Файл: Исследовательская работа по физике Зависимость сопротивления проводника движению электрического тока, от геометрических параметров проводника.pdf

МБОУ «Лицей №87 им. Л.И. Новиковой»
Исследовательская работа по физике
Зависимость сопротивления проводника движению электрического тока, от геометрических параметров проводника.
Выполнил: Морозов Илья,
ученик 8 класса В.
Руководитель: учитель физики,
Овсянникова А.А.
город Нижний Новгород
2022 год

Содержание
Введение
1.Теоретические основы электронной теории сопротивления движению электрического тока в проводнике, со стороны проводника.
1.1.Начальные сведения о законе Ома.
2. Физический смысл понятия сопротивления металлических проводников
2.1.Зависимость сопротивления металлических проводников от геометрических параметров
3. Методы исследования и обработка результатов
4. Результаты исследования
5. Список используемых источников и литературы
2

Введение.
Данная исследовательская работа показывает физическую сущность важнейшей характеристики материалов проводящих электрический ток – сопротивления.
Достижения современной науки и техники показывают, актуальность решения проблемы снижения сопротивления, в электротехнике, доведение его практически до нуля в сверхпроводящих устройствах, особенно при обычных температурах. Это задача ближайшего будущего.
Цель настоящей работы - проанализировать факты и выявить решение проблемы, путем изучения дополнительной литературы, обобщения фактов и проведения практических измерений.
Задачей работы является выявление зависимости сопротивления медного проводника от его геометрических параметров.
Объектомисследования являютсяпроводники из меди разной длины и толщины.
Методы исследования:анализ литературы и интернет-источников;
моделирование проблемы с сточки зрения электронной теории;
использование лабораторных измерений для численного подтверждения теоретических конструкций,обобщение.
3

1. Теоретические основы электронной теории сопротивления движению электрического тока в проводнике, со стороны проводника.
Электрический ток (ЭТ) – направленное движение электрических зарядов.
ЭТ в металлах создается движением отрицательно заряженных частиц – электронов, в направлении, противоположном направлению электрического поля. рис. 1
Металлы – представляют собой кристаллическую решетку, в узлах которой колеблются ионы, положительно заряженные, т.к. каждый атом металла отдает один электрон, обращаясь в ион.
Расстояния между атомами в металлах малы. В силу этого, внешние электронные орбиты атомов перекрываются. Электроны (е) на внешних орбитах свободно и беспорядочно перемещаются по проводнику. Их называют свободными электронами или электронами проводимости.
Совокупность свободных е, называют электронным газом. Их движение в пространстве решетки подобно тепловому движению молекул газа в сосуде.
Приложим к проводнику внешнее электрическое поле (Е). Тогда, хаотическое (хаос) движение свободных е, складывается с упорядоченным
(направленным) движением е, под действие сил поля Е («электроны дрейфуют»). Дрейф электронов и обусловливает появление электрического тока. См. рис 1 .
4

Т.к. носителями ЭТ в проводниках являются электроны, то проводимость металлических проводников называют электронной проводимостью.
Опыт показывает, что при прохождении ЭТ через металл, движутся электроны, а атомы не перемещаются: см. рис. 2.
Соединили два медных и один алюминиевый цилиндры.
Рис.2
Через цилиндры пропускали ЭТ. Если бы атомы металлов были подвижны, то некоторое число атомов меди перешли бы в цилиндр из алюминия, а из алюминия – в медный цилиндр. Отрицательный результат опыта показал, что свободные заряды в металле – это не ионы/атомы.
1.1. Начальные сведения о законе Ома.
Сила (величина) постоянного тока I, измеряется зарядом q , проходящим через поперечное сечение проводника в 1 сек - I = q/t [ I ] = [A]
и измеряется в Амперах.
Схема 1
ИТ
Электрический потенциал характеризует способность поля Е, совершать работу по переносу заряда из одной точки в другую.
Так, между двумя точками проводника существует разность потенциалов, и электрическое поле Е совершает работу по переносу заряда.
5

Физическая величина, равная работе электрического поля при переносе электрического заряда, называется напряжением U . Измеряется в Вольтах.
Один Вольт – это напряжение, которое при перемещении заряда в 1 Кулон, совершает работу, равную 1 Джоуль.
Если между концами металлического проводника поместить источник тока
(ИТ), см. схему 1, то по проводнику потечет ЭТ.
Подробнее: электроны, достигая конца проводника, переходят внутрь ИТ, проходят по нему и возвращаются к правому концу проводника.
Т.о. наличие ИТ - условие непрерывного движения электронов по проводнику (заряды на концах проводника не накапливаются и не уничтожают электрическое поле внутри проводника.)
Сила тока для части электрической цепи (без источника тока) прямо пропорциональна напряжению ( U) на концах этой цепи и обратно пропорциональна сопротивлению (R) проводника в этой цепи.
Это и есть закон Георга Ома.
I = U
●
(1/R)
R - сопротивление внутренней атомной структуры проводника протеканию по нему ЭТ, единица измерения 1Ом [Oм].
1/R - проводимость величина обратная сопротивлению, измеряется в сименсах [См].
6

2. Физический смысл понятия сопротивления металлических проводников
Носители ЭТ – электроны, при своем движении в металле испытывают
«соударения» с ионами кристаллической решетки .
При этом движущиеся электроны передают ионам решетки часть своей кинетической энергии, приобретенной ими при прохождении в проводнике до очередного соударения с решеткой.
Энергия, переданная ионам при столкновении с электроном, превращается в энергию колебаний ионов в решетке, температура проводника повышается. А значит, увеличивается число столкновений электронов тока с ударенными ранее ионами.
2.1. Зависимость сопротивления металлических проводников от геометрических параметров
Многочисленными опытами установлено, что:
- сопротивление металлического проводника возрастает при уменьшении площади поперечного сечения проводника, т.к. в более тонком проводнике растет число столкновений электронов с ионами решетки.
Форма сечения проводника – круг, квадрат, лента не имеет значения: при одинаковой площади поперечного сечения, разные по сечению проводники имеют одинаковое сопротивление.
- сопротивление металлического проводника уменьшается при уменьшении длины проводника.
7

Действительно при движении в более коротком проводнике, электроны испытывают меньшее число столкновения с узлами кристаллической решетки, меньше теряют энергии электрического поля.
Свойство проводников ограничивать силу тока в цепи, т.е. противодействовать электрическому току, называют электрическим сопротивлением.
Cопротивление проводника, протеканию зарядов зависит от температуры проводника. Чем она выше, тем больше амплитуда колебаний ионов в узлах кристаллической решетки металла, тем выше частота соударений электронов с ионами.
Существенна зависимость сопротивления от материала (металла) из которого исполнен проводник.
Все выше сказанное включает формула, полученная опытным путем:
Итак, сопротивление проводника прямо пропорционально длине проводника и обратно пропорционально площади его поперечного сечения, где ρ - коэффициент пропорциональности в формуле или удельное
сопротивление материала, из которого сделан проводник.
[ρ] = [Ом
●
м] или [Ом
●
мм
????
/м]
Металлические сплавы имеют значительно большее удельное сопротивление, чем химически чистые металлы: без примесей.
8

3. Методы исследования и обработка результатов исследования
Методы и приемы:
✓
Теоретическое исследование проблемы.
✓
Проведение физического эксперимента.
✓
Графическая обработка итогов измерений.
✓
Математический расчет и анализ полученных закономерностей.
Цель работы:
Экспериментально установить вид зависимости между
• Сопротивлением проводника и его длиной;
• Сопротивлением проводника и площадью его поперечного сечения;
• Удостовериться в справедливости формулы R=

l/s
Оборудование:
• соединительные провода
• источник постоянного тока
• набор проводников из меди
• вольтметр
• амперметр
• ключ
Порядок выполнения исследования:
1) Проведем экспериментальные работы.
2) Рассчитаем сопротивления медных проводников для каждого опыта.
3) Построим графики зависимости сопротивления проводника от его длины и площади его поперечного сечения.
4) Определим по графикам вид зависимостей и сопоставим их с формулой R=

l/s
5) Подведем итоги.
9

4. Результаты исследования.
4.1.Зависимость сопротивления проводника от длины при неизменной площади поперечного сечения.
Оборудование: соединительные провода,источник постоянного тока 5В(+/-5%),вольтметр,амперметр, ключ.
Последовательность действий.
А. Собрали электрическую цепь, включив в нее объект исследования - медный одножильный проводник диаметром 1.2 мм (S=1,13 мм ).
Б. Изменяя длину провода (укорачивая проводник), сняли показания вольтметра и амперметра.
В. Используя формулу закона Ома, рассчитали сопротивление проводника.
Г. Итоги измерений и расчетов занесли в таблицу:
№
Длина провода
Сила тока
Напряжение Сопротивление опыта
l, м
I, А
U, В
R, Ом
1 1
0,75 0,027 0,0362 2
0,5 0,75 0,0135 0,018 3
0,25 0,75 0,0068 0, 009
По результатам расчетов построили график зависимости сопротивления проводника от его длины:
R, Ом
0,04 0,03 0,02 0,01 0 0,25 0,5 0.75 1,0 L, м

4.2.Зависимость сопротивления проводника от площади его поперечного сечения.
Оборудование:соединительные провода, источник постоянного тока 5В(+/-5%), вольтметр, амперметр, ключ.
Объект исследования: медные проводники малого сечения из разобранного многожильного провода – имитатора набора проводов разного поперечного сечения.
Последовательность действий.
А. Собрали электрическую цепь.
Б. Площадь поперечного сечения увеличивали путем параллельного добавления дополнительных медных проволочек с одинаковой длиной и одного d=0,2 мм (с последующей скруткой). Число проволок n=1,10,15,20.
В. Сняли показания амперметра и вольтметра и с помощью закона Ома рассчитали сопротивление проводников.
Г. Результаты измерений и расчетов занесли в таблицу:
Номер
Диаметр
Площадь
Сила
Напряжение Сопротивление опыта провода поперечного сечения тока
U, В
R, Ом
d, мм
провода, S, мм
2
I,А
1 0,2 0,0314 0,36 0,033 0,09 2
2 3,14 0,57 0,026 0,046 3
3 7,065 0,69 0,024 0,034 4
4 12,56 0,78 0,022 0,028 11

Список используемых источников и литературы
1. Д.И. Сахаров, М.И. Блудов. Физика, Наука, М., 1967, стр. 339-349 2. И.П. Гурский. Элементарная физика, Наука, М., 1973, стр. 213-217 3. Н.Н. Евграфова, В.П.Каган. Курс физики, ВШ, 1973, стр. 261, 261 4. Л.В. Соболев Краткое пособие по физике, МГУ, 1964, стр. 211-215 5. УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРОВОДНИКА, https://www.youtube.com/watch?v=S7HIUAe5-XM
6. Сопротивление проводника https://yandex.ru/video/preview/?filmId=17828978568864993266&p=2&te xt=исследование+СОПРОТИВЛЕНИЯ+ПРОВОДНИКА+ОТ+ГЕОМЕТ
РИЧЕСКИХ+ПАРАМЕТРОВ&url=http%3A%2F%2Ffrontend.vh.yandex.
ru%2Fplayer%2Fvj1c3P6Q9DnI
7. Действительное направление электрического тока https://www.youtube.com/watch?v=KZYNf211CA8&list=RDCMUC1_2ET
BlT3ZFByBB02bR2Lg&index=2 13

Приложение
Измерительные приборы
- Для измерения напряжения на проводниках, мультиметр DT-9205А
- Для измерения тока, тестер ТЛ-4М
Источник постоянного тока
5В(+/-5%) с проводами
Провода и зажимы для сборки
14

Объект исследования провода из меди разного сечения
Снятие зависимости тока и напряжения от проводников при максимальном поперечном сечении.
15