Краткие теоретические сведения

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

МЕТАЛЛОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО

КОЭФФИЦИЕНТА СОПРОТИВЛЕНИЯ

Цель работы: ознакомиться с основными процессами, обуславливающими электропроводность металлов, методикой исследования и определения удельного сопротивления и температурного коэффициента удельного электрического сопротивления.

Краткие теоретические сведения

В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при определенных условиях и газы. Твердыми проводниками, нашедшими широкое практическое применение в электротехнике, являются металлы и сплавы.

Из металлических проводников можно выделить металлы высокой проводимости, имеющие при нормальных условиях удельное сопротивление < 0,05 мкОм м, и сплавы высокого сопротивления, имеющие > 0,3 мкОм×м .

Значительный интерес представляют собой материалы, обладающие малым при низких (криогенных) температурах, - сверхпроводники и криопроводники.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты.

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 проводимостью или проводниками первого рода.

Проводниками второго рода, или электролитами, являются растворы кислот, щелочей и солей. Прохождение тока через эти вещества связано с переносом вместе с электрическими зарядами ионов (в соответствии с законом Фарадея).

Электропроводность металлов. Классическая электронная теория металлов представляет твердый проводник в виде системы, состоящей из узлов кристаллической решетки, внутри которой находится электронный газ (свободные, коллективизированные электроны). В свободное состояние от каждого атома металла переходят от одного до двух электронов.

Основными параметрами, характеризующими электрические свойства проводниковых материалов, являются:

1) удельная проводимость, или обратная ей величина - удельное сопротивление;

2) температурный коэффициент удельного сопротивления.

Экспериментально удельное электрическое сопротивление определяется по формуле:

ρ=R·S/l, (1.1)

где R – электрическое сопротивление проводника,

S, l –площадь поперечного сечения и длина проводника.

Удельное сопротивление измеряется в Ом×м. Для измерения проводниковых материалов разрешается пользоваться внесистемной единицей (Ом×мм²)/м. Вместо этой единицы измерения r предпочтительно применять равную ей по размеру мкОм×м:

1 Ом×м =

мкОм×м =

(Ом×мм²)/м.

Диапазон значений r металлических проводников (при нормальных условиях) довольно узок: от 0,016 для серебра и до 10 мкОм×м для железохромалюминиевых сплавов.

Величину, обратную удельному электрическому сопротивлению r, называют удельной электрической проводимостью (См/м):

γ= 1/ρ (1.2)

Скорости хаотического теплового движения свободных электронов и их концентрации для различных металлов примерно одинаковы. Поэтому значение в основном зависит от средней длины свободного пробега электронов в данном проводнике, которая, в свою очередь, определяется структурой материала. Дефекты и микродефекты кристаллических решеток вызывают снижение металлов.

Число носителей заряда в металлическом проводнике при повышении температуры практически остается постоянным. Однако в результате колебаний узлов кристаллической решетки с ростом температуры появляется все больше и больше препятствий на пути движения свободных электронов под действием электрического поля. Уменьшается длина свободного пробега, подвижность и, как следствие, уменьшается и возрастает .

Удельное сопротивление металлов при нагревании увеличивается в результате увеличения скорости движения атомов в материале проводника с возрастанием температуры. Удельное сопротивление электролитов и угля при нагревании, наоборот, уменьшается, так как у этих материалов, кроме увеличения скорости движения атомов и молекул, возрастает число свободных электронов и ионов в единице объема.

Некоторые сплавы, обладающие большим удельным сопротивлением, чем составляющие их металлы, почти не меняют удельного сопротивления с нагревом (константан, манганин и др.). Это объясяняется неправильной структурой сплавов и малым средним временем свободного пробега электронов.

Для оценки изменений удельного электрического сопротивления используется характеристика - температурный коэффициент удельного сопротивления металлов. Температурным коэффициентом удельного сопротивления a_r(ТК_r) называется относительное изменение удельного сопротивления при изменении температуры на один Кельвин (градус):

TK_ρ= (1.3.)

Для чистых металлов в твердом состояниTK_ρ должен быть близок к температурному коэффициенту расширения идеальных газов и составлять величину порядка 0,0037 . В узком диапазоне температур, используя температурный коэффициент удельного сопротивления металлов, можно прогнозировать изменение удельного электрического сопротивления по формуле:

, (1.4.)

где _-удельное электрическое сопротивление металла при температуре 20°С ;

- температура в°С, для которой оценивается прогнозируемое .

Средний температурный коэффициент удельного электрического сопротивления металлов (1/град) в диапазоне температур

(1.5.)

где - значения соответствующие температурам Т₀и Т

Введение примесей снижает величину и для некоторых сплавов она может достигнуть нуля или приобрести небольшое отрицательное значение. Удельное сопротивление металлов при наличии примесей повышается (см. рис. 1.1.).

Среди металлических проводников выделяют проводниковые материалы высокой проводимости, к которым относятся серебро, медь, алюминий, железо, биметаллы.

Серебро обладает наименьшим значением = 0,016 мкОм×м, очень устойчиво к окислению. Высокая цена ограничивает применение серебра, оно используется в качестве обкладок в керамических, слюдяных конденсаторах (наносится методом напыления), а также для изготовления контактов.

Медь является основным проводниковым материалом, применяемым в электротехнике. Это объясняется удачным сочетанием высокой электропроводности с механической прочностью, стойкостью к коррозии, хорошей обрабатываемостью, легкостью пайки (сварки), большой распространенностью в природе. Удельное электрическое сопротивление меди лишь немного хуже серебра и составляет 0,01724 мкОм×м. Для улучшения механических свойств меди разработаны и широко используются сплавы меди (латунь, бронза).

Алюминий является следующим по значению проводниковым материалом после меди, он в 3,5 раза легче меди, а = 0,0285 мкОм×м. Очень широко в электротехнике используются алюминиевые сплавы.

Рис.1.1

Железо (сталь) нашло широкое применение как наиболее дешевый и доступный металл, обладающий высокой механической прочностью, а удельное электрическое сопротивление железа составляет 0,1 мкОм×м.

Биметалл (проводниковый биметалл) - сталь, алюминий, покрытые медью.

Проводниковые материалы высокого сопротивления используются для изготовления сопротивлений, реостатов и электронагревательных приборов. Для этого необходим материал с повышенным удельным электрическим сопротивлением (чистые металлы не подходят). Используются специальные сплавы, представляющие собой твердые растворы двух или трех компонентов. Ниже приведены составы некоторых сплавов и величины их удельных сопротивлений.

На основе меди:

ü манганин (Mn 12 %, Ni 2,5...3,5 %); = 0,42...0,48 мкОм×м;

ü константан (Ni 40 %, Mn 1...2 %); = 0,48...0,52 мкОм×м;

ü нейзильбер (Ni 15 %, Zn 20...25 %); = 0,35...0,40 мкОм×м.

На основе никеля: нихром (Fe - Ni - Cr); = 1,1...1,2 мкОм×м.

На основе железа:

ü фехраль (Cr 12...15 %, Al 3,5...5,5 %); = 1,25 мкОм×м;

ü хромаль (Cr 23...27 %, Al 4,5...6,5 %); = 1,25 мкОм×м.

Углерод в кристаллографической модификации, называемой графитом, используется в качестве материала высокого сопротивления, его удельное электрическое сопротивление составляет 10 мкОм×м.

В электротехнике находят применение сверхпроводники и криопроводники. Под сверхпроводимостью понимают явление полного исчезновения электрического сопротивления проводника при температурах, близких к абсолютному нулю (- 273°С = 0K). Температура, при которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние, называется температурой сверхпроводящего перехода, а вещество – сверхпроводником. Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым.

Явление сверхпроводимости связано с тем, что ток, однажды наведенный в сверхпроводящем контуре, будет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы и, притом, без всякого подвода энергии извне.

Кроме явления сверхпроводимости, в электротехнике используется явление криопроводимости (прежнее название - гиперпроводимость), т.е. достижение металлами весьма малого значения удельного электрического сопротивления при криогенных температурах (но без перехода в сверхпроводимость). Металлы, обладающие таким свойством, называются криопроводниками.