Исследование замкнутой цепи постоянного тока

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Изучение зависимости полезной мощности, коэффициента полезного действия, силы тока в цепи от величины внешнего сопротивления (нагрузки).

2. ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ. Источник тока, переменное сопротивление, амперметр, вольтметр.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Электрический ток в проводнике представляет собой направленное, упорядоченное движение заряженных частиц. Носителями тока в проводящей среде могут быть электроны (в металлах), либо ионы (в электролитах). При создании электрического поля в проводнике на хаотическое движение носителей накладывается их упорядоченное движение с некоторой скоростью, в проводнике течёт электрический ток.

Электрическое поле в проводнике (разность потенциалов или напряжение на концах проводника) создается источником тока. Внутри источника тока сторонние силы неэлектрической природы перемещают положительные носители тока с отрицательного полюса источника на положительный полюс, т.е. против сил электрического поля. Характеристикой источника тока является электродвижущая сила Е, которая определяется как работа А_СТ сторонних сил источника тока по перемещению положительного заряда q с отрицательного полюса источника на положительный полюс, отнесенная к величине этого заряда:

, (1)

Электродвижущая сила, сокращённо ЭДС, на самом деле силой не является. ЭДС - исторически сложившееся название этой величины, которая измеряется в вольтах.

Схема простейшей замкнутой электрической цепи, содержащей источник тока, представлена на рис.1. В такой цепи, согласно закону Ома для замкнутой цепи, течет электрический ток I:

(2) (13)

где Е– ЭДС, действующая в цепи; – внутреннее сопротивление источника; R– сопротивление внешнего участка цепи или сопротивление нагрузки).

Мощность, развиваемая источником, равна работе сторонних сил, совершаемой за единицу времени:

. (3)

Анализ уравнения (2) показывает, что мощность, развиваемая источником, выделяется на внутреннем сопротивлении источника и сопротивлении нагрузки R. Полезной мощностью является мощность, выделяемая на нагрузочном сопротивлении R:

. (4)

Отношение полезной мощности к мощности, развиваемой источником, называется коэффициентом полезного действия:

, (5)

где U – внешнее напряжение или напряжение на нагрузке. Из формул (2), (4) и (5) видно, что при заданных E и , сила тока I, полезная мощность P_R и коэффициент полезного действия зависят от внешнего сопротивления в цепи (сопротивления нагрузки).

В данной лабораторной работе предлагается экспериментально исследовать эти зависимости. Схема установки для исследования замкнутой цепи постоянного тока представлена на рис.1. Ток I в цепи измеряется миллиамперметром А, напряжение на нагрузке U измеряется вольтметром V при замкнутом ключе К , ЭДС источника измеряется вольтметром при разомкнутом ключе К .

РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ

4.1. Собрать схему, представленную на рис. 1.

4.2. При разомкнутом ключе К измерить с помощью вольтметра ЭДС источника тока. Результат измерения записать в таблицу 1.

4.3. Замкнуть ключ К. Изменяя сопротивление нагрузки, измерить силу тока и напряжения на нагрузке. Измерения произвести не меньше, чем для десяти значений силы тока в цепи, перекрывающих весь диапазон возможных значений тока. Силу тока менять с шагом 10 мА. Результаты измерений занести в таблицу 1.

Таблица 1

№	R	I	U	РR	η	Е
	Ом	мА	В	мВт		В
:

4.4. Вычислить значения R по формуле R=U/I и занести в таблицу 1.

4.5. Вычислить значения Р_R и η по формулам (4) и (5) и занести в таблицу 1.

4.6. Построить графики зависимости P_R =f(R ), I= f(R ), η=f(R ). Масштаб выбирается такой, чтобы координаты экспериментальных точек легко определялись, максимальные значения величин находились на концах осей. Длина осей по горизонтали (ось значений сопротивления) – не менее 10 см, по вертикали (ось переменных P_R , I,и η ) – не менее 8 см. График должен занимать примерно половину страницы лабораторного журнала.

ВЫВОД

В выводе сделайте анализ полученной графиков зависимостей P_R =f(R ), I= f(R ), η=f(R ).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

6.1.Сформулируйте закон Ома для замкнутой электрической цепи.

6.2. Что такое ЭДС источника тока, в каких единицах измеряется эта величина?

6.3. Каким прибором в данной лабораторной работе измерялась сила тока I, протекающего через сопротивление нагрузки?

6.4. Каким прибором в данной лабораторной работе измерялось напряжение U, приложенное к нагрузке?

6.5. Как измерялась в данной лабораторной работе ЭДС источника тока?

6.6. Как в данной лабораторной работе определялись значения величин, представленных в таблице 1?

6.7. Согласуется ли полученная экспериментально зависимость I= f(R ) с формулой (2)?

6.8.Согласуется ли полученная экспериментально зависимость P_R =f(R ) с формулой (4)?

6.9.Согласуется ли полученная экспериментально зависимость η=f(R ) с формулой (5)?

6.10. Что такое ток короткого замыкания? Используя полученный экспериментально график зависимости I= f(R ) , определите приблизительно величину тока короткого замыкания.

ЭЛЕМЕНТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

7.1. Используя полученный экспериментально график зависимости I= f(R ) , определите приблизительно величину тока короткого замыкания.

7.2. Используя полученный экспериментально график зависимости P_R =f(R ), определите внутреннее сопротивление источника тока.

7.3. Получите теоретически зависимость коэффициента полезного действия от силы тока в замкнутой цепи: η=f(I ). Представьте эту зависимость графически. Сделайте график зависимости η=f(I ), используя экспериментальные результаты, полученные в настоящей лабораторной работе. Сравните экспериментальный и теоретический графики, сделайте вывод.

Семестр

Лабораторная работа №8.