Вивчення залежності опору металічних

Провідників від температури.

 

Мета роботи: дослідження залежності опору металів від температури, визначення температурного коефіцієнту опору.

Обладнання: термостат для нагрівання досліджуваного опору, електричний нагрівач, термометр, вимірювальний блок, який складається з реохорда, гальванометра, магазину опорів, джерела постійного струму(гальванічний елемент або акумуляторна батарея), перемикач.

 

Теоретичний вступ.

Вимірюючи одночасно напругу на кінцях будь-якої ділянки провідника і силу струму, що протікає через цю ділянку, німецький фізик Георг Ом (1787 – 1854) встановив, що сила електричного струму пропорційна напрузі між кінцями цієї ділянки:

. (1)

Коефіцієнт пропорційності в цій формулі називається електричною провідністю провідника: , а - це електричний опір (або просто опір)

Отже, чим більший опір провідника, тим менша сила струму на даній ділянці кола при заданій напрузі. Опір провідника залежить від його геометричних розмірів (від довжини і площі поперечного перетину), матеріалу провідника і температури.

Для циліндричного провідника довжиною і площею поперечного перетину опір визначається формулою:

, (2)

де - питомий опір (це опір однорідного провідника, який має одиничну довжину і одиничну площу поперечного перетину).

В системі одиниць СІ одиницею опору є ом (позначається Ом). Ом – це опір провідника, по якому при напрузі 1 В проходить струм 1 А.

Одиницеюелектричної провідності є сіменс (См).

Одиницею питомого опору є ом-метр (Ом·м).

Найкращими провідниками є метали (срібло, мідь, алюміній, залізо). Вони мають кристалічну структуру: в вузлах кристалічної гратки знаходяться додатно заряджені іони, а слабо зв’язані електрони утворюють так званий "електронний газ". Іони, що знаходяться в вузлах гратки, здійснюють коливання відносно положення їх рівноваги. При проходженні струму електрони розсіюються на іонах. Чим більша температура металу, тим більша амплітуда коливань іонів і частішають зіткнення електронів з іонами. Оскільки зіткнення порушують впорядкований рух електронів, то зі збільшенням температури збільшується і опір проходженню струму.

Залежність опору металів від температури визначається приблизною формулою:

= (1+ , (3)

де t – температура в градусах Цельсія (°С), і – значення опору відповідно при 0 °С і при температурі , а і – індивідуальні константи металу, які визначаються експериментально. Оскільки виявляється, що b << a, то приблизно можна вважати, що

(4).

 

 

Питомий опір провідника також залежить від матеріалу провідника і від температури:

, (5)

де – питомий опір при температурі 0 °С, а – температурний коефіцієнт опору, який характеризує відносну зміну питомого опору при зміні температури на 1 °С або 1 К:

(6)

Температурні коефіцієнти опору речовин різні при різних температурах. Проте для багатьох металів залежність від температури незначна. Для всіх чистих металів опір приблизно прямо пропорційний до абсолютної температури в Кельвінах, і тому 1/273 К^-1.

Важливість вивчення залежності опору металів від температури полягає в тому, що як в експериментальній фізиці, так і в техніці, для точного визначення температури широко застосовують так звані термометри опору. Частіше за все це дротяні опори, виготовлені, наприклад, з платинового дроту і проградуйовані в спеціальних термостатах. Такими термометрами можна дуже точно вимірювати як дуже великі, так і дуже малі температури. Діапазон застосування термометра опору набагато ширший, ніж у ртутного або рідинного термометрів, і користуватися ним набагато простіше. Наприклад, платиновим термометром опору можна вимірювати температур у діапазоні від -263 °С до +1000 °С з точністю до декількох десятитисячних градуса.