Лабораторная работа № 6

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА ОМА ДЛЯ УЧАСТКА ЦЕПИ

Цель работы: построение вольтамперной характеристики для резистора,

определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника.

Приборы и принадлежности: источник постоянного (переменного) тока,

переменный резистор (реостат), резисторы, амперметр, вольтметр, ключ,

соединительные провода.

Электрическая цепь делится на внутреннюю и внешнюю части. К

внутренней части электрической цепи относится сам источник электрической энергии. Во внешнюю часть цепи входят соединительные провода, потребители,

рубильники, выключатели, электроизмерительные приборы, т. е. все то, что присоединено к зажимам источника электрической энергии.

Электрический ток может протекать только по замкнутой электрической цепи. Разрыв цепи в любом месте вызывает прекращение электрического тока.

Резистор ‒ пассивный элемент электрических цепей, обладающий определённым или переменным значением электрического сопротивления,

предназначенный для линейного преобразования силы тока в напряжение и напряжения в силу тока, ограничения тока, поглощения электрической энергии и др.

Переменные резисторы ‒ это разновидность резисторов, электрическое сопротивление которых регулируется с помощью механического воздействия на регулировочный орган.

1

Электрический заряд – это внутреннее свойство тел или частиц,

характеризующее их способность к электромагнитным взаимодействиям. Заряд q

определяют в кулонах (Кл).

Перемещение зарядов по замкнутому проводнику под действием источника тока происходит за счет сил неэлектрического происхождения – так называемых сторонних сил. Сторонние силы – силы не электростатического происхождения,

действующие на заряды либо на отдельных участках цепи, либо во всей цепи.

Природа сторонних сил может быть различной: в гальванических элементах они возникают за счет энергии химических реакций между электродами и электролитами; в генераторе – за счет механической энергии вращения ротора генератора; в солнечных батареях – за счет энергии фотонов и т.п. Электрические силы не могут обеспечить движение зарядов по замкнутому контуру из-за своего потенциального характера (работа по замкнутому пути равна нулю).

Сторонние силы можно охарактеризовать работой, которую они совершают над зарядами.

Работа сторонних Aст сил над положительным единичным за рядом называется электродвижущей силой (ЭДС):

Эта работа совершается за счет энергии, затрачиваемой в источнике тока,

поэтому величину ε можно назвать ЭДС источника тока, включенного в цепь.

Единица ЭДС в СИ – вольт (В).

Участок электрической цепи, на котором не действуют сторонние силы,

называется однородным. Участок цепи, на котором на носители тока действуют сторонние силы, называется неоднородным.

Для замкнутой цепи, так как работа электростатических сил в этом случае равна нулю(φ1=φ2) получается

2

Напряжением U12 на участке 1–2 называется физическая величина, численно равная суммарной работе, совершаемой электростатическими и сторонними силами по перемещению единичного положительного заряда на данном участке цепи:

Закон Ома в дифференциальной форме для неоднородных участков цепи:

– плотность электрического тока;

– удельная электрическая проводимость;

– напряженность электрического поля;

стор – напряженность поля сторонних сил.

Закон Ома для неоднородного участка цепи (обобщенный закон):

произведение электрического сопротивления участка цепи на силу тока в нем равно сумме падения электрического потенциала на этом участке и ЭДС всех источников электрической энергии, включенных на данном участке.

Пользуясь обобщенным законом Ома (6), нужно соблюдать следующее правило знаков для ЭДС источников, включенных на участке цепи 1–2: если напряженность поля сторонних сил в источнике совпадает с направлением выбранного обхода участка цепи (внутри источника обход связан с перемещением от катода к аноду), то при подсчете ЭДС этого источника нужно считать положительной, а в противном случае – отрицательной.

Частные случаи:

1. Закон Ома для замкнутой цепи (∆φ=0)

3

где ε – алгебраическая сумма отдельных ЭДС в данной цепи; R – суммарное сопротивление всей цепи; Rвнеш – сопротивление внешней цепи; r – внутреннее сопротивление источника тока.

2.Если цепь разомкнута, то I=0. Поэтому ЭДС источника, действующего в разомкнутой цепи, равна разности потенциалов на его клеммах:

К источнику тока с ЭДС и внутренним сопротивлением r подключают в

качестве внешнего сопротивления реостат и дважды измеряют силу тока и напряжение при различных его сопротивлениях. Как следует из закона Ома для

Значения I1, I2, U1 и U2 определяют по показаниям приборов в ходе проведения опыта.

Система двух уравнений (10) и (11) содержит две неизвестные величины и

r.

Решая её относительно этих неизвестных получают расчетные формулы для определения ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока:

Правила Кирхгофа для разветвленных цепей (1847 г.).

4

Узел электрической цепи – любая точка разветвления цепи, в которой сходится не менее трех проводников с током. Ток, входящий в узел, считается положительным, а ток, выходящий из узла, – отрицательным.

Первое правило Кирхгофа – алгебраическая сумма токов Ik, сходящихся в узле, равна нулю:

где n – число проводников, сходящихся в узле.

Второе правило Кирхгофа – в любом замкнутом контуре, произвольно выбранном в разветвленной электрической цепи, алгебраическая сумма падений напряжений на последовательных участках этого контура равна алгебраической сумме ЭДС, включенных в контур:

где и Ri – соответственно ток и сопротивление i-го участка.

Ход выполнения работы

1.Включите в сеть источник постоянного (переменного) тока.

2.Соберите электрическую цепь согласно схеме 1 (где 1 – источник тока, 2 –

ключ, 6 – переменный резистор, 3 – резистор сопротивления, 4 – вольтметр,

5 – амперметр).

Схема 1

5

3.Переменным резистором меняйте напряжение на резисторе R (вариант выдает преподаватель). Снимите вольтамперную характеристику, т.е.

измерьте показания амперметра и вольтметра. Полученные данные занесите в таблицу.

4.Постройте график зависимости силы тока от напряжения.

5.Вычислите сопротивление резистора по формуле 4.

6.Вычислите границы абсолютных погрешностей прямых измерений силы тока и напряжения. Абсолютная погрешность, например, силы тока

7. Определите максимальную относительную погрешность измерений силы тока и напряжения.

8.Соберите электрическую цепь согласно схеме 2. (где 1–источник постоянного (переменного) тока, 2–ключ, 3 резистор сопротивления, 4–

вольтметр,5–амперметр).

6

Схема 2

9.Подключайте сначала один резистор, затем заменяйте на другой. Измерьте силу тока I1 и I2 и напряжение U1 и U2 на них.

10.Вычислите ЭДС и внутренне сопротивление источника из закона Ома для замкнутой цепи по формулам 12 и 13.

Таблица 2

Контрольные вопросы:

1.Как изменится сила тока в проводнике при увеличении напряжения на нем в два раза?

2.Как изменится сопротивление проводника при увеличении напряжения на нем в два раза?

3.Как зависит сила тока от напряжения?

4.К источнику ЭДС подключен резистор переменного сопротивления. Как изменится сила тока в цепи, если сопротивление будет плавно увеличиваться?

7