Ч.2. Электричество и магнетизм (1). Электри ество и магнетизм

• Название: Электри ество и магнетизм
• Дата: 26.03.2022
• Размер: 1.23 Mb.
• Имя файла: Ч.2. Электричество и магнетизм (1).docx
• Тип: Руководство; #417361
• страница: 9 из 15

Лабораторная работа № 3.4 ЗАКОН ОМА ДЛЯ НЕОДНОРОДНОГО УЧАСТКА ЦЕПИ

3.4.1. Цель работы

Целью работы является знакомство с компьютерным моделированием цепей постоянного тока и экспериментальное подтверждение закона Ома для неоднородного участка цепи.

3.4.2. Краткая теория

Электрический ток – это направленное движение электрических зарядов.

Сила тока – скалярная физическая величина, численно равная заряду, перенесённому через поперечное сечение проводника в единицу времени,

I  ^dq . (3.4.1) dt

Однородный участок цепи – такой участок, где на свободные электрические заряды действуют только силы электрического поля.

Закон Ома для однородного участка цепи в интегральной форме: сила тока, текущего по однородному металлическому проводнику, прямо пропорциональна разности потенциалов на концах участка и обратно пропорциональна сопротивлению проводника R .

¹ ² . (3.4.2)

I  R

Удельное сопротивление ρ – это сопротивление проводника длиной 1 м и площадью сечения 1 м².

R  ^l . (3.4.3)

S

Закон Ома для однородного участка цепи в дифференциальной форме: плотность тока j в данной точке проводника пропорциональна напряжённости 

E электрического поля в этой же точке



^j  ^E . (3.4.4)



Резистором называется устройство, обладающее заданным постоянным сопротивлением.

Реостатом называется переменное сопротивление.

Неоднородный участок цепи – такой участок, где на свободные электрические заряды одновременно действуют как силы электрического поля, так и сторонние силы.

Сторонние силы – силы, разделяющие заряды в проводниках.

На рис. 3.4.1 изображен неоднородный участок цепи (содержит источник тока).

R₁₂ 

2



 I12 

Рис. 3.4.1. Неоднородный участок цепи

По закону Ома для неоднородного участка цепи, сила тока прямо пропорциональна напряжению на этом участке и обратно пропорциональна его полному сопротивлению:

I  (1 2 12) U12 , (3.4.5)

R R

где φ₁ и φ₂ – потенциалы концов участка;

₁₂ – ЭДС, действующая на данном участке;

U₁₂ – напряжение на участке 1–2;

R – полное сопротивление цепи, равное сумме внешнего сопротивления R₁₂ и внутреннего сопротивления r источника тока.

Разность потенциалов φ₁ – φ₂ характеризует работу силы электрического поля по переносу единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2.

ЭДС характеризует работу сторонних сил по переносу единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2.

Совместную работу сил электрического поля и сторонних сил на участке цепи 1–2 характеризуют напряжением на этом участке U₁₂.

Применяя закон Ома для неоднородного участка цепи, необходимо помнить о правиле выбора знаков: произведение IR следует брать со знаком «+», если направление обхода совпадает с направлением тока на этом участке; ЭДС ₁₂ будет иметь знак «+», если её направление (от минуса к плюсу) совпадает с направлением обхода. При этом надо иметь в виду, что вольтметр, подключённый к концам любого участка цепи, будет показывать разность потенциалов между точками подключения прибора, направление отклонения стрелки прибора будет определяться параметрами внешней цепи.

Таким образом, закон Ома для полной цепи можно записать в виде:

I ^{V 12} , (3.4.6)

R  r

где r – внутреннее сопротивление источника тока; V – показание вольтметра.

3.4.3. Порядок выполнения работы

Запустите программу «Открытая физика 1.1». Выберите «Электричество и магнетизм» и «Цепи постоянного тока». Нажмите вверху внутреннего окна кнопку с изображением страницы. Прочитайте краткие теоретические сведения. Закройте окно теории, нажав кнопку с крестом в правом верхнем углу внутреннего окна.

В данной лабораторной работе изучается модель электрической цепи, содержащей на одном из своих участков источник электродвижущей силы (ЭДС). На этом участке, в зависимости от соотношений между параметрами цепи, разность потенциалов между его крайними точками может менять знак, переходя через 0.

1. Соберите на экране опыта замкнутую цепь, показанную на рис. 3.4.2. В компьютерной модели ЭДС источников тока обозначены буквой E, а в теоретической части – .



Рис. 3.4.2. Замкнутая цепь с одним источником ЭДС

Для этого сначала щелкните левой кнопкой мыши на кнопке ЭДС в нижней части экрана, где находятся элементы сборки цепи. Переместите маркер мыши на рабочую часть экрана и щелкните левой кнопкой мыши между точками, где должен быть расположен источник ЭДС.

Далее, аналогичным образом, разместите последовательно с источником резисторы, выполняющие функции его внутреннего сопротивления r и сопротивления неоднородного участка R₁ ,нажав предварительно кнопку . Над участком цепи расположите вольтметр , измеряющий разность потенциалов на этом неоднородном участке. Затем расположите резистор нагрузки (реостат) и последовательно соединенный с ним амперметр .

Соедините все указанные приборы в замкнутую цепь. Для этого нажмите кнопку соединительного провода внизу экрана, после чего переместите маркер мыши в рабочую зону схемы. Щелкайте левой кнопкой мыши между точками в необходимых местах рабочей зоны и сформируйте замкнутую цепь

(см. рис. 3.4.2).

2. 
   Заполните таблицу регулируемых величин (см. с. 6).
   
3. 
   Установите заданные значения электродвижущей силы Е₁, сопротивлений R₁ и r. Для этого щелкните левой кнопкой мыши по кнопке со стрелкой . Затем щелкните на нужном элементе. Подведите маркер мыши к движку появившегося регулятора, нажмите на левую кнопку мыши и, удерживая ее в нажатом состоянии, установите значения, указанные в табл. 3.4.1 для вашей бригады. Запишите установленные значения в табл. 3.4.2.
   
4. 
   Установите сопротивление реостата R = 1 Ом. Щелкните мышью по кнопке «Счет» и запишите в табл. 3.4.2 показания амперметра А (сила тока I) и вольтметра V (разность потенциалов V).
   
5. 
   Увеличивая сопротивление реостата R каждый раз на 1 Ом, повторите измерения силы тока и разности потенциалов по п. 4 и заполните табл. 3.4.2.
   

Таблица 3.4.1

Значение ЭДС (E₁), внутреннего сопротивления источника (r) и R₁

Номер бригады	1	2	3	4	5	6	7	8
E1, В	4,5	5,0	5,5	6,0	6,5	7,0	7,5	8,0
r, Ом	1,0	1,2	1,4	1,6	1,8	2,0	2,2	2,4
R1, Ом	8,0	7,5	7,0	6,5	8,5	9,0	9,5	10,0

Таблица 3.4.2

Результаты измерений

Номер измерения	E1=____В, R1 =____Ом, r =____Ом
	R, Ом	V, В	I, А
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

3.4.4. Обработка результатов измерений

1. 
   Постройте график зависимости показаний вольтметра V (ось ординат) от силы тока I (ось абсцисс).
   
2. 
   Продолжите график до пересечения с осью ординат и определите экспериментальное значение ЭДС (Е₁) источника тока (Е₁ = V, если I = 0). Сравните полученное значение со значением, указанным в табл. 3.4.1 для вашей бригады.
   
3. 
   По тангенсу угла наклона прямой (см. с. 7) определите полное сопротивление участка по формуле
   

V

Rполн  R1  r  I (3.4.7)

и сравните полученные значения со значениями, заданными в табл. 3.4.1.

4. 
   Рассчитайте среднюю абсолютную и относительную погрешности измерений ЭДС полного сопротивления R_полн и запишите окончательный результат (см. с. 8).
   

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. 
   Что называется электрическим током?
   
2. 
   Что такое сила тока?
   
3. 
   Какой участок цепи называется однородным и неоднородным?
   
4. 
   Сформулируйте и запишите закон Ома для однородного участка цепи в интегральной форме.
   
5. 
   Сформулируйте закон Ома для однородного участка цепи в дифференциальной форме.
   
6. 
   Что называется удельным сопротивлением проводника?
   
7. 
   Что называется сторонней силой? Какова её природа?
   
8. 
   Закон Ома для неоднородного участка цепи.
   
9. 
   Дайте определение понятий: разность потенциалов, ЭДС источника тока, напряжение на участке цепи.
   

4. МАГНЕТИЗМ