4139

Вивчення закону Ома

Практическая работа

Физика

Вивчення закону Ома Мета роботи. Встановити залежність сили струм від напруги у зразку з монокристалу визначеної речовини та визначити його опір, питому електропровідність та концентрацію носіїв струму. Теоретичні відомості. Електричним струмом пров...

Русский

2012-11-13

110.5 KB

14 чел.

Вивчення закону Ома

Мета роботи.

Встановити залежність сили струм від напруги у зразку з монокристалу визначеної речовини та визначити його опір, питому електропровідність та концентрацію носіїв струму.

Теоретичні відомості.

Електричним струмом провідності називається впорядкований рух заряджених частинок – носіїв заряду. Струм провідності має місце в тому випадку, якщо в середовищі є електричне поле та носії струму, які здатні переміщуватись в ньому. Носіями струму можуть бути електрони, позитивні та негативні іони та інші заряджені частинки.

Електричний струм характеризується напрямком та силою. За напрямок струму прийнято напрямок руху додатних заряджених частинок. Силою струму І називається фізична величина, яка чисельно рівна першій похідній від заряду, що переноситься через поперечний переріз провідника, по часу:

                                                      (1)

Вона показує який заряд переноситься через поперечний переріз провідника за одиницю часу. Якщо сила струму та його напрям протягом часу не змінюються, то струм називається постійним. Сила постійного струму визначається співвідношенням:

,                                                         (2)

де q – абсолютна величина заряду, що переноситься через поперечний переріз провідника, t – час, за який переноситься заряд.

В СІ одиниці сили струму А (ампер) та часу с (секунда) є основними, а одиниця заряду Кл (кулон) визначається як заряд, що переноситься через поперечний переріз провідника за 1 с при силі струму в 1 А, отже

1 Кл =1 А·1 с

Згідно закону Ома, який був встановлений дослідним шляхом, сила струму, що протікає в провіднику, прямо пропорційна напрузі на провіднику:

                                                      (3)

Графічно залежність I=f(U) зображується прямою, що проходить через початок координат (рис. 1) і називається вольт-амперною характеристикою (ВАХ).

Величина , яка є коефіцієнтом пропорційності, називається електропровідністю провідника, а величина R – його електричним опором. В СІ опір вимірюється в Ом (омах). 1 Ом це опір такого провідника, в якому при напрузі в 1 В тече струм силою в 1 А, тобто

Рис. 1.

Електропровідність в СІ вимірюється в См (сіменсах). 1 См – це електропровідність провідника опором в 1 Ом, тобто

Електричний опір залежить від форми, розмірів і матеріалу провідника. Для однорідного провідника циліндричної форми

,                                                   (4)

де l- довжина провідника, S- площа поперечного перерізу провідника, ρ- питомий опір матеріалу провідника. З формули (4) слідує, що

,                                                      (5)

тобто питомий опір ρ чисельно збігається з опором R провідника одиничної довжини з одиничною площею поперечного перерізу і вимірюється в СІ в Ом·м.

Величина

,                                                         (6)

обернена питомому опору, називається питомою електропровідністю. В СІ вона вимірюється в Ом-1 м-1=См м-1.

При протіканні струму через різні ділянки перерізу провідника за одиницю часу може переноситися різний по величині заряд.

Для характеристики розподілу сили струму по площі поперечного перерізу провідника та напрямку струму використовується величина , яка називається вектором густини електричного струму. За числовим значенням

,                                                        (7)

де - сила струму, що протікає через елемент площі поперечного перерізу .

Величина вектора густини струму показує, яка сила струму припадає на одиницю площі поперечного перерізу провідника. У СІ густина струму вимірюється в .

Закон Ома (3) справедливий для конкретного провідника з опором R і називається інтегральним законом Ома для ділянки кола, яка не містить ЕРС (для однорідної ділянки кола). Якщо на ділянці кола крім напруги U, діє електрорушійна сила ε, то вона є неоднорідною. У цьому випадку сила струму

,                                                     (8)

де R – зовнішній опір кола, r – внутрішній опір джерела струму.

Формула (8) є математичним записом закону Ома для неоднорідної ділянки кола. Величина ε може мати знак плюс або мінус залежно від того, збільшує або зменшує вона струм на цій ділянці кола.

Для замкнутого кола закон Ома має вигляд

,                                                       (9)

де ε -діюча в колі ЕРС.

Для будь-якої точки струмопровідного середовища, незалежно від форми та розмірів провідника (від його загального опору), застосовується закон Ома в диференціальній формі, аналітичний запис якого вийде на підставі формул (3), (4) та (7).

Якщо довжина провідника  і площа його поперечного перерізу  нескінченно малі, то

,                                                     (10)

,                                                    (11)

де φ1 –φ2  різниця потенціалів точок, що перебувають  на відстані  (напруга між точками). Але , де - нескінченно мала зміна потенціалу. Тоді

                    (12)

Якщо напруженість електричного поля  , то, розділивши ліву та праву частини виразу (11) на , отримаємо:

                                                     (13)

Враховуючи те, що напрямки векторів  і  однакові, то обидва ці вектори мають напрямок руху позитивно заряджених часток, тобто

,                                                       (14)

що являє собою диференціальну форму закону Ома.

Основна її суть полягає у прямій пропорційності між густиною струму та напруженістю електричного поля в тому випадку, якщо питома електропровідність є постійною величиною.

Так як густина струму дорівнює заряду, що переноситься за одиницю часу через одиницю площі поперечного перерізу провідника, то

,                                                     (15)

де e- заряд електрона; n - концентрація носіїв струму (їхня кількість в одиниці об’єму);  - швидкість направленого руху носіїв струму.

Із співставлення формул (13) і (15) виходить, що

або ,                                      (16)

де  - рухливість носіїв струму. Чисельно рухливість збігається із швидкістю носіїв струму при одиничній напруженості електричного поля  та вимірюється в СІ в  При малій напруженості електричного поля (не більше 106 ) і постійній температурі закон Ома справедливий для провідних напівпровідникових зразків. При цих умовах концентрація носіїв і електропровідність не змінюються, а збільшення струму при збільшенні напруги є наслідком зростання швидкості направленого руху носіїв при підвищенні напруженості електричного поля.

Невиконання зазначених умов веде до порушення прямої пропорційності між σ і μ (або між σ і Е). Так, наприклад, підвищення температури напівпровідникового зразка викликає збільшення концентрації носіїв струму, що викликає збільшення електропровідності та більш швидке зростання струму в порівнянні з ростом напруги.

3. Контрольні питання.

1. Що таке електричний струм?

2. Що називається силою струму? Які одиниці її вимірювання?

3. Який зміст закону Ома і як він зображується графічно?

4. Записати та пояснити закон Ома в інтегральній формі для однорідної та неоднорідної ділянок кола.

5. Що називається густиною струму і які одиниці її вимірювання?

6 Як пов'язана густина струму із швидкістю направленого руху носіїв струму?

7. Записати та пояснити закон Ома в диференціальній формі.

8. Як пояснюється зростання сили струму при збільшенні напруги у випадку постійної температури та незалежності електропровідності від напруженості поля?

9. У чому фізичний зміст тангенса кута нахилу залежності  і як у даній роботі за допомогою нього визначаються параметри зразка?

4. Домашнє завдання.

Перед виконанням роботи необхідно вивчити наступні питання фізики: рух заряджених часток в електричному полі, закон Ома, зв'язок між електричним опором зразка і його геометричними розмірами, основи класичної електронної теорії електропровідності.

5. Лабораторне завдання.

Методика виконання цієї роботи заснована на тому, що при справедливості закону Ома по експериментально встановленій залежності I=f(U) визначаються параметри зразка. Графічно ця залежність зображується прямою лінією (див. рис. 1), тангенс кута нахилу якої є відношенням збільшення струму  до збільшення напруги , тобто провідністю зразка. Тому опір зразка

,                                                    (17)

а його питома електропровідність

                                                 (18)

де l - довжина зразка, ab- площа його поперечного перерізу, a - ширина зразка, b - висота зразка. Геометричні розміри зразка (l, a, b) визначаються за допомогою штангенциркуля.

Із співвідношення (15) випливає, що

                                                      (19)

Отже, остаточна розрахункова формула для визначення n є:

                                                  (20)

6. Порядок виконання роботи.

Виміряти розміри зразка за допомогою штангенциркуля (l, a, b).

Зібрати вимірювальну схему з досліджуваним зразком, зображену на рис. 2.

Рис. 2.

Змінюючи за допомогою потенціометра напругу від 0 до 10 мВ і, вимірюючи її мілівольтметром, визначити за допомогою міліамперметра відповідні різним напругам значення сили струму. Результати вимірювань записувати в табл. 1.

Таблиця 1.

I, А

U, В

Побудувати графік залежності I=f(U) і знайти тангенс кута нахилу цієї залежності.

Обчислити опір зразка за формулою (17), його питому електропровідність за формулою (18) і концентрацію носіїв струму за формулою (20).

Для обчислень використовувати наступні дані:

e =-16·10-19 Кл;           μ= 0,49

(значення μ уточнити у викладача, так як може відрізнятись від вказаного в залежності від типу матеріалу, що використовується)

У висновках до роботи вказати, який характер залежності I=f(U) і чи виконується в цьому випадку закон Ома.

7. Прилади та обладнання.

Досліджуваний зразок - напівпровідниковий монокристал германію (або іншої речовини). Джерело живлення. Міліамперметр. Мілівольтметр. Штангенциркуль.

8. Література.

1. Детлаф А.А., Яворський Б.М., Милковская Л.В. Курс физики (в трех томах). Т.2.-М.:Высшая школа, 1977, §8.1-8.5, 9.2, 10.2.

2. Калашников С.Г. Электричество.-М.:Наука, 1977, §53, 57, 59, 61.

3. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2. – М.:Наука, 1978, §31, 34.


α

ΔI

U

U, В

I, А

V

A

R

П

+

-


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

75331. Государство периода феодальной раздробленности 32.5 KB
  Феодальная анархия аристократический стройПо мере разветвления правящей династии в раннефеодальных государствах расширения их территории и административного аппарата представители которого осуществляют власть монарха над местным населением собирая дань и войско увеличивается количество претендентов на центральную власть периферийные военные ресурсы увеличиваются а контрольные возможности центра ослабевают. Верховная власть становится номинальной и монарх начинает избираться крупными феодалами из своей среды при этом ресурсы избранного...
75332. Испания и Португалия в XIV-XV веках 42 KB
  Испания и Португалия в XIVXV вв. Пиренейский полуостров в XIV XV вв. Арагон на протяжении всего периода осуществлял планомерную экспансию в Средиземноморье: он подчинил Балеарские острова в конце XIII первой половине XIV в. Крайне неблагоприятные последствия для полуострова как и для остальной Европы имела эпидемия чумы в середине XIV в.
75333. Особенности социально-экономического и политического развития Англии в XII-XIII веках 39 KB
  Развитие товарно-денежных отношений в деревне в целом тяжело отразилось на широких массах крестьянства. С развитием рынка росли потребности феодалов. Коммутация ренты ускорила и углубила начавшееся задолго до XIII в. имущественное расслоение крестьянства
75334. Английское общество и государство в XIV-XV веков 43.5 KB
  Английское общество и государство в XIVXV вв. Во второй четверти XIV в. Под давлением экономической необходимости и усиливающейся борьбы крестьянства многие даже крупные феодалы к середине XIV в. Малая производительность барщинного труда там где он сохранялся слабая приспособляемость домениального хозяйства к условиям рынка наконец нехватка наемной рабочей силы в хозяйстве феодалов коммутировавших барщину уже к середине XIV в.
75335. Испания и Португалия в XI-XIII вв. Ход Реконкисты 66.5 KB
  Испания и Португалия в XIXIII вв. Окончательная победа реконкисты В течение XI XIII вв. За два столетия с середины XI до середины XIII в. Причины успехов реконкисты коренились во внутренней истории как самого Халифата так и Кастилии и Арагона а также в характере реконкисты с конца XI по конец XIII в.
75336. Четвертый крестовый поход. Захват Константинополя и образование Латинской империи 34.5 KB
  Четвертый крестовый поход. Четвертый крестовый поход 1202-1204. Поэтому папа Иннокентий III 1198-1216 развернул пропаганду похода направленного против Египта. В Четвертом крестовом походе справедливо усматривают переломный момент и кризис крестоносного движения ибо впервые жертвой крестоносцев стали христианские государства.
75337. Последние крестовые походы. Причины их затухания и итоги крестоносного движения 38.5 KB
  Последние крестовые походы. Последние крестовые походы. европейскими странами предпринимались крестовые походы против османов не принесшие успеха. Крестовые походы не только не достигли своей прямой цели но принесли гибель сотням тысяч их участников и сопровождались тратой колоссальных средств европейских государств.
75338. Франция в XII-XIII веках 43.5 KB
  Социальноэкономическое развитие Франции в это время отличали заметные сдвиги и прогресс в развитии производительных сил следствием которых явилось повышение продуктивности сельского хозяйства см. Процесс сокращения и даже ликвидации барской запашки получил наиболее выраженные формы именно во Франции и особенно в хозяйствах светских феодалов. Особенностью развития Южной Франции в Х1ХП вв. Обретя большую степень самостоятельности и ориентированные по преимуществу на внешнюю торговлю южные города не сыграли значительной роли в деле...
75339. Франция в XIV-XV веков 34 KB
  Франция в XIVXV вв. В первой трети XIV в. Широкое распространение денежной ренты и личная свобода крестьянства укрепили его наследственные владельческие права на цензиву ставшую в XIV в. XIV вв.