42148

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ МЕТАЛЛОВ

Лабораторная работа

Физика

Экспериментальная проверка линейной зависимости тока от напряжения I = f U электросопротивления от длины цилиндрического проводника R = f  и расчет удельного сопротивления проводника. Если внутри проводника создано электрическое поле то каждый электрон ускоряется в течение времени свободного пробега . 5 Рассмотрим цилиндрический участок проводника постоянного сечения dS и длиной udt. Это векторная величина совпадающая по направлению со скоростью упорядоченного...

Русский

2013-10-27

110 KB

6 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ  РАБОТА  № 3-5

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ  МЕТАЛЛОВ

Цель работы.  Экспериментальная проверка линейной зависимости тока от напряжения I = f (U), электросопротивления от длины цилиндрического проводника   R = f () и расчет удельного сопротивления проводника.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Электрический ток в металлах это упорядоченное движение свободных электронов. При  создании теории электронной проводимости металлов ее авторы (Друде, Лоренц и др.) исходили из следующих допущений.

  1.  Средняя кинетическая энергия поступательного движения электронов проводимости, как и у  молекулы идеального газа, пропорциональна температуре металла

                                              ,                                                (1)             

где <v> - средняя скорость хаотического теплового движения, которая при комнатной температуре значительно превышает среднюю скорость упорядоченного движения <u> электронов (<v> 105 м/с, <u> 10-3 м/с).

2. Если внутри проводника создано электрическое поле, то каждый электрон ускоряется в течение «времени свободного пробега» . При соударении с ионами кристаллической решетки электроны полностью отдают ионам  накопленную энергию приобретенного упорядоченного движения. В результате этого металл нагревается.

         Со стороны внутреннего электрического поля на электрон действует сила

F = e E,      (2)

сообщая ему ускорение

.      (3)

Среднее время пробега     на длине свободного пробега    

 .     (4)

За время  электрон приобретает максимальную скорость дрейфа (скорость упорядоченного движения). Из (3) и (4) получим выражения для максимальной

и средней скорости дрейфа

                                                .                       (5)

        Рассмотрим цилиндрический  участок проводника постоянного сечения dS и длиной udt. За время dt через сечение dS пройдет полный заряд

                                              dq = en< u >dS dt.                       (6)

В соответствии с этим  и с учетом (5) величину тока через поверхность dS определим по формуле

                                              d I =   =  e n u dS.            .               (7)

Отношение силы тока к площади сечения, через которое он протекает, называют плотностью тока .  Это векторная величина, совпадающая по направлению со скоростью упорядоченного движения положительного заряда в соответствии с (5) и (7), запишется

                          ,                         (8)

где вектор d численно равен величине элементарной площадки dS и совпадает по направлению с внешней нормалью - удельная электропроводность вещества ( = 1/, - удельное электросопротивление)

         Это выражение представляет закон Ома в дифференциальной форме, позволяющей найти плотность тока в любой точке проводника.

         Рассмотрим однородный проводник длины и сечения S 

                                                                    

В этом проводнике ток I = jS, а U = 1 -  2 = E                                  (9)

Из уравнений (7) и (8) получим закон Ома в интегральной форме

,     (10)

где

.     (11)

Опыт показывает, что сопротивление чистых металлических проводников растет с температурой, причем в небольших интервалах температур можно считать этот рост линейным

                                         R = R0 (1+ t0) ,                                                      (12)

где   310-3  1/град – температурный коэффициент сопротивления,

R0  сопротивление проводника при 00С.

ОПИСАНИЕ  ЛАБОРАТОРНОЙ  УСТАНОВКИ

       В работе используются две электрические схемы (на установке они обозначены «Сх 1» и «Сх 2»), в которых исследуемым проводником является нихромовая проволока АВ с фиксированной длиной. Рабочий участок проволоки представлен условно отрезком ВС. В обоих схемах изменяют ток I, проходящий по проводнику АВ, регулируя напряжение питания U0. Сопротивление вольтметра обычно во много раз больше сопротивления амперметра, поэтому током через вольтметр можно пренебречь.

1. Рассмотрим схему 1.  На данной схеме вольтметр измеряет напряжение U на участке проводника ВС длиной . Фиксируя длину и меняя ток I, с помощью потенциометра П снимают показания вольтметра. По этим данным строят вольт-амперную характеристику для участка проводника ВС= (зависимость тока I от напряжения U при =const, рис.3). По тангенсу угла наклона построенной прямой вычисляют среднюю величину сопротивления участка ВС по формуле

,.(13)

Измеряя длину участка проволоки ВС и ее диаметр, вычисляют величину среднего удельного сопротивления проводника

(14)   

Оценивают   по   формуле

             (15)                                                         значение дрейфовой  скорости и  сравнивают ее со средней квадратичной  скоростью движения электрона, вычисленной для комнатной температуры (е=1,610-19 кл, n=1023 см-3).

2. Рассмотрим схему 2. В ней вольтметр измеряет напряжение на амперметре и участке проводника ВС, падения напряжения на которых равны соответственно UA и UВС , т.е. U=UА + UВС , а ток  ,  где Rn  полное сопротивление проводника ВС и амперметра.

                                .                                   (16)

Изменяя длину проводника ВС и фиксируя соответствующие им показания вольтметра при I=const , строят график зависимости Rn=Rn(). Убедившись, что она имеет линейный характер, и продолжая прямую до пересечения с осью ординат, определяют внутреннее сопротивление амперметра (рис. 1). По тангенсу угла наклона прямой определяют удельное сопротивление проводника по формуле

,     (17)

откуда

= tg  S .

Конструктивно установка выполнена в одном корпусе, ручки управления находятся на передней панели корпуса.

ИЗМЕРЕНИЯ  И  ОБРАБОТКА  РЕЗУЛЬТАТОВ  ИЗМЕРЕНИЯ

                                            

 

 

  

 

 

                     

На рис.2 представлен общий вид установки для изучения электросопротивления нихромовой проволоки 1, натянутой между неподвижными кронштейнами 2 и 3, установленными на стойке 4. Стойка 4 закреплена на основании 5, на котором размещен блок питания (на рис. не показан). На лицевой панели 6 расположен миллиамперметр 7 и вольтметр 8. Контакт с нихромовой проволокой осуществляется токосъемным контактом 9. Величиной переходного сопротивления токосъемного контакта с проволокой в работе пренебрегаем. Длина рабочего участка нихромовой проволоки (на рис. 2 это ВС) фиксируется визирной меткой 10 на линейке 11. Номерами 12 и 13 обозначены изображенные на панели схемы «Сх 1» и «Сх 2».

         Упражнение 1. Установление зависимости между током и напряжением в проводнике

  1.  Включить тумблер «Сеть». Должна загореться индикаторная лампочка.
  2.  Установить кнопку рода работ в положение «В-А» (вольтметр-амперметр). Стрелки этих приборов должны отклониться вправо.
  3.  Установить кнопку 14 в положение Сх 2 (рис. 1, схема 1).
  4.  Зафиксировать подвижный кронштейн с контактом 9 примерно посередине длины нихромовой проволоки.
  5.  Изменяя ток от 40 до 240 mА через 20 mA (не менее 10 раз), снимаем показания вольтметра. Данные занести в таблицу 1.

Таблица 1

п/п

=

R,0 м

d, м

S, м2

, 0 мм

I, A

U, B

  1.  Построить вольт-амперную характеристику, т.е. зависимость I=f(u).

Найти tg .

Вычислить сопротивление R (формула 13) и удельное сопротивление проволоки (формула 14).

Оценить дрейфовую скорость по максимальному значению тока (см. формулы (7) и (15).

         Упражнение 2.Изучение зависимости сопротивления проводника от его длины.

  1.  Установить кнопку 14 в положение Сх 1 (рис. 1, схема 2).
  2.  Зафиксировать одно из значений тока в диапазоне (0,2-0,3) А.
  3.  Установить контакт 9 на длине проводника - 10 см и снять показания вольтметра.
  4.  Увеличивая длину проводника каждый раз на = 5 см, провести 6-7 измерений. Вычислить .
  5.  Занести результаты в таблицу 2.

Построить зависимость RВС = f (i).

Таблица  2

I =

п/п

i ,  м

Ui ,  B

RBC ,  Ом

8. Оценить сопротивление амперметра и сравнить его с паспортным     (0,29 Ом)

  1.  Используя формулу (17), по тангенсу угла наклона прямой вычислить удельное сопротивление нихромовой проволоки.

Вычислить среднее значение удельного сопротивления <> нихромовой проволоки по результатам заданий 1 и 2.

Сделать выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ  ВОПРОСЫ

  1.  Основные положения классической теории электропроводности металлов.
  2.  Условия появления и существования электрического тока.
  3.  Получить закон Ома в дифференциальной и интегральной форме.
  4.  Как определяется сопротивление и удельное сопротивление проводника в работе?
  5.  Как определяется сопротивление амперметра?
  6.  Что понимают под дрейфовой скоростью?
  7.  Природа линейной вольтамперной характеристики проводников.
  8.  Схемы включения в цепи амперметра и вольтметра.
  9.  Что такое электрический ток, сила тока.
  10.  Дайте определение и запишите формулу плотности тока.

19


S

 1     l       2

V

C

C

B

B

A

A

A

A

U0

U0

                       Рис. 1

  Схема 1                        Схема 2                       

4

10

9

8

7

6

5

3

2

1

14

13

12

11

V

mA

 Рис. 2

RA

Rn

U

I

Рис. 3

Рис. 4

  1.  

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

74485. Финансовое планирование. Формирование и распределение прибыли на предприятии 159.5 KB
  Планирование финансовой деятельности предприятия тесно связано с конечными результатами производства важнейшим из которых в условиях рыночных отношений является общая прибыль или совокупный доход что требует усиления роли финансов в достижении этих показателей. Доход предприятия или прибыль является в условиях рынка основой самофинансирования всех видов производственнохозяйственной деятельности и социальнотрудовых отношений персонала. Валовая прибыль определяет величину общего совокупного дохода предприятия без...
74486. ТЕХНИКА ПЕРЕГОВОРНЫХ ПРОЦЕССОВ 72.5 KB
  При проведении переговоров важно понимать общие закономерности делового общения что позволит анализировать ситуацию учитывать интересы партнера говорить на общем языке. В процессе переговоров можно выделить три основные стадии: подготовка к переговорам; процесс их ведения; анализ результатов переговоров и выполнение достигнутых договоренностей. Основные этапы переговоров способы подачи позиции Исходный пункт любых управленческих действий это определение цели. Ошибается тот кто в качестве цели переговоров ставит безоговорочное...
74487. Особенности делового общения: деловая беседа, деловые переговоры, деловые совещания, деловые дискуссии 66 KB
  Структура деловой беседы: подготовка к деловой беседе; установление места и времени проведения встречи; начало беседы: вступление в контакт; постановка проблемы и передача информации информирование партнёров; аргументирование выдвигаемых положений; опровержение доводов собеседника; анализ альтернатив поиск оптимального или компромиссного варианта либо конфронтация участников; принятие решения; фиксация договорённостей; завершение беседы; анализ результатов беседы своей тактики общения. является трудным и ответственным делом...
74488. Конфликты. Формы работы с конфликтами и методы их разрешения 217.5 KB
  Конфликты. Конфликты всегда существовали существуют и будут существовать они неотъемлемая часть человеческих взаимоотношений. Возможность возникновения конфликтов существует во всех сферах. Конфликты рождаются на почве ежедневных расхождений во взглядах разногласий и противоборства разных мнений нужд побуждений желаний стилей жизни надежд интересов и личностных особенностей.
74489. Стили и средства общения 479.5 KB
  Конкретный выбор стиля общения определяется многими факторами: личностными особенностями человека его мировоззрением и положением в обществе характеристиками этого общества и многим другим. Все присутствующие знают друг друга лет двадцать собираются вместе 3–4 раза в год сидят несколько часов и говорят об одном и том же. Когда ваша рука захватывает руку другого человека так что ладонь оказывается поверхностью вниз – это свидетельствует о том что вы хотите главенствовать в процессе общения с вашим партнёром рис. Оно бывает необходимо в...
74490. Этика и этикет делового общения 57 KB
  Нравственные эталоны и образцы поведения руководителя: Стремитесь превратить вашу организацию в сплочённый коллектив с высокими моральными нормами общения. etiquette означает установленный порядок поведения гделибо. Деловой этикет – важнейшая сторона морали профессионального поведения делового человека. Деловой этикет – результат длительного отбора правил и форм наиболее целесообразного поведения которое способствовало успеху в деловых отношениях.
74491. Общая характеристика общения 100.5 KB
  Общение – это сложный многоплановый процесс установления и развития контактов между людьми порождаемый потребностями совместной деятельности и включающий в себя обмен информацией выработку единой стратегии взаимодействия восприятия и понимание другого человека. Перцептивная сторона общения Вопрос о том как происходит чтение другого человека что позволяет нам понимать его поведение встают перед каждым из нас. Для того чтобы понимать это необходимо ответить на следующие вопросы: Как формируется первое впечатление Как происходит...
74492. РУКОВОДСТВО И ЛИДЕРСТВО 113 KB
  В первом случае руководитель отождествляя себя с более крупными группами организации нежели с группой подчиненных может считать что эмоциональная привязанность к рабочей группе может стать тормозом на его пути. Однако недостатков больше чем достоинств: высокая вероятность ошибочных решений; подавление инициативы творчества подчиненных замедление нововведений застой пассивность сотрудников; неудовлетворенность людей своей работой своим положением в коллективе; неблагоприятный психологический климат подхалимы козлы отпущения...
74493. ТЕХНИКА И ТАКТИКА АРГУМЕНТИРОВАНИЯ 82 KB
  Правило №1 правило Гомера Очередность приводимых аргументов влияет на их убедительность. Как видно из примера причина неудачи в том что просительница нарушила правило Гомера. Правило №2 правило Сократа Для получения положительного решения по очень важному для вас вопросу поставьте его на третье место предпослав ему два коротких простых для собеседника вопроса на которые он без затруднения скажет вам да. Правило №3 правило Паскаля Не загоняйте собеседника в угол.