Причини виникнення опору

Електрони провідника невпинно й хаотично рухаються, але у випадку, коли до провідника не прикладена напруга, хаотичний рух електронів в середньому не призводить до переносу заряду – електричний струм дорівнює нулю. Електричний струм виникає тоді, коли існує переважний рух електронів у одному напрямку. Така ситуація можлива при наявності електрорушійної сили, енергія якої витрачається на переорієнтацію теплового руху електронів.

Під час свого руху електричні заряди взаємодіють з кристалічною ґраткою: зіштовхуються з атомами ґратки (розсіються). При цьому електрони віддають енергію, отриману від електричного поля джерела ЕРС, ґратці. Атоми, що перебувають в коливальному русі навколо положення рівноваги, збільшують амплітуду коливання. Тобто, енергія електричного поля перетворюється в енергію коливання атомів – в тепло.

В джерелі ЕРС внаслідок кулонівського відштовхування електрони намагаються зайняти рівноважне положення, що відповідає їх найбільшій віддаленності один від одного. Щоб викликати струм, треба порушити цю рівновагу і спрямувати електрони у певному напрямку проти сил поля (в джерелах струму цю роботу виконують сторонні сили, наприклад, хімічні). Розглянуті процеси викликають появу внутрішнього опору джерела ЕРС.

2.3. Питома електропровідність характеризує здатність речовин проводити електричний струм. Формула: , де – заряд електрона, n – концентрація електронів, , – рухливість електронів, .

Коефіцієнт пропорційності називають диференціальною або питомою термоелектрорушійною силою. Вона залежить від природи дотикових провідників і від температури. Формула: , де – термоелектрорушійна сила, В, – температура, К,

– зміна термоелектрорушійної сили, dT – зміна температури.

Питомий опір – кількісна характеристика речовини, якою визначається здатність створювати опір електричному струму. Формула: , де – питома провідність, См .

Температурний коефіцієнт опору – відносна зміна електричного опору ділянки електричного кола або питомого електричного опору матеріалу при зміні температури на 1 К.

Формула: , де R – опір провідника, Ом, dR – зміна опору, dT – зміна температури.

Номінальний опір резистора – опір, величина якого позначена на резисторі.

Допуск(клас точності) резистора – відсоток на який може бути більшим або меншим опір резистора. Є загально визначені класи точності для резисторів: 0.1%, 0.25%, 0.5%, 1%, 2%, 5%, 10%, 20%, 30%.

III. ДОСЛІДНА установка та методика ВИМІРЮВАННЯ

Методика дослідження полягає у вимірюванні за допомогою цифрового омметра величини опорів металевих дротяних резисторів, поміщених у термостат, при зміні температури.

Рис.3. Схема установки для дослідження температурної залежності
електропровідності металів і ТЕРС термопари: Т_Х, Т_Г – опорна та вимірювана температури.

Опис схеми:

mV – мілівольтметр

(А-В) –термопара

W –омметр

П – перемикач для резисторів

R1, R2, R3 – резистори

0, 1, 2, 3 –положення перемикача

Термостат – фізичне тіло або пристрій, що забезпечує сталість температури у системі; підтримує температуру на заданому рівні вмикаючи/вимикаючи нагрівальний або охолоджуючий елемент, чи змінюючи потік теплоносія.

Дослідна установка (рис.1) складається з термостата, в якому розміщені вимірювані провідникові матеріали та один із контактів термопари. Вимірювання опору здійснюється цифровим автоматичним омметром. Під’єднання резисторів до Омметра здійснюється перемикачем П. Вимірювання температури проводиться за допомогою термопари (А-В) та мілівольтметра. Залежність термо-ЕРС від різниці температур холодного Т _х та гарячого Т _г контактів (спаїв) можна вважати лінійною із достатньою для лабораторних досліджувань точністю: Е_Т = a_т∙ (Т _г – Т _х),

де a_т – відносна диференційна термо-е.р.с. (чутливість) вибраного типу термопари, В /⁰С.

Таким чином, вимірюючи мілівольтметром термо-ЕРС Е_Т, можемо визначати температуру в термостаті Т _г –

Т _г = Т _х + Е_Т / a_т;

де Т _х - температура холодного контакту, яка дорівнює в даному випадку кімнатній температурі (температура клеми на макеті для під’єднання мілівольтметра). Якщо Е_Т вимірюється у мВ то a_т задається у мВ /°C (чутливість використовуваної термопари вказується у лабораторній інструкції).

У загальному – термоелектрорушійна сила Е_Т термопари залежить від температур Т _х і Т _г, а точна відповідність значень Т _х, Т _г і Е_Т задається спеціальними таблицями.

Для визначення середнього температурного коефіцієнту опору (ТКО) в достатньо широкій області температур, весь температурний діапазон спочатку розбивають на кілька – N послідовних ділянок, в залежності від виду графіку R (T) (при лінійній залежності –беруть крайні точки вимірювань). Для кожної ділянки визначається температурний коефіцієнт a_Ri.

де DR_i=R_i+1 – R_i DT_i=T_i+1 – T_i.

Середній температурний коефіцієнт для всього діапазону визначається як середнє арифметичне.

Питомий опір провідникових матеріалів визначається за формулою:

де R – опір, Ом; L – довжина, м; S – площа поперечного перерізу провідника, м ².

ЕТ, мВ		1 2

0 400 800 1200 t°C

Рис.4. Графіки температурної залежності термо-ЕРС для деяких типів термопар:
1 – хромель-копель, 2 – залізо-копель, 3 – мідь-константан, 4 – залізо-константан,
5 – хромель-алюмель, 6 – платина-платинородій.

IV. Завдання

1. Зняти та побудувати графіки залежності опору провідників від температури в заданому діапазоні, використовуючи для вимірювання температури термопару.

2. Визначити величину питомого опору r при Т = 20°C (r ₂₀) та середній температурний коефіцієнт опору матеріалу a_R провідників.

3. Ознайомитись з будовою термопар та матеріалами для них. Пояснити природу виникнення термо-ЕРС та принцип вимірювання температури з допомогою термопари.

4. За результатами досліду визначити тип провідників та тип термопари, користуючись необхідними технічними довідниками.

5. Пояснити отримані залежності (визначити можливі фактори, що впливають на величину опору та температурний коефіцієнт опору в досліджуваних матеріалах), дати рекомендації щодо особливостей практичного застосування досліджених провідників для виготовлення відповідних резисторів.

---

Дата добавления: 2015-10-28