2.4. Содержание отчета

1) Цель работы.

2) Краткая характеристика изучаемых величин.

3) Описание исследуемого диэлектрика.

4) Блок-схема измерений.

5) Сводная таблица с результатами измерений и расчетов (табл. 2.3).

6) Графики температурной зависимости удельных объемного и поверх-ностного сопротивлений исследуемого образца.

7) Вывод по результатам лабораторной работы.

8) Ответы на контрольные вопросы.

Таблица 2.3

Зависимость параметров исследуемого образца от температуры

Измеряемый параметр	Температура термостата t,С
	30	35	40	45	50	55	60	65	70	75	80
Измеренное объемное сопротивление МОм
Измеренное поверх-ностное сопротивление МОм
Удельное объемное сопротивление МОм · м
Удельное поверхностное сопротивление Ом

Диаметр электрода «С» d₁ = м.

Внутренний диаметр электрода «К» d₂ = м.

Толщина исследуемого образца h = м.

2.5. Контрольные вопросы

1) Что такое токи абсорбции, какова их природа?

2) Какие виды электропроводности твердых диэлектриков известны? Как их определить?

3) От чего зависит удельная поверхностная проводимость твердых тел?

Лабораторная работа 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы: исследование удельного сопротивления, температурного коэффициента удельного сопротивления различных металлов и сплавов.

3.1. Краткие сведения из теории

Проводниковые материалы применяются для изготовления токопроводящих, нагревательных, контактных элементов, проводов, кабелей, резисторов. Наибольшее распространение получили такие твердые проводниковые материалы, как металлы и их сплавы, а также электроугольные изделия.

Удельное электрическое сопротивление проводников  принято выражать в системе СИ в микроомах на метр (мкОм  м), удельную проводимость, которая определяется по формуле:  = 1/, – в мегасименсах на метр (МСм/м). Так называемая стандартная медь, по отношению к удельной проводимости которой выражают в процентах проводимость других проводниковых материалов, имеет в отожженном состоянии  = 58 МСм/м, чему соответствует  = 0,017241 мкОм  м. На практике для измерения удельного сопротивления часто применяют внесистемную единицу ом-миллиметр в квадрате на метр (Ом  мм²/м), так как при расчете сопротивления токопроводящего элемента удобно его длину выражать в метрах, а площадь поперечного сечения – в квадратных миллиметрах, причем 1 Ом  мм²/м = 1 мкОм  м.

Высокая проводимость металлических проводников обусловлена значительной концентрацией свободных электронов. Удельные сопротивления этих материалов при нормальной температуре лежат в сравнительно узком диапазоне (10^–2 – 10 мкОм  м), их разница определяется главным образом различием подвижности электронов проводимости.

Удельное сопротивление металлов связано преимущественно с растяжением свободных электронов при тепловых колебаниях атомов и на дефектах кристаллической решетки (примесные атомы, вакансии, дислокации и др.):

(3.1)

При температуре, превышающей температуру Дебая  (для металлов  = 100 – 500 К), удельное сопротивление обусловлено в основном тепловыми колебаниями решетки (_ТЕПЛ) и возрастает практически линейно. При низких (криогенных) значениях температуры  перестает зависеть от температуры и определяется остаточным сопротивлением (_ОСТ), являющимся количественной мерой концентрации дефектов кристаллической решетки.

В проводниковых металлах высокой проводимости, имеющих при нормальной температуре удельное сопротивление не более 0,1 мкОм  м, содержание примесей ограничивается десятыми, сотыми и даже тысячными долями процента с целью снижения их удельного сопротивления за счет _ОСТ. Особо чистые металлы с малым _ОСТ применяются в качестве криопроводниковых материалов, предназначенных для работы при температуре 70 – 100 К и ниже.

Для изготовления реостатов, резисторов, электронагревательных элементов применяются не металлы, а сплавы высокого электрического сопротивления (их удельное сопротивление при нормальной температуре – не менее 0,3 мкОм  м), обладающие повышенным значением _ОСТ вследствие нарушения правильности структуры решетки. Особенно заметно увеличение удельного сопротивления у сплавов, являющихся твердыми растворами.

У твердых (твердеющих) металлов и сплавов, подвергнутых холодной протяжке, волочению, удельное сопротивление в результате искажения крис-таллической решетки повышается. Мягкие (отожженные) металлы и сплавы вследствие рекристаллизации восстанавливают искаженную при пластической деформации структуру, и их удельное сопротивление уменьшается.

Изменение сопротивления проводника в зависимости от температуры характеризуется температурным коэффициентом удельного сопротивления ТК_, град^–1:

(3.2)

Коэффициент _ характеризует свойства материала при фиксированной температуре Т. В таблицах часто приводится значение _ при 20С. При расчетах удобно пользоваться средним температурным коэффициентом удельного сопротивления:

(3.3)

где ₀ – удельное сопротивление при температуре Т₀, принятой за начальную;

₁ – то же при температуре Т₁.

Пользуясь коэффициентом _ср, рассчитанным для интервала температуры Т₀ – Т₁, можно достаточно точно найти значение ₂ для любой температуры Т₂ внутри этого интервала:

(3.4)

Металлы имеют большой температурный коэффициент удельного сопротивления (у большинства – 4  10^–3 град^–1 и более), поэтому их сопротивление в зависимости от температуры изменяется значительно. У сплавов значение _ обычно значительно меньше (10^–4 – 10^–6 град^–1). Сплавы с _ = 10^–5 – 10^–6 град^–1 можно считать материалами, практически не изменяющими сопротивления в широком диапазоне температуры.

Медь считается металлом высокой проводимости, она удачно сочетает в себе следующие технически ценные свойства:

минимальное удельное сопротивление (только серебро имеет  примерно на 5 % меньше, чем медь);

достаточно высокую для большинства случаев практического применения механическую прочность;

удовлетворительную стойкость к воздействию окружающей атмосферы;

хорошую технологичность (благодаря сочетанию прочности и пластич-ности медь перерабатывается в листы, ленты, шины, профили для коллекторов электрических машин, проволоку и другие изделия);

относительную легкость пайки и сварки, что важно при монтажных работах.

Существенным недостатком меди является ее дефицитность. В связи с развитием промышленности (несмотря на увеличение производства меди) вопрос ее замены главным образом алюминием не утратит своей актуальности и в будущем.

К сплавам высокого сопротивления, применяемым для изготовления токоведущих частей электроизмерительных приборов и образцовых резисторов, предъявляется комплекс особых требований: они должны иметь высокое удельное сопротивление для уменьшения размеров и массы; малый ТК_, обеспечивающий стабильность электрического сопротивления прибора или эталона при изменении температуры; достаточную стабильность электрического сопротивления во времени; малую термоЭДС в паре с медью для уменьшения ошибок измерения из-за возникновения паразитных термоЭДС; хорошую технологичность, позволяющую получать тонкую проволоку и другие полуфабрикаты.

Таким требованиям отвечают в значительной степени сплавы на медной основе – манганин и константан.

Для изготовления проволочных или ленточных резисторов применяются жаростойкие сплавы. Помимо высокого удельного электрического сопротивления и малого ТК_ эти материалы отличаются высокой жаростойкостью – способностью противостоять химическому разрушению поверхности под воздействием воздуха или иных газообразных сред при высокой температуре, а также имеют удовлетворительную технологичность, хорошую свариваемость и достаточную жаропрочность – способность выдерживать механические нагрузки без существенных деформаций при высокой температуре.

Хромоникелевые сплавы (нихромы) сочетают в себе высокие жаростойкость и технологичность (чем больше в составе сплава никеля, тем выше технологичность, однако выше и стоимость).