Эксперимент в физике. Физический практикум. - Шутов В. И.
ISBN:5-9221-0632-5
Скачать (прямая ссылка):
Сопротивление К выбирается равным ~ 1 МП. Относительная погрешность в(-Яприб) определяется паспортными данными.
Погрешности косвенных измерений С вычисляются по формулам (см. таблицу 2 на стр. 13):
е(С,)=е(Д)+е(Д*)+е(1п и1/и2) =
(е(иг) + е(и2))Тъ -
--є(Щ+є(Аі) +
2е(и)и2
= є(й) + є(Аі) + ±1^1, АС = є(С)С.
Переходные процессы в конденсаторе
111
Окончательный результат: С = С±АС, є(С) = ...%.
Контрольные вопросы
• Вывести формулу для емкости плоского конденсатора с диэлектриком.
• Что такое переходные процессы?
• Вывести формулу для емкости воздушного сферического конденсатора.
• Как рассчитать заряд по графику /(?)?
• Почему выбирается достаточно большим сопротивление, через которое конденсатор разряжается?
• Нарисовать изменение напряжения на конденсаторе при подаче с генератора импульсного прямоугольного напряжения. Объяснить, что происходит в различные промежутки времени.
• Что такое постоянная времени зарядки и разрядки конденсатора?
• Вывести формулу для вычисления емкости, используемую в экспериментальной работе.
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 17
Целью работы является проверка законов постоянного тока, определение напряженности электрического поля в цилиндрическом проводнике с током, оценка скорости упорядоченного движения электронов.
Теоретическое введение
В теоретическом введении мы ограничимся только выводом формулы для скорости упорядоченного движения электронов в однородном проводнике цилиндрической формы, поскольку вопросы протекания тока в проводниках подробно изложены в работах по определению удельного сопротивления (стр. 95) и измерению сопротивления компенсационным методом (стр. 101).'
Связь плотности тока и напряженности электрического поля внутри однородного изотропного проводника устанавливает закон Ома в дифференциальной форме:
] = —Е. (1)
Руд
С другой стороны, исходя из определения } следует, что
Л = еп\, (2)
Здесь е — заряд носителя тока, п — концентрация носителей тока, V — скорость упорядоченного движения.
Зная рУд, можно рассчитать напряженность в цилиндрическом проводнике. Гак как для изотропного проводника ] = — =-Е,
Е = (3)
8
Поскольку в металле носителями тока являются электроны, направления тока и упорядоченного движения электронов проти во пол ож н ы (рис. 1).
За промежуток времени Д/ через поперечное сечение проводника 5 пройдут электроны, находящиеся в объеме цилиндра сечением 5 и высотой г;Д?. Их количество
N = гшЯД*.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ ПРОВОДНИКЕ
с током
Напряженность в проводнике с током,
113
А/ = /'А/
Через сечение 5 за это время будет перенесен заряд
д = \e\nvSAt. По определению силы тока
2 _ д _ \e\nvSAt
А*
А*
Отсюда получим формулу для определения скорости упорядоченного движения электронов:
(4)
\e\nS
Используя (1) и (2) можно переписать ее в виде
Е
V = -.
рУАеп
(5)
Вычислим концентрацию п. Количество молей материала проводника можно определить как т/М, где т — масса проводника, М — молярная масса, и как ТУ/Жд, где N — количество атомов в проводнике
т _ N
м пк
N
тМА N тМА грПА /г, --, п = X— = X-- = —--, (6)
м V му м
где х — валентность, р — массовая плотность, ТУд — число Авогадро.
114
Напряженность в проводнике с током
Экспериментальная часть Схема установки приведена на рис. 2.
нихромовая проволока
К
Рис. 2.
1. Измеряя микрометром диаметр нихромовой проволоки, вычисляют площадь ее поперечного сечения 5 (см. стр. 97).
Окончательный результат записывают в виде
5 = 5± А5, б(Б) = ...%.
2. Собирают электрическую схему эксперимента.
3. Изменяя сопротивление В,, измеряют семь значений тока в цепи. Измерения проводят равномерно по всему диапазону изменения В. Результаты помещают в таблицу экспериментальных данных.
Различные В 1 2 3 4 5 6 7
Іг,А
Ег,В/м
4. Для каждого значения I; вычисляют Е; из (3), а затем погрешности:
А5
е(Е) = е{в) + е(1) + фуд) = ^ + е(1) + АЕ = е(ЕЩ.
Ь Руд
Относительная погрешность измерения тока определена в паспорте прибора. Для удельного сопротивления нихрома руд = (1,10 ± 0,05) • Ю-6 Ом-м.
Напряженность в проводнике с током,
115
По окончательным результатам делают выводы об экспериментальной зависимости Е от I и о порядках величин Е; при различных токах.
5. Используя значения 1;, по формуле (4) вычисляют скорости VI упорядоченного движения электронов в проводнике при протекании в нем электрического тока и погрешности:
ф) = е{1г) + ф) = ?(1г) + ^, Дг; = фК
Расчет концентрации п по формуле (6) делают с учетом того, что нихром двухвалентен.
6. Делают выводы о величине скорости упорядоченного движения, о зависимости скорости от напряженности Е в проводнике.
Контрольные вопросы
• Вывести формулу закона Ома в дифференциальной форме.
• Как связана плотность тока и скорость упорядоченного движения носителей тока?
• Почему скорость упорядоченного движения носителей тока невелика,
а ток возникает мгновенно после включения ключа К?
• Почему при вычислении погрешностей мы пренебрегаем погрешностями измерений е?
