хз. Лабораторная работа 303 цепи постоянного тока цель работы

• Название: Лабораторная работа 303 цепи постоянного тока цель работы
• Дата: 13.10.2022
• Размер: 46.16 Kb.
• Имя файла: 303.docx
• Тип: Лабораторная работа; #732593

Лабораторная работа №303

ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Цель работы:

• 
  знакомство с компьютерным моделированием цепей постоянного тока с помощью виртуальной модели
  

• 
  экспериментальное подтверждение законов Ома и Кирхгофа с помощью виртуальной модели.
  

Приборы и принадлежности:

• 
  персональный компьютер
  
• 
  компьютерные модели «Открытая физика 1.1».
  

Краткая теория

Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц или заряженных макроскопических тел. Различают токи проводимости и конвекционные токи.

Упорядоченное движение свободных электронов в металле и ионов в жидкости под действием электрического поля принято называть током проводимости. Направление движения положительных зарядов в проводнике определяет направление тока.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока. Сила тока– скалярная физическая величина I, равная отношению заряда dq, переносимого при электрическом токе сквозь рассматриваемую поверхность S за малый промежуток времени, к длительности dt этого промежутка

.

В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах (А).

Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным.

Экспериментально установлено, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику, пропорциональна напряжению U на концах проводника (закон Ома):

, (1)

где R – сопротивление проводника. Уравнение (1) отражает закон Ома для однородного участка цепи (не содержащего источника тока). В международной системе единиц СИ сопротивление измеряется в омах (Ом). 1 Ом – сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1В течет постоянный ток 1А.

Сопротивление проводников зависит от его размеров и формы, а также от материала, из которого он изготовлен. Для однородного линейного проводника сопротивление Rпрямо пропорционально его длине l и обратно пропорционально площади его поперечного сечения S:

,

где ρ – удельное электрическое сопротивление, характеризующее материал проводника. Единица измерения удельного электрического сопротивления Ом∙м.

Рассмотрим неоднородный участок цепи, в котором действует источник тока – устройство, способное создавать и поддерживать разность потенциалов за счет работы сил неэлектрического происхождения (сторонних сил). Природа сторонних сил может быть различна. В генераторах электрического тока разделение зарядов осуществляется силами магнитного поля, в гальванических элементах и аккумуляторах – химическими и т.д.

Физическая величина, измеряемая работой сторонних сил при переносе ими единицы положительного заряда в цепи, называется электродвижущей силой (ЭДС) источника тока

.

В Международной системе единиц СИ ЭДС источника тока измеряется в вольтах (В).

Закон Ома для неоднородного участка цепи в интегральной форме, который является обобщенным законом Ома, представляет собой:

, (2)

где I– сила тока, φ₁, φ₂ – разность потенциалов на концах участка, ε – ЭДС, R – сопротивление внешнего участка цепи, r – внутреннее сопротивление цепи.

Если электрическая цепь замкнута, то , тогда закон Ома имеет вид:

. (3)
Обобщенный закон Ома позволяет рассчитать практически любую сложную цепь. Однако непосредственный расчет разветвленных цепей, содержащих несколько замкнутых контуров, представляет определенную сложность. Эта задача решается с помощью законов Кирхгофа. Законы Кирхгофа для разветвленной цепи (разветвленная цепь – электрическая цепь, содержащая узлы – места, где сходятся не менее трех проводников):

а) По первому закону Кирхгофа – алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю . Токи, приходящие к узлу, считаются положительными, а токи, отходящие от узла, отрицательными.

б) Второй закон Кирхгофа: в замкнутом контуре алгебраическая сумма произведений токов в участках на сопротивление этих участков равна алгебраической сумме электродвижущих сил, включенных в данный контур

,

где – алгебраическая сумма сил токов, сходящихся в узле; – алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивления замкнутых участков; – алгебраическая сумма ЭДС источников тока на замкнутом участке цепи.

При расчете сложных цепей постоянного тока с применением правил Кирхгофа необходимо:

1. 
   Выбрать произвольное направление токов на всех участках цепи.
   
2. 
   Выбрать направление обхода контура; произведение положительно, если ток на участке совпадает с направлением обхода, и, наоборот; ЭДС, действующие по выбранному направлению обхода (перемещение происходит внутри источника тока от катода к аноду), считаются положительными.
   
3. 
   Составить столько уравнений, чтобы их число было равно числу неизвестных электрических величин; каждый рассматриваемый контур должен содержать хотя бы один элемент, не содержавшийся в предыдущих контурах.
   

Порядок выполнения лабораторной работы

1. На экране монитора выберите раздел «Электричество и магнетизм», затем «Цепи постоянного тока».

Рис. 1

2. Соберите в окне «Цепи постоянного тока» на экране монитора эквивалентную цепь. Для этого переместите маркер мыши в нижнюю часть окна, щелкните левой кнопкой мыши на кнопку источника тока. Переместите маркер мыши на рабочую часть окна и расположите источники тока как показано на рис. 1.

3. Аналогично разместите другие элементы цепи (резисторы, амперметры, вольтметр и соединительные провода), предварительно нажав в нижней части окна соответствующую кнопку.

4. Установите значения ЭДС источников тока и сопротивления резисторов, указанные в таблице 1 для Вашей бригады. Для этого щелкните в нижней части окна левой кнопкой мыши на кнопку со стрелкой. Подведите маркер мыши к движку появившегося регулятора, нажмите левую кнопку и, удерживая ее, меняйте величину данного параметра.

5. Установите сопротивление резистора нагрузки R=1Ом. Измерьте значения всех токов и напряжение на нагрузке (щелкнув мышью на кнопку «Счет») и запишите их в таблицу 2. Меняя сопротивление R каждый раз на 1 Ом, повторите измерения еще 5 раз. Полученные значение силы токов и напряжение запишите в таблицу 2.

6. Рассчитайте значения силы токов, используя правила Кирхгофа, и запишите в таблицу 3.
Таблица 1
Значения ЭДС источников тока и сопротивления резисторов

(не перерисовывать)

Бригада	1	2	3	4	5	6	7	8
ε 3 [В] ε 2 [В] ε3 [В]	3 7 -2	4 -3 -8	3 6 -4	6 -2 -8	-6 5 8	5 8 -4	-4 6 -7	8 -4 6
R1 [Ом] R2 [Ом] R3 [Ом]	2 1 1	1 3 1	2 1 2	1 1 2	2 1 1	1 2 1	1 1 2	1 3 1

Таблица 2

Результаты измерений

R [Ом]	I1 [A]	I2 [A]	I3 [A]	I [A]	U [B]
1
2
3
4
5
6

Таблица 3

Результаты расчета

R [Ом]	I1 [A]	I2 [A]	I3 [A]	I [A]
1
2
3
4
5
6

Контрольные вопросы

1. 
   Дайте определение электрического тока.
   
2. 
   Дайте определение силы тока, напишите единицы измерения силы тока.
   
3. 
   Дайте определение электродвижущей силы источника тока и раскройте физический смысл ЭДС.
   
4. 
   Сформулируйте закон Ома для однородного участка цепи.
   
5. 
   Сформулируйте закон Ома для неоднородного участка цепи.
   

Сформулируйте законы Кирхгофа для разветвлённых цепей