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; Δ R – ал­гебраическая разность между сопротивлением материала при повышен­ной температуре и сопротивлением измеренным при комнатной температуре, Ом; Δ t – 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:

Название материала	T, 0C	R, Ом	TKR, град-1

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.

 

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Величина затухания расчетной амплитуды колебаний температуры наружного воздуха, в ограждающей конструкции
2. Виды обработки металлов давлением. Влияние обработки давлением на структуру и свойства металла
3. Влияние расчетной температуры наружного воздуха на типоразмер кондиционера.
4. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ
5. Влияние температуры на статические характеристики БТ
6. Внутренний перепад температуры
7. Вода какой температуры обладает наибольшей энергоемкостью?
8. Гипертермия — повышение температуры тела выше нормы. Это один из наиболее ярких и легко определяемых симптомов лихорадки.
9. Глава. Опробование драгоценных металлов и ювелирных изделий
10. Диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов
11. Другие методы измерения температуры
12. За счет чего преимущественно происходит увеличение температуры тела у взрослых в первую стадию лихорадки?