Лабораторная работа № 4 исследование влияния температуры на удельное сопротивление сплавов высокого сопротивления

Цели работы:

1. Построить зависимость изменения сопротивления манганина от температуры R = f(t).

2. Определить по ней зависимость изменения удельного сопротивления манганина от температуры  = f(t).

3. Построить зависимости температурного коэффициента сопротивления TK_R = f(t) и удельного сопротивления TK = f(t).

Теоретические положения

Проводниковыми материалами называются материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная электропроводность.

Проводниковые материалы можно разбить по агрегатному состоянию:

1) газы и пары;

2) жидкие проводники;

3) твёрдые проводники.

Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряжённостях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряжённость электрического поля превзойдёт некоторое критическое значение Е_кр, обеспечивающее начало ударной ионизации, то газ становится проводником с электронной и ионной проводимостью.

Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов числу положительных ионов в единице объёма представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Правда, большинство металлов (за исключением ртути) имеют высокую температуру плавления, поэтому их трудно использовать в качестве проводников.

Среди твёрдых проводников наиболее часто в электротехнике применяются металлы и сплавы. Среди них выделим и рассмотрим две основные группы:

а) металлы высокой проводимости, у которых при нормальной температуре удельное сопротивление ρ не превышает 0,05 мкОм∙м. Они используются для проводов, жил кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов и т.п.;

б) сплавы с высоким сопротивлением, имеющие при нормальной температуре ρ ≥ 0,3 мкОм∙м. Они используются при изготовлении резисторов, электронагревательных приборов, нитей ламп накаливания и т.п.

Особую группу составляют криопроводники и сверхпроводники – материалы, которые обладают ничтожно малым сопротивлением при весьма низких температурах.

Приведем энергетическую диаграмму проводников (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Энергетическая диаграмма проводников при нуле Кельвина в соответствии с зонной теорией твёрдого тела

На рисунке обозначено: 1 – заполненная электронами зона; 2 – зона свободных энергетических уровней.

У проводников заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне свободных энергетических уровней или даже перекрывает её. Электроны могут переходить с верхних уровней заполненной зоны на незанятые уровни свободной зоны под влиянием напряжённости электрического поля, приложенной к проводнику.

Мы рассмотрим только классическую электронную теорию металлов. По этой теории металл можно рассматривать как систему, построенную из расположенных в узлах решетки положительно заряженных атомных остовов (по 1−2 электрона покидают атом) и находящихся среди них свободных электронов (рис. 4.2). При движении электронов по металлу они сталкиваются с узлами кристаллической решётки, передают ей энергию, накопленную при ускорении в электрическом поле, вследствие чего металл нагревается. Эта классическая теория объясняет не все закономерности, возникающие в металле, но для дисциплины «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» этого достаточно.

Рис. 4.2. Схема строения металлического проводника

Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой имеют наименьшие значения удельного сопротивления. Любые примеси и нарушения правильной структуры металлов увеличивают их удельное сопротивление. Это свойство металлов широко используется для получения материалов с большим удельным сопротивлением, которые необходимы везде, где нужно получить большое сопротивление при малом объеме. Это, как правило, сплавы.

Сплавы высокого сопротивления классифицируются по области применения [2]:

1) материалы для образцовых сопротивлений и электроизмерительных приборов;

2) материалы для резисторов;

3) материалы для нагревательных приборов и нагрузочных реостатов.

К сплавам высокого сопротивления предъявляют следующие требования:

− большое удельное сопротивление;

− достаточная механическая прочность и технологичность, обеспечивающие возможность получения провода необходимого сечения;

− небольшая стоимость.

К материалам первой группы предъявляются дополнительные требования:

− стабильность сопротивления во времени (отсутствие старения);

− небольшой температурный коэффициент удельного сопротивления (TK_ρ = min);

− маленький коэффициент термоЭДС с медью.

Для третьей группы дополнительное требование – высокая температура нагрева.

Основным материалом первой группы является медно-марганцевый сплав – манганин (название происходит от наличия в нём марганца, латинское наз­вание – manganum). Примерный его состав: Cu 85 %,Mn 12 %,Ni 3 %.

Основные параметры манганина [2]:

− удельное сопротивление ρ = (42−51)10^-8 Ом·м;

− температурный коэффициент TK_= (-5…+30)·10^-5 К^-1;

− коэффициент термоЭДС в паре с медью – всего  = 1−2 мкВ/К;

− предел прочности σ_в = 450−600 МПа;

− предельная допустимая температура – t = 200 ^оС.

Манганин выпускается в виде тонкой проволоки, на которую накладывают эмалево-волокнистую изоляцию.

Основным материалом второй группы является медно-никелевый сплав – константан. Его примерный состав: Ni 39−41 %,Mn 1−2 %, остальное (56−59 %) –Cu.

Для электронагревательных приборов в основном применяются сплавы на основе железа: нихром, фехраль, хромаль.