Порядок выполнения работы. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.2
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.2 «Исследование температурной зависимости Сопротивления нити лампы накаливания При её нагревании электрическим током» Цель работы: измерение сопротивления различными способами и исследование зависимости сопротивления нити лампы накаливания от температуры.
Теоретическая часть В зависимости от концентрации свободных носителей зарядов все вещества делятся на: Проводники – вещества, в которых электрические заряды могут свободно перемещаться по всему объему. Существует два типа проводников: Проводники 1 рода (все металлы) – перемещающимися в них зарядами являются свободные электроны и перемещение зарядов не вызывает химических изменений в этих проводниках. Проводники 2 рода (электролиты) – в них перемещающимися носителями являются положительные и отрицательные ионы, что ведет к химическим изменениям в проводниках. Диэлектрики (изоляторы) – тела в которых практически нет свободных носителей заряда. Полупроводники – занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Их электропроводность зависит в значительной мере от внешних условий (в частности от температуры). Проводники 1-го рода. Г. Ом экспериментально установил, что сила тока текущего по однородному металлическому проводнику пропорциональна падению напряжения на проводнике: (1) где R – электрическое сопротивление, одна из характеристик электрических свойств вещества, величина которого зависит от формы и размеров проводника и свойств материала, из которого он изготовлен. Для однородного линейного проводника сопротивление R прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально площади его поперечного сечения. (2) где ρ - удельное электрическое сопротивление. Закон Ома можно записать в дифференциальной форме: (3) где γ - называется коэффициентом электропроводности (электропроводностью). Способность вещества проводить электрический ток характеризуется его удельным сопротивлением ρ, либо электропроводностью . Эти величины определяются химической природой вещества и условиями, в частности температурой. Для большинства металлов удельное сопротивление (сопротивление) растет с температурой приблизительно по линейному закону: (4) (4.1) где α – температурный коэффициент сопротивления, зависящий от материала проводника; R0 - сопротивление при t=00 С. В большинстве случаев зависимость ρ(Т) следует кривой изображенной на графике.
Рис.1
Величина остаточного сопротивления в сильной степени зависит от чистоты материала. У абсолютно чистого материала с идеально правильной кристаллической решеткой при абсолютном нуле ρ=0. Объяснение зависимости удельного сопротивлении (сопротивления) проводников от температуры дает элементарная теория электропроводности металлов. Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов. Свободные электроны, способные перемещаться по металлу получили название электронов проводимости. Электроны проводимости в металле ведут себя подобно молекулам идеального газа. В промежутках между соударениями они движутся совершенно свободно, пробегая в среднем некоторый путь . Но в отличие от молекул газа, пробег которых определяется соударениями молекул друг с другом, электроны проводимости сталкиваются преимущественно не между собой, а с ионами, образующими кристаллическую решетку металла. Средняя скорость теплового движения электронов может быть определена по формуле: (5) Для комнатной температуры ( - 300 K) - . При наложении внешнего электрического поля на хаотическое движение электронов накладывается упорядоченное движение, в направлении, противоположном направлению поля. Таким образом, фактическое движение электронов представляет собой сумму беспорядочного и упорядоченного движений. Величину упорядоченной скорости можно определить из формулы плотности тока: (6), где е – заряд электрона, n – концентрация. Эта величина равна u≈10-3м/с. Таким образом, средняя скорость упорядоченного движения в 108 меньше скорости теплового движения. Поэтому, при вычислениях модуль результирующей скорости можно заменить . Согласно классической электронной теории скорость электрона сразу после соударении с ионами решетки равна нулю. Если напряженность поля остается постоянной (E=const) , то под действие поля электрон получит постоянное ускорение, равное (7) и к концу пробега скорость упорядоченного движения достигнет максимального значения: (8) Не учитывая, распределение электронов по скоростям и учитывая, что и что время свободного пробега равно: , получим: (9) Среднее значение скорости за время равно: (10) Подставив это значение в формулу (7) , получим (11) - закон Ома. Величина (12) представляет собой электропроводность. Если бы электроны не сталкивались с ионами решетки, то длина свободного пробега, а соответственно и проводимость были бы бесконечно велики. Таким образом, электрическое сопротивление проводников обусловлено соударениями свободных электронов с ионами кристаллической решетки. Положительные ионы металла препятствуют движению электронов. С увеличением температуры проводника тепловое движение ионов становится более интенсивным и увеличивается число столкновений электронов с ионами, поэтому сопротивление возрастает. Классическая теория металлов имеет некоторые несоответствия. Но объяснение этих несоответствий дает квантовая теория металлов. Проводники 2-го рода. Носителями тока в проводниках 2-го рода служат ионы, на которые диссоциируют (расщепляются) в растворе молекулы растворенного вещества. С повышением температуры связь между ионами молекулы может оказаться разорванной за счет энергии теплового движения в этом случае молекула разделяется на 2 или большее количество ионов разных знаков (диссоциируют). То есть возрастает степень диссоциации молекул, (13) - равная отношению числа диссоциированных молекул n электролита к общему числу молекул n0. Это означает, что возрастает число ионов в электролите, которые являются в нем носителями зарядов. Таким образом, при повышении температуры коэффициент диссоциации и подвижность ионов увеличиваются, и проводимость электролитов возрастает с температурой, и соответственно уменьшается сопротивление.
Описание установки В данной работе проводят измерение сопротивления нити лампы накаливания в холодном и горячем состояниях. Измерение сопротивления в холодном состоянии можно провести с помощью моста постоянного тока МО-62 или с помощью цифрового мультиметра, работающего по принципу моста. Измерение сопротивления нити в нагретом состоянии производится методом амперметра и вольтметра. В данной работе измерение сопротивления в холодном состоянии осуществляется мультиметром, в горячем состоянии на стенде.
Стенд Мост МО-62 Рис. 2 Мостовая схема постоянного тока, часто называемая сокращено мостом Уинстона, представляет собой замкнутый контур (рис.3), состоящий из двух параллельных ветвей АСВ и АДВ, включенных в цепь источника тока. АВ является проводом, по которому скользит контакт Д.
Рис. 3
Каждая цепь состоит из двух сопротивлений RxR и R1R2. Точка Д может перемещаться, изменяя сопротивления R1 и R2. Когда цепь замкнута - по мосту идет ток и стрелка гальванометра отклоняется. Однако при определенном соотношении между сопротивлениями - тока в гальванометре не будет.Найдем это соотношение, применив второй закон Кирхгофа для контуров АСДА и СВДС: Разделив уравнение одно уравнение на другое, получим: Зная R и отношение , можно вычислить неизвестное сопротивление. В этих условиях процесс измерений на мостовой схеме заключается в установке в магазине сопротивления R (близкого по значению к измеряемому сопротивления) и в отыскании при помощи скользящего контакта такого положения моста, при котором сила тока в гальванометре обращается в ноль. Эта операция подбора положения движка называется уравновешиванием моста. Условие равновесия моста может быть записано: (16) где R – отсчет по магазину плеча сравнения, N – множитель для изменения пределов измерения.
Мост МО-62 На передней панели прибора (рис.2) смонтированы: - рукоятки 6 декадных магазинов сопротивлений, пять из которых ( ) соединены последовательно и образуют плечо сравнения моста (аналогично сопротивлению R в мосте Уинстона). Сопротивления 6-ой декады соединены между собой последовательно и образуют плечи отношений моста МО-62 (аналогично отношению в мосте Уинстона) на панели указаны отношения плечей Порядок выполнения работы Упражнение 1. Измерение сопротивления нити лампы накаливания в холодном состоянии. Измерение сопротивления нити лампы накаливания в холодном состоянии мультиметром. 1. Тумблер 1 на стенде включить в положение 1 (рис. 2). 2. Подключить мультиметр: черный провод – гнездо «com»; красный провод – гнездо VΩma. Вторые концы проводов подключить к гнездам стенда: черный провод – гнездо черное; красный провод – гнездо красное. 3. Включить мультиметр в положение 200 Ω и измерить сопротивление нити в холодном состоянии R0 = Упражнение 2. Определение сопротивления нити лампы накаливания в горячем состоянии методом амперметра и вольтметра. 1. Переключатель «1» перевести в положение 2. Поставить переключатель «сеть» в положение «вкл». 2. Установить с помощью регулятора «2» напряжение 0,5В. Снять показания амперметра. 3. Повторить измерения через каждые 0,5В. Показания занести в таблицу.
Таблица
Популярное: Модели организации как закрытой, открытой, частично открытой системы: Закрытая система имеет жесткие фиксированные границы, ее действия относительно независимы... Личность ребенка как объект и субъект в образовательной технологии: В настоящее время в России идет становление новой системы образования, ориентированного на вхождение... Как вы ведете себя при стрессе?: Вы можете самостоятельно управлять стрессом! Каждый из нас имеет право и возможность уменьшить его воздействие на нас... ©2015-2020 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (1967)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |