Изучение зависимости сопротивления от параметров проводника

Такую проволоку  применяют для линий связи, линий электропередачи и т. п. Из проводникового биметалла изготовляются шины для распределительных устройств, полосы для рубильников и различные токопроводящие части электрических аппаратов.

Защитные свойства стали от излучений высокой энергии  приведены на рис. 3-2.

4. Сверхпроводники  и криопроводники

В 1911 г. нидерландский физик X. Камерлинг-Оннес, незадолго перед тем (в 1908 г.) впервые получивший жидкий гелий (гелий был последним газом, который до того еще не удавалось перевести в жидкое состояние), исследовал электропроводность металлов при «гелиевых» температурах (температура сжижения гелия при нормальном давлении около 4,2 К; еще более низкие температуры могут быть получены при испарении жидкого гелия). При этом Камерлинг-Оннес сделал поразительное открытие: он обнаружил, что при охлаждении до температуры, примерно равной температуре сжижения гелия, сопротивление кольца из замороженной ртути внезапно, резким скачком падает до чрезвычайно малого, не поддающегося измерению, значения.

Такое явление, т. е. наличие у вещества практически  бесконечной удельной проводимости, было названо сверхпроводимостью, температура Т_с, при охлаждении до которой вещество переходит в сверхнроводящее состояние, — температурой сверхпроводящего перехода, а вещества, переходящие в сверхпроводящие состояние, — сверхпроводниками.

Переход в сверхпроводящее  состояние является обратимым; при  повышении температуры до значения Т_с сверхпроводимость нарушается и вещество переходит в нормальное состояние с конечным значением удельной проводимости g .

Рис. 4-1. Общий  вид диаграммы состояния сверхпроводника  первого рода

 

В настоящее время  известно уже 35 сверхпроводниковых металлов и более тысячи сверхпроводниковых сплавов и химических соединений различных элементов. В то же время многие вещества, в том числе и такие, обладающие весьма малыми значениями r при нормальной температуре металлы, как серебро, медь, золото, платина и другие, при наиболее низких достигнутых в настоящее время температурах (около милликельвина) перевести в сверхпроводящее состояние не удалось.

Явление сверхпроводимости  связано с тем, что электрический  ток, однажды наведенный в сверх проводящем контуре, будет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы, и притом без всякого подвода энергии извне (конечно, если не учитывать неизбежного расхода энергии на работу охлаждающего устройства, которое должно поддерживать температуру сверхпроводящего контура ниже значения Т_с, характерного для данного сверхпроводникового материала); такой сверхпроводящий контур создает в окружающем пространстве магнитное поле, подобно постоянному магниту. Поэтому обтекаемый электрическим током сверх проводящий соленоид должен представлять собой сверхпроводниковый электромагнит, не требующий питания от источника тока. Однако первоначальные попытки изготовить практически пригодный сверхпроводниковый электромагнит, создающий в окружающем пространстве магнитное поле с достаточно высокими напряженностью Н и магнитной индукцией В, закончились неудачей. Оказалось, что сверхпроводимость нарушается не только при повышении температуры до значений, превышающих Т_с, но и при возникновении на поверхности сверхпроводника магнитного поля с магнитной индукцией, превышающей индукцию перехода В₀ (в первом приближении, по крайней мере для чистых сверхпроводниковых металлов, безразлично, создается ли индукция В_с током, идущим по самому сверхпроводнику, или же сторонним источником магнитного поля). Это поясняется диаграммой состояния сверхпроводника, изображенной на рис. 4-1. Каждому значению температуры Т данного материала, находящегося в сверх проводящем состоянии, соответствует свое значение индукции перехода В_с. Наибольшая возможная температура перехода Т_с (критическая температура) данного сверхпроводникового материала достигается при ничтожно малой магнитной индукции, т. е. для сверхпроводникового электромагнита — при весьма малой силе тока, идущего через обмотку этого электромагнита. Соответственно и наибольшее возможное значение В_с0 магнитной индукции перехода (критическая магнитная индукция) соответствует температуре сверхпроводника, ничтожно отличающейся от нуля Кельвина.

 

Рис. 4-2. Диаграммы состояния  сверхпроводника II рода — станнида ниобия Nb₃Sn (кривые 1 и 2) и сверхпроводника I рода — свинца РЬ (кривая 3)

 

В 50-х годах  нашего столетия были открыты новые  сверхпроводники, представляющие собой уже не чистые металлы, а сплавы или химические соединения. Эти сверхпроводники в отличие от чистых сверх проводниковых металлов (сверхпроводников I рода), названные сверхпроводниками II рода, обладают рядом особенностей. Переход из нормального в сверх проводящее состояние при охлаждении у них происходит не скачком (как у сверхпроводников I рода), а постепенно; у них существует промежуточное состояние между нижним В_С1 и верхним B_С2 значениями критической магнитной индукции перехода для значений температур Т < T_С0. В промежуточном состоянии сверхпроводимость при постоянном напряжении сохраняется, т. е. r = 0, но относительная магнитная проницаемость сверхпроводника m_r > 0; при воздействии на сверхпроводник переменного напряжения в нем наблюдаются некоторые потери энергии и т. п. Кроме того, свойства сверхпроводников II рода в большой степени зависят от технологического режима изготовления и т. п. Из чистых металлов к сверхпроводникам II рода относятся лишь ниобий Nb, ванадий V и технеций Тс.

На рис. 4-2 представлена диаграмма состояния типичного сверхпроводника II рода — интерметаллического соединения, стан-нида ниобия Nb₃Sn. Кривая 1 дает значения B_С01, кривая 2—значения В_C02; заштрихована область промежуточного состояния. Для сопоставления здесь же приведена диаграмма состояния для типичного сверхпроводника I рода—свинца Рb.

Криопроводники. Помимо явления сверхпроводимости, в современной электротехнике все шире используется явление криопроводимости, т. е. достижение металлами весьма малого значения удельного сопротивления при криогенных температурах (но без перехода в сверхпроводящее состояние). Металлы, обладающие таким свойством, называются криопроводниками.

Очевидно, что физическая сущность криопроводимости не сходна с физической сущностью явления сверхпроводимости. Криопроводимость — частный случай нормальной электропроводности металлов в условиях криогенных температур.

Весьма малое, но все же конечное значение r криопроводников ограничивает допустимую плотность тока в них, хотя эта плотность может быть все же гораздо выше, чем в обычных металлических проводниках при нормальной или повышенной температуре. Криопроводники, у которых при изменении температуры в широком диапазоне р меняется плавно, без скачков, не могут использоваться в устройствах, действие которых основано на триггерном эффекте возникновения и нарушения сверхпроводимости (например, в сверхпроводниковых запоминающих устройствах).

Применение криопроводников вместо сверхпроводников в электрических машинах, аппаратах и других электротехнических устройствах может иметь свои преимущества. Использование в качестве хладагента жидкого водорода или жидкого азота (вместо жидкого гелия, который значительно дороже других хладагентов) упрощает и удешевляет выполнение тепловой изоляции устройства и уменьшает расход мощности на охлаждение. Кроме того, в сверхпроводящем контуре с большим током накапливается большое количество энергии магнитного поля, равное LI²/2 Дж (L —индуктивность, Гн; I —ток, А). При случайном повышении температуры или магнитной индукции свыше значений, соответствующих переходу сверхпроводника в нормальное состояние хотя бы в малой части сверхпроводящего контура, сверхпроводимость будет нарушена, что приведет к внезапному освобождению большого количества энергии. Для криопроводящей цепи такой опасности нет, так как повышение температуры может повлечь за собой лишь постепенное, плавное увеличение сопротивления. Наибольший интерес для применения в качестве криопроводникового материала представляют собой: при температуре жидкого водорода — алюминий, а при температуре жидкого азота —бериллий.

Таким образом, проблема выбора оптимального (т. е. имеющего при рабочей  температуре наименьшее удельное сопротивление  при наилучших других технико-экономических  показателях) криопроводникового материала сводится в основном к следующему: применить легко доступный и дешевый алюминий и получить наименьшее возможное для криопроводника значение удельного сопротивления, но пойти на использование для охлаждения устройства жидкого водорода, что все же требует преодоления некоторых затруднений и, в частности, необходимости учета взрывоопасности водородо-воздушной смеси; или же применять более дорогой, дефицитный, сложный в технологическом отношении бериллий, но зато использовать в качестве хладагента более дешевый и легко доступный жидкий азот и тем самым уменьшить затраты мощности на охлаждение.

Во всех случаях для получения  высококачественных криопроводннков требуются исключительно высокая чистота металла (отсутствие примесей) и отсутствие наклепа (отожженное состояние). Вредное влияние примесей  и наклепа на удельное сопротивление металлов при криогенных температурах выражено значительно более сильно, чем при нормальной температуре.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Порядок выполнения

 

Задание 1. Определение  зависимости сопротивление проводника от его длины

1. Собрать схему:

 

 

 

 

 

2. По указанию преподавателя, установите материал проводника и его поперечное сечение.
3. При разомкнутой цепи с помощью омметра измерьте сопротивление R_изм при длинах проводника: 10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 200 м.
4. Рассчитайте сопротивление по формуле , данные занесите в таблицу.
5. Замкните цепь и измерьте для каждой длины проводника силу тока и напряжение.
6. Рассчитайте сопротивление, используя закон Ома
7. Данные занесите в таблицу:

Металл:
l,м	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100	200
S,м2
ρ, Ом·м
Rизмер, Ом
R1 рассч, Ом
U, В
I, А
R2 рассч, Ом

8. Проделайте пункты 1-7 для другого металла.

 

Задание 2. Определение зависимости сопротивление проводника от поперечного сечения проводника

1. Собрать схему:

 

 

 

 

 

2. По указанию преподавателя, установите материал проводника и его длину.
3. При разомкнутой цепи с помощью омметра измерьте сопротивление R_изм при сечениях проводника: 0,1; 0,3; 0,5; 0,7; 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7 мм².
4. Рассчитайте сопротивление по формуле , данные занесите в таблицу.
5. Замкните цепь и измерьте для каждого сечения проводника силу тока и напряжение.
6. Рассчитайте сопротивление, используя закон Ома
7. Данные занесите в таблицу:

Металл:
S,м2
l,м
ρ, Ом·м
Rизмер, Ом
R1 рассч, Ом
U, В
I, А
R2 рассч, Ом

8. Проделайте пункты 1-7 для другого металла.