Лабораторная работа_3_10. Исследование зависимости температуры нити лампы накаливания от напряжения на её зажимах
 Скачать 145.59 Kb.
|
|
Лабораторная работа Исследование зависимости температуры нити лампы накаливания от напряжения на её зажимах Цель работы: при условиях свечения нити накаливания определить ее температуру. Приборы и принадлежности: лампа накаливания 220 В на подставке, вольтметр 220 В, амперметр 1А, регулируемый источник питания 1 – 220 В, омметр, соединительные провода. Краткая теория Экспериментальная проверка наиболее распространенных бытовых ламп накаливания мощностью 25, 40, 60, 75, 100 Вт показывает, что их со- противление в холодном состоянии при 0 o C составляет 155,5; 103,5; 61,5; 51,5; 40 Ом, а в рабочем — 1936; 1210; 815; 650; 490 Ом, соответственно. То- гда отношение «горячего» сопротивления к «холодному» равняется 12,45; 11,7; 13,25; 12,62; 12,4, а в среднем оно составляет 12,5. Лампы накаливания мощностью 100 Вт с 2010г. не выпускаются. В результате лампа накаливания при включении работает в экстре- мальных условиях при токах, которые превышают номинальный, что приво- дит к ускоренному износу нити накала и преждевременному выходу лампы из строя, особенно при превышениях напряжения в питающей сети. Послед- нее обстоятельство при длительных превышениях напряжения относительно номинального приводит к резкому сокращению срока службы лампы. Срок службы лампы накаливания колеблется в широких пределах, по- тому что зависит: - от качества соединений в электропроводке и светильнике; . от ста- бильности номинального напряжения; - от наличия или отсутствия механических воздействий на лампу, толч- ков, сотрясений, вибраций; - от температуры окружающей среды; - от типа примененного выключателя и скорости нарастания величины тока при подаче питания на лампу. При продолжительной работе лампы накаливания ее нить накала под воздействием высокой температуры нагрева постепенно испаряется, умень- шаясь в диаметре, рвется (перегорает). Чем выше температура нагрева нити накала, тем больше света излучает лампа. При этом интенсивнее протекает процесс испарения нити, и сокраща- ется срок службы лампы. Поэтому для ламп накаливания устанавливается та- кая температура накала нити, при которой обеспечивается необходимая све- тоотдача лампы и определенная продолжительность ее службы. Средняя продолжительность горения лампы накаливания при расчет- ном напряжении не превышает 1000 часов. После 750 часов горения световой поток снижается в среднем на 15%. Лампы накаливания очень чувствительны даже к относительно не- большим повышениям напряжения: при повышении напряжения всего на 6% срок службы снижается вдвое. По этой причине лампы накаливания, осве- щающие лестничные клетки, довольно часто перегорают, так как ночью электросеть мало нагружена и напряжение повышено. Согласно классической электронной теории металлические проводники имеют кристаллическую структуру. В узлах кристаллической решётки нахо- дятся положительные ионы, а в пространстве между ионами имеются сво- бодные электроны, которые составляют "электронный газ", заполняющий кристаллическую решётку. Свободные электроны, как и молекулы газа, со- вершают хаотическое беспорядочное движение, скорость которых зависит от температуры. При этом каждый описывает сложную траекторию, подобную траектории молекулы газа или частицы, совершающей броуновское движе- ние (рис. 1). Вследствие беспорядочности теплового движения количество электро- нов, движущихся в любом направлении, в среднем всегда равно числу элек- тронов, перемещающихся в противоположном направлении. Поэтому, в от- сутствии внешнего поля, суммарный заряд, переносимый электронами в лю- бом направлении, равен нулю, т.е. в металле нет электрического тока. При создании разности потенциалов наконцах металлического проводника, в проводнике появляется электрическое поле, под действием которого элек- троны обретут частично упорядоченное движение в направлении, противо- положном направлению поля (т.к. электроны обладают отрицательным заря- дом). Поэтому при наличии внешнего поля фактическое движение электро- нов представляет собой сумму беспорядочного и упорядоченного движений, что приводит к появлению преимущественного направления движения. Ко- личество электронов, движущихся противоположно полю, будет больше ко- личества электронов, перемещающихся в направлении поля, следовательно, возникает перенос электрического заряда в направлении, противоположном полю, который и называют электрическим током. На рис.1б представлена траектория движения электрона в присутствии электрического поля. При наличии поля на каждый электрон действует сила равная ей, под действием которой электрон движется ускоренно. При своем движении элек- трон сталкивается с ионами кристаллической решетки. В момент удара элек- трон отдает часть или всю энергию ионам. После этого снова под действием сил электрического поля ускоряется, увеличивает свою скорость и снова при следующем соударении с ионом отдает свою энергию остову кристалличе- ской решетки. Рис.1. Траектория движения электрона: а) без поля; б) в электрическом поле напряженностью Е Энергия, переданная ионам кристаллической решетки, превращается в энергию беспорядочного колебательного движения ионов, т.е. в тепло. Эти столкновения приводят к затруднению направленного движения электронов, к созданию сопротивления. С точки зрения классической электронной теории два фактора: 1) участие электронов в хаотическом движении (наряду с на- правленным) и 2) наличие соударений электротел с ионами кристаллической решетки воспринимается как электрическое сопротивление проводника элек- трическому току. С увеличением температуры возрастает скорость хаотического движе- ния, а также число соударений электронов, что должно привести к увеличе- нию сопротивления проводника. Экспериментально установлено, что для металлов увеличение сопро- тивления с температурой выражается зависимостью: (1) где R 0 – сопротивление проводника при температуре 0 0 С, R t – сопро- тивление проводника при температуре t , – термический коэффициент со- противления данного металла, он показывает на какую часть изменяется со- противление проводника при нагреве его на 1 0 С. У чистых металлов порядка , у сплавов меньше. У вольфрама, из которого изготовлена нить исследуемой лампы 4,8·10 –3 ° C –1 Из формулы (1) можно определить температуру раскалённой нити, ес- ли известны её сопротивление R t при этой температуре и сопротивление нити R 0 при температуре 0 0 С: (2) Порядок выполнения работы № опыта Номи- нальная мощ- ность лампы, P, Вт Напря- жение U, В Сила тока в лампе I, А Мощность, по- требляемая лампой P, Вт Сопротивление нити накала R t , Ом Темпе- ратура накала t, o C 1. Измерьте электрическое сопротивление нити лампы накаливания при комнатной температуре с помощью омметра. 2. Соберите электрическую цепь согласно схеме: Рис. 2. Схема установки 2. Вычислите значение R 0 электрического сопротивления нити лам- пы при 0 ° C. Термический коэффициент α электрического сопротивления вольфрама при значениях температуры, близких к 0 ° C, равен примерно 4,8·10 –3 ° C –1 3. Подключите установку к источнику питания, соблюдая поляр- ность. Измерьте силу тока в цепи при разных значениях U на концах нити накаливания лампы от минимального свечения до максимального. Вычисли- те электрическое сопротивление R t нити лампы в нагретом состоянии: 4. По найденным значениям электрического сопротивления нити лампы R 0 , R t и известному значению термического коэффициента электриче- ского сопротивления вольфрама вычислите температуру t нити лампы по фор- муле Оцените границы погрешностей измерений. Результаты из- мерений и вычислений занесите в отчетную таблицу. 5. Постройте график зависимости температуры нити накаливания от на- пряжения на ее зажимах. Контрольные вопросы 1. Почему электрическое сопротивление металлов зависит от тем- пературы? 2. Каковы основные источники погрешностей измерений в данном эксперименте? 3. Почему в данной работе электрическое сопротивление нити лам- пы при комнатной температуре можно считать приблизительно равным ее электрическому сопротивлению при 0 ° С? |