Исследовательская работа "Электрическое сопротивление"

Школьная научно-практическая конференция

Электрическое сопротивление

Исследовательская работа

Выполнил ученик 9 класса

МБОУ«Рочегодская средняя школа»

Валов Алексей

Руководитель - учитель

МБОУ«Рочегодская средняя школа»

Федосеев Александр Иванович

п. Рочегда - 2020

1. ВВЕДЕНИЕ. 2

2. ТРИ ГРУППЫ МАТЕРИАЛЛОВ. 3

2.1. Что такое проводник. 3

2.2. Что такое полупроводник. 4

2.3. Что такое диэлектрик. 4

3. ПРИМЕНЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВ. 4

4. ЭКСПЕРИМЕНТ. 6

4.1. Исследование зависимости сопротивления проводника от рода материала, длины проволоки и площади поперечного сечения. 6

4.2. Исследование зависимости R проводника от температуры. 7

4.3. Исследование зависимости R полупроводника от температуры. 8

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 8

6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ. 9

7. ПРИЛОЖЕНИЯ. 10

1. ВВЕДЕНИЕ.

Любое тело, по которому протекает электрический ток, оказывает ему определенное сопротивление. Свойство материала проводника препятствовать прохождению через него электрического тока называется электрическим сопротивлением.

Электронная теория так объясняет сущность электрического сопротивления металлических проводников. Свободные электроны при движении по проводнику бесчисленное количество раз встречают на своем пути атомы и другие электроны и, взаимодействуя с ними, неизбежно теряют часть своей энергии. Электроны испытывают как бы сопротивление своему движению. Различные металлические проводники, имеющие различное атомное строение, оказывают различное сопротивление электрическому току.

Точно тем же объясняется сопротивление жидких проводников и газов прохождению электрического тока. Однако не следует забывать, что в этих веществах не электроны, а заряженные частицы молекул (ионы, электроны) встречают сопротивление при своем движении.

Сопротивление обозначается латинскими буквами R или r. За единицу электрического сопротивления принят Ом. Для измерения сопротивлений большой величины принята единица, называемая мегаОм. (Мом).

Один мегаОм равен одному миллиону Ом.

Чем больше сопротивление проводника, тем хуже он проводит электрический ток, и, наоборот, чем меньше сопротивление проводника, тем легче электрическому току пройти через этот проводник.

Актуальность темы. Понимание того, что такое сопротивление очень важно, так как электричество в наше время присутствует и в быту, и на производстве. Например, сопротивлением обладают: электрический чайник, утюг, электрические провода, даже человек и т.д.

1. ТРИ ГРУППЫ МАТЕРИАЛЛОВ.

В электротехнике можно выделить три главные группы материалов по проводимости электрического тока: проводники, полупроводники и непроводники (диэлектрики). Основное их отличие в том, что у них различная проводимость электрического тока.

1. Что такое проводник.

Итак, проводник это - материал (вещество, среда), отлично проводящий электрический ток. Присутствующие в веществе так называемые свободные заряженные частицы (электроны или ионы), способны свободно перемещаться по всему объему вещества, а при приложении электрического напряжения создают ток проводимости. (Приложение 1).

1. Что такое полупроводник.

Как видно даже из самого названия полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Полупроводники в изначальном состоянии не пропускают электрический ток, но стоит приложить к полупроводниковому материалу энергию, то полупроводник из диэлектрика превращается в проводник. (Приложение 2).

1. Что такое диэлектрик.

Диэлектриками называют те вещества, которые обладают большим сопротивлением и не пропускают электрический ток либо проводят его в незначительных количествах. Это обусловлено тем, что в подобных материалах крайне мало находится свободных носителей заряда по причине довольно крепкой атомарной связи. Поэтому при воздействии электрического поля ток в диэлектрике просто отсутствует. К диэлектрикам относятся такие материалы как: стекло, фарфор, керамика, текстолит, карболит, вода дистиллированная (без солевых примесей), сухое дерево, каучук и т.п.

Диэлектрики так же крайне широко используются в быту. Изоляция проводов, корпуса электроприборов выполнены из диэлектрических материалов. (Приложение 3).

1. ПРИМЕНЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВ.

Одним из важных применений проводников и полупроводников являются прибор под названием – электронный термометр.

Термометр сопротивления.

Влияние температуры металла на его электрическое сопротивление используется в работе измерительных приборов. Их называют термометрами сопротивления.

Их чувствительный элемент выполняют тонкой проволочкой из металла (в качестве датчиков температуры используются платиновые и медные термометры сопротивления), сопротивление которой тщательно замерено при определенных температурах. Эту нить монтируют в корпусе со стабильными термическими свойствами и закрывают защитным чехлом. Созданная конструкция помещается в среду, температуру которой необходимо постоянно контролировать.

На выводы чувствительного элемента монтируются провода электрической схемы, которыми подключается цепь замера сопротивления. Его величина пересчитывается в значения температуры на основе ранее произведенной калибровки прибора (Приложение 4).

Полупроводниковые термометры сопротивления.

Полупроводниковые термометры сопротивления — выпускаются для измерения температур в диапазоне от 1 до 600 К. Сопротивление полупроводниковых термометров с уменьшением температуры возрастает, поэтому их выгодно применять для измерения низких температур. Чувствительный элемент полупроводникового термометра сопротивления представляет собой кристалл полупроводникового материала, как правило, герметизированный в стеклянном или металлическом чехле очень небольших размеров длиной 5—30 и диаметром 2—5 мм.

Германиевый термометр сопротивления используется в интервале от 1 до 35 К. Термометр представляет собой монокристалл германия, легированный несколькими миллионными частями мышьяка или галлия. Как и другие полупроводниковые термометры, они имеют отрицательную температурную зависимость электросопротивления. 

Работа термометров основана на том, что некоторые металлы и полупроводники меняют свое электрическое сопротивление при изменении температуры окружающей среды. При этом у металлов при увеличении температуры сопротивление возрастает, их называют позисторами. У полупроводников оно падает, поэтому их название – термисторы. Измерение проводимости чувствительного элемента и является принципом действия. При этом различные материалы обладают разным температурным коэффициентом. Это значит, что одни реагируют на изменения больше, другие меньше. Этот параметр влияет на точность прибора.

Термометры сопротивления можно использовать практически повсеместно. Основные области применения:

• в промышленности – для определения нагрева печей;

• в трубопроводах – для веществ, состояние которых зависит от температуры;

• в медицине;

• в бытовых и других помещениях;

• в жилищно-коммунальном хозяйстве;

• везде, где нужно знать температуру.

1. ЭКСПЕРИМЕНТ.

3. 1. Исследование зависимости сопротивления проводника от рода материала, длины проволоки и площади поперечного сечения.

Вначале мы взяли стальную проволоку. Подсоединили провода мультиметра к концам проволоки и измерили сопротивление (R= 0,32 Ом). Увеличили длину проволоки в 2 раза и снова измерили сопротивление (R= 0,60 Ом).

Вывод: Сопротивление проводника R прямо пропорционально его длине – L. (увеличилось почти в 2 раза)

Затем мы взяли нихромовую проволоку и произвели аналогично измерения сопротивления R=0,47 Ом в первом случае, R=0,89 Ом во втором случае. Вывод: как и в случае со стальной проволокой у нихрома сопротивление так же отличается почти в 2 раза. Но по показаниям мультиметра нихром «дает» большее сопротивление. Значит сопротивление также зависит от рода материала.

Далее мы решили посмотреть отличается ли сопротивление от площади поперечного сечения и подсоединили к мультиметру сначала одинарную проволоку из нихрома, а затем сложили ее вдвойне, тем самым увеличив площадь поперечного сечения в 2 раза. Показания мультиметра составили: R₁=0,45 Ом и R₂=0,29 Ом.

Вывод: Чем толще проволока, тем меньше сопротивление R. (Ожидалось, что сопротивление уменьшится в 2 раза согласно формуле R= ).

Таким образом на опытах (Приложение 5) мы доказали, что;

• Сопротивление металлического проводника зависит от рода вещества: у нихромовой проволоки оно получилось больше, чем у стальной

• при увеличении длины проволоки в 2 раза, сопротивление увеличилось в 2 раза

• Сопротивление тем больше, чем меньше площадь поперечного сечения.

1. Исследование зависимости R проводника от температуры. Данные исследования мы начали с нагревания спирали в пламени спиртовки. (Приложение 6). Спираль последовательно соединена с лампой (лампа выполняла функцию индикатора тока). Мы увидели, что через некоторое время лампа погасла. Это означает, что сопротивление спирали увеличилось, а сила тока – уменьшилась согласно закону Ома. В учебнике физики 10 класса мы нашли формулу, соответствующую нашему опыту R_t = R₀*(1+a*t). Она показывает, что сопротивление проводника увеличивается линейно с ростом температуры.

Нам захотелось более детально проследить эту зависимость (сопротивления проводника от температуры). Для этой цели мы взяли медную проволоку, смотанную в катушку и помещенную в стеклянную пробирку. Данную катушку мы поместили в сосуд с горячей водой, к катушке подсоединили мультиметр и в течение некоторого времени наблюдали, как изменяется сопротивление медной проволоки при остывании воды. Мы заполнили таблицу и построили график. (Приложение 7).

Вывод: при охлаждении проволоки сопротивление уменьшалось – линейно.

1. Исследование зависимости R полупроводника от температуры.

Мы знаем, что в радиотехнике и электротехнике используют полупроводники (диоды, транзисторы, микросхемы и т.д.). Мы решили экспериментально проверить, как зависит сопротивление полупроводников от температуры. Для этого мы взяли чистый, без примеси (примесь бывает донорной и акцепторной) полупроводник, помещенный в пробирку и опустили его в сосуд с горячей водой (точно так же как и в случае с проводником). И наблюдали, как будет меняться сопротивление с течением времени при остывании воды. Показания термометра и мультиметра занесли в таблицу и построили график зависимости сопротивления полупроводника от температуры (Приложение 8).

Вывод: с понижением температуры сопротивление полупроводника увеличивалось (т.е. сопротивление R обратно пропорционально температуре t, наоборот, чем у проводников).

1. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Вначале исследовательской работы мы поставили перед собой цель – установить факторы, влияющие на электрическое сопротивление проводников и полупроводников. Мы их установили, но для полупроводников определили только лишь зависимость сопротивления от температуры. Это для нас показался наиболее интересный фактор. И что нам так же показалось удивительным, что у проводников с ростом температуры сопротивление растет, а у полупроводников - уменьшается. Ученые нашли массу применений этим зависимостям, одно из которых – электронный термометр (бывают как проводниковые, так и полупроводниковые).

Проделывая данные опыты, ты на малую долю приближаешься к тем ученым, которые все это изучили до нас. Понимаешь, что занимаешься воспроизводством, а не открываешь новое. Тем не менее ты делаешь это сам своими руками, думаешь своей головой, экспериментируешь, придумываешь что-то свое, свои способы (например, измерение температуры и сопротивления при охлаждении выглядит не совсем логично, красивее было бы нагревать, но на деле нагревать – технически сложнее). Экспериментировать, изобретать – это увлекательно!

1. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

• Учебник физики 8 класса;

• Учебник физики 10 класса;

• http://electricalschool.info/main/osnovy/1639-kak-zavisit-soprotivlenie-ot-temperatury.html;

• https://bstudy.net/675338/tehnika/poluprovodnikovye_termometry_soprotivleniya#873;

• http://scask.ru/o_book_ttp.php?id=51;

1. ПРИЛОЖЕНИЯ.

Приложение 2. Полупроводниковые радиодетали.

П риложение3. Изоляторы.

Приложение 4. Термометр сопротивления.

Приложение 7. Исследование зависимости R проводника от температуры.