2.04 Изучение законов постоянного тока.

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ «МАМИ»
Кафедра
физики
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2.04
ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Москва
2005 г.
Лабораторная работа № 2.04
ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Цель работы:
определение сопротивления металлического проводника
экспериментальная проверка закона Ома в дифференциальной
форме, расчет средней скорости упорядоченного движения
свободных электронов в металлическом проводнике.
ВВЕДЕНИЕ
Электрическим током называется направленное движение электрических
зарядов. Электрический ток может быть обусловлен движением как
отрицательных, так и положительных носителей тока. В металлах носителями
тока являются свободные электроны. Количественной мерой электрического
тока является сила тока I - скалярная физическая величина, численно равная
заряду, проходящему через поперечное сечение проводника за единицу
времени
I
dq
dt
Ток, величина и направление которого не изменяется со временем,
называется постоянным. Физическая величина, определяемая силой тока,
проходящего через единицу площади поперечного сечения проводника,
перпендикулярного направлению тока, называется плотностью тока
Для постоянного тока:
I
q
,
t
j
j
dI
.
dS
I
S
Плотность тока  вектор, направление которого совпадает, с направлением
упорядоченного движения положительных зарядов.
Пусть v  скорость упорядоченного движения зарядов в проводнике , n 
число носителей тока в единице объема проводника, а заряд одного носителя
равен элементарному заряду e. Тогда за время dt через поперечное сечение

dq  nevSdt , а плотность тока
проводника S будет перенесен заряд
j
будет равна


(1)
j  neV
По закону Ома сила тока I в проводнике прямо пропорциональна
напряжению U
на проводнике и обратно пропорциональна сопротивлению
проводника R.
I
U
R
(2)
2
Сопротивление проводника
R ρ
где L  длина проводника,
сопротивление.
Величина σ 
L
S
(3)
S  площадь поперечного сечения, ρ  удельное
1
называется удельной электропроводностью материала
ρ
проводника. Она зависит от свойств материала и температуры.
Закон Ома
(2) можно представить в дифференциальной форме.
Подставляя (3) в (2), получим:
I 1U

S ρL
j
Учитывая, что
электропроводность,
E
I
S
U

L
- плотность тока, σ 
(4)
1
ρ
- удельная
напряженность электростатического поля в
проводнике, формулу (4) можно записать в виде
j  σE
(5)
Так как направление упорядоченного движения положительно
заряженных частиц в каждой точке проводника совпадает с направлением



вектора E , то направления j и E совпадают. Поэтому формулу (5) можно
записать в векторной форме


(6)
j  σE
Выражение (6)  закон Ома в
дифференциальной форме, согласно

которому плотность тока j в любой
точке
проводника
прямо
пропорциональна
 напряженности
электрического поля E в этой точке.
Целью настоящей работы является
экспериментальная проверка закона
Ома в дифференциальной форме и
определение
удельной
электропроводности σ.
3
Экспериментальная установка
Общий вид экспериментальной установки показан на рис. 2.
К основанию установки 1 прикреплена
колонна с метрической шкалой 3. На колонне
смонтирован подвижный контакт 4 на
основании которого нанесена риска для отсчета
делений шкалы при перемещении контакта.
Между верхним и нижним кронштейнами
колонки натянут металлический провод 5.
На лицевой панели измерительного
блока находятся: регулятор силы тока 6,
миллиамперметр, вольтметр, кнопка 7 для
включения
установки
в
сеть.
Роль
сопротивления на этих схемах играет
металлический провод 5 (рис. 2). Схемы А и В
позволяют определить сопротивление участка
провода с разной степенью точности.
При работе на установке переключатель
8 (рис. 2) должен быть всегда во включенном
(нажатом) положении.
Рис.2
Порядок выполнения работы
Проверка закона Ома в дифференциальной форме
1. Установить подвижный контакт 4 примерно в средней части провода.
Значение длины провода L1 занести в таблицу.
2. Регулятором силы тока установить произвольное значение силы тока I1 ,
результат занести в таблицу.
3. Занести в таблицу значение напряжения U1 по вольтметру.
4. С помощью подвижного контакта изменить длину провода,
новое значение L 2 и показания вольтметра U 2 .
определить
5. Изменяя силу тока несколько раз силу тока I, повторить измерения по
пунктам 14 пять раз.
Результаты занести в таблицу.
4
Таблица 1.
№
I
мА
1
100
2
120
3
140
4
160
5
180
6
200
L1
L2
м
м
L
м
U1
U2
В
В
U
В
=
Е
j
В/м
А/м2
=
Обработка результатов измерений
1.
2.
По формуле
E
ΔU
ΔL
проводника
E
U 2  U1
.
L 2  L1
определите напряженность поля внутри
Пользуясь данными таблицы, определите плотность тока в
проводнике,
соответствующую
различным
значениям
напряженности поля внутри него.
Диаметр провода D = 0.34 мм.
j
I
4I

S πD 2
j  f (E) . Сделайте вывод о
3.
Постройте график зависимости
выполнимости закона Ома.
4.
По графику j  f (E) определить удельную электропроводность σ .
5.
Учитывая,
проводника.
что
σ
1
,
ρ
определить
удельное
сопротивление
5
Контрольные вопросы.
1. Что называется электрическим током, силой тока, плотностью тока?
2. Сформулируйте закон Ома для участка цепи.
3. Какой участок цепи называется однородным?
4. Какие силы называются сторонними силами?
5. Сформулируйте закон Ома в дифференциальной форме.
6. Что называется удельной электропроводностью проводника и от чего она
зависит?
Литература
1. Савельев И.В. Курс общей физики, книга 2. Электричество и магнетизм.
М.: «Наука». 2003 г.
2. Детлаф А.А., Яворский В. М. Курс физики. М.: «Высшая школа», 1999 г.
3. Калашников С.Г. Электричество. M.: Физматлит, 2004 г.
4. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: «Высшая школа», 2003г.