Методика проведення експериментів

Отримані теоретичні залежності напруги на конденсаторі при його розряді або заряді можуть бути перевірені експериментально. Для цього слід виміряти значення напруги в різні моменти часу і результати вимірів зображувати у вигляді точок на координатній площині XOY, де Х=t, (операція лінеаризації функції). Якщо експериментальні точки в межах точності вимірів лягають на пряму (рис. 3), то це підтверджує залежності (4) і (7).

Рис.3

Для розрахунку ємності конденсатора можна скористатися отриманим графіком. Для цього необхідно на лінійній ділянці вибрати приріст ∆t і знайти відповідний йому приріст , а потім скористатися формулою (7).

(7)

Один з методів виміру ємності конденсатора заснований на тому, що конденсатор заряджають до певної напруги U₀, а потім визначають заряд Δq, що протікає через виводи конденсатора при його розрядці до напруги U₁. Набуті значень підставляють у формулу (1).

Для визначення заряду на обкладаннях конденсатора його підключають до розрядного кола, що складається з резистора і вимірника струму, і вимірюють залежність струму, що протікає в розрядному колі, від часу.

Схема для проведення вимірів приведена на малюнку.

Коли ключ К знаходиться в положенні 1, конденсатор заряджається і напруга на конденсаторі Сх дорівнює напрузі джерела струму U₀ . Коли ключ К знаходиться в положенні 2, конденсатор розряджається через резистори R і Rо. Оскільки напруга на обкладаннях конденсатора у міру розряду зменшується, то зменшується з часом і розрядний струм, як показано на графіку.

Площа криволінійної трапеції, обмеженої справа значенням часу t₁, чисельно дорівнює заряду, що пройшов по колу за цей час, тобто Δt. Кінцева напруга на конденсаторі U₁, як випливає із закону Ома, зменшується в стільки ж разів, у скільки зменшується

розрядний струм до моменту часу t₁, тобто

Площу під графіком можна знайти чисельно (наприклад, методом трапецій).

Порядок виконання роботи

1. Підготуйте бланк звіту з двома таблицями для запису результатів вимірів і обчислень.

2. Змонтуйте вимірювальну схему.

3. Встановите початкову напругу U₀. Замкніть ключ К в положення 1 і витримаєте декілька секунд. Переведіть ключ К в положення 2 і одночасно запустіть секундомір.

4. Відмічайте моменти часу через Δt =10c, поки напруга не дорівнюватиме ≈ 0,15 U₀.

5. Переведіть значення падіння напруги на мілівольтметрі в значення падіння напруги на конденсаторі Ui розрядний струм i.

;

де:

6. Методом трапецій розрахуйте заряд Δqтрап, відданий конденсатором при зменшенні розрядного струму.

№ з/п	t, c	U, мВ	Uc, В	i, мкА	q, мкКл	ln

7. Побудуйте графік залежності розрядного струму від часу i(t).

8. За формулою (1) розрахуйте ємність конденсатора Страп.

9. Побудуйте графік залежності від часу і методом найменших квадратів визначіть залежність як функцію часу у вигляді рівняння: y=a₁x +a₀

10. Використовуючи отриману залежність розрахуйте ємність конденсатора по формулі (7) :

,

,

11. Результати вимірів і обчислень занесіть в звітну таблицю.

12. Порівняєте величини виміру ємності кожним з методів і вкажіть причини відмінностей.

Питання до захисту лабораторної роботи.

1. Від чого залежить ємність відокремленого провідника, ємність конденсатора?

2. Чим визначається час розрядки конденсатора?

3. Чому використаний в роботі метод придатний для виміру тільки досить великих ємностей?

Рекомендований вибір резисторів

Література.

1. www.opprib.ru e-mail:[email protected]

2. Определение емкости конденсатора и батареи конденсаторов, Лабораторная работа №2. Составители:Санеев Э.Л., Шагдаров В.Б., Изд.ВСГТУ, Улан-Уде, 2007

3. Изучение процессов зарядки и разрядки конденсатора: Методические указания к лабораторной работе по физике /Составитель: Х.К.Тазмеев; Изд.2-е, доп. и перераб.- Набережные Челны: КамПИ, 2003,14 с.

4. rl.odessa.ua._For_Lyceistu/Physics/Lab_11F/…

Ришельевский лицей, Определение емкости конденсатора по кривой разрядки. Лабораторный практикум

5. http://konspektiruem.ru/articles/electrical_eng…

Лабораторна робота № 15

Тема: Діаграми стану подвійних сплавів.

Мета роботи: Визначення складу припою за кривою охолодження.

Прилади і матеріали: піч СУОЛ, термопара хромель-алюмель, зразки матеріалів.

Теоретичні відомості.

Перехід металу з рідкого стану в тверде з утворенням кристалів називається кристалізацією. Особливістю переходу з рідкого стану в твердий являється те, що в чистих металах він протікає при постійних температурах, які залежать від природи металу і тиску.

Розташування атомів в рідині характеризується відсутністю далекого порядку, тобто відсутністю правильного розташування атомів, що періодично повторюється в трьох вимірах.

Внутрішня енергія неврегульованої рідини більше впорядкованої будови твердого тіла, тому при переході з одного стану в інше спостерігається виділення (чи поглинання) тепла.

Теплота, що виділяється під час переходу металу з рідкого стану в твердий, називається прихованою теплотою плавлення. Температура кристалізації визначається як температура, при якій вільні енергії рідкої і твердої фаз рівні. Зміна вільної енергії рідкого і твердого станів залежить від температури (рис.1).

Температура Тs називається рівноважною температурою кристалізації (плавлення). Процес кристалізації при цій температурі не відбувається, оскільки в цих умовах вільні енергії рідкого і твердого станів рівні.

Процес кристалізації починається, коли виникає різниця вільних енергій, яка утворюється внаслідок меншої вільної енергії твердого металу в порівнянні з рідким. Таким чином, для переходу металу з рідкого стану в тверде потрібне переохолодження нижче рівноважної температури кристалізації .

Для проведення термічного аналізу випробовуваний материал помещают в тигель і доводять до плавлення. Після цього метал повільно охолоджують з постійною швидкістю і через рівні проміжки часу заміряють його температуру. Для виміру високих значень температур зазвичай використовують термоелектричні пірометри. Термоелектричні пірометри складаються з термопари і реєструючого пристрою .

Термопара складається з двох провідників різних металів або сплавів і має ту властивість, що якщо з'єднати (зварити) одні кінці проввідників, а інші приєднати до гальванометра, то при нагріві спаю виникає електрорушійна сила, що викликає відхилення стрілки гальванометра. Величина електрорушійної сили залежить від матеріалу термопари і температури замкнених кінців кола. Результуюча ЕРС тим більше, чим більше різниця температур гарячого і холодного спаїв. При постійній температурі одного з кінців, виведених до вимірювального приладу (званого холодним спаєм), результуюча ЕРС визначається температурою другого кінця (гарячого спаю), який вводиться в розплавлений метал.

В якості термопар застосовують наступні поєднання металів : платинородій (10% Rh) - платина (ПП1); платинородій (30% Rh ) - платинородій(ПР30/6), хромель-алюмель (ХА); хромель-копель(ХК).

Таблиця 1

Хімічний склад сплавів для термопар

Таблиця 2

Сфера застосування термопар

Гарячий спай термопари, захищений від контакту з рідким металом, занурюється в метал з таким розрахунком, щоб спай знаходився в середині об'єму металу, що дозволяє характеризувати його дійсну температуру. Холодний спай термопари виводять до вимірювальних приладів. За показамии цих приладів - по окремих замірах температури через певні проміжки часу отримують графіки

Т=f(τ), в координатах температура - час ( рис.2 ).

Сплав ця речовина, отримана сплавлянням двох або більше компонентів. Будова сплаву залежить від типу взаємодії компонентів. У металевих сплавах можливе одержання механічної суміші, хімічних сполук і твердих розчинів.

Діаграми стану сплаву будують експериментальним шляхом, які представляються в графічній формі і показують зміну складу залежно від вмісту компонентів і температури. Діаграми стану дозволяють визначити, яку структуру матимуть повільно охолоджені сплави, а також вирішити питання про те, чи можна змінити мікроструктуру в результаті термічної обробки сплаву.

Вид діаграми визначається характером взаємодії, які виникають між компонентами в рідкому і твердому станах.

Загальні закономірності співіснування стійких фаз, що відповідають теоретичною умовою рівноваги, можуть бути виражені правилом фаз.

,

де:

С- число ступенів вільності

К - кількість компонентів тих, що становлять сплав

f - кількість фаз

2 - число змінних (тиск і температура).

Для двокомпонентної системи (К=2) діаграми розглядають без урахування газової фази, тобто вважають що p=const, а зовнішнім чинником, що змінюється, вважають тільки температуру (n=1).

Тоді правило фаз набере наступного вигляду.

При числі ступенів вільності рівної "0" система знаходиться в рівновазі при строго певній температурі (рідка і тверда фази).

Якщо число ступенів вільності дорівнює одиниці, то можлива зміна в деяких межах одного з перерахованих параметрів, і це не викличе зменшення або збільшення числа фаз.

Властивості будь-якого сплаву залежать від того, які з'єднання або які фази утворили компоненти сплаву.

Як приклад по вивченню фазового і структурного стану сплавів розглянемо діаграму системи "олово−свинець"(див. рис. 6).

Сплав системи Sn − Pb відноситься до сплавів типу "механічні суміші".

Діаграмою стану цього сплаву є діаграма з обмеженою розчинністю компонентів в твердому стані.

Згідно цієї діаграми лінія 3 − лінія ліквідус, а лінія 5 − солідус. Крім того, лінія 5 відповідає температурі, при якій в процесі охолодження сплавів в них протікає евтектична реакція з утворенням евтектики при температурі 1830С і змісті ( 37% Pb і 63% Sn.

Особливості кристалізації сплавів Pb − Sn розглянемо для наступних складів:

1. 10% Pb і 90% Sn

2. 37% Pb і 63% Sn

3. 70% Pb і 30% Sn

Криві охолодження цих сплавів представлені на рис. 3, 4, 5.

Кристалізація сплаву починається при температурі T₁ (верхня критична температура) і протікає при змінній температурі до T₂ (нижня критична температура).

В інтервалі температур T₁ - T₂ з рідини виділяються кристали надмірного компонента (β).

Якщо з рідини виділяються кристали β, то концентрація Sn в рідкій фазі зменшується, а концентрація Pb в рідкій фазі збільшується. В процесі кристалізації концентрація компонентів в рідкій фазі змінюється і прагне до такої концентрації (37% Pb і 63% Sn), коли обидва компоненти α і β з рідини кристалізуються сумісно. Одночасна кристаллизація α і β протікає при постійній температурі.

У сплаві, що містить 37% Pb і 63% Sn, з рідкої фази проходить одночасна кристалізація обох компонентів (рис. 4). В результаті утворюється однорідна механічна суміш. Структуру, що складається з двох або більше твердих фаз, що одночасно кристалізуються з рідини, називається евтектикою.

У сплаві, що містить 70% Pb і 30% Sn, процес кристалізації починається при температурі T₁. В.ПоповичЗ рідкої фази починають кристалізуватися кристали компонента, що знаходиться в надлишку відносно евтектичної концентрації, тобто α (рис.3). Якщо з рідини виділяються кристали α, то в процесі кристалізації рідка фаза збагачується оловом. Коли концентрація компонентів в рідкій фазі досягне евтектичної концентрації (тобто 37% Pb і 63% Sn), то почнеться сумісна кристалізація обох компонентів при постійній температурі T₂.

Криві охолодження показують, що сплави системи Pb − Sn в інтервалі концентрацій 2,5 ÷ 81 % свинцю остаточно тверднуть при постійній температурі − T₂. Це дає основу вважати, що тверднуча при постоійній температурі - T₂ частина рідкого сплаву має постійний склад. Такому складу відповідає сплав, що містить 37% Pb і 63% Sn. Для сплавів типу механічні суміші температура кінця кристалізації не залежить від концентрації сплаву, вона постійна для усіх сплавів. Температура початку кристалізації змінюється залежно від концентрації компонентів в сплаві.

Sn % Pb Pb

Рис.6. Інженерний варіант діаграми стану системи Sn - Pb:

1 − рідкий стан; 2 − рекомендована температура припою при змочуванні;

3 − ліквідус; 4 − кашкоподібний стан; 5 − солідус; 6 − евтектика (α + β);

7 − твердий розчин свинцю в олові (β); 8 − твердий розчин олова у свинці (α); 9 − твердий сплав

Порядок виконання роботи.

1. Встановити в піч зразок матеріалу і нагріти його вище температури плавлення.

2. Витягнути лодочку з розплавленим матеріалом із зони робочої температури, розмішати розплав і занурити в нього термопару, захищену чохлом з нержавіючої сталі.

3. Піч вимкнути. Сплав охолоджувати разом з піччю.

4. З моменту початку охолодження покази температури (мілівольтметра) записувати через кожні 30 секунд.

5. Дані занести в таблицю:

5. Побудувати графік залежності температури від часу (криву охолодження).

6. Визначити температури фазових переходів.

7. Визначити склад сплаву та зробити висновки.

Література.

1. В.Попович ”Технологія конструктивних матеріалів і матеріалознавство“, Львів, 2000.

2. Составители Михеева Е.В., Пикула Н.П. “Построение диаграмм плавкости бинарных систем”, Изд-во Томского политехн. ун-та, Томс, 2008

3. ”Материаловедение“, Программа, методические указания и контрольные задания для студентов-заочников технических специальностей, Камский государственный политехнический институт, Набережные Челны, 2002

4. “Термический анализ чистых металлов и градуировка термопары”,www.gubkin.ru/faculty/...and.../metallurgy...metallic.../LAB1.doc

5. ”Термический анализ свинцово-сурьмянистых сплавов и построение диаграммы состояния“, www.gubkin.ru/faculty/mechanical_engineering/.../LAB2.doc

6. “Практикум по физической химии”, 4. Диаграммы состояния двухкомпонентных систем , Екатеринбург, 2003,http://rudocs.exdat.com/docs/index-39977.html?page=7

7. ”Кристаллизация металлов и сплавов“ , Тема 3, professorjournal.ru/.../GrantmMaterialsServlet?grantmId=1143332.

Термопара Хромель-Алюмель