XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Пути исследования тепловых и электрических свойств проводников
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Исследование тепловых и электрических свойств проводников является одной из ключевых задач в физике и инженерии, так как эти характеристики напрямую влияют на эффективность и надежность электрических систем. Проводником называется вещество, пропускающее электрический ток, так как содержит свободные электроны в межатомарном пространстве [1]. К проводникам относятся металлы, электролитические растворы, плазма и некоторые другие вещества. Важнейшей характеристикой проводников является электропроводность - способность проводить электрический ток. Электропроводность определяется удельным сопротивлением проводника. Проводники, такие как медь и алюминий, широко используются в электрических цепях. В современных условиях, когда требования к энергоэффективности и безопасности электрооборудования становятся все более строгими, понимание взаимоотношений между электрическими и тепловыми свойствами материалов становится важным аспектом в разработке новых технологий.
Это особенно актуально для высокочастотных и высокомощных радиоэлектронных систем, где малейшие изменения в свойствах проводников могут привести к значительным негативным последствиям.
Опытным путем учеными и исследователями было доказано, что электрическое поле, которое толкает свободные электроны в проводнике, образуется вокруг проводника со скоростью света - 300000 км/сек
Важно понимать, что под электрическим током подразумевается поток упорядоченно перемещающихся под действием электрического поля электронов в проводниках. Однако, пока источника электрического поля нет, свободные электроны движутся в проводнике хаотически, в разных направлениях.
Цель данной работы - анализ тепловых и электрических свойств проводников, а также факторов, влияющих на эти характеристики.
Основная часть
Все тела по проводимости электрического тока делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики. Для того чтобы электрическую энергию доставить от источника тока потребителю составляют электрические цепи. В большинстве случаев в электрической цепи используются металлические провода. По физической природе зарядов – носителей электрического тока, электропроводность подразделяют на:
А) электронную,
Б) ионную,
В) смешанную.
После открытия в 1897 году английским ученым Дж. Дж. Томсоном электрона стали разрабатываться теории, объясняющие электропроводность металлов. Автором первой теории был Пауль Друде – немецкий физик. Эта теория нуждалась в опытном обосновании. В 1901 г. немецкий физик Э. Рикке поставил опыт по исследованию прохождения тока в металлах.
Результаты опыта свидетельствовали о том, что в переносе заряда в металлах ионы не участвуют. Впоследствии вопросом проводимости металлов заинтересовались и другие учёные. В 1913 году российские учёные Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси провели опыты по исследованию проводимости металлов. Суть опытов сводилась к тому, что катушка, на которую наматывали металлическую проволоку приводили во вращательное движение и резко тормозили. При торможении электроны продолжали двигаться по инерции и гальванометр, соединенный с катушкой фиксировал появление тока. По направлению отклонения стрелки гальванометра было установлено, что ток создается движением отрицательно заряженных частиц. На основании измерения отношения заряда частиц к их массе выяснилось, что ток создается движением свободных электронов. Аналогичный опыт был поставлен в 1916 году американскими учеными Т. Стюартом и Р. Толменом. Результаты опытов говорили, что ток в металлах создается движением электронов [2].
Факт нагрева проводника при протекании по нему тока объясняется тем, что во время движения заряженных частиц под действием электрического поля они сталкиваются с атомами проводника, в результате часть кинетической энергии передаётся этим атомам проводника, то есть средняя скорость хаотического движения частиц проводника уменьшается, и проводник нагревается. По закону сохранения энергии кинетическая энергия свободных заряженных частиц, приобретённая под действием электрического поля, превратится во внутреннюю тепловую энергию проводника [3].
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 и квадрату величины протекающего тока
-
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, следовательно, больше энергии передаётся частицам проводника)
Данные предположения подтверждаются с помощью опытов.
Опыт №1
Необходимо собрать электрическую цепь, в которой последовательно с источником тока подключены два нагревателя с разными сопротивлениями, которые опущены в калориметры (прибор для измерения количества теплоты) с одинаковым количеством воды при одинаковой температуре (рисунок 1). При прохождении электрического тока через нагреватели будет наблюдаться повышение температуры воды, причём вода будет нагреваться быстрее в том калориметре, в который помещён нагреватель с большим сопротивлением, то есть подтверждается предположение 1.
Рисунок 1 – Схема опыта исследования зависимости нагрева воды от величины сопротивления нагревателя
Опыт №2
Для подтверждения предположения 2 необходимо собрать электрическую цепь, в которой последовательно к источнику тока подключен амперметр, лампочка накаливания и реостат. Регулируя сопротивление реостата, изменяется сила тока в цепи при постоянном напряжении, то при увеличении силы тока увеличивается яркость лампочки, то есть увеличивается количество теплоты, которое выделяет нить накаливания.
Рисунок 2 – Электрическая схема опыта зависимости количества теплоты от величины протекающего тока
Однако можно обойти все эти трудоёмкие эксперименты для вычисления уровня нагрева проводника. Достаточно простого изучения физической составляющей проводника, чтобы определить его теплоёмкость. В качестве примера можно взять обычный проводник, затем измерить длину проводника, площадь поперечного сечения, и с помощью таблицы найди удельное сопротивление материала, из которого состоит проводник. Если вычислить отношение заряда проходящего через поперечного сечение проводника, ко времени его прохождения, то можно косвенно получить теплоёмкость материала, из которого изготовлен проводник путем аналитического анализа.
Используя формулу для расчета сопротивления проводника:
, (1)
где
R - сопротивление проводника;
- удельное сопротивление проводника;
l – длина проводника;
S – площадь поперечного сечения проводника.
Так же используя формулу для силы тока:
, (2)
где
I - сила тока, которая равна отношению электрического заряда q, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения t.
Если электрический ток определяется движением электронов, тогда
q=qen , (3)
где
qe – заряд электрона;
n – количество электронов в проводнике.
Затем подставив формулы 1,2,3 в формулу электрической энергии
(4)
путём несложных математических преобразований получается математическое выражение: . (5)
Известно выражение для вычисления величины затраченной тепловой энергии тепла при нагревании тела:
, (6)
где
с – удельная теплоёмкость вещества;
m – масса вещества;
ΔT – разница температур вещества до нагревания и после нагревания.
Приравняв выражение 5 и 6: , можно выразить из этого удельную теплоёмкость вещества, из которого изготовлен проводник:
(7)
Данная формула позволит вычислить удельную теплоемкость проводника с сокращением временных затрат без проведения опытно-экспериментальных исследований с применением дорогостоящего оборудования.
Аналогичным способом можно выразить удельную теплоту плавления из формулы расчета тепла тела при плавлении:
, (8)
где
- удельная теплота плавления;
m – масса тела.
(9)
Данная формула позволит вычислить удельную теплоту плавления проводника с сокращением временных затрат без проведения опытно-экспериментальных исследований с применением дорогостоящего оборудования.
Используя формулу кинетической энергии для всех электронов, протекающих в проводнике под действием электрического поля:
mv2n/ 2 , (10)
где
m – масса электрона;
v – скорость электрона;
n – количество электронов.
Путём несложных математических преобразований, получается выражение:
(11)
Таким образом, использование полученного выражения позволит получать значения скорости движения электронов, не прибегая к экспериментальным исследованиям. Вычисление скорости движения электронов помогает определить время необходимое для заряда аккумулятора или конденсатора.
При понижении температуры сопротивление металлов должно уменьшаться. В 1911 году датский физик Х. Каммерлинг - Оннес открыл явление, названное сверхпроводимостью. Исследуя зависимость сопротивления ртути от температуры, он обнаружил, что при температуре 4,12 К сопротивление ртути исчезает. В сверхпроводящее состояние могут перейти многие химические соединения и сплавы. Некоторые вещества, переходящие при низких температурах в сверхпроводящее состояние, не являются проводниками при обычных температурах [4].
Вещества, находящиеся в сверхпроводящем состоянии, приобретают новые свойства. Наиболее важным из них является способность длительное время (многие годы) поддерживать без затухания электрический ток в проводниках.
Классическая электронная теория не способна объяснить явление сверхпроводимости. Теоретическое объяснение явления сверхпроводимости на основе квантово-механических представлений было дано учеными Дж. Бардиным, Дж. Шриффером (США) и Н. Н. Боголюбовым (СССР) в 1957 г.
В 1986 году была обнаружена высокотемпературная сверхпроводимость (при 100 К).
В настоящее время ведутся интенсивные работы по поиску новых веществ переходящими в сверхпроводящее состояние при более высокой температуре. Ученые надеются получить вещество в сверхпроводящем состоянии при комнатной температуре. Если удастся создать сверхпроводник при нормальной температуре, то будет решена проблема передачи электроэнергии по проводам без потерь.
Следует отметить, что до настоящего времени механизм высокотемпературной сверхпроводимости керамических материалов до конца не выяснен.
Открытие вещества, переходящего в сверхпроводящее состояние при комнатной температуре, позволило бы упростить решение многих технических вопросов. Во-первых, отсутствие сопротивления означает отсутствие каких-либо потерь на нагревание. Отсутствие нагревания и потерь энергии на него чрезвычайно важно для электродвигателей и электронной вычислительной техники, а также для передачи электроэнергии.
Заключение
В результате проведенного исследования мы надеемся внести вклад в понимание тепловых и электрических свойств проводников и предложить рекомендации по улучшению их эффективности при использовании в различных областях, включая электронику, энергетические системы и автоматику. Благодаря этому исследованию теперь возможно улучшить показатели надежности и безопасности электрических систем, что важно для успешного продвижения современных технологий. Использование полученных результатов исследований позволит сократить время определения удельной теплоемкости проводников и удельной теплоты плавления проводников не прибегая к сложным экспериментальным исследованиям в области молекулярной физики.
Список использованных источников и литературы
1. Ландсберг Г.С.Элементарный учебник физики, Электричество и магнетизм, Том 2, , 2001
2. Ландсберг Г.С.Элементарный учебник физики: Учеб. Пособие. В 3 т. Т.1 Механика. Теплота. Молекулярная физика
3. Мякишев Г. Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 216-224.
-
Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. - М.: Дрофа, 2009.- С.81-89.