XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование возможностей измерения теплоемкости проводника с использованием свойств электрического тока
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В современных технологических процессах химической, электронной промышленности и в других отраслях экономики, необходимо знать точное значение удельной теплоемкости и удельной теплоты плавления материалов, однако существующие методы используют калориметрические способы измерений и сложную дорогостоящую аппаратуру. Существующие методы требуют значительных временных и производственных ресурсов.
Цель. Провести исследования возможности измерения значений удельной теплоемкости и удельной теплоты плавления проводников с использования свойств электрического тока.
Основная часть
В научном мире, на современном этапе развития человечества остается загадкой физический смысл электрического заряда. Электрический заряд – это величина, определяющая силу электромагнитного взаимодействия между телами. Начиная с опытов Фарадея, человечество имеет дело с принципиально новыми явлениями, которые не сводятся ни к механическим, ни к тепловым. Поэтому, логически точного определения электрическому заряду дать невозможно. В подобных случаях определение дается через процедуру измерения [1].
Отметим, что для микрочастиц заряд является их неотъемлемым свойством. Все электрические заряды кратны элементарному заряду – e. Макроскопические тела всегда содержат в себе огромное число заряженных элементарных частиц. Если число положительных и отрицательных частиц одинаково, то тело в целом нейтрально. Наличие отрицательного или положительного заряда тела связано с избытком или с недостатком в теле мельчайших отрицательно заряженных частиц – электронов. Заряды не создаются и не пропадают, они могут быть лишь переданы от одного тела другому или перемещены внутри данного тела. Это положение, известное под названием закона сохранения электрического заряда, является основным в области учения об электричестве и подтверждается многочисленными фактами. Точечным зарядом называется заряженное тело с очень малыми размерами – много меньшими расстояний до точки наблюдения. Фактически точечный заряд – это заряженная материальная точка.
Как показывает опыт, удельное сопротивление проводников первого рода (металлов) прямо пропорционально абсолютной температуре ρ ~ T1. Электрического сопротивления у металлов вообще не должно быть, оно должно равняться нулю. Такое состояние называется сверхпроводимостью и существует для большинства материалов при температурах, близких к абсолютному нулю. Наличие электрического сопротивления при более высоких температурах объясняют присутствием микроскопических сил сопротивления, возникающих при движении носителей заряда по кристаллической решетке [1].
Факт нагрева проводника при протекании по нему тока объясняется тем, что во время движения заряженных частиц под действием электрического поля они сталкиваются с частицами проводника, в результате часть энергии передаётся этим частицам проводника, то есть средняя скорость хаотического (теплового) движения частиц проводника увеличивается, и проводник нагревается. По закону сохранения энергии кинетическая энергия свободных заряженных частиц, приобретённая под действием электрического поля, превратится во внутреннюю энергию проводника. Следовательно, можно предположить:
-
Чем больше сопротивление проводника, тем больше тепла выделяется при прохождении электрического тока по проводнику, то есть количество теплоты, которое выделяется в проводнике при прохождении по нему электрического тока, прямо пропорционально сопротивлению проводника;
-
Количество теплоты, выделяемое в проводнике при прохождении по нему электрического тока, зависит от силы тока (чем больше сила тока, тем большее количество свободных частиц проходит через сечение проводника в единицу времени, происходит больше столкновений свободных электронов с атомами, следовательно, больше энергии передаётся атомам проводника).
Известна формула для расчёта сопротивления проводника [2]: