Kontakta författare

Introduktion

I den här artikeln kommer jag att undersöka vad som påverkar motståndet hos en tråd.

Elströmmar i metaller. Metalltrådar är gjorda av miljoner små metallkristaller, och varje kristallatomer är ordnade i ett vanligt mönster. Metallen är full av "fria" elektroner som inte håller fast vid någon speciell atom; snarare fyller de utrymmet mellan atomerna. När dessa elektroner rör sig skapar de en elektrisk ström.

Ledare har motstånd, men vissa är sämre än andra. De fria elektronerna stöter fortfarande på atomer. En trådmotstånd beror på fyra huvudfaktorer:

  • resistivitet
  • Trådens längd
  • Tvärsnitt
  • Trådens temperatur

Jag kommer att undersöka hur trådens längd påverkar motståndet. Jag har gjort ett preliminärt experiment för att hjälpa mig bestämma det bästa sättet att göra min utredning. Resultaten hjälper mig också göra förutsägelser.

Preliminär utredning

Nedan följer mina resultat från det preliminära experimentet (se tabell 1). För att säkerställa noggrannhet har jag gjort tre avläsningar vardera av volt och ström.

Tabell 1: Preliminära resultat

Dessa resultat visar att när trådens längd ökar, ökar även motståndet. Om du fördubblar trådens längd fördubblas motståndet ungefär. Till exempel när trådens längd är 20 cm är motståndet 3, 14 ohm; när trådens längd är 40 cm är motståndet 6, 18 ohm, vilket är ungefär dubbelt. I min huvudundersökning kommer jag att se om denna observation gäller mina resultat.

Jag tyckte att apparaten jag använde var lämplig, men jag tror att jag möjligen kunde öka antalet datapunkter för att skapa mer pålitliga resultat, kanske genom att öka trådens längd med 5 cm varje gång, istället för med 10 cm.

Undersöka ett trådmotstånd

Syfte

Jag kommer att undersöka motståndet hos en tråd i förhållande till dess längd.

Förutsägelse

Jag förutspår att ju längre ledningen är, desto större är motståndet. Detta beror på att de fria elektronerna i tråden stöter på fler atomer, vilket gör det svårare för el att flyta. På samma sätt, ju kortare ledningen är, desto mindre är motståndet eftersom det blir färre atomer för elektronerna att stöta på och därmed underlätta elflödet. Vidare är en trådmotstånd direkt proportionell mot längden och omvänt proportionell mot området, så att fördubblingen av en tråd ska öka motståndet med en faktor av två. Detta beror på att om trådens längd fördubblas stöter elektronerna i dubbelt så många atomer, så att det blir dubbelt så mycket motstånd. Om detta är korrekt bör grafen visa en positiv korrelation.

Anordning

Apparaten jag kommer att använda i detta experiment är som följer:

  • 1 ammeter (för att mäta ström)
  • 1 voltmeter (för att mäta spänning)
  • 5 x ledningar
  • 2 krokodilklipp
  • Nätdel
  • 100 cm nikrom tråd

Metod

Först samlar jag in den apparatur jag behöver och ställer in den enligt bild 1 nedan. Därefter ställer jag in kraftpaketet på lägsta möjliga spänning för att säkerställa att strömmen som går igenom kretsen inte är för hög (vilket potentiellt kan påverka resultaten eftersom tråden skulle bli för varm).

Jag kommer att placera en krokodilklämma på 0 cm på tråden och den andra på 5 cm för att slutföra kretsen. Jag slår sedan på strömförsörjningen och registrerar vilka volym- och ammeteravläsningar. Jag stänger av strömförsörjningen, flyttar krokodilklämman som var på 5 cm upp till 10 cm och slår på strömförsörjningen. Återigen kommer jag att spela in mätaren av voltmeter och ammeter och stänga av strömförsörjningen. Jag kommer att upprepa denna metod var 5 cm tills jag kommer upp till 100 cm och tar tre avläsningar från både voltmeter och ammeter varje gång för att säkerställa noggrannhet. Dessutom kommer jag efter varje läsning att stänga av strömförsörjningen för att säkerställa att ledningen inte blir för varm och påverkar mina resultat.

Diagram 1: Apparat

Säkerställa noggrannhet

För att säkerställa noggrannhet registrerar jag spänningen och strömmen tre gånger varje 5 cm och tar den genomsnittliga avläsningen. Detta kommer att minska risken för falska avläsningar och avbryter eventuella avvikande resultat. Jag kommer också att se till att tråden inte värms upp för mycket genom att bekräfta att jag inte ställer in spänningen för högt på kraftpaketet och genom att hålla samma spänning för varje avläsning. Dessutom kommer jag att se till att jag stänger av strömförsörjningen efter varje läsning. Jag kommer att försöka göra denna utredning så exakt som möjligt.

variabler

Det finns olika variabler som kan ändras i detta experiment; dessa är den oberoende variabeln. På grund av min undersökningslinje ändrar jag emellertid bara trådens längd. Variablerna som jag kommer att kontrollera är typen av tråd (resistivitet) och trådens tvärsnittsarea. Jag kommer också att kontrollera, med kraftpaketet, hur många volt som går igenom tråden. Nedan visas en tabell som illustrerar effekten av att ändra variablerna (se tabell 2):

Tabell 2: Variabler

Säkerhet

Jag kommer att säkerställa experimentell säkerhet genom att bekräfta att alla ledningar är korrekt anslutna och att ingen av isoleringarna på ledningarna är slitna. Jag kommer också att se till att det finns en tydlig indikation på att strömmen är isolerad med hjälp av en strömbrytare och en lysdiod som jag står upp under utredningen för att se till att jag inte skadar mig själv om något går sönder.

Resultat

Nedan är en tabell över mina resultat (tabell 3). Jag har läst tre läsningar och har beräknat genomsnittet, som visas med rött.

Tabell 3: Resultat

Tabell 4: Längd & motstånd

Tabell 3 visar att när trådens längd ökar, ökar även resistansen. Detta bekräftar den första delen av min förutsägelse: att ju längre ledningen är, desto större är motståndet.

Dessutom är min förutsägelse att en fördubbling av trådens längd ökar motståndet med en faktor två (se tabell 4).

Graf

Grafering av dessa resultat visar en nästan rak linje som illustrerar en stark positiv korrelation mellan längd och motstånd, vilket är förenligt med min förutsägelse.

Diskussion

Sammantaget är mina resultat mycket förenliga med mina förutsägelser. De flesta datapunkter var på, eller mycket nära, linjen med bästa passform. Det finns några datapunkter som är längre bort från raden som passar bäst än de andra, men de är fortfarande i överensstämmelse med den allmänna trenden. Det finns inga anomala resultat som jag anser vara långt borta från raden med bästa passform.

Det finns möjliga felkällor som kan ha lett till inkonsekventa resultat, till exempel en kink i tråden. Detta skulle ha förhindrat trådens område från att förbli konstant och skulle ha påverkat mina resultat. Jag såg dock till att tråden förblev rakt under hela experimentet.

Jag tror att räckvidden för mina resultat var tillräckligt för att jag kunde dra en giltig slutsats om hur trådens längd påverkade motståndet. Det berodde på att jag kunde plotta en graf och visa den allmänna trenden.

Jag tror att mönstret / den allmänna trenden skulle fortsätta utanför värderingsintervallet jag använde. Men jag tror att om jag inte hade specialutrustning skulle resultaten förvrängas eftersom tråden så småningom skulle bli väldigt het. Apparaten som jag använde i skolan skulle inte heller vara lämplig om jag skulle fortsätta öka trådens längd; t.ex. i en klassmiljö kunde jag inte öka längden till mer än 150 cm på grund av säkerhetsproblem och rymdbegränsningar.

Jag tror att min metod kunde ha förbättrats för att ge resultat som var ännu mer konsekventa. Jag kunde ha övervägt att använda en ny trådbit varje gång för att reglera temperaturen mer strikt. Att använda samma trådstycke under hela experimentet innebar att temperaturen steg något över tiden, vilket kan ha påverkat mina resultat. Att använda nya trådstycken varje gång skulle dock ha varit för opraktiskt och tidskrävande i samband med denna lektion. Sammantaget tror jag att min metod var tillräcklig för att få tillförlitliga resultat.

För att stödja min förutsägelse och slutsats kunde jag göra ytterligare experiment. Till exempel kan jag använda olika typer av tråd istället för att bara använda nichrome. Jag skulle också kunna överväga att använda olika tvärsnittsarealer i trådarna eller till och med ändra temperaturen på ledningarna medvetet och se hur manipulera dessa variabler påverkar trådens motstånd.