ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Практическая работа № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы: изучить основные характеристики проводниковых материалов и сплавов, научиться на практике определять удельное сопротивление материалов, а также исследовать зависимость сопротивления от температуры.

Теоретические сведения

В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкие, а при соответствующих условиях и газы. Важными практично применяемыми в электротехнике твердыми проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы.

Среди металлических проводниковых материалов следует выделить металлы высокой проводимости и сплавы высокого сопротивления. Металлы высокой проводимости используются для изготовления проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов. Из металлов и сплавов высокого сопротивления изготавливают резисторы, электронагреватели, провода для ламп накаливания.

Особую группу проводников составляют криопроводники и сверхпроводники - материалы, которые имеют очень малое удельное электрическое сопротивление при температурах, близких к абсолютному нулю.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Для большинства металлов температура плавления около – 39⁰С, которые могут быть использованы в качестве жидкого металлического проводника при нормальной температуре.

Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низкой напряженности электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряженность поля будет выше некоторой критической величины, обеспечивающей начало ударной и фотонной ионизации, то газ может стать проводником с электрической и ионной электропроводностью. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов числу положительных ионов в единице объема представляет собой особую проводящую среду, которая называется плазмой.

К электрическим характеристикам проводниковых материалов можно отнести: удельную проводимость σ и обратную ей величину - удельное сопротивление ρ; контактную разность потенциалов и термоэлектродвижущую силу (термо-ЭДС); работу выхода электронов из металла.

Из-за наличия значительного количества свободных электронов проводниковые материалы имеют высокую проводимость, которая выражается в Сименсах на метр (См/м) и может быть определенна по формуле

где q – заряд электрона (1.6×10^-19 Кл);

n - число свободных электронов в единице объема металла;

λ- средняя длина свободного пробега электрона между двумя столкновеньями с узлами решеток;

m - масса электрона;

Vт - средняя скорость теплового движения свободного электрона.

Концентрация свободных электронов и скорость хаотичного движения для разных металлов при определенной температуре отличаются не значительно. В связи с этим значение удельной проводимости зависит в основном от средней длины свободного пробега электронов в конкретном проводнике. Тепловая скорость, в свою очередь, определяется структурой проводникового материала. Так, например, для чистых металлов с наиболее правильными кристаллическими решетками значение удельного сопротивления является минимальным. И наоборот, наличие примесей и дефектов в решетках приводит к увеличению удельного сопротивления.

Вместе с тем удельная проводимость металлов практически не зависит от напряженности электрического поля, значение которого может изменяться в довольно широких пределах, что полностью отвечает закону Ома (дифференциальная форма записи)

j = σ×Е

где j - плотность тока, А/м²; Е - напряженность электрического поля, В/м.

Удельное сопротивление проводника с сопротивлением R, сечением S и длиной L может быть рассчитано по формуле

При этом ρ выражается в Ом×мм²/м, такая не системная единица часто используется на практике, поскольку длину проводника удобнее выражать в метрах, а площадь поперечного сечения – в квадратных миллиметрах. Для переведения не системной единицы ρ в СИ можно использовать соотношение

1 Ом×м = 10⁶ мкОм×м = 10⁶ Ом×мм²/м.

При температурах превышающую температуру Дебая, что для металлов находится в пределах 400-800°С, удельное сопротивление возрастет практически минимально и обусловлено в основном усилением тепловых колебаний решетки. При этом уменьшится средняя длина свободного пробега электронов, их подвижность, а следовательно и уменьшение проводимости материала. В области низких (криогенных) температур значения ρ и определяется только сопротивление ρ_ост_.

Удельное сопротивление металлов связано в основном с рассеиванием энергии свободных электронов на дефектах кристаллических решеток, к которым относятся внедренные атомы примесей, вакансии, дислокации и тепловые колебания собственных атомов. Поэтому удельное сопротивление ρ можно представить как

ρ = ρ_тепл+ ρ_ост

где ρ_тепл – удельное сопротивление, обусловленное в основному тепловыми колебаниями решеток;

ρ_ост – удельное сопротивление, связанное с наличием дефектов кристаллических решеток.

Изменение удельного сопротивления металлического проводника с температурой принято характеризовать коэффициентом удельного сопротивления a(К). Если температура металла изменяется в небольших пределах, то на практике удобно использовать кусочно-линейную аппроксимацию зависимости r =¦(Т), которая позволяет определить средний температурный коэффициент удельного сопротивления

где r₀_ - удельное сопротивление при температуре Т₀, принятой за начальную, а r₁ - при температуре Т₁. Температура Т₀ обычно принимается равной 20°С, поэтому значение aчасто приводится для 20^о С.

Используя значение коэффициента a, определенное для интервала температур (Т₁-Т₀), можно достаточно точно определить удельное сопротивление r₂ для любой температуры Т₂ внутри этого интервала

Для металлов значения a имеет достаточно большое значение (4 10^-3 К^-1), а для большинства сплавов - значительно меньше (10^-4 – 10^-6 К^-1)

К числу факторов, которые влияют на удельное сопротивление металлических проводников, принадлежит и магнитное поле, под действием которого происходит искривление траектории движения электронов, что приводит к изменению электропроводности.

Как известно, металлические проводники и сплавы применяются в электротехнике обычно в виде провода разной формы и сечения, который изготовляется в процессе его протягивания или волочения. При деформации металла в холодном состоянии наблюдается искривление кристаллических решеток, что приводит так же к увеличению удельного сопротивления. Устранить данное явление позволяет отжиг, в ходе которого металл и сплав сначала нагревается до высокой температуры, а потом медленно охлаждают. В результате процесса рекристаллизации происходит восстановление искривленной структуры и удельное сопротивление уменьшается.

12 Следующая ⇒