Метод определение коэффициента термического расширения (линейного) твердого тела

В данной работе экспериментально определяется коэффициент термического расширения твердого тела (металлической проволоки).

Связь между температурой проволоки и изменением еe длины задается формулой

[1]

где  - коэффициент линейного термического расширения исследуемого материала, T - изменение температуры, L₀ - длина проволоки при начальной температуре, L₀ = 1 м.

Из формулы [1] следует, что для определения коэффициента  необходимо знать начальную длину проволоки L₀, изменение температуры T и соответствующее изменение длины L. Изменение длины проволоки можно непосредственно измерить при помощи микрометрического индикатора, а температуру проволоки непосредственно измерить сложно. Поэтому в данной работе определение температуры проволоки производится по изменению ее сопротивления при нагревании (термический коэффициент сопротивления предполагается известным).

Зависимость сопротивления металла от температуры имеет вид, аналогичный формуле [1]:

[2]

Поскольку нагрев проволоки производится протекающим через нее электрическим током, зная падение напряжения на сопротивлении и силу тока, можно вычислить сопротивление проволоки:

[3]

Силу тока определяем по падению напряжения на эталонном сопротивлении, термическим коэффициентом сопротивления которого можно пренебречь.

При выполнении работы необходимо учитывать, что линейная зависимость [1] выполняется в ограниченном интервале температур. При значительном нагреве удлинение проволоки превышает рассчитанное по формуле [1], проявляется эффект, аналогичный пластической деформации при значительном растяжении. Поэтому при обработке экспериментальных данных необходимо рассчитывать коэффициент  по температурам, незначительно отличающимся от начальной.

Экспериментальная установка

В работе используются: регулируемый источник постоянного тока; два цифровых вольтметра постоянного тока; теплоизолированная труба; металлическая проволока; микрометрический индикатор.

Схема установки показана на Рис. 4.

Исследуемая проволока 2 длиной 1 м натянута внутри трубки 1, уменьшающей тепловые потери при нагревании. Верхний конец проволоки неподвижен, а нижний закреплен на поводке микрометрического индикатора 5, показывающего удлинение проволоки. Для поддержания проволоки в натянутом состоянии используется груз 4. Проволока через нагрузочное сопротивление 7 подключена к регулируемому блоку питания 8. Пульт 12 "НАГРЕВ" позволяет подключать/отключать ток в цепи, не выключая источник питания. Падения напряжений на проволоке и нагрузочном сопротивлении измеряются цифровыми вольтметрами 10 и 9. Величина нагрузочного сопротивления (10 ом или 30 ом) выбирается переключателем на пульте 11.

Рис. 4

Предел измерения цифрового вольтметра надо выбирать минимально возможный, чтобы результат измерений содержал максимальное количество значащих цифр.

Микрометрический индикатор содержит две шкалы: внешнюю (большую) и внутреннюю (маленькую). Внешняя шкала имеет цену деления 1 мкм, один оборот внешней шкалы (100 мкм) соответствует одному делению внутренней шкалы. Один оборот внутренней шкалы соответствует перемещению 1 мм.