Решение. Полезная мощность батареи . (1)

Сила тока определяется по закону Ома: . (2)

Здесь — ЭДС, а — внутреннее сопротивление п последовательно соединенных элементов.

Выразим R из (1): и, подставив это выражение в (2), получим

(3)

или . (4)

Преобразуя выражение (4), получим квадратное уравнение относительно I:

.

Решая квадратное уравнение, найдем: .

Подставляя числовые значения, получим:

;

.

Для того чтобы определить наибольшую полезную мощ­ность батареи, найдем зависимость её от внешнего сопротивле­ния. Подставим в уравнение (1) выражение (2): . (5)

Из этой формулы следует, что при постоянных величинах ε_i и r_i мощность является функцией одной переменной — внешнего сопротивления R. Известно, что эта функция имеет максимум, если , следовательно, имеем:

,

или . (6)

Таким образом, задача сводится к отысканию сопротивле­ния внешней цепи. Из решения уравнения (6) следует, что . Подставляя найденное значение R в формулу (5), имеем: .

Производя вычисления, найдем .

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №3

Разветвленные электрические цепи.

Правила Кирхгофа

Программа занятия

1. Применение правил Кирхгофа для расчета разветвленных электрических цепей.

Основные законы и формулы

Первое правило Кирхгофа формулируется применительно к узлам.

Алгебраическая сумма токов для каждого узла равна нулю:

Принято считать ток положительным, если он направлен от узла, и отрицательным, если он направлен к узлу.

Второе правило Кирхгофа применяют к контуру – совокупности последовательных участков, представляющих замкнутое соединение. Алгебраическая сумма ЭДС в контуре равна сумме падений напряжений на всех участках этого контура.

Задачи на правила Кирхгофа следует решать в такой последовательности:

1. Выбрать независимые контуры и произвольное направление токов на всех учатках;

2. С учетом этих направлений записать для узлов уравнения на одно меньше, чем число укзлов;

3. Выбрать направление обхода по контуру и составить уравнения по второму правилу. ЭДС берут со знаком « + », если, мысленно обходя контур в выбранном направлении, выходят из « + » источника, в противном случае ЭДС считают отрицательной; токи положительные, если их направления совпадают с направлением обхода контура, в противном случае они отрицательные.

1. Найти значения сил токов на различных участках схемы. Заданы ЭДС источников ε₁ = 1 В, ε₂ = 3 В и сопротивления R₁ = 1 Ом, R₂ = 2 Ом, R₃ = 3 Ом. Внутренние сопротивления источников не учитывать.

Дано: ε₁ = 1 В, ε₂ = 3 В, R₁ = 1 Ом, R₂ = 2 Ом, R₃ = 3 Ом.

Найти: I₁, I₂, I₃.

Решение: Воспользуемся правилами Кирхгофа. Произвольно выберем направления токов ( показано на рисунке 5 стрелками ). Также произвольно выберем направления обходов контуров, в данном случае – по часовой стрелке. Запишем первое правило Кирхгофа применительно к узлу А:

I₁ - I₂ + I₃ = 0.

Выберем контуры ε₁ – A – R₃ – B – R₁ – ε₁ , ε₂ – A – R₃ – B – R₂ – ε₂ и запишем для них соответственно второе правило Кирхгофа:

,

Получаем систему трёх уравнений с тремя неизвестными. Решая её, получаем:

А ,

А.

Отрицательные значения токов означают, что эти токи в действительности направлены противоположно показанному на рисунке 5. Находим I₁:

A.

2. Источники тока с электродвижущими силами 10 В и 4 В включены в цепь, как показано на рисунке. Определить силы токов, текущих во втором и третьем сопротивлениях, если R₁ = R₄ = 2 Ом и R₂ = R₃ = 4 Ом. Сопротивлением источников тока пренебречь.

Дано: ε₁ = 10 В; ε₂ = 4 В; R₁= R₄ = 2 Ом; R₂ = R₃ = 4 Ом.

Найти: I₁ ; I₂ ; I₃.

Решение:

Рис.6

По первому правилу Кирхгофа для узла В имеем:

. (1)

По второму правилу Кирхгофа имеем соответственно для контуров AR₁BR₂A, AR₁BR₃A, AR₃BR₄A (см. рисунок 6):

(2)

(3)

(4)

Для решения воспользуемся методом Крамера. Для этого в равенства (2) – (4) подставим значения сопротивлений и эдс и уравнения перепишем в следующем виде:

; ;

Искомые значения токов найдем из выражений:

; .

Получим, что I₂ = 0, I₃ = -1 A. Знак ” - “ у значения силы третьего тока свидетельствует о том, что при произвольном выборе направления токов, указанных на рисунке, направление тока было указано противоположно истинному. Третий ток течет от узла В к узлу А.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №4

Магнитное поле. Индукция и напряженность

магнитного поля

Программа занятия

1. Магнитное поле постоянного тока. Закон Био – Савара – Лапласа и его применение к расчёту магнитных полей. Закон полного тока.

2. Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле. Закон Ампера. Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в магнитных полях.

3. Закон электромагнитной индукции и самоиндукции. Индуктивность контура.

Основные законы и формулы

 Закон Ампера

 Вращающий момент,

действующий на контур с током,

помещенный в магнитное поле

 Магнитный момент контура

с током

 Связь магнитной индукции

с напряженностью магнитного поля

 Закон Био—Савара—Лапласа

 Магнитная индукция в центре

кругового тока

 Магнитная индукция поля:

созданного бесконечно

длинным прямолинейным

проводником с током

созданного отрезком

проводника с током

поля бесконечно длинного

соленоида

 Сила взаимодействия двух

прямолинейных длинных

параллельных проводников

с током, l  d

 Напряженность магнитного поля,

создаваемого движущимся со скоростью υ

зарядом q

 Сила Лоренца

 Магнитный поток однородного

магнитного поля

 Работа по перемещению контура

с током в магнитном поле

 Основной закон электромагнитной

индукции

 Потокосцепление

 Потокосцепление соленоида

 Электродвижущая сила

самоиндукции

 Индуктивность соленоида ,

где число витков на единицу длины

 Энергия магнитного поля

соленоида

 Объёмная плотность энергии

магнитного поля