Завдання. 1. Дослідити залежність опору металу від температури та визначити дієвість експериментальної формули (7) та формули (16) класичної електронної теорії

1. Дослідити залежність опору металу від температури та визначити дієвість експериментальної формули (7) та формули (16) класичної електронної теорії провідності.

2. Дослідити залежність опору напівпровідника від температури та визначити дієвість класичної теорії електропровідності в напівпровідниках.

3.2.1 Виконання експериментальних досліджень

Примітка: а) матеріал досліджуваного зразка та температури при яких вимірюється опір задаються викладачем в таблиці 1.

б) З метою зменшення часу досліджень, дослідження температурної залежності проводити при збільшенні температури, а температурної залежності опору напівпровідників – при зменшенні температури.

в) У зв’язку з різною тепловою інерційністю датчика температур і зразків при нагріванні і охолодженні вимірювання опору зразків рекомендується виконувати в нижче приведеній послідовності.

3.2.1.1 Дослідження залежності опору металу від температури

1. Перемикачем «образец», розміщеним на передній панелі об’єкта дослідження, вибрати зразок 1 або 2, опір якого буде досліджуватися (положення 1 – мідний; положення 2 – манганін, положення 3 – напівпровідник).

За показами індикатора визначити опір та початкову температуру зразка. Результати записати в таблицю 1 (графа: дослідження 1, перша після нуля незаповнена графа температур).

2. Натиснути кнопку «нагрев» пристрою вимірювального (на індикаторі з’являється напис «warm», а в печі загоряється лампочка).

3. Спостерігаючи за показами температури (вони повинні зростати), при досягненні температури меншої необхідної на 2…3 (ряд температур зарається викладачем в таблиці 1), повторним натискуванням кнопки «нагрев» вимкнути нагрів печі (лампочка в печі вимикається, на індикаторі зникає напис «warm»).

Спостерігаючи за показами температури (вони будуть зростати на 3…4 , а потім зменшуватися), при досягненні необхідної температури за показами індикатора, визначити опір зразка та записати ці дані в таблицю 1.

Примітка. При температурах вищих , в результаті швидкого охолодження печі, зупинку нагріву слід проводити за до необхідної температури.

4. Виконати пункти 2-3 для інших температур, заданих в таблиці 1.

3.2.1.2 Дослідження опору напівпровідника від температури.

1. Перемикач «образец» встановити в положення «3» зразок – напівпровідник.

Значення опору зразка записати в таблицю 1 (графа напівпровідник) під відповідною температурою.

2. При вимкненому нагрівачі печі (лампочка в печі не горить) натискуванням кнопки «вент.» ввімкнути вентилятор (на індикаторі зникає напис «warm» і з’являється напис «cool», вентилятор шумить).

3. Спостерігаючи за показами температури (вони повинні зменшуватися) при досягненні температури більшої необхідної на (ряд температур задається викладачем в таблиці 1) вимкнути вентилятор (на індикаторі зникає напис «cool», вимикається сигнальна лампочка вентилятора та його шум) і ввімкнути нагрів печі (на індикаторі з’являється напис «warm», а в печі загорається лампочка).

Спостерігаючи з показами температури (вони будуть зменшуватись на , а потім зростати), при досягненні необхідної температури за показами індикатора визначити опір зразка та записати ці дані в таблицю 1 (графа: дослідження 2, напівпровідник, ).

4. Виконати пункти 2-3 для інших температур, заданих в таблиці 1.

5. Вимкнути нагрівач печі та вентилятор ()лампочка в печі не світиться, вентилятор не працює).

Після затвердження викладачем результатів експерименту, вимкнути вимірювальний пристрій, на лабораторному стенді вимкнути вимикач 1-SF1, вийняти вилку шнура з розетки 1-XS1, та привести обладнання в початковий стан.

Таблиця 1

Задане викладачем

Дослідження

зразок

Т

К

мідь (1)

Ом

Ом

Ом

манганін (2)

Ом

Ом

Ом

напівпровідник (3)

Ом

Примітка: 1. Для конкретних металів розрахункова формула (7) має вид:

для міді ;

для манганіту

2. Для конкретних металів формула (16), отримана в класичній теорії провідності, має вид:

для міді ; для манганіту

3. Розміри теоретичних і досліджених зразків аналогічні.

4. , , ‑ відповідно, експериментальне, розрахункове (7) і теоретичне (16) значення опору досліджуваного металевого зразка з міді або манганіну.

3.2.2 Виконання розрахунків та побудова графіків

Використовуючи формулу розрахувати та записати в таблицю 1 температуру досліджуваного зразка в абсолютній шкалі температур.

Використовуючи формулу (7) розрахувати значення опору досліджуваного зразка при заданих температурах (дивись примітку 1 до таблиці 1).

Використовуючи формулу (16), отриману в класичній теорії провідності, знайти теоретичні значення опору зразка при заданих температурах (дивись примітку 2 до таблиці 1).

Результати розрахунків записати у відповідні графи таблиці 1.

Побудувати графіки залежностей , , , (Мал. 2)(дивись примітку до таблиці 1).

Побудувати графік залежності (Мал.2).

‑ експериментальна залежність опору металу (міді, манганіту);

‑ розрахункова залежність опору, згідно формули (7);

‑ теоретична залежність опору, згідно класичної теорії провідності (16);

‑ експериментальна температурна залежність опору напівпровідника.

Мал.2. – Температурна залежність опору

3.2.3 Аналіз результатів досліджень та висновки

1. Співставляючи графік експериментальної залежності опору металу з розрахованими графіками та зробити висновки про ступінь дієвості для металів:

‑ експериментальної формули (7), ;

‑ формули (16) , отриманої в класичній теорії провідності;

2. Співставляючи вид графіка експериментальної залежності опору напівпровідника з графіками та зробити висновки про ступінь дієвості для напівпровідників:

‑ формули (7), ;

‑ формули (16) , отриманої в класичній теорії провідності;

4. Контрольні запитання та завдання

4.1 Контрольні запитання

1. Назвіть та дайте визначення основних понять та величин, які характеризують електричні процеси в колах постійного струму.

2. Назвіть та дайте визначення основних законів постійного струму отриманих експериментально.

3. Назвіть основні положення класичної електронної теорії провідності металів.

4. Назвіть, запишіть та поясніть закони, які пояснює класична електронна теорія провідності металів.

5. Назвіть, запишіть та поясніть закони, які класична електронна теорія металів неспроможна пояснити та назвіть причини. Пояснення порівняйте з результатами Ваших експериментальних досліджень.

6. Приведіть приклади прояву та використання законів електропровідності в морській справі.

4.2 Контрольні завдання

1. Уміти пояснити будь-які дії, виконані при проведенні експерименту, розрахунках, побудові графіків, аналізі отриманих результатів, формулюванні висновків та використанні закономірностей.

2. По металевому провіднику, площа поперечного перерізу якого , протікає струм. Дрейфова швидкість руху електронів провідності , а їх концентрація . Визначити силу і густину струму в провіднику.

3. У провіднику площею поперечного перерізу сила струму ,а концентрація вільних електронів . Визначити швидкість впорядкованого руху електронів.

4. За температури опір обмотки статора непрацюючого електродвигуна постійного струму був . Після вмикання електродвигуна з часом обмотка нагрілась до температури . Визначити опір обмотки працюючого електродвигуна та на скільки відсотків він збільшився. Термічний коефіцієнт опору міді .

5. Обмотка статора генератора виготовлена з мідного проводу довжиною 30м і перерізом 5мм². Визначити опір обмотки працюючого генератора, якщо її температура при цьому . , .

6. Визначити у скільки разів опір ніхромового проводу електронагрівача в робочому стані при температурі більше порівняно з його опором при . .

Література

1. Воловик П.М. Фізика: Підручник для університетів. – К.: Ірпінь: Перун, 2005. – 864с. – с.388 ‑ 422.

2. Кучерук І.М. і ін. Загальний курс фізики: Т.1: Механіка. Молекулярна фізика і термодинаміка. – К.: Техніка, 1999. – 536 с. – с.105 – 145.

3. Зачек І.Р. і ін. Курс фізики. – Львів: Бескид Біт, 2002. – 376с. – с.123 – 133.