МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Егорьевский технологический институт (филиал)

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

(ЕТИ ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»)

Факультет технологии и управления производствами

Кафедра естественнонаучных дисциплин

Изучение законов Кирхгофа

Методические указания к выполнению лабораторной работы

ЕТИ. Ф.ЛР.07.

г. Егорьевск 2014

Составители: _____________ В.Ю. Никифоров, ст. преподаватель ЕНД

В методических указаниях даны основные определения электродинамики: электрический ток, сила тока, плотность тока, электродвижущая сила, напряжение, сопротивление проводников, электрическая проводимость, удельное электрическое сопротивление, удельная электрическая проводимость, рассмотрены: понятие сторонних сил, температурная зависимость сопротивления, закон Ома для однородного и неоднородного участков цепи в интегральной и дифференциальной форме, основные методы расчета электрических цепей с помощью правил Кирхгофа.

Методические указания предназначены для студентов 1 курса, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров: 151900 Конструкторско-технологическое обеспечение автоматизированных машиностроительных производств, 220700 Автоматизация технологических процессов и производств, 280700 Техносферная безопасность для лабораторных работ по дисциплине "Физика".

Методические указания обсуждены и одобрены на заседании учебно-методической группы (УМГ) кафедры ЕНД

(протокол № ___________ от __________г.)

Председатель УМГ _____________ Г.Г Шабаева

Изучение законов Кирхгофа

1. Цель работы:

Приобретение навыков практической работы с электроизмерительными приборами, освоение методов расчета электрических цепей.

2 Оборудование и материалы:

• два источника постоянного напряжения,

• набор сопротивлений,

• амперметр,

• вольтметр,

• соединительные провода.

3 Содержание работы

3.1 Изучить теоретический материал.

3.2 Произвести теоретический расчет тока и напряжения предложенной схемы.

3.3 Собрать схему.

3.4 Произвести измерения тока и напряжения при различных параметрах цепи.

3.5 Сравнить результаты измерений с результатами теоретических расчетов.

3.6 Вычислить погрешности.

3.7 Оформить отчет.

4 Теоретические сведения к работе

4.1 Основные понятия электродинамики: Электрический ток, сила и плотность тока

В электродинамике – разделе учения об электричестве, в котором рассматриваются явления и процессы, обусловленные движением электрических зарядов или макроскопических заряженных тел, важнейшим понятием является понятие электрического тока.

Электрическим током называется любое упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов. Если в проводнике поддерживать внешнее электрическое поле , то в нём свободные электрические заряды начнут перемещаться: положительные — по полю, отрицательные — против поля (рисунок 1, а), т. е. в проводнике возникает электрический ток, называемый током проводимости. Если же перенос электрических зарядов осуществляется при перемещении в пространстве заряженного макроскопического тела (рисунок 1,6), то возникает так называемый конвекционный ток.

Рисунок 1 Иллюстрация понятия «электрический ток»

Для возникновения и существования электрического тока необходимо, с одной стороны, наличие свободных носителей тока — заряженных частиц, способных перемещаться упорядоченно, а с другой — наличие электрического поля, энергия которого, каким-то образом восполняясь, расходовалась бы на их упорядоченное движение. За направление тока условно принимают направление движения положительных зарядов.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока I — скалярная физическая величина, определяемая электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени:

(1)

Ток, сила и направление которого не изменяются со временем, называется постоянным. Для постоянного тока

I=Q/t (2)

где Q — электрический заряд, проходящий за время t через поперечное сечение проводника. Единица силы тока — ампер (А). Для установления этой единицы используют магнитное действие тока. Оказывается, что проводники, по которым текут параллельные одинаково направленные токи, притягиваются друг к другу. Это притяжение тем сильнее, чем больше длина этих проводников и меньше расстояние между ними. За 1 ампер принимают силу такого тока, который вызывает между двумя тонкими бесконечно длинными параллельными проводниками, расположенными в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга, притяжение силой 0,0000002 Н на каждый метр их длины.

Физическая величина, определяемая силой тока, проходящего через единицу площади поперечного сечения проводника, перпендикулярного направлению тока, называется плотностью тока:

j = I/S. (3)

Плотность тока — вектор, ориентированный по направлению тока, т. е. направление вектора совпадает с направлением упорядоченного движения положительных зарядов. Единица плотности тока - ампер на метр в квадрате (А/м²). Выразим силу и плотность тока через скорость <> упорядоченного движения зарядов в проводнике. Если концентрация носителей тока равнаn и каждый носитель имеет элементарный заряд е (что не обязательно для ионов), то за время dt через поперечное сечение S переносится заряд dQ = ne<>Sdt. Сила тока

, (4)

а плотность тока

(5)

Сила тока сквозь произвольную поверхность S определяется как поток вектора , т. е.

(6)