Требования к технике безопасности.

Содержание

 

1. Цель работы
2. Теоретическая часть
2.1 Закон Ома
2.2 Элементарная классическая теория электропроводности металлов
3. Требования к технике безопасности
4. Экспериментальная часть
4.1 Описание установки
4.2 Порядок выполнения работы
4.2.1 Определение неизвестного сопротивления
4.2.2 Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника
5. Контрольные вопросы
Список литературы

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 45

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭДС ИСТОЧНИКА ТОКА

С ПОМОЩЬЮ ЗАКОНА ОМА

Цель работы.

Изучение закона Ома для однородного и неоднородного участков цепи.

Теоретическая часть.

2.1 Закон Ома

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

.

Ток, сила и направление которого с течением времени не изме­няется, называется постоянным. Для постоянного тока

.

Единица силы тока - ампер (A) 1 А = Кл/с. Физическая величина, опре­деляемая силой тока, проходящего через единицу площади поперечного сечения проводника, перпендикулярного направлению тока, называется плотностью тока:

.

Плотность тока - величина векторная. Направление вектора сов­падает с направлением тока. Сила тока через произвольную поверх­ность определяется как поток вектора :

.

Ток возникает при условии, что внутри проводника существует электрическое поле, под действием которого положительные заряды будут смещаться по направлению вектора напряженности поля, от­рицательные - против поля. Таким образом, наличие свободных элек­трических зарядов и электрического поля - два необходимых условия для возникновения тока. Однако, если на носители тока действуют только силы электростатического поля, то происходит перемещение носителей тока (положительных) от точек с большим потенциалом к точкам с меньшим потенциалом, что приводит к выравниванию потенци­алов во всех точках цепи и к исчезновению электрического поля. Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие уст­ройства, способного создавать и поддерживать разность потенциалов за счет работы сил не электрического происхождения. Такие устройст­ва называются источниками тока. Силы не электрического происхожде­ния, действующие на заряды со стороны источника тока, называются сторонними.

Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах они возникают за счет энергии химических реакций между электродами и электролитами; в генераторе - за счет механической энергии вращения ротора генератора и т.д.

Сторонние силы, перемещая электрические заряды против дейст­вия сил электростатического поля, совершают работу. Физическая величина, определяемая работой сторонних сил при перемещении еди­ничного положительного заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС) e, действующей в цепи:

Эта работа совершается за счет энергии, затрачиваемой в источнике тока, поэтому величину e называют также электродвижущей силой источника тока, включенного в цепь.

Работа сторонних сил над зарядом на участке 1-2 равна:

Разделив эту работу на q, получим ЭДС, действующую на данном участке:

Аналогичный интеграл, вычисленный для замкнутой цепи, дает ЭДС, действующую в этой цели:

Таким образом, ЭДС, действующая в замкнутой цепи, может быть определена как циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил.

Кроме сторонних сил, на заряд действуют силы электростатического поля. Следовательно, результирующая сила, действующая в каждой точке цепи на заряд q, равна

.

Работа, совершаемая этой силой над зарядом q на участке цепи 1-2, определяется выражением:

Физическая величина, численно равная работе, совершаемой электростатическими и сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется падением напряжения или просто напряжением U на данном участке цепи.

Разделив последнее соотношение на q, получим:

.

Понятие напряжения является обобщением понятия разности поте­нциалов: напряжение на концах участка цепи равно разности потен­циалов в том случае, если на этом участке не действует ЭДС, то есть сторонние силы отсутствуют.

Участок цепи, на котором не действуют сторонние силы, называется однородным. Для однородного участка цепи

,

то есть напряжение совпадает с разностью потенциалов на концах участка. Согласно закону Ома для однородного участка цепи:

, (2.1)

где R - электрическое сопротивление проводника. Величина G = 1/Rназывается электрической проводимостью проводника.

Сопротивление проводника зависит от его размеров и формы, а также от материала, из которого изготовлен проводник. Для цилинд­рического проводника сопротивление определяется соотношением

, (2.2)

где r - удельное электрическое сопротивление, - длина провод­ника, S - площадь его поперечного сечения. Соотношение (2.1) представляет собой закон Ома в интегральной форме.

Закон Ома можно представить в дифференциальной форме. Подста­вив в выражение (2.1) соотношение (2.2), получим

. (2.3)

Величина s = 1/r носит название удельной электрической проводимости вещества. Учитывая, что напряженность электрического поля в проводнике, a - плотность тока, соотношение (2.3) можно представить в виде

. (2.4)

Последнее выражение представляет собой закон Ома в дифференциаль­ной форме, связывающий плотность тока в любой точке внутри про­водника с напряженностью электрического поля в этой же точке. В случае неоднородного участка цепи в последнем соотношении под понимается суммарная напряженность электростатического поля и эле­ктрического поля сторонних сил.

2.2. Элементарная классическая теория электропроводности металлов.

Основателями классической электронной теории проводимости металлов являются Друде и Лоренц, которые, основываясь на экспе­риментальных данных, предполагали, что внутри пространственной ре­шетки, образованной ионами металла, имеется значительное количест­во свободных электронов. Участвуя в тепловом движении, электроны образуют как бы электронный газ, заполняющий пространство между ионами, и ведут себя подобно молекулам идеального газа. В отсутст­вие электрического поля электроны перемещаются в проводнике с неко­торой средней скоростью . В промежутке между соударениями они движутся свободно, пробегая путь (средняя длина свободного про­бега), Однако, в отличие от молекул идеального газа, длина свобод­ного пробега электронов определяется не соударениями их друг с другом, а столкновениями с ионами кристаллической решетки металла.

При включении электрического поля на хаотическое движение электронов со скоростью накладывается упорядоченное перемеще­ние зарядов в направлении электрического поля, происходящее со скоростью . Таким образом, скорость электронов будет равна и средняя скорость зарядов определяется как

,

так как (тепловое движение - хаотическое).

Со стороны электрического поля на электроны действует сила поэтому в промежутке между двумя столкновениями с ионами кристаллической решетки, электроны движутся с постоянным ускорением, равным , и к концу пробега приобрета­ют скорость .

При соударении с ионом вся приобретенная электроном энергия передается иону, и скорость электрона при этом падает до нуля. Ес­ли - время между двумя последовательными соударениями элек­трона с ионами решетки, то

.

Так как ,то

.

Скорость направленного движения электронов изменяется за вре­мя пробега линейно. Поэтому среднее значение ее равно половине максимального:

.

Направленное движение электронов образует ток, плотность которого равна

,

где n - число электронов в единице объема. Плотность тока оказа­лась пропорциональной напряженности поля, то есть, мы получили за­кон Ома в дифференциальной форме (2.4)

,

где - удельная электрическая проводимость металла.

 

Требования к технике безопасности.

3.1 Прежде чем приступить к работе, внимательно ознакомьтесь с электрической схемой, оборудованием и заданием.

3.2 Перед включением установки в сеть проверьте, чтобы тумб­леры "сеть" в источниках питания находились в положении "выкл.".

3.3 По окончании работы отключите питание установки и приве­дите в порядок рабочее место.

3.4 Не оставляйте без присмотра лабораторную установку.

Экспериментальная часть.

4.1 Описание установки

Электрическая схема установки изображена на рисунке 4.1. Ус­тановка включает в себя набор источников напряжения e₁, e₂, e₃, набор известных сопротивлений R₁, R₂, R₃, R₄, R₅, известное сопротивление R_X и электроизмерительные приборы

R1 = 590 Ом R2 = 360 Ом R3 = 160 Ом R4 = 60 Ом R5 = 24 Ом

Рис. 4.1

 

4.2 Порядок выполнения работы

4.2.1 Определение неизвестного сопротивления

1.Установить пределы измерений тока и напряжения 500 mA и 50 В, для чего нажать соответствующие кнопки на панели прибора.

2. Включить прибор, для чего повернуть ручку 1 на панели прибо­ра вправо в положение "источник 1", ручку "нагрузка" поставить в положение 5 (к схеме подключено сопротивление R₅).

3. Снять показания амперметра и вольтметра и по закону Ома для однородного участка цепи найти неизвестное сопротивление R_x. Дан­ные занести в таблицу 7.1.

4. Аналогично провести измерения R_x при включенных источниках 2,3. Данные занести в таблицу 4.1.

5. Рассчитать среднее значение R_x, а также относительную и абсо-лютную погрешности измерения R_x. Класс точности приборов g = 0,5.

Таблица 4.1

Источник	R(Ом)	J(A)	U(B)	Rx (Ом)	Rxcp (Ом)	DRx(Ом)

 

4.2.2 Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника.

1. Включить источник 1. Последовательно подключать к схеме сопротивления R₁, R₂, R₃, R₄, R₅, измеряя каждый раз ток в цепи. Данные занести в таблицу 4.2.

Таблица 4.2

Нагрузка	J (A)
	Источник 1	Источник 2	Источник 3
R1
R2
R3
R4
R5

 

2. Взять пару любых комбинаций сопротивлений R₁, R₂, R₃, R₄, R₅, например, R₁ и R₂, записать дважды закон Ома и решить подученную систему уравнений относительно e₁ и r₁:

и .

3. Взять другие пары сопротивлений и рассчитать при этих сопротивлениях значения e₁ и r₁. Всего получить не менее трех значений e₁ и r₁, усреднить полученные значения и занести их таблицу 4.3.

Таблица 4.3

e1	e2	e3	r1	r2	r3

4. Проделать то же самое для источников 2,3. Данные занести в таблицу 4.3.

5. Рассчитать относительную погрешность измерений.

 

Контрольные вопросы

1. Какая физическая величина называется силой тока, плотностью тока? Каковы единицы их измерения?

2. Какие условия необходимы для поддержания тока в цени?

3. Дайте определение электродвижущей силы источника. В каких единицах она измеряется?

4. Что называется напряжением на данном участке цепи?

5. Как формулируется закон Ома для однородного участка цепи, для неоднородного участка?

6. От каких величин зависит сопротивление проводника? Запиши­те формулу для сопротивления.

7. Каковы основные положения классической теории электропро­водности металлов?

8. Как записывается закон Ома в дифференциальной форме?

 

Список литературы

1. Савельев И. В. Курс общей физики. Кн. 2 - М.: Наука, 1998, 336 с.

2.Трофимова Т.Н. Курс физики. - М.: Высшая школа, 1988, 512 с.

Составитель Хайретдинова А.К.