Лабораторная работа № 9 Изучение законов последовательного и параллельного соединений потребителей электрической энергии

Теоретическая часть

Электрический ток протекает в реальных системах через элементы, соединенные различными способами.

На рисунке 1 изображена цепь, состоящая из источника тока, амперметра А, резистора R и ключа К, замыкающего цепь.

Рис. 1

Такой способ соединения элементов электрической цепи (выход предыдущего элемента соединен со входом последующего) называется последовательным. В нем заряд, который протекает через один элемент цепи, также протекает и через другой элемент, поэтому сила тока в каждом последовательно соединенном элементе цепи одна и та же:

I = I_R = I_K = I_A = I_ε.

Силу тока измеряют амперметром, который в цепь включается всегда последовательно.

Другой способ соединения элементов электрической цепи – параллельный, при котором все входные концы, или клеммы, элементов, соединены в точке А, а выходные – в точке В (рис. 2).

А

Рис. 2

Подходя к участку цепи с таким соединением элементов, заряды растекаются по ним; значение силы тока до разветвления равно сумме значений силы тока в элементах:

I = I₁ + I₂ +…+ I_N.

Если через вольтметр протекает маленький ток, ответвляющийся от основной цепи (у него большое внутреннее сопротивление), то вольтметр очень мало искажает работу цепи. Показания вольтметра в этом случае следующие: U_V = I_V r_V.

Идеальным вольтметром считается вольтметр с бесконечно большим сопротивлением, в то время как идеальным амперметром – амперметр с нулевым внутренним сопротивлением.

Особенностью параллельного соединения элементов является равенство напряжения на них, поскольку для всех элементов

U = U_A – U_B.

Если участок цепи содержит несколько резисторов, соединенных последовательно, то ток через все резисторы одинаков, напряжение на каждом из них равно IR₁, IR₂ и т.д., напряжение на концах участка

U = IR₁ + IR₂ + …,

поэтому сила тока I во внешней по отношению к данному участку цепи не изменится, если этот участок заменить одним резистором

R_общ = R₁ + R₂ + … + R_n.

Если участок цепи c напряжением U на концах содержит несколько резисторов, соединенных параллельно, то сила тока в каждом резисторе такова, что

I₁R₁ = I₂R₂ = … = U,

при этом

I = I₁ + I₂ + …

Следовательно, если этот участок заменить одним резистором с сопротивлением

,

то ток во внешней по отношению к данному участку цепи не изменится.

Вопросы

1. Какое соединение проводников называют последовательным?

2. Какая из величин одинакова для всех проводников при последовательном их соединении?

3. Чему равно общее сопротивление при последовательном соединении любых проводников?

4. Какое соединение называют параллельным?

5. Каково соотношение между током и сопротивлением в цепях при параллельном соединении потребителей?

Цель работы: экспериментально проверить справедливость законов последовательного и параллельного соединения потребителей электрической энергии

Оборудование: источник тока, амперметр, вольтметр, ключ, два сопротивления, соединительные провода, реостат

Ход работы

1. Начертить схему последовательного соединения потребителей электрической энергии.

2. Составить цепь из источников тока, реостата, ключа, амперметра, двух сопротивлений, включенных последовательно.

3. Измерить силу тока в цепи.

4. Измерить вольтметром напряжение на отдельных сопротивлениях и общее напряжение на обоих сопротивлениях.

5. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу.

№п/п	Сила тока, I, А	Напряжение, U1, В	Напряжение, U2, В	Напряжение, U, В	Сопротивление, R1, Ом	Сопротивление, R2, Ом	Сопротивление, R, Ом

6. Пользуясь законом Ома для участка цепи, вычислить величины сопротивления R₁, R₂, R.

7. Сформулировать законы последовательного соединения для участка цепи, записать их математические выражения и, пользуясь данными опыта, проверить их справедливость.

8. Начертить схему параллельного соединения потребителей электрической энергии.

9. Составить цепь из двух параллельно соединенных проводников, источника тока, реостата, ключа.

10. Измерить вольтметром напряжение в цепи.

11. Измерить амперметром силу тока в цепи. Переключить амперметр и измерить силу тока в каждом сопротивлении отдельно.

12. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу.

№п/п	Сила тока, I, А	Сила тока, I1, А	Сила тока, I2, А	Напряжение, U, В	Сопротивление, R1, Ом	Сопротивление, R2, Ом	Сопротивление, R, Ом

13. Пользуясь законом Ома для участка цепи, вычислить величины сопротивлений R₁, R₂, R.

14. Сформулировать законы параллельного соединения для участка цепи, записать их математические выражения и, пользуясь данными опыта, проверить их справедливость.

15. По результатам работы сделать вывод.

Ответить на контрольные вопросы:

1. Как следует соединить нить в гирлянде шестивольтовыми лампочками для освещения елки, если напряжение в сети 220 В?

2. Для освещения трамвайного вагона применено 10 ламп, рассчитанных на напряжение 120 В. Как включены эти лампы? Напряжение в трамвайной сети 600 В.

Тест

1 . Сопротивление участка цепи между точками А и В (см. рис.) равно:

а) 0,5 Ом;

б) 2 Ом;

в) 3 Ом;

г) 4 Ом;

д) 6 Ом.

2 . Общее сопротивление участка электрической цепи между точками А и В, представленного на рисунке равно:

а) 18 Ом;

б) 9 Ом;

в) 2 Ом;

г) 0,5 Ом;

д) 0,3 Ом.

3. На рисунке представлена электрическая схема. К каким точкам следует подключить вольтметр, если необходимо определить электрическое сопротивление лампы Л₁ и Л₂?

А. 1 и 2, 2 и 3.

Б. 2 и 3, 1 и 4.

В. 1 и 3, 2 и 3.

Г. 2 и 3, 3 и 4.

4. При напряжении 12 В через нить электрической лампы течет ток 2 А. Количество теплоты выделяемое нитью лампы за 5 мин:

а) 7200 Дж;

б) 120 Дж;

в) 60 Дж;

г) лампа тепла не выделяет;

д) данных недостаточно для решения задачи.

5. При подключении к источнику тока резистора с электрическим сопротивлением 2 Ом сила тока в цепи была равна 2 А, при подключении к источнику тока резистора с электрическим сопротивлением 1 Ом сила тока в цепи равна 3 А. Внутреннее сопротивление источника тока:

а) 0,5 Ом;

б) 1 Ом;

в) 1,5 Ом;

г) 2 Ом;

д) 2,5 Ом.