Физика проект по исследованию зависимости сопротивления проводника от его геометрические парамтеров. ФЭБ ФИЗИКА_финал. Исследовательская работа по физике Зависимость сопротивления проводника движению электрического тока, от геометрических параметров проводника
 Скачать 4.89 Mb.
|
|
МБОУ «Лицей №87 им. Л.И. Новиковой» Исследовательская работа по физике Зависимость сопротивления проводника движению электрического тока, от геометрических параметров проводника. Выполнил: Морозов Илья, ученик 8 класса В. Руководитель: учитель физики, Овсянникова А.А. город Нижний Новгород 2022 год Содержание Введение 1.Теоретические основы электронной теории сопротивления движению электрического тока в проводнике, со стороны проводника. 1.1.Начальные сведения о законе Ома. 2. Физический смысл понятия сопротивления металлических проводников 2.1.Зависимость сопротивления металлических проводников от геометрических параметров 3. Методы исследования и обработка результатов 4. Результаты исследования 5. Список используемых источников и литературы 2 Введение. Данная исследовательская работа показывает физическую сущность важнейшей характеристики материалов проводящих электрический ток – сопротивления. Достижения современной науки и техники показывают, актуальность решения проблемы снижения сопротивления, в электротехнике, доведение его практически до нуля в сверхпроводящих устройствах, особенно при обычных температурах. Это задача ближайшего будущего. Цель настоящей работы - проанализировать факты и выявить решение проблемы, путем изучения дополнительной литературы, обобщения фактов и проведения практических измерений. Задачей работы является выявление зависимости сопротивления медного проводника от его геометрических параметров. Объектомисследования являютсяпроводники из меди разной длины и толщины. Методы исследования:анализ литературы и интернет-источников; моделирование проблемы с сточки зрения электронной теории; использование лабораторных измерений для численного подтверждения теоретических конструкций,обобщение. 3 1. Теоретические основы электронной теории сопротивления движению электрического тока в проводнике, со стороны проводника. Электрический ток (ЭТ) – направленное движение электрических зарядов. ЭТ в металлах создается движением отрицательно заряженных частиц – электронов, в направлении, противоположном направлению электрического поля. рис. 1 Металлы – представляют собой кристаллическую решетку, в узлах которой колеблются ионы, положительно заряженные, т.к. каждый атом металла отдает один электрон, обращаясь в ион. Расстояния между атомами в металлах малы. В силу этого, внешние электронные орбиты атомов перекрываются. Электроны (е) на внешних орбитах свободно и беспорядочно перемещаются по проводнику. Их называют свободными электронами или электронами проводимости. Совокупность свободных е, называют электронным газом. Их движение в пространстве решетки подобно тепловому движению молекул газа в сосуде. Приложим к проводнику внешнее электрическое поле (Е). Тогда, хаотическое (хаос) движение свободных е, складывается с упорядоченным (направленным) движением е, под действие сил поля Е («электроны дрейфуют»). Дрейф электронов и обусловливает появление электрического тока. См. рис 1 . 4 Т.к. носителями ЭТ в проводниках являются электроны, то проводимость металлических проводников называют электронной проводимостью. Опыт показывает, что при прохождении ЭТ через металл, движутся электроны, а атомы не перемещаются: см. рис. 2. Соединили два медных и один алюминиевый цилиндры. Рис.2 Через цилиндры пропускали ЭТ. Если бы атомы металлов были подвижны, то некоторое число атомов меди перешли бы в цилиндр из алюминия, а из алюминия – в медный цилиндр. Отрицательный результат опыта показал, что свободные заряды в металле – это не ионы/атомы. 1.1. Начальные сведения о законе Ома. Сила (величина) постоянного тока I, измеряется зарядом q , проходящим через поперечное сечение проводника в 1 сек - I = q/t [ I ] = [A] и измеряется в Амперах. Схема 1 ИТ Электрический потенциал характеризует способность поля Е, совершать работу по переносу заряда из одной точки в другую. Так, между двумя точками проводника существует разность потенциалов, и электрическое поле Е совершает работу по переносу заряда. 5 Физическая величина, равная работе электрического поля при переносе электрического заряда, называется напряжением U . Измеряется в Вольтах. Один Вольт – это напряжение, которое при перемещении заряда в 1 Кулон, совершает работу, равную 1 Джоуль. Если между концами металлического проводника поместить источник тока (ИТ), см. схему 1, то по проводнику потечет ЭТ. Подробнее: электроны, достигая конца проводника, переходят внутрь ИТ, проходят по нему и возвращаются к правому концу проводника. Т.о. наличие ИТ - условие непрерывного движения электронов по проводнику (заряды на концах проводника не накапливаются и не уничтожают электрическое поле внутри проводника.) Сила тока для части электрической цепи (без источника тока) прямо пропорциональна напряжению ( U) на концах этой цепи и обратно пропорциональна сопротивлению (R) проводника в этой цепи. Это и есть закон Георга Ома. I = U ● (1/R) R - сопротивление внутренней атомной структуры проводника протеканию по нему ЭТ, единица измерения 1Ом [Oм]. 1/R - проводимость величина обратная сопротивлению, измеряется в сименсах [См]. 6 2. Физический смысл понятия сопротивления металлических проводников Носители ЭТ – электроны, при своем движении в металле испытывают «соударения» с ионами кристаллической решетки . При этом движущиеся электроны передают ионам решетки часть своей кинетической энергии, приобретенной ими при прохождении в проводнике до очередного соударения с решеткой. Энергия, переданная ионам при столкновении с электроном, превращается в энергию колебаний ионов в решетке, температура проводника повышается. А значит, увеличивается число столкновений электронов тока с ударенными ранее ионами. 2.1. Зависимость сопротивления металлических проводников от геометрических параметров Многочисленными опытами установлено, что: - сопротивление металлического проводника возрастает при уменьшении площади поперечного сечения проводника, т.к. в более тонком проводнике растет число столкновений электронов с ионами решетки. Форма сечения проводника – круг, квадрат, лента не имеет значения: при одинаковой площади поперечного сечения, разные по сечению проводники имеют одинаковое сопротивление. - сопротивление металлического проводника уменьшается при уменьшении длины проводника. 7 Действительно при движении в более коротком проводнике, электроны испытывают меньшее число столкновения с узлами кристаллической решетки, меньше теряют энергии электрического поля. Свойство проводников ограничивать силу тока в цепи, т.е. противодействовать электрическому току, называют электрическим сопротивлением. Cопротивление проводника, протеканию зарядов зависит от температуры проводника. Чем она выше, тем больше амплитуда колебаний ионов в узлах кристаллической решетки металла, тем выше частота соударений электронов с ионами. Существенна зависимость сопротивления от материала (металла) из которого исполнен проводник. Все выше сказанное включает формула, полученная опытным путем: Итак, сопротивление проводника прямо пропорционально длине проводника и обратно пропорционально площади его поперечного сечения, где ρ - коэффициент пропорциональности в формуле или удельное сопротивление материала, из которого сделан проводник. [ρ] = [Ом ● м] или [Ом ● мм 𝟐 /м] Металлические сплавы имеют значительно большее удельное сопротивление, чем химически чистые металлы: без примесей. 8 3. Методы исследования и обработка результатов исследования Методы и приемы: ✓ Теоретическое исследование проблемы. ✓ Проведение физического эксперимента. ✓ Графическая обработка итогов измерений. ✓ Математический расчет и анализ полученных закономерностей. Цель работы: Экспериментально установить вид зависимости между • Сопротивлением проводника и его длиной; • Сопротивлением проводника и площадью его поперечного сечения; • Удостовериться в справедливости формулы R= l/s Оборудование: • соединительные провода • источник постоянного тока • набор проводников из меди • вольтметр • амперметр • ключ Порядок выполнения исследования: 1) Проведем экспериментальные работы. 2) Рассчитаем сопротивления медных проводников для каждого опыта. 3) Построим графики зависимости сопротивления проводника от его длины и площади его поперечного сечения. 4) Определим по графикам вид зависимостей и сопоставим их с формулой R= l/s 5) Подведем итоги. 9 4. Результаты исследования. 4.1.Зависимость сопротивления проводника от длины при неизменной площади поперечного сечения. Оборудование: соединительные провода,источник постоянного тока 5В(+/-5%),вольтметр,амперметр, ключ. Последовательность действий. А. Собрали электрическую цепь, включив в нее объект исследования - медный одножильный проводник диаметром 1.2 мм (S=1,13 мм ). Б. Изменяя длину провода (укорачивая проводник), сняли показания вольтметра и амперметра. В. Используя формулу закона Ома, рассчитали сопротивление проводника. Г. Итоги измерений и расчетов занесли в таблицу: № Длина провода Сила тока Напряжение Сопротивление опыта l, м I, А U, В R, Ом 1 1 0,75 0,027 0,0362 2 0,5 0,75 0,0135 0,018 3 0,25 0,75 0,0068 0, 009 По результатам расчетов построили график зависимости сопротивления проводника от его длины: R, Ом 0,04 0,03 0,02 0,01 0 0,25 0,5 0.75 1,0 L, м 4.2.Зависимость сопротивления проводника от площади его поперечного сечения. Оборудование:соединительные провода, источник постоянного тока 5В(+/-5%), вольтметр, амперметр, ключ. Объект исследования: медные проводники малого сечения из разобранного многожильного провода – имитатора набора проводов разного поперечного сечения. Последовательность действий. А. Собрали электрическую цепь. Б. Площадь поперечного сечения увеличивали путем параллельного добавления дополнительных медных проволочек с одинаковой длиной и одного d=0,2 мм (с последующей скруткой). Число проволок n=1,10,15,20. В. Сняли показания амперметра и вольтметра и с помощью закона Ома рассчитали сопротивление проводников. Г. Результаты измерений и расчетов занесли в таблицу: Номер Диаметр Площадь Сила Напряжение Сопротивление опыта провода поперечного сечения тока U, В R, Ом d, мм провода, S, мм 2 I,А 1 0,2 0,0314 0,36 0,033 0,09 2 2 3,14 0,57 0,026 0,046 3 3 7,065 0,69 0,024 0,034 4 4 12,56 0,78 0,022 0,028 11 Список используемых источников и литературы 1. Д.И. Сахаров, М.И. Блудов. Физика, Наука, М., 1967, стр. 339-349 2. И.П. Гурский. Элементарная физика, Наука, М., 1973, стр. 213-217 3. Н.Н. Евграфова, В.П.Каган. Курс физики, ВШ, 1973, стр. 261, 261 4. Л.В. Соболев Краткое пособие по физике, МГУ, 1964, стр. 211-215 5. УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРОВОДНИКА, https://www.youtube.com/watch?v=S7HIUAe5-XM 6. Сопротивление проводника https://yandex.ru/video/preview/?filmId=17828978568864993266&p=2&te xt=исследование+СОПРОТИВЛЕНИЯ+ПРОВОДНИКА+ОТ+ГЕОМЕТ РИЧЕСКИХ+ПАРАМЕТРОВ&url=http%3A%2F%2Ffrontend.vh.yandex. ru%2Fplayer%2Fvj1c3P6Q9DnI 7. Действительное направление электрического тока https://www.youtube.com/watch?v=KZYNf211CA8&list=RDCMUC1_2ET BlT3ZFByBB02bR2Lg&index=2 13 Приложение Измерительные приборы - Для измерения напряжения на проводниках, мультиметр DT-9205А - Для измерения тока, тестер ТЛ-4М Источник постоянного тока 5В(+/-5%) с проводами Провода и зажимы для сборки 14 Объект исследования провода из меди разного сечения Снятие зависимости тока и напряжения от проводников при максимальном поперечном сечении. 15 |