Сопротивление проводников опыт

Тесты к лекции №7

Тест 7.1. Всякое упорядоченное движение электрических зарядов есть –

£ электродвижущая сила.

£ действие сторонних сил.

£ электрический поток.

£ электрический ток.

Тест 7.2. Ток, который не изменяется ни по величине, ни по времени, это

£ Постоянный ток

£ Пульсирующий ток

£ Переменный ток

£ Электрический ток

Тест 7.3. Что принимают за направление тока?

£ направление движения положительных зарядов.

£ направление движения отрицательных зарядов.

£ произвольное направление.

£ указывается в условии задачи.

Тест 7.4. Формула закона Ома для участка цепи, содержащего ЭДС

£

£

£

£

Тест 7.5. В сеть с напряжением 100 B включено сопротивление 34 Ом, последовательно с ним два параллельно включенных сопротивления: 20 Ом и 80 Ом. Найдите напряжение на сопротивлении -80 Ом.

£ 50 В

£ 34 В

£ 22 В

£ 66 В

£ 32 В

Сопротивление проводников. Сверхпроводимость. Электронная теория проводимости металлов. Законы Ома и Джоуля – Ленца в дифференциальной форме[11]

8.1. Сопротивление проводников.

8.2. Сверхпроводимость.

8.3. Электронная теория проводимости металлов.

8.4. Законы Ома и Джоуля – Ленца в дифференциальной форме.

8.1. Сопротивление проводников

Опыт 8.1.Сопротивление проводников.

Цель работы:

Изучить зависимость сопротивления проводников.

Оборудование:

1.  3 проволоки (две хромелевые, одна молибденовая)

2.  Вольтметр

3.  Амперметр

4.  Источник постоянного напряжения

Рис.8.1.

Ход работы.

Основной частью установки является панель, на которой натянуты три спирали. Две спирали, левая и центральная, выполнены из хромеля (сплав никеля с хромом), а правая спираль сделана из молибдена. При этом площадь поперечного сечения всех проволок, из которых навиты спирали, одинакова. Длина каждой из проволок, количество витков и их диаметр так же совпадают. Последовательно в цепь подключен амперметр. Вольтметр подключен к концам спиралей.

1.  К источнику постоянного напряжения подключают правую спираль из молибдена. Замыкают цепь и увеличивают напряжение на концах спиралей. Исходя и показаний приборов, при напряжении 3В ток спирали составляет 3А. Это значит, что сопротивление молибденовой спирали равно 1Ом (3В/3А=1Ом).

2.  Переключают источник тока на левую хромелевую спираль. Здесь, при напряжении 15 В и токе в 1 А сопротивление равно 15 Ом (15В/1 А=15Ом).

Сопротивление проволоки из хромеля в 15 раз больше, чем сопротивление проволоки из молибдена. Это значит что удельное сопротивление хромеля больше, чем удельное сопротивление молибдена в 15 раз.

3.  Две спирали из хромели соединяют последовательно. Выставляют напряжение в 15В. Амперметр показывает, что ток через эти две спирали составляет 0,5А. Отсюда следует, что сопротивление равно 30Ом (15В/0,5А=30Ом). Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине.

4.  Спирали соединяют параллельно. Напряжение вновь 15 В. Ток в цепи равен 2А. Это значит, что сопротивление двух параллельных спиралей составляет 7,5Ом (15В/2А=7,5Ом). Сопротивление двух параллельно включенных спиралей оказалось меньше, чем сопротивление одной спирали. Обратите внимание на то, что когда мы соединяем две спирали параллельно, мы увеличиваем вдвое поперечное сечение проводника. При увеличении поперечного сечения вдвое сопротивление уменьшилось в 2 раза. Значит сопротивление проводника обратно пропорционально площади его поперечного сечения.

Выводы:

1.  Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине.

2.  Сопротивление проводника обратно пропорционально площади его поперечного сечения.

Сопротивление проводников объясняется тем, что:

1. При движении электронов между узлами кристаллической решетки происходят соударения, т. к. атомы (ионы) кристаллической решетки колеблются около положения равновесия. Чем выше температура проводника, тем больше амплитуда колебания атомов (ионов), тем больше сопротивление проводника. Это можно показать опытным путем. Лампочку и проводник соединяют последовательно. При нагревании проводника накал лампочки уменьшается, это значит, что сопротивление в цепи возрастает. При остывании проводника накал лампочки увеличивается, что указывает на уменьшение сопротивления цепи.

Рис. 8.2.

2. Т. к. кристаллическая решетка состоит из ионов, внутри проводника возникает периодическое электрическое поле. Потенциал этого поля тоже изменяется по периодическому закону, поэтому упорядоченное движение электронов нарушается.

Экспериментально установлено, что сопротивление проводников R зависит от температуры по закону:

где α, β, γ = const.

Рис. 8.3.

Однако на практике коэффициенты b и g столь малы, что ими пренебрегают. Если выразить эту зависимость графически, то можно заметить, что при абсолютном нуле сопротивление проводников должно упасть до нуля. Однако это далеко не всегда так. В формуле зависимости сопротивления от температуры a называется температурным коэффициентом сопротивления (т. к.с.) и индивидуален для каждого проводника. Для выяснения физического смысла a поступим следующим образом:

Из (8.3) вычтем (8.2) и получим . Итак (8.4)

– физическая величина, численно равная относительному изменению сопротивления проводника при изменении его температуры на 1°С.

8.2. Сверхпроводимость

В 1911 году Камерлинг — Онессом было открыто явление сверхпроводимости, когда при охлаждении проводника ниже критической температуры его сопротивление практически уменьшалось до нуля. В установке Камерлинг — Онесса в сосуде Дьюара с жидким гелием находился ртутный замкнутый виток, в котором индуцировался электрический ток, затем судили о величине этого тока по интенсивности магнитного поля около сосуда.

Схема опыта Камерлинг – Онесса(рис. 8.3)[3]

Рис. 8.4.

Первая фаза опыта.

Ключ К1 замкнут, а ключ К2 – разомкнут. В цепи идет ток.

Вторая фаза опыта.

Отключаем источник тока путем размыкания ключа К1, при одновременном замыкании ключа К2. В течение длительного времени фиксируется ток в цепи, погруженной в жидкий гелий.

8.3. Электронная теория проводимости металлов

Сопротивление однородного по сечению и химическому составу реального проводника можно рассчитать по формуле:

где l — длина проводника,

S — поперечное сечение проводника,

r — удельное сопротивление проводника.

Отсюда:

т. е. r – физическая величина, численно равная сопротивлению куба вещества с ребром, равным 1.

Согласно классической электронной теории проводимости, электроны в металле представляют собой идеальный газ. Экспериментальное доказательство того, что проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов, было дано в опытах Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси (в 1913 г.), Стюартом и Толменом (в 1916 г.).