Вопрос. Электрический ток в металлах. Природа электрического сопротивления и его зависимость от температуры. Зависимость силы тока от температуры

Температура проводника с током

Все проводники при прохождении по ним электрического тока нагреваются и отдают тепло окружающей среде (воздуху, жидкости, твердому телу). Температура нагрева проводника будет повышаться до тех пор, пока количество тепла, получаемое проводником, не станет равным количеству тепла, отдаваемому проводником окружающей среде. Температура нагрева проводника зависит от тока в проводнике, сечения и материала проводника и условий охлаждения. При заданных токе и материале проводника температура нагрева не зависит от его длины, так как чем больше длина, тем больше поверхность охлаждения.

Если выбрать проводник из определенного материала и поместить его в определенные условия охлаждения, то нагрев такого проводника током будет больше, чем больше плотность тока в самом проводнике.

В целях экономии материала стараются пропустить по проводнику наибольший ток, но для каждого проводника существует температура, выше который проводник нельзя нагревать по ряду причин. Так, например, проводники, имеющие в качестве изоляции резину и хлопчатобумажную оплетку, в целях предохранения изоляции от порчи не должны нагреваться выше 50 °С. Поэтому в зависимости от сечения проводники выбирают на определенную плотность тока. Например, наибольшая допустимая плотность тока для изолированных проводов и кабелей, проложенных не в земле, в зависимости от сечения, показана в таблице 1.

Таблица 1

Допустимая плотность тока для изолированных медных проводов

Сечение в мм²	Ток в А	Плотность тока в А/мм²		Сечение в мм²	Ток в А	Плотность тока в А/мм²
0,751 1,52,5 46 1016 2535	1315 2027 3646 6892 123152	17,415,0 13,310,8 9,07,7 6,85,7 4,94,3		5070 95120 150185 240300 400	192242 292342 392450 532614 737	3,83,5 3,12,8 2,62,4 2,22,0 1,8

Как видно из таблицы, плотность тока с увеличением сечения проводников уменьшается. Это объясняется тем, что проводники небольших сечений, нагреваясь отдают свое тепло окружающей среде, в то время как внутренние слои проводника большого сечения, нагреваясь, свое тепло могут передавать только соседним слоям проводника, которые сами уже нагреты.

Неизолированные ("голые") провода благодаря лучшему охлаждению допускают большие величины плотности тока (таблица 2).

Таблица 2

Допустимая плотность тока для изолированных проводов

Сечение в мм²	В закрытом помещении		На воздухе
Сечение в мм²	ток в А	плотность тока в А/мм²	ток в А	плотность тока в А/мм²
46 1016 2535 5070 95	5773 103130 165210 265340 410	14,212,2 10,38,1 6,66,0 5,34,8 4,3	5876 108150 205270 335425 510	14,512,6 10,89,4 8,27,7 6,76,1 5,4

Следует отметить, что если медный изолированный провод сечением 25 мм² допускает ток 123 А, то сечение алюминиевого провода при том же токе нужно брать не 25 мм², а в 1,5 раза больше, так как иначе провод будет перегреваться вследствие большого удельного сопротивления алюминия.

Энергия электрического тока, расходуемая на нагревание проводов, теряется бесполезно. Поэтому при расчете проводов тепловые потери стараются свести не более чем к 5 – 10 % от всей энергии.

Но не всегда нагрев проводника является нежелательным. Тепловые действия электрического тока имеют многочисленное практическое применение, и тепло, выделяемое током, проходящим по проводнику, часто стараются получить в большом количестве. В следующих статьях описаны некоторые случаи практического применения тепловых действий тока.

Источник: Кузнецов М. И., "Основы электротехники" - 9-е издание, исправленное - Москва: Высшая школа, 1964 - 560с.

www.electromechanics.ru

Зависимость сопротивления от температуры — Знаешь как

Повышение температуры металлического проводника вызывает увеличение числа столкновений свободных электронов с атомами, вследствие чего уменьшается средняя скорость направленного движения электронов, что соответствует увеличению сопротивления. Таким образом, изменение сопротивления проводника от температуры зависит от строения материала проводника.

Относительное приращение сопротивления многих металлических проводников при изменении температуры в пределах 100° С пропорционально изменению температуры.

Таким образом,

Δr : r1 = (r2 — r1) : r1 = α(02 — 01)

откуда

r2 = r1+ r1α(02 — 01)

или окончательно

r2 = r1[1+α(02 — 01)]

где r1 и r2 — сопротивления при температурах 01 и 02;

α — температурный коэффициент сопротивления — относительное изменение сопротивления при повышении температуры на 1 °С.

Температурный коэффициент меди α = 0,004 1/град. Это обозначает, что при изменении температуры медного провода на 1 °С сопротивление его изменится на 0,4%.

Формулу можно использовать для измерения температуры O2 провода (обмотки машины), для чего при известных r1 α и 01 следует измерить сопротивление r2 и искомую температуру найти по формуле

02 = (r2 — r1) : αr1 + 01

Формула получена путем несложных преобразований из формулы.

Пример 1-3. Определить сопротивление проводов воздушной линии при температурах +20 и —10° С, если сечение медных проводов S = 10 мм2, длина линии 200 м.

Сопротивление двух проводов линии при температуре +20° С:

r1 = ρ(l : S) = 0,0175((2 • 200) : 10) = 0,7 ом

Сопротивление тех же проводов при температуре —10° С: r2 = r1[1 + α(02 — 01)] = 0,7[1+0,004 (— 30)] = 0,616 ом.

Пример 1-4. При температуре 01 = 20° С сопротивление медной обмотки электродвигателя r1 = 2,24 ом. После двух часов работы электродвигателя сопротивление той же обмотки r2 = 2,8 ом. Определить температуру обмотки электродвигателя после двух часов работы:

02 = (r2 — r1) : αr1 + 01 = (2,8 -2,4) : 0,004 • 2,4 + 20 ≈ 62° С

Статья на тему Зависимость электрического сопротивления от температуры

znaesh-kak.com

§ 14. Тепловое действие тока

Выделение тепла при прохождении электрического тока. Припрохождении электрического тока по проводнику в результате столкновений свободных электронов с его атомами и ионами проводник нагревается.Количество тепла, выделяемого в проводнике при прохождении электрического тока, определяется законом Ленца — Джоуля. Его формулируют следующим образом. Количество выделенного тепла Q равно произведению квадрата силы тока I2, сопротивления проводника R и времени t прохождения тока через проводник:

Q = I2Rt (34)

Если в этой формуле силу тока брать в амперах, сопротивление в омах, а время в секундах, то получим количество выделенного тепла в джоулях. Из сравнения формул (29) и (34) следует, что количество выделенного тепла равно количеству электрической энергии, полученной данным проводником при прохождении по нему тока.

Допустимая сила и плотность тока. Превращение электрической энергии в тепловую нашло широкое применение в технике. Оно происходит, например, в различных производственных и бытовых электронагревательных приборах (электрических печах, электроплитах, электрических паяльниках и пр.), в электрических лампах накаливания, аппаратах для электрической сварки и пр. Однако во многих электрических устройствах, например в электрических машинах и аппаратах, электрических проводах и т. д., превращение электрической энергии в тепло вредно, так как это тепло не только не используется, а наоборот, ухудшает работу этих машин и аппаратов, а в некоторых случаях может вызвать повреждения и аварии.Каждый проводник в зависимости от условий, в которых он находится, может пропускать, не перегреваясь, ток силой, не превышающей некоторое допустимое значение. Для определения токовой нагрузки проводов часто пользуются понятием допустимой плотности тока J (сила тока I, приходящаяся на 1 мм2 площади s поперечного сечения проводника):

J = I/s (35)

Допустимая плотность тока зависит от материала провода (медьили алюминий), вида применяемой изоляции, условий охлаждения, площади поперечного сечения и пр. Например, допустимая плотность тока в проводах обмоток электрических машин не должна превышать 3—6 А/мм2, в нити осветительной электрической лампы — 15 А/мм2. В проводах силовых и осветительных сетей плотность тока может быть различной в зависимости от площади поперечного сечения провода и его изоляции. Например, для медных проводов с резиновой изоляцией и площадью поперечного сечения 4 мм2 допускается плотность тока 10,2 А/мм2, а 50 мм2 — только 4,3 А/мм2; для неизолированных проводов тех же площадей сечения — 12,5 и 5,6 А/мм2. Уменьшение допустимой плотности тока при увеличении площади поперечного сечения провода объясняется тем, что в проводах с большей площадью сечения отвод тепла от внутренних слоев затруднен, так как сами они окружены нагретыми слоями. Для неизолированных проводов допускается большая температура нагрева, чем для изолированных.Превышение допустимого значения силы тока в проводнике может вызвать чрезмерное повышение температуры, в результате этого изоляция проводов электродвигателей, генераторов и электрических сетей обугливается и даже горит, что может привести к короткому замыканию и пожару. Неизолированные же провода могут при высокой температуре расплавиться и оборваться.Для того чтобы предотвратить недопустимое увеличение силы тока, во всех электрических установках должны приниматься меры для автоматического отключения от источников электрической энергии тех приемников или участков цепи, в которых имеет место перегрузка или короткое замыкание. Для этой цели в технике широко используют плавкие предохранители, автоматические выключатели и другие устройства.

Нагрев в переходном сопротивлении. Повышенный нагрев проводника, как следует из закона Ленца — Джоуля, может происходить г не только вследствие прохождения по нему тока большой силы, но и вследствие повышения сопротивления проводника. Поэтому для надежной работы электрических установок большое значение имеет значение сопротивления в месте соединения отдельных проводников. При неплотном электрическом контакте и плохом соединении проводников (рис. 32) электрическое сопротивление в этих местах (так называемое переходное сопротивление электрического контакта) сильно возрастает, и здесь происходит усиленное выделение тепла. В результате место неплотного соединения проводников будет представлять собой опасность в пожарном отношении, а значительный нагрев может привести к полному выгоранию плохо соединенных проводников. Во избежание этого при соединении проводов на э. п. с. и тепловозах концы их тщательно зачищают, облуживают и впаивают в кабельные наконечники, ко-

Рис. 32. Схемы выделения тепла и возникновения искрения при неплотном электрическом контакте

торые надежно прикрепляют болтами к зажимам электрических машин и аппаратов. Специальные меры принимают и для уменьшения переходного сопротивления между контактами электрических аппаратов, осуществляющих включение и выключение тока.

electrono.ru

Вопрос. Электрический ток в металлах. Природа электрического сопротивления и его зависимость от температуры.

Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля.

Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов (опыт Толмена и Стьюарта):

Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки с помощью гибких проводов были присоединены к чувствительному баллистическому гальванометру. Раскрученная катушка резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременных ток, обусловленный инерцией носителей заряда. Полный заряд, протекающий по цепи, измерялся гальванометром.

Сила тока в проводнике пропорциональная скорости упорядоченного движения частиц. В этом состоит качественное объяснение закона Ома на основе электронной теории проводимости металлов.

Условия движения электронов в металле таковы, что классическая механика Ньютона неприменима для описания движения.

Зависимость сопротивления проводника от температуры.

Каждое вещество имеет свое удельное сопротивление. Причем сопротивление будет зависеть от температуры проводника. Убедимся в этом, проведя следующий опыт:

Пропустим ток через стальную спираль. В цепи со спиралью подключим последовательно амперметр. Он покажет некоторое значение. Теперь будем нагревать спираль в пламени газовой горелки. Значение силы тока, которое покажет амперметр, уменьшится. То есть, сила тока будет зависеть от температуры проводника.

Температурный коэффициент сопротивления численно равен относительному изменению сопротивления проводника при нагревании его на 1 Кельвин.

Для всех металлов температурный коэффициент больше нуля. При изменениях температуры он будет незначительно меняться. Поэтому, если изменение температуры невелико, то температурный коэффициент можно считать постоянным, и равным среднему значению из этого интервала температур.

Растворы электролитов с ростом температуры сопротивление уменьшается. То есть для них температурный коэффициент будет меньше нуля.

Сопротивление проводника зависит от удельного сопротивления проводника и от размеров проводника. Так как размеры проводника при нагревании меняются незначительно, то основной составляющей изменения сопротивления проводника является удельное сопротивление.

Когда мы повышаем температуру, то увеличивается амплитуда колебаний ионов в узлах кристаллической решетки. Следовательно, свободные электроны будут чаще с ними сталкиваться. При столкновении они будет терять направленность своего движения. Следовательно, сила тока будет уменьшаться.

Билет 6.

Вопрос. Закон сохранения импульса. Реактивное движение. К.Э. Циолковский - основоположник теории космических полетов. История развития космонавтики.

Закон сохранения импульса.

Силы, возникающие в результате взаимодействия тела, принадлежащего системе с телом, не принадлежащим ей, называются внешними силами.

Силы, возникающие в результате взаимодействия тел, принадлежащих системе, называются внутренними силами.

Импульс системы тел могут изменить только внешние силы.

Закон сохранения импульса формулируется так: если сумма внешних сил равна нулю, то импульс системы сохраняется.

Импульс также сохраняется в изолированной системе, потому что в этой системе на тела вообще не действуют внешние силы.

Реактивное движение.

Под реактивным движением понимают движение тела, возникающее при отделении некоторой части с определенной скоростью относительно него. При этом возникает реактивная сила.

Например, можно надуть детский резиновый шарик и отпустить его. Шарик стремительно полетит. Реактивная сила будет действовать до тех пор, пока продолжается истечение воздуха.

В настоящее время получили широкое распространение реактивные двигатели. Ими оснащены не только ракеты, но и большая часть современных самолетов.

Любой реактивный двигатель должен иметь, по крайней мере, две составные части:

· Камера сгорания — в нем происходит освобождение химической энергии топлива и её преобразование в тепловую энергию газов.

· Реактивное сопло — в котором тепловая энергия газов переходит в их кинетическую энергию, когда из сопла газы вытекают наружу с большой скоростью, тем самым создавая реактивную тягу.

Основным техническим параметром, характеризующим реактивный двигатель, является тяга — усилие, которое развивает двигатель в направлении движения аппарата.

К. Э. Циолковский — основоположник теории космических полетов. Научное доказательство возможности использования ракеты для полетов в космическое пространство, за пределы земной атмосферы и к другим планетам Солнечной системы было дано впервые русским ученым и изобретателем Константином Эдуардовичем Циолковским (1857—1935). В его труде «Исследование мировых пространств реактивными приборами», опубликованном в 1903 г., была выведена формула, устанавливающая связь между скоростью ракеты, скоростью истечения газов, массой ракеты и массой горючего. Циолковский теоретически обосновал возможность создания ракеты, способной разогнаться до скорости 8 км/с и улететь в космическое пространство. В качестве горючего для такой ракеты он предлагал использовать жидкий водород, а в качестве окислителя — жидкий кислород. Конструкция жидкостной ракеты, по К. Э. Циолковскому, представлена на рисунке 62. В 1929 г. К. Э. Циолковский разработал идею создания «космических ракетных поездов». Теоретические работы К. Э. Циолковского более чем на полвека опередили уровень развития техники. Эти работы послужили основой для создания современной теоретической и практической космонавтики.

Успехи СССР в освоении космического пространства. Идеи К. Э. Циолковского о создании «космических ракетных поездов» — многоступенчатых ракет — были осуществлены советскими учеными и техниками под руководством выдающегося советского ученого, академика Сергея Павловича Королева (1907—1966).

Первый в мире искусственный спутник Земли был с помощью ракеты запущен в Советском Союзе 4 октября 1957 г.

12 апреля 1961 г. гражданин Советского Союза Юрий Алексеевич Гагарин(1934—1968) на космическом корабле «Восток» совершил первый в мире полет в космическом пространстве.

Советские космические ракеты доставили на Землю образцы грунта с поверхности Луны, осуществили мягкую посадку автоматических межпланетных станций на поверхность Венеры и Марса, вывели на околоземную орбиту долговременные орбитальные станции.

Полеты космических кораблей с космонавтами на борту, автоматических межпланетных станций и искусственных спутников Земли используются как для научных исследований в околоземном и межпланетном пространстве, так и для решения практических задач народного хозяйства.

С помощью спутников и автоматических межпланетных станций изучены состав и строение атмосферы Земли на больших высотах, химический состав и физические свойства атмосферы Венеры и Марса, получены изображения поверхности Луны, Венеры и Марса.

Спутники связи «Молния» через наземные станции «Орбита» осуществляют трансляцию телевизионных программ и телефонную связь на любых расстояниях в пределах нашей страны.

Метеорологические спутники «Метеор» используются для исследования процессов, происходящих в земной атмосфере, и составления прогнозов погоды.

Специальные спутники помогают морским судам и самолетам определять свои координаты. Исследования поверхности материков и океанов, выполняемые космонавтами при полетах на орбитальных станциях, позволяют оценить и уточнить природные ресурсы в различных районах земного шара.

2 вопрос. Электрический ток в вакууме. Термоэлектронная эмиссия. Применение вакуумных приборов.

Вакуум - среда, которая содержит газ при давлении значительно ниже атмосферного.

Для создания тока в вакууме необходим специальный источник заряженных частиц. Действие такого источника обычно основано на термоэлектронной эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия - явление вырывания электронов из металла при высокой температуре.

Явление термоэлектронной эмиссии приводит к тому, что нагретый металлический электрод, в отличие от холодного, непрерывно испускает электроны. Электроны образуют вокруг электрода электронное облако. Электрод заряжается положительно, и под влиянием электрического поля заряженного облака электроны из облака частично возвращаются на электрод.

При подключении электродов к источнику тока между ними возникает электрическое поле.

Односторонняя проводимость широко использовалась раньше в электронных приборах с двумя электродами – вакуумных диодах, которые служили, как и полупроводниковые диоды, для выпрямления электрического тока. Однако в настоящее время вакуумные диоды практически не применяются.

Билет 7.

infopedia.su

Экспериментальное изучение зависимости силы тока от температуры электролита

Электропроводность – величина обратная сопротивлению. Известно, что сопротивление в электролитах уменьшается с увеличением температуры. Поэтому на следующем этапе будет установлено, что происходит с проводимостью при увеличении температуры электролита.

Цель эксперимента: исследовать, как сила тока в растворе меняется в зависимости от температуры.

Гипотеза:сила тока в растворе электролита растет при повышении температуры.

Экспериментальная установка. Цепь собрана так же, как и в предыдущем эксперименте. Температура изменяется от 19,8о до 32,8о по шкале Цельсия.

В опыте использован раствор поваренной соли концентрации ω = 0,08.

Ход эксперимента. Электролитическая ванночка наполняется подогретым раствором. По мере остывания раствора фиксируются показания мультиметра и термометра.

Результаты эксперимента приведены в таблице 4.

Таблица 4

Температура, t, оС	Сила тока, I, А
19,8	0,53
21,6	0,58
22,6	0,68
26,2	0,72
28,8	0,87
30,5	1,06
31,9	0,82
32,3	0,81
32,8	0,54

В соответствии с полученными данными, приведенными в таблице, можно построить график зависимости силы тока от температуры.

Рис. 15.

Анализ результата. Полученный результат выглядит на первый взгляд странным. Сила тока вначале растет, а затем падает. Здесь возможно предложить следующее объяснение:

Выведем теоретически закон Ома в виде

j = — E = σE

и установим молекулярный смысл σ.

В проводнике единичного сечения носители заряда q двигаются по электрическому полю через сечение площадью S. Их плотность (то есть число в единице объема) – n. Их средняя скорость1 равна v.

Тогда

j = nqv (3)

F Eq

m m

айдем скорость направленного движения v. Носители заряда обязательно с чем-то сталкиваются, иначе сопротивление R равнялось бы нулю. Обычно это тепловые колебания частиц среды. Среднее время между столкновениями обозначим через τ.

Тогда сила, действующая на заряд q F = Eq; ускорение a = — = ——; заряд между столкновениями успевает набрать скорость

Eq τ

v = aτ = ——

Подставляем (4) в (3) получаем:

nq2τ nq2τ

m m

j = ——— E, откуда σ = ——— (5)

Формула (5) применима для разных носителей: электронов в металле, ионов в электролите и пр.

τ с температурой уменьшается, так как увеличивается интенсивность теплового движения, но слабо. Сильнее может меняться n.

В растворе с увеличением температуры усиливается электролитическая диссоциация. В растворе поваренной соли носители оседали на электродах и концентрация n уменьшалась. Именно по этой причине сила тока в растворе упала.

Рис.16. Электролиз поваренной соли. На фотографии хорошо видно, что электролиз шел очень активно. Желтый цвет раствору придают ионы хлора.

аким образом, в этой главе были экспериментально получены зависимости силы тока в электролитах от некоторых факторов. Было доказано, что электропроводность различных электролитов разная, что сила тока прямо пропорциональна концентрации носителей электрического заряда в растворе и температуре, обратно пропорциональна расстоянию между электродами. Экспериментально полученные зависимости удовлетворяют теоретическим формулам.

§ 2. ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ИОННОГО КРИСТАЛЛА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

Как установлено ранее, всевозможные растворы кислот, щелочей и солей обладают ионной проводимостью. При этом некоторые другие вещества также относятся к этой группе, например: ионный кристалл. Ионный кристалл имеет проводимость, схожую с проводимостью полупроводников, поэтому сила тока, которая через него может пройти, должна быть в серьезной зависимости от его температуры.

Эксперимент 1

Перед его описанием необходимо определить теоретическую зависимость между величиной силы тока и температурой для ионного кристалла.

kБT

n = n0e , где U0 – энергия вакансии, kБ – постоянная Больцмана, а Т - температура.

nq2τ

σ = —— , где τ – среднее время между столкновениями. τ слабо зависит от температуры, а n очень сильно.

ln(σ) = ln(q2τ) – ln(m) + ln(n) ≈ const + ln(n)

Следовательно, ln(σ) = const + ln(n0) – ——, так как ln(n0) = const, то

ln(σ) = const – ——

Таким образом, в этом опыте мы должны построить график в этих координатах (рис.17).

tgα = U0

Рис.17. Зависимость электропроводности ионного кристалла от температуры

Итак, нам необходимо получить график зависимости натурального логарифма проводимости (lnσ) от единицы, деленной на произведение постоянной Больцмана на температуру (1/kБТ).

Цель эксперимента: установить зависимость электропроводности ионного кристалла от его температуры.

Гипотеза: электропроводность ионного кристалла зависит от его температуры.

Экспериментальная установка и ход эксперимента. В качестве образца используем фторид лития – LiF (его проводимость напоминает полупроводниковую) – средней1 шириной 1848 микрона (рис.18). Используем прибор, под названием электрометр1(рис.19,20).

Рис.18. LiF

емпература изменялась по шкале Кельвина в диапазоне от 243 K до 333 K2.

Рис.19. Электрометр

Рис.20. Панель электрометра

Показания электрометра отражают значения электропроводности при различных температурах.

Результаты эксперимента представлены в таблице 53:

Таблица 5

Электропроводность, σ, См · см-1	Температура, K
2,4 · 10-15	243
2,7 · 10-15	253
1,9 · 10-15	263
1,3 · 10-15	273

Обработка результатов. На основании этих данных вычислен натуральный логарифм проводимости σ для каждой величины и определено обратное произведение постоянной Больцмана и температуры 1/kБТ. (при этом постоянная Больцмана: kБ = 1,38064881313131*10-23) (таблица 6).

Таблица 6

Электропроводность, σ, См · 102 · м-1 · 10-15	Натуральный логарифм проводимости, lnσ	1/kБТ, Дж-1 · 1023
2,4	0,875468737	0,002980647
2,7	0,993251773	0,002862835
1,9	0,641853886	0,002753982
1,3	0,262364264	0,002653103

В соответствии с полученными данными, приведенными в таблице, можно построить график зависимости силы тока от обратной температуры (рис.21).

Рис.21. График зависимости силы тока от обратной температуры.

В соответствии с полученными значениями, отображенными на графике, полученная зависимость является прямо пропорциональной. Это означает, что с увеличением температуры способность вещества проводить электрический ток уменьшается. На графике слишком много выпадов, и вместо прямой линии, получилась кривая.

Нами было выдвинуто несколько предположений, которые могли бы объяснить полученный результат (при условии, что результат исходно ошибочный).

Первое предположение связано с тем, что образцы ионного кристалла, перед тем как их представить на рынке, облучают, с целью создать в них большее число вакансий. Однако с увеличением температуры облученных образцов, система будет стремиться к равновесию, и уменьшать число элементов, переносящих электрический ток – дырок.

Второе предположение говорит о том, что наличие шероховатостей и неровностей поверхности фторида лития приводит к пробоям, которые представлены выпадами на графике.

Облучение ионного кристалла – процесс необратимый. А сделать поверхность фторида лития более гладкой в рамках проведения данного опыта не представляется возможным.

Эксперимент 2

Цель: уточнить данные предыдущего эксперимента.

Гипотеза: более гладкая поверхность образца ионного кристалла

Экспериментальная установка и ход эксперимента. Две пластины, между которыми кладется образец в электрометре, представляют собой конденсатор с круглыми обкладками. Измерением был установлен диаметр каждой из пластин, который составил 2 см. Из предварительно идеально разглаженной станиолевой ленты1 были вырезаны два круга такого же диаметра. С помощью вазелина, помещенного на фторид лития, данные кружки из фольги были приклеены с двух сторон каждой из пластин. Таким образом, неровные поверхности образца были сглажены доступным способом.Ионный кристалл был помещен в электрометр.

Температура нагревания вещества изменялась по шкале Кельвина в диапазоне от 243 K до 333 K2.

Результаты эксперимента. В таблице 7 приведены полученные значения электропроводности при различных температурах. На основании этих данных вычислен натуральный логарифм проводимости σ для каждой величины и получено обратное произведение постоянной Больцмана и температуры 1/kБТ. (при этом постоянная Больцмана: kБ = 1,38064881313131*10-23).

Таблица 73

Электропроводность, σ, См · 102 · м-1 · 10-15	Натуральный логарифм проводимости, lnσ	Температура, K	1/kБТ, Дж-1 · 1023
1,88725	0,635120743	243	0,002980647
1,14888	0,138787555	253	0,002862835
1,75058	0,559947162	263	0,002753982
1,98275	0,68448477	273	0,002653103

На основании сделанных вычислений был построен график (рис. 21) :

Рис.22. График зависимости проводимости от температуры

Линейное приближение графика приведено на рис. 23.

Рис.23. Линейное приближение зависимости электропроводности от температуры

График на рис.23 получился приближенным к тому, какое изменение электрической проводимости предполагалось наблюдать. Здесь также присутствуют пробои, однако их наличие нельзя изменить. Они связаны с облучением образца.

Таким образом, приближение к идеальной системе, то есть системе, которая находится в равновесии, позволяет сделать вывод о том, что зависимость величины электропроводимости от температуры для ионного кристалла прямая пропорциональная.

1 Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц.

1 Шарль Франсуа Дюфе (1698 – 1739) – французский ученый, физик, член Парижской Академии наук.

1 Такое необычное название было выбрано Дюфе не случайно. Принято считать стекло, наэлектризованное трением о шелк, положительно заряженным, а смолу (сургуч), наэлектризованную трением о шерсть, отрицательно заряженной.

2 Макроскопические тела, как правило, электронейтральны. Например, атом.

1 Резина препятствует созданию заряда на пряже, потому что является диэлектриком. Подразделение тел на проводники, диэлектрики и полупроводники будет разобрано далее.

2 Диполь – совокупность двух равных по абсолютной величине разноимённых точечных зарядов (+е, -е), находящихся на некотором расстоянии друг от друга [6]. Например, вода – дипольная жидкость.

1 Адсорбция – осаждение веществ из газа или раствора на поверхности твердого тела или жидкости.

2 Электроскоп - прибор для обнаружения электрического заряда [7].

1 Электролиты – вещества с ионной проводимостью.

1 Майкл Фарадей (1791-1867) – английский химик и физик, ассистент Хэмфри Дэви в Лондонском Королевском институте, с 1825 г. заведующий лабораториями этого института [7].

1 Название «ион» было введено Фарадеем (от греч. ion — идущий).

1 Диполь – частица, содержащая два разноименно заряженных полюса.

1 ω – концентрация вещества в растворе.

1 В отличие от скорости теплового движения.

1 Для точного определения ширины образца необходимо несколько раз измерить прибором микрометр его ширину, а потом найти среднее арифметического полученных значений.

1 Novocontrol Broadband Dielectric Spectrometer.

2 Данное значение соответствует значениям по шкале Цельсия в диапазоне от -30оС до +60оС.

3 Все данные, полученные в этом опыте см. Приложение таб.1.

1 Станиолевая лента – изоляторный материал, похожий на фольгу.

2 Данное значение соответствует значениям по шкале Цельсия в диапазоне от -30оС до +60оС.

3 Все данные, полученные в этом опыте см. Приложение Таб.2.

uchebana5.ru

18.Закон для участка цепи. Электрическое сопротивление проводников и его зависимость от температуры. Сверхпроводимость.

Немецкий физик Г. Ом (1787—1854) экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (т. е. проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорциональна напряжению U на кон-

цах проводника:

I=U/R, (98.1)

где R — электрическое сопротивление проводника. Уравнение (98.1) выражает закон Ома для участка цепи (не содержащего источника э.д.с.): сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника. Формула (98.1) позволяет установить единицу сопротивления — ом (Ом): 1 Ом — сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1 В течет постоянный ток 1 А. Величина

G=1/R

называется электрической проводимостью

проводника. Единица проводимости — сименс (См): 1 См — проводимость участка электрической цепи сопротивлением 1 Ом. Для однородного линейного проводника сопротивление R прямо пропорционально его длине l и обратно пропорционально площади его поперечного сечения 5:

R=l/S. (98.2)

где  — коэффициент пропорциональности, характеризующий материал проводника. Он называется удельным электрическим сопротивлением. Единица удельного электрического сопротивления — ом-метр (Ом•м). Наименьшим удельным сопротивлением обладают серебро (1,6•10-8 Ом•м) и медь (1,7•10-8Ом•м). j=E. (98.5)

Выражение (98.5) — закон Ома в дифференциальной форме, связывающий плотность тока в любой точке внутри проводника с напряженностью электрического поля в этой же точке. Это соотношение справедливо и для переменных полей.

Опыт показывает, что в первом приближении изменение удельного сопротивления, а следовательно, и сопротивления, с температурой описывается линейным законом:

где  и 0, R и R0 — соответственно удельные сопротивления и сопротивления проводника при t и 0 °С,  — температурный коэффициент сопротивления, для чистых металлов (при не очень низких температурах) близкий к 1/273 К-1. Значит, температурная зависимость сопротивления может быть представлена в виде

R=R0T,

гдеТ — термодинамическая температура. Качественная температурная зависимость сопротивления металла представлена на рис. 147 (кривая 1). Впоследствии было обнаружено, что сопротивление многих металлов (например, Al, Pb, Zn и др.) и их сплавов при очень низких температурах Тк (0,14 — 20 К), называемых критическими, характерных для каждого ве-

щества, скачкообразно уменьшается до нуля (кривая 2), т.е. металл становится абсолютным проводником. Впервые это явление, называемое сверхпроводимостью, обнаружено в 1911 г. Г. Камерлинг-Оннесом для ртути. Явление сверхпроводимости объясняется на основе квантовой теории. Практическое использование сверхпроводящих материалов (в обмотках сверхпроводящих магнитов, в системах памяти ЭВМ и др.) затруднено из-за низких их критических температур. Правда, в настоящее время обнаружены и активно исследуются керамические материалы, обладающие сверхпроводимостью при температуре выше 100 К.

На зависимости электрического сопротивления металлов от температуры основано действие термометров сопротивления, которые позволяют по градуированной взаимосвязи сопротивления от температуры измерять температуру с точностью до 0,003 К. Применение же в качестве рабочего вещества термометра сопротивления полупроводников, приготовленных по специальной технологии,— термисторов — позволяет отмечать изменение температуры в миллионные доли кельвин и использовать термисторы для измерения температур в случае малых габаритов полупроводников.

studfiles.net