МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

Цель работы: Исследование зависимости электрического сопро­тивления константана, манганина, нихрома, латуни, меди от темпе­ратуры.

Сведения из теории. Высокая тепло- и электропроводность металлов объясняется большой концентрацией свободных электронов, то есть электронов, не принадлежащих отдельным атомам. Под воздейст­вием электрического поля в движении электронов появляется преиму­щественное направление. При этом, однако, составляющая скорости электрона вдоль этого направления невелика, из-за рассеивания на узлах решетки. Рассеивание электронов возрастает при увеличении степени искажения решетки. Даже незначительное содержание приме­сей, таких как марганец или кремний, вызывает сильное снижение сопротивления меди.

Низкоомные проводниковые материалы предназначаются для токо­ведущих частей и элементов проводов, кабелей, электродов, конден­саторов, припоев.

Во многих случаях желательно получение проводникового матери­ала с низкой проводимостью. Такими свойствами обладают сплавы - твердые растворы. Твердые растворы бывают двух типов:

- твердыми растворами замещения называют такие, в которых атомы одного из комплектов замещают в кристаллической решетке второго компонента сплава часть его атомов;

- в твердых растворах внедрения атомы одного из компонентов сплава размещаются в пространстве между атомами второго. Кроме двухкомпонентных применяют сплавы, состоящие из трех- и более компонентов.

Высокоомные проводниковые материалы используются для изготов­ления шунтов, добавочных сопротивлений, проволочных резисторов, тер­мопар.

В качестве одной из характеристик проводниковых материалов часто используют не проводимость (γ ), а удельное сопротивление (ρ) и выражают которое в Ом • мм²/м. Величина ρ чистых ме­таллов лежит в пределах от 16 • 10^-3 до 1,16 Ом • мм²/м. Для метал­лических сплавов ρ может достигать значений 2,50 Ом • мм²/м. С ростом температуры электрическое сопротивление металлических проводников возрастает. Это объясняется тем, что с ростом температуры тепловые колебания атомов проводниковых материалов становятся более интенсивными. При этом перемещающиеся в проводнике электроны все чаще сталкиваются с атомами , встречая сопротивление на пути своего перемещения. Температурный коэффициент сопротивления у различных металлов изменяется в небольших пределах, составляя около 4•10^-3 1/град. Для сплавов ТКρ может уменьшаться и даже принимать отрицательное значение. Температурный коэффициент со­противления можно вычислить по формуле

где R₀ – сопротивление при комнатной температуре, Ом; ΔR – ал­гебраическая разность между сопротивлением материала при повышен­ной температуре и сопротивлением измеренным при комнатной температуре, Ом; Δt – разность температур при которых производились замеры, °C.

Ниже приведены некоторые данные об исследуемых проводниковых материалах.

Медь - главный проводниковый материал, обладающий высокой пластичностью, достаточной механической прочностью и высокой элек­тропроводностью. Для проводников используется электролитическая медь с содержанием Си - 99,9% и кислорода 0,09%. Температура плавления меди 1084⁰С, удельное сопротивление ρ = 0,01724-0,01724 Ом×мм²/м (для мягкой меди) и ρ = 0,0178-0,018 Ом×мм²/м (для твердой меди).ТКρ = 0,004 1/град для всех марок меди. Проволоку изготовляют из мяг­кой, отожжённой меди.

Латунь - сплав меди и цинка при концентрации цинка до 10% по­пользуется для получения изделий холодной штамповкой.

Бронза - сплав меди с оловом, кадмием и бериллием. Кадмиевая бронза (1% кадмия) в два раза прочнее твердотянутой меди, ее при­меняют для троллейбусных проводов, для коллекторных пластин и для скользящих контактов.

Алюминий является вторым после меди проводниковым материалом, благодаря его сравнительно большой проводимости, доступности и стойкости к атмосферной коррозии. Алюминий, поскольку его плотность 2,7 гр/см³, в 3 раза легче меди. Температура плавления 658°С, удельное сопротивление ρ = 0,0286 Ом • мм²/м; TКρ = 0,00423 1/град. Ha воздухе алюминий быстро покрывается тонкой пленкой окисла, которая защища­ет его от проникновения кислорода воздуха. Алюминий используется для изготовления шин, проволоки, фольги. Алюминиевую проволоку вы­пускают диаметром от 0,08 мм до 10 мм трех разновидностей: мягкая (марки AM), полутвердая (АПТ) и твердая (АТ).

Манганин – сплав 84-86% меди, 2-5% никеля и 12-13% марганца. Цвет манганина – светло-оранжевый, плотность 8,4 гр/см³ температура плавления 960⁰С; TКρ = 0,6-0,5×10^-5 град^-1. Для увеличения удельного электрического сопротивле­ния до 1,5 – 2 Ом • мм²/м в состав манганина вводят повышенное количество марганца (60 – 67%) и никеля (16 – 30%) за счет умень­шения содержания меди. Достоинством манганиновых изделий является то, что их электрическое сопротивление очень мало зависит от тем­пературы. Из манганина изготавливают мягкие (марка - ПММ) и твердые (марка ПМT) проволоки диаметром от 0,02 мм до 6 мм и ленты толщи­ной до 0,08 мм и шириной до 270 мм.

Константан – сплав 58-60% меди, 32-40% никеля и 1-2% мар­ганца. Цвет константана – серебристо-темный; плотность 8,9 гр/см³, температура плавления 1260°С; ρ = 0,45- 0,48 Ом×мм²/м (для мягких отожжённых изделий), ρ = 0,46-0,52 Ом×мм²/м (для твердых), ТКρ = (0 – 2)×10^-5 град^-1. Из константана изготавливают мяг­кие и тверди изделия: проволоку диаметром от 0,03 до 5 мм и ленту толщиной до 0,1 мм. Константановые изделия могут использоваться при температурах не превышающих 450 ⁰С, в качестве термопар различных резисторов, нагревателей.

Нихром – сплав никеля (55-75%) и хрома (15-25%), с добавкой титана и железа. Диапазон рабочих температур 950-1300 ⁰С:

ρ = (1,02 – 1,36) Ом • мм²/м; ТКρ = (10 – 20)^-6 1/град.

Устройство установки. Установка представляет собой термостат, в котором располага­ются исследуемые проволочные образцы проводниковых материалов, и измерительного моста, для снятия замеров сопротивления образцов.

На рис 3.1 представлена схема установки. Термостат подключа­ется в сеть переменного тока 220 В, после чего загорается сигналь­ная лампа Л₁ ("Сеть") . Контактным термометром устанавливается тре­буемая температура нагрева (с учетом инерции нагрева нагреватель­ного элемента НЭ следует устанавливать температуру более низкую, чем требуется для замера, а потом уже постепенно повышать до тре­буемой температуры замера). После установки требуемой температуры контакт термометра КТ разомкнут, реле Р не получает питания. Нагревательный элемент НЭ получает питание через нормально замкнутые контакты P1 и Р2 реле Р, о чем сигнализирует сигнальная лампа JI₂ («нагрег»). Происходит нагрев образцов проводниковых материалов R₁, R₂, R₃, R₄, R₅. Замер сопротивления образцов производится измерительным мостом постоянного тока, который подключается к общему выводу образцов и поочередно ко вторым выводам образцов R₁, R₂, R₃, R₄, R₅.

После достижения установленной на контактном термометре температуры, замыкается контакт КТ, срабатывает реле Р и отключает нагревательный элемент НЭ от сети, гаснет сигнальная лампа Л₂ («нагрев»). На рис. 2 показан внешний вид и устройство установки: 1- корпус термостата, 2 - трансформаторное масло, 3- нагревательный элемент, 4 - исследуемые образцы, 5 – клеммы с выводов исследуемых образцов, 6 - клемма общего вывода исследуемых образцов, 7 -контактный термометр.

Порядок выполнения работы. Перед началом проведения работы ознакомиться с устройством установки.

1. Замерить сопротивление каждого образца и занести в таблицу:

2. Включить термостат и произвести замеры сопротивлений образцов при температурах 40°С, 60°С, 80°С, 100°С, 120°С (по указанию преподавателя замерить сопротивление образцов при таких же температурах при остывании термостата и взять средние значения сопротивления образца при нагреве и остывании).

3. По полученным данным сопротивления этих проводников при различ­ных температурах построить графики, откладывая по оси абсцисс температуру в градусах цельсия, а по оси ординат - значение сопротивления в омах. Через полученные точки провести линии.

4. Вычислить ШК проводников для интервала температур 40-120 ⁰С по формуле:

где R₀ – сопротивление при комнатной температуре, Ом; R – сопротивление проводника при температурах 40-120°С, Ом; t₀ – комнатная температура, ⁰С; t – температура, при которой производится замер сопротивлений, ⁰С. Результаты вычислений занести в таблицу, на основании которой построить графики зависимости R(ρ) от температуры.