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

29518. Діагностика сексуальних розладів (тестування) 42 KB
  При психологічній діагностиці сексуальної патології повинен проводитись диференціальний діагноз з порушеннями. При психологічному обстеженні осіб з сексуальними порушеннями виявляється підвищення âневротичноїâ частини профілю âпікиâ: статева дисфункція без органічної патології високий підйом за шкалою істерії; розлади сексуальної переваги психопатії. Келлі дозволяє виявити основні фактори які затримують досягнення гармонії в статевих відносинах а також індивідуальну систему життєвих цінностей і орієнтацій які...
29519. Конфликт: предотвращение и управление 84 KB
  Моргунов В этой теме вы узнаете: Все о конфликтах о типологии конфликтов а также их предотвращении; О причинах и фазах конфликта; О конфликте и эмоциях; О задачах и основных понятиях конфликтологии; О типичных ошибках конфликтологии и технологии разрешения конфликта; Необходимо сразу оговорить что безконфликтных организаций не существует. Поэтому понимать истоки конфликта и уметь управлять его течением и разрешением неотъемлемое умение руководителя. Если противоречие получает развитие говорят о возникновении конфликта....
29520. Организация как система 44.5 KB
  Общая теория систем это не столько научная теория в традиционном смысле слова сколько комплекс методологических подходов к обширному классу объектов объединенных названием сложные системы Шрейдер Ю. Определения и свойства системы Часть смысловых связей понятия система можно обнаружить в его противопоставлении с несколькими понятиями: система беспорядочное образование; система аморфность; система случайная совокупность; система случайность; система множество из элементов не связанных в целое.Блюменфельду системой...
29521. Управление нововведениями в организации 78.5 KB
  Управление нововведениями в организации Е.Моргунов В этой теме вы узнаете: О том как управлять инновациями в организации; О видах изменений происходящих в жизни организации; О технологиях работы с организационным сопротивлением; Рекомендациях по внедрению изменений. Понятие изменение подразумевает что между двумя последовательными моментами времени имеются заметные различия в ситуации человеке рабочей группе организации или взаимоотношениях. Изменения в организации могут касаться любого аспекта или фактора.
29522. Организационная культура. Компоненты и уровни организационной культуры 83 KB
  Моргунов В этой теме вы узнаете: Об организационной культуре; О компонентах и уровнях организационной культуры; О характеристиках поведения руководителей; Все организации независимо от формы собственности и целей деятельности создаются и живут в определенной среде носящей название культура. Общеупотребимого определения культуры нет хотя интуитивно ясно что это такое. В дополнение к нормам принятым в обществе каждая группа людей в том числе и организация вырабатывает собственные культурные образцы которые получили название...
29523. Коммуникативное поведение в организации 49 KB
  Моргунов В этой теме вы узнаете: Об общении и функциях общения в организации; О возможностях понимания человека человеком; Об эффектах межличностного восприятия; О половых различиях в общении. Источники информации в общении сигналы непосредственно от другого человека сигналы от собственных сенсорноперцептивных систем информация о внешних по отношению к общению условиях информация об итогах деятельности информация от внутреннего опыта информация о вероятном будущем. Теория транзакций Эрик Берн 1902 1970 развивал...
29524. ПОВЕДЕНИЕ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОРГАНИЗАЦИИ 68.5 KB
  Школа научного управления 1885 1920. Школа научного управления наиболее тесно связана с именами Фредерик Уинслоу Тейлор Фрэнк Банкер Гилбрет с женой Лилиан Генри Лоуренс Гантт.Тейлором 1856 1915 который возглавил движение научного управления. Он интересовался эффективностью деятельности не отдельного человека а организации что и положило начало развитию школы научного управления.
29525. Активация, утомление и другие состояния работника 101.5 KB
  Так например для состояния утомления характерны совершенно определенные сдвиги в деятельности сердечнососудистой системы. По мере развития утомления в первую очередь наблюдается снижение силы сердечных сокращений. Поэтому диагностически значимыми для состояния утомления являются не сами по себе симптомы увеличенной частоты сердечных сокращений повышенного артериального давления и изменения минутного объема крови в их непосредственном количественном выражении а направление и величина сдвигов этих показателей и соотношений между ними....
29526. Группа: как управлять коллективом 60.5 KB
  Фрезер в 1978м году предложил список 6ти основных характеристик группы: взаимодействие членов восприятие группы как чегото реального наличие групповых целей формирование норм взаимодействия в группе синергетический эффект от взаимодействия в группе эмоциональные отношения между членами группы относительная закрепленность ролей. Психологической группой можно назвать некоторое число людей которые: взаимодействуют друг с другом знают друг друга воспринимают себя членами одной группы. Свойства группы: размер...