Лабораторна робота № 2-12

Вимірювання опорів розгалужених схем з’єднання провідників

Лабораторна робота № 2–12 вимірювання опорів розгалуджених схем з’єднання провідників

Мета роботи: вивчити методику вимірювань та розрахунків опорів розгалужених схем з’єднання провідників на сталому струмові методом амперметра і вольтметра, перевірити закон Ома.

Обладнання: лабораторна установка у складі джерела постійної напруги, вольтметру, амперметру, набору опорів, з’єднаних за різними схемами.

Теоретичні відомості

Електричний струм – упорядкований (напрямлений) рух заряджених частинок. Носіями заряду у залежності від типу провіднику можуть бути: електрони (метали), електрони і дірки (напівпровідники), іони (електроліти), іони і електрони (гази і плазма). За напрям струму приймають напрям руху позитивних заряджених частинок.

Для існування електричного струму необхідно виконання двох умов:

1. наявність вільних заряджених частинок (носіїв заряду);

2. наявність електричного поля (джерела живлення).

Звичайно, про наявність і величину електричного струму судять за діями, які він спричиняє. Серед таких виділяють наступні:

Теплова дія	проходження електричного струму в усіх провідниках звичайно супроводжується тепловими ефектами (виділення тепла у провіднику – ефект Джоуля-Ленца);
Хімічна дія	проходження струму супроводжується також хімічними ефектами, особливо у електролітах, де спостерігається електроліз – перенесення іонів різного знаку у різних напрямах;
Магнітна дія	проходження струму супроводжується також створенням навколо провідника магнітного поля.

Основними кількісними характеристиками струму є:

• густина струму – векторна величина, визначається як величина заряду (), що проходить за інтервал часукрізь елемент поверхні перерізу провідника () у напрямі нормалі () до цього елементу перерізу

(1)

• сила струму – скалярна величина, яка чисельно дорівнює заряду, що проходить через поперечний переріз провідника за одиницю часу

(2)

Зв’язок між цими двома характеристиками струму можна записати у вигляді

(3)

До основних електричних характеристик провідника відносять:

• опір провідника – міра протидії провідника встановленню у ньому електричного струму; залежить від матеріалу, формі, геометричних розмірів провідника, від температури;

• питомий опір – характеристика матеріалу провідника, визначається внутрішньою структурою матеріалу, значною мірою залежить від домішок, від способу виготовлення провідників, від температури.

Зв’язок між ними дається відомою формулою

(4)

де – відповідно довжина і площа поперечного перерізу провідника.

Електричний опір металів обумовлений розсіянням електронів провідності на теплових коливаннях кристалічної решітки і структурних неоднорідностях.

Розглянуті характеристики струму і провідника пов’язані між собою законом Ома, який для однорідної ділянки електричного кола відповідно у диференційній та інтегральній формах можна записати у вигляді:

(5)

(6)

де – електрична напруга,– вектор напруженості електричного поля.

Ділянку кола називають однорідною, якщо на ній немає джерел струму. Закон Ома справджується з великою точністю для металевих провідників та електролітів. Відхилення від закону Ома становить близько 1% для струмів дуже великої густини – кількох мільйонів ампер на 1 см². Закон порушується і в тих випадках, коли в провідниках не вистачає носіїв електричних зарядів і настає насичення струму (несамостійний розряд у газах), а також при досить високій напрузі.

Зрівняння (6) слідує, що для визначення опору ділянки кола необхідно виміряти силу струму і падіння напруги на цій ділянці:

(7)

Отже, необхідно мати два вимірювальні прилади – амперметр і вольтметр – звідси назва одного з поширених методів визначення опору – метод амперметру і вольтметру.

Розглянемо різні способи з’єднання провідників у колі. На рис.1 показано послідовне з’єднання опорів. При такому з’єднанні загальне падіння напруги дорівнює сумі падінь напруги на кожному резисторі, через кожен з резисторів тече однаковий струм , а їх загальний опір дорівнює сумі опорів резисторів:

(8)

де – загальна кількість резисторів.

Якщо опори однакові (), то загальний опір послідовного з’єднання визначається наступним чином

(9)

На рис.2 показанопаралельне з’єднання провідників (резисторів). В цьому випадку однаковою є напруга на всіх резисторах і на кожному з них (); сила струму на „вході” та „виході” (до точки розгалуженняА і після точки В) є сумою сил струмів, що течуть по кожному резисторові, а загальний опір за величиною є менший, ніж найменший окремий опір, що входить до паралельного з’єднання:

(10)

Якщо опори однакові (), то загальний опір паралельного з’єднання визначається наступним чином

(11)