Лабораторна робота 2-1

Вимірювання опору провідників за допомогою моста постійного струму.

Мета роботи: ознайомлення з класичним способом вимірювання опору за допомогою моста постійного струму.

Обладнання: стрілочний гальванометр з нульовою точкою посередині, магазин опорів на 10кОм, перемикач, джерело живлення на 6 В, невідомі опори.

Теоретичний вступ

Провідниками називаються речовини, в яких може відбуватися впорядкований рух електрично заряджених частинок під дією електричного поля. Провідниками є метали, напівпровідники, електроліти, іонізовані гази (плазма). В металах носіями заряду ( рухомими зарядженими частинками ) є електрони, в електролітах – іони, в плазмі – і електрони, і іони.

Впорядкований рух заряджених частинок в провідниках під дією прикладеного електричного поля називається електричним струмом, а здатність провідників проводити струм – електропровідністю.

Кількісною характеристикою струму є густина струму j:

j=n^–q ^- v^-+n⁺q⁺v⁺ (1)

де n⁺, n^- -густини додатньо і від’ємно заряджених частинок, q⁺, q^- - їх заряди а v⁺, v^- - швидкості.

В металах носіями струму є вільні електрони, тому

j = n^- e^- v (2)

де e^- = -1,6*10^-19 Кл –заряд електрона.

Густина струму – це кількість заряду, що протікає через одиницю площі поперечного перетину провідника за одиницю часу.

Отже, густина струму в провідниках залежить від концентрації вільних електронів у ньому, а також від швидкості їх напрямленого руху (так звана дрейфова швидкість, наприклад. для мідного провідника при густині струму 10⁷ А/м², дрейфова швидкість = 0,8мм/с, хоча середня швидкість теплового руху електронів при кімнатній температурі є набагато більшою, приблизно 10⁵м/с). В металах концентрація вільних електронів є практично сталою для даного металу і не залежить від температури.

Силою струму називається величина, яка чисельно дорівнює електричному заряду dq, що проходить через поперечний переріз провідника за час :

= (3)

Зв’язок між силою струму і густиною:

= (4)

де – площа поперечного перетину провідника.

В системі СІ одиницею сили електричного струму є ампер (А), Це основна одиниця, названа так на честь французького фізика А.Ампера. Одиниця густини струму - А/м² .

Електричний струм в провідниках називають струмом провідності, за напрямок струму прийнято вважати напрямок руху додатних зарядів, тому напрямок струму в металах протилежний до напрямку руху електронів. Важливо розрізняти дрейфову швидкість електронів і швидкість поширення струму, Швидкість поширення струму – це швидкість поширення електричного поля, яка дорівнює швидкості поширення світла 3*10⁸ м/с.

Якщо сила струму в провіднику з часом не змінюється, то такий струм називають постійним.

Мал .1.Структура металу:в вузлах гратки - додатні іони, оточені електронним газом

Характерними провідниками є чисті метали: мідь, залізо, срібло та інші. Такі метали мають кристалічну структуру, в вузлах кристалічної решітки знаходяться важкі додатні іони, а слабо зв’язані електрони утворюють так званий ідеальний електронний газ (див. мал.1). Кількість вільних електронів дуже велика - порядку 10²² частинок в 1см³, але від’ємний заряд електронів повністю дорівнює додатному заряду іонів, і тому метал не має заряду – є нейтральним.

При внесенні провідника в електричне поле миттєво електрони змістяться в напрямку проти поля. Але вилетіти з металу вони не можуть, бо їх утримує кулонівська сила зі сторони додатних іонів.

Мал.2. Всередині провідника електричне поле дорівнює нулю.

Тому електрони зміщуються відносно решітки на малу відстань (біля 0,0001 мкм.). Отже, на одній поверхні виникає надлишок електронів ( від’ємний заряд ), а на протилежній – їх недостача ( додатний заряд ), див. мал.2.

Надлишковий заряд на поверхні породжує електричне поле , напрям якого протилежний до напряму зовнішнього електричного поля , але модулі цих полів однакові, і тому всередині провідника електричне поле дорівнює нулю. Електричне поле є тільки на поверхні провідника (зображене стрілочками). Сумарний заряд в кожній точці всередині провідника дорівнює нулю.

Таким чином, ніякого впорядкованого переміщення електронів всередині провідника, тобто струму, немає. Це означає, що електричні сили не можуть спричиняти струм. Для підтримання електричного струму в провіднику потрібно, щоб виконувалась робота по переміщенню електронів силами неелектричного походження - так званими ’сторонніми’ силами, які діють на електрони зі сторони джерел струму (генераторів, гальванічних елементів, акумуляторів та інше). Сторонні сили – це сили не електричні. Це можуть бути сили хімічної природи (гальванічні елементи, акумулятори), теплової (термоелементи), сонячної (сонячні батареї).

Робота сторонніх сил джерела струму при переміщенні одиничного позитивного точкового електричного заряду називається електрорушійною силою (е.р.с.) і визначається як:

= (5)

де - робота сторонніх сил, - заряд ( якщо =1, то = ).

Електрорушійна сила джерела струму вимірюється в вольтах, В.