Logo
Logo

Термическая деградация проволоки

A1  0.20 Установите ток через источник $1.4~\mathrm{A}$. Подуйте на проволоку и выберите в листах ответов верный вариант. Объясните почему так произошло.

Ответ: Если подуть на проволоку, напряжение на ней уменьшится. Объясняется тем, что удельное сопротивление падает, когда температура уменьшается
A2  1.00 Снимите зависимость напряжения на проволоке от времени в диапазоне $0$-$5~\mathrm{c}$ после подключения к источнику при силе тока через него $I=1.0 ~\mathrm{A}$. Укажите характерное время, за которое напряжение на проволоке устанавливается.

$t, ~мс$0.000.100.200.390.460.610.780.971.251.64
$U_{avg}, ~мВ$134136137139139140141142142143
$\ln\dfrac{U_m- U}{1~мВ}$2.3002.081.951.611.611.391.100.690.690.00

Ответ:
Ответ: \[\tau \approx 3~с\]
A3  0.60 Снимите зависимость установившегося напряжения $U_m$ через проволоку от силы тока $I< 1.5~\mathrm{A}$ через проволоку. Сделайте не менее 15 измерений.

$I, A$0.250.290.370.400.480.560.640.700.770.900.991.061.151.291.461.471.491.311.36
$U_m, мВ$32.137.547.251.762.473.384.792.6102.7123.3137.7150.3166.8193.1228233236196207
$U_mI, мВт$8.010.917.520.730.041.054.264.879.1111.0136.3159.3191.8249.1332.9342.5351.6256.8281.5
$U_m/I,  мОм$128.4129.3127.6129.3130.0130.9132.3132.3133.4137.0139.1141.8145.0149.7156.2158.5158.4149.6152.2

A4  0.20 Теоретически получите зависимость $T(U)$. Ответ выразите через $\alpha, I, L, r_0, T, U$.

Сопротивление проволоки при температуре $T$ равно: \[R(T) = \dfrac{\alpha TL}{\pi r_0^2} = \dfrac{U}{I}\]

Ответ: \[T(U) = \dfrac{\pi r_0^2}{\alpha IL}\cdot U\]
A5  0.30 Запишите уравнение теплового баланса для проволоки. Ответ выразите через $U, I, c_{м}, L, r_0, \rho_{м}, \beta, T, T_0, \dfrac{\text{d}T}{\text{d}t}$.

\[UI \mathrm{d}t= \rho_м \pi r_0^2 L c_м \mathrm{d}T + \beta \cdot 2\pi r_0L (T-T_0) \mathrm{d}t\]

Ответ: \[UI = \rho_м \pi r_0^2 L c_м \dfrac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}t} + \beta \cdot 2\pi r_0L (T-T_0) \]
A6  0.30 Теоретически свяжите установившееся напряжение $U_m$ и силу тока $I$ через проволоку. Ответ запишите через $\alpha, T_0, r_0, L, \beta, U_m, I$.

Когда $U=U_m$: $~T=T(U_m)=\mathrm{const}$, значит: \[U_mI = \beta \cdot 2\pi r_0L (T(U_m)-T_0) \] Из пункта А4 выразим $T(U_m)$ и подставим: 

\[U_mI = \beta \cdot 2\pi r_0L \left(\dfrac{\pi r_0^2}{\alpha L}\cdot \dfrac{U_m}{I}-T_0\right) \]

Ответ: \[U_mI = \beta \cdot 2\pi r_0L \left(\dfrac{\pi r_0^2}{\alpha L}\cdot \dfrac{U_m}{I}-T_0\right) \]
A7  1.20 Постройте график зависимости $U_m$ и $I$ в таких осях, в которых он будет линейным. Из графика получите значение коэффициента теплоотдачи $\beta$.

Построим график в осях $U_mI$ и $\dfrac{U_m}{I}$, $\beta = \dfrac{\alpha k_{угл}}{2\pi^2r_0^3}$

Ответ:
Ответ: \[\beta = 263.3~\dfrac{Вт}{м^2\cdot\mathrm{K}}\]
A8  0.60 Используя результаты пунктов A4 и A5, получите теоретическую зависимость напряжения на проволоке $U$ от времени $t$. Ответ выразите через $U_0, \alpha, \beta, I, r_0, L, T_0, \rho_м, c_м, U, t$.

\[UI = \rho_м \pi r_0^2 L c_м\cdot \dfrac{\pi r_0^2}{\alpha IL} \cdot \dfrac{\mathrm{d}U}{\mathrm{d}t} +\beta \cdot 2\pi r_0L \left(\dfrac{\pi r_0^2}{\alpha IL}\cdot U-T_0\right) \] \[U\left(I - \dfrac{2\beta \pi^2r_0^3}{\alpha I}\right) +2\beta \pi r_0 LT_0 =\rho_м c_м\cdot \dfrac{\pi^2 r_0^4}{\alpha I} \cdot \dfrac{\mathrm{d}U}{\mathrm{d}t} \] \[\int\limits_0^t\mathrm{d}t = \rho_м c_м\cdot \dfrac{\pi^2 r_0^4}{\alpha I} \cdot \int\limits_{U_0}^{U(t)}\dfrac{\mathrm{d}U}{U\left(I - \dfrac{2\beta \pi^2r_0^3}{\alpha I}\right) +2\beta \pi r_0 LT_0}\] \[t = \dfrac{\rho_м c_м\pi^2 r_0^4}{\alpha I^2 - 2\beta \pi^2r_0^3}\cdot\ln \dfrac{U\left(I - \dfrac{2\beta \pi^2r_0^3}{\alpha I}\right) +2\beta \pi r_0 LT_0}{U_0\left(I - \dfrac{2\beta \pi^2r_0^3}{\alpha I}\right) +2\beta \pi r_0 LT_0}\] \[U\left(I - \dfrac{2\beta \pi^2r_0^3}{\alpha I}\right) +2\beta \pi r_0 LT_0 =\left( U_0\left(I - \dfrac{2\beta \pi^2r_0^3}{\alpha I}\right) +2\beta \pi r_0 LT_0\right)\cdot \exp\left( \dfrac{\alpha I^2 - 2\beta \pi^2r_0^3}{\rho_м c_м\pi^2 r_0^4}\cdot t\right)\] \[U(t) =\left( U_0 +\dfrac{2\beta \pi r_0 LT_0}{I - \dfrac{2\beta \pi^2r_0^3}{\alpha I}}\right)\cdot \exp\left( \dfrac{\alpha I^2 - 2\beta \pi^2r_0^3}{\rho_м c_м\pi^2 r_0^4}\cdot t\right) - \dfrac{2\beta \pi r_0 LT_0}{I - \dfrac{2\beta \pi^2r_0^3}{\alpha I}}\] \[U(t) = U_0 - \left( U_0 +\dfrac{2\beta \pi r_0 LT_0}{I - \dfrac{2\beta \pi^2r_0^3}{\alpha I}}\right)\cdot \left(1-\exp\left( \dfrac{\alpha I^2 - 2\beta \pi^2r_0^3}{\rho_м c_м\pi^2 r_0^4}\cdot t\right) \right)\]

Ответ: \[U(t) = U_0 + \left(\dfrac{2\alpha I\beta \pi r_0 LT_0}{ 2\beta \pi^2r_0^3-\alpha I^2 }- U_0 \right)\cdot \left(1-\exp\left(-\dfrac{2\beta \pi^2r_0^3 -\alpha I^2}{\rho_м c_м\pi^2 r_0^4}\cdot t\right) \right)\]
A9  0.50 Постройте линеаризованный график зависимости $U$ от $t$, измеренной в пункте A2. Из графика определите удельную теплоемкость меди $c_{м}$.

\[U(t) = U_0 + (U_m - U_0)\cdot \left(1-\exp\left(-\dfrac{2\beta \pi^2r_0^3 -\alpha I^2}{\rho_м c_м\pi^2 r_0^4}\cdot t\right) \right)\]

\[1- \dfrac{U(t) - U_0}{U_m - U_0} = \exp\left(-\dfrac{2\beta \pi^2r_0^3 -\alpha I^2}{\rho_м c_м\pi^2 r_0^4}\cdot t\right) \] \[\ln\dfrac{U_m-U(t)}{U_m-U_0}=-\dfrac{2\beta \pi^2r_0^3 -\alpha I^2}{\rho_м c_м\pi^2 r_0^4}\cdot t\]

Ответ:
Ответ: \[c_м = -\dfrac{2\beta \pi^2r_0^3 -\alpha I^2}{\rho_м k_{угл}\pi^2 r_0^4} = 600.7~\dfrac{Дж}{кг\cdot \mathrm{K}}\]
A10  0.10 Современная теория теплоемкости твердых тел утверждает, что молярная теплоемкость твёрдых тел примерно равна $3R$. Оцените удельную теплоемкость $c_м^{th}$ исходя из этой теории.

\[c_м^{th} = \dfrac{3R}{\mu} = 392.6~\dfrac{Дж}{кг\cdot \mathrm{K}}\]

B1  4.00 Проведите измерения, согласно алгоритму выше, для 5-ти различных значений $I$ из указанного диапазона.

$I = 2.00~\mathrm{A}$

$I = 2.15~\mathrm{A}$

$I = 2.30~\mathrm{A}$

$I = 2.45~\mathrm{A}$

$I = 2.60~\mathrm{A}$

$n$$I, \mathrm{A}$$R_n, \Omega$$U_0, В$$\gamma(I), мВ/с$$L, м$$\delta, м/с$$T_m, \mathrm{K}$$\ln\delta$$1/RT_m, \dfrac{моль}{Дж}$
12.000.1050.4160.0370.04821.12$\cdot$ 10$^\text{-09}$458.9-20.612.62$\cdot$ 10$^\text{-04}$
22.150.1050.4280.0860.04822.63$\cdot$ 10$^\text{-09}$502.3-19.752.40$\cdot$ 10$^\text{-04}$
32.300.1100.6400.0810.05051.25$\cdot$ 10$^\text{-09}$559.0-20.502.15$\cdot$ 10$^\text{-04}$
42.450.2650.7660.3560.04059.85$\cdot$ 10$^\text{-09}$635.6-18.441.89$\cdot$ 10$^\text{-04}$
52.600.1360.9190.9990.06241.05$\cdot$ 10$^\text{-09}$744.0-18.381.62$\cdot$ 10$^\text{-04}$

B2  0.10 Выразите длину $L_n$ образца проволоки с номером $n$ через $\alpha, T_0, r_0, R_n$. По полученным ранее данным пересчитайте $L_n$.

\[R_n = \dfrac{\alpha T_0 L_n}{\pi r_0^2}\]

Ответ: \[L_n = \dfrac{\pi r_0^2 R_n}{\alpha T_0}\]
B3  0.10 Выразите температуру проволоки $T$ через $I , \beta, L, U, r_0, T_0$.

\[UI = 2\beta\pi r_0 L(T-T_0) \]

Ответ: \[T = T_0 + \dfrac{UI}{2\beta \pi r_0 L}\]
B4  0.10 Выразите напряжение на проволоке $U$ через $I , \alpha , L, T(U)$ и радиус проводящей части проволоки $r(t)$.

Ответ: \[U = \dfrac{\alpha T(U) \cdot IL}{\pi r(t)^2}\]
B5  0.70 Используя результаты пунктов B3 и B4, получите теоретическую зависимость $r(t)$. Ответ выразите через $I,L, \alpha, \beta, T_0, r_0, t, \gamma(I), U_0$.

\[U_0 + \gamma(I) t =\dfrac{\alpha IL}{\pi r(t)^2}\cdot \left(T_0 + \dfrac{(U_0 + \gamma(I)t)I}{2\beta \pi r_0 L}\right)\]

Ответ: \[r(t) = \sqrt{\dfrac{\alpha IL}{\pi (U_0 + \gamma(I) t)}\cdot \left(T_0 + \dfrac{(U_0 + \gamma(I)t)I}{2\beta \pi r_0 L}\right)}\]
B6  0.50 Разложите полученное $r(t)$ в ряд Тейлора по степеням $t$ до линейного члена: $r(t) = r_0 - \delta t$. Выразите $\delta$ через $r_0, \gamma(I), \alpha, T_0, L, I, U_0$.

\[r^2(t) \approx \dfrac{\alpha IL}{\pi} \left(\dfrac{I}{2\beta\pi r_0 L} + \dfrac{T_0}{U_0+\gamma t} \right) \approx \dfrac{\alpha IL}{\pi} \left(\dfrac{I}{2\beta\pi r_0 L} + \dfrac{T_0}{U_0} -\dfrac{\gamma T_0}{U_0^2}t \right) \] \[r(t) = \sqrt{\dfrac{\alpha IL}{\pi}\left(\dfrac{I}{2\beta\pi r_0 L} + \dfrac{T_0}{U_0}\right) \cdot \left( 1- \dfrac{\gamma T_0 t}{\dfrac{IU_0^2}{2\beta \pi r_0 L}+U_0 T_0} \right)} \] \[r(t) = \sqrt{\dfrac{\alpha IL}{\pi}\left(\dfrac{I}{2\beta\pi r_0 L} + \dfrac{T_0}{U_0}\right) }\cdot \left( 1- \dfrac{\gamma T_0 t}{\dfrac{IU_0^2}{\beta \pi r_0 L}+2U_0 T_0} \right) \]

\[r(t) = r_0\cdot \left( 1- \dfrac{\gamma T_0 t}{\dfrac{IU_0^2}{\beta \pi r_0 L}+2U_0 T_0} \right) \]

\[\delta = \dfrac{\alpha ILr_0 \gamma T_0}{2U_0^2 \pi r_0^2} \]

Ответ: \[\delta =\dfrac{\alpha IL \gamma T_0}{2U_0^2 \pi r_0}\]
B8  0.20 Укажите размерность $E_A$.

Ответ: \[[E_A] = \dfrac{Дж}{моль}\]
B9  1.30 Найдите $E_A$.

\[T_m = T(U_m) = \dfrac{\pi r_0^2}{\alpha IL} \cdot U_m =\dfrac{2\pi^2 r_0^3 \beta T_0}{-\alpha I^2 +2\beta \pi^2 r_0^3} \]

\[\ln \delta = \ln \delta_0 - \dfrac{E_A}{RT_m}\]

Ответ: \[E_A = 22.9~\dfrac{кДж}{моль}\]