Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Российский государственный профессионально-педагогический университет»

Институт психолого-педагогического образования

Кафедра физико-математических дисциплин

Задания и методические указания для выполнения лабораторной работы №6

по дисциплине «Физика»

для студентов всех форм обучения

направлений подготовки

09.03.02 Информационные системы и технологии

09.03.03 Прикладная информатика в экономике

13.03.02 Электроэнергетика и электротехника

44.03.04 Профессиональное обучение (по отраслям)

Екатеринбург

РГППУ

2016

Задания и методические указания для выполнения лабораторной работы №6 по дисциплине «Физика». Екатеринбург, ФГАОУ ВО «Рос. гос. проф.-пед. ун-т», 2016. 20 с.

Составители:

доц., канд. физ.-мат.наук Л.В. Гулин, доц., канд. физ.-мат.наук С.В. Анахов

Одобрены на заседании кафедры физико-математических дисциплин. Протокол от 29.11.2015 г. № 3.

Заведующий кафедрой физико-математических

дисциплин С.В. Анахов

Рекомендованы к печати методической комиссией института психолого-педагогического образования. Протокол от 24.12. 2015 г. №4.

Председатель методической комиссии

Института ППО В.В. Пузырев

Зам. директора НБ Е.Н. Билева

© ФГАОУ ВО «Российский государственный профессионально-педагогический университет», 2016

© Гулин Л.В., 2016

© Анахов С.В., 2016

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6

«ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ ИСТОЧНИКА ТОКА

ПРИ ПОМОЩИ ЗАКОНА ОМА ДЛЯ ПОЛНОЙ ЦЕПИ»

1.Основные понятия и определения

Электрический ток – направленное движение электрических зарядов. Понятия «электрический ток» и «ток» в этой работе рассматриваются как синонимы.

Кулоновские силы – консервативные силы, действующие на электрические заряды в электростатическом поле. Кулоновские силы, действуя на два разноименных заряда, притягивают их друг к другу.

Разность потенциалов (φ₁- φ₂) – скалярная физическая величина, равная отношению работы кулоновских сил по перемещению электрического заряда из одной точки пространства в другую к величине заряда (q):

(1)

Сторонние силы – неконсервативные силы, которые , действуя на два разноименных заряда, отталкивают их друг от друга.

Источник тока – устройство, в котором происходят процессы разделения разноименных электрических зарядов под действием сторонних сил и преобразования какого-либо вида энергии в электрическую энергию. Наличие электрической энергии делает возможным существование тока. В данной работе рассматривается источник постоянного тока, который на электрических схемах изображается, как показано на рис. 1.

Источник тока имеет два полюса: положительный (+) и отрицательный (-), которые, соединяются с клеммами 2 и 1, соответственно. Сторонние силы, действуя на заряды внутри источника тока, как показано на рис. 2, перемещают положительные заряды к положительному полюсу источника тока, а отрицательные – к отрицательному.

Электродвижущая сила (ЭДС) источника тока (Е₁₂) – скалярная физическая величина, равная отношению работы сторонних сил по перемещению электрического заряда между полюсами источника тока к величине заряда:

(2)

Напряжение (U₁₂) – скалярная физическая величина, равная отношению суммарной работы кулоновских и сторонних сил по перемещению электрического заряда между двумя точками электрической цепи к величине заряда:

(3)

Из соотношений 1÷3 следует:

(4)

Закон Ома устанавливает связь между напряжением, силой тока (I) и сопротивлением (R₁₂):

(5)

В системе СИ разность потенциалов, ЭДС и напряжение измеряются в вольтах (В). Известно также, что в системе СИ единицами измерения работы, заряда, силы тока и сопротивления являются: [A] = Дж, [q] = Кл, [I] = А и [R] = Ом. С учетом этого, а также соотношений (1)÷(3) и (5) получаем:

(6)

Полная (или замкнутая) цепь состоит из источника тока и подключенного к нему внешнего сопротивления. Схема такой цепи изображена на рис. 3. Внешнее сопротивление на этом рисунке обозначено как R. Ток, протекая по замкнутой цепи, встречает внутри источника тока внутреннее сопротивление, которое на рис.4 обозначено как r. Сопротивления R и r соединены последовательно. Если обозначить , то из соотношения (5) следует:

	(7)

Рис. 3. Схема полной (замкнутой) цепи

Рис. 4. Внутреннее сопротивление источника тока

С другой стороны, согласно (4) , поэтому

(8)

Поделив обе части этого уравнения на сумму сопротивлений, получим закон Ома для полной цепи:

(9)

Рис. 5. Графическая иллюстрация закона Ома для полной цепи

Если ЭДС источника тока и его внутреннее сопротивление постоянны, то с увеличением внешнего сопротивления сила тока будет уменьшаться, как показано на рис.5. График, изображенный на этом рисунке, имеет две асимптоты: вертикальную, при приближении к которой сила тока стремится к бесконечности, и горизонтальную, при приближении к которой сила тока стремится к нулю. Очевидно, что участок графика левее оси ординат не имеет физического смысла, так как сопротивление не может быть отрицательным. Сила тока при R = 0 обозначена как I_к.з. и представляет собой «ток короткого замыкания»:

(10)

Внешнее сопротивление, подключенное между клеммами 1 и 2 на рис.3, может представлять собой комбинацию сопротивлений, соединенных либо последовательно, либо параллельно, либо смешанно.

Последовательное соединение сопротивлений – это такое соединение нескольких сопротивлений, при котором через каждое из них проходит одинаковый ток.

Параллельное соединение сопротивлений – это такое соединение нескольких сопротивлений, при котором каждое из них находятся под одним и тем же напряжением.

Примеры различных типов соединения сопротивлений представлены на рис. 6.

а) последовательное	б) параллельное	в) смешанное

Рис. 6. Типы соединений сопротивлений

При расчетах электрических цепей возникает задача о замене комбинации сопротивлений эквивалентным сопротивлением R^экв.

При последовательном соединении N сопротивлений (рис. 6а) через каждое из них течет один и тот же ток. Напряжение U_df равно сумме напряжений на каждом сопротивлении:

(12)

Слагаемые суммы (12) равны U_j=IR_j. С учетом этого получим:

(13)

Таким образом, при последовательном соединении N сопротивлений эквивалентное сопротивление равно сумме сопротивлений:

(14)

При параллельном соединении N сопротивлений (рис. 6б) напряжение на каждом из них одинаково и равно U_df . Ток, протекающий через эквивалентное сопротивление R_df равен сумме токов, протекающих через отдельные сопротивления:

(15)

Слагаемые суммы (15), в соответствии с законом Ома (5), равны:

(16)

С учетом этого получим:

(17)

Отсюда следует, что при параллельном соединении N сопротивлений

(18)

Для расчета эквивалентного сопротивления при смешанном соединении следует применять для отдельных участков, либо формулу (14), либо – (17). Рассмотрим это на примере схемы, изображенной на рис. 6в. Сопротивления R₁ и R₂ на участке соединены последовательно. Эквивалентное сопротивление этого участка равно:

Rdh=R1+R2 .

(19)

Сопротивления R₃ и R₄ на участке соединены параллельно. Эквивалентное сопротивление этого участка равно:

(20)

В свою очередь, сопротивления R_dh и R_hf соединены последовательно. В итоге получим:

(21)