Методичні рекомендації до виконання лабораторних робіт з дисципліни Електротехнічні матеріали

МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ

до виконання лабораторних робіт

з дисципліни	Електротехнічні матеріали
для студентів	2 курсу
напряму підготовки	6.050701 – Електротехніка та електротехнології
галузі	6.0507 – Електротехніка та електромеханіка
факультету	кібернетики

 

Херсон – 2012

 

Методичні рекомендації до виконання лабораторних робіт з дисципліни Електротехнічні матеріали

 

Укладачі: Дон Н.Л., кількість сторінок: 30

 

 

Рецензент: _________ доц. Баганов Є.О.

 

Затверджено

на засіданні кафедри

Енергетики та електротехніки

протокол №7 від 23.02.2012

 

Зав. кафедри_________ Баганов Є.О.

 

Відповідальний за випуск Дон Н.Л.

 

 

ЗМІСТ

ВСТУП.. 4

ПРАВИЛА З ТЕХНІКИ БЕЗПЕКИ.. 5

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕННЯ ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ.. 6

Лабораторна робота № 1. 8

ВИЗНАЧЕННЯ ТЕМПЕРАТУРНИХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕЗИСТОРІВ. 8

Лабораторна робота № 2. 13

ВИЗНАЧЕННЯ ПИТОМОГО ОПОРУ РЕЗИСТИВНОГО ПРОВОДУ..

Лабораторна робота № 3. 20

ВИЗНАЧЕННЯ ПИТОМИХ ЕЛЕКТРИЧНИХ ОПОРІВ ТВЕРДИХ ДІЕЛЕКТРИКІВ

Лабораторна робота № 4. 25

МЕТОДИ КОНТАКТНОГО З’ЄДНАННЯ МАТЕРІАЛІВ.

СПИСОК РЕКОМЕНДОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ.. 30

 

ВСТУП

При проектуванні та розробці нових електротехнічних приладів і обладнання з покращеними характеристиками знання електрофізичних, фізико-технічних та механічних властивостей використаних матеріалів є обов'язковою умовою раціонального вирішення цього завдання. Забезпечення високої надійності роботи електроенергетичного обладнання ґрунтується насамперед на чітких уявленнях про процеси, що відбувається в матеріалах протягом їх експлуатації, знаннях про методи профілактичного контролю та випробування електротехнічних виробів на їх основі, вимогах діючих ДСТУ, нормативних та технічних умовах їх використання. Це є гарантом надійної роботи електричних мереж і всього комплексу енергетичного обладнання: генераторів, трансформаторів, комутаційних апаратів, компенсуючих пристроїв та ін., в конструкції яких використовують електротехнічні матеріали. Вони знаходяться під впливом різноманітних зовнішніх факторів, у тому числі сильних електромагнітних полів, високих температур, статичних та динамічних навантажень, атмосферних впливів. Тому знання умов забезпечення стабільності параметрів цих матеріалів під дією вказаних факторів є важливим для забезпечення безперебійного функціонування електрообладнання і всієї електроенергетичної системи в цілому.

Курс “Електротехнічні матеріали” разом з курсом загальної електротехніки складає базис електротехнічної освіти спеціалістів напрямку “6.050701. Електротехніка та електротехнології”, який є основою для вивчення спеціалізованих профільних дисциплін. Тому структура курсу передбачає значну частину відведеного часу приділяти саме лабораторному практикуму, який дозволяє студентам засвоїти лекційний матеріал, зв’язати теорію з практикою, отримати навички творчої, дослідницької діяльності.

Методичні рекомендації містять опис чотирьох лабораторних робіт, які передбачені до виконання згідно з програмою курсу. Перед тим, як приступити до виконання лабораторних робіт, необхідно уважно ознайомитися з правилами з техніки безпеки. Крім того, необхідно засвоїти дії з наближеними числами, вміти обчислювати похибки вимірювань.

ПРАВИЛА З ТЕХНІКИ БЕЗПЕКИ

Дослідження, які проводяться на лабораторних заняттях, пов’язані із застосуванням електрики та високої напруги. Тому, виконуючи лабораторну роботу, необхідно дотримувати правил з техніки безпеки:

1. перед початком роботи необхідно ознайомитися з джерелами електропостачання, способами їх вмикання та вимикання;

2. перед початком роботи всі потенціометри вивести у крайнє ліве положення;

3. після складання схеми викладач або лаборант повинен її перевірити і дати дозвіл на вмикання джерел живлення;

4. забороняється торкатися руками контактів, які знаходяться під напругою; наявність напруги на контактах елементів схеми слід перевіряти тільки вимірювальним приладом;

5. всі зміни у схемі або усунення причин несправностей можна проводити тільки після її повного відключення від джерел живлення та під наглядом викладача або лаборанта;

6. після завершення вимірювань отримані результати слід показати викладачу і, отримавши дозвіл, вимкнути лабораторну установку.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕННЯ ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

Лабораторні роботи виконуються бригадним методом згідно з індивідуальним графіком виконання лабораторних робіт, який складається на початку семестру.

На лабораторному занятті, що триває 4 години, студент виконує одну лабораторну роботу згідно з індивідуальним графіком виконання робіт. Виконання лабораторної роботи складається з трьох етапів: самостійної підготовки до виконання, саме виконання роботи та захисту.

1. «Підготовка» до виконання роботи (виконується студентом самостійно до початку лабораторного заняття) – 1 година:

- самостійне опрацювання теоретичної частини лабораторної роботи; опрацювання порядку виконання роботи та методики обробки результатів, техніки безпеки при виконанні даної лабораторної роботи – 0,5 години;

- письмова відповідь на контрольні питання, що містяться у методичних вказівках – 0,5 години.

2. «Виконання» роботи (виконується студентом у лабораторії протягом перших 2 годин лабораторного заняття):

- отримання «допуску» (студент має знати мету роботи, описати обладнання, порядок виконання роботи та обробки результатів вимірювань);

- виконання відповідних вимірювань на лабораторній установці;

- надання результатів вимірювань викладачу для перевірки для перевірки грамотності запису та реалістичності виміряних даних;

- обробка результатів вимірювань (розрахунок відповідних фізичних величин за експериментальними результатами, побудова графіків, розрахунок похибок тощо);

- оформлення звіту (заповнення таблиць результатами розрахунків).

3. «Захист» роботи (виконується студентом у лабораторії протягом останніх 2 годин лабораторного заняття), або під час залікових занять з захисту лабораторних робіт з відповідної теми:

- студент повинен знати відповіді на контрольні питання, закони, що описують досліджуване явище;

- студент повинен знати основні функціональні елементи та принцип дії лабораторної установки, що використовувалась у відповідній лабораторній роботі;

- студент повинен вміти безпосередньо вимірювати фізичні величини, що визначають певні властивості електротехнічних матеріалів, з використанням лабораторної установки, розраховувати значення фізичних величин за допомогою законів, що описують досліджуване фізичне чи хімічне явище, будувати графіки залежностей фізичних величин, аналізувати отримані залежності, проводити статистичну обробку результатів.

У разі виникнення заборгованості з виконання лабораторних робіт студент має право на відпрацювання відповідної лабораторної роботи під час залікових занять з захисту лабораторних робіт з відповідної теми та індивідуально-консультативних занять, що проводить викладач з лабораторних занять.

Студент, який наприкінці семестру має неліквідовані заборгованості з виконання та/або захисту лабораторних робіт, вважається таким, що не виконав програму дисципліни, отримує незадовільну підсумкову оцінку. Останнім терміном ліквідації заборгованості є час проведення консультації з підготовки до іспиту.

Лабораторна робота № 1

ВИЗНАЧЕННЯ ТЕМПЕРАТУРНИХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕЗИСТОРІВ

Мета роботи: Ознайомитися з температурними характеристиками резисторів різного типу; вивчити вплив температури на значення величини питомого опору і на підставі дослідних даних встановити значення температурного коефіцієнта питомого опору провідників

Обладнання: термостат, термометр лабораторний, мультиметр DT-838 для вимірювання опору, з’єднувальні проводи, перемикач, набір резисторів.

Теоретичні відомості

Електричний опір металів зв’язаний з розсіянням електронів провідності на теплових коливаннях кристалічної решітки і структурних неоднорідностях.

Зауважимо, що опір провідника в першому наближенні не залежить від сили струму, який проходить по провіднику, а залежить від його геометричних розмірів, форми та від матеріалу провідника і його стану. Для однорідних провідників циліндричної форми:

(1.1)

де - довжина провідника, - площа поперечного перерізу, - коефіцієнт пропорційності, який залежить від матеріалу та фізичного стану провідника. Його називають питомим опором матеріалу. Одиницею виміру в СІ є ом на метр: = Ом.м.

Питомий опір провідників значною мірою залежить від домішок, а також від способу виготовлення провідників. Найменший питомий опір мають срібло і мідь. На практиці для передавання електричної енергії використовують дріт із міді або алюмінію. Для виготовлення реостатів, котушок опору використовують сплави з великим питомим опором (ніхром, нікелін).

Питомий опір провідників залежить не лише від хімічного складу речовини, а й від його стану, зокрема температури. Залежність питомого опору однорідної речовини від температури характеризують температурним коефіцієнтом питомого опору :

(1.2)

Температурний коефіцієнт питомого опору чисельно дорівнює відносній зміні опору провідника при зміні його температури на 1 К.

Величина для різних речовин різна. Відповідно до класичної електронної теорії Друде - Лоренца, значення температурного коефіцієнта питомого опору чистих металів у твердому стані має бути близьким до температурного коефіцієнта розширення ідеального газу, тобто . Він також може дещо змінюватися при зміні температури даної речовини. Деякі сплави мають досить малі значення , наприклад, для константану =0,1*10-4К-1. Дріт із таких сплавів використовують для виготовлення еталонів опору, котушок вимірювальних місткових схем тощо.

Як показують досліди, для кожного хімічно чистого металевого провідника існує певний інтервал температур, в якому залежність питомого опору від температури має лінійний характер, тобто:

= (1+ )

(1.3)

де - питомий опір, що відповідає початку температурного інтервалу. Здебільшого за початок цього інтервалу беруть температуру С.

Залежність опору металів від температури покладено в основу роботи приладів для вимірювання температури (термометри опору), енергії випромінювання (болометри) та автоматичних пристроїв для термостатування, терморегулювання будь-яких процесів з великою точністю.

З отриманих формул можна зробити висновок, що при збільшенні температури питомий опір металу повинен дещо зростати. Пояснюється це тим, що при підвищенні температури посилюються коливання вузлів кристалічних решіток, зменшується довжина вільного пробігу електронів і, як наслідок, зростає опір. Таким чином, температурний коефіцієнт питомого опору є величиною позитивною.

У деяких металах і сплавах виявлене явище надпровідності (сплави вісмуту із золотом, карбідів молібдену й вольфраму, свинцю, цинку, алюмінію та ін.), що полягає в тому, що нижче деякої критичної температури питомі опори цих речовин стають досить малими.

Однак існують метали, в яких питомий опір при плавленні зменшується. Збільшення питомого опору спостерігається у тих металів, в яких при плавленні збільшується об’єм, тобто зменшується густина. У металів, що зменшують свій об’єм при плавленні, питомий опір зменшується. Прикладом таких металів є: вісмут зменшується на 54%; галій – на 53%; сурма - на 28-29%.

Домішки до чистих металів, а також порушення їхньої структури, як правило, приводять до збільшення питомого опору.

Якщо при сплавленні двох металів відбувається утворення твердого розчину, тобто, при затвердінні вони спільно кристалізуються і атоми одного металу входять у кристалічні решітки другого, то відбувається істотне збільшення питомого опору

Обробка результатів

1. Температурний коефіцієнт опору для металізованих та вугільних резисторів TKR, (%/град), визначаємо за формулою:

(1.4)

де - опір при температурі T₁, Ом;

- опір при температурі Т₂, Ом;

Т₁ – початкова температура резистора, °С;

Т₂ – кінцева температура резистора, °С.

2. Температурний коефіцієнт опору для напівпровідникових резисторів TKR, (%/град), визначаємо за формулою:

(1.5)

3. Порівняти отримані результати з довідниковими даними.

4. Побудувати на міліметровому папері графіки залежностей для кожного із досліджуваних резисторів.

5. Результати розрахунків занести в таблицю 1.2.

6. Зробити висновки.

Таблиця 1.1.

T, °С	R1, Ом	R2, Ом	R3, Ом	R4, кОм	R5, Ом	R6, Ом	R7, Ом	R8, кОм

Таблиця 1.2.

TKR,	експеримент,	за довідником,
TKR1			R1 – дротяний резистор С5-5В 1Вт
TKR2			R2 – дротяний резистор ПЭВ-7.5
TKR3			R3 – металізований резистор МЛТ-0,125
TKR4			R4 – металізований резисторМЛТ-2
TKR5			R5 – напівпровідниковий резистор КМТ-12
TKR6			R6 – вугільний резистор ВС-0,125
TKR7			R7 – вугільний резистор ВС-2
TKR8			R8 – металоплівковий резистор МГП-0.5

Контрольні запитання

1. Дати визначення електричного опору.

2. Пояснити з точки зору будови речовини наявність електричного опору матеріалів.

3. Як змінюється опір провідників з підвищенням температури?

4. Як змінюється опір напівпровідників з підвищенням температури?

5. Пояснити з точки зору будови речовини причини залежності електричного опору провідникових матеріалів від температури.

6. Пояснити з точки зору будови речовини причини залежності електричного опору напівпровідникових матеріалів від температури.

7. Якою характеристикою визначається зміна опору провідника з температурою?

8. Які металеві провідники мають незначні значення температурного коефіцієнта опору?

9. У чому відмінність електричної провідності провідників першого роду від провідників другого роду?

10. Від яких факторів залежить питома електрична провідність металевих провідників?

11. Охарактеризуйте застосування провідникових матеріалів з тими або іншими параметрами.

 

 

Лабораторна робота № 2

ВИЗНАЧЕННЯ ПИТОМОГО ОПОРУ РЕЗИСТИВНОГО ПРОВОДУ

Мета роботи: Ознайомитися з технічним способом вимірювання опору, знайти питомий опір та за отриманими даними визначити матеріал резистивного проводу.

Обладнання: прилад для вимірювання опору резистивного проводу FPM-01 у комплекті; набір резисторів.

Теоретичні відомості

Вимірювання опору технічним способом (за допомогою вольтметра та амперметра) можна здійснювати згідно двох різних схем (малюнок 1).

Мал.1 Дві різні схеми (А та Б) вимірювання опору технічним способом.

Технічний спосіб використовує закон Ома для ділянки кола. Проте, якщо визначати опір за формулою, що випливає із закону:

,

(2.1)

де та - показання амперметру та вольтметру, ми отримаємо лише наближене значення опору. Справа у тому, що у схемі А, вимірюється фактично сума струмів, що протікають через шуканий опір та вольтметр (, де – струми через шуканий опір та вольтметр. У той же час в цій схемі , тобто вольтметр показує напругу саме на шуканому опорі.

З урахуванням цього розрахункова формула для шуканого опору у схемі А повинна мати такий вигляд:

(2.2)

Де =500 Ом – опір вольтметра.

У схемі Б, навпаки, струм через шуканий опір та струм амперметра співпадають: . Проте, вольтметр вимірює сумарну напругу на шуканому опорі та амперметрі: . З урахуванням цього факту розрахункова формула для опору для схеми Б:

(2.3)

де =0.15 Ом – опір амперметра.

Відносна похибка для цих випадків дорівнює:

(схема А)	(2.4а)
(схема Б)	(2.4б)

Бачимо, що схема А доцільна тоді, коли , а схема Б, коли .

Зв'язок поміж шуканим опором та питомим опором проводу наступний:

(2.5)

Де площа поперечного перерізу проводу;

- його довжина.

Обробка результатів

1. Результати вимірювань занесіть у таблицю 1.1-11

2. Похибки оцініть стандартним шляхом, викладеним в методичних рекомендаціях по знаходженню похибок.

3. За отриманими результатами визначте, з якого матеріалу зроблені дані резистори. Зведені дані занесіть у таблицю 2. Зробіть висновки

 

R1: dвитка=7.50мм, dпров=0.82мм, N=162 Табл.1.1.
Схема А
№	I (A)	U (V)	(Om)	(Om m)	(Om m)
Сер.
Схема Б
Сер.

 

 

R2: dвитка=5.78мм, dпров=0.64мм, N=366 Табл.1.2.
Схема А
№	I (A)	U (V)	(Om)	(Om m)	(Om m)
Сер.
Схема Б
Сер.

 

 

R3: dвитка=5.62мм, dпров=0.52мм, N=452 Табл.1.3.
Схема А
№	I (A)	U (V)	(Om)	(Om m)	(Om m)
Сер.
Схема Б
Сер.

 

R4: dвитка=5.16мм, dпров=0.50мм, N=471 Табл.1.4.
Схема А
№	I (A)	U (V)	(Om)	(Om m)	(Om m)
Сер.
Схема Б
Сер.

 

R5: d=0.98мм, l=0.28м Табл.1.5.
Схема А
№	I (A)	U (V)	(Om)	(Om m)	(Om m)
Сер.
Схема Б
Сер.

 

 

R6: d=0.64мм, l=0.24м Табл.1.6.
Схема А
№	I (A)	U (V)	(Om)	(Om m)	(Om m)
Сер.
Схема Б
Сер.

 

R7: d=0.63мм, l=0.275м Табл.1.7.
Схема А
№	I (A)	U (V)	(Om)	(Om m)	(Om m)
Сер.	-	-
Схема Б
Сер.	-	-

 

R8: d=0.52мм, l=0.24м Табл.1.8.
Схема А
№	I (A)	U (V)	(Om)	(Om m)	(Om m)
Сер.	-	-
Схема Б
Сер.	-	-

 

R9: d=0.50мм, l=0.24м Табл.1.9.
Схема А
№	I (A)	U (V)	(Om)	(Om m)	(Om m)
Сер.	-	-
Схема Б
Сер.	-	-

 

R10: d=0.44мм, l=0.24м Табл.1.10.
Схема А
№	I (A)	U (V)	(Om)	(Om m)	(Om m)
Сер.	-	-
Схема Б
Сер.	-	-

 

R11: d=0.36мм, l=0.24м Табл.1.11.
Схема А
№	I (A)	U (V)	(Om)	(Om m)	(Om m)
Сер.	-	-
Схема Б
Сер.	-	-

 

Таблиця 2.

Зразок	Вхідні дані	Довжина проводу , m	Площа перерізу (m2)	(Om)	(Om m)	Матеріал
R1	dвитка=7.50мм, dпров=0.82мм, N=162
R2	dвитка=5.78мм, dпров=0.64мм, N=366
R3	dвитка=5.62мм, dпров=0.52мм, N=452
R4	dвитка=5.16мм, dпров=0.50мм, N=471
R5	d=0.98мм, l=0.28м
R6	d=0.64мм, l=0.24м
R7	d=0.63мм, l=0.275м
R8	d=0.52мм, l=0.24м
R9	d=0.50мм, l=0.24м
R10	d=0.44мм, l=0.24м
R11	d=0.36мм, l=0.24м

Контрольні запитання

1. Чим відрізняються схеми вимірювання А та Б?

2. Дати визначення електричного опору.

3. Пояснити з точки зору будови речовини наявність електричного опору матеріалів.

4. Від чого залежить опір провідників?

5. Від чого залежить питомий опір матеріалу?

6. Які види провідникових матеріалів Ви знаєте, яка природа їх електропровідності?

7. Які метали та сплави застосовують для контактів?

8. Що представляють собою провідникові матеріали: мідь, алюміній, залізо, нікель, латунь, ковар; тугоплавкі метали: вольфрам, молібден, тантал; сплави високого опору: манганін, константан, ніхром?

 

Лабораторна робота № 3

ВИЗНАЧЕННЯ ПИТОМИХ ЕЛЕКТРИЧНИХ ОПОРІВ ТВЕРДИХ ДІЕЛЕКТРИКІВ

Мета роботи: вивчити методику експериментального визначення поверхневого опору (R_s) та об’ємного опору (R_v) твердих діелектриків.

Обладнання: cтенд для виміру; зразки твердих діелектриків; джерело живлення, штангенциркуль, мультиметри, з’єднувальні проводи.

Теоретичні відомості

За своїм призначенням електроізоляційні матеріали зовсім не повинні пропускати електричний струм під дією прикладеної постійної напруги, тобто вони повинні бути непровідниками. Однак, як показує досвід, всі реальні діелектрики під дією постійної напруги все ж пропускають деякий, хоч і незначний струм ‑ струм витоку.

Струм витоку має дві складові: струм наскрізний І_кр та струм зміщення І_зм. останній, в свою чергу, можна поділити на струм швидкої, миттєвої поляризації та струм, обумовлений різними видами повільної поляризації; його називають струмом абсорбції І_абс. Для більшості технічних діелектриків густина струму абсорбції більше густини струмів миттєвої поляризації, тобто струм зміщення І_зм приблизно дорівнює струму абсорбції

В загальному випадку струм зміщення поступово спадає в часі після вмикання постійної напруги, часто протягом хвилин і навіть годин. Складова І_абс, що змінюється повільно, обумовлена перерозподілом вільних зарядів в об’ємі діелектрика. Коли цей перерозподіл закінчується, залишається лише незмінний в часі наскрізний струм І_кр, котрий обумовлений проходженням носіїв заряду від одного електроду до другого, і складається з об’ємного та поверхневого струмів.

Вимірюючи опір матеріалів, слід виключати струм абсорбції, реєструючи струм витоку не раніше, ніж за хвилину після ввімкнення напруги; причому система електродів повинна дозволяти вимірювати окремо об’ємний та поверхневий струм.