медного проводника, рассчитать его основные электрофизические параметры и проанализировать полученные экспериментальные данные на основе сравнения со справочными характеристиками.

Задания:

1. Ознакомиться с теоретическими сведениями по работе.

2. Изучить принцип работы лабораторной установки.

3. Снять зависимость изменения сопротивления объемного медного проводника от температуры.

4. Рассчитать основные электрофизические параметры исследуемого образца меди (удельное сопротивление, удельную проводимость, температурный коэффициент удельного сопротивления, удельную теплопроводность).

5. Сравнить полученные данные со справочными значениями и сделать вывод об изучаемом материале.

Теоретические сведения

Механизм прохождения тока по металлам

Механизм прохождения тока по металлам обусловлен движением свободных электронов, следовательно, проводники являются материалами с электронной проводимостью, т.е. так называемые проводники первого рода. Проводниками второго рода называются электролиты, представляющие собой растворы кислот и щелочей.

Электропроводность металлов обусловлена наличием большого числа свободных электронов. Согласно классической теории Друде-Лоренца, электроны в металлах обобществлены в некий единый электронный газ. Данная теория хорошо действует в диапазоне эксплуатационных температур, однако, при температурах, близких к 0 К и в зонах плавления, она не работает: описывая поведение электронов газовыми законами, теория утверждает, что все электроны должны лишиться своей энергии, а металлы при этом перестанут проводить электрический ток, что не верно. Поэтому в настоящее время электропроводность металлов принято описывать по законам квантовой статистики Ферми-Дирака, которая утверждает:

,

где е – заряд электрона;

n - концентрация электронов;

- длина свободного пробега;

h – постоянная Планка.

С точки зрения зонной теории твёрдого тела металлы представляют собой вещества, у которых валентная зона смыкается с зоной проводимости (может быть, даже перекрывается ею), то есть запрещенная зона отсутствует, что обуславливает лёгкость возникновения свободных носителей заряда.

В зонной диаграмме металла присутствует уровень Ферми, для металлов он определяется как верхний заполненный энергетический уровень при абсолютном нуле по кельвину (то есть электроны теряют свою энергию, но они не падают на нулевой энергетический уровень, а занимают низшие энергетические уровни). Электроны как наиболее подвижные элементарные частицы в материале являются главными носителями энергии, причём не только электрической но и тепловой. Следовательно, чем больше электронов и, следовательно, чем выше электропроводность материала, тем выше теплопроводность, что подтверждается законом Лоренца:

,

где - удельная теплопроводность,

- число Лоренца (является постоянной для материала).

Температурная зависимость электропроводности металла.

Рисунок 1 Обобщенная качественная зависимость удельного сопротивления металлов от температуры.

На рисунке 1 условно можно выделить 5 зон.

I зона. Пунктиром обозначена кривая для идеального металла. На практике:

1. Металл приобретает постоянную и весьма малую величину удельного сопротивления

2. Металл переходит в состояние сверхпроводимости при Т_СВ.

II зона. Нелинейность характеристики выражается уравнением

~, где n = 1…5

III зона – линейный участок, зона эксплуатационных температур.

IV зона располагается вблизи температуры плавления Т_ПЛ. Большая часть металлов резко скачком увеличивает своё удельное сопротивление. Однако некоторые (висмут Vi, галлий Ga) – уменьшают. Это связано с особенностями кристаллической решётки.

V зона для большинства металлов характерна увеличением удельного сопротивления.

,

где - удельное сопротивление при нормальных условиях (Т=0°С, р=765 мм рт. ст.)

Медь Cu.

Обладает преимуществами:

1. Малое удельное сопротивление (занимает второе место после серебра);

2. Достаточно высокая механическая прочность;

3. Удовлетворительная стойкость к коррозии;

4. Хорошая обрабатываемость, высокая технологичность;

5. Относительная лёгкость пайки и сварки, слабая растворимость в припое.

Способ получения меди сводится к последовательной серии плавок из руды типа сульфида меди с интенсивным кислородным дутьём.

Стандартная медь имеет удельное сопротивление =0,01724 мкОм·м.

В качестве проводников в России используется медь марок М1 (99,9% Сu, не более 0,08% кислорода), М0 (99,95% Cu, не более 0,02% кислорода) и М00 (99,99% Cu).

Удельная проводимость меди весьма чувствительна к примеси:

0,5% Zn, Cd, Ag – уменьшает проводимость на 5%

0,5% Ni, Al, Sn – уменьшает проводимость на 25-40%

0,5% Be, As, Fe, P, Si– уменьшает проводимость более чем на 55%.

Однако многие примеси, оказывая столь негативное воздействие на проводимость, увеличивают механическую прочность.

Недостатком является подверженность атмосферной коррозии.

Применение. Медь – основной проводящий материал электроники. Из неё изготавливают провода, кабели, шины, экраны, детали магнетронов, фольгированные текстолит и гетинакс. Порошок меди используют для изготовления проводящих паст и для создания скользящих меднографитовых контактов.

Лабораторная установка

Назначение

Измеритель электропроводности ИЭП1-03 (в дальнейшем по тексту прибор) предназначен для проведения лабораторного практикума в ВУЗах. Прибор применяется самостоятельно или в составе комплекса МУК-РМ1. Прибор предназначен для исследования температурных зависимостей сопротивления постоянному току металлических, полупроводниковых и диэлектрических образцов.

Условия эксплуатации - лабораторные:

• Температура окружающей среды от 283 до 308 К (от+10 до+35 °С);

• Относительная влажность до 80% при температуре 298 К (+25 °С);

• Атмосферное давление 100 + 4 кПа (750 ± 30 мм рт. ст.);

• Напряжение питающей сети 220 ± 20 В частотой 50 Гц.