Различные методы измерения электрических сопротивлений
Цель работы: 1. Провести измерения электрических сопротивлений различными методами.
2. Получить практические навыки при работе с простейшими электроизмерительными приборами.
Необходимое требование: Для выполнения работы студент должен знать законы постоянного электрического тока, правила Кирхгофа.
Теоретическая часть
Различные вещества неодинаково проводят электрический ток. Влияние вещества на ток учитывается с помощью электрического сопротивления (R), которое зависит от размеров проводника, температуры, вида материи. Сопротивление можно представить так: свободные электроны, движущиеся в проводнике под действием силы электрического поля, сталкиваются с атомами и другими электронами самого проводника, передавая им свою энергию. В результате, энергия электрического поля превращается в тепло, проводник нагревается.
Энергетической характеристикой электрического поля служит величина, называемая электрическим потенциалом . Потенциал данной точки поля – это отношение работы A , которое совершает электрическое поле, перемещая заряд q из данной точки в бесконечно удаленную точку, к величине самого заряда.
(1)
Единицей потенциала служит вольт (В). Если в данной точке поля потенциал равен 1 В, то это значит, что при перемещении заряда равного
1 Кулон полем совершается работа, равная 1 Джоуль (1 Джоуль равен работе силы в 1 Ньютон на пути в 1 метр).
Для того, чтобы в проводнике возник электрический ток, на концах проводника необходимо с помощью генератора (источника питания) создать разность потенциалов. Электрическое напряжение (U) характеризует эту разность потенциалов. Напряжение измеряют с помощью вольтметра. При включении вольтметра цепь не разрывают, а подключают его к тем двум точкам, между которыми необходимо измерить напряжение.
Электрический ток с количественной стороны характеризуют силой тока (I).
Сила тока (I) – это число электрических зарядов, проходящих через поперечное сечение провода за время (t) в одну секунду
(2)
Ток
измеряют в амперах:
ток в 1 ампер означает, что в одну секунду
через поперечное сечение провода
проходит 1 Кулон электричества, т.е.
электронов.
Для измерения тока применяют амперметры. Если нужно измерить ток в каком-то проводе, то надо разорвать провод и в место разрыва включить амперметр (т.е. прибор включается последовательно в цепь).
Основным законом, при помощи которого можно рассчитывать электрические цепи, является закон Ома, который гласит: для участка цепи ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению
(3)
Если увеличить в несколько раз напряжение, действующее на концах цепи, то ток в этой цепи увеличится во столько же раз.
Единицей сопротивления проводника служит Ом.
Эталон сопротивления в 1 Ом – это сопротивление проводника, в котором при напряжении в 1 Вольт проходит ток равный 1 Амперу. Для того, чтобы учесть влияние материала проводника, вводят величину удельного сопротивления . Связь между R и устанавливается формулой
(4)
где l – длина проводника, S – площадь сечения.
Источник тока
обладает внутренним сопротивлением
,
т.е. общее сопротивление замкнутой цепи
всегда является последовательным
соединением сопротивления источника
и внешней цепи
(5)
Следовательно,
чтобы подсчитать ток в замкнутой цепи,
надо разделить Э.Д.С.
на полное сопротивление
. (6)
Общее сопротивление последовательной цепи равно сумме отдельных сопротивлений
(7)
Напряжение распределяется между участниками последовательной цепи пропорционально их сопротивлениям
(8)
При параллельном соединении сопротивлений, полный ток, идущий от источников питания, разделяется на несколько токов по числу включенных сопротивлений. Точки, в которых происходит разделение тока на части, называют точками развлетвления. Разделение тока при параллельном соединении сопротивлений происходит по следующему закону (первый закон Кирхгофа): сумма токов, вытекающих из точки разветвления равна полному току, втекающему в точку разветвления (рис. 1):
(9)
Р и с. 1
Ток разделяется на части обратно пропорционально сопротивлениям ветвей
. (10)
Общее сопротивление
при параллельном
соединении
сопротивлений
можно находить по следующей формуле:
. (11)
Для расчета сложных
цепей соединения сопротивлений
(последовательно-параллельных)
применяют второй
закон Кирхгофа,
который гласит, что во
всяком замкнутом контуре алгебраическая
сумма э.д.с. (
)
равна алгебраической сумме падений
напряжений
(12)