Проектная работа
«Исследование зависимости электрического
сопротивления проводника от температуры»
Оглавление
Введение………………………………………………….3
Глава 1 Зависимость сопротивления металлических проводников от температуры……………………………………………..5
1.1 История происхождения закона Ома………………….5
1.2 Температурный коэффициент электрического сопротивления……6
Глава 2 Исследования проводников…………………………10
Заключение………………………………………….15
Источники…………………………………………….. 16
Введение
Основным законом электротехники, при помощи которого можно изучать и рассчитывать электрические цепи, является закон Ома, устанавливающий соотношение между током, напряжением и сопротивлением. Необходимо отчетливо понимать его сущность и уметь правильно пользоваться им при решении практических задач. Часто в электротехнике допускаются ошибки из-за неумения правильно применить закон Ома.
Данная исследовательская работа служит дополнением расширяющие рамки школьной программы, и посвящена закону Ома и температурному коэффициенту. Выбор темы не случаен, основным поводом послужило, что на практике при использовании ламп накаливания в цепи, при увеличение напряжения на лампе например в два раза не приводит к увеличению тока в два раза, как мы уже знаем данное условие противоречит выполняемости закона Ома. Значит -закон Ома не всегда справедлив. Хотим заметить, в школьном курсе физики данному моменту не уделено должного внимания.
В этой связи весьма важным представляется проанализировать перечисленных выше фактов и выявить решение проблемы, как методом изучения дополнительной литературы, так и рассмотреть практически. Такова цель настоящей работы.
Задачи:
Выявить влияние фактора температуры проводника на его электрическое сопротивление и соблюдение выполнения закона Ома от данного обстоятельства.
Объектом исследования является определяющая связь электрического напряжения с силой тока, протекающего в проводнике, и сопротивлением проводника, и его температурой.
Методы исследования:
анализ литературы;
моделирование;
обобщение.
Практическая значимость работы заключается в дополнительном представлении учащимся, что закон Ома не является фундаментальным физическим законом, а лишь эмпирическим соотношением, хорошо описывающим наиболее часто встречаемые на практике типы проводников, но перестающим соблюдаться в ряде ситуаций.
1. Зависимость сопротивления металлических проводников от температуры.
1.1 История происхождения закона Ома
Большой в клад в формирование взаимосвязи силы тока, напряжения и сопротивление проводника внес немецкий физик Георг Симон Ом. Он руководствовался следующей идеей. Если над проводником, по которому проходит ток, подвесить на упругой нити магнитную стрелку, то угол поворота стрелки даст информацию о токе, об его изменениях при вариации элементов замкнутой цепи. Ом обратился к идее Кулона и построил крутильные весы. Магнитная стрелка оказалась точным и чувствительным гальванометром. В первых опытах, результаты которых Ом опубликовал в 1825 г., наблюдалась "потеря силы" (уменьшение угла отклонения стрелки) с увеличением длины проводника, подключенного к полюсам вольтова столба (поперечное сечение проводника было постоянным). Поскольку не было единиц измерения, пришлось выбрать эталон - "стандартную проволоку". В качестве зависимой переменной фигурировало уменьшение силы, действующей на магнитную стрелку. Опыты обнаружили закономерное уменьшение этой силы при увеличении длины проводника. Функция получила аналитическое выражение, но Ом не претендовал на установление закономерности, потому что гальванический элемент не давал постоянной ЭДС.
Большое внутренние сопротивление источника ЭДС, препятствовало исследованиям так, как сопротивление внешней цепи, которая использовались в опытах имела малые значения. Успех дальнейших экспериментов Ома решило открытие термоэлектричества. Ом использовал термопару висмут - медь; один спай помещался в лед, другой - в кипящую воду. Чувствительность "гальванометра" пришлось, естественно, увеличить. Процедура измерений заключалась в следующем. Восемь испытуемых проводников поочередно включались в цепь. В каждом случае фиксировалось отклонение магнитной стрелки. В следующей работе (1826 г.) Ом вводит понятие "электроскопической силы", пользуется понятием силы тока и записывает закон для участка цепи уже в форме, близкой к современной:
где X - сила тока, k - проводимость, w - поперечное сечение проводника, а - электроскопическая сила (электрическое напряжение на концах проводника), l - длина проводника. Несмотря на убедительные экспериментальные данные, проверка закона Ома продолжалась почти в течение всего XIX века.
1.2 Температурный коэффициент электрического сопротивления
Как мы уже знаем сопротивление проводников зависит от вещества, из которого они изготовлены, и их геометрических размеров
R = ρ • l / S,
где ρ — удельное сопротивление вещества, из которого изготовлен проводник; l —длина проводника; S — площадь поперечного сечения проводника.
Сопротивление проводников входит в закон Ома для однородного участка цепи I = U / R, из которого и может быть определено R = U / I.
Из последней формулы выходит, что сопротивление проводника постоянно, поскольку, в соответствии с законом Ома, во сколько раз увеличиваем напряжение на концах проводника, во столько же раз возрастает и сила тока в нем. Все выше описанное также экспериментально было подтверждено на практических опытах
Но практике также выявилось, что можно наблюдать и другие явления. Составив электрическую цепь, схема которой показана на рис. 1. В этой цепи есть источник тока с регулированным напряжением, электрическая лампа, например автомобильная, вольтметр и амперметр, показывающие напряжение на лампе и силу тока в ней. Устанавливаем на лампе напряжение U1 и отмечаем силу тока I1. Если теперь увеличить напряжение, например в 2 раза (U2 = 2U1), то по закону Ома и сила тока должна увеличиться в 2 раза (I2 = 2I1). Однако амперметр показывает силу тока значительно меньшую, чем 2I1. Следовательно, в данном случае закон Ома не выполняется.
Рис. 1. Электрическая цепь с лампой накала
Возникло несоответствие между нашими предшествующими знаниями и новым для вас фактом — закон Ома не всегда справедлив.
Анализ дополнительной литературы и сети интернет существенно расширил наши познания в изученных закономерностях. Еще Ом в своих работах описывал об изменении проводящих свойств металлов как при нагревании так и при остывании. Нами была найдена зависимость сопротивления проводников от температуры, отличной от стандартной, которую можно выразить через следующую формулу:
Константа "альфа" (α) известна как температурный коэффициент сопротивления, который равен относительному изменению электрического сопротивления участка электрической цепи или удельного сопротивления вещества при изменении температуры на единицу. Так как все материалы обладают определенным удельным сопротивлением (при температуре 20 ° С), их сопротивление будет изменяться на определенную величину в зависимости от изменения температуры. Для чистых металлов температурный коэффициент сопротивления является положительным числом, что означает увеличение их сопротивления с ростом температуры. Для таких элементов, как углерод, кремний и германий, этот коэффициент является отрицательным числом, что означает уменьшение их сопротивления с ростом температуры. У некоторых металлических сплавов температурный коэффициент сопротивления очень близок к нулю, что означает крайне малое изменение их сопротивления при изменении температуры.
Теперь возникает вопрос почему так происходит, что с ростом температуры проводника ухудшаются его проводящие свойства. Как мы уже знаем высокая электропроводность металлов связана с тем, что в них имеется большое количество носителей тока — электронов проводимости, образующихся из валентных электронов атомов металла, которые не принадлежат определённому атому. Электрический ток в металле возникает под действием внешнего электрического поля, которое вызывает упорядоченное движение электронов. Движущиеся под действием поля электроны рассеиваются на неоднородностях ионной решётки (на примесях, дефектах решётки, а также нарушениях периодической структуры, связанной с тепловыми колебаниями ионов). При этом электроны теряют импульс, а энергия их движения преобразуются во внутреннюю энергию кристаллической решётки, что и приводит к нагреванию проводника при прохождении по нему электрического тока. Значит, теперь можем сделать вывод, что структура кристаллической решётки влияет на прохождение заряжённых частиц, а как мы уже знаем с ростом температуры происходит увеличение кинетической энергии, тем самым колебания ионных узлов решетки становятся значительными, влияя на периодичность структуры, образуя преграду для прохождения упорядоченного потока электронов, и этим увеличивая сопротивление проводника.
Полупроводники в свою очередь при низких температурах наоборот страдают недостатком носителей электрических зарядов. По этому при их нагревании количество носителей возрастает, что приводит к снижению сопротивления. Если иметь в виду, что размеры металлов при нагревании изменяются мало, то соответствующую формулу можно записать и для удельного сопротивления металлических проводников
ρ = ρ0(1 + αt°).
Тщательные исследования показывают, что сопротивление металлических проводников зависит от их температуры практически линейно и график такой зависимости представлен на рис. 2.
Рис 2. График зависимости сопротивления металлического проводника от температуры.
2. Исследования проводников
Одним из возможных способов изучения и демонстрации зависимости электрического сопротивления проводника от температуры может служить лабораторная установка. Такая установка была реализована по схеме (рис. 1.) и в ее состав вошли:
1) регулируемый низковольтный источник напряжения
2) автомобильная лампа накаливания на 12 вольт
3) в качестве вольтметра использовался цифровой мультиметр VC9808
4) роль амперметра выполнил цифровой мультиметр DT-832
Рис. 1. Электрическая цепь с лампой накала
В ходе эксперимента была составлена вольт- амперная характеристика (таблица 1) , которая потвердела выше изложенные доводы.
Таблица 1. Результаты измерений вольт- амперной характеристики.
|
U. В |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
12 |
|
I. А |
0,56 |
0,72 |
0,86 |
0,99 |
1,1 |
1,21 |
1,31 |
1,41 |
1,5 |
1,59 |
1,75 |
|
R. Ом |
1,79 |
2,78 |
3,49 |
4,04 |
4,55 |
4,96 |
5,35 |
5,67 |
6 |
6,28 |
6,86 |
График изменения тока цепи от напряжения:
На данном графике красной линией показана зависимость тока от напряжения согласно расчетным данным по закону Ома для участка цепи без учета температурного коэффициента, как мы видим он линейный, что согласовается с формулой. Синяя линия показывает результат реальной вольт- амперной характеристики, которая имеет нелинейную зависимость. Сделаем некоторые выводы относительно проделанной работы. В ходе опыта бросается в глаза, что при увеличенном напряжении лампа светится ярче, чем в первом случае. Это является свидетельством того, что температура спирали лампы во втором случае выше, чем в первом. Значит температура влияет на сопротивление проводника, таким образом, чем выше нагрев, тем выше его сопротивление. В нашем случае сопротивление возросло в 11 раз. Для полного убеждения в нашем проведенном опыте, была собрана еще одна схема рис 2.
Рисунок 2. Исследование зависимости сопротивления металлического проводника от температуры.
Установка представляет собой стальную пружину подключенную к омметру, которую нагревают при помощи пламени свечи. При нагревании спирали пламенем было зафиксировано увеличение сопротивления с 1,1 Ом до 2 Ом. Значит таким образом получили еще одно подтверждение термозависимости электрического сопротивления проводников.
Было проверено еще одно утверждение, что сопротивление растет практически линейно при возрастании температуры. Вооружившись таблицей температурных коэффициентов с учетом, что нить лампы накаливания вольфрамовая применив полученную формулу имеем следующие данные.таб.2.
Формула для расчета температуры
(
–
1/α)-Т0= Т
|
Проводник |
α, на градус Цельсия |
|
Никель |
0,005866 |
|
Железо |
0,005671 |
|
Молибден |
0,004579 |
|
Вольфрам |
0,004403 |
|
Алюминий |
0,004308 |
|
Медь |
0,004041 |
|
Серебро |
0,003819 |
|
Платина |
0,003729 |
|
Золото |
0,003715 |
|
Цинк |
0,003847 |
|
Сталь (сплав) |
0,003 |
|
Нихром (сплав) |
0,00017 |
|
Нихром V (сплав) |
0,00013 |
|
Манганин (сплав) |
0,000015 |
|
Константан (сплав) |
0,000074 |
Таблица 2.Температура накала нити при разных значениях напряжения
|
U В |
1 |
3 |
6 |
9 |
12 |
|
R Ом |
1,79 |
3,49 |
4,96 |
6 |
6,86 |
|
T 0С |
418 |
1031 |
1560 |
1935 |
2245 |
Как
можно заметить наш график зависимости электрического сопротивления от
температуры имеет линейный вид, а значит очередной этап опыта подтвердился.
Заключение
Целью данной работы являлось оптимально изучить закон Ома для участка цепи с точки зрения нагревания проводников. Опытным путем удалось выявить, что термическая нестабильность может существенно повлиять на сопротивление проводников, а свою очередь на конечный результат. Исследование также выявило, что существуют сплавы, которые мало подвержены изменению своего сопротивления (используются в точных приборах). Были сделаны выводы, что лампы накаливания имеют нелинейную вольт-амперную характеристику, поэтому не могут использоваться для демонстрации линейной (закон Ома) зависимости тока от напряжения
Работу в целом можно рассматривать как определенный этап на пути развития, пригодного для учебных целей. Полученные в ней результаты могут оказаться полезными для продолжения исследований и конструирования в деле познания законов электричества.
Рабочие листы
к вашим урокам
Скачать
6 655 350 материалов в базе
Настоящий материал опубликован пользователем Нижельская Галина Анатольевна. Инфоурок является информационным посредником и предоставляет пользователям возможность размещать на сайте методические материалы. Всю ответственность за опубликованные материалы, содержащиеся в них сведения, а также за соблюдение авторских прав несут пользователи, загрузившие материал на сайт
Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.
Удалить материал
Ваша скидка на курсы
40%
Курс профессиональной переподготовки
500/1000 ч.
Курс профессиональной переподготовки
300/600 ч.
Курс профессиональной переподготовки
600 ч.
Курс профессиональной переподготовки
300/600 ч.
Мини-курс
4 ч.
Мини-курс
10 ч.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.