2018-02-13
288
1. В цепь мостика включите балластное сопротивление Rб, для этого ключ К 2 поставьте в положение «ГРУБО».
2. В цепь мостика включите первый резистор с неизвестным сопротивлением Rx 1. Порядок включения указан на панели лабораторной установки.
3. Подвижный контакт D установите на середину миллиметровой линейки, а на магазине установите сопротивление в несколько сотен Ом. Для этого рукоятку с надписью «´100» поверните, например, на отметку 5. Следовательно, магазин сопротивлений будет иметь сопротивление R 4=500 Ом, если все остальные рукоятки установлены на отметку 0.
4. Включив на короткое время ключ К 1, подберите при помощи магазина сопротивлений такую величину сопротивлений R 4, чтобы стрелка гальванометра отклонилась от нуля не более чем на 2–5 делений. При отсутствии равновесия стрелка гальванометра отклонится влево или вправо в зависимости от величины сопротивления магазина.
П р и м е ч а н и е. Ключ К1 следует включать лишь на короткое время (1 – 2 секунды) во избежание нагревания проводника, а также порчи гальванометра.
5. Выключите балластное сопротивление R 4 (ключ К 2 поставьте в положение «ТОЧНО») и при помощи подвижного контакта D (включая на короткое время ключ К 1) установите стрелку гальванометра на нуль (можно подвижный контакт установить в определенных положениях, указанных преподавателем, а стрелку гальванометра установить в нулевое положение с помощью магазина сопротивлений). В этом случае мост будет находиться в равновесии. Запишите в табл. 3 величину сопротивления R 4 магазина сопротивлений и длины плеч l 1 и l 2.
6. Вычислите значение сопротивления Rx 1 по формуле (1.10) и запишите в табл. 3.
7. Во втором опыте увеличьте сопротивление магазина на 10% от первоначального значения и перемещением контакта D добейтесь снова равновесия мостика. Запишите в табл. 3 величину сопротивления R 4 магазина сопротивлений и длины плеч l 1 и l 2. Определите значение сопротивления Rx 1 по формуле (1.10) и запишите в табл. 3.
8. В третьем опыте уменьшите сопротивление магазина на 10% от первоначального значения и перемещением контакта D добейтесь снова равновесия мостика. Запишите в табл. 3 величину сопротивления R 4 магазина сопротивлений и длины плеч l 1 и l 2. Вычислите значение сопротивления Rx 1 по формуле (1.10) и запишите в табл. 3.
9. Найдите среднее значение сопротивления Rx 1 и запишите его в табл. 3.
Т а б л и ц а 3. Результаты измерений и вычислений
| Номер опыта | Первый резистор | Второй резистор | ||||||
| R 4, Ом | l 1, мм | l 2, мм | Rx 1, Ом | R 4, Ом | l 1, мм | l 2, мм | Rx 2, Ом | |
| 1 | ||||||||
| 2 | ||||||||
| 3 | ||||||||
| Среднее значение | Среднее значение | |||||||
10. Вместо первого резистора включите второй резистор Rx 2. Порядок включения указан на панели лабораторной установки. Повторите указания п. 3 – 9.
11. Резисторы, с которыми производили опыты, соедините последовательно, а затем параллельно. Порядок таких соединений указан на панели лабораторной установки. Для каждого из соединений производите измерения по одному разу (п. 3–6). Результаты измерений и вычислений запишите в табл. 4. В эту же таблицу занесите значения сопротивлений, рассчитанные по формулам (1.3) и (1.4). Для этого используйте средние значения сопротивлений первого и второго резисторов.
Т а б л и ц а 4. Результаты измерений и вычислений
| Вид соединения | R 4, Ом | l 1, мм | l 2, мм | R x, Ом | |
| Полученное опытным путем | Вычисленное по формулам (1.3), (1.4) | ||||
| Последовательное | |||||
| Параллельное | |||||
Контрольные вопросы
1. Сформулируйте первое правило Кирхгофа и запишите его для конкретного узла.
2. Сформулируйте второе правило Кирхгофа и запишите для конкретной схемы.
3. Запишите формулы нахождения общего сопротивления при последовательном и параллельном соединениях резисторов.
4. Объясните принцип работы мостика Уитстона. При каких условиях он находится в равновесии?
5. Получите расчетную формулу (1.10) для определения неизвестного сопротивления мостовым методом.
6. Сравните результаты определения сопротивления при последовательном и параллельном соединениях резисторов с вычисленными по формулам (1.3), (1.4). Объясните расхождение значений сопротивлений.
Лабораторная работа 2. ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ
СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ
Цель работы: изучить характер зависимости сопротивления металлов от температуры. Оценить скорость электрического дрейфа и среднюю скорость теплового движения электронов.
Приборы и принадлежности: ЛАТР, амперметр, электрическая лампочка.
Изучите теоретический материал по одному из учебных пособий: [3, гл. IV § 14, 15, гл. VI § 28; 4, гл. II § 12, 19].
При изучении теоретического материала сосредоточьте внимание на причинах хорошей электропроводности и теплопроводности металлов, обусловленной свободными электронами, образовавшимися в металле при кристаллизации его из расплава. При этом примерно каждый из атомов теряет по одному электрону, превращаясь в положительный ион.
При отсутствии электрического поля вследствие беспорядочного теплового движения количество электронов, идущих в каком-либо направлении, в среднем всегда равно числу электронов, перемещающихся в обратном направлении, поэтому заряд, переносимый ими, равен нулю. Важно осознать, что при наложении внешнего электрического поля на электроны проводимости действует сила, вызывающая дополнительное к хаотическому упорядоченное движение в направлении, противоположном напряженности поля, поскольку заряд электрона отрицателен. В результате этого возникает направленное перемещение зарядов со скоростью <u>, которая называется скоростью электрического дрейфа. Эта скорость определяет силу тока:
I=en<u > S, (2.1)
где n – концентрации носителей заряда;
е – заряд электрона;
S – площадь поперечного сечения проводника.
Сила электрического тока определяется отношением величины заряда, протекающего за единицу времени через поперечное сечение проводника. Для постоянного тока
.
В общем случае
.
Любой проводник обладает важнейшей характеристикой, обусловленной столкновениями движущихся электронов с ионами кристаллической решетки металла и называемой сопротивлением проводника. Сопротивление зависит от формы, размеров и вещества проводника. Такая зависимость вычисляется по формуле
,
где r – удельное сопротивление вещества проводника;
l – длина проводника;
S – площадь поперечного сечения проводника.
Кроме того, следует обратить внимание, что с ростом температуры интенсивность колебаний ионов кристаллической решетки металла возрастает, столкновения электронов с ионами решетки становятся более частыми, а средняя скорость < υ > направленного движения электронов падает. А это, как видно из формулы (2.1), приводит к уменьшению силы тока I при тех же значениях концентрации носителей тока n, их заряде е и площади сечения S металлического проводника. Уменьшение силы тока эквивалентно увеличению сопротивления.
Формула зависимости сопротивления металлического проводника от температуры выглядит следующим образом:
R=R 0(1+ a t), (2.2)
где R 0 – сопротивление при температуре 0оС;
R – сопротивление при температуре t оС;
a – температурный коэффициентсопротивления.
Из уравнения (2.2) следует, что 
.
Из этой зависимости уясните физический смысл температурного коэффициента, который показывает изменение каждой единицы сопротивления при нагревании на 1оС.
Следует также помнить, что коэффициент сопротивления a зависит от температуры, но эта зависимость в довольно широком диапазоне температур незначительна.
