POLITECHNIKA POZNAŃSKA INSTYTUT ELEKTROENERGETYKI ZAKŁAD WYSOKICH NAPIĘĆ I MATERIAŁÓW ELEKTROTECHNICZNYCH

LABORATORIUM – MATERIAŁOZNAWSTWO ELEKTROTECHNICZNE ROK I

TEMAT: Badanie rezystywności materiałów przewodzących w zależności od temperatury.

WYKONAŁ:

1. Wstęp

Podczas ćwiczenia badane będą : miedź, aluminium oraz stal . Wybór materiałów podyktowany został powszechnością ich stosowania w elektrotechnice .
Najczęściej wykorzystywanym materiałem przewodowym jest niewątpliwie miedź . Jest ona masowo używana do produkcji przewodów i kabli elektrycznych oraz w elektronice . Miedź jest dodawana do wielu stopów, zarówno do stali jaki i do stopów aluminium .
Miedź z cyna, cynkiem, molibdenem i innymi metalami przejściowymi tworzy cały zestaw stopów zwanych ogólnie brązami . Najbardziej znane z nich to: udający złoto tombak i posiadający bardzo dobre własności mechaniczne oraz znaczna odporność na korozje, mosiądz. Stopy miedzi stosuje sie do wyrobu kosztownej armatury, elementów precyzyjnych urządzeń mechanicznych i w jubilerstwie.
Drugim po miedzi powszechnie stosowanym materiałem przewodowym jest aluminium . Pomimo iż aluminium ma 1,5 razy mniejsza konduktywność od miedzi to przy trzykrotnie mniejszym ciężarze właściwym uzyskuje sie przewody lżejsze niż miedziane (choć o większej średnicy). Pod względem wytrzymałości mechanicznej aluminium jest około dwukrotnie słabsze od miedzi, a sama wytrzymałość silnie zależy od temperatury .
W odniesieniu do czystego aluminium jego stopy odznaczają sie lepszymi właściwościami wytrzymałościowymi i technologicznymi . Stop aluminium z magnezem i krzemem ma 2,5-krotnie większa wytrzymałość od czystego aluminium i doskonale nadaje sie na przewody napowietrzne. Ze względu na swoje właściwości, takie jak mała gęstość i odporność na korozje, stopy glinu z miedzią i molibdenem, zwane duraluminium, znalazły wiele zastosowań i są używane do wyrobu szerokiej grupy produktów – od puszek do napojów do części statków kosmicznych .
Najniższa konduktywność spośród omawianych materiałów posiada stal . Jest jednak wykorzystywana w elektrotechnice w przypadku przepływu bardzo małych prądów długotrwałych lub dużych prądów krótkotrwałych. W każdym przypadku stal wymaga osłony antykorozyjnej. Stal znajduje zastosowanie na przewody odgromowe, uziomy, rdzenie przewodów stalowo-aluminiowych, noże uziemników czy przewody jezdne .


2. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie funkcji rezystywności właściwej od temperatury oraz współczynnika temperaturowego rezystywności badanych materiałów.

3. Schemat połączenia mostka

4. Opis metodyki pomiaru

W ćwiczeniu został użyty techniczny mostek Thompsona typu TMT - 2. Do mostka podłączyliśmy zasilacz prądu stałego o napięciu 1,5 V , zwracając uwagę na biegunowość napięcia. Galwanometr w pierwszej fazie pomiaru był zwarty (w pozycji 0) .
Przełącznik zakresu pomiaru był nastawiony na wartość największą.
W drugiej fazie połączyliśmy przewody pomiarowe zgodnie z rysunkiem umieszczonym na schemacie. Następnie przełącznik czułości galwanometru został ustawiony w pozycji „0,1Z” , po czym wstępnie zrównoważyliśmy mostek dobierając odpowiednio zakres i wartość rezystancji płynnie regulowanego opornika R2.
Galwanometr załączaliśmy do układu wciskając i przytrzymując przycisk załączania.
Po wstępnym zrównoważeniu mostka, została zwiększona czułość galwanometru i równoważyliśmy ostatecznie mostek. Wynikiem pomiaru jest wartość rezystancji równa iloczynowi wartości odczytanej z wyskalowanej tarczy oraz wartości mnożnika, zależnej od ustawionego zakresu pomiarowego.
Badane przewody umieściliśmy w komorze klimatycznej, którą nastawiliśmy do odpowiedniej temperatury. I tak kolejno badaliśmy rezystancję w temperaturze: 20°C, 30°C, 40°C, 50C°, 60C° i 70°C dla miedzi, aluminium i stali.
Kolory poszczególnych przewodów : niebieski – miedź, czarny – stal, czerwony – aluminium.

5. Wyniki pomiarów (rezystancja)

BADANY MATERIAŁ	STAL	ALUMINIUM	MIEDŹ
TEMPERATURA [°C]
20°	315 mΩ	3,21 mΩ	4,72 mΩ
30°	319 mΩ	3,28 mΩ	4,87 mΩ
40°	321 mΩ	3,37 mΩ	4,99 mΩ
50°	325 mΩ	3,44 mΩ	5,19 mΩ
60°	330 mΩ	3,54 mΩ	5,33 mΩ
70°	331 mΩ	3,7 mΩ	5,56 mΩ

1) Wykres rezystancji stali w zależności od temperatury :

2) Wykres rezystancji aluminium w zależności od temperatury :

3) Wykres rezystancji miedzi w zależności od temperatury :

Wnioski:

Z wyników pomiarów wynika, że rezystancja miedzi, aluminium oraz stali rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Największą rezystancję posiada stal, natomiast najmniejszą – aluminium, co jest zgodne ze wcześniejszymi założeniami teoretycznymi. Podane wyniki mogą minimalnie różnić się od danych tablicowych ze względu na ciągłe nagrzewanie się komory klimatycznej, nawet po wyłączeniu zasilania. Wynika z tego brak możliwości przeprowadzenia pomiarów w dokładnie takiej samej temperaturze dla wszystkich materiałów.

6. Obliczenie rezystywności badanych próbek

Rezystywność (rezystancja właściwa) to miara oporu z jakim materiał przeciwstawia się przepływowi prądu elektrycznego. Rezystywność jest zazwyczaj oznaczana jako ρ (mała grecka litera rho). Jednostka rezystywności w układzie SI jest omometr (1 Ωm). Rezystywność materiału wyznaczyć można znając wymiary geometryczne i rezystancje jednorodnego bloku danego materiału:

gdzie:
R – rezystancja,
S – pole przekroju poprzecznego elementu, gdzie S = πr^2 i r – promień przewodu
l – długość elementu.

Materiał	długość przewodu l [mm]	średnica przewodu Ø [mm]
Miedź	38	1,4
Stal	38	1
Aluminium	38	2,2

Korzystając z wyżej podanego wzoru oraz informacji podanych w tabelce, dokonujemy obliczeń pola przekroju poprzecznego elementu i rezystywności.

Rezystywność badanych próbek :

BADANY MATERIAŁ	STAL	ALUMINIUM	MIEDŹ
TEMPERATURA [°C]
20°	0,00000650 Ωm	0,000000320 Ωm	0,000000191 Ωm
30°	0,00000659 Ωm	0,000000327 Ωm	0,000000197 Ωm
40°	0,00000663 Ωm	0,000000336 Ωm	0,000000202 Ωm
50°	0,00000671 Ωm	0,000000343 Ωm	0,000000210 Ωm
60°	0,00000682 Ωm	0,000000353 Ωm	0,000000216 Ωm
70°	0,00000684 Ωm	0,000000369 Ωm	0,000000225 Ωm

1) Wykres rezystywność stali w zależności od temperatury oraz regresja liniowa otrzymanych wyników :

Współczynnika temperaturowy α = 7, 05714 × 10⁻⁹

Niepewność współczynnika $\overset{\overline{}}{\alpha} = \ 5,24761 \times 10^{- 10}$

2) Wykres rezystywność aluminium w zależności od temperatury oraz regresja liniowa otrzymanych wyników :

Współczynnik temperaturowy α = 9, 42857 × 10⁻¹⁰

Niepewność współczynnika $\overset{\overline{}}{\alpha} = 7,33086 \times 10^{- 11}$

3) Wykres rezystywność miedzi w zależności od temperatury oraz regresja liniowa otrzymanych wyników :

Współczynnik temperaturowy α = 6, 71429 × 10⁻¹⁰

Niepewność współczynnika $\overset{\overline{}}{\alpha} = 2,90437 \times 10^{- 11}$