Labwork10 / 10
.pdfРабота № 10
Определение коэффициента термического расширения (линейного) твердого тела.
10.1. Назначение
10.2. Состав
Оборудование и элементы системы изображены на схеме 10:
10.2.1. Проволока из исследуемого материала (2), натянутая внутри теплоизоляционной трубки (1). Верхний конец проволоки закреплен на штативе, нижний конец проволоки закреплен на поводке микрометра-индикатора (5). Снизу к поводку микрометра-индикатора прикреплен груз (4), служащий для поддержания проволоки в натянутом состоянии. К проволоке (2) сверху и снизу подведены провода, по которым подводится ток для нагрева проволоки.
Параметры: |
|
|
- длина проволоки между точками подключения проводов: 1 м; |
|
|
- диаметр проволоки: |
0,1÷0,3 мм (задается); |
|
- шкала микрометра: |
|
|
большая |
0,1 мм на один оборот, цена деления - 1 |
мкм. |
маленькая |
1 мм на один оборот, цена деления - 0.1 |
мм |
10.2.2. Контрольное сопротивление |
rконтр (7) служит для контроля тока, протекающего |
через проволоку. Изготовлено из константана и имеет: а) пренебрежимо малый термический коэффициент сопротивления; б) большую мощность рассеяния, что позволяет пренебречь его нагревом при протекании тока. Сопротивление (7) может принимать два значения - 10 Ом и 30 Ом, переключаемые тумблером (11).
10.2.3. Блок питания (8) позволяет регулировать подаваемое напряжение в пределах 0÷50 В. Блок питания имеет функции ограничения выходной мощности: при превышении выходной мощности (U I ) величины 150 Вт, дальнейший рост напряжения блокируется. Благодаря этому температура проволоки не может превысить 400 °С. Подача напряжения в систему осуществляется с пульта (12).
10.2.4. Цифровые четырехзнаковые вольтметры (9) и (10) служат для измерения падения напряжения на сопротивлении (7) и на проволоке (2). Переключатели диапазона измерения служат для более точного измерения величин.
10.3.Работа отдельных узлов
10.3.1.При выполнении работы предполагается температура окружающего воздуха Tокр
равной 20°С. По заданному материалу проволоки и ее диаметру вычисляется начальное сопротивление проволоки:
R0 = ρ SL
где: ρ - удельное сопротивление при 20 °С;
L - длина проволоки (1 м);
S - сечение проволоки (м2).
Вданной работе могут использоваться следующие материалы проволоки:
-медь
-нихром
-сталь
-аллюминий
|
материал |
уд. сопр. |
темп. коэфф. сопр. |
темп. коэфф. |
|
|
Ом м 10-8 |
х10-3 град-1 |
линейного расш. |
|
|
|
|
х10-6 град-1 |
1 |
вольфрам |
5,5 |
4,6 |
4.3 |
2 |
сталь |
9,8 |
6.0 |
11.5 |
3 |
аллюминий |
2,7 |
4,2 |
23.1 |
4 |
медь |
1,7 |
4.3 |
16.7 |
При подаче на установку напряжения температура проволоки рассчитывается по итерационной схеме:
1.При первом проходе температура проволоки TN принимается равной Tокр , при дальнейших проходах принимается равной температуре, вычисленной на этапе 3.
2.Находим сопротивление проволоки R при температуре TN ; ток, текущий по цепи I ;
мощность, выделяемую на проволоке P .
R = R0 (1+γ (TN −20)), γ - коэффициент температурного
сопротивления;
I = Ur
rконтр
P=UR I
3.Находим температуру проволоки:
|
T |
=T |
|
+ |
|
P |
, α =0,2÷1 - коэффициент теплоотдачи. |
|
|
α |
|||||
|
N +1 |
окр |
|
|
|||
4. |
Если TN =TN +1 , |
то |
температура проволоки T принимается равной TN +1 , иначе |
возвращаемся на этап 1.
После расчета температуры проволоки определяем изменение ее длины (соответственно показания микрометра) при этой температуре:
L =ϕ (1+(T −20)) , ϕ - коэффициент линейного расширения.
10.3.2.Параметр релаксации τ = 60 сек.
10.3.3.Требуемые погрешности измерений при выполнении работы обеспечиваются округлением величин напряжений U r и UR до пределов измерения цифровых вольтметров.
10.4.Ошибки.
10.4.1.Температура проволоки в данной работе не должна превышать 120 °С. При превышении этой температуры надо увеличивать коэффициент термического расширения при удлинении (на 1% на каждый градус превышения температуры). При уменьшении
температуры в интервале 120÷... °С (то есть при сокращении длины) коэффициент термического расширения наоборот уменьшается от нормального (на 1% на каждый градус превышения температуры). Таким образом имитируется эффект термической усталости.
10.5.Начальные параметры
10.5.1.Преподавателем задается: тип материала проволоки, а также диаметр проволоки. Выбор материала осуществляется из фиксированного списка (см. таблицу в п.10.3.1),
диаметр - произвольно в интервале 0.1÷0.3 мм.
10.5.2.Начальные параметры по умолчанию:
- температура окружающая |
20 °С. |
- БП выключен |
|
- напряжение (при включении БП) |
0 В |
-НАГРЕВ выключен
-нагрузочное сопротивление в положении "30 Ом"
-вольтметры в режиме "100 В"
-стрелки индикатора (микрометра) - в произвольном положении.
10.6.Цветовые и визуальные эффекты
10.6.1.Цвет проволоки меняется по шкале температура-цвет.
10.6.2.Показания индикатора изменяются в соответствии с рассчитанным удлинением
проволоки.
10.6.3.При превышении температуры проволоки 120 °С вокруг проволоки надо изобразить "ореол" красного сияния.
10.7."ЖУРНАЛ"
10.7.1.Временной интервал записи:
-немедленно при: изменении напряжения, включении/выключении нагрева, изменении нагрузочного сопротивления.
-иначе через 10 сек.
10.7.2.Данные строки "таблицы параметров":
1)время
2)НАГРЕВ
3)БП
4)напряжение (В), установленное на БП
5)напряжение на нагрузочном сопротивлении
6)напряжение на проволоке
7)рассчитанная температура проволоки
8)показания индикатора в формате М - ББ , где М - показания по внутренней (маленькой) шкале, ББ - показания по внешней (большой) шкале.
Схема 10.