Описание лабораторной установки и вывод расчетных формул

В качестве проводника используется вольфрамовая нить электрической лампочки накаливания. Изменение температуры нити, а следовательно, и ее сопротивления, достигается пропусканием тока по нити от лабораторного автотрансформатора (ЛАТРа), включенного в сеть переменного тока. Изменяя на выходных зажимах ЛАТРа напряжение, контролируемое вольтметром V, по нити лампочки пропускают различный по величине ток, который измеряется амперметром А (рис.2.1).

Согласно закону Ома, сопротивление нити лампы

. (2.3)

Рис. 2.1.

Подставляя в формулу (2.3) значение R из соотношения (2.2), получим уравнение

.

Отсюда найдем расчетную формулу для температуры нити лампы:

. (2.4)

Не менее важной физической величиной является скорость направленного движения электронов <u>, значение которой можно определить по формуле (2.1):

. (2.5)

Концентрацию носителей тока вычисляют по концентрации атомов, воспользовавшись формулой

. (2.6)

Общее число атомов выражается следующим образом:

, (2.7)

тогда при подстановке выражения (2.7) в формулу (2.6) и учете того, что ( =19300 кг/м³ – плотность вольфрама), получим

, (2.8)

где N_А=6,02∙10²³ моль^–1 – постоянная Авогадро;

М=0,183 кг/моль – молярная масса вольфрама.

Площадь сечения нити вольфрама S определим как площадь круга диаметром d =0,1 мм=10^-4м.

.

Тогда

. (2.9)

Здесь е=1,6∙10^–19 Кл – величина заряда электрона.

Среднюю скорость хаотического движения электронов можно найти по формуле

, (2.10)

где k=1,38∙10^–23 Дж/К – постоянная Больцмана;

m=9,1∙10^–31 кг – масса электрона.

Порядок выполнения работы

1. Изучите электрическую схему лабораторной установки (см. рис. 5.1).

2. Рукоятку, расположенную на корпусе ЛАТРа, поверните до упора против часовой стрелки. В этом случае на выходных зажимах ЛАТРа будет отсутствовать напряжение.

3. Вращая рукоятку ЛАТРа, установите по вольтметру на его выходе напряжение 50 В и снимите отсчет силы тока по амперметру.

4. Аналогичные измерения произведите не менее 8 раз, последовательно увеличивая напряжение на 10 В. Данные занесите в табл. 6.

Т а б л и ц а 5. Сопротивление нити лампы при температуре 0^оС

Мощность лампы, Вт	100	75	60	40	25
R0 ,Ом	25	45	60	90	200

Т а б л и ц а 6. Результаты измерений и вычислений

№ п.п.	U, B	I, A	R, Ом	t, оС	<u>, м/с	<υ>, м/с
1
2
3
4
5
6
7
8

5. По формулам (2.3) и (2.4) вычислите сопротивление R и температуру t, а также по формуле (2.9) величину <u>. Полученные результаты занесите в табл. 6.

При расчетах температуры нити лампы значение температурного коэффициента принять равным 0,0045 К^–1, а значения R₀ при температуре 0^оС взять из табл. 5.

6. По формуле (2.10) рассчитайте среднюю скорость хаотического движения электронов. Результаты запишите в табл. 6.

7. Постройте график зависимости сопротивления от температуры.