Методика виконання роботи

Енергію електричного поля можна визначити за допомогою визначення роботи, яка здійснюється полем у процесі переміщення зарядів. Приладом, в якому можна створити електричне поле й зберегти його довгий час, є конденсатор. При підключенні до джерела постійного струму обкладинки конденсатору набувають різнойменні електричні заряди. Між обкладинками виникає електричне поле. Після відключення конденсатора від джерела струму, електричне поле у конденсаторі наявне до того часу, поки його енергія не перетвориться у іншій вид енергії у будь-якому процесі. Якщо приєднати обкладинки зарядженого конденсатора провідниками до резистора, тоді під дією електричного поля виникне електричний струм. За рахунок роботи електричного струму резистор буде нагріватися. Зміна внутрішньої енергії буде дорівнювати роботі А електричного струму:

. (7.15)

Енергія W електричного поля конденсатора дорівнює роботі А електричного струму, яку здійснює при повній розрядці конденсатор.

У процесі розрядки конденсатора напруга між його обкладинками поступово зменшується, зменшується й сила струму в ланцюзі. Щоб обчислити роботу електричного струму, необхідно знайти середні значення сили струму в ланцюзі протягом невеликих інтервалів часу ∆t, обчислити значення роботи електричного струму за ці інтервали й потім скласти всі знайдені значення. Розряд конденсатора звичайно відбувається дуже швидко. Для збільшення часу розряду потрібно взяти конденсатор з великою електроємністю й підключити до його обкладинок резистор з великим електричним опором.

Порядок виконання роботи

1. Зібрати ланцюг, що показаний на рис.7.1.

2. П

   

   Рис.7.1. – Схема складання ланцюга

   оставивши перемикач П у положення 1, зарядити конденсатор до напруги U=10В.

3. Поставивши перемикач у положення 2, приєднати заряджений конденсатор до послідовно з’єднаних резистора та мікроамперметра. У момент замикання ланцюга запускати секундомір і відзначати показання мікроамперметра. Надалі знімати показання мікроамперметра через кожні 20 с протягом 7-10 хв.

4. Знайти середнє значення сили струму I_сер для кожного інтервалу часу як напівсуму початкового й кінцевого значень. Обчислити значення роботи електричного струму ∆А за кожний інтервал часу:

. (7.16)

5. Знайти роботу електричного струму А за 7-10 хв. як суму роботи за усі інтервали часу. Результати вимірювань та обчислень занести у звітну таблицю.

Таблиця 7.1

№ досліду	I, А	Iсер, А	I2сер, А2	∆А, Дж	А, Дж	W, Дж

6. Порівняти обчислене значення роботи А електричного струму з енергією електричного поля конденсатора, знайденої за напругою U між його обкладинками й електроємності С:

. (7.17)

7. Провести оцінку границь похибок вимірювань і зробити висновок.

Контрольні запитання

1. Розкрийте принцип роботи конденсатора.

2. Що таке електроємність конденсатора, від чого вона залежить?

3. Назвіть типи конденсаторів та їх характеристики.

4. Чому електричне поле зосереджене між обкладинками конденсатора?

5. Що називають енергією конденсатора та як її знаходять?

6. Яким чином відбувається розряд та зарядка конденсатора?

Лабораторна робота №8

Перевірка першого та другого правил Кірхгофа

Мета роботи: дослідити виконання першого та другого правил Кірхгофа для розгалуженого електричного кола.

Прилади та матеріали: лабораторний стенд ЕВ-4, з’єднувальні дроти.

Теоретичні відомості

В розгалуженому колі струми неможливо визначити тільки за допомогою закону Ома. Їх знаходять за допомогою загальних правил Кірхгофа.

Перше правило Кірхгофа. Алгебраїчна сума струмів гілок, з’єднаних в один вузол, дорівнює нулю, тобто

. (8.1)

В

Рис.8.1. − До першого правила Кірхгофа

узлом називається точка, в якій сходяться більш, ніж два провідника (рис.8.1). При цьому токи в гілках, що напрямлені від вузла приймають за додатні, а токи, що напрямлені до вузла, – від’ємні. Рівняння (8.1) являється наслідком принципу неперервності токів провідності (у вузлі електричного кола не може бути накопичення електричного заряду).

Оскільки для цього вузла , перше правило Кірхгофа можна сформулювати: сума струмів, напрямлених до вузла електричного кола, дорівнює сумі струмів, напрямлених від нього. Так, для вузла А на рис.8.1 маємо:

. (8.2)

Друге правило Кірхгофа. У будь-якому замкнутому контурі розгалуженого електричного кола постійного струму алгебраїчна сума ЕРС дорівнює алгебраїчній сумі спаду напруги в усіх резистивних елементах контуру:

. (8.3)

Це співвідношення є наслідком закону збереження енергії.

Р

Рис.8.2. − До другого правила Кірхгофа

озглянемо зміну потенціалу в замкненому контурі АВС розгалуженого кола (рис.8.2), напрям обходу в якому довільно прийнято за годинниковою стрілкою.

Так як струм на ділянці кола без джерела живлення завжди спрямований в бік зменшення потенціалу, то потенціал точки А більший за потенціал точки В на величину спаду напруги на елементі R₁ (U_AB=R₁I₁), тобто

(8.4)

На ділянці ВС за напрямом обходу контуру (від В до С) потенціал зменшується на величину спаду напруги на елементі R₂, а потім стрибкоподібно збільшується на величину ЕРС Е₂ за лишком спаду напруги в середині джерела з опором r_ВТ2.

Отже,

(8.5)

На ділянці СА струм I₃ та ЕРС Е₃ діють назустріч напрямку обходу контуру, тому

(8.6)

Після простих перетворень отримаємо

(8.7)

тобто

(8.8)

При складанні рівнянь за другим правилом Кірхгофа додатними приймають ЕРС Е та спад напруги , якщо напрям ЕРС та струму співпадають з напрямом обходу (в іншому разі записуються зі знаком “мінус”).