Определение удельного сопротивления и удельной электропроводности проводника

Министерство образования Республики Беларусь

ри й

БН

Кафедра физики

ТУ

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ит о

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ И УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ПРОВОДНИКА Методические указания к лабораторной работе по физике

Ре

по з

для студентов строительных специальностей

Минск 2010

УДК 537.31(076.5)

ББК 22.3я7 О-62

ри й

БН

ТУ

В методических указаниях рассмотрены вопросы электропроводности металлических проводников с точки зрения классической и квантовой теорий, а также законы постоянного тока. Изложен метод определения удельного сопротивления и удельной электропроводности проволочного проводника.

В.С. Позняк

Рецензенты:

А.А. Баранов, В.А. Потачиц

Ре

по з

ит о

Составитель:

© БНТУ, 2010

Цель работы: 1. Ознакомиться с электропроводностью металлических проводников с точки зрения классической и квантовой теорий.

2. Определить удельное сопротивление и удельную электропроводность исследуемого проволочного проводника.

ТУ

Приборы и принадлежности: проволочное сопротивление из исследуемого металла, установка для измерений, электроизмерительные приборы.

БН

1. Электрическое поле проводника с током

Ре

по з

ит о

ри й

В отсутствии электрического тока все точки проводника имеют одинаковый электрический потенциал. Если в проводнике имеется ток, то потенциал в разных точках проводника уже не одинаков. В этом можно убедиться a c b на опыте, изображенном на рис. 1. Присоединив корпус электрометра к одному из концов а проволоки аb с током, а стрелку – к какой-либо другой точке с, мы обнаружим, что между этими точками имеется напряжение, которое тем больше, чем Рис. 1 ближе точка с ко второму концу проволоки. Значит, при наличии тока существуEn E ет падение напряжения вдоль проводника. Падение напряжения вдоль провод Et U i ника согласно формуле E   означаl ет, что существует составляющая напряРис. 2 женности поля Et, направленная вдоль проводника (рис. 2). Это значит, что напряженность поля у поверхности проводника с током, а следовательно и силовые линии, уже не перпендикулярны к поверхности проводника. Они наклонены в направлении тока на некоторый угол , причем E tg  n . Et

3

БН

ТУ

Итак, при наличии тока потенциал проводника не одинаков в разных точках, а значит, внутри проводника имеется электрическое поле. Это поле создается поверхностными зарядами проводника, которые в случае тока распределяются иначе, нежели в состоянии равновесия. Для поддержания постоянного тока, т.е. движения электронов с постоянной скоростью в проводнике необходимо непрерывное действие силы, равной eEt, где e – заряд электрона. А это значит, что электроны в проводнике движутся с трением, или, иначе говоря, проводники обладают электрическим сопротивлением. 2. Электропроводность металлов

Ре

по з

ит о

ри й

Специально поставленные опыты показали, что при прохождении электрического тока масса металлических проводников остается постоянной, не изменяется и их химический состав. На этом основании можно предположить, что в создании электрического тока в металлах участвуют только электроны. Предположение об электронной природе электрического тока в металлах подтверждено опытами Мандельштама и Папалекси (1913 г) и Стюарта и Толмена (1916 г). Идея этих опытов состоит в том, что поскольку электрон имеет массу, то он должен обладать соответствующей инерцией движения. Следовательно, если проводник из металла привести в движение, то при внезапной его остановке электроны по инерции будут продолжать движение, в результате чего создается эффект электрического тока, который может быть измерен соответствующими достаточно чувствительными приборами. Таким образом, было доказано, что носителями электрического тока в металлах являются свободные электроны или электроны проводимости. Существование свободных электронов в металлах можно объяснить следующим образом: при образовании кристаллической решетки металла (в результате сближения изолированных атомов) валентные электроны, сравнительно слабо связанные с атомными ядрами, отрываются от атомов металла, становятся «свободными» и могут перемещаться по всему объему. Таким

4

8kT , me

ри й

vT 

БН

ТУ

образом, в узлах кристаллической решетки располагаются ионы металла, а между ними хаотически движутся свободные электроны, образуя своеобразный электронный газ, обладающий, согласно электронной теории металлов, свойствами идеального газа. Электроны проводимости при своем движении сталкиваются с ионами решетки, в результате чего устанавливается термодинамическое равновесие между электронным газом и решеткой. По классической теории Друде-Лоренца, электроны обладают такой же энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного газа. Поэтому, применяя выводы молекулярно-кинетической теории, можно найти среднюю скорость теплового движения электронов

по з

ит о

которая при Т = 300 К равна 1,1105 м/с. Тепловое движение электронов, являясь хаотичным, не может привести к возникновению тока. При наложении внешнего электрического поля на металлический проводник кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение, т.е. возникает электрический ток. Среднюю скорость v упорядоченного движения электронов можно оценить согласно формуле для плотности тока: j  nev .

Ре

Выбрав допустимую плотность тока, например для медных проводов 107 А/м2, получим, что при концентрации носителей тока n = 81028 м-3 средняя скорость v упорядоченного движения электронов равна 7,810-4 м/с. Следовательно, v