Лабораторная работа № 10 Исследование зависимости мощности, потребляемой лампой от напряжения на ее зажимах

Теоретическая часть

Напряжение U в цепях постоянного тока определяется отношением работы A, совершаемой электрическим полем при перемещении заряда по участку цепи, к значению перемещаемого заряда q. Итогом совершения работы может быть: нагревание проводника, движение его в магнитном поле, химическая реакция, излучение электромагнитных волн.

Если единственным результатом существования электрического тока на участке цепи является изменение внутренней энергии элементов цепи, сопровождающееся их нагреванием, то работа тока равна:

А = ΔE_внутр

Если параллельно с нагреванием элементов цепи идет теплообмен со средой и их температура остается постоянной, то вся работа А электрического поля равна выделившемуся в окружающее пространство количеству теплоты Q:

А = Q = Uq = UIt,

так как электрический заряд, прошедший через проводник, связан с силой тока I в проводнике и временем t прохождения заряда соотношением q = It.

Работу А электрического поля в проводнике, созданного внешним источником тока, называют работой электрического тока или работой внешнего источника тока.

Отношение работы тока в проводнике к промежутку времени, за который она совершена, называется мощностью тока. Она обозначается буквой P и равна:

Для участка цепи, на котором работа тока затрачивается только на нагревание одного элемента цепи, мощность тока показывает количество теплоты, выделяющееся на этом элементе в единицу времени. С учетом закона Ома для участка цепи сопротивлением R, количество теплоты, выделяющееся на данном участке цепи, можно выразить через сопротивление участка R:

P = I ²R.

Мощность электробытовых приборов и расход электроэнергии

Всякая электрическая цепь, в которой наблюдается электрический ток, состоит из источника тока, соединительных проводов и участка цепи, называемого потребителем и содержащего какой-нибудь прибор, выполняющий функцию, полезную для человека. На рисунке 1 приведена схема простейшей электрической цепи, где в роли потребителя выступает лампа накаливания.

Рис. 1

В электрической цепи рассматривают мощность тока внутри источника тока P_внутр = I ²r (r – внутреннее сопротивление источника) и мощность, которая выделяется во внешней части цепи:

P_внеш = P_пров + P_потр.

Рассматривая только ту часть цепи, где имеются потребители, говорят о расходе электроэнергии, совпадающем с работой электрического тока на участке цепи, содержащем все потребители электроэнергии:

А_потр = P_потрt.

При достаточно коротких подводящих проводах, изготовленных из меди и алюминия, потери в них невелики, однако в линиях электропередач эту долю приходится учитывать. Если в качестве потребителей выступают электронагревательные приборы – электроплита, утюг, электрообогреватель, то расход электрической энергии совпадает с количеством теплоты, которое передано внешней среде, а потребляемая мощность равна мощности электронагревателя:

где U – напряжение на клеммах электронагревательного прибора.

Мощность группы электробытовых приборов измеряется электросчетчиком, который измеряет суммарную работу электрического тока, что служит основой для оплаты расхода электроэнергии (рис. 2). Этот расход равен: P_потр ∙t.

Рис. 2

Вопросы:

1. Напишите три формулы для вычисления электрической мощности потребителя.

2. В каких единицах измеряется мощность в СИ?

3. Две лампы с сопротивлением 15 Ом и 30 Ом соединены параллельно. Определить мощность каждой лампы, если ток текущий по первой лампе 0,3 А.

4. Два одинаковых металлических резистора соединены последовательно и подсоединены к сети постоянного тока напряжением U. Как изменятся выделяемые на них мощности, если один из резисторов сильно разогреть внешним нагревателем?

5. Номинальные мощности двух лампочек для напряжения U = 220 В равны Р₁ = 40 Вт,  Р₂= 100 Вт. Чему равно отношение Р₁/Р₂ выделяемых на лампочках, если они включены в цепь последовательно? Зависимостью сопротивления от температуры пренебречь.

Цель работы: экспериментально установить зависимость мощности, потребляемой лампой от напряжения на ее зажимах, представить ее в графической интерпретации.

Оборудование: электрическая лампа на панели набора Ионтеля, амперметр, вольтметр, ключ, реостат, источник тока, соединительные провода.

Теория: дать определения:

- мощности электрического тока: формулы, единицы измерения; - закон Ома для участка цепи без ЭДС, формула..

Ход работы

1. Собрать электрическую цепь по схеме:

2. Изменяя силу тока в цепи реостатом, снять показания амперметра и вольтметра (5 – 6 измерений) и записать их в таблицу.

3. Определить сопротивление лампы в каждом измерении по закону Ома для участка цепи без ЭДС, результаты занести в таблицу.

4. Используя формулу зависимости мощности от напряжения и сопротивления, рассчитать ее для каждого измерения. Результаты занести в таблицу.

5. Результаты всех измерений и вычислений записать в таблицу.

№ п/п	Сила тока, I, А	Напряжение, U, В	Сопротивление лампы, R, Ом	Мощность лампы, Р, Вт
1
2
3
4
5

6. По результатам вычислений построить график зависимости мощности, потребляемой лампой, от напряжения на ее зажимах (в осях P(U)).

Ответить на контрольные вопросы:

1. Две лампы, рассчитанные на одинаковое напряжение, но потребляющие различные мощности, включены в электрическую сеть последовательно. Почему одна из них и которая будет гореть ярче?

2. Нагреватель из нихромовой проволоки длиной 5 м и диаметром 0,25 мм включается в сеть постоянного тока напряжением 110 В. Определите мощность нагревателя.

Тест

1. Единицы измерения электрической мощности в СИ:

а) Вольт;

б) Ватт;

в) Джоуль;

г) Ампер.

2.

MO_2001_02V_A041

Сопротивление электрического кипятильника равно 100 Ом, сила тока в цепи равна 2 А. Количество теплоты, выделяемое кипятильником за 5 с:

а) 1000 Дж;

б) 2000 Дж;

в) 200 Дж;

г) 40 Дж.

3.

MO_2002_04V_A031

Которая лампа горит ярче других (см. рис.)? Все лампы имеют одинаковое сопротивление.

А.

5.

Б. 2.

В. 3

г) 4

4. Имеются две лампы мощностью 60 Вт и 100 Вт, рассчитанные на напряжение 220 В. Которая из них перегорит раньше при повышении напряжения в сети, если они включены последовательно?

А. 60 Вт.

Б. 100 Вт.

В. Обе одинаково.

5. При включении в розетку с напряжением 127 В утюг потребляет мощность 310 Вт. Сила тока в обмотке утюга равна:

а) 2,8 А;

б) 2,4 А:

в) 3,4 А;

г) 2,0 А.