Аннотация: В данной статье исследуется зависимость электрического сопротивления проводников (на примере металлов) от температуры. Рассматриваются теоретические основы явления, приводятся результаты эксперимента с лампой накаливания, а также кратко обсуждается явление сверхпроводимости.
Ключевые слова: электрическое сопротивление, температура, проводник, вольт-амперная характеристика, сверхпроводимость.
Введение
Я долго размышлял над выбором темы своей первой статьи и решил выбрать одну из тех тем которые были мне непонятны при изучении физики. В моменте я вспомнил, что я больше всего не понял влияние температуры на сопротивление проводников. Потому предлагаю вам рассмотреть вместе со мной эту тему.
Цель данной работы — экспериментально подтвердить теоретические положения о росте сопротивления металлов с увеличением температуры.
Прежде всего стоит вспомнить законы,
связанные с электрическим сопротивлением. А это следующие законы:
1. Закон Ома для участка цепи: Сила тока (I) прямо пропорциональна напряжению (U) и обратно пропорциональна сопротивлению (R): I = U/R.
2. Закон Ома для полной цепи: Учитывает внутреннее сопротивление источника (r): I = E/(R+r), где E - ЭДС.
3. Закон Джоуля-Ленца: Количество теплоты (Q), выделяемое проводником с сопротивлением, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению и времени(t): Q = I^2 Rt.
4. Общее сопротивление при последовательно соединении: Общее сопротивление равно сумме сопротивлений: R общ = R1 + R2 + … .
5. Общее сопротивление при параллельном соединении: Величина, обратная общему сопротивлению равна сумме обратных величин: 1/R общ = 1/R1 + 1/R2 + … .
Важно учитывать, что:
Закон Ома выполняется для линейных проводников (металлы) при постоянной температуре.
Сопротивление большинства проводников растёт при повышении температуры.
Нелинейные элементы (диоды, транзисторы) не подчиняются закону Ома
Теоретическая часть
Начнём с определения и описания электрического сопротивления. Электрическое сопротивление (R) — это физическая величина, характеризующая способность проводника препятствовать прохождению электрического тока. Оно равно отношению напряжения (U) к силе тока (I) (R = U/I) и измеряется в Омах (Ом). Сопротивление возникает из-за взаимодействия движущихся электронов с ионами кристаллической решётки проводника.
Основные сведения об электрическом сопротивлении:
· Определение: Физическая величина, определяющая, насколько сильно материал сопротивляется прохождению тока.
· Формула (Закон Ома): R = U/I, где U — напряжение (Вольты), I— сила тока (Амперы).
· Единица измерения: Ом.
· Причина: При движении свободные электроны сталкиваются с ионами и атомами внутри вещества, передавая им часть энергии.
· От чего зависит: От материала проводника (удельное сопротивление), его длины (l) и площади поперечного сечения (S): R = ρl/S.
· Виды: Активное (преобразование энергии в тепло) и реактивное (энергия поля).
Теперь следует перейти к влиянию температуры на сопротивление. Поскольку мы рассматриваем зависимость сопротивления различных проводников, таких как медь и алюминий, то будем изучать металлы.
Температура существенно влияет на электрическое сопротивление материалов. У металлов с ростом температуры сопротивление увеличивается из-за интенсивного теплового движения атомов, препятствующего току (формула Rt = R0 (1 + α∆T), где R0 и Rt - сопротивление до и после нагрева, ∆T - изменение температуры, α - температурный коэффициент сопротивления)
Ключевой аспект влияния температуры заключается в том, что при повышении температуры сопротивление растёт (R↑T↑), так как свободные электроны чаще сталкиваются с колеблющимися узлами кристаллической решётки. Для чистых металлов температурный коэффициент сопротивления (α) составляет около 0,004 1/°C.
Экспериментальная часть
Я провёл эксперимент для построения вольт-амперной характеристики лампочки накаливания, собрав установку из источника тока, реостата, миллиамперметра, лампы накаливания, вольтметра.
Я подал на лампочку напряжение(U =0; =2; =4; =6; =8; =10; =12) и измерил силу тока (I =0,18; =0,24; =0,28; =0,33; =0,36; =0,4).
Обсуждение результатов
При построении вольт-амперной характеристики по этим данным получился нелинейный график. На этом графике видно, что при увеличении напряжения сила тока также возрастает, но с каждым разом прирост силы тока с каждым шагом уменьшается. К примеру разница сил тока при напряжении 2 и 4 равна 0,06, а при напряжении 10 и 12 равна 0,04. Следовательно, при увеличении напряжения сопротивление также возрастает. Но почему? Прежде всего стоит вспомнить что сопротивление возникает за счёт того что заряженные частицы, проходя через проводник, сталкиваются с постоянно движущимися ионами. Как мы помним, при увеличении температуры амплитуда ионов в проводнике увеличивается, значит больше шанс на их столкновение с заряженными частицами, проходящими через проводник. Следовательно, при увеличении напряжении, нить в лампе накаливании нагревается и за счёт этого возрастает и сопротивление. Нить накаливания сделана из вольфрама, который является металлом. Вывод: при увеличении температуры сопротивление металлов увеличивается. При высокой температуре ионы колеблются с большей амплитудой, занимая больше места. Это приводит к более частым столкновениям носителей заряда и увеличению сопротивления
Стоит рассмотреть также, что при низких температурах сопротивление скачкообразно уменьшается до нуля и возникает так называемая сверхпроводимость. Классическая физика не может объяснить это явление, тогда как квантовая физика способна это объяснить. При сверхпроводимости в проводнике не возникает тепло (по формуле Q=I2Rt, R=0, следовательно Q=0). Электроны при сверхпроводимости могут свободно перемещаться без препятствий
Заключение
В заключение можно сказать, что путём проведения опыта я подтвердил свои теоретические положения, а именно, что при изменении температуры в проводнике, изменяется и его сопротивление за счёт того, что ионы увеличивают свою амплитуду движения при повышении температуры. Этот вывод я получил при построении вольт-амперной зависимости и замерив силу тока в установке, которую я собирал. При сравнении прироста силы тока на разных участках (например, разница при 2 и 4 В составляет 0,06 А, а при 10 и 12 В — только 0,04 А) видно, что с ростом напряжения сопротивление увеличивается. Растёт же оно, как мы выяснили, из-за повышения температуры нити накаливания лампы. Также я выяснил, что при понижении температуры до минимума возникает сверхпроводимость.