Методика проведения эксперимента. Лабораторная работа №4 Изучение зависимости сопротивления металлов от температуры
Лабораторная работа №4 Изучение зависимости сопротивления металлов от температуры
Приборы и принадлежности:МУК-ТТ1:
1. Блок амперметра-вольтметра АВ1 1 шт.
2. Блок генератора напряжений ГН1 1 шт.
3. Стенд с объектами исследования С3-ТТ01 1 шт.
4. Соединительные провода с наконечниками Ш4-Ш1.6 6 шт.
Введение.
Для проводников первого рода (металлов) характерна значительная плотность свободных электронов. Если к участку проводника приложена разность потенциалов, то на хаотическое движение электронов накладывается их упорядоченное движение, вызванное действием электрического поля. Положительные ионы металла препятствуют направленному движению электронов. С увеличением температуры проводника колебательное движение ионов становится более интенсивным и поэтому сопротивление проводника возрастает.
В первом приближении зависимость сопротивления металла от температуры можно считать линейной:
, | (1) |
где α - температурный коэффициент сопротивления, зависящий от материала проводника,
R0 - сопротивление проводника при 0°C.
Для некоторых электротехнических сплавов (манганин, нихром, константан) α настолько мал, что сопротивление проводников можно считать независящим от температуры.
Температурный коэффициент сопротивления α определяется как относительное изменение сопротивления проводника при изменении его температуры на 1°C.
(2) |
Строго говоря, величина α зависит от температуры, поэтому из уравнения (2) можно определить лишь среднее значение в температурном интервале от 0°C до t°C. Но для чистых металлов α изменяется настолько незначительно, что в интервале температур от 0°C до 100°C его можно считать постоянным.
Явление зависимости сопротивления металлов от температуры используется в так называемых термометрах сопротивления. Термометры сопротивления представляют собой проволочные (обычно платиновые) сопротивления с известной температурной зависимостью. Измерение сопротивления такого проградуированного проводника, помещенного в исследуемую среду, позволяет однозначно определить температуру этой среды. Термометры сопротивления точнее и удобнее ртутных. Диапазон их применения несравненно шире (от -263°C до+1000°C).
Целью работы является изучение зависимости сопротивления проводника от температуры и определение температурного коэффициента сопротивления проводника.
Рис. 1
Коэффициент α для металлов положителен, почти не меняется с температурой и мал по абсолютной величине по сравнению с α для полупроводников. В таблице 1 приведены значения температурных коэффициентов сопротивления для некоторых металлов.
Таблица 1
Металл | Медь | Вольфрам | Платина | Хром | Никель | Палладий | Серебро |
α, К-1 *10-3 | 4,3 | 5,0 | 3,9 | 2,4 | 6,7 | 3,6 | 4,1 |
Заметим, что зависимость (1) нельзя экстраполировать до абсолютного нуля температур, при стремлении к которому сопротивление обычных металлов (не сверхпроводников) стремится к некоторой конечной величине, обусловленной наличием примесей и дефектов решетки.
Методика проведения эксперимента
В качестве металлического образца в стенде С3-ТТ01 установлен металлический терморезистор (платиновый тонкопленочный резистор). Для нахождения сопротивления терморезистора модно воспользоваться методом амперметра-вольтметра по закону Ома.
(3)
Для проведения измерений электрическая схема представлена на рис. 1. Т. к. измеряемое сопротивление R намного меньше внутреннего сопротивления вольтметра, то вольтметр подключен параллельно измеряемому сопротивлению.
Рисунок 1
Выполнение работы.
1. Соберите схему рис. 1.
2. Снимите ВАХ U=f(I) металлического образца при двух различных температурах образца. Рекомендуемые значения температуры Т=300К и Т=360К. Рекомендуемый диапазон изменения тока 0 – 5 мА. Постройте графики.
3. Снимите зависимость напряжения от температуры при постоянном токе I=const и по формуле (3) получите зависимость сопротивления металлического образца от температуры R=f(T). Рекомендуемое значение тока 1мА. Т.к схема питается от генератора напряжения, то при нагреве образца ток может изменяться. Поэтому необходимо перед измерением установить требуемое значение тока.
4. Постройте график R=f(T). Определите из графика R0.
5. Рассчитайте по формуле 2 значение температурного коэффициента сопротивления α. По таблице 1 определите материал, из которого сделан терморезистор.
Примечание: Для быстрого охлаждения образца воспользуйтесь вентилятором.
Контрольные вопросы
1. Объясните механизм проводимости в металлах с точки зрения электронной теории.
2. Почему сопротивление металлов увеличивается с возрастанием температуры?
3. У всех ли проводников сопротивление увеличивается с возрастанием температуры?
4. Что называется температурным коэффициентом сопротивления?
5. Выведите размерность температурного коэффициента сопротивления.
6. Что такое R0 и как оно определяется в работе?
7. Продлите график в сторону отрицательных температур. До какой температуры это возможно сделать?
8. Что такое электропроводность? Как зависит электропроводность металлов от температуры?