Лаба 6 (физика). Изучение сопротивлений низкоомных материалов
 Скачать 132.31 Kb.
|
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации  Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Санкт-Петербургский горный университет Кафедра общей и технической физики отчет по лабораторной работе №6 По дисциплине: физика Тема: «Изучение сопротивлений низкоомных материалов» Выполнил: студент гр.Мц-21-1 _________ /Баканов А.В./ Проверил: доцент __________ / / Санкт-Петербург 2021 Цель работы: определение удельного сопротивления, контактного сопротивления, и удельной теплопроводности металлов низкоомных материалов с помощью измерительного усилителя. Краткие теоретические сведения: 1.Явление, изучаемое в работе: протекание тока в низкоомных материалах. 2.Определение основных физических понятий, объектов, процессов и величин. Электронныйгаз — модель в физике твердого тела, описывающая поведение электронов в телах с электронной проводимостью. Электрический ток – всякое упорядоченное движение электрических зарядов. Электрический ток называется постоянным, если сила тока и его направление не изменяются с течением времени. Сила тока – скалярная физическая величина, равная отношению заряда dq, переносимого сквозь рассматриваемую поверхность (в случае тока проводимости– через поперечное сечение проводника) за малый промежуток времени, к величине dt этого промежутка. Электрическое сопротивление – отношение напряжения (U) на участке электрической цепи к силе тока (I). Напряжение – отношение работы (А) сил электрического поля при перемещении заряда (q) из одной точки в другую к величине заряда. Удельное сопротивление – сопротивление единицы длины проводника единичной площади сечения. Электроныпроводимости(свободныеэлектроны) – носители тока, образовавшиеся из валентных электронов атомов металла, которые не принадлежат определенному атому, а являются общими электронами. Плотность тока – направление электрического тока в различных точках рассматриваемой поверхности и распределение силы тока по этой поверхности. Теплоемкость– физическая величина, численно равная отношению количества теплоты, сообщаемого телу, к изменению температуры тела в рассматриваемом термодинамическом процессе. Длинасвободногопробегаэлектроноввпроводниках – путь, который в среднем проходят электроны между двумя последовательными столкновениями с ионами решетки. В конце свободного пробега скорость электрона равна нулю, так как электрон отдает всю энергию ионам решетки. Законы и соотношения, описывающие изучаемые процессы, на основании которых, получены расчетные формулы. Пояснения к физическим величинам и их единицы измерений. Уравнениесреднеквадратичной скоростимолекулы, В соответствии с атомно-кинетической теорией идеальных газов средняя кинетическая энергия электронов, находящихся в состоянии непрерывного хаотического движения, линейно возрастает с температурой:  ,где: U-средняя скорость теплового движения, м/с; k–постоянная Больцмана, Дж*К-1, m- масса электрона, кг, Т – температура, К. ЗаконОмадля плотности тока-плотностьвпроводникепропорциональнанапряженностиполя: J=γ*E, Где: E- напряженность электрического поля, В/м, γ - удельная электропроводность, Ом-1*м-1. Закон Видемана — Франца — это физический закон, утверждающий, что для металлов отношение коэффициента теплопроводности к удельной электрической проводимости пропорционально температуре:  Где: γ - удельная проводимость, Ом-1*м-1., L0 - число Лоренца, Вт*Ом/К2, T – температура, К, λ - электронная теплопроводность, Вт*м-1*К-1. 3.Схема установки:  ИП – источник питания, А – амперметр, V – вольтметр, У – измерительный усилитель, R – исследуемый образец с малым сопротивлением. 4.Основные расчетные формулы: Сопротивлениепроводника, (Ом):  где:  - напряжение на образце, (В); I – сила тока, (А).Напряжениенаобразце:  где: K – коэффициент усиления, U – измеряемое мультиметром на выходе усилителя напряжение, (В). Удельноесопротивление:  где: S = πd2/4, d – диаметр исследуемого стержня, (м); l – расстояние между контактными гнездами, (м); R – сопротивление проводника, (Ом). Контактноесопротивление металла: RкAl = RпAl – RAl и RкCu = RпCu – RCu (для алюминия и меди соответственно), Где: Rк Al , Rк Cu – контактное сопротивление, (Ом); Rп Al, Rп Cu – полное сопротивление, (О)м; RAl, RCu - сопротивление проводника, (Ом) Концентрация свободных электронов:  где: ρ – плотность материала, (кг/м-3); А – атомная масса Отношение удельной теплопроводности к удельной проводимости металла:  , где  - удельная электропроводность,  - удельная теплопроводность, T – температура, k – постоянная Больцмана5.Формулы для расчета погрешностей косвенных измерений:   6.Погрешности прямых измерений: Погрешность измерений напряжения: ΔU=0,015В Погрешность измерений силы тока: ΔI=0,0125А Погрешность измерения длины:  7.Таблицы с результатами и вычислениями: Таблица1 «Вольт-ампернаяхарактеристикаалюминиевогостержня» U0 =0В K = 105 d = 2,5 см l = 25 см
Rср=15,25 мкОм Таблица2 «ИзмерениеполногосопротивленияRпалюминия(сучѐтом контактногосопротивленияRкAl)» U0 = 0 
Таблица 3 «Вольт-ампернаяхарактеристикамедногостержня» U0 =0 K = 105 d = 2,5 см l = 31,5 см
Rср=11,23 мкОм Таблица 4 «Измерение полного сопротивления Rп меди (с учѐтомконтактногосопротивленияRкCu)» U0= 0 
8. Примеры вычисления: Пример вычисления для таблицы №1 Напряжениена образце  Сопротивлениеалюминия  Удельноесопротивлениеалюминия (исходяизданныхвсейтаблицы)  Пример вычисления для таблицы №2 Полноесопротивление алюминия  Контактное сопротивление алюминия Rк =Rп –Rср=  Пример вычисления для таблицы №3 Сопротивлениемеди  Удельноесопротивлениемеди (исходяизданныхвсей таблицы)  Пример вычисления для таблицы №4 Полноесопротивление меди  Контактное сопротивление меди Rк =Rп –Rср =0,44 - 13,23 *10-6 = 0,44 Ом Концентрация свободных электронов алюминия  Средняя длина свободного пробега электронов в алюминии  Удельная теплопроводность алюминия  Концентрация свободных электронов меди  Средняя длина свободного пробега электронов в меди  Удельная теплопроводность меди  7) Косвенные погрешности: Для алюминиевого стержня   Для медного   Окончательные результаты 1) Сопротивление алюминиевого образца  сопротивление медного образца  2) Удельное сопротивление алюминия  Удельное сопротивление меди  3) Контактное сопротивление Rк для алюминия Rк Al = 22,70  Омдля меди Rк Cu = 0,33 Ом 4) Длина свободного пробега электронов По классической теории:  м м5) удельная теплопроводность Для алюминия:  Для меди:  9. Анализ полученного результата. В лабораторной работе было определено активное и удельное сопротивление алюминиевого и медного стержней, рассчитаны косвенные погрешности, а так же измерено контактное сопротивление. Контактное сопротивление получилось значительно больше, чем активное в стержнях |