003_ELEKTRIChESTVO__I__MAGNETIZM / РАБОТА_2.04
.doc
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ «МАМИ»
Кафедра физики
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2.04
ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Москва 2012 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
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: ,
Плотность тока вектор, направление которого совпадает, с направлением упорядоченного движения положительных зарядов.
Пусть 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 через поперечное сечение проводника будет перенесен заряд , а плотность тока будет равна
(1)
По закону Ома сила тока I в проводнике прямо пропорциональна напряжению U на проводнике и обратно пропорциональна сопротивлению проводника R.
( 2 )
2
Сопротивление проводника
(3)
где L длина проводника, S площадь поперечного сечения, ρ удельное сопротивление.
Величина называется удельной электропроводностью материала проводника. Она зависит от свойств материала и температуры.
Закон Ома (2) можно представить в дифференциальной форме. Подставляя (3) в (2), получим:
(4)
Учитывая, что - плотность тока, - удельная электропроводность, напряженность электростатического поля в проводнике, формулу (4) можно записать в виде
(5)
Так как направление упорядоченного движения положительно заряженных частиц в каждой точке проводника совпадает с направлением вектора , то направления и совпадают. Поэтому формулу (5) можно записать в векторной форме
(6)
Выражение (6) закон Ома в дифференциальной форме, согласно которому плотность тока в любой точке проводника прямо пропорциональна напряженности электрического поля в этой точке.
Целью настоящей работы является экспериментальная проверка закона Ома в дифференциальной форме и определение удельной электро-проводности 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 занести в таблицу.
2. Регулятором силы тока установить произвольное значение силы тока , результат занести в таблицу.
3. Занести в таблицу значение напряжения по вольтметру.
4. С помощью подвижного контакта изменить длину провода, определить новое значение и показания вольтметра .
5. Изменяя силу тока несколько раз силу тока I, повторить измерения по пунктам 14 пять раз.
Результаты занести в таблицу.
4
Таблица 1.
№ |
I мА |
м |
м |
м |
В |
В |
U В |
Е В/м
|
j А/м2 |
1 |
100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
120 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
140 |
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
160 |
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
180 |
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
200 |
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
= |
Обработка результатов измерений
1. По формуле определите напряженность поля внутри проводника .
-
Пользуясь данными таблицы, определите плотность тока в проводнике, соответствующую различным значениям напряженности поля внутри него.
Диаметр
провода D = 0.34 мм.
3. Постройте график зависимости . Сделайте вывод о выполнимости закона Ома.
4. По графику определить удельную электропроводность .
-
Учитывая, что , определить удельное сопротивление проводника.
5
Контрольные вопросы.
-
Что называется электрическим током, силой тока, плотностью тока?
-
Сформулируйте закон Ома для участка цепи.
-
Какой участок цепи называется однородным?
-
Какие силы называются сторонними силами?
-
Сформулируйте закон Ома в дифференциальной форме.
-
Что называется удельной электропроводностью проводника и от чего она зависит?
Литература
-
Савельев И.В. Курс общей физики, книга 2. Электричество и магнетизм.- М.: «Наука». 2003 г.
-
Детлаф А.А., Яворский В. М. Курс физики. М.: «Высшая школа», 1999 г.
-
Калашников С.Г. Электричество.- M.: Физматлит, 2004 г.
-
Трофимова Т.И. Курс физики.- М.: «Высшая школа», 2003г.