Краткие теоретические сведения. При проведении лабораторных работ

Лабораторная работа №1

При проведении лабораторных работ

Правила по технике безопасности

Тематический план лабораторных работ

Наименование тем	Объем (час)
Лабораторная работа №1. Исследование свойств проводниковых материалов
Лабораторная работа №2 Исследование сопротивления электроизоляционных материалов
Лабораторная работа №3 Исследование электрических свойств полупроводниковых материалов
Лабораторная работа №4 Исследование оптических свойств полупроводниковых материалов

Электротехнические лаборатории относятся к помещениям повышенной опасности, поэтому нужно соблюдать дисциплину, внимательность и осторожность:

- к выполнению лабораторных работ допускаются студенты, прослушавшие инструктаж по охране труда и технике безопасности, расписавшиеся в специальном журнале о его прохождении и обладающие необходимыми знаниями по предстоящей работе;

- лабораторная работа выполняется бригадой в составе не более трех - четырех человек в соответствии с установленным графиком;

- каждый студент имеет право выполнять на указанном рабочем месте только ту работу, которая ему дана;

- студент имеет право пользоваться лишь приборами его рабочего места, брать приборы с других рабочих мест без разрешения преподавателя или дежурного лаборанта воспрещается.

В лабораториях запрещается:

- включать установку без разрешения преподавателя;

- производить изменения в схеме, находящейся под напряжением;

- прикасаться голыми руками к неизолированным частям установок, машин, аппаратов;

- оставлять без наблюдения установку, находящуюся под напряжением;

- заходить за установленные заграждения;

- работать одному в помещении лаборатории;

- пользоваться проводами с неисправной изоляцией.

Тема: Исследование свойств проводниковых материалов.

Цель: Научиться косвенным методом и по справочным данным определять материал исследуемого проводника.

Классификация проводниковых материалов: В качестве проводника электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы. Важнейшими практически применяемыми в электротехнике твердыми проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы.

Из металлических проводниковых материалов могут быть выделены металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление ρ при нормальной температуре не более 0,05мкОм∙м, и сплавы высокого сопротивления, имеющие удельное сопротивление ρ при нормальной температуре не менее 0,3мкОм∙м. Металлы высоко проводимости используют для проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов. Металлы и сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления резисторов, электронагревательных приборов, нитей ламп накаливания и т.п.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты.

Для большинства металлов температура плавления высока, только ртуть, имеющая температуру плавления около минус 30°С, может быть использована в качестве жидкого металлического проводника при нормальной температуре. Другие металлы являются жидкими при повышенных температурах.

Механизм прохождения тока в металлах, как в твердом, так и в жидком состоянии обусловлен движением (дрейфом) свободных электронов под воздействием электрического поля, поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода. Проводниками второго рода, или электролитами, являются растворы (в частности, водные) кислот, щелочей и солей. Прохождение тока через эти вещества связано с переносом вместе с электрическими зарядами ионов в соответствии с законами Фарадея, вследствие чего состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукты электролиза.

Все газы и пары, в том числе и пары металлов при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряженность поля превзойдет некоторое критическое значение, обеспечивающее начало ударной и фотоионизации, то газ может стать проводником с электронной и ионной электропроводностью. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов числу положительных ионов в единице объема, представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы.

Свойства проводников: К важнейшим параметрам, характеризующим свойства проводниковых материалов, относятся:

-удельная проводимость γ или обратная ей величина – удельное сопротивление ρ,

-температурный коэффициент удельного сопротивления ТКρ или αρ,

-коэффициент теплопроводности γm,

-контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС),

-работа выхода электронов из металла,

-предел прочности при растяжении σρ и относительное удлинение перед разрывом Δl/l.

Удельная проводимость и удельное сопротивление проводников: Связь плотности тока I (в амперах на квадратный метр) и напряженности электрического поля (в вольтах на метр) в проводнике дается известной формулой

I = γE (дифференциальная форма закона Ома), (1.1)

где γ (в сименсах на метр) – параметр проводникового материала, называемый его удельной проводимостью; в соответствии с законом Ома γ металлических проводников не зависит от напряженности электрического поля Е при изменении последней в широких пределах. Величина

,

обратная удельной проводимости и называемая удельным сопротивлением, для имеющего сопротивление R проводника длиной l с постоянным поперечным сечением S вычисляется по формуле

(1.2)

Удельное сопротивление измеряется в Ом∙метрах. Для измерения ρ проводниковых материалов разрешается пользоваться внесистемной единицей Ом∙мм²/м; очевидно, что проволока из материала длиной 1м с поперечным сечением 1мм² имеет сопротивление в Омах, численно равно ρ материала в Ом∙мм²/м. Вместо единицы Ом∙мм²/м предпочтительно применять равную ей по размеру единицу СИ мкОМ∙м. Связь между названными единицами удельного сопротивления:

1Ом∙м = 10⁶мкОм∙м = 10⁶ Ом∙мм²/м.

Диапазон изменений удельного сопротивления ρ металлических проводников (при нормальной температуре) довольно узок: от 0,016 для серебра и до примерно 10мкОМ∙м для железо-хромо-алюминиевых сплавов, то есть он занимает всего три порядка.

Для различных металлов скорости хаотического теплового движения электронов Vm (при определенной температуре) примерно одинаковы. Незначительно различаются также концентрации свободных электронов n_e (например, для меди и никеля это различные меньше 10%). Поэтому значение удельной проводимости γ (или удельного сопротивления ρ) в основном зависит от длины свободного пробела электронов в данном проводнике λ, которая в свою очередь определяется структурой проводникового материала. Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой характеризуются наименьшими значениями удельного сопротивления; примеси, искажая решетку, приводят к увеличению ρ. К такому же выводу можно прийти, исходя из волновой природы электронов. Рассеяние электронных волн происходит на дефектах кристаллической решетки, которые соизмеримы с расстоянием около четверти длины электронной волны. Нарушения меньших размеров не вызывают заметного рассеяния волн.

В металлическом проводнике, где длина волны электрона около 0,5пт микродефекты создают значительное рассеяние, уменьшающее подвижность электронов и, следовательно, приводит к росту ρ материала.

Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов. Число носителей заряда (концентрация свободных электронов) в металлическом проводнике при повышении температуры практически остается неизменным. Однако вследствие усиления колебаний узлов кристаллической решетки с ростом температуры появляется все больше и больше препятствий на пути направленного движения свободных электронов под действием электрического поля, то есть уменьшается средняя длина свободного пробела электрона λ, уменьшается подвижность электронов, и как следствие, уменьшается удельная проводимость металлов и возрастает удельное сопротивление (рис. 1.2). Температурный коэффициент выражается следующим образом

(1.3)

Согласно выводам электронной теории металлов значения α_ρ чистых металлов должны быть близки к температурному коэффициенту расширения идеальных газов, то есть ; повышенными значениями α_ρ обладают некоторые металлы, в том числе ферромагнитные металлы – железо, никель и кобальт.

При переходе из твердого состояния в жидкое у большинства металлов наблюдается увеличение удельного сопротивления ρ, как это видно из рисунка 1.2, скачок удельного сопротивления соответствует температуре плавления меди.

Примеси и нарушения правильной структуры металлов увеличивают их удельное сопротивление. Значительное возрастание ρ наблюдается при сплавлении двух металлов в том случае, если они образуют друг с другом твердый раствор.

Теплопроводность металлов. За передачу теплоты через металл в основном ответственны свободные электроны, которые определяют и электропроводность металлов. Поэтому коэффициент теплопроводности металлов γ_m намного больше коэффициента теплопроводности диэлектриков. Чистота и характер механической обработки металлов могу заметно влиять на его теплопроводность.

Термоэлектродвижущая сила. При соприкосновении двух различных металлических проводников между ними возникает контактная разность потенциалов. Причина появления этой разности потенциалов заключается в различии значений работы выхода электронов из различных металлов, а также в том. Что концентрация электронов, а следовательно, и давление электронного газа у различных металлов и сплавов, могут быть неодинаковыми.

Из электронной теории металлов следует, что контактная разность потенциалов между металлами А и В равна

, (1.4)

где U_A и U_B – потенциалы соприкасающихся металлов;

п_αА и п_αВ –концентрация электронов в металлах А и В;

k – постоянная Больцмана;

l – абсолютная величина заряда электрона.

Если температуры спаев одинаковы, то сумма разности потенциалов в замкнутой цепи равна нулю. Иначе обстоит дело, когда один из спаев имеет температуру Т₁, а другой Т₂. В этом случае между спаями возникает термо-ЭДС, равная

V=d(Т₁ - Т₂), (1.5)

где d – постоянный для данной пары коэффициент термо-ЭДС.

Материалы высокой проводимости. К наиболее широко распространенным материалам высокой проводимости следует отнести медь и алюминий.

Медь. Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала следующие:

-малое удельное сопротивление (из всех материалов только серебро имеет несколько меньшее удельное сопротивление, чем медь);

-высокая механическая прочность;

-удовлетворительная в большинстве случаев стойкость по отношению к коррозии (медь окисляется на воздухе даже в условиях высокой влажности значительно медленнее, чем, например, железо: интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах);

-хорошая обрабатываемость (медь прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра);

-легкость пайки и сборки.

Марки меди. В качестве проводникового материала используется медь марок М1 и МØ. Медь марки М1 содержит 99,9% Си, а в общем количестве (0,1%) кислорода должно быть не более 0,08%. Присутствие в меди кислорода ухудшает ее механические свойства. Лучшими механическими свойствами обладает медь марки МØ, в которой содержится не более 0,05% примесей, в том числе не свыше 0,02% кислорода. Из меди марки МØ может быть изготовлена тонкая проволока. При холодной протяжке получают твердую (твердотянутую) медь (МТ), которая благодаря влиянию наклепа имеет высокий предел прочности при растяжении и малое относительное удлинение перед разрывом, а также обладает твердостью и упругостью при изгибе: проволока из твердой меди несколько пружинит. Если же медь подвергать отжигу, то есть нагреву до нескольких сот градусов с последующим охлаждением, то получится мягкая (отожженная) медь (ММ), которая сравнительно пластична, имеет малую твердость и небольшую прочность, но весьма большое удлинение перед разрывом, более высокую удельную проводимость. Удельная проводимость меди – параметр весьма чувствительный к наличию примесей. Твердую медь применяют для контактных проводов, для шин распределительных устройств, для коллекторных пластин электрических машин. Мягкую медь применяют для изготовления токопроводящих жил кабелей и обмоточных проводов.

Сплавы меди. В отдельных случаях помимо чистой меди в качестве проводникового материала применяются ее сплавы с оловом, кремнием, фосфором, бериллием, хромом, магнием, кадмием. Такие сплавы носят название бронз. Сплав меди с цинком носит название - латунь.

Алюминий. Это второй по значению (после меди) проводниковый материал. Алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди.

Для электротехнических целей применяют алюминий Al, содержащий не более 0,5% примесей. Еще более чистый алюминий марки А800 (не более 0,03% примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги электродов и корпусов оксидных конденсаторов.

Алюминий весьма активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов и делает невозможным пайку алюминия обычными методами. Для пайки алюминия применяются специальные пасты-припои, или используются ультразвуковые паяльники.

Алюминиевые сплавы обладают повышенной механической прочностью. Примером такого сплава является альдрей, содержащий 0,3-0,5%Mg, 0,4-0,7Si и 0,2-0,3 Fe (остальное Al).

Сталеалюминиевый провод, широко применяемый в линиях электропередачи, представляет собой сердечник, свитый из стальных жил и обвитый снаружи алюминиевой проволокой. В проводах такого типа механическая прочность определяется главным образом стальным сердечником, а электрическая проводимость – алюминием.

Сравнительные свойства меди и алюминия приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Физические свойства меди и алюминия

Материал	Сорт	Плотность, г/см^3	Удельное сопротивление при 20°С, Ом∙м	Температурный коэффициент сопротивления при 0°С, 1/°С	Коэффициент линейного расширения, 1/°С	Удельная теплоемкость, Дж/кг°С	Удельная теплопроводность, Вт/м°С
Медь	Электролитическая отожженная	8,9	(17,24 17,54)∙10^-9		1,68∙10^-3
Алюминий	Рафинированный	2,6-2,7	28,2∙10^-9		2,3∙10^-3

Если сопротивление медной обмотки при температуре θ_х равно r_х, то ее сопротивление при температуре θ₂:

Зависимость сопротивления меди от температуры используется для определения превышения температуры обмотки электрической машины при ее работе в горячем состоянии над температурой окружающей среды

или

где r_Г – сопротивление обмотки в горячем состоянии;

r_Х – сопротивление обмотки, измеренное в холодном состоянии, когда температуры обмотки и окружающей среды одинаковы;

- температура обмотки в холодном состоянии;

- температура окружающей среды при работе машины, когда измеряется сопротивление r_{Х .}

Для определения параметров алюминиевой обмотки необходимо 235 заменить на 245.

Железо (сталь) - наиболее дешевый и доступный металл, обладающий высокой механической прочностью, широко используемый в качестве проводникового материала. Однако, даже чистое железо имеет более высокое, сравнительно с медью и алюминием удельное сопротивление ρ (около 0,1 мкОм∙м; значение ρ стали, то есть железа с примесью углерода, еще выше.

При переменном токе в стали, как в ферромагнитном материале, заметно сказывается поверхностный эффект, поэтому активное сопротивление стальных проводников переменному току значительно выше, чем постоянному току. Кроме того, при переменном токе в стальных проводниках появляются потери мощности на гистерезис.

В качестве проводникового материала обычно применяется мягкая сталь с содержанием углерода 0,10-0,15% и имеющая удельную проводимость γ в 6-7 раз меньшую. По сравнению с медью. Такую сталь используют в качестве материала для проводов воздушных линий для передачи небольших мощностей.

Сталь как проводниковый материал используется так же в виде шин, рельсов трамваев, электрических железных дорог (включая «третий рельс» метро). Для сердечников сталеалюминевых проводов воздушных линий электропередачи применяется особо прочная стальная проволока. Обычная сталь обладает малой стойкостью к коррозии: даже при нормальной температуре, особенно в условиях повышенной влажности, она быстро ржавеет: при повышении температуры скорость коррозии резко возрастает. Поэтому поверхность стальных проводов должна быть защищена слоем более стойкого материала. Обычно для этой цели применяют покрытие цинком.

Биметалл. Для уменьшения расходов цветных металлов в проводниковых конструкциях выгодно применять так называемый проводниковый биметалл. Эта сталь, покрытая снаружи слоем меди, причем оба металла соединены друг с другом прочно и непрерывно по всей поверхности соприкосновения. Для изготовления биметалла применяют два способа:

горячий ( стальную болванку ставят в форму, а промежуток между болванкой и стенками формы заливают расплавленной медью: полученную после охлаждения биметаллическую болванку подвергают прокатке и протяжке);

холодный или электролитический – медь осаждают электролитически на стальную проволоку, пропускают через ванну с раствором медного купороса).

Холодный способ обеспечивает равномерность толщины медного покрытия, но требует значительного расхода электроэнергии, кроме того, при холодном способе не обеспечивается столь прочное сцепление слоя меди со сталью, как при горячем способе.

Сопротивление 1км биметаллической проволоки постоянному току (при 20°С) в зависимости от диаметра от 60 (при 1мм) до 40м/км (при 4мм).

Такую проволоку применяют для линий связи, линий электропередачи и т.п. Из проводникового биметалла изготовляются шины для распределительных устройств, полосы для рубильников и различные токопроводящие части электрических аппаратов.

Материалы высокого сопротивления. Это в основном сплавы. Их классифицируют по условиям применения:

-для точных измерительных приборов и образцовых резисторов;

-для сопротивления различного назначения;

-для приборов с высокой температурой.

Для материалов, которые применяются в производстве точных электроизмерительных приборов и образцовых сопротивлениях помимо высокого удельного сопротивления ρ, требуется высокая стабильность ρ во времени, малый температурный коэффициент удельного сопротивления α_ρ и малый коэффициент термоэ.д.с. в паре данного сплава с медью. Термоэ.д.с. этого материала относительно меди должна быть меньшей, чтобы в измерительной схеме не возникали посторонние разности потенциалов, связанные с разными температурами мест соединения детали.

Сплавы для электронагревательных приборов должны долго работать на воздухе при высоких температурах (иногда до 1000°С). Кроме того, во многих случаях требуется изготовление из них гибкой проволоки, иногда весьма тонкой (диаметром порядка сотых долей миллиметра).

Манганин – наиболее типичный и широко применяемый для изготовления образцовых резисторов сплав. Примесный состав его: Cu -85%, Mn -12%, Ni -3%. Значение ρ манганина 0,42-0,48мкОм∙м; α_ρ весьма мал, (5-30)∙10⁶К⁴; коэффициент термоэ.д.с. в паре с медью всего лишь 1-2 мкВ/К. Манганин может вытягиваться в тонкую (диаметром до 0,02мм) проволоку. Предельно длительно допустимая рабочая температура сплавов манганина не более 200°С. Плотность манганина 8,4 Мг/м³.

Константан – сплав, содержащий около 60% меди и 40%никеля. Этот состав отвечает минимуму α_ρ в системе Cu – Ni при довольно высоком значении ρ. Название «константан» объясняется значительным постоянством ρ при изменении температуры [ α_ρ =-(5-25))∙10⁶К⁴ при ρ =0,48-0,52мкОм∙м]. По механическим свойствам константан близок к манганину. Его плотность 8,9 Мг/м³. Нагревостойкость константана выше, чем манганина: константан можно применять для изготовления реостатов и электронагревательных элементов, длительно работающих при температуре свыше 450°С. Существенным отличием константана от манганина является высокая термо э.д.с. константана в паре с медью, а также железом. Широкому применению константана препятствует большое содержание в его составе дорогого и дефицитного никеля.

Сплавы на основе железа. Эти сплавы в основном применяются для электронагревательных элементов. Высокая нагревостойкость таких элементов объясняется введением в их состав следующих металлов: никель, хром и алюминий. Сплавы системы Fe — Ni — Сr называются нихромами; сплавы системы Fe — Сr — А1 называются фехралями. Нихромы весьма технологичны, их можно легко протягивать в тонкую проволоку, они имеют высокую рабочую температуру. Однако, как и в константане, в этих сплавах велико содержание дорогого и дефицитного компонента - никеля.

Фехраль намного дешевле нихрома, однако, этот сплав менее технологичен, более тверд и хрупок, из него может быть получена проволока большего поперечного сечения, чем из нихрома. Поэтому этот сплав в основном используется для электронагревательных печей большой мощности.

Дата добавления: 2014-12-10