Читайте также: |
|
Соотношения между токами, напряжениями, ЭДС и сопротивлениями в электрических целях постоянного тока определяются законом Ома и правилами Кирхгофа,
Закон Ома для замкнутой цепи (рис. 1), содержащей источник тока, например, гальванический элемент G с внутренним сопротивлением R вн и резистор сопротивлением R, записывается в виде:
, (1)
т.е. сила тока в цепи равна отношению ЭДС источника тока к ее полному сопротивлению.
Рис. 1.
Можно также записать:
(2)
Следовательно, ЭДС равна сумме падений напряжения на внешнем сопротивлений R и внутреннем сопротивлении гальванического элемента R вн.
При R >> R вн, U = IR = ε.
Сопротивление однородного по химическому составу проводника с площадью сечения S и длиной l определяется по формуле:
, (3)
где ρ - удельное сопротивление материала проводника.
Величина, обратная удельному сопротивлению, называется удельной проводимостью.
Зависимость удельного сопротивления металлического проводника от температуры определяется по формуле:
где α - температурный коэффициент сопротивления; ρ 0 - удельное сопротивление при 273 К.
Для металлов α > 0, т.е. сопротивление металлов расчет с увеличением температуры. У электролитов в отличие от металлов сопротивление при нагреваний уменьшается (α < 0).
Правила Кирхгофа
Правило первое вытекает из закона сохранения заряда и гласит, что алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю.
(4)
Узлом называют точку электрической цепи, где сходятся более двух проводов (рис. 2). Токи, притекающие к точке разветвления, считаются положительными, а уходящие от нее - отрицательными. Например, для узла а можно записать:
I1 + I2 = I3.
Второе правило Кирхгофа получается в результате применения закона Ома к различным участкам замкнутой цепи (рис. 3).
Оно гласит, что в любом произвольно выбранном замкнутом контуре разветвленной электрической цепи алгебраическая сумма падений напряжения I i R iна отдельных участках равна алгебраической сумме ЭДС в контуре:
(5)
Рис. 2 Рис.3
При составлении уравнений по второму правилу Кирхгофа необходимо соблюдать следующие рекомендации:
- выбрать произвольно направление обхода контура и приписать токам знак "плюс", если направление тока совпадает с направлением обхода, и знак "минус" - при противоположном направлении;
- ЭДС считается положительной, если она повышает потенциал
в направлении обхода контура.
Например, для схемы на рис. 3 второе правило Кирхгофа запишется в виде:
Правила Кирхгофа позволяют определить cилу и направление тока в любой части разветвленной системы проводников, если известны сопротивления и ЭДС всех его участков.
Порядок выполнения работы
Описание лабораторной установки
Электрическая схема лабораторной установки (рис. 4) включает источник постоянного напряжения G, микроамперметр μА, вольтметр V и переменный резистор R.
В качестве переменного резистора R используется металлическая проволока, намотанная на фарфоровую катушку (резистор типа ППБ-50
Г 10 кОм+5%).
Рис. 4
Выполнение работы
Собрать электрическую схему согласно рис. 4, проверив при этом правильность подключения полярности приборов.
Примечание:
1. Собирать и разбирать схему следует при отключенном напряжении.
2. Подключение собранной измерительной схемы производить зажимами «крокодил» к источнику постоянного тока с напряжением 1,5 В.
3. Для достижения максимальной точности измерений необходимо зачистить контакты соединительных проводов и обеспечить их плотное соединение между собой.
4. Изменяя сопротивление нагрузки R от меньшего значения к большему, снять не менее пяти показаний микроамперметра Iэ и вольтметра U э и записать их в таблицу.
5. После окончания эксперимента, полученные результаты показать преподавателю. Убедившись в правильности полученных результатов, разобрать электрическую схему.
Таблица
п/п № измерения | Uэ, В | Iэ, мкА | R, кОм |
Обработка результатов измерений
1. Вычислить по закону Ома для каждого значения напряжения Uэ и силы тока Iэ сопротивления R и записать в таблицу.
2. Для одного значения R вычислить по формуле длину l проволочного проводника, подключенного в электрическую цепь.
Диаметр проволоки d = 9 · 10-5 м, удельное электрическое сопротивление ρ = 1 · 10-6 Ом м.
3. На основании правил Кирхгофа рассчитать точки в контурах (1 – 2 – 3 – 6) и (3 – 4 – 5 – 6) схемы рис. 5. (эквивалентной измерительной схеме рис. 4) при одном из значений R и сравнить расчетные и измеренные значения. Для удобства расчета цепи на схеме рис. 5 выделены внутреннее сопротивление RА микроамперметра, Rв вольтметра и Rвн источника постоянного тока.
Рассчитать необходимо токи I1, I2, I3. Для этого следует составить три уравнения. Первое уравнение составляется для узла 3 по первому правилу Кирхгофа, второе – для контура I и третье – для контура II – по второму правилу Кирхгофа. За ЭДС ε можно принять значение U, измеренное при наименьшем R.
Значения RA и Rв определять по данным, указанным на шкалах приборов принимать RА = 1 кОм, Rв = 10 кОм. Внутреннее сопротивление источника постоянного тока Rвн = 3,5 кОм.
Отчет о работе должен содержать:
1. Краткое описание теоретической части, основные формулы, рис. 1, 2, 3.
2. Схемы рис. 4 и 5 лабораторной установки.
3. Результаты измерений (таблица).
4. Исходные данные для расчетов, вычисление длины проводника проволочного резистора, три уравнения для определения I1, I2, I3, решение этой системы уравнений, окончательные выражения для расчета I1, I2, I3, расчет относительной погрешности определения силы тока.
5. Выводы по работе
Контрольные вопросы
1. Почему сопротивление амперметра должно быть мало по сравнению с сопротивлением цепи, а сопротивление вольтметра велико по сравнению с сопротивлением участка, на котором измеряются напряжения?
2. В чем заключается различие между ЭДС и напряжением?
3. Запишите закон Ома для участка и полной цепи.
4. Сформулируйте правила Кирхгофа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2. М.: Наука, 1988. 496с.
2. Детлаф А.А., Яворский В.М. Курс физики. М.: Высшая школа, 1989. 607с.
3. Справочник по электроизмерительным приборам / К.К. Илюнин, Д.И. Леонтьев и др.: под ред. К.К. Илюнина – 3-е изд. – Л.: Энергоатом издат. Ленингр. Отделение. 1983. 784с.
4. ГОСТ 232117-78 Условные обозначения, наносимые на электроизмерительные приборы и вспомогательные части.
5. Детлаф А.А., Яворский В.М. Курс физики. М.: Высшая школа, 1989. 607с.
КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЬШ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. А.Н. ТУПОЛЕВА
Кафедра технической физики
Дата добавления: 2015-08-02; просмотров: 88 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
Теоретическая часть | | | ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ И К.П.Д. ИСТОЧНИКА ТОКА ОТ СОПРОТИВЛЕНИЯ ВНЕШНЕЙ ЦЕПИ |