Главная страница
Навигация по странице:

  • 5-6. Расчет удельного сопротивления сплавов Cu-Ni Определим C при T = 293 К им кОм ‧ мм кОм ‧ мм кОм ‧ м )

  • Cu-Ni от концентрации Ni.

  • 9491 ЛР1_ДубровскийМ_ (1). Отчет по лабораторной работе 1 по дисциплине Электротехническое материаловеденье


    Скачать 1.11 Mb.
    НазваниеОтчет по лабораторной работе 1 по дисциплине Электротехническое материаловеденье
    Дата03.05.2021
    Размер1.11 Mb.
    Формат файлаpdf
    Имя файла9491 ЛР1_ДубровскийМ_ (1).pdf
    ТипОтчет
    #201257

    Подборка по базе: точно готовый отчет.docx, физика отчет ЭМ3.docx, Методические рекомендации для выполнения отчета по учебной и про, Задачи к практической работе.pdf, Задачи к практической работе.pdf, Сравнительный анализ правил по охране труда при работе на высоте, План отчёта.doc, 8 семестр отчет по производственной практики Менеджмент.docx, Отчет по лабораторной работе №4.docx.docx, Хованская Александра отчет ПДП.docx

    МИНОБРНАУКИ РОССИИ
    САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
    «ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА) ОТЧЕТ по лабораторной работе №1 по дисциплине Электротехническое материаловеденье»
    Т
    ЕМА
    :
    ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ Студент гр. 9491
    Дубровский МВ. Преподаватель
    Корепанов О.А.
    Санкт-Петербург
    2021

    2 Цель работы. измерение сопротивлений объемных и тонкопленочных резисторов исследование зависимостей удельных электрических сопротивлений и их температурных коэффициентов от температуры и состава резистивных материалов, а также зависимостей термоЭДС термопар от разностей температур контактов. Описание установки. Измерение сопротивления исследуемых проводников и термоЭДС термопар производится с помощью мультиметра, постоянно подключенного к испытательному стенду. Все исследуемые образцы расположены в корпусе стенда резисторы R1, R2, R3 и один из спаев каждой из трех термопар помещены в общий термостат.
    Основные теоретические положения. Проводники электрического тока – это материалы и среды с малым удельным электрическим сопротивлением, значения которого находятся в пределах 10
    −5
    …10
    −8
    Ом∙м, обладающие высокой удельной проводимостью, обусловленной наличием в них большой концентрации электрических зарядов, способных свободно перемещаться. Электронный газ в металлах находится в вырожденном состоянии. Поэтому концентрация электронов и их средняя энергия практически не зависят от температуры, нос повышением температуры увеличивается амплитуда колебаний атомов в узлах кристаллической решетки, что приводит к более интенсивному рассеянию электронов в процессе их направленного движения. Соответственно уменьшается средняя длина свободного пробега и возрастает удельное сопротивление. Все сплавы имеют повышенное удельное сопротивление в сравнении с компонентами, входящими в их состав. Полное удельное сопротивление сплава ост , где

    t – сопротивление, обусловленное рассеянием электронов на тепловых колебаниях узлов решетки ост – сопротивление, связанное с рассеянием 7 электронов на статических дефектах кристаллической структуры сплава, остающихся в

    3 металле и при температуре абсолютного нуля. Температурные коэффициенты удельного сопротивления
    
    сплавов всегда значительно меньше температурных коэффициентов чистых металлов, образующих сплав. В очень тонких слоях такие пленки могут иметь не сплошную, а островковую структуру. Но электропроводность пленки возникает при некотором минимальном количестве осажденного металла еще до образования соединительных мостиков между островками металла. При приложении электрического поля (в плоскости пленки) происходит переход электронов через узкие диэлектрические зазоры между соседними островками. Механизмами, ответственными за перенос заряда, являются термоэлектронная эмиссия и туннелирование. Сопротивление пленки островковой структуры во многом определяется и поверхностным сопротивлением диэлектрической подложки. В процессе конденсации металла на подложке происходит слияние островков и образование сначала проводящих цепочек и каналов, а затем – сплошного однородного слоя. Но ив сплошной пленке удельное сопротивление больше, чем удельное сопротивление объемного проводника, что является следствием высокой концентрации дефектов
    – вакансий, дислокаций, границ зерен, образующихся при срастании островков. Вследствие поверхностного рассеяния электронов и повышенной степени дефектности структуры удельное сопротивление тонких металлических пленок существенно превосходит удельное сопротивление объемного материала. Термоэлемент, составленный из двух различных проводников, образующих замкнутую цепь, называют термопарой. При различной температуре контактов в замкнутой цепи возникнет термоэлектрический ток. Если цепь разорвать в произвольном месте, тона концах разомкнутой цепи появится термоэлектродвижущая сила (термоЭДС). В относительно небольшом температурном интервале термоэлектродвижущая сила

    U пропорциональна разности температур контактов (спаев


    U t



    2 1t

    , где

    – удельная термоэлектродвижущая сила.

    4 Протокол Лабораторная работа № 1
    « ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ » Выполнена студентом гр
    ___________________________________
    1. Определение удельного сопротивления различных проводников при комнатной температуре Материал Длина l, мм Толщина h, мм Ширина b, мм Диаметр d, мм Сопротивление
    R, Ом пленочные Объемные Манганин
    1040
    -
    -
    0,1 63,64 Медь
    8300
    -
    -
    0,13 Нихром
    900
    -
    -
    0,7 2,71 Константан 1000
    -
    -
    0,06 198 ,63 Никель
    1500
    -
    -
    0,25 2,54 2. Определение температурных зависимостей сопротивления проводников и термоЭДС

    t гор, С t
    хол
    , С
    R
    T
    , Ом
    ΔU
    AB
    , мВ никель медь константан медь- железо медь- константан медь- манганин
    25 22 17,8 110,9 30,64 0,03 0,04 0,01 40 29 19,1 115 30,61 0,5 0,47 0,02 55 30 19,22 118,8 30,60 0,86 0,87 0,03 70 30 22,21 122,83 30,58 1,3 1,38 0,04 85 31 24,12 126,8 30,57 1,8 1,9 0,05

    5 100 31 25,36 131,3 30,55 2,13 2,33 0,06 115 32 26,6 137,4 30,53 2,51 2,85 0,07 130 32 28,5 137,8 30,52 2,87 3,88 0,07 145 33 29,88 141,36 30,51 3,25 3,92 0,09

    6 Обработка результатов. Расчет удельного сопротивления металлических проводников

    = Rπ(D/2)
    2
    /L где R - сопротивление образца S - площадь поперечного сечения l - длина проводника.
    𝜌 =
    63,64 Ом ∗ 3,14 ∗ (0,1 ∗ 10
    −3
    мм мкОм ∗ м Таблица 1- Удельное сопротивление металлических проводников Материал
    R, Ом
    L, мм D, мм ρ, мкОм*м Манганин 63,64 Ом 1040 0,1 0,48044 Медь
    9,93 Ом
    8300 0,13 0,01587 Нихром Ом
    900 0,7 1,1582 Константан Ом 1000 0,06 0,56133 Никель Ом
    1500 0,25 0,02646 Расчет сопротивления квадрата поверхности металлических пленок
    R = Rb/L где R - сопротивление образца b - ширина резистивного слоя L - длина пленки.
    𝑅 =
    40 Ом ∗ 2,5 ∗ 10
    −3
    мм Ом Таблица 2- Сопротивления квадрата поверхности металлических пленок материал
    R b, мм L, мм
    R□, Ом
    1 40 Ом
    2,5 0,2 500 2
    0,775 КОм
    2 3,25 476,923 3
    7,603 КОм
    0,6 9,5 480,189
    2-4. Расчет температурного коэффициента удельного сопротивления


    =

    R
    +

    l
    , Где

    R
    и

    l
    - температурные коэффициенты сопротивления и линейного расширения

    7

    R
    T
    R
    dR
    dT

    1
    𝛼
    𝜌
    =
    1 18,17 Ом 0.1049
    Ом
    К
    + 12,8 ∗ 10
    −6
    К 0,005587 К = 0.1049x + 14.725
    𝑑𝑅(𝑇)
    𝑁𝑖
    𝑑𝑇
    = 0.1049
    𝑑𝑅(𝑇)
    𝐶𝑢
    𝑑𝑇
    = 0.2621
    𝑑𝑅(𝑇)
    𝐶𝑜
    𝑑𝑇
    = −0.0011 Таблица 3- Температурные коэффициенты удельного сопротивления Медь Никель Константан
    Т,°С т, Ом
    α
    ρ
    , К
    -1
    Т,°С т, Ом
    α
    ρ
    , К
    -1
    Т,°С т, Ом
    α
    ρ
    , К 25 111,18 0,0023741 25 17,348 0,00606 25 30,658 -1,88803E-05 40 115,11 0,0022936 40 18,921 0,00556 40 30,641 -1,88996E-05 55 119,05 0,0022184 55 20,495 0,00513 55 30,625 -1,8919E-05 70 122,98 0,002148 70 22,068 0,00477 70 30,608 -1,89383E-05 85 126,91 0,002082 85 23,642 0,00445 85 30,592 -1,89577E-05 100 130,84 0,0020199 100 25,215 0,00417 100 30,575 -1,89771E-05 115 134,77 0,0019615 115 26,789 0,00393 115 30,559 -1,89965E-05 130 138,7 0,0019063 130 28,362 0,00371 130 30,542 -1,9016E-05 145 142,63 0,0018543 145 29,936 0,00352 145 30,526 -1,90354E-05

    l для меди – 16,7 10
    −6
    К никеля – 12,8 10
    −6
    К, константана –
    17,0 10
    −6
    К

    8 Рис 1 -График зависимости сопротивлений исследуемых материалов от температуры Рис 2 - График зависимости температурного коэффициента удельного сопротивления исследуемых материалов от температуры

    y = 0.1049x + 14.725
    y = 0.2621x + 104.63
    y = -0.0011x + 30.658 0
    20 40 60 80 100 120 140 160 20 40 60 80 100 120 140 160
    Ni
    Cu
    Co
    Linear (Ni)
    Linear (Cu)
    Linear (Co)
    -0.001 0
    0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 20 40 60 80 100 120 140 160

    , K
    -1
    T,°C
    Cu
    Ni
    Co

    9
    5-6. Расчет удельного сопротивления сплавов Cu-Ni Определим C при T = 293 К им кОм ‧ мм кОм ‧ мм кОм ‧ м ):
    𝐶 =
    𝜌
    𝐶𝑢−
    − 𝜌
    𝑁𝑖
    𝑥
    𝑁𝑖
    − 𝜌
    𝐶𝑢
    (1 − 𝑥
    𝑁𝑖
    )
    𝑥
    𝑁𝑖
    (1 − 𝑥
    𝑁𝑖
    )
    C =
    0,5−0,4⋅0,068−0,017⋅0,6 0,4⋅0,6
    мкОм ‧ м ≈ 1,9275 мкОм ‧ м

    Cu-Ni
    =

    Ni x
    Ni
    +

    Cu
    (1 - x
    Ni
    ) + С - x
    Ni
    ) =
    = 0.068*0.4+0.017*0.6+1.9275*0.4*0.6=0.5
    α

    Cu−Ni
    =
    1
    ρ
    Cu−Ni
    [(1 − x
    Ni

    Cu
    α
    ρCu
    + x
    Ni
    ρ
    Ni
    α
    ρNi
    ]
    =1/0.5[(1-0.4)*0.017*0.0021+0.4*0.068*0.0046] = 0.000293К
    -1
    Таблица 4- Удельное сопротивление сплавов Cu-Ni
    X
    ni
    0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
    
    мкОм*
    м

    0,017 0,19557 0,3356 0,43707 0,5 0,524375 0,5102 0,4575 0,3662 0,2364 0,068


    
    

    0,002 0,00032 0,0002 0,00027 0,00029 0,000332 0,00039 0,0005 0,0007 0,0012 0,0046

    10 Рис 3 - График зависимости удельного сопротивления сплава Cu-Ni от концентрации Ni. Рис 4 -График зависимости температурного коэффициента сплава

    Cu-Ni от концентрации Ni.
    0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0
    0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 м кО
    м

    м
    X
    ni
    0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0.003 0.0035 0.004 0.0045 0.005 0
    0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1


    
    
    X
    ni

    11
    7. Зависимость ЭДС исследуемых термопар от температуры t
    гор
    ,°С t хол
    ,°С ∆Т,°С
    U, мВ Медь- железо Медь- константан Медь- манганин
    25 22 3
    0,03 0,04 0,01 40 29 11 0,5 0,47 0,02 55 30 25 0,86 0,87 0,03 70 30 40 1,3 1,38 0,04 85 31 54 1,8 1,9 0,05 100 31 69 2,13 2,33 0,06 115 32 83 2,51 2,85 0,07 130 32 98 2,87 3,88 0,07 145 33 112 3,25 3,92 0,09 Рис 5 - Зависимость ЭДС Медь-железо Рис 6 - Зависимость ЭДС Медь-константан

    0 0.5 1
    1.5 2
    2.5 3
    3.5 0
    20 40 60 80 100 120
    U
    , мВ
    ∆Т,°С
    0 0.5 1
    1.5 2
    2.5 3
    3.5 4
    4.5 0
    20 40 60 80 100 120
    U
    , м
    В
    ∆Т,°С

    12 Рис 7 - Зависимость ЭДС Медь-манганин Выводы
    1) Удельное сопротивление сплава возрастает при добавлении к основному металлу примесного металла, из-за рассеяния электронов на примесных атомах (ρ
    Cu
    = 1,5*10
    -8
    Ом ‧ мОм мм ρ
    Cu-Ni
    = 5,61‧ Ом ‧ м, что видно из графика зависимости ρ
    Cu-Ni
    = f(x
    Ni
    ) (пункт 6)
    2) При повышении температуры сопротивление чистых металлов возрастает линейно (никель, медь, а сопротивление сплава (константан) уменьшается (почти не изменяется. Это объясняется неправильной структурой сплавов и малым средним временем свободного пробега электронов.
    3) Температурный коэффициент сплава (константан) примерно на два порядка меньше, чем температурные коэффициенты чистых металлов (никель, медь. Это объясняется тем, что у сплавов уменьшение подвижности с ростом температуры компенсируется возрастанием концентрации носителей. уменьшается при повышении температуры у всех х образцов.
    4) Одна из причин возникновения термоЭДС – это различная концентрация электронов в металлах. Поскольку манганин в своём составе содержит около 85 % меди, то у термопары медь-манганин изменится термоЭДС
    0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0
    20 40 60 80 100 120
    U
    , м
    В
    ∆Т,°С

    13 на меньшую величину, чему термопары разнородных металлов медь-железо или термопары медь-константан (60 % меди + 40 % никеля меньшее сродство с медью, чему манганина, при изменении температуры на одну и туже величину.

    14 Вопросы
    1. Почему металлы обладают высокой электрической проводимостью Потому что у атомов металлов наличествуют частично заполненные атомные орбитали. В результате, образуется электронный газ, состоящий из множества свободных электронов. Электроны этого газа могут находиться во множестве квантовых состояний. Потому под действием разности потенциалов могут двигаться упорядоченно.
    2. Чем обусловлено возрастание удельного сопротивления металлов при нагревании С повышением температуры увеличивается амплитуда колебаний атомов в узлах кристаллической решетки, что приводит к более интенсивному рассеянию электронов в процессе их направленного движения. Соответственно уменьшается средняя длина свободного пробега и возрастает удельное сопротивление.
    3. Почему удельное сопротивление металлических сплавов типа твердых растворов выше, чему чистых металлов, являющихся компонентами сплава Все сплавы имеют повышенное удельное сопротивление в сравнении с компонентами, входящими в их состав. Полное удельное сопротивление сплава





    t ост , где

    t – сопротивление, обусловленное рассеянием электронов на тепловых колебаниях узлов решетки ост – сопротивление, связанное с рассеянием 7 электронов на статических дефектах кристаллической структуры сплава, остающихся в металле и при температуре абсолютного нуля.
    4. Почему металлические сплавы обладают меньшим температурным коэффициентом удельного сопротивления, чем чистые металлы Температурные коэффициенты удельного сопротивления сплавов всегда значительно меньше температурных коэффициентов чистых

    15 металлов, образующих сплав. В некоторых сплавах
    
    может быть даже отрицательным. Относительное изменение удельного сопротивления при изменении температуры на один кельвин называют температурным коэффициентом удельного сопротивления
    5. При каких условиях возникает термоэлектродвижущая сила
    ТермоЭДС в контуре складывается из трех составляющих. Первая обусловлена температурной зависимостью внутренней контактной разности потенциалов Ui, которая, в свою очередь, связана с температурным изменением положения уровня Ферми. Вторая составляющая термоЭДС, называемая объемной, обусловлена диффузией носителей заряда от горячих спаев к холодным. Диффузионный поток, перенося заряд от горячего конца к холодному, создает между ними разность потенциалов. Третья составляющая термоЭДС возникает в контуре вследствие увлечения электронов квантами тепловой энергии (фононами. Основной вклад в термоЭДС металлических термопар вносит первая причина, те. разность уровней Ферми.


    написать администратору сайта