Определение удельного электрического сопротивления и температурного коэффициента удельного электрического сопротивления металлов
Цель работы – определить удельное сопротивление меди, алюминия и стали в образцах проволок из этих металлов и установить зависимость удельного сопротивления от температуры
Методы измерения Удельное сопротивление металлов определяется через сопротивление участка проволоки, на котором измеряется падение напряжения при заданном токе (метод «амперметра-вольтметра»). По закону Ома для участка цепи находится сопротивление этого участка. С учётом сечения проволоки и длины участка, на котором измеряется падение напряжения, определяется удельное сопротивление.
Сечение проволок определяется по результатам измерений их диаметров. Диаметр измеряется при помощи штангенциркуля, с точностью до 0,1 мм. Для этой цели используется основная и вспомогательная шкалы штангенциркуля. Десятые доли миллиметра отсчитываются по той риске вспомогательной шкалы. Которая совпадает с любой из рисок основеной шкалы. Целые миллиметры отсчитываются по основной шкале, слева от нулевой риски вспомогательной шкалы.
Вначале измерение падений напряжения проводится при малом токе, который практически не нагревает проволоки. Если ток увеличить, то проволока начнёт греться.
Температура проволоки измеряется при помощи термопары, ЭДС которой зависит от температуры. Термопара подключена к цифровому милливольтметру, шкала которого проградуирована в градусах Цельсия.
Нагрев проводники током до определённой температуры можно вновь методом «амперметра-вольтметра» измерить сопротивление её участка и вычислить удельное сопротивление при другой температуре. По этим данным можно определить температурный коэффициент сопротивления.
Описание лабораторной установки
Рис 3.2 электрическая схема установки
Для выполнения работы используется специально созданная установка, в которой сопротивление проводников определяется по методу “амперметра-вольтметра”, а нагрев осуществляется рабочим током. Электрическая схема установки представлена на рис. 3.2., а конструктивное выполнение установки на панели стенда – на рисунке 3.3.
Рис.3.3. Схема установки для измерения удельного электрического сопротивления металлов
Цифрами 5, 6, 7 на рисунке 3.3 обозначены испытуемые проволоки (5- медная, 6- алюминиевая, 7- стальная), соединённые последовательно. Ток через них устанавливается регулировочным трансформатором, ручка регулировки которого 12 находится на панели лабораторного стола, справа. Перед началом и по окончании работы, а также при всех переключениях в схеме напряжение на трансформаторе устанавливается минимально возможное, для чего ручка регулировки поворачивается против часовой стрелки до упора.
Для измерения токов предназначены два амперметра. Один из них, 9 – амперметр прямого включения предназначен для измерения токов до 5 ампер. Для измерения больших токов установлен другой амперметр 10, подключённый к схеме через трансформатор тока с коэффициентом трансформации 200/5. Если ток превышает 5 А, следует включить рубильник 8 и зашунтировать амперметр прямого включения. Показания при этом следует снимать по амперметру 10, шкала которого проградуирована в пределах 0…200 А.
Падение напряжения на проводах измеряется милливольтметром 1на длине 10 см. Вольтметр подключается к тому или иному проводнику при помощи переключателя 3. переключателем 4 можно в 10 раз изменить предел измерения.
Температура проводников измеряется при помощи установленных на проводах термопар и соединенного с ними измерителя 2. Подключение измерителя к той или иной термопаре производится при помощи переключателя 3.
Термопары и участки, на которых измеряется падение напряжения, закрыты стеклотканью.
Методические указания.Внимание! При включённой установке провода находятся под напряжением. При протекании тока провода нагреваются до высоких температур. Запрещается трогать провода руками и прикасаться к ним другими частями тела.
Работа проводится в три этапа.
На первом этапе выполняются следующие действия:
1.1.Размыкается рубильник 8, шунтирующий амперметр прямого включения 9 и проверяется исходное положение ручки регулировки трансформатора 12 (ручка должна быть повёрнута против часовой стрелки до упора).
1.2.При помощи штангенциркуля измеряются диаметры проволок.
1.3.Тумблером 13 включается установка.
1.4. Плавным и медленным вращением ручки регулировки трансформатора устанавливается ток по амперметру прямого включения. Рекомендуемое значение тока – 5А.
1.5. В положении (1) переключателя 3 измеряется падение напряжения на участке медной проволоки (измеритель 1) и температура (измеритель 2). Измеренные значения записываются в отчёт.
1.6. В положении (2) переключателя 3 измеряется падение напряжения на участке алюминиевой проволоки (измеритель 1) и температура (измеритель 2). Измеренные значения записываются в отчёт.
1.7. В положении (3) переключателя 3 измеряется падение напряжения на участке стальной проволоки (измеритель 1) и температура (измеритель 2). Измеренные значения записываются в отчёт.
1.8. Вращением ручки регулировки трансформатора 12 (против часовой стрелки до упора) снижается до минимума ток в цепи и отключается установка.
1.9.Проводится расчёт значений удельного сопротивления и сравнение их со справочными данными. При отличии значений, полученных экспериментально, от справочных более чем на 10% анализируются и выявляются ошибки при проведении измерений и этап 1 повторяется.
На втором этапе выполняются следующие действия:
2.1. Замыкается рубильник 8, шунтирующий амперметр прямого включения и проверяется исходное положение ручки регулировки трансформатора 12, расположенной на столешнице лабораторного стола (ручка должна быть повёрнута против часовой стрелки до упора).
2.2. Тумблером 13 включается установка.
2.3.Плавным и медленным вращением ручки регулировки трансформатора 12 по часовой стрелке до упора устанавливается максимально возможный ток по амперметру, включённому через трансформатор тока. Ориентировочное значение тока – 150 А.
2.4.В положении (3) переключателя 3 производится контроль роста температуры стальной проволоки до её стабилизации, когда выделяемая электрическая мощшость становится равной отводимому теплу.
2.5. Производится измерение температуры и падения напряжения на стальной проволоке (положение 3 переключателя 3). Одновременно контролируется значение тока по амперметру 10. Все измеренные данные записываются в отчёт.
2.6.Производится измерение температуры и падения напряжения на алюминиевой проволоке (положение 2 переключателя 3). Одновременно контролируется значение тока по амперметру 10. Все измеренные данные записываются в отчёт.
2.7. Производится измерение температуры и падения напряжения на медной проволоке (положение 1 переключателя 3).. Одновременно контролируется значение тока по амперметру 10. Все измеренные данные записываются в отчёт.
2.8.Вращением ручки регулировки трансформатора 12 (против часовой стрелки до упора) снижается до минимума ток в цепи и отключается установка тумблером 13.
2.9. Проводится расчёт значений удельного сопротивления нагретых проводников и температурных коэффициентов удельного сопротивления. Значения последних сравниваются со справочными данными. При отличии значений, полученных экспериментально, от справочных более чем на 10% анализируются и выявляются ошибки при проведении измерений и этап 2 повторяется после охлаждения проволок до комнатной температуры.
На третьем этапе производится оформления отчёта по работе. В отчете по работе должны быть представлены все измеренные значения: токи, падения напряжения (при разных температурах), диаметр проводников, измеренные температуры.
По данным измерений вычисляют удельные сопротивления. Далее вычисляют температурные коэффициенты удельного сопротивления.
Все вычисленные значения и найденные справочные данные заносятся в удобную для просмотра таблицу.
После обработки результатов, используя данные измерения и необходимые справочные данные, рассчитываются значения токов, которые разогреют каждый из проводов до температуры плавления за 1 с. Расчет проводится по выражению, учитывающему зависимость удельного сопротивления материала от температуры:
В выражении I - ток; S - сечение проводника; с и d соответственно теплоемкость и плотность материала провода; TKrt и rt - температурный коэффициент и удельное сопротивление, определенные при температуре t; tk и t0 - конечная и начальная температуры проводника.
Указанный расчет выполняется и оформляется индивидуально каждым членом бригады для разных проводников.
Отчет выполняется один на подгруппу и защищается индивидуально каждым членом бригады.
Контрольные вопросы:
1. Что такое удельное электрическое сопротивление, как его вычислить по сопротивлению образца?
2. Что такое температурный коэффициент удельного электрического сопротивления, что нужно знать для его вычисления?
3. Какое значение имеет удельное электрическое сопротивление меди при комнатной температуре ?
4. Какое значение имеет удельное электрическое сопротивление алюминия при комнатной температуре ?
5. Какое значение имеет удельное электрическое сопротивление стали при комнатной температуре ?
6. В каких единицах измеряется температурный коэффициент ?
7. Почему падение напряжения на алюминиевой проволоке меньше, чем на медной?
8. В какую сторону изменяется удельное электрическое сопротивление металлического проводника при его нагревании и почему?
9. Почему при протекании определённого тока температура вначале поднимается, а потом удерживается примерно на одном уровне?
10. В каких единицах измеряется удельное электрическое сопротивление и удельная электрическая проводимость ?
11. Какой знак имеет температурный коэффициент длины проводников?
12. Каковы по данным ваших расчетов предельные плотности тока для проводов из меди, стали, алюминия?
13. Что такое сталь ?