Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ЭЛЕКТР_МАГНИТИЗМ

.pdf
Скачиваний:
7
Добавлен:
29.02.2016
Размер:
1.53 Mб
Скачать

ВВЕДЕНИЕ

Вразделе физики «Электричество и магнетизм» рассматриваются законы взаимодействия покоящихся и движущихся электрических зарядов, а также основные свойства создаваемых ими электрических и магнитных полей в вакууме и в любой иной среде.

Влабораторный практикум по этому разделу включены работы, с помощью которых можно глубоко изучить основные законы электри-

чества и магнетизма. Кроме того, лабораторные занятия способствуют развитию у студентов навыков самостоятельной работы и помогают осваивать теоретические разделы курса.

Вряде случаев выполнение лабораторных работ опережает прохождение лекционного материала. Это вызывает необходимость предварительной подготовки к выполнению работ. В целях повышения эффективности предварительной самостоятельной работы студентов перед описанием опытной части лабораторных работ даются рекомендации по изучению теоретического материала и ссылки на учебные пособия с указанием параграфов, которые необходимо проработать.

Вкачестве учебной литературы может быть использовано любое из приведенных ниже пособий.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1.С а в е л ь е в, И. В. Курс общей физики: учеб. пособие/ И. В. Савельев. В 3 т. Т.2. 3-е изд., испр. М.: Наука, 1987. 350 с.

2.Курс физики: учеб. пособие для вузов/ А.А. Детлаф [и др.]. 4-е изд., перераб. М.:

Высш. шк., 1973. 384 с.

3.З и с м а н, Г.А. Курс общей физики/ Г.А. Зисман, О.М. Тодес. Т. 2. М.: Наука, 1967. 336 с.

4.Г р а б о в с к и й, Р.И. Курс физики: учеб. пособие/ Р.И. Грабовский. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1980. 614 с.

Основные требования безопасности при выполнении работ в лабораториях электричества и магнетизма. При работе с электриче-

скими установками необходимо помнить, что электрический ток при неосторожном обращении может вызвать серьезные, а иногда и смертельные поражения.

Сила тока, проходящего через организм, зависит от приложенного напряжения и от сопротивления того участка тела, через который проходит ток. Сопротивление, в свою очередь, зависит от состояния кожи. Так, чистые и грязные, сухие и влажные руки обладают различным сопротивлением.

Необходимо помнить, что предел безопасной величины переменного тока с частотой 50 Гц равен 10 мА. При прохождении через организм тока 50 мА мышцы судорожно сжимаются и человек не может оторвать руки от провода. Ток свыше 100 мА вызывает смертельные

3

поражения. Безопасным можно считать напряжение меньше 12 В. Напряжение в городской сети , равное 220 В, крайне опасно, и при работе

сним необходимо соблюдать следующие правила:

1.Приступать к работе с электрическими установками только после детального ознакомления с их устройством и схемой. Во время выполнения работы быть внимательным.

2.При работе с электрическими схемами руки должны быть сухи-

ми.

3.Собирать электрическую схему только проводами с исправной изоляцией.

4.Подключение схемы к источнику тока проводить только с раз-

решения преподавателя.

5.Переключение проводов и замена деталей схемы при включен-

ном напряжении категорически запрещается.

6.Прикасаться к тумблерам и ручкам управления различных приборов (осциллографа, звукового генератора, выпрямителя и т.п.) разрешается одной рукой, не держась другой рукой за корпус прибора.

7.Не оставлять без наблюдения схему, находящуюся под напряже-

нием.

8.При появлении запаха гари, треска или обнаружении искрящегося контакта необходимо немедленно отключить напряжение в схеме и заявить об этом преподавателю или лаборанту.

9.По окончании работы отключить лабораторную установку от источника тока и привести в порядок рабочее место.

10.При несоблюдении правил охраны труда студент отстраняется от работы.

Схематические обозначения основных регулирующих приборов и элементов электрических цепей приведены в табл. 1, 2.

Та б л и ц а 1. Основные регулирующие приборы и их обозначения на схемах

Прибор

Обозначение на схеме

Предназначение

 

 

 

Реостат

 

Для регулирования силы тока

 

 

 

Потенциометр

 

Для регулирования напряжения

 

 

 

Лабораторный

 

Для регулирования напряжения в

автотрансформатор

 

электрических цепях переменно-

(ЛАТР)

 

го тока

 

 

 

4

Т а б л и ц а 2. Некоторые элементы электрических схем и их обозначения

Элемент

 

Обозначение

 

Резистор (сопротивление)

 

 

 

 

 

 

 

Переменное сопротивление

 

 

 

 

 

 

 

Конденсатор

 

 

 

 

 

 

 

Катушка индуктивности (соленоид):

 

 

 

а) без сердечника; б) с ферромагнитным

 

 

 

сердечником

а)

 

б)

 

 

Источник тока (ЭДС)

 

 

 

 

 

 

 

Электрическая лампа

 

 

 

 

 

 

 

Полупроводниковый диод

 

 

 

 

 

 

 

Транзистор: а) p-n-p-типа; б) n-p-n-типа

 

 

 

 

а)

 

б)

Амперметры:

 

 

 

а) амперметр; б) миллиамперметр;

 

 

 

в) микроамперметр

 

 

 

 

а)

б)

в)

Вольтметры:

 

 

 

а) вольтметр; б) милливольтметр;

 

 

 

в) микровольтметр

 

 

 

 

а)

б)

в)

Лабораторная работа 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ МОСТИКОМ УИТСТОНА

Цель работы: ознакомиться с мостиковым методом определения сопротивлений резисторов, найти неизвестные сопротивления нескольких резисторов, проверить формулы для их последовательного и параллельного соединения.

5

Приборы и принадлежности: источник тока, магазин сопротивлений, набор резисторов, реохорд, гальванометр, балластное сопротивление, кнопочный ключ, переключатель.

Изучите теоретический материал по одному из учебных пособий: [1, гл. V § 34–36; 2, гл. IX § 9.2, 9.4; 3, гл.IV § 17; 4; гл. II § 13].

В основе мостикового метода определения сопротивления лежат правила Кирхгофа для расчета параметров разветвленных электрических цепей.

Первое правило Кирхгофа применяется для узлов электрической цепи. Любая точка разветвления цепи, в которой соединены три и более проводников, называется узлом электрической цепи.

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

k

Ii 0 .

(1.1)

i 1

При этом ток, входящий в узел, считается положительным, а ток, выходящий из узла, – отрицательным.

Это правило означает, что в случае установившегося тока ни в одной точке проводника не накапливаются заряды. В противном случае токи не могли бы оставаться постоянными.

Второе правило Кирхгофа: в любом замкнутом контуре, произвольно выбранном в разветвленной электрической цепи, алгебраическая сумма произведений сил токов Ii на сопротивление Ri соответст-

вующих участков этого контура равна алгебраической сумме ЭДС k, встречающихся в этом контуре:

 

n1

n2

 

 

Ii Ri

k ,

(1.2)

 

i 1

k 1

 

где n1

– число отдельных участков

(ветвей) контура,

на которые

 

контур разбивается узлами;

 

 

n2 – число ЭДС в выбранном замкнутом контуре.

 

Для применения второго правила Кирхгофа выбирается определенное направление обхода контура (по часовой стрелке или против нее). Направления токов в ветвях контура выбираются произвольно.

Произведение IiRi записывается со знаком плюс, если направление тока совпадает с выбранным направлением обхода контура. ЭДС источников электрической энергии считаются положительными, если они создают токи, направления которых совпадают с направлением обхода контура (т.е. внутри источника ток направлен от отрицательного полюса к положительному).

Для выполнения работы нужно знать формулы параллельного и последовательного сопротивления проводников.

6

При последовательном соединении n проводников общее сопротивление определяется как сумма сопротивлений отдельных проводников:

Rобщ R1 R2 R3 ... Rn .

(1.3)

При параллельном соединении общее сопротивление определяется по формуле

1

1

1

 

1

...

1

.

(1.4)

 

 

 

 

 

 

 

Rобщ

 

R1

 

R2

 

R3

Rn

 

Описание лабораторной установки и вывод расчетной формулы

В данной работе для измерения сопротивления проводника используется мостик Уитстона, схема которого представлена на рис. 1.1. К

точкам А и В подключен источник тока , к точкам С и D – индикатор тока.

Применяя мостовые схемы, можно электрическими методами измерять различные физические величины: сопротивление проводника, электроемкость, индуктивность, частоту, температуру, магнитные параметры и т.д.

В данной работе для определения неизвестного сопротивления его включают в плечо АС мостика, в плечо СВ – известное сопротивление (магазин сопротивлений).

Рис. 1.1.

Плечи AD и DB представляют собой участки одной проволоки АВ, разделенной подвижным контактом на два отрезка. Проволока АВ натягивается на миллиметровую линейку, с помощью которой можно определить положение подвижного контакта. Это устройство называ-

ется реохордом.

На этой же схеме приняты обозначения: Rx – неизвестное сопротивление;

7

R4 – магазин сопротивлений, позволяющий устанавливать любое сопротивление от 0 до 9999 Ом;

R1 и R2 – сопротивления частей проволоки АВ реохорда.

Между точками С и D включен гальванометр. Последовательно с гальванометром можно включить балластное сопротивление Rб с целью предотвращения порчи гальванометра при больших токах в мостике (при отсутствии равновесия).

При нажатии ключа К1 по ветвям цепи потекут токи I1, I2, I3, I4 (направления токов показаны на рис. 1.1). В ветви, содержащей гальванометр, пойдет ток IG , направление которого зависит от того, какая из точек (С или D) имеет более высокий потенциал. Направление тока IG также показано на рис.1.1.

Применив первое правило Кирхгофа к узловым точкам С и D, соответственно получим:

I3 IG I4 0 ,

I1 IG I2 0 .

Применив второе правило Кирхгофа к контурам АСDА и СВDС с учетом указанного на рисунке направления обхода, получим:

I3R3 IG (RG Rб ) I1R1 0 ,

I4 R4 I2 R2 IG (RG Rб ) 0.

Для определения неизвестного сопротивления Rx мостик приводится в равновесие при помощи магазина сопротивлений R4 и подвижно-

го контакта D. Равновесие наступает тогда, когда потенциалы точек С и D равны и ток в мостике отсутствует (IG = 0). Тогда приведенные выше уравнения примут следующий вид:

I3

I4

0 , или I3

I4 ;

(1.5)

I1 I2

0 , или I1

I2 ;

(1.6)

I3R3

I1R1

0 , или I3R3

I1R1 ;

(1.7)

I4 R4

I2 R2

0, или I4 R4

I2 R2 .

(1.8)

Разделим равенство (1.7) на (1.8):

 

 

 

 

I 3

R3

I1

R1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

I 4

R4

I 2

R2

Учитывая, что I3 I4 , I1

I2 , после сокращения получим:

 

 

R3

 

 

R1

,

 

 

 

R4

R2

 

 

 

 

 

откуда неизвестное сопротивление

8

 

 

 

 

R3

R4

R1

.

 

(1.9)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R2

 

 

 

 

Сопротивление проводника

 

определяется

по зависимости

R

 

l

, и поэтому в уравнении (1.9) отношение

R1

можно заменить

 

 

 

 

 

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R2

отношением длин плеч на реохорде:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R1

 

 

 

S

 

 

 

 

 

l1

.

 

 

 

 

 

 

R2

 

l2

 

 

 

 

 

l2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Формула (1.9) примет следующий вид:

 

 

 

 

 

 

 

R

 

R

 

 

 

 

l1

.

 

(1.10)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

4 l2

 

 

 

Таким образом, для определения величины неизвестного сопротивления необходимо знать сопротивление, установленное на магазине сопротивлений, и длины левой и правой частей проволоки реохорда.

Порядок выполнения работы

1.В цепь мостика включите балластное сопротивление Rб, для этого ключ К2 поставьте в положение «ГРУБО».

2.В цепь мостика включите первый резистор с неизвестным сопро-

тивлением Rx1. Порядок включения указан на панели лабораторной установки.

3.Подвижный контакт D установите на середину миллиметровой линейки, а на магазине установите сопротивление в несколько сотен

Ом. Для этого рукоятку с надписью « 100» поверните, например, на отметку 5. Следовательно, магазин сопротивлений будет иметь сопротивление R4=500 Ом, если все остальные рукоятки установлены на отметку 0.

4. Включив на короткое время ключ К1, подберите при помощи магазина сопротивлений такую величину сопротивлений R4, чтобы стрелка гальванометра отклонилась от нуля не более чем на 2–5 делений. При отсутствии равновесия стрелка гальванометра отклонится влево или вправо в зависимости от величины сопротивления магазина.

П р и м е ч а н и е . Ключ К1 следует включать лишь на короткое время (1 – 2 секунды) во избежание нагревания проводника, а также порчи гальванометра.

5. Выключите балластное сопротивление R4 (ключ К2 поставьте в положение «ТОЧНО») и при помощи подвижного контакта D (включая на короткое время ключ К1) установите стрелку гальванометра на нуль (можно подвижный контакт установить в определенных положе-

9

ниях, указанных преподавателем, а стрелку гальванометра установить в нулевое положение с помощью магазина сопротивлений). В этом случае мост будет находиться в равновесии. Запишите в табл. 3 величину сопротивления R4 магазина сопротивлений и длины плеч l1 и l2.

6. Вычислите значение сопротивления Rx1 по формуле (1.10) и запишите в табл. 3.

7.Во втором опыте увеличьте сопротивление магазина на 10% от первоначального значения и перемещением контакта D добейтесь сно-

ва равновесия мостика. Запишите в табл. 3 величину сопротивления R4 магазина сопротивлений и длины плеч l1 и l2. Определите значение сопротивления Rx1 по формуле (1.10) и запишите в табл. 3.

8.В третьем опыте уменьшите сопротивление магазина на 10% от первоначального значения и перемещением контакта D добейтесь сно-

ва равновесия мостика. Запишите в табл. 3 величину сопротивления R4 магазина сопротивлений и длины плеч l1 и l2. Вычислите значение сопротивления Rx1 по формуле (1.10) и запишите в табл. 3.

9.Найдите среднее значение сопротивления Rx1 и запишите его в табл. 3.

Та б л и ц а 3. Результаты измерений и вычислений

Номер опы-

 

 

Первый резистор

 

 

Второй резистор

 

та

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R4,

l1,

l2,

 

Rx1,

R4,

l1,

l2,

 

Rx2,

Ом

мм

мм

 

Ом

Ом

мм

мм

 

Ом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Среднее значение

 

 

 

Среднее значение

 

 

10.Вместо первого резистора включите второй резистор Rx2. Порядок включения указан на панели лабораторной установки. Повторите указания п. 3 – 9.

11.Резисторы, с которыми производили опыты, соедините последовательно, а затем параллельно. Порядок таких соединений указан на панели лабораторной установки. Для каждого из соединений произво-

дите измерения по одному разу (п. 3–6). Результаты измерений и вычислений запишите в табл. 4. В эту же таблицу занесите значения сопротивлений, рассчитанные по формулам (1.3) и (1.4). Для этого используйте средние значения сопротивлений первого и второго резисторов.

Т а б л и ц а 4. Результаты измерений и вычислений

 

R4,

l1,

l2,

Rx, Ом

Вид соединения

Полученное

Вычисленное

Ом

мм

мм

опытным

по формулам

 

 

 

 

 

путем

(1.3), (1.4)

Последовательное

 

 

 

 

 

Параллельное

 

 

 

 

 

10

Контрольные вопросы

1.Сформулируйте первое правило Кирхгофа и запишите его для конкретного узла.

2.Сформулируйте второе правило Кирхгофа и запишите для конкретной схемы.

3.Запишите формулы нахождения общего сопротивления при последовательном и параллельном соединениях резисторов.

4.Объясните принцип работы мостика Уитстона. При каких условиях он находится в равновесии?

5.Получите расчетную формулу (1.10) для определения неизвест-

ного сопротивления мостовым методом.

6. Сравните результаты определения сопротивления при последовательном и параллельном соединениях резисторов с вычисленными по формулам (1.3), (1.4). Объясните расхождение значений сопротивлений.

Лабораторная работа 2. ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

Цель работы: изучить характер зависимости сопротивления металлов от температуры. Оценить скорость электрического дрейфа и среднюю скорость теплового движения электронов.

Приборы и принадлежности: ЛАТР, амперметр, электрическая лампочка.

Изучите теоретический материал по одному из учебных пособий:

[3, гл. IV § 14, 15, гл. VI § 28; 4, гл. II § 12, 19].

При изучении теоретического материала сосредоточьте внимание на причинах хорошей электропроводности и теплопроводности металлов, обусловленной свободными электронами, образовавшимися в металле при кристаллизации его из расплава. При этом примерно каждый из атомов теряет по одному электрону, превращаясь в положительный ион.

При отсутствии электрического поля вследствие беспорядочного теплового движения количество электронов, идущих в каком-либо направлении, в среднем всегда равно числу электронов, перемещающихся в обратном направлении, поэтому заряд, переносимый ими, равен нулю. Важно осознать, что при наложении внешнего электрического поля на электроны проводимости действует сила, вызывающая дополнительное к хаотическому упорядоченное движение в направлении, противоположном напряженности поля, поскольку заряд электрона отрицателен. В результате этого возникает направленное перемещение зарядов со скоростью <u>, которая называется скоростью электрического дрейфа. Эта скорость определяет силу тока:

I=en<u>S,

(2.1)

где n – концентрации носителей заряда; е – заряд электрона;

11

S – площадь поперечного сечения проводника.

Сила электрического тока определяется отношением величины заряда, протекающего за единицу времени через поперечное сечение проводника. Для постоянного тока

I

q

.

 

 

В общем случае

t

 

 

 

I

dq

.

 

 

dt

Любой проводник обладает важнейшей характеристикой, обуслов-

ленной столкновениями движущихся электронов с ионами кристаллической решетки металла и называемой сопротивлением проводника. Сопротивление зависит от формы, размеров и вещества проводника. Такая зависимость вычисляется по формуле

R Sl ,

где – удельное сопротивление вещества проводника; l – длина проводника;

S – площадь поперечного сечения проводника.

Кроме того, следует обратить внимание, что с ростом температуры интенсивность колебаний ионов кристаллической решетки металла возрастает, столкновения электронов с ионами решетки становятся более частыми, а средняя скорость <υ> направленного движения электронов падает. А это, как видно из формулы (2.1), приводит к уменьшению силы тока I при тех же значениях концентрации носителей тока n, их заряде е и площади сечения S металлического проводника. Уменьшение силы тока эквивалентно увеличению сопротивления.

Формула зависимости сопротивления металлического проводника от температуры выглядит следующим образом:

 

R=R0(1+

t),

 

(2.2)

где R0

– сопротивление при температуре 0оС;

 

 

R – сопротивление при температуре tоС;

 

 

 

температурный коэффициент сопротивления.

 

Из уравнения (2.2) следует, что

R

R0

.

 

 

R0t

 

 

 

 

 

 

Из этой зависимости уясните физический смысл температурного

коэффициента, который показывает изменение каждой единицы со-

противления при нагревании на 1оС.

 

Следует также помнить, что коэффициент сопротивления

зави-

сит от температуры, но эта зависимость в довольно широком диапазоне температур незначительна.

12

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.