Изучение зависимости сопротивления металлов от температуры

Обновлено: 19.05.2024

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.

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:

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

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

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 VC 9808

4) роль амперметра выполнил цифровой мультиметр DT -832

В ходе эксперимента была составлена вольт- амперная характеристика (таблица 1) , которая потвердела выше изложенные доводы.

Проект по физике «Исследование зависимости электрического сопротивления проводника от температуры» (9 класс)

Ученический проект на тему: "Зависимость сопротивления металлов от температуры"

Задачи:
Расширить теоретические знания о явлении, измерить температурный коэффициент сопротивления меди, собрать и испытать термореле, познакомиться в каких устройствах используется данная зависимость.

Теоретическая часть
Алексей
Коростелёв – теоретик
Согласно классической кинетической теории металлов электрический ток в металлическом проводнике представляет собой направленное перемещение свободных электронов под действием внешнего электрического поля. При движении электроны могут соударяться друг с другом и с другом и с положительными ионами решётки металла. Эти соударения обуславливают наличие в металле электрического сопротивления. Поскольку хаотическое движение свободных электронов и колебательное движение положительных ионов в узлах кристаллической решётки зависят от температуры, то и электрическое сопротивление металла также зависит от температуры. С повышением температуры сопротивление металла возрастает, так как увеличивается число соударений электронов с положительными ионами в узлах решётки.
Зависимость сопротивления металлического проводника от температуры приближённо может быть выражена формулой:

Температурный коэффициент сопротивления для данного вещества, вообще говоря, различен при разных температурах. Однако, для многих металлов, в не очень широком интервале температуры( несколько десятков градусов), температурный коэффициент сопротивления можно считать приблизительно постоянным и равным среднему значению внутри рассматриваемого температурного интервала:

Изучение зависимости сопротивления металлов от температуры имеет важное значение для экспериментальной физики и техники. Большинство точных измерений температуры в настоящее время производится с помощью так называемых термометров сопротивления. Точность таких термометров составляет несколько сотых долей градуса.

Экспериментальная часть
Дмитрий
Дьяков – экспериментатор
Измерение температурного коэффициента сопротивления меди.

Термореле
Татьяна
Гриднева – инженер
Действие термореле.

Термореле сигнализирует об изменениях температуры. При превышении заданного значения температуры реле срабатывает и отключает нагреватель, при понижении температуры контакты реле вновь замыкаются и включают нагреватель.

Опрос
Анастасия
Бизюкина - журналист
Был проведён опрос среди учащихся 10-х и 11-х классов. Ученикам задавался вопрос:
«Как зависит сопротивление металлов от температуры?». Результаты опроса:
10 класс:
Ответило верно – 68%
Ответило неверно – 22%
Затруднилось ответить – 10%
11 класс:
Ответило верно – 87%
Ответило неверно – 8%
Затруднилось ответить – 5%

Вывод
Таким образом, мы пришли к выводу, что сопротивление металлов зависит от температуры линейно, то есть при увеличении температуры сопротивление увеличивается, а при уменьшении – уменьшается.

Литература
«Новейший справочник необходимых знаний» - изд-во «РИПОЛ классик», 2005 г.
«Практикум по физике в средней школе» - изд-во «Просвещение», 1987 г.
Сведения из Интернета.

Над проектом работали:
Анастасия Бизюкина, Дмитрий Дьяков, Алексей Коростелёв, Татьяна Гриднева.

Рабочие листы и материалы для учителей и воспитателей

Более 3 000 дидактических материалов для школьного и домашнего обучения

Изучение зависимости сопротивления металлов и полупроводников от температуры

№71.
Цель работы: Изучить зависимость сопротивления металлов и полупроводников от температуры.
КГУ физфак.

Зависимость электросопротивления металлов и полупроводников от температуры

формат jpeg, doc
размер 1.29 МБ
добавлен 12 января 2010 г.

Лабораторная работа. Зависимость электросопротивления металлов и полупроводников от температуры. Содержание: Методичка (на украинском языке) и готовая лабораторная работа (на русском языке).

Изучение влияния температуры на проводимость металлов и полупроводников

формат doc
размер 1.8 МБ
добавлен 02 июля 2011 г.

БГУИР, Минск/Беларусь, Савилова Ю.И., 7 стр. Физика. Содержание: Цель работы Описание лабораторной установки Рабочее задание Выводы Контрольные вопросы с ответами

Изучение зависимости сопротивления термистора от температуры

формат doc
размер 179 КБ
добавлен 31 октября 2011 г.

ПИЖТ, 2 курс, специальность Ш, заочное обучение. Цель работы: Изучение зависимости сопротивления полупроводников от температуры, определение энергии активации.

Изучение зависимости сопротивления электролитов от температуры

формат doc
размер 153 КБ
добавлен 23 ноября 2009 г.

Цель работы: Изучить зависимость сопротивление электролитов от температуры. КГУ им. Ульянова-Ленина, физфак. Преподаватель: Ильясов К. А.

Изучение законов постоянного тока

формат doc
размер 29.49 КБ
добавлен 07 октября 2011 г.

Изучение законов постоянного тока. Изучение методов измерения сопротивления проводников, основанных на законах постоянного тока. Измерение сопротивления с помощью моста Уитстона; путем расчета по измеренным значениям напряжения и силы тока в цепи .

Изучение температурной зависимости электропроводности полупроводников

формат doc
размер 94.5 КБ
добавлен 02 сентября 2011 г.

Цель работы: изучить зависимость электропроводности полупроводникового образца от температуры. Определить ширину запрещенной зоны Теоретические сведения и ход работы: Выводы: изучили зависимость электропроводности. Контрольные вопросы: 1. Вывести формулу для собственной электропроводности полупроводника.

Исследование температурной зависимости металлов и полупроводников

формат jpg
размер 1.53 МБ
добавлен 19 мая 2011 г.

Лабораторная работа №80. Экспериментальная часть лабораторной работы на тему "Исследование температурной зависимости металлов и полупроводников" с графиками и расчетами.rn

Лабораторные работы по физике: Молекулярная физика

формат doc
размер 5.98 МБ
добавлен 01 октября 2011 г.

Темы лабораторных работ: Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкостей. Изучение зависимости температуры кипения воды от внешнего давления. Изучение зависимости коэффициента поверхностного натяжения воды от температуры методом Ребиндера.

Лабораторные работы по физике: Оптика

формат jpg, doc
размер 1.39 МБ
добавлен 01 октября 2011 г.

Темы лабораторных работ: Изучение поляризации отраженного от диэлектриков света. Изучение явления внешнего фотоэффекта. Изучение явления дифракции света с помощью лазера. Изучение явления интерференции света с помощью Бипризмы Френеля. Исследование дисперсии стеклянной призмы. Определение основных характеристик системы тонких линз. Исследование законов теплового излучения. Исследование температурной зависимости ектропроводности металлов и полупро.

Электричество

формат doc
размер 726.47 КБ
добавлен 05 февраля 2012 г.

ПИ СФУ Красноярск год 2010 14 лабораторных в среднем по 10 страниц Тема работ: Электричество Перечень: Изучение электростатического поля Изучение поляризации диэлектриков на примере сегнетоэлектриков Определние ЭДС Исследование источника тока Исследование температурной зависимости электрического сопротивления металлов и полупроводников Изучение полупроводникового диода Магнитное поле прямого и кругового тока Определение горизонтальной составляюще.

Читайте также: