- •Оглавление
- •Предисловие
- •Рекомендации преподавателям
- •Указания студентам
- •I. Электрическое поле и постоянный электрический ток. Лабораторная работа № 2.1 исследование электростатического поля методом зонда
- •1. Электростатическое поле и его характеристики
- •2. Изучение электростатических полей, созданных системой проводящих электродов
- •3. Изучение свойств электрического тока в изотропной среде
- •4 . Экспериментальные установки
- •5. Опытное определение эквипотенциальных точек и построение эквипотенциальных линий
- •6. Изучение электрических полей, созданных точечными и равномерно распределенными зарядами, с помощью электронного учебника «Открытая физика» и математического пакета Maple
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2.2 закон ома и правила кирхгофа для разветвленных цепей
- •1. Закон Ома
- •2. Правила Кирхгофа
- •3. Экспериментальная установка
- •4. Проверка закона Ома для участка цепи и измерение внутренних сопротивлений источников тока
- •5.Нахождение токов в разветвленной цепи
- •6.Изучение темы «Правила Кирхгофа для разветвленных цепей» с помощью программы «Открытая физика»
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2.3 Температурная зависимость сопротивления проводников и полупроводников
- •1. Электропроводность металлов
- •2.Электропроводность полупроводников
- •3. Экспериментальная установка
- •4. Определение зависимости сопротивлений проводника и термистора от температуры
- •5. Вычисление энергии активации полупроводника
- •6. Изучение электропроводности твердых тел с помощью пакета программ “Открытая физика”
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2.4 релаксационный генератор на основе тиратрона
- •1. Тлеющий разряд в газах
- •2. Газоразрядные приборы
- •3. Релаксационный генератор на основе тиратрона
- •4. Экспериментальная установка
- •5. Измерение потенциала зажигания и гашения тиратрона
- •6. Измерение периода релаксационных колебаний секундомером
- •6. Измерение периода релаксационных колебаний с помощью осциллографа
- •7. Измерение емкости батареи конденсаторов
- •8. Изучение квазистационарных процессов в rc-цепях с помощью пакета программ «Открытая физика»
- •Контрольные вопросы
- •II. Магнитное поле. Лабораторная работа № 2.5 магнитное поле кругового тока
- •1. Закон Био-Савара-Лапласса и его применение для определения индукции магнитного поля кругового тока
- •2. Магнитное поле Земли
- •3. Экспериментальная установка
- •4. Измерение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли
- •5. Проверка закона Био-Савара-Лапласса
- •6. Изучение силовых линий магнитного поля с помощью пакета программ «Открытая физика»
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2.6 определение удельного заряда электрона
- •1. Сила Лоренца
- •2. Краткое описание тетрода 6э5п
- •3. Экспериментальная установка
- •4. Методика определения удельного заряда электрона
- •5. Измерение удельного заряда электрона
- •6. Работа с компьютерной моделью движения заряда в магнитном поле
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2.7 эффект холла
- •1. Эффект Холла и его теоретическое обоснование
- •2 Датчики Холла
- •3. Экспериментальная установка
- •4. Градуировка датчика
- •5. Измерение индукции магнитного поля вдоль оси соленоида
- •6. Определение параметров датчика
- •Контрольные вопросы
- •III. Колебания и волны. Лабораторная работа № 2.8 Свободные механические колебания
- •1. Изучение гармонических колебаний математического и физического маятников
- •2. Ангармонические колебания физического маятника
- •3. Затухающие колебания физического маятника
- •4. Измерение периода малых колебаний математического маятника и определение ускорения свободного падения
- •5. Определение зависимости периода колебания физического маятника от амплитуды
- •6. Исследование затухающих колебаний.
- •7. Изучение темы «Свободные колебания математического маятника» с помощью программы «Открытая физика»
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2.9 изучение электронного осциллографа
- •1. Электронный осциллограф
- •2. Сложение двух колебаний одного направления и одинаковых или близких частот
- •3. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний
- •4. Использование осциллографа
- •5. Схема экспериментальной установки
- •6. Подготовка электронного осциллографа к работе
- •7. Измерение амплитуды, периода и частоты синусоидальных колебаний
- •8. Измерение периода биений
- •9. Определение сдвига фаз двух гармонических взаимно-перпендикулярных колебаний одинаковой частоты
- •10. Определения частоты колебаний по заданной частоте
- •11. Изучение квазистационарных процессов в rlc-цепях с помощью пакета программ “Открытая физика”
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2.10 Закон Ома для цепей переменного тока
- •1. Цепи переменного тока (краткая теория)
- •2. Выполнение работы
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2. 11 стояЧие волны и определение скорости звука в воздухе
- •1. Звуковые волны
- •2. Звуковые волны в газах
- •3. Стоячие волны
- •3. Описание экспериментальной установки и выполнение работы
- •Контрольные вопросы
- •ПриложениЕ I. Таблицы физических величин
- •Диэлектрическая проницаемость
- •ПриложениЕ II. Некоторые сведения о единицах физических величин
- •Основные и производные единицы электрических и магнитных величин в си
- •Коэффициенты перевода внесистемных единиц в единицы си
- •Приставки для образования кратных и дольных единиц
- •Греческий алфавит
- •Литература Основная
- •Дополнительная
- •Электромагнетизм, колебания и волны Учебное пособие для выполнения лабораторных работ
- •428000, Г. Чебоксары, ул. П. Лумумба, 8
Контрольные вопросы
Сформулируйте обобщенный закон Ома. Как из него можно получить закон Ома для замкнутой цепи, для однородного участка цепи.
Дайте определения узла, контура.
Сформулируйте правила Кирхгофа.
Поясните, какие токи и ЭДС считаются положительными? Какие отрицательными?
Изложите схему расчета разветвленной электрической цепи при использовании правил Кирхгофа.
Лабораторная работа № 2.3 Температурная зависимость сопротивления проводников и полупроводников
Цель работы: изучение температурных свойств проводников и полупроводников.
Приборы и принадлежности: набор проводников, термистор, два омметра, водонагреватель, кусочки льда.
Литература: :[1-4]
План работы:
Изучение электропроводности металлов.
Изучение электропроводности полупроводников.
Изучение экспериментальной установки.
Определение зависимости сопротивлений проводника и термистора от температуры.
Вычисление энергии активации полупроводника.
Изучение электропроводности твердых тел с помощью пакета программ «Открытая физика».
1. Электропроводность металлов
В металлах внешние (валентные) электроны обобществляются и могут свободно перемещаться по всему объему проводника. В подавляющем большинстве чистых металлов эти свободные электроны являются единственными носителями заряда. Если к проводнику приложено электрического поля , то в нем возникает электрический ток – направленное движение электронов. Плотность тока равна
, (3.1)
где – заряд электрона (элементарный заряд), – концентрация электронов, – скорость дрейфа электронов. Согласно закону Ома плотность тока пропорциональна
, (3.2)
где – удельная электрическая проводимость (удельная электропроводность) проводника. Это означает, что скорость дрейфа электронов пропорциональна напряженности электрического поля
, (3.3)
где – подвижность электронов. Для отрицательно заряженных частиц (например электронов) , для положительно заряженных (например, дырок в полупроводниках) – . Поэтому
, (3.4)
Следовательно, удельная электропроводность равна
, (3.5)
Величина обратная удельной электропроводности называется удельным электрическим сопротивлением
. (3.6)
Удельное сопротивление измеряется в Ом-метрах (Ом·м). У металлов Ом·м, у диэлектриков Ом·м.
В чистых металлах концентрация электронов не зависит от температуры T. Поэтому зависимость удельной электропроводности σ от T полностью определяется температурной зависимостью подвижности электронов u(T), качественный график которой показан на рис. 3.1 (слева). Качественный график температурной зависимости удельного сопротивления ρ(T) показан на рис. 3.1 (справа).
П ри дрейфе электронов в металлах они рассеиваются на тепловых колебаниях атомов кристалла и на ионизированных атомах примесей. С увеличением температуры усиление рассеяния электронов на тепловых колебаниях уменьшает скорость дрейфа электронов и снижает их подвижность. При рассеянии электронов на тепловых колебаниях атомов в области высоких температур (выше так называемой температуры Дебая Θ) u ~ 1/T, в области низких температур T << Θ u ~ 1/T5 (рис. 3.1 слева). В промежуточной области средних температур происходит постепенный переход от первой зависимости ко второй.
При температурах, близких к абсолютному нулю тепловые колебания атомов ослабляются настолько, что основное значение приобретает рассеяние носителей заряда на примесных атомах, которые всегда содержатся в металлах. В этом случае подвижность носителей перестает зависеть от температуры: u → u0 при T → 0. В результате (см. рис. 3.1 справа) при высоких температурах
ρ = T, (3.7)
при низких температурах
ρ = bT5 + ρ0. (3.8)
Температурным коэффициентом сопротивления α чистых металлов называется величина
. (3.9)
При высоких температурах, когда применима формула (3.7)
, (3.10)
как показывает опыт при обычных условиях
, (3.11)
в частности, для меди = 0,0041 K-1.
Д ля ряда химических элементов, сплавов и химических соединений обнаружено явление сверхпроводимости – скачкообразное падение удельного сопротивления до нуля при достижении определенной критической температуры (см. рис. 3.2).