Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсам

• Название: Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсам
• Дата: 01.12.2021
• Размер: 0.74 Mb.
• Имя файла: laboratornye_raboty.docx
• Тип: Методические указания; #288326
• страница: 3 из 6

Лабораторная работа №2

«Изучение электрических свойств проводниковых материалов»

Цель работы: Исследовать влияние природы проводника на электропроводность. Изучить влияние температуры на электропроводность. Приобрести навыки измерения электрического сопротивления.

Краткие теоретические сведения

Проводники (ГОСТ Р 5202 – 2003) – основным свойством которого является электропроводность. К важнейшим проводниковым материалам, применяемым в электротехнической промышленности, относятся металлы и их сплавы. Металлические проводниковые материалы подразделяются на:

1. 
   Металлы с высокой проводимостью (удельное сопротивление ρ≤ 0,05 мкОм∙м);
   
2. 
   Сплавы высокого сопротивления (удельное сопротивление ρ≤ 0,03 мкОм∙м);
   
3. 
   Сверхпроводники и криопроводники (удельное сопротивление ρ=0).
   

Одними из важнейших параметров, характеризующих свойства проводниковых материалов, являются удельное сопротивление проводников и температурный коэффициент сопротивления.

Удельное сопротивление проводниковых материалов определяется следующим выражением



где R – сопротивление проводника, Ом;

l– длина проводника, м;

S – площадь поперечного сечения проводника, м².

Величина удельного сопротивления в основном определяется наличием примесей и дефектов кристаллического строения проводника. Широко известно, что основными носителями заряда в проводниковых материалах являются свободные электроны. Перемещаясь по проводнику электроны теряют энергию на дефектах решётки (вакансии, примесные атомы, дислокации) и тепловых колебаниях собственных атомов. С увеличением температуры растёт частота колебаний собственных атомов и соответственно удельное сопротивление. Изменение удельного сопротивления проводника с температурой называют температурным коэффициентом сопротивления ТКρ. При небольших изменениях температуры определяют средний температурный коэффициент удельного сопротивления определяют по выражению



где удельное сопротивление при температуре Т₀ принятой за начальную,

ρ₁- удельное сопротивление при температуре Т₁.

Соответственно, для любой другой температуры на линейном участке характеристики ρ(Т) будет справедливым следующая формула



Для металлов температурный коэффициент удельного сопротивления равен , а для сплавов - .

Составляя замкнутую цепь из двух металлических проводников и нагревая один из контактов до более высокой температуры, чем другой, можно получить термоэлектродвижущую силу, которая для данной пары металлов будет функцией только разности температур:



где α_T – коэффициент термо - ЭДС.

Весьма разнообразными физическими свойствами обладают тонкие металлические пленки, которые широко применяются в качестве элементов микроэлектронных схем. Вследствие поверхностного рассеяния электронов и повышенной степени дефектности структуры удельное сопротивление металлических пленок может существенно превосходить удельное сопротивление массивного материала.

В очень тонких слоях, т.е. на начальной стадии конденсации, пленки имеют островковую структуру, характеризующуюся неметаллическим типом электропроводности. Для сравнительной оценки проводящих свойств тонких пленок пользуются сопротивлением квадрата поверхности:



где ρ – удельное сопротивление слоя толщиной d.

Параметр R_s, измеряемый в омах на квадрат, не зависит от размера квадрата. Подбором толщины пленки можно изменять R_s независимо от удельного сопротивления.

Измеритель LCR универсальный E7 – 22

Измеритель Е7 – 12 предназначен для измерения индуктивности, ёмкости, сопротивления, тангенса угла потерь и добротности радиодеталей и элементов радио цепей. В основу работы прибора положен мостовой метод измерения по схеме одинарного моста (моста Уинстона).

Мост Уинстона (рисунок 2.1) обладает высокой чувствительностью, что позволяет использовать его для проведения измерений в схемах различных автоматических и телемеханических устройств. Три плеча моста состоят из сопротивлений , и , а четвёртое – из измеряемого сопротивления .

Работа уравновешенного моста описывается выражением



Следовательно, по равновесному состоянию моста можно определить величину сопротивления R_x. При этом условие равновесия можно осуществить, меняя соотношение R₃:R₁ при неизменном R₂ или при неизменном отношении R₃:R₁ путём сравнения Rx с изменяемым R₂. В соответствии с этим плечи моста с сопротивлениями R₁ и R₂ называют плечами отношения, а плечо с сопротивлением R₂ – плечом сравнения.



Рисунок 2.1 – Мост Уинстона постоянного тока

Основные элементы управления прибором.

1. Кнопка «ЧАСТ» («Frequency») задает частоту, на которой будут выполняться измерения. Последовательные нажатия на кнопку переключают частоту 120 Гц или 1 кГц. Выбранное значение отображается на дисплее.

2. Кнопка «ПАР/ПОСЛ» выбирает схему замещения элемента: параллельную (PAR) или последовательную (SER). Соответствующий индикатор переключается на дисплее.

3. Кнопка «ДИАП» («Range») используется для фиксации диапазона измерения. При включении прибора устанавливается режим автоматического выбора предела измерения («Auto» на индикаторе). Кратковременное нажатие на кнопку переключает предел измерения. Нажатие и удержание кнопки в течении более 2 с возвращает режим автоматического выбора пределов.

4. Кнопка «L/C/R» переключает основной измеряемый параметр элемента: индуктивность, емкость или сопротивление.

5. Кнопка «Q/D/R» последовательно переключает вспомогательный измеряемый параметр: Q – добротность, D – тангенс угла потерь, R – сопротивление. На индикаторе отображаются только те вспомогательные параметры, которые совместимы с выбранным основным параметром.

6. Кнопка «УДЕРЖ» («Hold»). Кратковременное нажатие этой кнопки блокирует обновление результата измерения на индикаторе, повторное кратковременное нажатие снимает блокировку. В режиме блокировки на индикаторе отображается символ «Н». Нажатие и удержание этой кнопки более 2 с включает (или выключает) подсветку индикатора.

7. Кнопка «MIN/MAX» - включает режим фиксации экстремальных значений. Последовательные кратковременные нажатия переключают различные, доступные в этом режиме, параметры. Для выхода из режима эту кнопку необходимо нажать, и удерживать более 2 с.

8. Кнопка «УСТ» («Set») – задает программные установки прибора (здесь не рассматриваются).

9. Кнопка «Δ» («Relative») – задает режим относительных измерений. Для отключения режима необходимо нажать кнопку и удерживать её более 2 с.

10. Кнопка «Вер/Ниж ПРЕД» («HI/LO Limit») – включение верхнего и нижнего предела при контроле допуска.

11. Кнопка «ОТН» («TOL») – кнопка включения режима измерения относительных отклонений.

Выполнение измерений.

1. Если прибор включен, отключите и вновь включите его питание. Произойдет сброс некоторых установок в исходное состояние.

2. Выберите:

- вид измеряемого параметра (кнопка «L/C/R»);

- вспомогательный измеряемый параметр (кнопка «Q/D/R»);

- схему замещения элемента (кнопка «ПАР/ПОСЛ»);

- частоту измерения (кнопка «ЧАСТ»).

3. Измерьте параметры элемента.

Недопустима подача напряжения на вход прибора! Конденсаторы перед измерением необходимо разрядить, замкнув их выводы.

Лабораторная установка

При выполнении работы используется электронагреватель. В блок встроен нагреватель с измерителем-регулятором температуры. Испытываемый образец вставляется в отверстие на лицевой панели нагревателя и с помощью мультиметра измеряется его выходное сопротивление или напряжение.

Блок электронагревателя

Блок электронагревателя (рисунок 2.2) используется для определения температурного коэффициента сопротивления различных материалов. Блок позволяет задать и автоматически поддерживать температуру нагревателя. В блоке установлен маломощный источник +5 В, используемый как дополнительный источник питания в некоторых экспериментах.



1 – отверстие нагревателя; 2 – измеритель-регулятор температуры; 3 – индикатор текущего значения температуры нагревателя (PV); 4 – индикатор заданного значения температуры нагревателя (SV); 5,6,7 – кнопки управления регулятором температуры; 8 – выключатель питания; 9 – гнезда источника питания +5 В.

Рисунок 2.2 - Лицевая панель блока электронагревателя

Слева от индикаторов 3 и 4 (рисунок 2) на лицевой панели регулятора температуры установлены 4 светодиода: K1 – включен при нагреве; K2 – не используется; AL – индикатор превышения предельных значений (не используется); RS – индикатор режима автоматического регулирования.

Индикатор RS должен быть включен для нормальной работы блока в режиме автоматического регулирования. При выключении автоматического регулирования (см. ниже) прибор работает только как индикатор температуры нагревателя.

Задание температуры электронагревателя.

1. Нажать одну из кнопок управления 5 или 6 регулятора температуры 2 (рисунок 2.2).

Начинает мигать индикатор заданного значения температуры нагревателя
(SV, зеленый индикатор 4).

2. Для изменения заданного значения температуры повторно нажать кнопки 5 (уменьшение) или 6 (увеличение температуры). Удержание кнопки в течение некоторого времени включает режим автоматического ускоренного изменения значения. В процессе установки индикатор продолжает мигать.

3. После установки требуемого значения температуры необходимо однократно нажать кнопку 7 (рисунок 2.2). Мигание индикатора 4 прекращается. Температура задана.

При выполнении экспериментов рекомендуется начинать с низких значений температуры (на 5…10° выше комнатной) и постепенно повышать её величину до 100° С, т. к. остывание электронагревателя происходит гораздо медленнее его нагрева.

Включение (отключение) режима автоматического регулирования.

При включении питания электронагревателя режим автоматического регулирования выключен. При выполнении экспериментов целесообразно задать начальное значение температуры и, после этого, включить режим автоматического регулирования.

Переключение режима автоматического регулирования:

1. Однократно нажать кнопку 7 (рисунок 2.2) регулятора температуры. На индикаторе 3 (красный, PV) отобразиться надпись «r-S». На индикаторе 4 (зеленый, SV) текущее состояние регулятора «StoP» (СТОП) или «rUn» (РАБОТА).

2. Для изменения состояния регулятора нажать любую из кнопок 5 или 6 – индикатор 4 начнет мигать. Повторное нажатие кнопки 5 или 6 переключит режим («StoP»↔«rUn»).

3. Нажатие кнопки 7 фиксирует выбранное значение (индикатор 4 не мигает). Повторное нажатие кнопки 7 возвращает регулятор температуры в исходное состояние – на индикаторе отображаются текущее и заданное значения температуры. Светодиод RS сигнализирует о состоянии регулятора: включен – режим «rUn» (РАБОТА), выключен - «StoP» (СТОП).

Исследование температурной зависимости сопротивления проводников производится с помощью нагревательного элемента, внутрь которого помещаются образцы из медной, фехралевой и константановой проволок.

Проведение измерений

Для определения удельного электрического сопротивления проводников при комнатной температуре подключите зажимы прибора к измеряемому образцу. При работе прибора не допускается прикосновение к контактам измерительного кабеля и к контактам измеряемых резисторов. Результаты измерения сопротивления образцов, а так же длину и диаметр проводников занести в таблицу 2.2.

Аналогичным образом замерить сопротивление пленочных резисторов и записать их геометрические размеры.

При определении зависимости удельного сопротивления металла от температуры необходимо поместить образец в нагревательный элемент. Подключить образец к измерительным зажимам прибора Е7 - 22. Произвести замеры сопротивления образца при повышении температуры в автоматическом режиме нагревателя. Результаты измерений занести в таблицу 2.3.

При определении зависимости термоэлектродвижущей силы металлов от температуры поместить образец в нагревательный элемент. Изменяя температуру образца при помощи автотрансформатора измерить величину термо – ЭДС. Результаты измерений занести в таблицу 2.3.

Обработка результатов измерений

Удельное объемное сопротивление проводников определяется по формуле:

, мкОм^.м,

где R- сопротивление проводника, Ом; S- площадь поперечного сечения, мм²;

- длина проводника, м.

Вычисление сопротивления квадрата поверхности пленки производится по формуле:

, Ом,

где R – сопротивление прямоугольного образца пленки;

– ширина резистивного слоя;

-длина пленки, т.е. расстояние между контактными площадками.

По полученным значениям сопротивления медной, фехралевой и константановой проволок при различных температурах строят усредненную зависимость R(T) с учетом возможной погрешности измерений. Путем графического дифференцирования кривой находят значения TK R (температурный коэффициент сопротивления). Для этого при выбранных значениях температуры проводят касательные к кривой R(T) и строят на них прямоугольные треугольники произвольных размеров. Искомая величина TK R при фиксированной температуре рассчитывается по выражению:

TK R= ,

где R_Т – сопротивление образца при данной температуре.

Температурный коэффициент удельного сопротивления вычисляют по формуле:

ТК ,

где – температурный коэффициент линейного расширения, значения которого приведены в таблице 1.

Результаты вычислений температурного коэффициента расширения занести в таблицу 2.3

Таблица 2.1 - Температурные коэффициенты линейного расширения образцов

Металл	. 106 , К-1
Медь Фехраль Константан	16,7 15 17,0

Содержание отчёта

Отчет о работе должен содержать:

1. 
   Краткое изложение сущности примененного метода испытаний проводниковых материалов.
   
2. 
   Описание материалов, с которыми студенты ознакомились в данной работе (тип, состав, основные свойства и применение).
   
3. 
   Результаты наблюдений и вычислений в виде таблиц и графиков, формулы, по которым производились расчеты, и примеры вычислений:
   
   1. 
      Результаты определения удельного сопротивления проводников при нормальной температуре, оформленные в виде таблицы 2.
      

Таблица 2.2 - Результаты определения удельного сопротивления проводников

Металл или сплав	R, Ом	l, м	d, мм	S, мм2	ρ, мкОм.м

2. 
   Результаты определения сопротивления квадрата поверхности резистивных пленок;
   
3. 
   Результаты наблюдений изменения сопротивления металлов и сплавов от температуры, оформленные в виде таблицы 3.
   

Таблица 2.3 - Сопротивление проводников при разных температурах

Медь			Фехраль				Константан
t, 0C	Rt, Ом	, K-1	t, 0C	Rt, Ом	, K-1	t, 0C		Rt, Ом	, K-1

По полученным данным строятся графики R(t), из которых путем графического дифференцирования находят значения для разных температур.

4. 
   В отчете должна быть дана критическая оценка полученных результатов и проведено сопоставление их с лекционным материалом и литературными данными.
   

Контрольные вопросы

1. 
   Дайте определение удельного сопротивления проводников; в каких единицах оно измеряется?
   
2. 
   Почему металлы обладают высокой электрической проводимостью?
   
3. 
   Как объяснить возрастание удельного сопротивления металлов при нагревании?
   
4. 
   Сформулируйте определение температурного коэффициента удельного сопротивления.
   
5. 
   Каким параметром характеризуют электрические свойства тонких резистивных пленок?