4. Описание установки

Экспериментальная установка для определения коэффициента теплопроводности воздуха изображена на рис.3.

Установка состоит из медного цилиндра (1) диаметром 16 мм, по оси которой укреплена стальная проволока (2). К проволоке (2) через подводящие контакты (3) подключается источник регулируемого напряжения (4). Последовательно к проволоке соединяется амперметр (6), параллельно – вольтметр (5).

Рис. 3 .Схема экспериментальной установки для определения коэффициента теплопроводности воздуха.

Для определения температуры стальной проволоки (2) снимается вольтамперная характеристика, по которой определяется величина статического сопротивления ( ) проволоки и рассчитывается ее температура. На рисунке 2 представлена типичная вольтамперная характеристика стальной проволоки.

Видно, что при малых значениях тока зависимость силы тока от напряжения изображается в виде прямой, проходящей через начало координат. При дальнейшем увеличении тока стальная нить разогревается, сопротивление её увеличивается и наблюдается отклонение вольтамперной характеристики от линейной зависимости. Для поддержания тока при большем сопротивлении требуется большее напряжение. Дифференциальное сопротивление нити монотонно уменьшается, а затем принимает почти постоянное значение. Полученная вольтамперная характеристика стальной проволоки в целом носит нелинейный характер. Считая, что потребляемая проволокой мощность отводится излучением, можно определить температуру нити и коэффициент теплопроводности воздуха.

Определение температуры нити накаливания основано на известной зависимости сопротивления металлов от температуры:

, (9)

где - сопротивление нити при 0⁰С; - температурный коэффициент сопротивления стали, 1/град.

Запишем выражение (9) для комнатной температуры.

. (10)

Разделив почленно выражение (9) на (10), получим:

. (11)

Отсюда определим температуру стальной проволоки:

. (12)

Таким образом, зная статическое сопротивление нити накаливания при комнатной температуре в отсутствии тока (или при очень малом токе, когда температура образца совпадает с комнатной) и сопротивление нити при протекании тока, можно определить её температуру. При этом сопротивление стальной проволоки рассчитывается по закону Ома

, (13)

где - сопротивление стальной проволоки; - напряжение в цепи; - ток амперметра.

Более точное определение сопротивления стальной проволоки находится из соотношения (19) (смотри примечание №2).

Таким образом, статическое сопротивление стальной проволоки определяется как котангенс угла наклона прямой, проходящей на вольтамперной характеристики через начало координат и через рабочую точку с измеренными значениями силы тока и напряжением. Следует отметить, что сопротивление стальной проволоки при комнатной температуре в отсутствии тока может быть измерено также при помощи цифрового электроизмерительного прибора (тестера).