Федоров Лабораторный практикум 2008

Рис. 21.2. Неоднородный участок цепи

Узлом в разветвленной цепи называется точка, в которой сходится не менее трех проводников. Токи, идущие к точке разветвления, и токи, исходящие из нее, следует считать величинами разных знаков. Для токов на рис. 21.3: I3 – I1 – I2 = 0.

I 1

Рис. 21.3. Узел

I 2 I 3

Второе правило Кирхгофа является следствием закона Ома для неоднородного участка цепи: алгебраическая сумма падений напряжений на сопротивлениях контура (Ui = Ii Ri) равна алгебраической сумме имеющихся в контуре ЭДС (εj):

Токи Ii входят в сумму (21.4) со знаком «плюс», если их направления совпадают с направлением обхода контура. ЭДС источников εj входят в правую часть (21.4) со знаком «плюс», если они создают токи, направленные в сторону обхода контура, и со знаком «минус» — в обратном случае. Направление обхода контура выбирается произвольно.

Применив правила Кирхгофа к цепи на рис. 21.4, можно убедиться, что использование двух источников тока ε1, ε2 (с внутренними сопротивлениями r1 и r2) эквивалентно использованию одно-

132

го источника ε с эффективным внутренним сопротивлением r, причем справедливы следующие соотношения:

Для того, чтобы убедиться в этом, следует найти ток I через сопротивление R в схеме на рис. 21.4. Предлагается провести расчеты самостоятельно. В результате несложных алгебраических преобразований получаем:

Учитывая формулу (21.1), убеждаемся в справедливости (21.5). Мощность тока. Рассмотрим участок цепи постоянного тока, к концам которого приложено напряжение U. За время t через любое сечение проводника проходит заряд q = I t, при этом электростатические и сторонние силы, действующие на данном участ-

так как U = I R, где R — сопротивление участка цепи.

Рассмотрим цепь на рис. 21.1 (r — внутреннее сопротивление источника тока, R — сопротивление внешней нагрузки). Определим, при каком значении сопротивления внешней нагрузки на нем выделяется максимальная мощность (например, в виде тепла). Из формул (21.1) и (21.7):

Исследуем функцию (21.8) на экстремум (на максимум). Вычислим производную P по R и, из уравнения PR′ = 0, получим, что P(R) максимальна при R = r (рекомендуется провести выкладки самостоятельно).

133

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Данная работа выполняется на лабораторном комплексе ЛКЭ-1 (см. разд. «Лабораторный комплекс ЛКЭ-1»). Используется модуль М01 «Цепи постоянного тока», блок модулей «Электрические цепи» смонтирован на столике (см. рис. 2).

В цепях, изучаемых в работе, используются: источник питания 1; аккумулятор 12;

набор сопротивлений 6, состоящий из четырех цепочек сопротивлений;

цифровой мультиметр М-830В (рис. 18), правила работы с которым приведены в разд. «Лабораторный комплекс ЛКЭ-1»;

соединительные провода.

ЗАДАНИЯ

1. Определение внутреннего сопротивления источника тока.

Собрать схему (рис. 21.5). В качестве источника тока использовать источник питания 1. Предварительно измерить ЭДС источника с помощью мультиметра (диапазон «DCV», «20»). Взять R = 100 Ом. Выбрать в качестве Rx пять-шесть сопротивлений и измерить соответствующее значение электрического тока (для измерения тока поставить переключатель мультиметра в положение «20m», диапа-

зона «DCA»).

ла (21.1)].

Занести результаты в заранее подготовленную таблицу:

134

Построить график зависимости I(Rx).

3. Определение максимальной мощности и соответствующего сопротивления нагрузки. Собрать схему (рис. 21.7). В качестве ис-

точника использовать аккумулятор 12. Выбрать 6 ÷ 8 сопротивлений из набора 6 таким образом, чтобы значения двух-трех из них были меньше внутреннего сопротивления аккумулятора r2, а остальные — больше r2. При подборе сопротивлений иметь в виду, что допустимы как последовательные, так и параллельные их соединения.

Снять зависимость I(Rx). Результаты занести в заранее подготовленную таблицу:

Построить график зависимости мощности P(Rx). По графику определить максимальное значение мощности и соответствующее ему значение сопротивления нагрузки. Сравнить результаты с теорией. Оценить погрешности.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Докажите справедливость соотношений (21.5).

2.Сформулируйте правила Кирхгофа.

3.При каком сопротивлении нагрузки в цепи выделяется максимальная мощность?

4.Постройте график зависимости потенциала ϕ от координаты

xдля схемы на рис. 21.2, ϕ1 > ϕ2.

5.Сформулируйте условия применимости закона Ома (21.2).

6.В чем заключается закон Джоуля — Ленца?

7.Постройте график зависимости тепловой мощности от величины сопротивления нагрузки.

8.В чем состоит закон сохранения энергии для цепи постоянного тока?

136

где S — площадь поперечного сечения провода, называемое силой тока, или просто током. Как показывает опыт, для металлов в ши-

роких пределах плотность тока j пропорциональна напряженности электрического поля E :

где σ — постоянная для данного материала величина, называемая его удельной проводимостью, или электропроводимостью. Она зависит от физического состояния тела, в частности от температуры. Величина, обратная электропроводимости, называется удель-

ным сопротивлением материала:

ρ = σ1 .

Для металлов температурная зависимость удельного сопротивления в широком диапазоне температур носит линейный характер:

где T и T0 — соответствующие температуры проводника; α — тем-

пературный коэффициент материала проводника.

Выше приведенное соотношение (22.3) называется законом Ома в локальной (дифференциальной) форме. Рассмотрим случай, когда электрический ток течет вдоль тонкого провода, и его направление совпадает с направлением оси провода. Если ток постоянен, то изза сохранения заряда сила тока I будет одна и та же вдоль всего провода. Перепишем закон Ома в следующей форме:

E =ρSI .

Умножим это соотношение на элемент длины провода dl и

проинтегрируем по участку провода от какой-либо точки 1 до другой точки 2:

138

Так как электрическое поле стационарных токов потенциально, то первый интеграл выражается через разность потенциалов или, другими словами, электрическое напряжение на концах 1 и 2 рассматриваемого участка провода ϕ1 −ϕ2 =U . Второй интеграл есть

величина, характеризующая свойства провода, по которому течет электрический ток. Эта величина называется электрическим со-

противлением, или просто сопротивлением провода. Если провод изготовлен из однородного материала и всюду имеет одинаковую толщину, то получается известная формула

Формула (22.6) выражает закон Ома в интегральной форме, ее называют также законом Ома для однородного участка цепи.

Закон Ома может быть выведен в рамках классической теории электропроводности металлов. В металлах носителями тока служат свободные электроны, т.е. электроны, слабо связанные с ионами кристаллической решетки, внутри которой они практически свободно перемещаются. В отсутствие электрического поля свободные электроны ведут себя подобно молекулам идеального газа. Полагая, что на этот электронный газ могут быть распространены результаты кинетической теории газов, получим для оценки средней скорости теплового движения электронов

где k — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура, m — масса электрона.

При включении электрического поля на беспорядочное движение электронов накладывается упорядоченное — дрейфовое — движение. Под действием силы со стороны поля отдельно взятый электрон приобретает некоторую скорость u , дополнительную к скорости хаотическогоG движения, направление которой задается

вектором E . Если поле однородно, то средняя скорость упорядо-

139

ченного движения всех электронов uG одинакова, а так как она

оказывается существенно меньше средней скорости теплового движения, то движение свободных электронов приобретает характер относительно медленного смещения электронного газа как целого вдоль силовых линий электрического поля. Такое движение принято называть дрейфом, а скорость uG — скоростью дрейфа.

Движение электрона в классической механике описывается

где FGст — сила, действие которой испытывает электрон при столк-

новении с ионами или другими электронами. Если уравнение (22.8)

таком усреднении столкновения между электронами можно не принимать во внимание, так как они (столкновения) не влияют на импульс всей системы электронов, который только и определяет

среднюю скорость их движения. Таким, образом, под Fст следует

понимать силы, действующие на электроны при их столкновениях только с ионами кристаллической решетки. При малых дрейфовых

скоростях величину Fст можно разложить по степеням u в ряд и ограничиться при этом линейным членом

где τин — постоянная, имеющая размерность времени, которую

принято называть инерционным временем электронов в металле, поскольку при выключении электрического поля дрейфовое движение экспоненциально затухает во времени таким образом, что за время τин скорость u убывает в e раз.

Воспользовавшись соотношениями (22.1) и (22.9) и введя обозначение

140