Работа 1. Закон Ома для однородного и неоднородного участков цепи постоянного тока

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: экспериментальная проверка справедливости закона Ома в цепи

постоянного тока.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

 

В металлических проводниках валентные электроны не связаны с определенными атомами и хаотически движутся между узлами кристаллической решетки - положительными ионами металла.

Если создать в проводнике электрическое поле, то наряду с хаотическим возникает направленное движение электронов – ток проводимости.

Характеристики тока - сила тока I и напряжение U на участке цепи постоянного тока связаны законом Ома: U (1)

где 1/R=G - э лектропроводность участка цепи, которая зависит от материала, формы, размеров и температуры.

Чтобы сила тока I в цепи оставалась постоянной, необходимо поддерживать электрическое поле, которое ослабевает в результате направленного перемещения зарядов.

Устройство, называемое источником тока, создает электрическое поле и поддерживает его постоянным, осуществляя перенос электрических зарядов против электростатических сил. Такой перенос может производиться только силами не электростатического происхождения. Эти силы обобщенно называются сторонними. Сторонние силы могут возникать за счет механических, химических, тепловых, электромагнитных или других процессов в источнике тока. Величину сторонних сил характеризуют электродвижущей силой - эдс e, которая равна работе сторонних сил по переносу электрических зарядов, деленной на значение перенесенного заряда:

e (2)

Различают два вида участков цепи: 1) 1однородный или пассивный без источников тока,

2) неоднородный или активный, где есть источники тока. Напряжение на любом участке цепи равно суммарной работе по перемещению зарядов, деленной на значение перемещенного заряда.

Для однородного участка суммарная работа равна только работе сил электростатического поля и напряжение равно разности потенциалов поля начала и конца участка:

 

U = j_нач. - j_кон.

На неоднородном участке к работе электростатических сил надо прибавить работу сторонних сил в источнике тока.

В общем случае под напряжением участка цепи постоянного тока понимают разность потенциалов начала и конца участка, сложенную алгебраически с эдс источников тока на данном

 

участке: U = j_нач. - j_кон. ± e (3)

Значение эдс берут со знаком "+", если при движении от начала участка к концу проходим, источник от отрицательной клеммы к положительной, значение эдс берут со знаком "-", если внутри источника идем от положительной клеммы к отрицательной.

а) б)

 

 

Рис.1

 

Для измерения напряжения на каком-либо участке параллельно ему включают вольтметр (рис.1). Что показывает вольтметр? Являясь однородным участком цепи, вольтметр показывает напряжение на этом участке, т. е. на себе самом, или разность потенциалов точек, между которыми он включен.

Согласно закону Ома (1) напряжение на любом участке равно

 

U = I R (4)

 

где R - общее сопротивление данного участка. Сила тока величина алгебраическая, она берется со знаком "+", если ток направлен от начала к концу участка; если направление тока - от конца участка к началу, то со знаком "-".

Если параллельные ветви цепи представляют собой однородные участком (рис.1а), то напряжения на них будут одинаковы:

 

U₁₂ = I R = j₁ - j₂; U_v = I_v R_v = j₁ - j₂; U₁₂ = U_v

В случае, когда одна (или несколько) из ветвей цепи - неоднородный участок (1-2-3 на рис.1б), то напряжение на таком участке отличается от показаний вольтметра на значение эдс в большую или меньшую сторону в зависимости от включения источника тока. Для участка 1-2-3 напряжение U₁₃ будет меньше показания вольтметра:

 

U₁₃ = I (R + r) = j₁ - j ₃ - e = U_v - e

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

1. Собирают электрическую цепь, схема которой дана на рис.2. Для получения однородных участков 1-3, 1-4 и 1-5 точки 2 и 3 замыкают проводником. Для получения неоднородных участков 1-3, 1-4 и 1-5 между точками 2 и 3 включают гальванический элемент с эдс e и внутренним сопротивлением r.

В качестве амперметра mA и вольтметра V используют цифровые приборы Щ4313. Резисторами R ₁, R₂ и R₃ являются магазины сопротивлений типа Р-32. Значения сопротивлений задает преподаватель.

 

 

Рис.2

 

2. Проводят измерения силы тока и напряжения на однородных и затем на неоднородных участках цепи 1-3, 1-4 и 1-5.

3.Вместо проводника между точками 2 и 3 включают гальванический элемент (ЭДС и внутреннее сопротивление r элемента определяют с помощью комбинированного цифрового прибора Щ 4313 перед подключением в цепь). Участки 1-3, 1-4, 1-5 становятся неоднородными.

4. Проводят измерения силы тока и разности потенциалов , , на неоднородных участках при двух разных подключениях элемента.

 

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ.

 

Вариант 1.

1. Рассчитывают по закону Ома значения силы тока во всех случаях и, сравнив с экспериментальными данными, делают вывод о справедливости закона Ома.

 

Вариант 2

1. По полученным результатам найдите разности потенциалов и . По закону Ома найдите теоретические значения сопротивлений R₁,R_2, R_3, считая значения силы тока известными из опыта. Сравните полученные значения сопротивлений с экспериментальными.

2. Ток на всех участках последоватедьной цепи одинаков,т.к. нет разветвлений. Из закона Ома для поледовательной цепи следует, что отношение = I= const для всех участков. Например,

Проверьте справедливость этого утверждения.

 

Результаты измерений и расчета по закону Ома желательно представить таблицей, удобной для последующего обсуждения.

Расчет погрешности экспериментального значения силы тока I проводится по формуле

D I = I , (5)

где U и R - погрешности измерений инапряженя U и сопротивления R участков цепи.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Что называется силой тока? плотностью тока? Каковы единицы их измерения?

2. Назовите условия существования электрического тока?

3. В чем заключается физический смысл электродвижущей силы, действующей в цепи?

напряжения? разности потенциалов?

4. Какова связь между удельным сопротивлением и удельной проводимостью? Каковы их

единицы измерения?

5. Запишите и проанализируйте обобщенный закон Ома (закон Ома для неоднородного участка цепи). Какие частные законы можно из него получить?

6. Сформулируйте правила Кирхгофа. Для конкретной разветвленной цепи составьте уравнения, выражающие правила Кирхгофа.

 

ЛИТЕРАТУРА:[ 2, § 33-35]