Завдання

1. Зняти залежність опору провідникових матеріалів від температури і побудувати графіки цих залежностей. Розрахувати температурний коефіцієнт опору TKR для матеріалів, що досліджувалися.

2. Зняти залежність термоЕРС термопар від температури і побудувати її графік. Визначити питому термоЕРС для термопар.

3. Підготувати звіт з роботи з врахуванням додаткових завдань, наведених у методичних вказівках з конкретних розділів роботи.

6.1.Стислі теоретичні відомості

До провідників відносяться речовини, основною електричною властивістю яких є електропровідність. В залежності від типу вільних носіїв у речовині розрізняють провідники з із електронною (провідники1 роду) та іонною (провідники 2 роду) електропровідністю, в залежності від складу розрізняють прості провідники, які складаються з одного хімічного елементу, та складні, що являють собою сплави або хімічні сполуки. Властивості провідника можуть мати тверді тіла, рідини, іонізований газ та плазма.

Провідниковий матеріал - електротехнічний матеріал, що має властивості провідника та призначений для виготовлення струмопровідних і потенціальних деталей. До основних характеристик провідникових матеріалів відносяться: питома провідність g або зворотна її величина - питомий опір r, температурний коефіцієнт питомого опору, питома теплопровідність, абсолютна термоЕРС, межа міцності при розтягненні та відносне видовження при розриві. У нормальному стані провідникові матеріали характеризуються питомим електричним опором, який знаходиться у діапазоні 10^-8-10^-7 Ом×м. В залежності від цільового призначення розрізняють провідникові матеріали високої провідності та високого опору, контактні, електродні, резистивні та жаростійкі. Найбільш широко в електротехніці та енергетиці застосовують металеві провідникові матеріали.

6.1.1.Електропровідність провідників

З точки зору зонної теорії до металів відносять речовини, для яких характерна відсутність забороненої зони, а валентна та вільна зони можуть навіть перекриватися, внаслідок чого всі валентні електрони металів вільні. Для аналізу впливу внутрішних та зовнішних чинників на питомий опір металів скористаємося загальним виразом для питомого опору, згідно з яким r = enU_T, і залежність питомого опору від будь-якого чинника повинна визначатися впливом цього чинника на концентрацію або (та) рухливість електронів.

Різниця у концентрації вільних електронів для всіх металів знаходиться в межах 10%. З врахуванням цієї обставини ясно, що різниця значень r в кілька порядків може бути пов’язана тільки з відмінністями у рухливісті електронів..

Згідно з електронною теорією металів рухливість електронів зв'язана з параметрами матеріалу рівнянням

U = ql/2mU_T

де q, m - відповідно заряд та маса електрона; l - довжина вільного пробігу електрона у матеріалі; U_T- теплова швидкість електронів.

Оскільки у провідниках електронний газ вироджений, теплова швидкість руху електронів приблизно однакова для різних матеріалів та практично не залежить від температури в області робочих температур. Отже значення U_Т, в основному, залежить від довжини вільного пробігу електрона у даному провіднику, який, в свою чергу, залежить від будови провідника та його структури. Причину цього слід шукати у впливі складу та структури матеріала на рухливість електронів, яка визначається характером розсіювання носіїв заряду.

6.1.2. Вплив температури на електропровідність провідника

Чисті метали з досконалою кристалічною решіткою характеризуються найменшим значенням r. Дефекти та домішки, спотворюючи кристалічну решітку, призводять до збільшення значення r.

Для чистих металів (без домішок) рухливість електронів визначається фононним розсіюванням (розсіюванням електронів на теплових коливаннях вузлів кристалічної решітки). Концентрація фононів n_Ф при температурах нижче температури Дебая q пропорційна Т³, а при Т>q пропорційна Т. Довжина вільного пробігу при фононному розсіюванні обернено пропорційна n_Ф.

Враховуючи сказане, на залежності r(Т) для чистих металів можна виділити дві ділянки (рис. 6.1, крива 1). На першій ділянці (до температури Дебая) r ~ T³ на другому r~Т. Температурний коефіцієнт питомого опору металів ТКr позитивний і для другої ділянки температурної залежності, де r = ВТ, дорівнює 1/T . При нормальних умовах ТКr має значення: 1/273=0,00367 К^-1.

Для деяких провідників при температурах, близьких до абсолютного нуля, може наступити стан надпровідності. Для таких матеріалів на температурній залежності (див. рис. 6.1, крива 1) є характерним стрибок питомого опору при температурі надпровідності Т_НП.

Якщо метал має дефектну кристалічну решітку, то окрім фононного розсіювання у матеріалі повинно спостерігатися розсіювання електронів на іонізованих домішках, в результаті чого їхня рухливість знижується.

Довжина вільного пробігу електрона при розсіюванні на іонах залежить від теплової швидкості носіїв заряду l ~ U_т⁴ , але оскільки в металевих провідниках теплова швидкість електронів не залежить від температури навколишнього середовища, рухливість, зумовлена іонним розсіюванням, також не змінюється з температурою.

В металевих сплавах високого опору, що застосовуються для виготовлення резистивних та нагрівальних елементів, основним механізмом розсіювання електронів є іонний. Для таких провідникових матеріалів характерно високе значення r та низькі значення ТКr.