Краткие теоретические сведения

 

С позиции классической электронной теории металлы рассмат­риваются как система, состоящая из положительных ионов, обра­зующих узлы кристаллической решетки, и свободных (коллективи­зированных) электронов – электронов проводимости, заполняющих остальное пространство решетки.

Электрический ток в металлических проводниках обусловлен упорядоченным движением – дрейфом электронов проводи­мости под действием внешнего электрического поля.

Количественно это явление описывается законом Ома. Согласно закону Ома в дифференциальной форме плотность тока пропорцио­нальна напряженности поля:

 

j = g Е,

 

где j — плотность электрического тока, А/м²; Е — напряженность поля, В/м; g – коэффициент пропорциональности, представляющий удельную электропроводность, См/м.

На основании классической электронной теории удельная элек­тропроводность у металлов определяется выражением:

 

, (6.1)

 

где е — заряд электрона, Кл = А с; п – концентрация электронов про­водимости, м^–3; а — подвижность электронов, обусловленная действи­ем электрического поля, м²/(В с), (а = v_cp.дp/E= eEt/E2m = el/2mv); l – средняя длина свободного пробега электрона между двумя столк­новениями с решеткой в ускоряющем поле напряженностью Е, м; т – масса электрона, кг; v – средняя скорость теплового движения электронов в металле, м/с; t – время между двумя столкновениями, с; v_cp.дp – среднее значение дрейфовой скорости, м/с.

У всех металлов величину средней скорости v теплового дви­жения можно считать постоянной. Концентрация п электронов проводимости, как и скорость v, мало зависит от природы метал­ла. Поэтому удельная электропроводность g металлических про­водников зависит в основном от средней длины свободного про­бега электрона l, величина которой существенно влияет на подвижность а электронов: чем меньше l, тем меньше а. Величи­на l, в свою очередь зависит от степени деформации кристаллической решетки металлического проводника. У идеального металли­ческого проводника при температуре, равной 0 К, электроны проводимости не будут сталкиваться с узлами кристаллической решетки, поэтому длина свободного пробега электрона l и, следо­вательно, электропроводность g должны быть бесконечно больши­ми, а удельное сопротивление r равно нулю.

Зависимость удельной проводимости ρ от концентрации и свободных зарядов легко получить, используя закон Ома для участка цепи:

(6.2)

где I – сила тока протекающего по участку цепи; R – сопротивление участка цепи; U – напряжение на концах участка цепи.

Сопротивление проводника простейшим способом определяют, используя закон Ома для участка электрической цепи. Для этого нужно измерить вольтметром разность потенциалов U на концах проводника и амперметром силу тока I в проводнике и поделить одно на другое. Этот метод измерений (по току и напряжению) называют техническим. Однако при таком способе измерения вносятся систематические ошибки, величина которых зависит от сопротивлений измерительных приборов и величины измеряемых сопротивлений.

Действительно, при включении приборов по схеме на рис. 6.1 показания вольтметра соответствуют напряжению на сопротивлении (U_V = U), но показания амперметра соответствуют не току через сопротивление, а сумме токов через проводник и вольтметр:

I_A = I_V + I (6.3)

Рис. 6.1. Схема электрическая принципиальная измерения сопротивления вольтметром и амперметром

 

При включении по схеме на рис. 6.2 показания амперметра соответствуют току через сопротивление (I_A = I), но вольтметр показывает не напряжение на сопротивлении, а суммарное напряжение на сопротивлении и амперметре:

U_V= IR + IR_A (6.4)

Рис. 6.2. Схема электрическая принципиальная измерения сопротивления вольтметром и амперметром

 

Из выражений (6.3) и (6.4) следует, что для уменьшения погрешностей, вносимых при подключении приборов, сопротивление амперметра должно быть малым, а сопротивление вольтметра – большим. Данный метод лежит в основе работы омметров. Прибор прикладывает известную разность потенциалов к измеряемому сопротивлению и измеряет протекающий ток.

Мостовые схемы измерения сопротивлений позволяют избавиться от ошибок, вносимых электроизмерительными приборами, так как здесь эти приборы используются не для измерения силы тока и напряжения, идущих в дальнейшие расчеты, а только в качестве чувствительных индикаторов, работающих либо в режиме постоянного показания, либо, чаще, в режиме отсутствия тока (нуль-метод).

Схема моста Уитстона составлена из сопротивлений R_x, R₁, R₂, R₃, образующих плечи моста (рис. 6.3). В одну из диагоналей мостовой схемы CD включается чувствительный измеритель тока – миллиамперметр. К другой диагонали АВ подключается источник питания с сопротивлением R_д. В плечи моста АС и DВ включаются известные сопротивления R₂ и R₃. В плечо AD включается измеряемое сопротивление R_x, а в плечо СВ – магазин сопротивлений. Магазин сопротивлений представляет собой набор достаточно точных переменных сопротивлений. Процесс измерения по этой схеме заключается в подборе такого сопротивления магазина, при котором миллиамперметр в диагонали СD показывает отсутствие тока.

 

Рис. 6.3. Схема моста Уитстона

 

При произвольном соотношении сопротивлений через все плечи моста и через гальванометр идут токи. Изменяя сопротивление магазина, добиваются такого состояния, при котором потенциалы точек С и D будут одинаковыми, и ток через миллиамперметр станет равным нулю. Это состояние схемы называется равновесием моста.

В состоянии равновесия разность потенциалов между точками А и С равна разности потенциалов между точками А и D, а
φ_C – φ_B = φ_D – φ_B. В соответствии с законом Ома для пассивного участка электрической цепи разность потенциалов на концах участка равна падению напряжения на участке – произведению силы тока на сопротивление этого участка цепи: φ₁ – φ₂ = IR. Приравнивая падения напряжения на сопротивлениях R_x и R₃, R₁ и R₂, получим следующие выражения:

I₃R₃ = I_xR_x (6.5)

I₁R₁ = I₂R₂ (6.6)

Эти равенства справедливы только тогда, когда мост находится в состоянии равновесия. Так как ток в диагонали СD при этом равен нулю, то ток I₁ протекающий по сопротивлению R₁, равен току I₃, протекающему по сопротивлению R₃, а ток I_x, протекающий по сопротивлению R_x, равен току I₂, протекающему по магазину сопротивлений R₂. Разделив уравнение (6.5) на уравнение (6.6), получим условие равновесия моста Уитстона:

. (6.7)

Из него следует, что если установить ток в гальванометре равным нулю, то неизвестное сопротивление R_x определяется по остальным трем сопротивлениям:

(6.8)

Активное сопротивление зависит от формы и размеров проводника:

(6.9)

Для однородного проводника с поперечным сечением S и длиной l:

(6.10)

 

6.4. Используемое оборудование

 

Модуль «Измеритель RLC», «Модуль питания», образцы ис­следуемых проводников, соединительные проводники.