0,1 - Ya-geniy.ru

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ЛИЦЕЙ №87 ИМ. Л.И. НОВИКОВОЙ
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА
НА ТЕМУ:
«ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТАМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
РАЗЛИЧНЫХ ПРОВОДНИКОВ»
Выполнила: ученица 8 «В» класса
Дубкова Мария
Руководитель: Овсянникова А.А.
НИЖНИЙ НОВГОРОД, 2014
Содержание
1. Введение (актуальность, цели, задачи) ...........................стр. 3
2. Теоритическая часть ...........................................................стр. 4
2.1 Закон Ома ........................................................................стр. 4
2.2 ВАХ проводников ..........................................................стр. 4
2.3 ВАХ в металлах ..............................................................стр. 4
2.4 ВАХ в вакууме ................................................................стр. 6
2.5 ВАХ в жидкостях ...........................................................стр. 7
2.6 ВАХ в газах......................................................................стр. 8
3. Исследовательская часть. Исследование ВАХ
для алюминиевого и медного проводников ................. стр. 10
3.1 Описание эксперимента. Ход работы ...................... стр. 10
3.2 Результаты эксперимента .......................................... стр. 12
3.3 Расчёт погрешности .................................................... стр. 16
4. Заключение ......................................................................... стр. 17
4.1 Сравнительный анализ проводников ..................... стр. 17
4.2 Применение .................................................................. стр. 19
4.3 Вывод по итогам, проведенного опыта ................... стр. 20
5. Литература .......................................................................... стр. 21
2
1. Введение
Актуальность темы:
Развитие современной энергетики промышленных объектов направлено
на увеличение потребления электрической энергии, поэтому передача электроэнергии с наименьшими потерями является первостепенной задачей. Исследование ВАХ позволяет определить свойства различных проводников при прохождении через них электрического тока и выявить наиболее оптимальные
способы передачи энергии, как в промышленности, так и в бытовой сфере.
Исследование свойств различных проводников поможет в поиске оптимального решения данной проблемы.
Цель: Исследовать зависимость силы тока от напряжения для различных
проводников.
Задачи:
1. изучить один из важнейших законов электрического тока - закон Ома
для участка цепи;
2. экспериментальным путем установить связь между силой тока и напряжением;
3. исследовать
и сравнить вольт-амперные характеристики различных
проводников;
3
2. Теоритическая часть
2.1 Закон Ома - физический закон, определяющий связь электродвижущей силы источника или электрического напряжения с силой
тока и сопротивлением проводника. Экспериментально установлен в 1826 году, и назван в
честь его первооткрывателя Георга Ома.
I=U/R
2.2 Вольт-амперная характеристика (ВАХ) – это зависимость силы тока от
напряжения проводника.
Сила тока – скалярная физическая величина равная отношению электрического заряда протекающего через поперечное сечение проводника за время
t
к
этому времени.
I= q: t
[I]= 1А
Напряжение - скалярная физическая величина показывающая какую работу
совершает электрическое поле при перемещении единичного заряда из одной
точки в другую
U=A:q [U]= 1B
2.3 ВАХ в металлах
Специально поставленные опыты показали, что при прохождении электрического тока масса металлических проводников остается постоянной, не
изменяется и их химический состав. На этом основании можно предположить,
что в создании электрического тока в металлах участвуют только электроны.
4
Предположение об электронной природе электрического тока в металлах подтверждено опытами Мандельштама и Папалекси (1913 г.) и Стюарта и Толмена (1916 г.). Идея этих
опытов состоит в том, что поскольку электрон имеет массу,
то он должен обладать соответствующей инерцией движения. Следовательно, если проводник из металла привести в
движение, то при внезапной его остановке электроны по
инерции будут продолжать движение, в результате чего создается эффект электрического тока, который может быть
измерен соответствующими достаточно чувствительными
приборами. Таким образом, было доказано, что носителями
электрического тока в металлах являются свободные электроны или электроны проводимости.
Схема опыта Толмена и Стюарта показана на рис. 1. Катушка с большим
числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг
своей оси. Концы катушки с помощью гибких проводов были присоединены к
чувствительному баллистическому гальванометру Г. Раскрученная катушка
резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременных ток, обусловленный
инерцией носителей заряда. Полный заряд, протекающий по цепи, измерялся
по отбросу стрелки гальванометра.
Существование свободных электронов в металлах можно объяснить следующим образом: при образовании кристаллической решетки металла (в результате сближения изолированных атомов) валентные электроны, сравнительно слабо связанные с атомными ядрами, отрываются от атомов металла,
становятся «свободными» и могут перемещаться по всему объему. Таким образом, в узлах кристаллической решетки располагаются ионы металла, а между ними хаотически движутся свободные электроны, образуя своеобразный
электронный газ, обладающий, согласно электронной теории металлов, свойствами идеального газа.
5
Из закона Ома для участка
цепи следует, что при постоянном
сопротивлении сила тока прямо
пропорциональна
Следовательно,
напряжению.
вольт-амперная
характеристика для металлического проводника представляет собой
прямую линию, проходящую через начало координат. Проводник
с такими свойствами называется резистором.
2.4 ВАХ в вакууме
До открытия уникальных свойств полупроводников в радиотехнике использовались исключительно электронные лампы. В этих лампах, а также в
электронно-лучевых трубках, широко используемых и сейчас, электроны движутся в вакууме. Откачивая газ из сосуда, можно дойти до такой его концентрации, при которой молекулы успевают пролететь от одной стенки сосуда к
другой, ни разу не испытав соударений друг с другом. Такое состояние газа в
трубке называют вакуумом.
Проводимость межэлектронного промежутка в вакууме можно обеспечить только с помощью введения в трубку источника заряженных частиц.
Чаще всего действие такого источника заряженных частиц основано на
свойстве тел, нагретых до высокой температуры, испускать электроны.
Этот процесс называется термоэлектронной эмиссией.
Явление термоэлектронной эмиссии приводит к тому, что нагретый металлический электрод в отличие от холодного непрерывно испускает электроны. Электроны образуют вокруг электрода электронное облако. Электрод
при этом заряжается положительно, и под влиянием электрического поля заряженного облака электроны из облака частично возвращаются на электрод.
При подключении электродов к источнику тока между ними возникает
электрическое поле. Если положительный полюс источника тока соединен с
6
холодным электродом (анодом), а отрицательный — с нагретым (катодом), то
напряженность электрического поля направлена к нагретому электроду. Под
действием этого поля электроны частично покидают электронное облако и
движутся к холодному электроду. Электрическая цепь замыкается, и в ней
устанавливается электрический ток. Односторонняя проводимость используется в электронных приборах с двумя электродами — вакуумных диодах.
Свойства любого электронного устройства отражает его вольт-амперная
характеристика,
т.е.
зави-
симость силы тока от разности
потенциалов на клеммах этого
устройства. В отличие от характеристики металлического
проводника
эта
вольт-
амперная характеристика нелинейная (рис. 2).
Основная причина нелинейности характеристики вакуумного диода в
том, что свободные электроны, образующие ток в пространстве диода, испускаются одним из электродов в ограниченном количестве. Кроме того, на движение электронов наряду с полем, созданным зарядами на электродах, существенное влияние оказывает поле пространственного заряда электронного облака у катода. Чем выше напряжение между анодом и катодом, тем меньше
пространственный заряд электронного об лака и тем большее количество электронов достигает анода, следовательно, тем больше и сила тока в лампе.
2.5 ВАХ в жидкостях
Жидкости, как и твердые тела, могут быть диэлектриками, проводниками
и полупроводниками. К числу диэлектриков относится дистиллированная вода, к проводникам — растворы и расплавы электролитов: кислот, щелочей и
солей. Жидкими полупроводниками являются расплавленный селен, расплавы
сульфидов и др.
7
Явление распада молекул солей, щелочей и кислот в воде на ионы противоположных знаков называют электролитической диссоциацией. Полученные вследствие
распада ионы служат носителями заряда в
жидкости, а сама жидкость становятся проводником. Вне электрического поля ионы
движутся хаотически. Под действием внешнего электрического поля ионы, продолжая хаотичные движения, вместе с тем смещаются в направлении действия сил электрического поля: катионы к катоду, анионы - к аноду.
Следовательно, электрический ток в растворах (расплавах) электролитов это направленное перемещение ионов обоих знаков в противоположных
направлениях.
Для растворов электролитов справедлив
закон Ома. При постоянной температуре графиком, выражающим зависимость силы тока
от напряжения (вольт-амперная характеристика) для растворов электролитов, является
прямая линия. Эта прямая не проходит через
начало координат, а “сдвинута” вправо. Это
объясняется тем, что при электролизе происходит поляризация электродов, погруженных в раствор электролита, причем
электродвижущая сила (ЭДС) поляризации имеет знак, противоположный знаку напряжения на электродах.
2.6 ВАХ в газах.
При нормальных условиях газы состоят из нейтральных молекул, а поэтому являются диэлектриками. Так как для получения электрического тока
необходимо наличие заряженных частиц, то молекулы газа следует ионизировать (оторвать электроны от молекул). Для ионизации молекул необходимо
затратить энергию - энергию ионизации, количество которой зависит от рода
8
вещества. Так, энергия ионизации минимальна для атомов щелочных металлов, максимальна - для инертных газов. В газах образование ионов происходит
либо при нагревании, либо за счет действия внешних ионизаторов, например
излучений. Благодаря дополнительной энергии возрастает скорость движения молекул, нарастает интенсивность их теплового движения и при соударении отдельные молекулы теряют электроны, превращаясь в положительно
заряженные ионы.
Процесс протекания электрического тока через газ называют газовым
разрядом. На участке графика 0А сила тока подчиняется закону Ома. При
малом напряжении сила тока мала,
т.к. ионы двигаясь с малыми скоростями рекомбинируют, не достигая электродов. При увеличении напряжения между электродами
скорость
направленного
движения электронов
возрастает,
поэтому
и ионов
большая
часть заряженных частиц достигает электродов, а, следовательно возрастает сила тока.
Механизм проводимости газов похож на механизм проводимости растворов и расплавов электролитов. Разница состоит в том, что отрицательный
заряд переносится в основном не отрицательными ионами, как в водных растворах или расплавах электролитов, а электронами.
Таким образом, в газах сочетается электронная проводимость, подобная
проводимости металлов, с ионной проводимостью, подобней проводимости
водных растворов или расплавов электролитов.
При комнатных температурах газы являются диэлектриками. Нагревание
газа или облучение ультрафиолетом, рентгеновскими и другими лучами вызывает ионизацию атомов или молекул газа. Газ становится проводником.
9
3. Исследовательская часть
3.1 Описание эксперимента
В данной работе мы исследуем ВАХ двух различных проводников. Для этого
мы проведем опыт. Соберём электрическую систему с использованием:
1. Источник питания
2. Ключ
3. Амперметр
10
4. Вольтметр
5. Исследуемый проводник
6. Соединение проводов
Источник питания - устройство, предназначенное для обеспечения различных устройств электрическим питанием.
Ключ - элемент замыкания-размыкания электрической цепи
Амперметр - измерительный прибор для измерения силы тока (в амперах)
11
Вольтметр - измерительный прибор для определения напряжения (в вольтах)
Исследуемый проводник – вещество, хорошо проводящее электрический
ток. В нашем случае мы рассматриваем два вещества: медный и алюминиевый
провода.
Электрическая цепь - совокупность устройств, элементов, предназначенных для протекания электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий сила тока и напряжение.
3.2 Ход работы
1. Собираем электрическую цепь, согласно нижеуказанной схеме, с использованием медного проводника
12
A
R
V
2. Замыкаем ключ и снимаем показания приборов, данные заносим в таблицу 1
Таблица 1
1
2
U
3В
5,7 В
I
0,5 мА
1 мА
13
3. Добавляем второй элемент питания
A
R
V
4. Замыкаем цепь и снимаем показания приборов. Заносим показания приборов в таблицу 1
14
5. Собираем электрическую цепь, согласно ниже указанной схеме, с использованием алюминиевого проводника и повторяем все два опыта
6. Выполняем измерение приборов с использованием одного, двух элементов питания по схеме пунктов 2-4 и заносим их в таблицу 2
Таблица 2
1
2
U
0,08 В
0,1 В
I
1200 мА
1650 мА
15
7. Составляем график вольт-амперных характеристик для медного и алюминиевого проводников по данным таблиц 1,2
мА
1650
1200
1
0,5
0
0,08 0,1
3.3
3
5,7
В
Погрешность физических величин
Расчет погрешности измерения состоит из суммы погрешностей измерения.
Измерения могут быть прямыми и косвенными. В прямых измерениях значение физической величины считывается непосредственно со шкалы прибора.
Например, измерение длины с помощью линейки, измерение силы тока амперметром. При косвенных измерениях значения физической величины определяются по формулам, выражающим какие-то законы.
Самыми распространенными являются систематические погрешности, которые при повторных измерениях остаются постоянными или изменяются по
определенному закону. При этом результаты измерений оказываются во всех
опытах либо завышенными, либо заниженными. Они могут быть инструментальными, связанными, например, со сдвигом или перекосом приборной шка16
лы, изгибом стрелки у стрелочных приборов, изменением физических параметров приборов, и методическими , возникающими из-за выбора неточной
методики измерений или неоправданного использования приближенных расчетных формул. Для простейших приборов погрешность совпадает с ценой
деления их шкалы, но не всегда ей равна. Например, для деревянных линеек =
∆Х прибора= 1 мм, а для металлических ∆ Х прибора= 0,5 мм, хотя цена деления у
них одинаковая — I мм; для штангенциркуля с ценой деления 0,1 мм целесообразно полагать ∆Х прибора= 0,1 мм. Обычно в паспорте прибора указана относительная погрешность
∑ прибора = ∆Х прибора: А
где А — максимальное значение физической величины на шкале. Величина
∆Х прибора= А*∑ прибора называется классом точности прибора.
17
4. Заключение
4.1 Приведем сравнительный анализ обоих проводников:
Медь - наряду с многочисленными плюсами обладает не меньшим количеством минусов.
Достоинства: проводимость выше, чем у алюминия, гибкость, не образует
оксидной пленки. От гибкости зависит толщина жилы. Алюминиевые проводники не могут быть тоньше 2,5 мм2, а из меди можно изготавливать жилы
толщиной 0,3 мм2.
Недостатки - дороговизна, высокая плотность,
а следовательно, и вес, невозможность прямого соединения с алюминиевыми
жилами.
Алюминий — прекрасный материал: легкий,
дешевый, обладает вполне
приличной электропроводимостью, хорошо отдает тепло химически стоек. Однако есть несколько
«но», существенно подмачивающих репутацию данного металла.
Алюминиевый провод не может быть гибким. Вспомните, как хорошо
переламывается проволока из этого материала, если перегнуть несколько раз.
Вывод простой — такие провода используют только в стационарных установках и там, где нет острых углов поворотов кабеля при прокладке.
Алюминий окисляется на воздухе. Оксид алюминия — тугоплавкая пленка темного цвета, образующаяся на поверхности металл: являющаяся диэлектриком. В местах контакта может серьезно препятствовать течению электри18
ческого тока. Отсюда и излишний перегрев и риск потерять контакт в местах
соединения.
Анализ показывает:
1.
Алюминий обладает лучшей проводимостью, чем медь (в полтора раза).
2.
Медь тяжелее алюминия.
3.
Медь на много гибче алюминия.
4.
В отличие от алюминия медь не окисляется.
5.
Цена алюминия на много ниже, чем меди.
4.2 Применение проводников
19
4.3 Вывод
1.
Для однородного проводника график вольт-амперной характеристики
является прямой, то есть сила тока прямо пропорциональна напряжению.
2.
Для каждого проводника вольт-амперная характеристика своя и зависит
от рода материалов и геометрических размеров самого проводника.
3.
При одинаковых геометрических размерах проводников из меди и алюминия вольт-амперные характеристики меди более высокие, то есть
прохождение электрического тока в ней происходит более эффективно.
4.
Для использования в бытовых и промышленных целях более качественным является проводник из меди, а не из алюминия.
20
5. Литература
1. Учебник по физике (А.В. Перышкин).
2. Яворский Б.М., Пинский А.А. Основы физики, т.т. 1-2. М.: ФИЗМАТЛИТ,
2008.
3. Калашников С.Г. Электричество. М.: Наука, 2007.
4. Сивухин Д.В. Общий курс физики, т.т. 1-5. М.: Высшая школа, 2008.
5. Трофимова Т.И. Краткий курс физики. М.: Высшая школа, 2009.
6. Трофимова Т.И. Курс физики. Задачи и решения. Учеб. пособие для втузов.
7. Кузьмичев В.Е. Законы и формулы физики.
8. Сборник задач по физике: Учеб.пособие (Лукашик)
21