материаловедение методичка лабы

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

Средняя скорость теплового движения электронов мало зависит от температуры, концентрация свободных электронов меняется лишь в связи с изменением плотности вещества, а основную роль в изменении удельного сопротивления от температуры играет длина свободного пробега электронов. Возрастание температуры увеличивает интенсивность колебаний узлов кристаллической решетки, уменьшает длину свободного пробега электронов и увеличивает удельное сопротивление металла. Появление примесей в чистом веществе увеличивает дефектность кристаллической решетки, снижает длину свободного пробега и увеличивает удельное сопротивление.

Зависимость удельного сопротивления материала от температуры может быть получена на основе закона Видемана-Франца-Лоренца:

где αR – измеренный температурный коэффициент сопротивления; αl – коэффициент линейного расширения металла.

В некоторых случаях наблюдаются отклонения от описанных закономерностей. Таково, например, явление сверхпроводимости ряда металлов, сплавов и соединений (ниобий, сурьма, алюминий, титан, ртуть, свинец и т.д.), состоящее в том, что при температурах, близких к абсолютному нулю, наблюдается резкое увеличение проводимости металлов. Очевидно, что при низких температурах исчезает рассеяние электронов на тепловых колебаниях кристаллической решетки. Кроме того, благодаря взаимодействию пар электронов с решеткой электронный газ приобретает свойства, характерные для жидкого сверхтекучего состояния, т.е. можно говорить о «конденсации» электронного газа. Сверхпроводники получили применение для изготовления магнитов с высокой напряженностью магнитного поля, для передачи электрической энергии и т.д.

31

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

Другим случаем, в котором наблюдается отступление от основных теоретических положений, является электропроводность в тонких слоях. Это оказалось практически важным в связи с развитием микроэлектроники, поскольку здесь все основные элементы схемы воспроизводятся на пленках толщиной 1 – 100 нм, напыляемых в вакууме на изолирующие подложки.

В тонких пленках наблюдается несовпадение структуры со структурой монолитного металла. Пленки часто имеют островковую или сетчатую структуры, что затрудняет движение электронов, изменяет величину удельного сопротивления и даже знак температурного коэффициента.

2. Описание лабораторной установки

Мнемоническая схема лабораторной установки представлена на рис. 1.

Сеть

Рис. 1. Мнемоническая схема лабораторной установки

Лабораторная работа состоит из двух частей:

1.Определение удельного сопротивления и ТКС проводниковых мате-

риалов;

2.Исследование резисторов.

В первой части лабораторной работы необходимо исследовать семь различных образцов электропроводящих материалов. Все исследуемые образцы доступны для наблюдения и защищены органическим стеклом. Исследуемые материалы не имеют электрической связи с электронной схемой стенда ввиду невозможности обеспечения точных или даже в ряде случаев приближенных измерений в существующих реальных условиях и ограничениях. Поэтому данная часть лабораторной установки построена как имитация реальных условий на базе микропроцессорного модуля с заложенными в него табличными значениями удельного сопротивления и ТКС материалов.

32

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

Каждый образец пронумерован порядковым номером и имеет конкретные геометрические параметры: диаметр сечения и длина. Образцы намотаны на цилиндрические каркасы диаметром 20 мм.

Напротив каждого образца имеется кнопка выбора (№1 - №7), позволяющая проводить измерения над данным образцом. Выбор образца фиксируется индивидуальной подсветкой, яркость и цвет которой меняется по мере нагрева. При нагреве цвет подсветки красный, а при охлаждении – синий.

Управление электронным терморегулятором осуществляется кнопками: «Нагрев» и «Охлаждение».

Измеряемая температура отображается на четырехразрядном цифровом индикаторе.

Измеряемое сопротивление отображается на шестиразрядном цифровом индикаторе.

Во второй части лабораторной работы необходимо исследовать шесть групп образцов резисторов, защищенных снаружи органическим стеклом. Напротив каждого образца для наглядности вынесена (напечатана) его заводская маркировка. Для регулировки переменных и подстроечных резисторов в оргстекле предусмотрены отверстия. У резисторов, используемых для снятия функциональной характеристики, нанесены риски в % соотношении от полного поворота оси.

Напротив каждого образца на лицевой панели установлены клеммы для подключения измерительных щупов. Измерительные щупы в количестве 2 шт.

идлиной 0,5 м входят в комплект стенда.

3.Порядок проведения лабораторной работы

3.1.Подготовка к работе

При подготовке к работе необходимо изучить лабораторную установку и инструкции к приборам; записать технические характеристики приборов, применяемых в работе. После собеседования с преподавателем приступить к выполнению работы.

3.2. Проведение эксперимента

3.2.1. Определение удельного сопротивления и ТКС проводниковых материалов

3.2.1.1.Питание стенда осуществляется переменным напряжением 220В, для чего необходимо подключить кабель питания в соответствующую розетку данного класса напряжения и включить тумблер «Сеть». Внутри электрошкафа также установлен защитный автоматический выключатель.

3.2.1.2.После включения стенда загорается индикатор температуры нагре-

вателя. Все образцы в начальный момент времени имеют температуру t = 20°С. 3.2.1.3. Записать данные диаметров и длин проводников в таблицу 1. Выбрать образец нажатием кнопки «Выбор» (начиная с первого). Перво-

начально на табло индикатора появляются данные диаметра и длины выбран-

33

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

ного проводника в мм. При однократном нажатии «Нагрев» можно измерить сопротивление образца при температуре 200С.

3.2.1.4. Аналогично для остальных образцов и заполнить таблицу 1. 3.2.1.5. Выбрать образец (по указанию преподавателя). Снять температур-

ную зависимость сопротивления для выбранного проводника (температуру повышать от 200С до 2000С через 300С). При однократном нажатии кнопки «Нагрев» электронный регулятор температуры повышает температуру образца на 1°С. При удержании кнопки «Нагрев» происходит повышение температуры на 10°С с шагом 1 с. Результаты занести в таблицу 2.

3.2.1.6. Снять температурную зависимость сопротивления для выбранного проводника (температуру понижать от 100С до – 50 0С через 100С). Понижение температуры осуществляется аналогично пункту 3.2.1.5 кнопкой «Охлаждение».

3.2.1.7. Провести аналогичные измерения для еще двух-трех образцов. Записать данные в таблицу, выполненную по форме табл. 2.

Таблица 1

Определение удельного сопротивления металлических проводников

3.2.2. Исследование резисторов

3.2.2.1.Ознакомление с системой обозначений и маркировкой резисторов. По маркировке резисторов составить таблицу 3 по заводским параметрам.

3.2.2.2.Номинальное сопротивление образцов с допустимыми отклонениями подтвердить экспериментально путем непосредственного измерения.

34

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

Для этого подключить соответствующие выводы резистора к входу встроенного в электрошкаф цифрового омметра UNI-T 33A с автоматическим выбором пределов измерения. Данные о резисторах записать в таблицу 3.

3.2.2.3. Снятие функциональных характеристик переменных резисторов

Снять функциональную зависимость для переменных резисторов. У резисторов, используемых для снятия функциональной характеристики, нанесены риски в % соотношении от полного поворота оси. Результаты занести в таблицу 4.

По характеру функциональной зависимости переменные резисторы делятся на три основные вида: линейные – тип А, логарифмические – тип Б и обратнологарифмические – тип В. Промышленностью по специальным заказам выпускаются также резисторы с типами И или Е, а также с синусными, косинус-

35

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

ными зависимостями. Зависимость обозначается на корпусе резистора соответствующей буквой.

Для сдвоенного резистора измерения проводить через каждое деление.

3.2.2.4. Исследование тензорезисторов Исследуемый тензорезистор типа 2ФКП предназначен для измерения де-

формаций деталей машин и конструкций при статических нагрузках. На стенде тензорезистор приклеен к стальной пластине. Для создания упругой деформации пластины необходимо завернуть винт, который будет создавать давление на ее край. В данной работе необходимо измерить сопротивление тензорезистора с приложенным к нему давлением и без давления. Результаты исследований оформить в таблицу 5.

Таблица 5

Исследование тензорезисторов

3.3.Обработка результатов измерений

3.3.1.Рассчитать удельное сопротивление каждого из предложенных образцов. Записать рассчитанные удельные сопротивления образцов в таблицу 1.

3.3.2.Для медного проводника по закону Видемана-Франца рассчитать значение удельного сопротивления и сравнить его со значением удельного сопротивления, рассчитанным в п. 3.3.1.

3.3.3.Вычислить величины температурных коэффициентов удельных сопротивлений проводниковых материалов.

36

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

4. Содержание отчета

Отчет должен включать:

4.1.Название лабораторной работы.

4.2.Цель работы.

4.3.Принципиальную схему установки.

4.4.Основные формулы и соотношения, используемые в работе.

4.5.Таблицы, содержащие результаты измерений и вычислений.

4.6.Примеры расчета.

4.7.Графики зависимостей: R=f(t,0C), R/Rполн=f(α/αполн).

4.8.Выводы по работе.

5.Контрольные вопросы

5.1.Какова физическая природа сопротивления?

5.2.Объяснить температурную зависимость сопротивления.

5.3.Что означает температурный коэффициент сопротивления металлов? Связь температурного коэффициента сопротивления с температурным коэффициентом линейного расширения.

5.4.Каковы особенности удельного сопротивления сплавов?

5.5.Что такое тензорезистор? Принцип работы тензорезистора.

37

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

Библиографический список

1.Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учеб. пособие. для студентов вузов, обучающихся по направлению подгот. «Электротехника, электромеханика и электротехнологии»/ под ред. В. С. Чередниченко. – 2-е изд., перераб. – М.: Омега-Л, 2006. – 752 с.: ил.

2.Богородицкий, Н.П. Электротехнические материалы / Н.П. Богородицкий, В.В. Пасынков, Б.М. Тареев. – Л.: Энергоатомиздат, 1985. - 304 с.

3.Электрорадиоматериалы / под ред. Б.М. Тареева. – М.: Высш. шк., 1978. – 336 с.

4.Горелик, С. С. Материаловедение полупроводников и диэлектриков / С.С. Горелик, М.Я. Дашевский. – М.: Металлургия, 1988. – 496 с.

5.Справочник по электротехническим материалам: в 3 т. / под ред. Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. - 2изд. – М.: Энергоатомиздат, 1986.

– Т.1. – 584 с.; 1987. – Т.2. – 616 с.; 1988. – Т.3. - 896 с.

6. Штофа, Я. Электротехнические материалы в вопросах и ответах: пер. со словецк. / Я. Штофа. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 200 с.

38

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

39

Вологодский государственный университет. Научная библиотека

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: метод. указания к лабор. работам: ЭЭФ: специальности

140610, 140604, 140600, 14020 / сост.: Н.К. Мороз, А.Е. Немировский, О.Ю. Штрекерт

40

Вологодский государственный университет. Научная библиотека