Экспериментальное определение ТКС и проводимость нагретого стекла: лаб. работа и алгоритм

Процесс экспериментального определения температурного коэффициента сопротивления методом косвенных измерений (метод вольтметра и амперметра) или с использованием измерительного моста постоянного тока (мост Уитстона) выполняется по строго регламентированному алгоритму.

1. Первичное измерение при комнатной температуре: Исследуемый проводник, смонтированный на каркасе, подключается к измерительной цепи. Измеряется начальное сопротивление R₁ при комнатной температуре t₁. Использование мостовой схемы предпочтительнее, так как она исключает влияние сопротивления подводящих проводов.

2. Подготовка к термической обработке: Катушка с намотанным проводником полностью погружается в химический стакан, заполненный машинным маслом. Масло выполняет роль однородного жидкого теплоносителя с высокой температурой кипения и превосходными диэлектрическими характеристиками.

3. Процесс нагрева и снятие показаний: Стакан с маслом постепенно нагревают на пламени источника теплоты. В процессе нагрева необходимо непрерывно перемешивать масло для обеспечения равномерного распределения температуры по всему объему. По достижении рабочей температуры порядка 90–100 °C фиксируются показания термометра (t₂) и повторно измеряется сопротивление проводника (R₂).

4. Альтернативный метод охлаждения: Альтернативным подходом к определению температурного тренда является охлаждение проводника. В этом случае стакан с маслом или керосином погружается в охлаждающую смесь, состоящую из колотого льда и поваренной соли.

5. Очистка и обслуживание образцов: По завершении эксперимента катушку с обмоткой необходимо тщательным образом промыть в керосине, затем в бензине для полного удаления остатков масла, после чего тщательно просушить.

Особенности электрической проводимости диэлектриков при нагреве. Важно проводить четкое различие между металлическим типом проводимости и ионной проводимостью твердых диэлектриков при высоких температурах. Ярким примером такого различия является поведение силикатного стекла.

при комнатной температуре силикатное стекло выступает классическим диэлектриком. Однако при существенном нагревании его физические свойства кардинально изменяются.

Экспериментальная демонстрация проводимости стекла. Длина стеклянной палочки составляет l = 8–10 см, диаметр d = 5–8 мм. Посередине палочка обматывается концами двух проводников с расстоянием между витками порядка 8–10 мм.

Стеклянная палочка включается последовательно с лампой накаливания мощности 50–100 Вт в сеть освещения 120 В. При комнатной температуре лампа не горит, так как цепь замкнута через диэлектрик.

Рис. 271. Схема демонстрации проводимости нагретого стекла.

При нагревании средней части стеклянной палочки пламенем газовой горелки до температуры красного каления лампа начинает светиться. Это свидетельствует о возникновении проводимости в раскаленном стекле. После удаления внешнего источника нагрева лампа продолжает гореть, так как выделяющееся джоулево тепло от протекающего электрического тока поддерживает необходимую высокую температуру стеклянной палочки.

Академическое замечание: Данное явление не имеет отношения к классическому температурному коэффициенту сопротивления металлов. В раскаленном стекле наблюдается ионная проводимость, вызванная термической активацией и высокой подвижностью катионов щелочных металлов (Na⁺, K⁺) в размягченной силикатной матрице.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Д. Д. Галанин, Е. Н. Горячкин, С. Н. Жарков, А. В. Павша, Д. И. Сахаров.

Источник: Физический эксперемент в школе. т. 3

Данные материалы будут полезны преподавателям физики и электротехники, студентам инженерно-технических специальностей, учащимся старших классов, а также всем, кто интересуется вопросами практической электродинамики и методиками наглядного моделирования физических процессов.