Alma38.ru

Электро Свет
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Порядок выполнения работы. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2. 2

Порядок выполнения работы. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.2

Цель работы: измерение сопротивления различными способами и исследование зависимости сопротивления нити лампы накаливания от температуры.

Теоретическая часть

В зависимости от концентрации свободных носителей зарядов все вещества делятся на:

Проводники – вещества, в которых электрические заряды могут свободно перемещаться по всему объему.

Существует два типа проводников:

Проводники 1 рода (все металлы) – перемещающимися в них зарядами являются свободные электроны и перемещение зарядов не вызывает химических изменений в этих проводниках.

Проводники 2 рода (электролиты) – в них перемещающимися носителями являются положительные и отрицательные ионы, что ведет к химическим изменениям в проводниках.

Диэлектрики (изоляторы) – тела в которых практически нет свободных носителей заряда.

Полупроводники – занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Их электропроводность зависит в значительной мере от внешних условий (в частности от температуры).

Проводники 1-го рода.

Г. Ом экспериментально установил, что сила тока текущего по однородному металлическому проводнику пропорциональна падению напряжения на проводнике:

где R – электрическое сопротивление, одна из характеристик электрических свойств вещества, величина которого зависит от формы и размеров проводника и свойств материала, из которого он изготовлен. Для однородного линейного проводника сопротивление R прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально площади его поперечного сечения.

где ρ — удельное электрическое сопротивление.

Закон Ома можно записать в дифференциальной форме:

где γ — называется коэффициентом электропроводности (электропроводностью).

Способность вещества проводить электрический ток характеризуется его удельным сопротивлением ρ, либо электропроводностью . Эти величины определяются химической природой вещества и условиями, в частности температурой. Для большинства металлов удельное сопротивление (сопротивление) растет с температурой приблизительно по линейному закону:

где α – температурный коэффициент сопротивления, зависящий от материала проводника; R — сопротивление при t=0 0 С.

В большинстве случаев зависимость ρ(Т) следует кривой изображенной на графике.

Величина остаточного сопротивления в сильной степени зависит от чистоты материала. У абсолютно чистого материала с идеально правильной кристаллической решеткой при абсолютном нуле ρ=0.

Объяснение зависимости удельного сопротивлении (сопротивления) проводников от температуры дает элементарная теория электропроводности металлов.

Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов. Свободные электроны, способные перемещаться по металлу получили название электронов проводимости. Электроны проводимости в металле ведут себя подобно молекулам идеального газа. В промежутках между соударениями они движутся совершенно свободно, пробегая в среднем некоторый путь . Но в отличие от молекул газа, пробег которых определяется соударениями молекул друг с другом, электроны проводимости сталкиваются преимущественно не между собой, а с ионами, образующими кристаллическую решетку металла.

Средняя скорость теплового движения электронов может быть определена по формуле:

Для комнатной температуры ( — 300 K) — .

При наложении внешнего электрического поля на хаотическое движение электронов накладывается упорядоченное движение, в направлении, противоположном направлению поля. Таким образом, фактическое движение электронов представляет собой сумму беспорядочного и упорядоченного движений.

Величину упорядоченной скорости можно определить из формулы плотности тока:

где е – заряд электрона, n – концентрация. Эта величина равна u≈10 -3 м/с.

Таким образом, средняя скорость упорядоченного движения в 10 8 меньше скорости теплового движения. Поэтому, при вычислениях модуль результирующей скорости можно заменить .

Согласно классической электронной теории скорость электрона сразу после соударении с ионами решетки равна нулю. Если напряженность поля остается постоянной (E=const) , то под действие поля электрон получит постоянное ускорение, равное

и к концу пробега скорость упорядоченного движения достигнет максимального значения:

Не учитывая, распределение электронов по скоростям и учитывая, что и что время свободного пробега равно:

Среднее значение скорости за время равно:

Подставив это значение в формулу (7) , получим

закон Ома.

представляет собой электропроводность.

Если бы электроны не сталкивались с ионами решетки, то длина свободного пробега, а соответственно и проводимость были бы бесконечно велики. Таким образом, электрическое сопротивление проводников обусловлено соударениями свободных электронов с ионами кристаллической решетки. Положительные ионы металла препятствуют движению электронов. С увеличением температуры проводника тепловое движение ионов становится более интенсивным и увеличивается число столкновений электронов с ионами, поэтому сопротивление возрастает.

Классическая теория металлов имеет некоторые несоответствия. Но объяснение этих несоответствий дает квантовая теория металлов.

Проводники 2-го рода.

Носителями тока в проводниках 2-го рода служат ионы, на которые диссоциируют (расщепляются) в растворе молекулы растворенного вещества. С повышением температуры связь между ионами молекулы может оказаться разорванной за счет энергии теплового движения в этом случае молекула разделяется на 2 или большее количество ионов разных знаков (диссоциируют). То есть возрастает степень диссоциации молекул,

— равная отношению числа диссоциированных молекул n электролита к общему числу молекул n.

Это означает, что возрастает число ионов в электролите, которые являются в нем носителями зарядов. Таким образом, при повышении температуры коэффициент диссоциации и подвижность ионов увеличиваются, и проводимость электролитов возрастает с температурой, и соответственно уменьшается сопротивление.

Читайте так же:
Ток люминесцентной лампы с эпра

Описание установки

В данной работе проводят измерение сопротивления нити лампы накаливания в холодном и горячем состояниях.

Измерение сопротивления в холодном состоянии можно провести с помощью моста постоянного тока МО-62 или с помощью цифрового мультиметра, работающего по принципу моста.

Измерение сопротивления нити в нагретом состоянии производится методом амперметра и вольтметра.

В данной работе измерение сопротивления в холодном состоянии осуществляется мультиметром, в горячем состоянии на стенде.

Стенд Мост МО-62

Мостовая схема постоянного тока, часто называемая сокращено мостом Уинстона, представляет собой замкнутый контур (рис.3), состоящий из двух параллельных ветвей АСВ и АДВ, включенных в цепь источника тока. АВ является проводом, по которому скользит контакт Д.

Каждая цепь состоит из двух сопротивлений RxR и R1R2. Точка Д может перемещаться, изменяя сопротивления R1 и R2. Когда цепь замкнута — по мосту идет ток и стрелка гальванометра отклоняется. Однако при определенном соотношении между сопротивлениями — тока в гальванометре не будет.Найдем это соотношение, применив второй закон Кирхгофа для контуров АСДА и СВДС:

Разделив уравнение одно уравнение на другое, получим:

Зная R и отношение , можно вычислить неизвестное сопротивление.

В этих условиях процесс измерений на мостовой схеме заключается в установке в магазине сопротивления R (близкого по значению к измеряемому сопротивления) и в отыскании при помощи скользящего контакта такого положения моста, при котором сила тока в гальванометре обращается в ноль. Эта операция подбора положения движка называется уравновешиванием моста.

Условие равновесия моста может быть записано:

где R – отсчет по магазину плеча сравнения, N – множитель для изменения пределов измерения.

Мост МО-62

На передней панели прибора (рис.2) смонтированы:

— рукоятки 6 декадных магазинов сопротивлений, пять из которых ( ) соединены последовательно и образуют плечо сравнения моста (аналогично сопротивлению R в мосте Уинстона).

Сопротивления 6-ой декады соединены между собой последовательно и образуют плечи отношений моста МО-62 (аналогично отношению в мосте Уинстона) на панели указаны отношения плечей

Порядок выполнения работы

Упражнение 1. Измерение сопротивления нити лампы накаливания в холодном состоянии.

Измерение сопротивления нити лампы накаливания в холодном состоянии мультиметром.

1. Тумблер 1 на стенде включить в положение 1 (рис. 2).

2. Подключить мультиметр:

черный провод – гнездо «com»;

красный провод – гнездо VΩma.

Вторые концы проводов подключить к гнездам стенда:

черный провод – гнездо черное;

красный провод – гнездо красное.

3. Включить мультиметр в положение 200 Ω и измерить сопротивление нити в холодном состоянии

Упражнение 2. Определение сопротивления нити лампы накаливания в горячем состоянии методом амперметра и вольтметра.

1. Переключатель «1» перевести в положение 2. Поставить переключатель «сеть» в положение «вкл».

2. Установить с помощью регулятора «2» напряжение 0,5В. Снять показания амперметра.

3. Повторить измерения через каждые 0,5В. Показания занести в таблицу.

Зависимость сопротивления проводника от температуры

Практически в электротехнике выло выявлено, что с увеличением температуры сопротивление проводников из металла возрастает, а с понижением уменьшается. Для всех проводников из металла это изменение сопротивления почти одинаково и в среднем равно 0,4% на 1°С.

Если быть точным, то на самом деле при изменении температуры проводника изменяется его удельное сопротивление, которое имеет следующую зависимость:

zavisimost-soprotivleniya-ot-temperatury

где ρ и ρ, R и R — соответственно удельные сопротивления и сопротивления проводника при температурах t и 0°С (шкала Цельсия), α — температурный коэффициент сопротивления, [α] = град -1 .

Изменение удельного сопротивления проводника приводит к изменения самого сопротивления, что видно из следующего выражения:

soprotivlenie-provodnika-formula

Зная электронную теорию строения вещества можно дать следующее объяснение увеличению сопротивления металлических проводников с повышением температуры. При увеличении температуры проводник получает тепловую энергию, которая несомненно передается всем атомам вещества, в результате чего .возрастает их тепловое движение. Увеличившееся тепловое движение атомов создает большее сопротивление направленному движению свободных электронов (увеличивается вероятность столкновения свободных электронов с атомами), от этого и возрастает сопротивление проводника.

С понижением температуры направленное движение электронов облегчается (уменьшается возможность столкновения свободных электронов с атомами), и сопротивление проводника уменьшается. Этим объясняется интересное явление — сверхпроводимость металлов. Сверхпроводимость, т. е. уменьшение сопротивления металлов до нуля, наступает при огромной отрицательной температуре —273° С, называемой абсолютным нулем. При температуре абсолютного нуля атомы металла как бы застывают на месте, совершенно не препятствуя движению электронов.

График звисимости сопротивления металлического проводника от температуры представлен на рисунке 1.

zavisimost-soprotivleniya-ot-temperatury-grafik

Рисунок 1. График зависимости удельного сопротивления металлического проводника от температуры

Необходимо сказать, что сопротивление электролитов и полупроводников (уголь, селен и другие) с увеличением температуры уменьшается.

Температурная зависимость сопротивления электролита объясняется также в основном изменением удельного сопротивления,однако всегда температурный коэффициент сопротивления — α <0.

zavisimost-soprotivleniya-ot-temperatury-ehlektrolit

Поэтому кривая зависимости сопротивленя электролита от температуры имеет вид, представленый на рисунке 2.

zavisimost-soprotivleniya-ehlektrolit-ot-temperatury-grafik

Рисунок 1. График зависимости удельного сопротивления электролита от температуры

Ддя полупроводников характер изменения удельного сопротивления от температуры будет схож с таковым для элетролитов.

Читайте так же:
Схема выключателя света для двух ламп

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Интересные вопросы по общей электротехнике

1.1. Одинаковы ли последствия пробоя диэлектрика одного из двух конденсаторов в случае последовательного и параллельного их соединения?
При последовательном соединении напряжение сети прикладывается к исправному конденсатору, а при параллельном соединении возникает короткое замыкание установки. 1.2. В плоский конденсатор параллельно обкладкам вносится металлический лист, толщина которого составляет 20% расстояния между пластинами. Как изменится напряженность электрического поля?
Увеличится в 1,25 раза. 1.3. Почему сушку изоляции обмоток машин, проводов, кабелей и пр. производят в баках под малым давлением с целью устранения воздуха?
Диэлектрическая проницаемость воздуха меньше, чем у изоляции. В пузырьках воздуха могут возникнуть значительные напряженности электрического поля, в результате чего может произойти разряд. 2.1. У монтера была любимая поговорка: «Горячая пайка всегда холодная, а холодная пайка всегда горячая». Что он хотел сказать этими словами?
При горячей пайке электрическое сопротивление контакта мало и тепло в нем не развивается. 2.2. В каком случае для измерения разности потенциалов вольтметр соединяется последовательно с элементами цепи?
При измерении э. д. с. источника. 2.3. Может ли перемещение рукоятки реостата не отражаться на токах электрической цепи, в которую он включен?
Может, если в ветви реостата нет тока. 2.4. Может ли напряжение между зажимами источника быть больше э. д. с источника?
Да, например, при зарядке аккумулятора. 2.5. Три пассивных элемента цепи имеют равные сопротивления, а постоянное напряжение U источника при всех режимах одинаково. Как надо соединить элементы цепи, чтобы ток был в 2 раза меньше максимального и в 4,5 раза больше минимального? Во всех случаях используются вce элементы цели.
Как две параллельные ветви. 2.6. Почему не светит лампа, если ее включить последовательно с вольтметром, при их номинальных напряжениях, равных напряжению сети, и равных сопротивлениях?
При 50% номинального напряжения лампа не светит. 2.7. Почему лампы «перегорают» в момент их включения?
В момент включения сопротивление лампы мало, ток велик и в наметившемся месте разрушения нити развивается очень много тепла. 2.8. Почему, желая исключить из цепи какой-либо элемент, достаточно присоединить к его зажимам провод?
Сопротивление провода близко к нулю и после присоединения провода к какому-либо элементу становится еще меньше. 3.1. Каким образом можно определить полюсы сердечника, зная направление намотки катушки, и к какому полюсу источника присоединен каждый ее зажим?
Если положить ладонь правой руки на катушку так, чтобы четыре пальца указывали направление тока в витках, то отставленный большой палец укажет северный полюс (см. задачу 13). 3.2. Можно ли, увеличивая ток в обмотке электромагнита, безгранично увеличивать его силу притяжения?
Нет. В стали электромагнита наступает магнитное насыщение, а обмотка перегревается. 3.3. На подковообразном сердечнике имеются две одинаковых намагничивающих катушки.
Как лучше включить катушки — последовательно или параллельно, если каждая из них соответствует постоянному номинальному напряжению сети?
Параллельное включение катушек нагрузит источник примерно в 4 раза большим током, чем последовательное, причем возможно магнитное насыщение сердечника; потери энергии при большом токе также больше и, если нет магнитного насыщения, больше магнитный поток. 3.4. Что опаснее для катушки при большом постоянном токе в ней — разрыв цепи или короткое замыкание зажимов катушки?
Э. д. с. самоиндукции при коротком замыкании зажимов катушки не превышает напряжения сети, а при разрыве цели эта э. д. с. может во много раз превысить напряжение. В результате получается пробой междувитковой изоляции катушки. 4.1. Почему в цепи постоянного тока не учитывались такие параметры, как индуктивность и емкость?
При постоянном напряжении через емкость не может проходить постоянный ток. Индуктивность не проявляет себя при постоянном токе. 4.2. Обязательно ли уменьшится переменный ток, если последовательно с катушкой включить конденсатор?
Нет, так как после включения конденсатора реактивное сопротивление цепи составит XL — Xc. 4.3. Почему контактор на 220 В практически нормально работает при напряжении 127 В, если последовательно с ним включить конденсатор определенной емкости?
При состоянии, близком к резонансу, напряжение на контакторе может стать близким к номинальному. 4.4. Когда больше возможности регулирования напряжения — в цепи постоянного или переменного тока?
В цепи постоянного тока возможно включение только реостата, а при переменном токе, кроме того, можно включать индуктивность или емкость. 4.5. Какую цель преследует проблема повышения коэффициента мощности установки?
Уменьшение тока в проводах линии передачи, в трансформаторе и генераторе, уменьшение падения напряжения, нагрева и потерь энергии в них, а также уменьшение мощности установленных трансформаторов и сечения проводов линии передачи. 5.1. Как определяют, какой из проводов четырехпроводной трехфазной цепи нейтральный?
Сечение нейтрального провода обычно меньше сечения линейного провода. Когда при включении вольтметра между двумя проводами получают напряжение, в раз меньшее, чем при использовании остальных двух проводов, то в первом случае один из проводов — нейтральный. 5.2. Какую роль играет нейтральный провод в четырехпроводной трехфазной цепи?
Обладая очень малым сопротивлением, нейтральный провод не допускает возникновения большой разницы в потенциалах соединяемых им нейтральных точек генератора (или трансформатора) и приемника. 5.3. Почему к трехфазным электродвигателям всегда подводят только три провода?
Трехфазный электродвигатель имеет во всех линейных проводах равные токи, образующие на диаграмме трехлучевую симметричную звезду. Сумма таких токов равна нулю и нейтральный провод был бы без тока. При схеме «треугольник» нейтральный провод не имеет смысла. 5.4. Электромонтер, взявшись одновременно за концы оборвавшегося провода трехфазной линии, стал соединять их, не отключая линии. Он считал, что достаточно быть изолированным от земли, чтобы безопасно соединить части провода, в которых нет тока. Почему ошибочны его рассуждения?
Между концами оборвавшегося провода действует напряжение, в 1,5 раза большее фазного напряжения. 5.5. Почему в трехфазном трансформаторе, присоединенном к трехфазной линии, не образуется вращающийся магнитный поток?
Не выполнено условие пространственного сдвига обмоток: их оси параллельны. 5.6. В трех одинаковых катушках при схеме соединения их треугольником имеется симметричный режим.
Какое изменение токов вызовет отключение одной катушки?
В двух оставшихся катушках будут проходить прежние токи, из которых каждый без ответвления проходит в проводе, соединенном последовательно с катушкой. В третьем проводе ток остается без изменения. 6.1. При каком измерительном механизме амперметра стрелка после включения цепи может отклониться влево от нулевого положения, что заставляет поменять местами подводящие провода?
В случае использования амперметра магнитоэлектрической системы. 6.2. Почему нельзя пользоваться для измерения любых малых токов амперметрами на большие номинальные токи (например, 100 А)?
При малых токах механическая инерция прибора не будет преодолена или стрелка будет находиться в самом начале шкалы, где измерение нельзя выполнить точно. 6.3. Приборы какой системы предпочтительней, если ставится условие дешевизны, а пользоваться приборами будут неквалифицированные люди?
Приборы электромагнитной системы.

Читайте так же:
Определить ток при работе лампы накаливания

6.4. Как определить цену деления шкалы электродинамического ваттметра?
Необходимо перемножить номинальные значения напряжения и тока и разделить на число делений шкалы. 6.5. Какое включение реостата наиболее целесообразно: а) последовательно с приемником энергии; б) параллельно приемнику энергии; в) в виде делителя напряжения?
а) При последовательном включении реостат должен выдерживать весь ток нагрузки;
б) при параллельном включении реостата легко по неосторожности вызвать его перегрев;
в) при включении в виде делителя напряжения реостат постоянно находится под напряжением, а часть его обтекается, кроме того, полным током нагрузки.
Наибольшая плавность регулирования достигается в последнем случае.

7.1. Почему в настоящее время магнитоэлектрические генераторы применяют лишь тогда, когда не требуется большой мощности (тахо-генераторы, индукторы и пр.)?
Постоянные магниты теряют свои свойства, магнитный поток в них невелик и не допускает изменения. 7.2. С увеличением нагрузки на валу электродвигателя параллельного возбуждения растет реакция якоря. Почему скорость вращения электродвигателя все же уменьшается?
Одновременно с реакцией якоря увеличивается падение напряжения в нем, причем влияние этого падения напряжения больше, чем влияние уменьшения магнитного потока. 7.3. Можно ли пусковым реостатом регулировать скорость вращения электродвигателя во время работы?
Нет, так как сопротивление реостата не рассчитано на длительное прохождение тока. 7.4. Можно ли получить индуктирование э. д. с. отдельно от электромагнитного момента?
Нет. Как в электродвигателе, так и в генераторе имеет место одновременное образование индуктированной э. д. с. и момента электромагнитных сил.

7.5. Чем объясняется то, что скоростная характеристика электродвигателя последовательного возбуждения «мягкая»?
По мере увеличения нагрузки одновременно увеличиваются магнитный поток и падение напряжения в цепи электродвигателя. 8.1. По каким признакам можно отличить обмотку высшего напряжения от обмотки низшего напряжения?
Обмотка высшего напряжения имеет большее число витков и сделана из более тонкого провода.
При концентрической обмотке она располагается дальше от сердечника и имеет у выводов изоляторы более высокого напряжения.

8.2. С какой целью сердечник трансформатора собирают из тонких листов электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком?
Для ослабления вихревых токов.

8.3. Какие явления могут иметь место одновременно в сердечнике трансформатора?
Магнитное насыщение стали, когда увеличение действующего значения тока не сопровождается увеличением магнитного потока. Магнитный гистерезис, т. е. явление отставания потока при изменении намагничивающего тока. Вихревые токи, индуктируемые при изменении магнитного потока, пронизывающего сердечник трансформатора. Магнитное рассеяние, т. е. замыкание магнитных линий через окружающую сердечник среду. 8.4. Что характерно для работы трансформатора?
Практическое постоянство магнитного потока при всех режимах работы. 8.5. Чем отличается автотрансформатор от трансформатора?
Отсутствием самостоятельной вторичной цепи и наличием электрической связи между первичной н вторичной цепями. 9.1. Что надо сделать, чтобы изменить направление вращения трехфазного асинхронного двигателя на обратное?
Поменять местами два подводящих к электродвигателю провода.

9.2. Трехфазный асинхронный двигатель работает при соединении обмоток статора по схеме «треугольник».
Как наиболее просто повысить коэффициент мощности, если работа протекает с небольшой нагрузкой?
Пересоединить обмотки статора со схемы "треугольник" на схему "звезда". 9.3. Почему при пуске асинхронного электродвигателя, когда э. д. с. и ток в роторе максимальны, не развивается наибольший вращающий момент?
Вследствие скольжения, равного единице, реактивное сопротивление обмотки ротора велико и ток практически реактивен. 9.4. Можно ли путем включения параллельно батареи статических конденсаторов изменить активную мощность электродвигателя?
Нет, так как она зависит от нагрузки на электродвигатель. 9.5. Что необходимо сделать, чтобы трехфазный асинхронный двигатель развивал максимальный вращающий момент в начале пуска?
Необходимо увеличить активное сопротивление цепи ротора, что возможно только при фазном роторе (т. е. роторе с контактными кольцами). 10.1. Что такое синхронный компенсатор?
Синхронная машина, работающая в режиме ненагруженного двигателя; она предназначена для генерирования реактивной мощности.

Читайте так же:
Что такое ток покоя лампы

10.2. Какая разница между турбогенератором и гидрогенератором?
Турбогенератор — неявнополюсный синхронный генератор, предназначенный для привода от паровой или газовой турбины. Гидрогенератор — синхронный генератор, предназначенный для привода от гидравлической турбины при непосредственном соединении их валов.

10.3. Какой вид имеет скоростная характеристика синхронного двигателя?
Вид прямой, параллельной оси абсцисс. 10.4. К одинаковым ли последствиям приводит регулирование тока возбуждения машины при параллельной работе машин постоянного тока и синхронных машин?
В машинах постоянного тока таким путем переводят нагрузку с одной машины на другую, а в синхронных машинах — только регулируют реактивную мощность.

10.5. Что называют синхронизацией машин переменного тока?
Процесс подготовки их к включению для параллельной работы. 11.1. Не противоречит ли действие магнитного усилителя закону сохранения энергии?
Нет, так как усиливается мощность, т. е. скорость преобразования энергии, но не сама энергия.

11.2. Приспособлен лн контактор к частым включениям?
Контактор может включать до 1500 раз в час. 11.3. Каким образом можно «запереть» триод?
Сообщив сетке определенный потенциал, отрицательный относительно катода; чем выше потенциал анода, тем ниже должен быть потенциал сетки для "запирания" лампы. Значение его можно установить, имея сеточные характеристики триода.

11.4. Что показывает такой параметр лампы как коэффициент усиления?
Коэффициент усиления показывает, во сколько раз действие сеточного напряжения сильнее, чем действие анодного напряжения.

11.5. Что характеризует такой параметр лампы как крутизна анодно-сеточной характеристики?
Крутизна анодно-сеточной характеристики характеризует управляющее действие со стороны потенциала сетки анодным током (для современных ламп крутизна доходит до 40 мА/в).

12.1. Что проверяют при расчете проводов?
Нагревание (допустимый ток) для данного сечения провода и потери напряжения в нем.

12.2. Могут ли две одинаковых параллельных линии заменить одну, имеющую сечение проводов в два раза большее?
С избытком, так как плотность тока в тонких проводах допускается больше, чем в толстых. 12.3. Какие требования предъявляются к электроосвещению помещений?
Достаточную освещенность, равномерность и отсутствие блес-кости. 12.4. Каковы недостатки защиты участка электросети от коротких замыканий при помощи плавких предохранителей?
Плавкие предохранители стареют и расплавляются при коротких замыканиях преждевременно; селективность действия не достигается; значение тока плавления зависит от длительности нагрузки током и условий охлаждения предохранителя.
Применение плавких предохранителей затруднено в цепях с мощными двигателями, пуск в ход которых часто длится около 10 сек, причем пусковой ток может превышать в 5-7 раз номинальный ток (выдерживая пусковой ток, предохранитель не будет защищать двигатель в случае перегрузки).

Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводимость

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводимость»

Изучая закон Ома для участка цепи мы с вами ввели понятие электрического сопротивления, как физическую величину, характеризующую свойства проводника препятствовать прохождению электрического тока в нём.

При этом мы с вами показали, что сопротивление проводника прямо пропорционально его длине, обратно пропорционально площади поперечного сечения и зависит от вещества, из которого этот проводник изготовлен:

Напомним, что электрические свойства проводника характеризуются его удельным сопротивлением.

Как вы знаете, в таблицах удельных сопротивлений веществ очень часто указывается температура, при которой удельное сопротивление было измерено. Тогда логично предположить, что сопротивление проводника должно каким-то образом зависеть от температуры.

Проверим это предположение на опыте. Для этого соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, проволочной спирали и амперметра. Включим источник тока, и отметим показание амперметра.

А теперь давайте нагреем исследуемую спиральку, например, с помощью спиртовки. Не трудно увидеть, что показания амперметра начинают уменьшаться. Вывод очевиден: при увеличении температуры сопротивление металлов увеличивается.

Объясняется этот факт достаточно просто. Вы знаете, что удельное сопротивление вещества металлического проводника зависит от концентрации свободных носителей заряда и числа их столкновений с ионами кристаллической решётки, совершающими колебательные движения около положений устойчивого равновесия. В металлических проводниках концентрация свободных электронов практически постоянна для данного проводника и не зависит от температуры.

Читайте так же:
Светодиодная лампочка мигает выключатель с подсветкой

Однако число столкновений свободных электронов с ионами кристаллической решётки с ростом температуры возрастает. Это приводит к возрастанию удельного сопротивления металлического проводника при повышении температуры.

Если принять, что при 273 К (то есть при 0 о С) удельное сопротивление проводника равно ρ, а при температуре Т оно равно ρ, то, как показывает опыт, относительное изменение удельного сопротивления пропорционально изменению абсолютной температуры (которое, напомним, совпадает с изменением температуры по шкале Цельсия):

В записанном уравнении α — это температурный коэффициент. Он численно равен относительному изменению удельного сопротивления вещества проводника при изменении его температуры на 1 К:

Таким образом, удельное сопротивление вещества металлического проводника возрастает с увеличением температуры.

Поскольку сопротивление проводника прямо пропорционально удельному сопротивлению вещества, из которого изготовлен проводник, то, не учитывая незначительную температурную зависимость отношения l/S, можно записать такие соотношения:

Здесь R и R — это сопротивления проводника соответственно при нуле градусов Цельсия и при данной температуре.

Отметим, что для металлических проводников эти формулы применимы при температурах более T >140 К.

У всех металлов при повышении температуры сопротивление возрастает. То для них температурный коэффициент сопротивления — это величина положительная. У растворов же электролитов наоборот с ростом температуры сопротивление уменьшается. Значит их температурный коэффициент сопротивления меньше нуля.

Для большинства металлов (но не сплавов) при температурах от 0 для 100 о С температурный коэффициент можно считать постоянным и равным его среднему значению на этом интервале температур:

Давайте, для примера определим сопротивление алюминиевого проводника при температуре 90 о С, если при температуре 20 о С его сопротивление равно 4 Ом. Температурный коэффициент сопротивления алюминия α = 4,2 · 10 –3 К –1 .

Зависимость сопротивления металлов от температуры используют в специальных приборах — термометрах сопротивления. Широкое распространение получили термометры сопротивления из чистых металлов, особенно платины и меди, которые конструктивно представляют собой металлическую проволоку, намотанную на жёсткий каркас (из кварца, фарфора или слюды), заключённый в защитную оболочку (из металла, кварца, фарфора, стекла). Платиновые термометры сопротивления применяют для измерения температуры в пределах от –263 до 1064 o С, а медные — от –50 до 180 o С.

Если при изготовлении электроизмерительных приборов требуются проводники, сопротивление которых должно как можно меньше зависеть от температуры окружающей среды, то используют специальные сплавы — константан и манганин.

В 1911 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес исследуя зависимость сопротивления ртути от температуры обнаружил одно замечательное явление. Вначале эксперимента всё шло по плану: сопротивление металла при охлаждении постепенно уменьшалось. Однако при температуре меньше либо равной 4,12 К (по современным измерениям при 4,15 К) электрическое сопротивление ртути резко исчезало.

Явление падения до нуля сопротивления проводника при определённой температуре называется сверхпроводимостью, а проводник в этом состоянии — сверхпроводником.

Температуру, при которой электрическое сопротивление проводника обращается в ноль, называют критической температурой.

Открытие Камерлинг-Оннеса, за которое в 1913 году ему была присуждена Нобелевская премия, повлекло за собой исследования свойств веществ при низких температурах. Позже многочисленными опытами было установлено, что это явление характерно для многих проводников. Каждый сверхпроводящий металл характеризуется своей критической температурой.

У веществ в сверхпроводящем состоянии были отмечены резкие аномалии магнитных, тепловых и ряда других свойств. Так, например, если в кольцевом проводнике, находящемся в сверхпроводящем состоянии, создать ток, а затем удалить источник тока, то сила этого тока в таком проводнике не меняется сколь угодно долго. В обычном же (несверхпроводящем) проводнике электрический ток в этом случае прекращается. Это указывает на перспективу использования явления сверхпроводимости при передаче электрической энергии.

Сверхпроводящие соединения нашли применение в качестве материала обмоток электромагнитов для создания сильных магнитных полей в установках управляемого термоядерного синтеза, а также в мощных электрических двигателях и генераторах.

Объяснение сверхпроводимости возможно только на основе квантовой теории. Оно было дано лишь в 1957 году американскими учёными Джоном Бардиным, Леоном Купером и Джоном Шриффером, а также советским учёным и академиком Николаем Николаевичем Боголюбовым.

Очень упрощённо механизм сверхпроводимости можно объяснить так: при критической температуре электроны объединяются в правильную шеренгу и движутся, не сталкиваясь с кристаллической решёткой, состоящей из ионов. Это движение существенно отличается от обычного теплового движения, при котором свободный электрон движется хаотично.

В 1986 году была открыта высокотемпературная сверхпроводимость. Получены сложные оксидные соединения лантана, бария и других элементов с температурой перехода в сверхпроводящее состояние около 100 К. Это выше температуры кипения жидкого азота при атмосферном давлении (77 К).

Высокотемпературная сверхпроводимость в недалёком будущем приведёт наверняка к новой технической революции во всей электротехнике, радиотехнике и конструировании компьютеров.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector