lab_raboty / Labwork10 / 10

Работа № 10

Определение коэффициента термического расширения (линейного) твердого тела.

10.1. Назначение

10.2. Состав

Оборудование и элементы системы изображены на схеме 10:

10.2.1. Проволока из исследуемого материала (2), натянутая внутри теплоизоляционной трубки (1). Верхний конец проволоки закреплен на штативе, нижний конец проволоки закреплен на поводке микрометра-индикатора (5). Снизу к поводку микрометра-индикатора прикреплен груз (4), служащий для поддержания проволоки в натянутом состоянии. К проволоке (2) сверху и снизу подведены провода, по которым подводится ток для нагрева проволоки.

Параметры:
- длина проволоки между точками подключения проводов: 1 м;
- диаметр проволоки:	0,1÷0,3 мм (задается);
- шкала микрометра:
большая	0,1 мм на один оборот, цена деления - 1	мкм.
маленькая	1 мм на один оборот, цена деления - 0.1	мм
10.2.2. Контрольное сопротивление	rконтр (7) служит для контроля тока, протекающего

через проволоку. Изготовлено из константана и имеет: а) пренебрежимо малый термический коэффициент сопротивления; б) большую мощность рассеяния, что позволяет пренебречь его нагревом при протекании тока. Сопротивление (7) может принимать два значения - 10 Ом и 30 Ом, переключаемые тумблером (11).

10.2.3. Блок питания (8) позволяет регулировать подаваемое напряжение в пределах 0÷50 В. Блок питания имеет функции ограничения выходной мощности: при превышении выходной мощности (U I ) величины 150 Вт, дальнейший рост напряжения блокируется. Благодаря этому температура проволоки не может превысить 400 °С. Подача напряжения в систему осуществляется с пульта (12).

10.2.4. Цифровые четырехзнаковые вольтметры (9) и (10) служат для измерения падения напряжения на сопротивлении (7) и на проволоке (2). Переключатели диапазона измерения служат для более точного измерения величин.

10.3.Работа отдельных узлов

10.3.1.При выполнении работы предполагается температура окружающего воздуха Tокр

равной 20°С. По заданному материалу проволоки и ее диаметру вычисляется начальное сопротивление проволоки:

R0 = ρ SL

где: ρ - удельное сопротивление при 20 °С;

L - длина проволоки (1 м);

S - сечение проволоки (м2).

Вданной работе могут использоваться следующие материалы проволоки:

-медь

-нихром

-сталь

-аллюминий

	материал	уд. сопр.	темп. коэфф. сопр.	темп. коэфф.
		Ом м 10-8	х10-3 град-1	линейного расш.
				х10-6 град-1
1	вольфрам	5,5	4,6	4.3
2	сталь	9,8	6.0	11.5
3	аллюминий	2,7	4,2	23.1
4	медь	1,7	4.3	16.7

При подаче на установку напряжения температура проволоки рассчитывается по итерационной схеме:

1.При первом проходе температура проволоки TN принимается равной Tокр , при дальнейших проходах принимается равной температуре, вычисленной на этапе 3.

2.Находим сопротивление проволоки R при температуре TN ; ток, текущий по цепи I ;

мощность, выделяемую на проволоке P .

R = R0 (1+γ (TN −20)), γ - коэффициент температурного

сопротивления;

I = Ur

rконтр

P=UR I

3.Находим температуру проволоки:

	T	=T		+		P	, α =0,2÷1 - коэффициент теплоотдачи.
					α
	N +1	окр
4.	Если TN =TN +1 ,	то	температура проволоки T принимается равной TN +1 , иначе

возвращаемся на этап 1.

После расчета температуры проволоки определяем изменение ее длины (соответственно показания микрометра) при этой температуре:

L =ϕ (1+(T −20)) , ϕ - коэффициент линейного расширения.

10.3.2.Параметр релаксации τ = 60 сек.

10.3.3.Требуемые погрешности измерений при выполнении работы обеспечиваются округлением величин напряжений U r и UR до пределов измерения цифровых вольтметров.

10.4.Ошибки.

10.4.1.Температура проволоки в данной работе не должна превышать 120 °С. При превышении этой температуры надо увеличивать коэффициент термического расширения при удлинении (на 1% на каждый градус превышения температуры). При уменьшении

температуры в интервале 120÷... °С (то есть при сокращении длины) коэффициент термического расширения наоборот уменьшается от нормального (на 1% на каждый градус превышения температуры). Таким образом имитируется эффект термической усталости.

10.5.Начальные параметры

10.5.1.Преподавателем задается: тип материала проволоки, а также диаметр проволоки. Выбор материала осуществляется из фиксированного списка (см. таблицу в п.10.3.1),

диаметр - произвольно в интервале 0.1÷0.3 мм.

10.5.2.Начальные параметры по умолчанию:

- температура окружающая	20 °С.
- БП выключен
- напряжение (при включении БП)	0 В

-НАГРЕВ выключен

-нагрузочное сопротивление в положении "30 Ом"

-вольтметры в режиме "100 В"

-стрелки индикатора (микрометра) - в произвольном положении.

10.6.Цветовые и визуальные эффекты

10.6.1.Цвет проволоки меняется по шкале температура-цвет.

10.6.2.Показания индикатора изменяются в соответствии с рассчитанным удлинением

проволоки.

10.6.3.При превышении температуры проволоки 120 °С вокруг проволоки надо изобразить "ореол" красного сияния.

10.7."ЖУРНАЛ"

10.7.1.Временной интервал записи:

-немедленно при: изменении напряжения, включении/выключении нагрева, изменении нагрузочного сопротивления.

-иначе через 10 сек.

10.7.2.Данные строки "таблицы параметров":

1)время

2)НАГРЕВ

3)БП

4)напряжение (В), установленное на БП

5)напряжение на нагрузочном сопротивлении

6)напряжение на проволоке

7)рассчитанная температура проволоки

8)показания индикатора в формате М - ББ , где М - показания по внутренней (маленькой) шкале, ББ - показания по внешней (большой) шкале.

Схема 10.