Исследование линейной электрической цепи постоянного тока

1.1. Общие сведения

Электрической цепью называют совокупность соединенных друг с другом элемен­тов, по которым может протекать электрический ток.

Для протекания тока необходимы источники электрической энергии - источники напряжения (ЭДС) или тока.

Электрическая цепь содержит также устройства, в которых энергия электрического тока преобразуется в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую и т.д.). Эти устройства называются нагрузками.

Для замыкания и размыкания цепей используют выключатели того или иного вида.

Электрический ток есть направленное (упорядоченное) движение носителей заря­дов. В проводниках носителями отрицательных зарядов являются электроны, в жидко­стях (электролитах) носители положительных и отрицательных зарядов - ионы. В по­лупроводниках носителями отрицательных зарядов являются электроны, носителями положительных зарядов - дырки. Дырка представляет собой вакантное место в атоме полупроводника, незанятое электроном.

Для поддержания электрического тока требуется обеспечивать разделение носителей отрицательных и положительных зарядов, что и происходит в источниках. Когда ис­точник подключен к цепи, возникает направленное движение зарядов под действием сил притяжения разноименных и отталкивания одноименных зарядов, т.е. электриче­ский ток.

Ток, неизменный во времени, называют постоянным. Он обозначается символом I и равен количеству заряда Q, который пересекает сечение проводника за единицу вре­мени t (1 секунду):

I = Q/t.

И зображение электрической цепи с помощью условных обозначений называют электрической схемой соединений (рис. 1.1).

Вне источника положительные носители заряда движутся от его положительно­го зажима (полюса) к отрицательному зажиму (полюсу). Направление движения отри­цательных зарядов противоположно движению положительных зарядов. В качестве ус­ловного положительного направления тока принимается направление движения по­ложительных зарядов. Это направление показывают на схеме стрелкой.

Компонентным уравнением элемента электрической цепи называют функциональную зависимость между напряжением U на зажимах элемента и током I, т. е. U = f(I) или I = f (U).

Закон Ома выражает математически соотношение между напряжением U, током I и сопротивлением R на пассивном участке электрической цепи. В замкнутой цепи с постоянным сопротивлением ток изменяется пропорционально напряжению. Если при постоянном напряжении изменяется сопротивление, то ток изменяется об­ратно пропорционально сопротивлению.

Резистор - это идеализированный элемент электрической цепи, предназначенный для использования его электрического сопротивления. Это диссипативный элемент, он не может накапливать энергию, а получив электрическую энергию, мгновенно и необратимо преобразовывает её в другие виды энергии: тепловую, световую и др.

Таким образом, компонентное уравнение резистора - это закон Ома на участке цепи с резистором без источников энергии, т. е. или .

Источник электрического напряжения (ИН) - это источник электрической энергии, характеризующийся электродвижущей силой Е и внутренним электрическим сопротивлением R_вт . Этот источник может находиться в режиме холостого хода или в номинальном режиме. Аварийным режимом источника может оказаться режим короткого замыкания. Еще один режим называется согласованным режимом, при котором нагрузка от источника получает максимальную мощность.

Расчёт электрических цепей можно упростить путём преобразования (трансфигурации) схем этих цепей в более простые и удобные для расчёта. Такие преобразования приводят, как правило, к уменьшению числа ветвей и узлов схемы и, следовательно, необходимого числа исходных уравнений для расчёта.

Ветвь с последовательно соединёнными резисторами может быть преобразована в простую схему с одним резистивным элементом, эквивалентное сопротивление которого равно сумме последовательно соединенных резисторов.

Аналогично, если в ветви имеется несколько последовательно соединенных источников напряжения, их можно заменить эквивалентным источником, ЭДС которого равна алгебраической сумме ЭДС источников ветви.

Правило делителя напряжения. Для ветви, состоящей их двух последовательно соединённых резисторов, напряжение на одном из резисторов ветви равно приложенному к ветви напряжению, умноженному на сопротивление данного резистора и делённому на сумму сопротивлений обоих резисторов.

Параллельно соединённые резисторы можно заменить одним резистором, проводимость которого равна сумме проводимостей всех параллельно соединенных резисторов.

Правило делителя тока: ток одной из двух параллельных ветвей цепи равен общему току I, умноженному на сопротивление другой (противоположной) ветви и делённому на сумму сопротивлений обеих ветвей.

1.2. Цель работы

Ознакомление с некоторыми простыми приемами лабораторной практики и режимами работы реального источника электрической энергии.

1.3.Задание на подготовительную работу

1. Изучить режимы работы источника электрической энергии постоянного тока.

2. Выписать основные выражения для расчета величин, указанных в рабочем задании.

3. Нарисовать электрические схемы проводимых опытов.

4. Сделать заготовку отчета по настоящей лабораторной работе.

1.4.Экспериментальная часть

Задание 1.

Соберите простейшие электрические цепи сначала согласно схеме (рис. 1.2а), а затем (рис.1.2б). Путем измерений тока двумя амперметрами определите, является ли ток одинаковым во всех точках цепи, и убедитесь, что он равен нулю, когда цепь разомкну­та или отключен источник. Затем замените один из амперметров на зеленый резистор (рис.1.2б). Измерение напряжения вольтметрами в указанных схемах позволяет определить величину сопротивления лампочки, а также то, с чем связано изменение яркости лампочки.