Определение удельного сопротивления резистивного провода

     Цель работы: Определить удельное сопротивление резистивного провода 2-мя методами (с точным измерением тока и напряжения) и указать материал, из которого он изготовлен.

     Приборы и принадлежности: Прибор для измерения удельного сопротивления резистивного провода. Мостик постоянного тока.

     Краткая теория

Г.Ом экспериментально установил закон, согласно которому сила тока, текущего по однородному металлическому проводнику пропорционально падению напряжения и на проводнике:

                                                           (1)

Напряжение  совпадает с разностью потенциалов  поддерживаемой на концах проводника. Величина  называется электрическим сопротивлением проводника. Единицей сопротивления служит Ом, равный сопротивлению такого проводника, в котором при напряжении 1 вольт течет ток силой в 1 ампер.

Величина сопротивления зависит от размеров проводника и свойств материала, из которого он сделан. Для однородного цилиндрического проводника

                                                      (2)

где  - длина проводника, S –площадь поперечного сечения,  -коэффициент, называемый удельное электрическое сопротивление, зависящии от свойств материала.

Если l =1м и ,то  численно равно . В СИ  измеряют в Ом-метрах. На практике часто характеризуют материал сопротивлением при l =1м и , т.е. выражают в .

Согласно электронной теории эту формулу можно объяснить следующим образом. Разные материалы имеют неодинаково построенные атомы. Различие выражается не только в разном количестве электронов, вращающихся вокруг положительно заряженного ядра, но и в распределении этих электронов по энергетическим уровням, а также в числе валентных электронов. Очевидно, что и число свободных электронов в проводниках из различных материалов разное. От количества свободных электронов зависит сила тока в проводнике, а следовательно и его сопротивление.

Если по двум проводникам из различных материалов, но одинаковых размеров, под действием одного и того же напряжения проходит в единицу времени различное количество электронов, то большим сопротивлением будет обладать тот проводник, у которого количество движущихся электронов будет меньше. Таким образом, сопротивление проводника зависит от его вещества, что и учитывается в формуле (2) коэффициентом .

Так как ток представляет упорядоченное движение электронов вдоль проводника, то очевидно, чем длиннее будет этот проводник, тем большее сопротивление будет оказывать этому упорядоченному движению электронов наличие хаотического теплового движения атомов вещества проводника. Отсюда следуют, что с увеличением длины проводника увеличивается и его сопротивление. Поэтому длина проводника входит в числитель формулы.

С увеличением площади поперечного сечения проводника увеличиваются число проходящихся на определенный участок длины проводника свободных электронов, следовательно, напряжение создает ток большой силы, т.е. сопритевление этого участка уменьшается, это выражается тем, что в формуле (1) величина S входит в знаменатель.

Величина обратная ,  - называется коэффициентом электропроводимости или просто проводимостью материала.

Для большинства металлов удельное сопротивление растет с температурой прибизительно по линейному закону:

где -удельное сопротивление при 0⁰С, - температура по шкале Цельсия,  коэффициент.

Переходя к абсолютной температуре, получаем:

При низких температурах наблюдаются отступление от этой закономерности, рис. 1.

Рис. 1.

              В большинстве случаев  от Т выражается кривой 1. Величина остаточного сопротивление в сильной степени зависит от частоты материала и наличия остаточных механическихнапряжений в образце. Поэтому после отжига заметно уменьшается.

У абсолютно чистого металла с идеально правильной кристаллической решеткой при абсолютном нуле =0. У большой группы металлов и сплавов при температуре порядка нескольких Кельвинов сопротивление электрическому току скачком обращается в нуль (кривая 2.) Впервые это явление, названное сверхпроводимостью, было обнаруженно в 1911г. Камерлинг-Оннесом для ртути.

В дальнейшем сверхпроводимость была обнаружена у свинца, олово, цинка, алюминия, других металлов, а также у ряда сплавов. Для каждого сверхпроводника имеется своя критическая температура Т_кр, при которой он переходит в сверхпроводника состояние. При действии на сверхпроводник магнитного поля сверхпроводимость, равна нулю при и растет с понижением температуры.

Полное теоритическое объяснение сверхпроводимости было дано в 1958г. совестким физиком Н.М.Боголюбовым и его сотрудниками. В 1987г. произошел глубокий научный прорыв, и как можно было ожидать, родилась сенсация. Появились сообщения о том, что достигнута температура сверхпроводящего перехода чуть ли не 40⁰С. К сожелению, эти сообщения не подтвердились: рекордная температура составляет пока 120⁰К, это означает, что созданы сверхпроводники при температуре жидкого азота.

По закону Ома (1) сопротивление участка цепи численно равно частному от деления напряжения на концах этого участка на силу тока в данном участке, т.е.

следовательно, измерив, напряжение и силу тока участка цепи, можно определить сопротивление этого участка.