| Rzeszów dn. 26 październik 2010r |
|---|
SPRAWOZDANIE Z LABORATORIUM INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ |
Grupa: L3 Imiona i nazwiska: Dawid Fijas, Piotr Flis, Wojciech Głowicki, Marcin Iwańczyk, |
TEMAT ĆWICZENIA: BADANIE REZYSTYWNOŚCI I TEMPERATUROWEGO WSPÓŁCZYNNIKA REZYSTANCJI MATERIAŁÓW PRZEWODZĄCYCH |
| Ocena: |
Zapoznanie się z właściwościami materiałów przewodzących będących przedmiotem badań laboratoryjnych. Opis własności materiału wybranych próbek (podać wartości liczbowe określające odpowiednie własności oraz obszar zastosowań korzystając z różnych dostępnych źródeł;).
Przygotowanie i wykonanie pomiarów:
zapoznanie się ze stanowiskiem pomiarowym i metodą badania rezystywności i temperaturowego współczynnika rezystancji materiałów przewodzących,
wykonanie pomiarów rezystywności r oraz temperaturowego współczynnika rezystancji α wybranych materiałów przewodzących,
opracowanie wyników pomiarów,
sformułowanie wniosków z wykonanych pomiarów.
Wykaz wykorzystanych pomocy i materiałów.
Ad. I
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z wybraną metodą pomiaru rezystywności i temperaturowego współczynnika rezystancji materiałów przewodzących. Podczas ćwiczenia zostaną wykonane porównawcze pomiary próbek materiałów przewodzących – przewodowych( miedź, aluminium, stal miękka) i oporowych (manganin, kanthal).
W celu poprawnego przeprowadzenia pomiarów ćwiczący powinien zapoznać się z następującymi zagadnieniami przed przystąpieniem do ćwiczenia:
a) pojęcie i rodzaje materiałów przewodzących
b) materiały przewodzące najczęściej wykorzystywane są w elektronice
c) definicje parametrów opisujących właściwości materiałów przewodzących.
Materiały przewodzące to materiały, których przewodnictwo ma charakter czysto elektronowy wyrażany zależnością:
γ = n * e * k
(4.1)
Gdzie: γ- przewodność właściwa( konduktywność), n – koncentracja elektronów w materiale [m-3], e- ładunek elektronów[C], k – ruchliwość w materiale [m2V-1s-1]
Wartość przewodności elektrycznej materiałów przewodzących jest uzależniona od kilku czynników:
a) rodzaju materiału i jego budowy
b) czystości materiałów, czyli zawartości obcych domieszek
c) obróbki mechanicznej na zimno
d) temperatury
We wzorze (4.1) w zależności od rodzaju materiału i jego budowy (a), obecności obcych domieszek(b) zmienia się koncentracja elektronów n. Natomiast na wzrost ruchliwości elektronów k w met riale mają wpływ, zarówno: czystość materiału (b), obróbka na zimno(c) oraz temperatura(d).
Rezystywność materiału p, nazywana opornością właściwą jest odwrotnością konduktywności, wyrażanej w S/m czyli przewodności odcinka przewodnika o jednostkowym przekroju S i jednostkowej długości l. Jednostką rezystywności jest 1 Ω*m.
$$\gamma = \ \frac{l}{R*S}$$
(4.2)
$$p = \ \frac{1}{\gamma}$$
(4.3)
W praktyce używa się często jednostki pokrewnej W* mm2/m , dostosowanej do wymiaru przewodów:
$$\rho = \frac{R \times S}{l};$$
Temperaturowy współczynnik rezystancji α jest względną zmianą rezystancji danego materiału przewodzącego przy zmianie temperatury o 1K.
$$\alpha = \frac{R - R_{0}}{R_{0}(T - T_{0})};$$
STE ( siła termoelektryczna) definiowana jest jako różnica potencjałów na styku dwóch różnych przewodników metalicznych, spowodowana różnicą temperatur złącza i wolnych końców tych przewodników. Wartość STE, w µV/deg lub µV/K, różnych materiałów podaje się zwykle w odniesieniu do platyny.
| Materiał | Skład [%] | Ciężar właściwy [d]
|
Konduktywność
|
Rezystywność [p] µΩm |
Temperaturowy współczynnik rezystancji
|
Siła termo elektryczna [STE]
|
|---|---|---|---|---|---|---|
Miedź [Cu] |
99,99 | 88,9*103 | 59,77 | 0,01675 | 4,1*10-3 | +7,6 |
Aluminium [Al] |
99,99 | 27*103 | 38,2 | 0,0262 | 4,0*10-3 | - |
| Stal węglowa | Do 1,7%C |
- | 7,00 | 0,143 | 5,9*10-3 | - |
| Manganin | Cu 86 Mn 12 Ni 2 |
- | 2,17 | 0,46 | 3*10-5 | +1 |
| Konstantan | Cu 55 Ni 45 |
- | - | 0,48 | 2*10-5 | -42,6 |
| Nikielnia | Cu 54 Ni 26 Zn 20 |
- | - | 0,43 | 23*10-5 | - |
Kanthal [Al] |
Fe 68 Cr 24 Al 5,5 Co1,5 |
- | 0,689 | 1,45 | 3,2*10-5 | - |
Ad. 2.
Schemat układu pomiarowego
1 - Komora grzejna
2 - Grzałka
3 - Badana próbka
T - Termometr
Opis metody badania rezystywności i temperaturowego współczynnika rezystancji materiałów przewodzących
W czasie ćwiczenia należy wyznaczyć rezystywność oraz wartość temperaturowego współczynnika rezystancji badanych próbek. Pomiary rezystancji przeprowadzone są metodą techniczną dokładnie mierzonego napięcia przy zasilaniu prądem stałym. Rezystywność i współczynnik α wyznacza się na próbce materiału, zamocowanego na statywie wewnątrz komory grzejnej. Pierwszy pomiar(R0) wykonuje się w temperaturze otoczenia (T0). Aby wyznaczyć współczynnik α oraz rezystywność próbki, kolejne pomiary (R) przeprowadzane są w wyższych temperaturach (T). Temperatura próbek jest wskazywana na wyświetlaczu regulatora RE – 22.
Przedmiotem badania są następujące materiały: miedź , aluminium, stal miękka, manganin oraz kanthal. Próbkami są druty o przekroju okrągłym , których wymiary podano w tabeli :
| Nr próbki | Nazwa próbki | Długość [m] | Średnica [m] |
|---|---|---|---|
| 1 | Miedź | 1 | 1,085*10-3 |
| 2 | Aluminium | 1,690*10-3 | |
| 3 | Stal miękka | 1,000*10-3 | |
| 4 | Manganin | 0,510*10-3 | |
| 5 | kanthal | 0,465*10-3 |
Kolejność czynności przy wykonywaniu pomiarów
1) Wykonać pomiar w temperaturze pokojowej, przed załączeniem suszarki:
a) Włączyć zasilacz i ustawić na górnym wyświetlaczu podaną przez prowadzącego wartość natężania prądu
b) Załączyć woltomierz i odczytać napięcie dla każdej z próbek. Próbki do badania wybiera się przełącznikiem wielopozycyjnym(co 2 skoki pokrętła) umieszczonym na panelu przednim suszarki.
2. Włączyć suszarke i poczekać aż na regulatorze pokaże się wartość temperatury panującej w komorze suszarki ( temperatura pokojowa). Następnie należy ustawić zakres temperatury, do której komora będzie nagrzewana (max. 125,0 ℃). Zakres temperatury ustawia się za pomocą wciśnięcia i przytrzymania na regulatorze przycisku ^ aż do ustalenia pożądanej temperatury. Powrót do aktualnej temperatury nastąpi po jednoczesnym naciśnięci przycisków ↓ i ↑ lub automatycznie po upływnie 30 sekund od ostatniego naciśnięcia przycisku. Po kilku sekundach włączy się stycznik sygnalizowany na regulatorze za pomocą czerwonej kontrolki „ out” , grzałki w suszarce zaczną pracować.
a) Pomiary przeprowadzać co 10℃ zaczynając od 30℃ do 130℃ dla każdej próbki. Wartość napięcia mierzyć w sposób podany w punkcie 1.
Opracowanie Wyników:
$$R = \frac{U}{I};\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \rho = \frac{R \times S}{l};\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \alpha = \frac{R - R_{0}}{R_{0}(T - T_{0})};$$
Miedź:
l = 1m = 100cm = 1000mm
S = 9, 2459 × 10−7
$$R_{1} = \frac{U}{I} = \frac{8,173 \times 10^{- 3}}{0,4} = \ 3,269 \times 10^{- 3}\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }\rho_{1} = \frac{R \times S}{l} = \frac{3,269 \times 10^{- 3} \times 9,2459 \times 10^{- 7}}{1000} = 0,030227;$$
$$\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }\text{\ α}_{2} = \frac{R_{2} - R_{0}}{R_{0}(T_{2} - T_{0})} = \frac{3,346 \times 10^{- 3} - 3,269 \times 10^{- 3}}{3,269 \times 10^{- 3}(30 - 23)} = 3,356 \times 10^{- 3};$$
Aluminium:
l = 1m = 100cm = 1000mm
S = 2, 2432 × 10−6
$$R_{1} = \frac{U}{I} = \frac{4,920 \times 10^{- 3}}{0,4} = 1,968 \times 10^{- 3}\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }\rho_{1} = \frac{R \times S}{l} = \frac{1,968 \times 10^{- 3} \times 2,2432 \times 10^{- 6}}{1000} = 0,044146;$$
$$\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }\text{\ α}_{2} = \frac{R_{2} - R_{0}}{R_{0}(T_{2} - T_{0})} = \frac{2,228 \times 10^{- 3} - 1,968 \times 10^{- 3}}{1,968 \times 10^{- 3}(30 - 23)} = 18,873 \times 10^{- 3};$$
Stal miękka:
l = 1m = 100cm = 1000mm
S = 7, 8540 × 10−7
$$R_{1} = \frac{U}{I} = \frac{68,204 \times 10^{- 3}}{0,4} = 27,282 \times 10^{- 3}\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }\rho_{1} = \frac{R \times S}{l} = \frac{27,282 \times 10^{- 3} \times 27,8540 \times 10^{- 7}}{1000} = 0,214269;$$
$$\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }\text{\ α}_{2} = \frac{R_{2} - R_{0}}{R_{0}(T_{2} - T_{0})} = \frac{27,780 \times 10^{- 3} - 27,282 \times 10^{- 3}}{27,282 \times 10^{- 3}(30 - 23)} = 2,610 \times 10^{- 3};$$
Manganian:
l = 1m = 100cm = 1000mm
S = 2, 0425 × 10−7
$$R_{1} = \frac{U}{I} = \frac{0,998730}{0,4} = 0,399492\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \rho_{1} = \frac{R \times S}{l} = \frac{0,399492 \times 2,0425 \times 10^{- 7}}{1000} = - 9,8 \times 10^{- 5};$$
$$\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }\text{\ α}_{2} = \frac{R_{2} - R_{0}}{R_{0}(T_{2} - T_{0})} = \frac{0,399218 - 0,399492}{0,399492(30 - 23)} = 2,610 \times 10^{3};$$
Kanthal:
l = 1m = 100cm = 1000mm
S = 1, 6982 × 107
$$R_{1} = \frac{U}{I} = \frac{2,879700}{0,4} = 1,151880\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \rho_{1} = \frac{R \times S}{l} = \frac{1,151880 \times 1,6982 \times 10^{7}}{1000} = 1,956152;$$
$$\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }\text{\ α}_{2} = \frac{R_{2} - R_{0}}{R_{0}(T_{2} - T_{0})} = \frac{1,151624 - 1,151880}{1,15188030 - 23)} = 3,2 \times 10^{- 5};$$
| Próbka | T | I | U | R | ρ |
α |
|---|---|---|---|---|---|---|
| [C] | [A] | [V] | [Ω] | [µΩm] | [1/K] | |
| Miedź | 23 | 0,400000 | 0,008173 | 0,003269 | 0,030227 | 0,000000 |
| Aluminium | 23 | 0,400000 | 0,004920 | 0,001968 | 0,044146 | 0,000000 |
| Stal miękka | 23 | 0,400000 | 0,068204 | 0,027282 | 0,214269 | 0,000000 |
| Manganian | 23 | 0,400000 | 0,998730 | 0,399492 | 0,816090 | 0,000000 |
| Kanthal | 23 | 0,400000 | 2,879700 | 1,151880 | 1,956152 | 0,000000 |
| Miedź | 30 | 0,400000 | 0,008365 | 0,003346 | 0,030937 | 0,003356 |
| Aluminium | 30 | 0,400000 | 0,005570 | 0,002228 | 0,049978 | 0,018873 |
| Stal miękka | 30 | 0,400000 | 0,069450 | 0,027780 | 0,218183 | 0,002610 |
| Manganian | 30 | 0,400000 | 0,998045 | 0,399218 | 0,815530 | -0,000098 |
| Kanthal | 30 | 0,400000 | 2,879060 | 1,151624 | 1,955718 | -0,000032 |
| Miedź | 40 | 0,400000 | 0,008933 | 0,003573 | 0,033037 | 0,005470 |
| Aluminium | 40 | 0,400000 | 0,005986 | 0,002394 | 0,053711 | 0,012745 |
| Stal miękka | 40 | 0,400000 | 0,075201 | 0,030080 | 0,236251 | 0,006035 |
| Manganian | 40 | 0,400000 | 0,997017 | 0,398807 | 0,814690 | -0,000101 |
| Kanthal | 40 | 0,400000 | 2,879005 | 1,151602 | 1,955680 | -0,000014 |
| Miedź | 50 | 0,400000 | 0,009075 | 0,003630 | 0,033563 | 0,004088 |
| Aluminium | 50 | 0,400000 | 0,006074 | 0,002430 | 0,054500 | 0,008687 |
| Stal miękka | 50 | 0,400000 | 0,076260 | 0,030504 | 0,239578 | 0,004375 |
| Manganian | 50 | 0,400000 | 0,995950 | 0,398380 | 0,813818 | -0,000103 |
| Kanthal | 50 | 0,400000 | 2,878300 | 1,151320 | 1,955201 | -0,000018 |
| Miedź | 60 | 0,400000 | 0,009394 | 0,003758 | 0,034742 | 0,004038 |
| Aluminium | 60 | 0,400000 | 0,006286 | 0,002514 | 0,056402 | 0,007504 |
| Stal miękka | 60 | 0,400000 | 0,078960 | 0,031584 | 0,248060 | 0,004262 |
| Manganian | 60 | 0,400000 | 0,995550 | 0,398220 | 0,813491 | -0,000086 |
| Kanthal | 60 | 0,400000 | 2,878000 | 1,151200 | 1,954997 | -0,000016 |
| Miedź | 70 | 0,400000 | 0,009702 | 0,003881 | 0,035881 | 0,003980 |
| Aluminium | 70 | 0,400000 | 0,006490 | 0,002596 | 0,058233 | 0,006789 |
| Stal miękka | 70 | 0,400000 | 0,081765 | 0,032706 | 0,256872 | 0,004230 |
| Manganian | 70 | 0,400000 | 0,994910 | 0,397964 | 0,812968 | -0,000081 |
| Kanthal | 70 | 0,400000 | 2,876700 | 1,150680 | 1,954114 | -0,000022 |
| Miedź | 80 | 0,400000 | 0,010024 | 0,004010 | 0,037072 | 0,003973 |
| Aluminium | 80 | 0,400000 | 0,006713 | 0,002685 | 0,060234 | 0,006394 |
| Stal miękka | 80 | 0,400000 | 0,084650 | 0,033860 | 0,265936 | 0,004230 |
| Manganian | 80 | 0,400000 | 0,994260 | 0,397704 | 0,812437 | -0,000079 |
| Kanthal | 80 | 0,400000 | 2,875700 | 1,150280 | 1,953435 | -0,000024 |
| Miedź | 90 | 0,400000 | 0,010339 | 0,004136 | 0,038237 | 0,003956 |
| Aluminium | 90 | 0,400000 | 0,006924 | 0,002770 | 0,062127 | 0,006079 |
| Stal miękka | 90 | 0,400000 | 0,087707 | 0,035083 | 0,275539 | 0,004268 |
| Manganian | 90 | 0,400000 | 0,993610 | 0,397444 | 0,811906 | -0,000077 |
| Kanthal | 90 | 0,400000 | 2,874700 | 1,149880 | 1,952756 | -0,000026 |
| Miedź | 100 | 0,400000 | 0,010667 | 0,004267 | 0,039449 | 0,003962 |
| Aluminium | 100 | 0,400000 | 0,007150 | 0,002860 | 0,064155 | 0,005886 |
| Stal miękka | 100 | 0,400000 | 0,090760 | 0,036304 | 0,285131 | 0,004295 |
| Manganian | 100 | 0,400000 | 0,992900 | 0,397160 | 0,811326 | -0,000076 |
| Kanthal | 100 | 0,400000 | 2,873800 | 1,149520 | 1,952144 | -0,000027 |
| Miedź | 110 | 0,400000 | 0,010980 | 0,004392 | 0,040608 | 0,003948 |
| Aluminium | 110 | 0,400000 | 0,007364 | 0,002946 | 0,066075 | 0,005710 |
| Stal miękka | 110 | 0,400000 | 0,093880 | 0,037552 | 0,294932 | 0,004327 |
| Manganian | 110 | 0,400000 | 0,992200 | 0,396880 | 0,810754 | -0,000075 |
| Kanthal | 110 | 0,400000 | 2,873000 | 1,149200 | 1,951601 | -0,000027 |
| Miedź | 120 | 0,400000 | 0,011272 | 0,004509 | 0,041688 | 0,003909 |
| Aluminium | 120 | 0,400000 | 0,007566 | 0,003026 | 0,067887 | 0,005544 |
| Stal miękka | 120 | 0,400000 | 0,098760 | 0,039504 | 0,310263 | 0,004619 |
| Manganian | 120 | 0,400000 | 0,991500 | 0,396600 | 0,810182 | -0,000075 |
| Kanthal | 120 | 0,400000 | 2,872800 | 1,149120 | 1,951465 | -0,000025 |
| Miedź | 125 | 0,400000 | 0,011416 | 0,004566 | 0,042220 | 0,003890 |
| Aluminium | 125 | 0,400000 | 0,007669 | 0,003068 | 0,068812 | 0,005478 |
| Stal miękka | 125 | 0,400000 | 0,099370 | 0,039748 | 0,312180 | 0,004480 |
| Manganian | 125 | 0,400000 | 0,991070 | 0,396428 | 0,809831 | -0,000075 |
| Kanthal | 125 | 0,400000 | 2,872500 | 1,149000 | 1,951261 | -0,000025 |
Wnioski:
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….