液体电阻率与温度和浓度之间关系的测量-

1、文章编号:100424353(20030120072204液体电阻率与温度和浓度之间关系的测量金虎杰,韩德万,王成贵(延边大学理工学院物理系,吉林延吉133002摘要:通过液体温度、浓度与电阻率之间的关系的测定,得出液体导电与一般金属导电之间的区别,掌握液体电阻率的温度特性和浓度特性,掌握导电液体均匀加热方法.关键词:均匀加热;离子;定向运动中图分类号:O552.4+24文献标识码:A液体温度、浓度与电阻率之间的关系,这项实验在当前国内各大学普通物理实验中很少实施,主要原因在于认为液体电阻性能的研究没有大的实际意义,再者没有恰当的、简单易行的使液体均匀受热的方法.为了使这项直观性较强、困难较大

2、的综合性实验得以实现,我们自行设计了实验装置,较理想地克服了均匀加热的困难.图1为实验装置,其中A 、B 分别为两铜极板,其间盛装被测导电液体.当两端加上低频交流电压后,由于液体各点的电阻率都相同,各点电流密度都相同,所以各点发出的热密度都相同,可使液体均匀受热.而且,盛液体的柱管是用绝热性能比较好的材料制成,上口也是用绝热性能比较好的材料盖上,因此液体内的热梯度小.加热速度可由自耦变压器的电压调节,并且能在加热的同时,测量极板之间的电压和电流强度,用以计算液体的电阻率,此项实验方便、简单、易行且准确 .图1实验装置1温度与电阻率的关系实验装置如图1所示.在接通电路之前,向圆筒内加入适量的待测

3、液体,放好温度计,接通电路,管内液体被均匀加热,其温度可由温度计直接读出,同时由电流表和电压表读出液体两端的电压和流过的电流强度,然后用以下的公式计算电阻和电阻率.第29卷第1期2003年3月延边大学学报(自然科学版Journal of Yanbian University (Natural Science Vol.29No.1Mar.2003收稿日期:2002-10-11作者简介:金虎杰(1962-,男(朝鲜族,吉林延吉人,延边大学理工学院物理系讲师.R =U I ,R =LS ,=US IL.其中U 是极板之间的电压,I 是极板之间的电流,是液体的电阻率,L 是极板间距,S 是液体横截面积

4、.以下是以浓度为1%的NaCl 溶液为例做的测量实验.测量数据见表1.表1液体温度和电阻率实验测量数据温度(电压(V 电流(A 电阻(电阻率(m 温度(电压(V 电流(A 电阻(电阻率(m 24115.90.1403826.1 4.99350114.40.2258506.6 3.06225115.30.1522757.6 4.57951114.40.2287500.2 3.02426115.30.1558740.1 4.47352114.30.2319492.9 2.97927115.40.1597722.6 4.36853114.10.2345486.6 2.94128115.60.1634

5、707.5 4.27654114.10.2371481.2 2.90929115.60.1659696.8 4.21255114.00.2408473.4 2.86230115.30.1689682.7 4.12656114.00.2434468.4 2.83131115.20.1719670.2 4.05157114.00.2469461.7 2.79132115.20.1751657.9 3.97758114.00.2499456.2 2.75733115.10.1779647.0 3.91159114.00.2529450.8 2.72534115.00.1804637.5 3.8536

6、0113.90.2563444.4 2.68635115.00.1835626.7 3.78861114.20.2594440.2 2.66136114.90.1861617.4 3.73262114.30.2655435.4 2.63237114.90.1891607.6 3.67363114.30.2655430.5 2.60238114.70.1922596.8 3.60764114.30.2681426.3 2.57739114.70.1948588.8 3.55965114.20.2716420.5 2.54240114.70.1977580.2 3.50766114.20.2749

7、415.4 2.51141114.60.2008570.7 3.45067114.20.2775411.5 2.48742114.70.2043561.4 3.39468114.20.2803407.4 2.46343114.60.2062555.8 3.35969114.10.2833402.8 2.43444114.60.2095547.0 3.30670114.10.2861398.8 2.41145114.60.2119540.8 3.26971114.10.2892394.5 2.38546114.50.2151532.3 3.21872114.10.2920390.8 2.3624

8、7114.50.2182524.7 3.17273114.00.2951386.3 2.33548114.50.2209518.3 3.13374114.10.2980382.9 2.31449114.50.2232513.03.10175113.90.3011378.32.286极板间距L =0.2475m ,底面积S =0.001496m 2.液体温度和电阻率关系曲线见图2.一般金属中自由电子的数目是固定的,金属的导电是由金属中的自由电子的定向运动引起,金属的温度越高,则自由电子与金属晶格发生碰撞的机会越高,这就越阻碍电子的定向运动,也就是说这时金属的电阻就越大.而液体的导电是由液体中的两

9、种正负离子的不同方向的定向运动引起,液体的温度越高,离子与离子之间的碰撞机会越多,也就阻碍了离子的定向运动,这样引起的电阻率也就越大.但是,液体中的离子数目是随着液体温度的变化而发生变化,液体温度的升高,会引起离子数目的大幅度增加,离子定向运动的数目也就越多,电流也就越大,也就是说,电阻越小.一般来说,离子定向运动数目增加而引起的电阻的减少大于离子之间发生碰撞而引起的电阻率的增加,因此,总的来说,液体的温度越高则电阻率越小.这在液体温度和电阻率实验的数据表和其曲线(图2上已经得到反映.37第1期金虎杰,等:液体电阴率与温度和浓度之间关系的测量 图2液体温度和电阻率关系曲线在导电液体中,液体电阻

10、率与液体绝对温度T 的关系可以表示为ln =A +B 1T(A 和B 为与液体特性有关的常量.(1把表1中的摄氏温度t 值代入到绝对温度T 与摄氏温度t 的关系式T =t +273.15,然后做1T与ln 线性拟合,其拟合系数为0.9967,说明实验证实了(1式的正确性.2液体浓度与电阻的关系该实验仍然用以上装置,并以NaCl 为例做实验(使用较小电压,液体温度变化非常缓慢,一段时间内可以看作不变.液体浓度和电阻率实验测量数据见表2.表2液体浓度和电阻率实验测量数据浓度(%电压(V 电流(mA 电阻(电阻率(m 19.3008.5901082 6.54458.35027.31305.7 1.8

11、4810 3.90027.09143.90.870115 1.29911.83109.80.663720 1.15512.3193.820.567125.91.09912.7985.920.5193极板间距L =0.2475m ,底面积S =0.001496m 2,液体温度T =19.0.液体浓度和电阻率关系曲线见图3.从液体浓度和电阻率关系实验的数据表和其曲线(图3上,也可以得类似的结论,即:由于溶质浓度增加,液体中的离子数目也增加,当液体柱两端加电压时,液体中定向运动的离子数目也增加,电流也就增加,也就是说电阻率减小.但是,液体的浓度达到一定后,即达到饱和浓度以后,液体中的离子数目不再增加

12、,也就是液体中定向运动的离子数目不再增加,电流也不再增加,电阻率也不再减小.液体电阻率与液体浓度n (一般正比与离子浓度可以表示为=K 1n(K 为液体温度不变时的常量.(247延边大学学报(自然科学版第29卷 图3液体浓度和电阻率关系曲线把表2中的液体浓度n 值代入到1n,然后做液体电阻率与液体浓度n 的倒数1n线性拟合,其限性拟合系数为0.9982,说明实验证实了(2式的正确性.3实验改进此项实验方法虽然有很大的优点,但是还有不足的地方,我们用目视的方法观察和记录实验数据,因此不能准确地得到某一时刻的数据,数据记录会产生一定的误差,因此结果也有一定误差.改进措施的设想是:用电绝缘材料把热敏

13、电阻丝包装好后放进液体中,用热敏电阻方法测出液体温度值,并把它和电压值、电流值通过A/D 接口与计算机联接,实施自动采集数据,并计算电阻和电阻率,这样便能提高结果的精确度.参考文献:1杨述武.普通物理实验M .北京:高等教育出版社,2000.213.2华中工学院,天津大学,上海交通大学.物理实验(基础部分M .北京:高等教育出版社,1999.84.Measurement of relations bet w een liquid electricresistivity and its temperature and densityJ IN Hu 2jie ,HAN De 2wan ,WAN G

14、 Cheng 2gui(Depart ment of Physics ,College of Science and Engi neeri ng ,Y anbian U niversity ,Y anji 133002,Chi na Abstract :Via determining the relation between liquid temperature and its electric resistivity as well as the relation between liquid density and its electric resistivity ,we can find out some differences between liquid electric conduction and common metal electric conduction.