Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Схема установки.

3. Формулы расчетов.

4. Таблица с экспериментальными и расчетными данными.

5. Краткий анализ полученных результатов.

Контрольные вопросы

1. В чем состоит основной механизм теплопроводности диэлектриков?

2. В чем состоит основной механизм теплопроводности металлов?

3. Какие факторы и как влияют на величину теплопроводности?

4. В чем состоит измерение теплопроводности методом Кольрауша?

Литература

1. П.В. Павлов, А.Ф. Хохлов. Физика твердого тела - М.: Высшая школа. 1985.

2. Б.Г. Лифшиц, В.С. Крапошин, Я.Л. Линецкий. Физические свойства металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1980.

Лабораторная работа № 4 электрические и магнитные свойства материалов Часть 1. Удельное электрическое сопротивление сплавов – твердых растворов

Цель работы: исследовать закономерности изменения удельного электросопротивления сплавов - твердых растворов в зависимости от химического состава и температуры.

Содержание работы

В электротехнике и электронике в качестве проводников используются, в основном, металлические материалы. Причем материалы с низким сопротивлением электрическому току используют как проводники, а с высоким сопротивлением, как резистивные материалы (для получения сопротивлений и нагревательных элементов). Для грамотного использования проводниковых материалов полезно понимать физическую природу электропроводности и электросопротивления в металлических сплавах.

Высокая электропроводность металлов обеспечивается большой концентрацией электронов проводимости. Длина распространяющихся по металлу электронных волн по порядку величины сравнима с периодом кристаллической решетки. Поэтому всякое нарушение строгой периодичности кристаллической решетки приводит к рассеянию электронных волн и уменьшению их интенсивности по мере распространения в проводнике. Это проявляется в возрастании электрического сопротивления металла. У металла со строго периодической совершенной кристаллической решеткой сопротивление электрическому току должно отсутствовать.

Одна из причин, вызывающих нарушение строгой периодичности заключается во влиянии различных дефектов строения, присутствующих в реальных металлических материалах: линейных (дислокации), поверхностных, объемных и, особенно, точечных. Такие дефекты образуют статические искажения кристаллической решетки.

Вторая причина нарушения строгой периодичности заключается в динамических (подвижных) искажениях кристаллической решетки, вызванных тепловыми колебаниями атомов около положений равновесия.

Характеристикой сопротивления материалов электрическому току является величина удельного электрического сопротивления численно равная сопротивлению проводника единичной длины и единичной площади

R·S/L (Ом·м),

где R- сопротивление, S – площадь поперечного сечения, L – длина проводника.

В результате внешних воздействий на металлический материал, например, при пластическом деформировании, при закалке, при облучении частицами высоких энергий возрастает концентрация дефектов решетки, таких как вакансии, междоузельные атомы, дислокации, и соответственно увеличивается электросопротивление. Но даже значительная пластическая деформация повышает его величину всего на несколько процентов. Закалка и облучение могут привести к большему эффекту. Уменьшение степени дефектности металлов путем их нагрева (отжига) увеличивает электропроводность.

Присутствие в решетке металлического материала атомов внедрения и замещения вызывает точечные статические искажения. Особенно сильно искажают решетку атомы внедрения. Повышение концентрации примесных атомов и содержания атомов второго компонента в твердом растворе (до некоторых пределов) приводит к увеличению нерегулярности в расположении атомов и, следовательно, к росту электросопротивления. В связи с этим возникает возможность регулировать величину сопротивления твердых растворов путем изменения их химического состава. Так, при приближении неупорядоченных твердых растворов замещения, состоящих из атомов вида А и В, к пятидесятипроцентной атомной концентрации (эквиатомному составу) доли каждого из возможных атомных (ионных) соседств в решетке (А-А, А-В, В-В) по порядку величины сравнимы друг с другом (рис.1а).

Рис. 1 Цепочки атомов А и В:

а) неупорядоченный твердый раствор; б) упорядоченный твердый раствор

Равновесные расстояния r_АА, r_АВ, r_ВВ между атомами в этих соседствах, как правило, различны, за счет чего возникает наибольшее нарушение периодичности кристаллической решетки. В результате можно ожидать, что эффект рассеяния электронных волн в таких растворах и, соответственно, величина электросопротивления также окажутся наибольшими (рис. 2, сплошная кривая).

Если в твердом растворе имеет место упорядоченное расположение атомов различного вида (дальний порядок твердого раствора) (рис. 1б), то периодичность кристаллической решетки сохраняется, и электросопротивление твердого раствора в результате упорядочения в несколько раз снижается (рис. 2, пунктир).

Рис. 2. Пример влияния упорядочения величину  твердых растворов системы «медь-золото»

Величина может быть представлена в виде суммы двух составляющих, учитывающих, соответственно, рассеяние электронных волн на статических дефектах решетки _ст и на ее динамических искажениях _Т:

 = _ст + _Т.

Измеряя остаточное сопротивление _ст при пониженной температуре можно получить информацию о степени совершенства строения материала (рис. 3)

Рис. 3. Температурная зависимость  для проводника с дефектами

Величина, отражающая относительное изменение  при изменении температуры, называется температурным коэффициентом удельного электрического сопротивления _:

_= 1/·(d/dT), К^-1.

На практике обычно пользуются средним значением _ср, относящимся к некоторому интервалу температур T (рис. 3):

_ср= 1/·/T, К^-1.

В лабораторной работе электрические свойства твердых растворов замещения исследуются на примере системы «медь-никель», которая характеризуется неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии.

Работа проводится по сокращенной или по расширенной программе (по указанию преподавателя). В первом случае в опыте используется комплект образцов I, во втором случае - комплект образцов II. Температуру образцов комплекта II можно увеличивать в процессе испытания с помощью нагревательного устройства.

Измерение электросопротивления образцов твердых растворов производится с помощью измерительного моста или другого измерительного оборудования (рис. 4).

Рис. 4. Измерительная установка

Имеющиеся данные об образцах и результаты, полученные при проведении работы, заносятся в таблицу 1 или 2 (в зависимости от номера комплекта).

Полученные результаты должны быть проанализированы на основе физических представлений о природе влияния состава и типа сплавов на их электропроводность.