11

Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины

Одесская национальная морская академия

Кафедра физики и химии

Лабораторная работа № 4-1

Исследование зависимости полезной мощности и коэффициента полезного действия источника тока от силы тока и внешнего сопротивления

УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ПРАКТИКУМУ

Составили: В.И. Михайленко,

А.А.Горюк,

Ф.А.Птащенко

Утверждено на заседании кафедры,

протокол № 2 от 29 сентября 2011 г.

Одесса – 2011

Лабораторная работа № 4-1 исследование зависимости полезной мощности и коэффициента полезного действия источника тока от силы тока и внешнего сопротивления

1. Теоретическая часть

1.1. Основные величины и соотношения теории электрического тока

Для понимания данной лабораторной работы необходимо иметь элементарные знания из теории электрического тока, которые приведены ниже.

Электрический ток – это упорядоченное (направленное) движение заряженных микрочастиц. Направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов (ток в металлах обусловлен движением электронов, и его направление противоположно направлению движения электронов).

Сила тока I численно равняется заряду, который проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени

,

(1*)

или , если ток постоянный. Единица измерения силы тока – ампер:.

Потенциал – энергетическая характеристика поля. Потенциал в данной точке поля численно равняется потенциальной энергии единичного заряда, помещенного в эту точку:

.

(2*)

(Потенциал поля в данной точке не зависит от величины пробного заряда – при увеличении заряда увеличивается также его потенциальная энергия, а отношениеостается постоянным). Потенциал измеряется в вольтах:. Один вольт – потенциал такой точки поля, в которой зарядимеет потенциальную энергию.

Если поместить заряд в электрическое поле, то под действием поля заряд будет двигаться, а поле будет выполнять работу. При этом разность потенциалов между двумя точками численно равняется работеэлектростатических сил по перемещению единичного заряда с одной точки в другую.

.

(3*)

Рис.1

Для того чтобы в замкнутой цепи протекал электрический ток, необходим источник ЭДС. ЭДС (электродвижущая сила) численно равняется работе сторонних сил (не электростатического происхождения) по перемещению единичного заряда по всей цепи:

(4*)

В замкнутом контуре электрическое поле толкает положительный заряд от высокого потенциала к низкому (от „+” к „–”, рис. 1*), а затем сторонние силы (например, химические – в батарейке) снова перемещают заряд в область высокого потенциала (от „–” к „+”). Таким образом, осуществляется кругооборот зарядов в замкнутой цепи постоянного тока. ЭДС измеряется в вольтах.

Электрическое напряжение U численно равняется полной работе, которую выполняют как сторонние, так и электростатические силы по перемещению единичного положительного заряда на некотором участке цепи:

.

(5*)

Если на участке цепи источник ЭДС отсутствует, то .

Соотношение между силой тока и напряжением устанавливает закон Ома.

Закон Ома для однородного участка цепи: сила тока на некотором участке цепи пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению

.

(6*)

Электрическое сопротивление – величина, которая характеризует противодействие проводника или электрической цепи протеканию тока. Сопротивление измеряется в Омах, . Сопротивление проводника можно определить через его параметры:

.

Здесь – длина проводника,– площадь его поперечного перереза,–удельное сопротивление материала проводника (он численно равняется сопротивлению проводника единичной длины с единичной площадью перереза, по обыкновению измеряется в илиОмм).

Закон Ома для неоднородного участка цепи:

(7*)

(он вытекает из определения напряжения (5*) и закона Ома (6*)).

Закон Ома для полной цепи (рис.1):

.

(8*)

Здесь – ЭДС,– внешнее сопротивление,– внутреннее сопротивление источника ЭДС (у любого источника ЭДС, например, батарейки есть электрическое сопротивление).

При протекании тока через проводник в нем выделяется тепло (проводник нагревается). Экспериментально было установлено, что количество теплоты ,выделенной в проводнике с сопротивлением , пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению и времени, за которое этот ток проходит:

(9*)

– это закон Джоуля-Ленца. При этом выделяется мощность

.

(10*)