Elektrická vodivost látek

Emanuel Svoboda

Při probírání elektrických vlastností látek v učivu středoškolské fyziky je vhodné experimentovat s různými látkami, které jsou v kabinetu fyziky. Následující pokusy využívají vlastností wolframového vlákna získaného ze žárovky a magnetovce, který je jako minerál často ve sbírkách školy.

Pokus 1: Voltampérová charakteristika wolframového vlákna

Pomůcky: Wolframové vlákno na patici žárovky, objímka žárovky na panelu, ss ampérmetr 10 mA, ss voltmetr 10 V, spínač, zdroj ss napětí do 12 V, vodiče, větší kádinka s vodou, list pilky na železo, 2 šroubovací svorky nebo 2 krokosvorky, kladívko, rukavice, miska.

Příprava: Nejprve musíme zbavit žárovku s wolframovým vláknem její skleněné baňky. Uděláme to tak, že těsně nad paticí žárovky obřízneme sklo listem pilky na železo. Pak opatrně nad miskou klepneme kladívkem na baňku, abychom ji oddělili od patice. Dáváme pozor, abychom přitom nepoškodili vlákno a jeho napojení na přívodní drátky. Pro bezpečnost práce je vhodné pracovat při této přípravě v rukavicích.

Na panel připevníme objímku, ze které vyvedeme oba vývody buď na dvě pevné svorky, nebo je necháme volné a připojení do obvodu provedeme krokosvorkami. Do objímky zašroubujeme patici s vláknem.

Provedení: Pokus provedeme v několika krocích.

1. Sestavíme elektrický obvod, ve kterém do série spojíme zdroj ss napětí, panel se žárovkovým vláknem, spínač, ss miliampérmetr. K svorkám panelu připojíme paralelně ss voltmetr. Nastavíme malé napětí, zvolíme vhodné rozsahy měřicích přístrojů.

2. Zvyšujeme postupně napětí na vlákně a sledujeme změny proudu. Napětí volíme taková, aby odpovídající proud byl řádově jednotky mA. Jinak by vlákno mohlo na vzduchu shořet. Zjistíme kvalitativně, že s rostoucím napětím roste proud.

3. Pro kvantitativní vyhodnocení závislosti proudu na napětí pokus opakujeme. Do připravené tabulky zapisujeme dvojice tvořené sobě odpovídajícími hodnotami napětí a proudu. Z tabulky sestrojíme voltampérovou charakteristiku wolframového vlákna na vzduchu. Zjistíme, že toto vlákno má nelineární charakteristiku. Neplatí Ohmův zákon.

4. Při rozpojeném spínači vložíme vzhůru nohama panel s vláknem do větší kádinky s vodou tak, aby vlákno bylo dostatečně ponořeno a patice byla nad vodou. Spínač sepneme a opakujeme třetí krok. Zjistíme, že wolframové vlákno ponořené do vody, která udržuje jeho konstantní teplotu, má lineární charakteristiku. V tomto případě platí Ohmův zákon.

5. Z naměřených hodnot v krocích 3 a 4 vypočteme elektrický odpor vlákna, resp. jeho elektrickou vodivost, za různých podmínek.

Pokus 2: Teplotní závislost elektrické vodivosti

Pomůcky: Wolframové vlákno na patici žárovky, objímka žárovky na panelu, ss ampérmetr s různými rozsahy, spínač, zdroj ss napětí do 30 V, vodiče, plynový kahan (nebo plynový zapalovač), magnetovec, 2 krokosvorky.

Příprava a provedení:

1. Nejprve sestavíme elektrický obvod, který tvoří ss zdroj napětí, panel s wolframovým vláknem, ampérmetr, spínač. Spínač sepneme a nastavíme takové napětí, aby ukazatel ampérmetru byl téměř na konci zvolené stupnice s rozsahem 10 mA. Vlákno opatrně zahříváme plamenem kahanu nebo plynového zapalovače. Pozorujeme pokles výchylky. S rostoucí teplotou wolframového vlákna klesá jeho elektrická vodivost. Wolframové vlákno má kladný teplotní součinitel elektrického odporu.

2. Místo wolframového vlákna zapojíme do obvodu magnetovec. Jeho připojení na vodiče provedeme krokosvorkami, které uchytíme na ostré hrany minerálu. Zvolíme dostatečně velké napětí, abychom zaregistrovali procházející proud (řádově např. μA). Napětí upravíme tak, aby ukazovatel byl blízko počátku stupnice. Magnetovec zahříváme plamenem. Pozorujeme, že tentokrát s rostoucí teplotou vlákna roste jeho elektrická vodivost. Magnetovec má záporný teplotní součinitel elektrického odporu, chová se jako polovodič.

Poznámky:

1. Pro popsané pokusy se osvědčila nejlépe žárovka s wolframovým vláknem stočeným do pružinky.

2. Výraznější vzrůst proudu při zvyšování teploty lze pozorovat při použití křemíkové destičky.

3. Uvedené pokusy lze provádět i se zdrojem st. napětí. I v tomto případě je potřeba předem vyzkoušet, jaké hodnoty proudu a napětí lze získat při použití wolframového vlákna dané délky a průměru, abychom vlákno na vzduchu nepřepálili.