12

Фізичні властивості та методи дослідження

1. Ефект Зеєбека та його застосування для вимірюваня температури.

2. Типи пирометрів.

3. Яскравісна, кольорова та радіаційна температури.

4. Фізична сутність теплового розширення твердих тіл.

5. Температурний коефіцієнт лінійного та об’ємного розширення.

6. Типи дилатометрів.

7. Теплопровідність матеріалів.

8. Методи кількісної металографії.

9. Твердість та мікротвердість матеріалів.

10. Температурна залежність провідності металів.

11. Фізичні величини, що описують магнітне поле в середовищі.

12. Типи магнетиків (поділ за магнітною сприйнятливістю).

13. Фізичні явища, які спостерігаються при внесенні діа- та пара-магнетиків у магнітне поле.

14. Природа феромагнетизму.

15. Петля гістерезису.

16. Магнітотверді та магнітом’які матеріали.

17. Структурно чутливі та структурно не чутливі фізичні величини, що характеризують магнітне поле у середовищі.

18. Застосування вимірювання цих величин в металознавстві.

1. Ефект Зеєбека та його застосування для вимірюваня температури

Ефект Зеєбека - в електричному колі, що складається із послідовно з’єднаних різних провідників, виникає термоЕРС, якщо в місцях контактів підтримується різниця температур. В простішому випадку, коли таке коло складається з двох різних провідників, воно називається термопарою. ТермоЕРС термопари залежить від температури вімірюваного і вільного спаю та від складу матеріалу провідників, що утворюють термопару.

Термоелектрику відкрив Зеєбек ще в дводцятих роках ХІХ ст. Для її спостереження до мілівольтметра досить приєднати дві мідні дротини і замкнути їх дротиною з іншого матеріалу, наприклад, заліза. Поки температура обох спаїв однакова, мілівольтметр не виявляє ніякої термоЕРС. Але при нагріванні одного із спаїв у колі виникає термоЕРС і стрілка мілівольтметра відхиляється. Якщо нагрітий спай охолодити і потім нагріти другий спай, то знак термоЕРС змінюється і стрілка мілівольтметра відхиляється в другий бік.

Зеєбек розрахував, що кут, на який повертається стрілка пов’язаний із величиною різниці температур у колі.Це явище отримало назву «ефекту Зеєбека» і математично його можна записати у вигляді:

E _AB = S _AB⋅∆T

де S _AB – коефіцієнт термо-ЕРС (коефіцієнт Зеєбека), ΔT – градієнт температури.

Різниця потенціалів, V, яка виникає на

розімкнутому кінці кола, що складається із двох

різнорідних металів А і В, місця контакту яких

знаходяться при різних температурах, прямо

пропорційна різниці між гарячою та холодною

температурами переходу Th - Tc [7].

Вироблена напруга в ефекті Зеєбека є пропорційною до різниці температур між двома переходами. Коефіцієнт пропорційності (S або α)

відомий як коефіцієнт Зеєбека. Часто його називають термо-Е.Р.С., хоча більше він відноситься до потенціалу, ніж сили. У 1851 році Густав Магнус відкрив, що напруга Зеєбека не залежить від розподілу температури між контактами металів [7], що свідчило про те, що термо-Е.Р.С. є термодинамічною функцією стану (рис. 4). Це стало

фізичною основою для створення термопар, які активно використовують для вимірюваннятемператури.

2. Типи пирометрів.

Пірометри - безконтактні датчики температури, які реєструють випромінювання виходить від нагрітих тіл. Основною перевагою пірометрів (на відміну від попередніх температурних датчиків) є відсутність необхідності поміщати датчик безпосередньо в контрольоване середовище. В результаті такого занурення часто відбувається спотворення досліджуваного температурного поля, не кажучи вже про зниження стабільності характеристик самого датчика.

Розрізняють три види пірометрів:

Флуоресцентні. При вимірюванні температури за допомогою флуоресцентних датчиків на поверхню об'єкта, температуру якого необхідно виміряти, наносять фосфорні компоненти. Потім об'єкт піддають впливу ультрафіолетового імпульсного випромінювання, в результаті якого виникає післявипромінювання флуоресцентного шару, властивості якого залежать від температури. Це випромінювання детектується і аналізується.

Інтерферометричні. Інтерферометричні датчики температури базуються на порівнянні властивостей двох променів - контрольного та пропущеного через середовище, параметри якої змінюються в залежності від температури. Чутливим елементом цього типу датчиків найчастіше виступає тонкий кремнієвий шар, на коефіцієнт заломлення якого, а, відповідно, і на довжину шляху променя, впливає температура.

Датчики на основі розчинів, що міняють колір при температурному впливі. У цьому типі датчиків-пірометрів застосовується хлорид кобальту, розчин якого має тепловий зв'язок з об'єктом, температуру якого необхідно виміряти. Коефіцієнт поглинання видимого спектру у розчину хлориду кобальту залежить від температури. При зміні температури змінюється величина пройшовшого розчин світла.

На підставі законів випромінювання розроблені пірометри таких типів:

· пірометр сумарного випромінювання – вимірюється повна енергія випромінювання;

· пірометр часткового випромінювання – вимірюється енергія в обмеженій фільтром (чи приймачем) ділянці спектра;

· пірометри спектрального відношення – вимірюється відношення енергії фіксованих ділянок спектра.

3. Яскравісна, кольорова та радіаційна температури

Пірометри - безконтактні датчики температури, які реєструють випромінювання виходить від нагрітих тіл.

Залежно від типу пірометра розрізняється радіаційна, яркісна і колірна температури.

Радіаційною температурою реального тіла Тр називають температуру, при якій повна потужність абсолютно чорного тіла (АЧТ) дорівнює повній енергії випромінювання даного тіла при дійсній температурі Тд.

Під абсолютно чорним тілом розуміють фізичне тіло, яке при будь-якій температурі повністю поглинає все падаюче на нього електромагнітне випромінювання незалежно від довжини хвилі.

Яркісною температурою реального тіла Тя називають температуру, при якій щільність потоку спектрального випромінювання АЧТ дорівнює щільності потоку спектрального випромінювання реального тіла для тієї ж довжини хвилі (чи вузького інтервалу спектра) при дійсній температурі Тд.

Колірною температурою реального тіла Тк називають температуру, при якій відношення густини потоків випромінювання АЧТ для двох довжин хвиль і дорівнює відношенню густини потоків випромінювань реального тіла для тих же довжин хвиль при дійсній температурі Тд.

4. Теплове розширення твердих тіл.

Метали і сплави як правило розширюються при нагріванні і звужуються при охолодженні. Розширення чи звуження твердого тіла –зміна міжатомної відстані гратці.

Припускаємо, що атом В-рухається, а атом А не змінює свого положення. При Т2  Т1. Об'ємне теплове розширення характеризується температурним коефіцієнтом об'ємного розширення

ТКОР і позначається β, V - об'єм.

Для ізотропних матеріалів α₁=α₂=α₃ β = 3α

Термічне розширення некубічних анізотропних кристалів-анізотропно

Β=α₁+α₂+α₃

Де α_і-це ТКЛР уздовж головних осей кристалу.

Zn ГЩУ60K α₁ =α₂ =2·10^-6 K^-1 α=55·10^-6 K^-1

5. Температурний коефіцієнт лінійного та об’ємного розширення.

Лінійне теплове розширення

Коефіцієнт лінійного теплового розширення визначається як відношення зміни лінійних розмірів матеріалу до зміни температури. Отже, це відносна зміна довжини на градус зміни температури. Знехтувавши тиском, можна записати:

де L - лінійний розмір (наприклад, довжина) і dL / dT - зміна лінійного розміру на одиницю зміни температури.

відносна зміна лінійного розміру, котра може розглядатись як відносна деформація, може бути записана:

Це рівняння добре працює до тих пір, поки можна вважати коефіцієнт лінійного розширення сталим в діапазоні температур ΔT. Якщо коефіцієнт лінійного розширення змінюється, то рівняння слід інтегрувати.

Об'ємне теплове розширення

Для твердих, можна знехтувати впливом тиску на матеріал, і об'ємний коефіцієнт теплового розширення може бути записаний

де V - об'єм матеріалу, і dV / dT інтенсивність зміни об'єму із зміною температури.

Це означає, що приріст об'єму буде відбуватись за деякою фіксованою пропорцією. Наприклад, сталевий блок з об'ємом 1 м³ може розширитися до 1,02 м³, при підвищенні температури на 50 К. Це розширення 2%, або 0,04% на кожен К. Якщо ми знаємо коефіцієнт теплового розширення, ми можемо розрахувати величину об'єму тіла при зміні температури.

У розглянутому вище прикладі вважається, що коефіцієнт температурного розширення не залежить від температури. Для невеликих змін температури це є задовільним наближенням, хоча це не завжди вірно. Якщо коефіцієнт об'ємного розширення суттєво змінюється з температурою, то рівняння повинні бути проінтегровані:

тут T₀ - початкова температура і α_V(T) коефіцієнт об'ємного теплового розширення як функція температури T.

1. Простий та диференційний термічні аналізи.

Серед методів ДТА найбільш строго теоретично обґрунтованим є метод діатермічної оболонкиГодовського-Барського.

Суть цього методу полягає в тому, що зразок оточується певною (звичайно керамічною) діатермічною оболонкою, на якій вимірюється температурний перепад між її поверхнями.

Вимірювання теплового потокуреалізується шляхом реєстрації температурного перепаду в багатьох точках оболонки.

Лінійний нагрів (або охолодження) зразку в калориметрі забезпечує квазістаціонарний тепловий режим.

Розрахунок питомої теплоємності C_p, Дж/(кг•К) при температурі T виконується за рівнянням:

(1)

де v - швидкість нагрівання зразку, К/с.

k, h - сталі приладу, які заздалегідь визначаються для кожної температури T по зразку речовини з відомою теплоємністю.

Швидкість нагрівання вибирають такою, щоб досягти компромісу між швидкістю проведення вимірювань і зручністю аналізу отриманих результатів. При дослідженні полімерів звичайними є швидкості 2-2,5 К/хв.

Реєстрація температурного перепаду ΔT на оболонці здійснюється диференціальною термобатареєю(55-60 спаїв) так, що "холодні" спаї знаходяться на одній її поверхні, а "гарячі" спаї - на іншій.

Діатермічні оболонки (комірки) зі зразком та з еталонним тілом (наприклад кварцем) розміщують симетричнов блоці з міді або дюралюмінію. Термобатареї комірок вмикаютьза диференціальною схемою, отримуючи термо-ЕРС пропорційну перепаду ΔT.Температуру зразкавимірюють диференціальною мідь-константановою термопарою, "гарячий" спай якої розміщують безпосередньо біля зразка.

Лінійний нагрів забезпечуються спеціальним блоком лінійного нагріву. Запис результатів здійснюється електронним потенціометром КСП-4.

5. Типи дилатометрів

Дилатометрія – метод вимірювання лінійних розмірів і об'єму твердих тіл і їх зміни, при зміні температури або часу.

Дилатометри – це прилади для вимірювання розмірів твердих тіл.

Дилатометри за конструкцією і призначенням умовно поділяються на групи:

1. оптично-механічні

2. інтерференційні

3. електронні з індукційними або ємнісними індикаторами

Дилатометричні прилади.

Прилади можна поділити на абсолютні і диференційні дилатометри.

Результати вимірювань представляють у вигляді залежності зміни лінійних розмірів або об'єму від температури або часу.

Кварцові, рентгенівські дилатометри, дилатометр с котком, ємнісний дилатометр. Дилатометр Шевенара