Закон Джоуля-Ленца

Під дією електричного поля вільний електрон набуває додаткової кінетичної енергії.

Зіткнувшись з іоном, електрон повністю передає енергію кристалічній гратці, збільшує її внутрішню енергію, що проявляється у її нагріванні.

Враховуючи кількість зіткнень електрона з іонами і концентрацію електронів класична теорія електропровідності показує, що при проходженні електричного струму .

Враховуючи (12), маємо

(14)

Це закон Джоуля-Ленца в диференціальній формі.

Він співпадає з експериментальним законом (8), (9).

Недоліки класичної електронної теорії провідності металів

Застосування класичної електронної торії для пояснення законів електрики і теплових явищ, які спостерігаються на досліді, не завжди приводили до позитивних результатів, що свідчить про її обмеженість.

Приклади неспроможності класичної електронної теорії провідності металів пояснити експериментальні (реальні) закономірності.

1. Теплоємність металів.

Згідно класичної електронної теорії молярна теплоємність металу дорівнює сумі молярної теплоємності кристалічної гратки і молярної теплоємності електронного газу, який розглядається як одноатомний ідеальний газ:

Молярна ж теплоємність діелектриків рівна тільки молярній теплоємності гратки (так як в них вільних електронів немає).

Тобто, молярна теплоємність металів повинна бути більшою теплоємності діелектриків на величину теплоємності електронного газу

Експериментальні ж дані показують, що теплоємності металів і діелектриків приблизно рівні .

Електронний газ ніби не має теплоємності, що принципово протирічить класичній електронній теорії.

2. Середня довжина вільного пробігу електронів в металах

Використовуючи експериментальні значення провідності металів, з формули провідності (12)

(15)

слідує, що реальна довжина вільного пробігу електронів в провідниках в сотні разів більша періоду кристалічної гратки. Електрон ніби обминає іони решітки.

Пояснити таку поведінку електронів класична теорія провідності не змогла.

3. Температурна залежність опору металів.

Виходячи з формул (4), (5), (12) опір металів

Згідно класичної теорії електропровідності , а значить і опір металів повинен бути пропорційний .

(16)

Експериментально ж встановлено, що в досить широкому інтервалі температур опір металу пропорційний температурі (7)

Висновки класичної теорії (16) не співпадають з дійсністю (7) і пояснити такі розходження теорія не змогла.

4. Температурна залежність опору напівпровідників

Експеримент показує, що опір деяких провідників (напівпровідників) із збільшенням температури не тільки не зростає, а взагалі зменшується за експоненціальним законом

(17)

Пояснення цього факту класична електронна теорія провідності не може дати.

5. Провідність діелектриків

З точки зору класичної теорії провідності в діелектриках вільних електронів немає і існування в них струму взагалі неможливе.

В реальності ж струм, нехай і малий, у всіх діелектриках при наявності електричного поля виникає.

Цей факт принципово протирічить фундаментальним положенням класичної теорії електропровідності.

З розглянутих прикладів слідує, що класична електронна теорія провідності в повній мірі відображає реальність і може пояснити ряд експериментальних закономірностей: Закон Ома, закон Джоуля-Ленца і деякі інші. Але ряд реальних закономірностей: теплоємність металів, довжину вільного пробігу електронів, температурні залежності опору металів і напівпровідників, провідність діелектриків і ряд інших – вона пояснити не спроможна, що свідчить про її обмеженість, певну невідповідність реальним процесам, які мають місце в твердих тілах при проходженні струму.

Неспроможність класичної електронної теорії провідності пояснити ряд експериментальних фактів стало одним із стимулів до розробки досконалішої, принципово нового виду, механіки-квантової механіки.

Квантова механіка дає пояснення всім названим експериментальним фактам.

2. Будова і принцип дії установки для дослідження температурної залежності електропровідності металів і напівпровідників ФПК-07.

1. Установка складається з об’єкту дослідження (електропечі з встановленим в ній досліджуваним зразком і датчиком) і пристрою вимірювального, виконаного у вигляді конструктивно закінченого виробу. Об’єкт дослідження і вимірювальний пристрій з’єднані кабелем.

Мал. 1 Установка ФПК-07

2. Електропіч нагріває зразки, температура яких вимірюється з допомогою датчика температури.

Вентилятор прискорює охолодження електропечі та зразків.

Об’єкт дослідження конструктивно виконаний у вигляді збірного корпусу, в якому встановлені: електропіч з розміщеним в середині зразком і датчиком (термометр опору); лампа, яка загорається при ввімкненні печі; вентилятор для охолодження електропечі; джерел живлення електропечі і вентилятора з схемами керування; пристрій комутації і індикації.

Джерело живлення зі схемами керування забезпечують електроенергією електропіч і вентилятор та керування їх роботою з вимірювального пристрою.

На передній панелі об’єкта дослідження знаходиться вікно, яке дозволяє спостерігати електропіч і зразки, встановлені в ній.

На цій же панелі розміщені наступні органи керування і індикації:

‑ вимикач «Сеть» ‑ призначений для ввімкнення і вимкнення живлення об’єкту дослідження;

‑ перемикач «Образец» ‑ призначений для почергового підключення зразків до вимірювального входу вимірювального пристрою.

Положенням перемикача «Образец» відповідає підключення наступних зразків:

«1» ‑ метал (мідь);

«2» ‑ сплав з низьким температурним коефіцієнтом опору (манганін);

«3» ‑ напівпровідник (напівпровідниковий терморезистор);

«0» ‑ в цьому положенні вимірювальний вхід вимірювального пристрою закорочений.

Індикатори «Сеть» і «Вент» ‑ призначені для індикації ввімкнення живлення об’єкту дослідження і ввімкнення вентилятора.

Об’єкт дослідження з’єднаний кабелем та електрошнуром з вимірювальним пристроєм.

3. Пристрій вимірювальний виконаний у вигляді конструктивно завершеного виробу. В ньому використана одно кристальна мікро-ЕОМ з відповідними додатковими пристроями, які дозволяють вимірювати температури зразків в процесі нагрівання, а також здійснювати керування пристроєм (ввімкнення і вимкнення електропечі та вентилятора об’єкту дослідження, зупинку індикації при знятті показів з індикатора). В склад вимірювального пристрою входять також джерела його електроживлення і рідкокристалічний індикатор.

На передній панелі вимірювального пристрою розміщені наступні органи керування і індикації:

‑ рідкокристалічний індикатор – призначений для індикації вимірювальних величин (у верхній частині – температури в , нижній – опору в Ом), а також режимів роботи (відображається в правому верхньому куті);

‑ кнопки «нагрев» і «вент» ‑ призначені для ввімкнення і вимкнення (повторним натисканням) електропечі і вентилятора об’єкту дослідження відповідно; при ввімкненні печі на індикаторі з’являється напис «warm», вентилятора «cool»;

‑ кнопка «стоп инд.» ‑ призначена для ввімкнення і вимкнення (повторним натисканням) режиму зупинки індикації показів з індикатора. При ввімкненні цього режиму, покази на індикаторі фіксуються в тому стані, в якому вони знаходилися при натискуванні кнопки «стоп инд.», а режим роботи всього пристрою не змінюється (якщо перед натискуванням був ввімкнений вентилятор, то він продовжує працювати) і на індикаторі з’являється напис «Fixed». При повторному натискуванні відбувається вимкнення даного режиму стоп інформації і на індикаторі знову відображається текучі значення вимірюваних величин і режиму роботи.

Вимірювальний пристрій електрошнуром з вилкою вмикається в мережу 220В, 50Гц.

3. Виконання досліджень

3.1 Підготовка обладнання до проведення досліджень