 |
Метод определения коэффициента теплопроводности проволочного проводника
|
|
|
|
Из закона Видемана-Франца (6) коэффициент теплопроводности металлов
χ = 2,23·10-8 σ Т (7)
где σ – удельная электропроводность данного металла, Т – термодинамическая температура.
Для многих проводников, в особенности для металлов, вольт-амперная характеристика, т.е. зависимость I= f (U) особенно проста – сила тока I пропорциональна приложенному напряжению U:
I = Λ U, (8)
что выражает закон Ома для участка цепи. Коэффициент пропорциональности Λ называется электропроводностью проводника, а величина, обратная электропроводности, – электрическим сопротивлением R. Тогда
(9)
Так как удельная электропроводность σ и удельное сопротивление ρ связаны соотношением
,
а электрическое сопротивление проволочного проводника равно
,
то
и коэффициент теплопроводности проволочного проводника будет
, (10)
где l – длина проволочного проводника, S – площадь его поперечного сечения, R пр– сопротивление проводника. Зная эти величины, можно определить коэффициент теплопроводности проволочного металлического проводника.
Экспериментальное определение коэффициента теплопроводности проволочного проводника производится путем определения его активного сопротивления R прпо методу точного измерения тока, или точного измерения напряжения, или при помощи моста постоянного тока.
Рассмотрим эквивалентную схему установки в части использования для измерения сопротивления проволоки метода точного измерения тока. Эта схема приведена на рис.2.
Рис. 2
Изменяя с помощью потенциометра П напряжение от 0 до U на исследуемом проволочном сопротивлении R призмеряют ток через него. По этим данным можно построить график вольт-амперной характеристики проволочного проводника I= f (U), который будет представлять собой прямую.
|
|
|
В соответствии с формулой (8), тангенс угла наклона этой прямой есть электропроводность Λ, а с учетом (9) котангенс есть сопротивление проводника, т.е. ctgα = Δ U /Δ I = R.
Из схемы видно, что вольтметр измеряет напряжение на последовательно соединенных сопротивлениях миллиамперметра RmA и проволоки R пр, что в сумме составляет общее сопротивление R. Поэтому
, (11)
где Δ U и Δ I находят из построенного графика I= f (U). Далее согласно (11) вычисляют R пр.
Наконец, измерив длину проволоки l и ее диаметр d, т.е. S = = π d 2/4, а также термодинамическую температуру T (T = t + 273), можно определить по формуле (10) коэффициент теплопроводности исследуемого проволочного проводника.
Подготовка установки к работе
1. Включить установку в сеть переменного тока напряжением 220В. Для этого вставить вилку шнура в сеть и нажать на передней панели прибора клавишу СЕТЬ.
2. Для измерения сопротивления проволоки выбрать метод точного измерения тока путем отжатия переключателя W 2 и нажатия W 3.
3. Выяснить цену деления электроизмерительных приборов.
Порядок выполнения работы
1. Измерить длину l и диаметр d исследуемого проволочного сопротивления, вычислить его площадь поперечного сечения S = = π d 2/4. Значение для d можно задать.
2. Потенциометром регулировки тока P1 установить какое-то минимальное значение силы тока. Записать значения силы тока и напряжения в таблицу:
| № измерения | ||||||||||
| I, мA | ||||||||||
| U, B |
Вращая ручку Р1 потенциометра, выполнить десять различных измерений.
3. Сразу после завершения измерений выключить установку.
4. По данным таблицы построить график вольт-амперной характеристики проводника. Найти ctgα угла наклона прямой этой характеристики.
|
|
|
5. Измерить термодинамическую температуру T = t + 273.
6. Используя формулы (11) и (10), определить коэффициент теплопроводности χ исследуемого проволочного проводника. В формуле (11) RmA = 0,15 Ом.
7. Сравнить полученный результат для χ со справочными данными у нихрома (табл. 1 на стр. 6).
Вопросы к зачету
1. Объяснить характер движения молекул газов, жидкостей и твердых тел.
2. Записать и сформулировать закон Фурье.
3. В чем состоит физический смысл коэффициента теплопроводности? Какова его размерность?
4. Объяснить механизм теплопроводности газов, жидкостей и твердых тел.
5. Что представляет собой фонон?
6. Записать и сформулировать закон Видемана-Франца.
7. Вывести закон Видемана-Франца, исходя из классической теории металлов.
8. Объяснить метод определения коэффициента теплопроводности проволочного проводника.
Литература
1. Яковлев, В.Ф. Курс физики. Теплота и молекулярная физика / В.Ф. Яковлев. – М.: Просвещение, 1976. – § 40.
2. Детлаф, А.А. и др. Курс физики. Механика. Основы молекулярной физики и термодинамики / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский, Л.Б. Милковская. – М.: Высшая школа, 1973. – § 11.7, 15.3.
3. Кикоин, И.К. и др. Молекулярная физика / И.К. Кикоин, А.К. Кикоин. – М.: Гос. Изд-во, 1963. – § 1, стр. 333 в гл. 7; § 5, стр. 487 в гл. 9.
4. Шубин, А.С. Курс общей физики / А.С. Шубин. – М.: Высшая школа, 1976. – § 5 в гл. 8.
5. Гурский, И.П. Элементарная физика / И.П. Гурский. – М.: Наука, 1973. – § 56.
6. Позняк, В.С. Определение удельного сопротивления и удельной электропроводности проводника / В.С. Позняк. – Мн.: БНТУ, 2010. – § 5.
Учебное издание
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ПРОВОДНИКА
Методические указания к лабораторной работе по физике
для студентов строительных специальностей
Составители:
пОЗНЯК Владимир Сергеевич
бАРАНОВ Артур Александрович
Ответственный за выпуск Т.А. Подолякова
Компьютерная верстка Е.Л. Федорова, Е.К. Соловьева
Тираж 100 Заказ 000
|
|
|
