Программа "Исследование влияния температуры на удельное сопротивление сплавов высокого сопротивления"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Программа «Исследование влияния температуры на удельное сопротивление сплавов высокого сопротивления»

1. Функциональное назначение программы, область применения, ее ограничения

Программа “ Исследование влияния температуры на удельное сопротивление сплавов высокого сопротивления ” создавалась как обучающе-контролирующая программа к разделу ”Проводники” дисциплины “ Материаловедение и технология конструкционных материалов ”, аналог лабораторной работы на стенде.

В 2007-2008 годах на кафедре ”Электроснабжения промышленных предприятий” ОмГТУ была проведена модернизация стендов к дисциплине “Материаловедение и технология конструкционных материалов”, для этого были закуплены современные цифровые приборы, осциллографы, генераторы и т.д.

Новая экспериментальная установка с использованием современных цифровых приборов к разделу ”Проводники” выглядит так (рис. 1).

Рис. 1. Новый стенд для исследования влияния температуры на удельную электропроводность полупроводников

Она состоит из следующих блоков:

1. Муфельной печи.

2. Блока из трех цифровых приборов DT-838 (один служит для измерения температуры, два других ? для измерения сопротивлений).

3. Катушек из манганина и нихрома (катушки в печи).

На стенде определяются основные электрические характеристики манганина и нихрома. Сначала нужно построить зависимости R = f(t). Их снимают при нагреве катушек из манганина и нихрома в печи от 20 до 300 С..

На этом стенде лабораторные работы выполняют студенты дневного и вечернего обучения, а для заочного и дистанционного обучения было решено создать обучающе - контролирующую программу (аналог стенда), с которой студенты могут работать дома и присылать отчеты о проделанной работе.

Точно такая же работа на ЭВМ оказалась малой по объему, поэтому в лабораторной работе на компьютере введены некоторые отличия.

Здесь определяются основные электрические характеристики только манганина, но в более широком диапазоне изменения температур, и строится больше зависимостей.

Программа получилась удачной, поэтому в дальнейшем программу стала использоваться и для студентов, прогулявших занятия, которых в последние годы стало больше, особенно среди студентов коммерческой формы обучения. Теперь преподавателю нет необходимости постоянно присутствовать во время повторных лабораторных работ, достаточно студенту показать стенд, посадить его в компьютерный класс, а затем проверить результат его работы. Программа позволяет контролировать работу студента и в конце сообщает обо всех допущенных ошибках.

Программой заинтересовались на других кафедрах, она используется в филиалах кафедры в Сургуте и Нефтеюганске, где пока нет возможности создать стенды с использованием современных приборов.

Она может быть рекомендована для других электротехнических факультетов высших учебных заведений при изучении раздела ”Проводниковые материалы” дисциплины “ Материаловедение и технология конструкционных материалов”.

2. Используемые технические средства

Программа выполнена на алгоритмическом языке Pascal в среде DELPHI, работает в операционных системах Windows. Для их работы требуется персональный компьютер класса Pentium II и выше, с оперативной памятью не менее 32 Мбайт.

3. Специальные условия применения и требования организационного, технического и технологического характера

Программа используются в учебном процессе на дневном и вечернем обучении в виде лабораторной работы к дисциплине “Материаловедение и технология конструкционных материалов”, а на заочном и дистанционном обучении - для самостоятельного изучения раздела курса.

Работа с программой может выполняться студентами самостоятельно без помощи преподавателя, так как все измерения и построения сопровождаются подробными комментариями, и заканчивается подведением итогов с указанием всех ошибок.

Для работы с программой желательна домашняя подготовка: изучение теории рассматриваемого вопроса (по учебному пособию [1]). Но лабораторную работу можно выполнять и без домашней подготовки, так как основные положения, необходимые для выполнения работы, выводятся на экран монитора. Домашняя подготовка ускоряет выполнение работы. После домашней подготовки работа с программой рассчитана на 1,5 часа и имеет 2 этапа.

Основные теоретические положения, необходимые для успешной работы с программой

[Эти теоретические положения взяты из учебного пособия (Шкаруба М. В. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: Учеб. пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007.- 96 с. [1]). С методическими указаниями студентам рекомендуется познакомиться перед выполнением лабораторной работы, чтобы ускорить ее выполнение].

Теоретические положения

Проводниковыми материалами называются материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная электропроводность.

Проводниковые материалы можно разбить по агрегатному состоянию:

1. Газы и пары.

2. Жидкие проводники.

3. Твёрдые проводники.

Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряжённостях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряжённость электрического поля превзойдёт некоторое критическое значение Е_кр, обеспечивающее начало ударной ионизации, то газ становится проводником с электронной и ионной проводимостью.

Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов числу положительных ионов в единице объёма представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Правда, большинство металлов (за исключением ртути) имеют высокую температуру плавления, поэтому их трудно использовать в качестве проводников.

Среди твёрдых проводников наиболее часто в электротехнике применяются металлы и сплавы. Среди них выделим и рассмотрим две основные группы:

а) металлы высокой проводимости, у которых при нормальной температуре удельное сопротивление не более 0,05 мкОм•м. Они используются для проводов, жил кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов и т. п.

б) сплавы с высоким сопротивлением, имеющие при нормальной температуре с ? 0,3 мкОм•м. Они используются при изготовлении резисторов, электронагревательных приборов, нитей ламп накаливания и т. п.

Особую группу составляют криопроводники и сверхпроводники - материалы, которые обладают ничтожно малым сопротивлением при весьма низких температурах.

Приведем энергетическую диаграмму проводников (рис.2).

Рис. 2. Энергетическая диаграмма проводников при нуле Кельвина

в соответствии с зонной теорией твёрдого тела:

1 - заполненная электронами зона;

2 - зона свободных энергетических уровней

У проводников заполненная электронами зона вплотную прилегает к зоне свободных энергетических уровней или даже перекрывает её. Электроны могут переходить с верхних уровней заполненной зоны на незанятые уровни свободной зоны под влиянием напряжённости электрического поля, приложенной к проводнику.

Мы рассмотрим только классическую электронную теорию металлов. По этой теории металл можно рассматривать как систему, построенную из расположенных в узлах решетки положительно заряженных атомных остовов (по 1 ? 2 электрона покидают атом) и находящихся среди них свободных электронов (рис.3). При движении электронов по металлу они сталкиваются с узлами кристаллической решётки, передают ей энергию, накопленную при ускорении в электрическом поле, вследствие чего металл нагревается. Эта классическая теория объясняет не все закономерности, возникающие в металле, но для дисциплины «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» этого достаточно.

Рис. 3. Схема строения металлического проводника

Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой имеют наименьшие значения удельного сопротивления. Любые примеси и нарушения правильной структуры металлов увеличивают их удельное сопротивление. Это свойство металлов широко используется для получения материалов с большим удельным сопротивлением, которые необходимы везде, где нужно получить большое сопротивление при малом объеме. Это, как правило, сплавы.

Сплавы высокого сопротивления классифицируются по области применения [2]:

1. Материалы для образцовых сопротивлений и электроизмерительных приборов.

2. Материалы для резисторов.

3. Материалы для нагревательных приборов и нагрузочных реостатов.

К сплавам высокого сопротивления предъявляют следующие требования:

? большое удельное сопротивление;

? достаточная механическая прочность и технологичность, обеспечивающие

возможность получения провода необходимого сечения;

? небольшая стоимость.

К материалам первой группы предъявляются дополнительные требования:

? стабильность сопротивления во времени (отсутствие старения);

? небольшой температурный коэффициент удельного сопротивления

(TK_с = min);

? маленький коэффициент термо-эдс с медью.

Для третьей группы дополнительное требование - высокая температура нагрева.

Основным материалом первой группы является медно-марганцевый сплав - манганин (название происходит от наличия в нём марганца - латинское название manganum). Примерный состав его:Cu 85 %, Mn 12 %, Ni 3 %.

Основные параметры манганина [2]:

? удельное сопротивление с = (42 ? 51)10^-8 Ом·м;

? температурный коэффициент TK= (-5…+30)·10^-5 К^-1;

? коэффициент термо-э.д.с. в паре с медью всего = 1 ? 2 мкВ/К;

? предел прочности у_в = 450 ? 600 МПа;

? предельная допустимая температура t = 200 ^оС.

Манганин выпускается в виде тонкой проволоки, на которую накладывают эмалево-волокнистую изоляцию.

Основным материалом второй группы является медно-никелевый сплав - константан. Его примерный состав: Ni 39 ? 41 %, Mn 1 ? 2 %, остальное (56 ? 59 %) Cu.

Для электронагревательных приборов в основном применяются сплавы на основе железа: нихром, фехраль, хромаль.

Описание программы

На рис. 4 приведено изображение начала лабораторной работы.



Рис. 4. Изображение начала лабораторной работы

Зависимость R = f(t) строится в два этапа. На первом этапе ее снимают при нагреве катушки из манганина в печи (рис. 5) от 20 до 300 С, а на втором - при охлаждении в морозильной камере от 20 до -110 С (рис. 6).

Рис. 5. Изображение на экране монитора испытательной установки для нагрева

Рис. 6. Изображение на экране монитора испытательной установки для охлаждения

Изображение катушки из манганина на экране монитора приведено на рис. 7, параметры катушки зависят от варианта.



Рис. 7. Параметры катушки из манганина

По окончании эксперимента (в конце второго этапа) при безошибочном вводе результатов вся зависимость R = f(t) появляется на экране монитора (рис. 8).

Рис.8. Зависимость R = f(t) на экране монитора

По зависимости R = f(t) необходимо вычислить температурный коэффициент сопротивления:

TK_R = • •,

где TK_R - температурный коэффициент сопротивления, 1/;

R₂ - сопротивление катушки при температуре t₂;

R₁ - сопротивление катушки при температуре t₁ (t₂ > t₁ ).

Удельное сопротивление манганина определяется по формуле

 = ,

где - удельное сопротивление в Омм; S - площадь сечения проводника, м²;

- длина проводника катушки, м.

Удельное сопротивление сплава при нагревании изменяется по двум причинам:

1. С ростом температуры увеличивается амплитуда тепловых колебаний атомов, у электронов на пути возникает больше препятствий, уменьшается средняя длина свободного пробега электрона, и, как следствие, растет удельное сопротивление. (Этот процесс характеризуется температурным коэффициентом сопротивления TK_R).

2. С ростом температуры проводник расширяется, в результате уменьшается его плотность, что приводит к дополнительному увеличению удельного сопротивления. (Этот процесс характеризуется температурным коэффициентом линейного расширения ).

Поэтому температурный коэффициент удельного сопротивления TK равен их сумме TK = TK_R + . У чистых металлов TK , поэтому принимают TK TK_R. Однако у сплавов такое недопустимо.

Если удельное сопротивление манганина определить по формуле

= ,

где - длина проводника при начальной температуре to = 20 C;

Sо - площадь сечения проводника при начальной температуре to ,

то будет учтен только температурный коэффициент сопротивления TK_R.

Поэтому при вычислении удельного сопротивления манганина необходимо учитывать также изменение линейных размеров проводника. В лабораторной работе такие измерения не проводятся, поэтому учтем изменение линейных размеров приближенно. Будем считать, что расширение манганина происходит равномерно во всем диапазоне температур с постоянным температурным коэффициентом 1,8 10^-5 1/. Тогда соответствующее значение удельного сопротивления можно определить по приближенной формуле

_? ,

где t_i - температура, при которой вычисляется удельное сопротивление;

t_o - начальная температура (t_o = 20 C).

Расчетные зависимости _? = f(t) и = f(t) для сравнения приведены на одном графике (рис. 9).

Рис. 9. Расчетные зависимости _? = f(t) и = f(t)

По зависимости l = f(t) определяется кривая TK = f(t). Полученные зависимости TK = f(t) и TK_R = f(t) для сравнения также нужно привести на одном графике (рис. 10).



Рис. 10. Расчетные зависимости TK = f(t) и TK_R = f(t)

Порядок выполнения работы

1. Включить ЭВМ и загрузить программу.

2. Внимательно прочитать все тексты, выводимые на экран.

3. Выполнить I этап работы (построение зависимости R = f(t) при нагреве

образца от 20 до 300 С):

а) подготовить таблицу для заполнения (табл. 1), на I этапе она будет заполняться с n = 17 (t = 20 С).

Таблица 1

n	t, оС	R, Ом	,	? ,	TKR, 1/.	ТК, 1/.
0	-110…	…	…	…	…	…
1	…	…	…	…
…	…	…	…	…
16	…	…	…	…
17	20
…
46	300

б) выбрать режим нагрева печи так, чтобы успевать списывать все показания, причем запись следует делать тогда, когда подается звуковой сигнал и значение параметров выводится желтым цветом;

в) построить зависимость R = f(t) и срисовать ее для отчета (зависимость будет выведена на экран только в случае, если безошибочно будут введены восемь значений R и t, выбранные из таблицы с помощью генератора случайных величин);

г) ввести параметры катушки.

4. Выполнить II этап работы (построение зависимости R = f(t) при охлаждении образца от 20 до -110 С):

а) выбрать режим охлаждения катушки так, чтобы успевать списывать все показания, причем запись следует делать тогда, когда подается звуковой сигнал и значение параметров выводится желтым цветом;

в) построить зависимость R = f(t) и срисовать ее для отчета (зависимость будет выведена на экран только в случае, если безошибочно будут введены семь значений R и t, выбранные с помощью генератора случайных величин).

5. Выполнить III этап работы (построение зависимостей _? = f(t), = f(t),

TK = f(t) и TK_R = f(t)):

а) построить зависимость TK_R = f(t);

б) построить зависимости _? = f(t) и = f(t) на одном графике;

в) построить зависимости TK = f(t) и TK_R = f(t) на одном графике.

Работа считается выполненной только в том случае, если не было допущено ни одной ошибки.

6. Составить отчет, который должен содержать:

а) название работы и ее цель;

б) параметры катушки из манганина;

в) табл. 1 и графики R = f(t), _? = f(t), = f(t),TK = f(t) и TK_R = f(t);

г) основные расчетные формулы;

д) основные характеристики манганина;

е) вывод.



Рис. 11. Подведение итогов III этапа

Лабораторная работа считается выполненной, если не допущено ни одной ошибки на всех трех этапах. Если были допущены ошибки, то работа приходится выполнять заново. Работа имеет 50 вариантов (поэтому студенты не могут списать значения друг у друга). С ней можно работать без помощи преподавателя, весь ход выполнения контролирует программа, поэтому она пригодна для дистанционного обучения. Преподавателю потом по Интернет нужно отправить отчет и последний экран о выполнении работы и номере варианта.

Библиографический список

программа сплав сопротивление

1. Шкаруба М.В. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: Учеб. пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007.- 96 с.

2. Колесов С. Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учеб. для вузов. М.: Высш. школа, 2004. - 519 с.

3. . Богородицкий Н. П., Пасынков В. В., Тареев Б. М. Электротехнические материалы. Л.: Энергоатомиздат, 1985. - 304 с.

4. Пасынков В. В., Сорокин В. С. Материалы электронной техники. СПб.: Из-во «Лань», 2003. - 368 c.

Размещено на Allbest.ru