Электродвижущая сила. Напряжение

Министерство образования Российской Федерации

Уфимский государственный авиационный

Технический университет

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Лабораторной работе № 32

По курсу общей физики

Уфа 2001

Министерство образования российской федерации

Уфимский государственный авиационный

Технический университет

Кафедра общей физики

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Лабораторной работе № 32

По курсу общей физики

Уфа 2001

Составитель Е.В. Трофимова

УДК 537.311.2

Изучение законов постоянного тока: Методические указания к лабораторной работе № 32 по курсу общей физики /Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т; Cост. Е.В.Трофимова .- Уфа, 2001, - 15 c.

Приведена краткая теория, методика измерений, описание лабораторной установки, порядок выполнения работы по определению неизвестного сопротивления.

Методические указания предназначены студентам I и II курса всех специальностей.

Табл.1. Ил. 5. Библиогр. : 2 назв.

Рецензенты: Тучков С.В.

Крайнова Т.М.

Содержание

1 Цель работы............................................................................................... 4

2 Теоретическая часть................................................................................... 4

2.1 Электрический ток.................................................................................... 4

2.2 Электродвижущая сила. Напряжение...................................................... 5

2.3 Законы постоянного тока......................................................................... 5

2.3.1 Закон Ома............................................................................................... 5

2.3.2 Закон Джоуля–Лейбница....................................................................... 6

2.3.3 Правила Кирхгофа................................................................................ 6

2.4 Методы измерения сопротивления проводника...................................... 7

2.4.1 Метод Вольт–Амперметра.................................................................... 7

2.4.2 Метод компенсации................................................................................ 9

3 Требования к технике безопасности......................................................... 10

4 Экспериментальная часть......................................................................... 11

4.1 Приборы и принадлежности.................................................................. 11

4.2 Описание лабораторной установки....................................................... 11

4.3 Выполнение работы................................................................................ 13

5 Требования к отчету................................................................................. 14

6 Контрольные вопросы.............................................................................. 15

Список литературы........................................................................................ 15

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 32

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Цель работы

Изучениезаконов постоянного тока и методов измерения сопротивления проводников.

Теоретическая часть

Электрический ток

Электрическим током называют упорядоченное движение зарядов. Эти заряды называют носителями тока. Линия тока есть математическая линия, направление касательной которой в каждой точке совпадает с направлением скорости носителей тока. За положительное направление тока принято считать направление скорости положительно заряженных частиц.

Для количественной характеристики электрического тока служат две основные величины: плотность тока и сила тока.

Плотность тока есть вектор, направленный по линии тока, модуль которого численно равен количеству заряда, прошедшего за единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению движения носителей

, (2.1)

– единичный вектор, касательный к линии тока.

Сила тока в проводнике равна величине заряда, прошедшего за единицу времени через полное сечение проводника

, (2.2)

Зная вектор плотности тока в каждой точке проводника, можно выразить через него силу тока

(2.2)

где – составляющая вектора , нормальная к элементу поверхности dS.

Электродвижущая сила. Напряжение

Одним из главных способов возбуждения электрического тока в телах является создание и поддержание в них электрического поля. Если бы единственными источниками электрического поля в проводниках были электрические заряды, то при прохождении тока непрерывно происходила бы убыль зарядов. Для поддержания электрического тока необходимы силы неэлектрического происхождения, называемые сторонними. Полная сила, действующая на носитель заряда, включает электрическую и стороннюю силу.

Физическая величина, равная работе сторонних сил по переносу единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой источника тока (ЭДС)

. (2.4)

Физическая величина, равная работе суммарной сторонней и электрической сил по переносу единичного положительного заряда, называется напряжением

. (2.5)

Но работа электростатических сил по переносу единичного положительного заряда есть разность потенциалов между концами проводника. Поэтому

, (2.6)

то есть напряжение между точками 1 и2 проводника равно ЭДС и разности потенциалов между точками 1 и 2.

Законы постоянного тока

Закон Ома

Опыт показывает, что для многих тел в широких пределах сила тока в проводнике пропорциональна напряжению между концами этого проводника. Эта пропорциональность называется законом Ома

, (2.7)

где R – характеристика проводника, называемая сопротивлением.

Для линейного однородного проводника постоянного сечения S сопротивление равно

, (2.8)

где r – постоянная для данного материала величина, называемая удельным сопротивлением, – длина проводника.

Для замкнутой цепи, когда j₁ = j₂ и U = e, закон Ома примет вид

. (2.9)

Сопротивление цепи R часто рассчитывается как сумма внешнего сопротивления цепи R_вн и внутреннего сопротивления r источника, поэтому

. (2.10)

Если в цепи отсутствует источник ЭДС, то U= j₁ – j₂ и

. (2.11)

Физическая величина, равная произведению силы тока J, протекающего по проводнику сопротивлением R, на величину этого сопротивления, называется падением напряжения JR на сопротивлении. Можно дать другую формулировку закона Ома

, (2.12)

падение напряжения на сопротивлении проводника равно напряжению, действующему в этом проводнике.

2.3.2. Закон Джоуля–Лейбница

Про протекании тока проводник нагревается. Закон Джоуля–Лейбница позволяет рассчитать количество выделившегося за время dt тепла dQ, если величина тока J остается постоянной в течение этого времени,

. (2.13)

Если же сила тока будет меняться со временем, то количество тепла Q можно рассчитать по формуле

(2.14)

Правила Кирхгофа

Правила Кирхгофа позволяют рассчитать сложные разветвленные цепи. Для этого используют уравнения, отражающие закон сохранения электрического заряда и закон Ома.

2.3.3.1 В сложной цепи выделяют узлы и замкнутые контуры. Узлом называется точка цепи, в которой сходится более двух токов. Замкнутый контур – это часть цепи, переход от одного элемента которой к следующему совершается по замкнутому пути.

2.3.3.2 Произвольно выбирают направление тока через каждый неразветвленный участок цепи.

2.3.3.3 Токам, входящим в узел, принимают один знак, выходящим– противоположный.

2.3.3.4 Для каждого узла записывают I уравнение Кирхгофа

(2.15)

утверждающее, что алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю.

2.3.3.5 Произвольно выбирают направление обхода контуров.

2.3.3.6 Для каждого контура записывают II уравнение Кирхгофа

(2.16)

Алгебраическая сумма падений напряжений на отдельных участках контура равна алгебраической сумме действующих в контуре ЭДС.

2.3.3.7 При написании уравнений (2.16) падение напряжения берется со знаком «+», если направление тока совпадает с направлением обхода контура. ЭДС берется со знаком «+», если в направлении обхода потенциал повышается (обход от отрицательного к положительному полюсу источника).

2.3.3.8 При написании уравнений (2.17) и (2.18) необходимо, чтобы каждое следующее уравнение содержало новый элемент цепи.