1001

Измерение низких сопротивлений материалов

Лабораторная работа

Физика

Определение удельного сопротивления металлов и других низкоомных материалов с помощью измерительного усилителя. Концентрация свободных электронов в металле при однократной ионизации. отношение удельной теплопроводности к удельной проводимости металла.

Русский

2013-01-06

184 KB

167 чел.

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Кафедра общей и технической физики

 СПГГИ (ТУ) им. Г.В. Плеханова

Кафедра ОТФ

Отчет

по лабораторной работе №8

Измерение низких сопротивлений материалов

Выполнил:       студент группы ЭР-08-1 Фадин Д.А.

Проверил:         ___________     доцент Фицак В.В.

СПб

2009

I. Цель работы - определение удельного сопротивления металлов и других низкоомных материалов с помощью измерительного усилителя.

  1.  Краткое теоретическое обоснование.

  1.  В этой работе изучается сопротивление материалов: алюминия и меди.
  2.  Сопротивление – это величина, характеризующая способность проводника препятствовать проходящему через него электрическому току.

(1 Ом – сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1 В течет постоянный ток 1 А)

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц или заряженных макроскопических тел.     

           Длина свободного пробега электрона – это расстояние l, которое он пролетает за время свободного пробега от одного столкновения до следующего.

Контактное сопротивление обусловлено растеканием тока в объём образца с малой поверхности контакта.

Удельное электрическое сопротивление – сопротивление для однородного линейного проводника длиной l и площадью поперечного сечения S.

  1.  Концентрация свободных электронов в металле при однократной ионизации

будет равна концентрации атомов и может быть рассчитана по формуле:

Плотность тока в проводнике определяется выражением:

, где  – средняя скорость направленного движения носителей заряда

Выражение для удельной электропроводности в рамках классич. теории:

Закон Видемана – Франца, устанавливающий связь между проводимостью и теплопроводностью металла:    

Квантовые представления об электропроводности металлов:

, где – удельное сопротивление, n – концентрация электронов,  – их средняя длина свободного пробега, h – постоянная Планка

Закон Ома для участка цепи :  

Закон Ома в дифференциальной форме:

Закон Ома в интегральной форме:  

4. Основываясь на формулах удельной электропроводности металлов можно предположить, что результаты, полученные из расчетов, окажутся близкими к табличным по значению, и контактное сопротивление будет в разы превышать активное, это следует из формулы активного сопротивления , конкретно что площадь контакта с проводами меньше, чем площадь изучаемого проводника.

III.  Расчетные формулы.

1) концентрация свободных электронов   ,  где dплотность материала, – атомная масса, – число Авогадро.

2) отношение удельной теплопроводности к удельной проводимости металла

 ,  где - удельная электропроводность, - удельная теплопроводность, T – температура, kпостоянная Больцмана.

3) удельное сопротивление  ,   где dдиаметр стержня, l – расстояние между контактными гнёздами, S – площадь поперечного сечения.

4) сопротивление на участке цепи   , I – сила тока,   - обратное сопротивление.

 IV.  Формулы погрешностей косвенных измерений.

V. Таблицы с результатами измерений и вычислений.

Таблица 1.Алюминий

I

А

0

0,25

0,5

0,75

1

1,25

1,5

1,75

2

R(al)ср

U

В

5,2

10,5

14,5

19,4

23,5

27,5

32,5

37,2

41,3

Ral

Ом

0

0,042

0,029

0,026

0,024

0,022

0,022

0,021

0,021

0,0257

Таблица 2.Алюминий

I

А

0

0,25

0,5

0,75

1

1,25

1,5

1,75

2

U

В

0,0063

0,63

1,23

1,8

2,42

2,98

3,56

4,17

4,67

среднее

Rп(al)

Ом

0

2,520

2,460

2,400

2,420

2,384

2,373

2,383

2,335

Rк(al)

Rк(al)

Ом

0,000

2,478

2,431

2,374

2,397

2,362

2,352

2,362

2,314

2,119

Таблица 3.Медь

I

А

0,000

0,250

0,500

0,750

1,000

1,250

1,500

1,750

2,000

R(cu)ср

U

В

6,600

8,900

11,200

14,400

16,700

18,600

22,300

24,800

27,800

Rcu

Ом

0,000

0,036

0,022

0,019

0,017

0,015

0,015

0,014

0,014

0,0190

Таблица 4.Медь

I

А

0

0,25

0,5

0,75

1

1,25

1,5

1,75

2

U

В

0,0059

0,78

1,53

2,26

3,02

3,68

4,46

5,23

5,91

среднее

Rп(cu)

Ом

0

3,120

3,060

3,013

3,020

2,944

2,973

2,989

2,955

Rк(cu)

Rк(cu)

Ом

0,000

3,084

3,038

2,994

3,003

2,929

2,958

2,974

2,941

2,658

VI.  Примеры вычисления:

  1.  Исходные данные: таблицы 1, 2, 3, 4.

  1.  Вычисления:
  2.  среднее значение сопротивления алюминиевого образца:

среднее значение сопротивления  медного образца:

  1.  удельное сопротивление алюминия и меди

l =

31,5

см

ρ(al)

0,040115

мкОм×м

d =

2,5

см

ρ(cu)

0,029553

мкОм×м

S

4,909

3) расчет контактного сопротивления Rк

 для алюминия

Rк Al = Rп Al – RAl = 2,335 – 0,021= 2,314 Ом

 для меди

Rк Cu = Rп Cu  R Cu= 2,955 – 0,014= 2,941 Ом

4) Длина свободного пробега электронов

Для алюминия:

а) длина свободного пробега электронов по классической теории:  

 б) длина свободного пробега электронов по квантовой теории:

 

Для меди:   

а) длина свободного пробега электронов по классической теории:

 б) длина свободного пробега электронов по квантовой теории:

 

5) Расчет удельной теплопроводности алюминия

 Расчет удельной теплопроводности меди

6) косвенные погрешности:

   Для алюминиевого стержня

 Ом

Для медного стержня

 Ом

  1.  Окончательные результаты

1) сопротивление алюминиевого образца 

  сопротивление медного образца 

 

2) удельное сопротивление алюминия

удельное сопротивление меди

      3) контактное сопротивление Rк

для алюминия

Rк Al = 2,314 Ом

для меди

Rк Cu = 2,941 Ом

4) Длина свободного пробега электронов

По классической теории:

м

м

По квантовой теории:

м

м

5) удельная теплопроводность

Для алюминия:

 

Для меди:

VII. Анализ полученного результата.

В лабораторной работе было определено активное и удельное сопротивление алюминиевого и медного стержней, рассчитаны косвенные погрешности, а так же измерено контактное сопротивление. Контактное сопротивление получилось значительно больше, чем активное в стержнях, как и предполагалось изначально. Длина свободного пробега электронов при расчетах по квантовой теории получилась в сто раз меньше, чем по формуле из классической теории.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

58058. Прикладна діяльність. Створення декоративної композиції «Дерево життя» в техніці петриківського розпису 63 KB
  Мета: ознайомити учнів із світосприйняттям предків на прикладі дерева життя символу українського декоративно-прикладного мистецтва; вчити учнів передавати на малюнку чарівний світ природи за допомогою основних прийомів петриківського розпису...
58059. Шопен – душа фортепіано 74 KB
  Мета уроку: Навчальна: ознайомити учнів із творчістю та життєвим шляхом Ф.Шопена, провідними стильовими засадами його композиторського почерку; працювати над диханням, чистотою інтонування, співом у єдиній вокальній позиції.
58060. Вражаючі здібності «фортепіанного поета» Фридеріка Францішека Шопена 89.5 KB
  МЕТА: поглибити знання дітей про творчість Фридеріка Шопена; вчити учнів глибоко емоційно сприймати інструментальну фортепіанну музику розуміти та інтерпретувати її зміст; дати визначення понять ноктюрн і скерцо; збагатити уявлення дітей про життєвий зміст музики розуміння її...
58061. Урок-презентація: Симфонія вогняних років 64 KB
  Учитель музики: Доброго дня діти. Сьогодні ми міркуємо про музику яка народжувалась і звучала в роки Великої Вітчизняної війни подивимось як боровся наш народ з ворогом у блокадному Ленінграді і як ця боротьба показана Шостаковичем через музику в симфонії на екрані слайд...
58062. Стихійні лиха 75.5 KB
  Мета: продовжити ознайомлювати учнів із небезпеками природного походження, розглянути приклади стихійних небезпек, скласти алгоритми поведінки в надзвичайних ситуаціях (сильного вітру і грози та в разі потрапляння в зону підтоплення); розвивати логічне мислення; виховувати бережливе ставлення до власного здоровя та життя.
58063. Прикладне мистецтво 293 KB
  Обладнання для учнів: естетичний словник з образотворчого мистецтва ручка. Види діяльності учнів: пізнавальна сприймання мистецтва. Вид уроку: бесіда з образотворчого мистецтва.
58064. Психічна і духовна складові здоров’я 96.5 KB
  11 Конфлікти і здоровя. Види конфліктів. Вплив конфліктів на здоровя. 1 МЕТА: надати учням поняття про конфлікти їх види вплив конфліктів на здоровя; формувати в учнів вміння адекватного оцінювання життєвих ситуацій; вміння обирати шляхи вирішення спільних проблем; вчити учнів запобігати конфліктних ситуацій та при їх виникненні вміти розвязувати конфліктні ситуації; розвивати в учнів розуміння почуттів і потреб інших людей; виховувати в учнів толерантне ставлення до чужих поглядів і переконань товариські стосунки.
58065. Формування здорового способу життя 2.02 MB
  Мета: сформувати поняття про здоровий спосіб життя як умову збереження і зміцнення здоровя. Обладнання та матеріали: фотографії й плакати які дають змогу ілюструвати різний спосіб життя формування здорового способу життя. Базові поняття й терміни: здоровя спосіб життя.
58066. Сприйняття мистецтва. Імпресіонізм. Відтворення дійсності у стилі імпресіонізм. Зображення на площині. Відтворення святкового настрою. Творча робота «Ялинка на майдані» 91.5 KB
  Мета: ознайомити учнів зі стилем мистецтва імпресіонізм з творчістю художників імпресіоністів; учити спостерігати вплив світла на зміну кольорів; формувати вміння передавати світло тіньові явища відповідно до змін часу доби та пори року...