Лабораторна робота № 9 (13)

ВИМІРЮВАННЯ СИЛИ ЗМІННОГО СТРУМУ, ПОТУЖНОСТІ І ВЕЛИЧИНИ ОПОРУ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЛАМПИ

Мета роботи: Навчитися вимірювати силу змінного струму, потужність та величину опору електричної лампи за допомогою амперметра і вольтметра.

Прилади і приладдя: джерело змінного струму (автотрансформатор), вольтметр, амперметр, ключ замикання струму, з’єднувальні провідники, лампа розжарювання.

Література

1. Грабовский Р.И. Курс физики: Учеб. пособие для с.-х. ин-тов. – М., 1979. – 552 с.

2. Розумнюк В.Т., Якименко І.Л. Фізика. Основні поняття, явища і закони. – Біла Церква, 2004. – 71 с.

Електричний струм – це направлений рух заряджених частинок. Наприклад, у металевих провідниках електричний струм являє собою направлений рух електронів, що вільні від зв’язку з атомами металу.

Для того, щоб по провіднику 3 (рис. 9.1) електрони рухалися у певному напрямку, потрібно його кінці під’єднати до двох провідників (1, 2), один з яких заряджений позитивно до потенціалу φ₁, а другий –негативно до потенціалу φ₂.

Внаслідок відштовхування електро-нів від провідника 2 і притягання їх до провідника 1 вони рухаються в провіднику 3 у напрямку 2 → 3 → 1. Для характеристики струмів користуються поня-

ттям сили струму І. Рис. 9.1.

Cила струму І – це фізична величина, що чисельно дорівнює величині електричного заряду, що проходить через поперечний переріз провідника за одиницю часу.

Якщо за час t через поперечний переріз провідника переноситься заряд q, то:

І = . (1)

Сила струму вимірюється в Амперах (А).

Сила струмудорівнює 1 А, якщо за 1 секунду через поперечний переріз провідника переноситься заряд, рівний 1 кулону (1 Кл).

Електричний струм називається постійним, коли напрямок і сила струму І у провіднику з часом не змінюються; у протилежному випадку електричний струм називається змінним.

Струм у провіднику 3 не припиниться, якщо провідники 1 і 2 (рис. 9.1) є частиною деякого пристрою, який підтримує незмінність зарядів цих провідників. Такі пристрої називають джерелами струму (генераторами), а провідники 1 і 2 – полюсами (клемами) джерела струму.

Характеристикою джерел струму слугує поняття електрорушійної сили.

Електрорушійною силою Є джерела струму називаютьроботу, яку виконують сторонні електророздільні сили для переміщення одиничного заряду між його полюсами.

Є = , (2)

де А – робота сторонніх електророздільних сил, q – величина електричного заряду.

Робота сторонніх електророздільних сил А складається з роботи А₁ проти сил електричного поля і роботи А₂ з подолання опору матеріалу генератора рухові зарядів у ньому А = А₁ + А₂. Робота А₁ проти сил електричного поля виконується для переміщення в генераторі негативних зарядів до негативного полюса, а позитивних – до позитивного і вона дорівнює:

А₁ = q(φ₁ – φ₂).

Тоді повна робота А сторонніх сил є:

А = А₁ + А₂ = q(φ₁ – φ₂) + А₂. (3)

Підставляючи формулу (3) у формулу (2) маємо:

Є = (φ₁ – φ₂) + . (4)

Якщо клеми генератора не замкнуті зовнішнім електричним колом, то електророздільні сили не переміщують заряди в генераторі, а лише підтримують незмінність потенціалів φ₁ та φ₂ і А₂ = 0. Тоді, згідно з формулою (4):

Є = (φ₁ – φ₂), або Є = U. (5)

Електрорушійна сила Є дорівнює різниці потенціалів між розімкнутими полюсами джерела струму.

Напругою U джерела струму називається різниця потенціалів на полюсах джерела струму, замкненого електричним ланцюгом. Електрорушійна сила Є і напруга U вимірюються у вольтах (В).

Під дією зовнішнього електричного поля вільні електрони впорядковано рухаються. При цьому вони зштовхуються з іонами металу, внаслідок чого швидкість електронів зменшується. Властивість провідників перешкоджати направленому рухові зарядів називають опором R.

Встановлено, що величина опору залежить від форми, розмірів провідника та від речовини, з якої він виготовлений. Німецький фізик Георг Ом встановив:

Величина опору провідника прямо пропорційна його довжині l та обернено пропорційна площі S його поперечного перерізу, тобто:

R = ρ , (6)

де ρ – питомий опір провідника, який залежить від властивостей речовини і температури. Одиницею вимірювання питомого опору є Ом·м. Питомий опір – це опір провідника, який має довжину 1 м і площу поперечного перерізу 1 м².

Силу струму в провіднику визначають, користуючись експериментально встановленим законом Ома для ділянки кола.

Cила струму І в провіднику прямо пропорційна падінню напруги U на кінцях провідника і обернено пропорційна його опору R.

І = . (7)

Із формули (7) визначимо опір провідника:

R = . (8)

Одиницею вимірювання опору є Ом.

1 Ом – це опір такого провідника, по якому проходить струм силою в 1 ампер, якщо падіння напруги на ньому дорівнює 1 вольту.

Робота А з переміщення заряду q в електричному полі:

А = q(φ₁ – φ₂) = qU. (9)

Оскільки q = Іt (із рівняння (1), то А = ІtU, а з урахуванням закону Ома:

А = ІtU = . (10)

Потужність Р електричного струму – це робота електричного струму за одиницю часу.

Р = . (11)

Враховуючи формулу (10), маємо:

Р = ІU = . (12)

Робота електричного струму вимірюється у джоулях, а потужність – у ватах.

Для змінного струму, коли в колі наявний індуктивний або ємнісний опір, при вимірюванні потужності використовується наступна формула:

Р = U I cos , (13)

де – зсув фази між напругою і силою струму.

Якщо в електричному ланцюзі змінного струму наявний тільки активний опір, то зміна сили струму і напруги співпадають за фазою, і для обчислення опору, роботи, потужності використовуємо формули (8), (10), (12).

 

Порядок виконання роботи

1.Ознайомитися з електричною схемою (рис.9.2.).

Рис. 9.2.

2. Перед початком роботи показати зібрану схему викладачу або лаборанту.

3. За допомогою автотрансформатора подати на лампу невелику напругу U₁.

4. Зняти показання вольтметра U та амперметра I і результати вимірювань записати в таблицю.

5. За допомогою автотрансформатора подати на лампу іншу напругу U₂, U_3, близьку за значенням до U₁.

6. Зняти показання вольтметра U₂, U та показання амперметра I₂, I і результати вимірювань записати у таблицю.

7. За формулою (8) визначити електричний опір лампи у трьох вимірюваннях R , R , R .

8. За формулою (12) визначити потужність Р , Р , Р електричної лампи.

9. Визначити абсолютну та відносну похибки у визначенні величин R та Р. Відповіді записати у вигляді:

R = R_серед. ± ΔR_серед. (Ом);

 

ε = n %.

 

Р = Р_серед. ± ΔР (Вт);

 

ε = n %.

Таблиця

№ дос- ліду	І(А)	U(В)	R(Ом)	ΔR(Ом)	Р(Вт)	ΔР(Вт)
Серед.

Конрольні питання

1. Що називається електричним струмом, силою струму? Змінний і постійний струм. Одиниці вимірювання сили струму.

2. Що таке електрорушійна сила і напруга? Одиниці їх вимірювання.

3. Закон Ома для ділянки кола.

4. Робота та потужність електричного струму.

5. Природа опору провідників електричного струму.

6. Від яких характеристик провідників залежить величина їх опору?