3.1. Требования по технике безопасности

Содержание
1. Цель работы……………………………………………………………4
2. Теоретическая часть………………………………………………….4
2.1. Постоянный электрический ток…………………………………….4
2.2. Мощность тока……………………………………………………….7
3. Экспериментальная часть……………………………………………..9
3.1. Требования по технике безопасности……………………………...9
3.2. Приборы и принадлежности………………………………………..9
3.3. Физическая основа метода………………………………………...10
3.4. Порядок выполнения работы……………………………………...12
4. Требования к отчету………………………………………………….13
5. Контрольные вопросы………………………………………………..14
Список литературы……………………………………………………...14
3
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 33
ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ КПД ИСТОЧНИКА ТОКА
ОТ СОПРОТИВЛЕНИЯ НАГРУЗКИ
1. Цель работы
1. Определить КПД источника тока.
2. Получить экспериментальную зависимость мощности
источника тока от сопротивления нагрузки.
3. Получить экспериментальную зависимость КПД источника
тока от сопротивления нагрузки.
2. Теоретическая часть
2.1. Постоянный электрический ток
Электрическим током называется любое упорядоченное
направленное движение электрических зарядов. Для возникновения и
существования электрического тока необходимо с одной стороны
наличие свободных носителей тока (заряженных частиц), способных
перемещаться упорядоченно, а с другой стороны – наличие
электрического поля, под действием которого частицы бы двигались
упорядоченно. В проводнике под действием приложенного
электрического
поля
электрические
заряды
перемещаются
(положительные – по полю, отрицательные – против поля рис.2.1),
т.е. в проводнике возникает электрический ток, называемый током
проводимости. За направление тока условно принимают направление
движения положительных зарядов.
4
Рис. 2.1. Проводник под действием электрического поля
Количественной мерой электрического тока служит сила тока.
Сила тока – скалярная физическая величина, определяемая
электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение
проводника в единицу времени:
I
dq
dt .
(2.1)
Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то
такой ток называется постоянным. Величина постоянного тока
определяется по формуле:
q
I ,
t
(2.2)
где q – электрический заряд, прошедший через поперечное сечение
проводника за время t.
Чтобы в проводнике был постоянный электрический ток,
необходимо на его концах поддерживать постоянную разность
потенциалов с помощью специальных устройств – источников тока за
счет работы внешних сил неэлектростатического происхождения.
Силы неэлектростатического происхождения, действующие на
заряды со стороны источников тока, называются сторонними.
Природа сторонних сил может быть различной (в гальванических
элементах – за счет химических реакций между электролитами и
электродами).
Под действием сторонних сил электрические заряды движутся
внутри источника тока против сил электростатического поля,
благодаря чему на концах проводника поддерживается постоянная
разность потенциалов и постоянный электрический ток рис. 2.2.
Рис. 2.2
5
Электродвижущей силой называется работа сторонних сил по
перемещению положительного единичного заряда:

Aст
q .
(2.3)
Работа сторонних сил над зарядом на участке проводника 1–2 равна:



2 
А   Fст d l  q  Eст d l ,
2
1
(2.4)
1
где Eст – напряженность поля сторонних сил.
Подставив работу на участке 1–2 в формулу (3), получим
электродвижущую силу, действующую на участке 1–2 (рис. 2.2).

2 
12   Eст d l .
(2.5)
1
Замкнутая цепь
Связь тока с ЭДС выражается законом Ома для замкнутой цепи
рис. 2.3:
I

,
Rr
(2.6)
где R+r – полное сопротивление цепи, R – сопротивление внешней
цепи, r – внутреннее сопротивление источника тока.
Рис. 2.3. Замкнутая цепь
Неоднородный участок цепи
Рис. 2.4. Неоднородный участок цепи
6
Неоднородным участком цепи называется участок, на котором
действуют сторонние и электростатические силы
A12  Aст  Aэл  q 12  q(1  2 ) .
(2.7)
Напряжением на неоднородном участке цепи 1–2 называется
физическая величина, определяемая работой электростатических и
сторонних сил по перемещению положительного единичного заряда
(рис. 2.4)
U12 
A12
 1  2  12 .
q
(2.8)
Однородный участок цепи
Однородным участком цепи называется участок, на котором не
действуют сторонние силы, поэтому напряжение на нем равно
разности потенциалов рис.2.5.
Рис. 2.5. Однородный участок цепи
Получим закон Ома для однородного участка цепи:
U12  1  2  IR .
(2.9)
Таким образом, напряжением на однородном участке
проводника 1–2 называется физическая величина, определяемая
работой электростатических сил по перемещению положительного
единичного заряда.
2.2. Мощность тока
Рассмотрим неоднородный участок цепи постоянного тока, к
концам которого приложено напряжение U (рис.2.4). За время t через
каждое сечение проводника проходит заряд:
q  It .
(2.10)
7
Это равносильно тому, что заряд q переносится за время t из одного
конца проводника в другой. При этом электростатическое поле и
сторонняя сила, действующая на данном участке, совершают работу:
A U q U It .
(2.11)
Подставив в данную формулу выражение (2.7), получим:
A  ((1  2 )  12 ) I t  ( I (1  2 )  I12 )t .
(2.12)
Мощностью называется работа электрического тока, произведенная в
единицу времени
P
A
t
(2.13)
Из выражений (2.10) и (2.11) следует, что мощность, развиваемая
током на неоднородном рассматриваемом участке цепи (рис.2.4),
равна:
P  I (1  2 )  I12
(2.14)
P    Дж   Вт  .
 с 
Из выражения (2.13) при 1   2 можно выразить мощность
источника тока, которая будет называться полной (затраченной)
мощностью (рис 2.3):
Pполн  I .
(2.15)
С учетом законов Ома это выражение можно представить в
нескольких эквивалентных формах:

2
P

(2.16)
Rr Rr
P  I ( IR  Ir )  I 2 R  I 2 r .
(2.17)
Из выражения (2.16) следует:
Pполн  Pполезн  Pпотер ,
(2.18)
где
Pполезн  I 2 R  IU ,
Pпотер  I 2 r .
(2.19)
(2.20)
Коэффициентом полезного действия источника тока называется
физическая величина, определяемая отношением полезной мощности
источника тока к полной мощности:
8
КПД =
Р полез 100 %
(2.21)
Р полн
Если ток проходит по неподвижному проводнику, то вся работа
тока идет на нагревание проводника:
A  Q  UIt  RI 2t
(2.22)
Выражение (2.21) представляет собой закон Джоуля–Ленца.
3. Экспериментальная часть
3.1. Требования по технике безопасности
1. Во избежание поражения электрическим током все электрические
приборы должны быть заземлены.
2.Проверить
правильность
сборки
схемы
до
включения
электрических приборов, в случае сомнения обратиться к
преподавателю.
3. Во время работы запрещается прикасаться к оголенным участкам
электрооборудования, предварительно их не обесточив.
3.2. Приборы и принадлежности
Схема экспериментальной установки представлена на рис. 3.1
Рис.3.1. Схема экспериментальной установки: mА – миллиамперметр;
– сопротивление нагрузки (реостат);  – источник тока;
R
r – внутреннее сопротивление источника тока (r =22 Ом).
Электрическую схему экспериментальной установки
представить в виде эквивалентной схемы рис. 3.2
9
можно
Рис.3.2
3.3. Физическая основа метода
Рассмотрим цепь постоянного тока. Источник ЭДС создает в
цепи ток. Мощность, развиваемая источником тока P  I , является
полной.
С увеличением внешнего сопротивления от 0 до бесконечности
напряжение на нагрузке возрастает от 0 до значения ЭДС, а ток в
цепи при этом уменьшается до 0. Полная мощность будет изменяться
от максимального значения до 0. А полезная мощность сначала
убывает, а потом возрастает.
Максимальное значение полезной мощности достигается при R
= r (режим согласования)
 2 2
 
Pmax

.
(3.1)
4R
4r
Полная мощность в режиме согласования определяется по
формуле:
Р=  ,
2
2r
а при R=0 полная мощность составляет:
(3.2)
Р=  .
2
r
Внешнее напряжение источника в режиме согласования
 , КПД источника равно 0,5.
2
(3.3)
равно
В качестве сопротивления нагрузки используется реостат.
Реостат представляет собой керамический цилиндр, на который
равномерно намотан провод с большим сопротивлением рис.3.3. При
подключении реостата к электрической цепи с помощью нижних
клемм (1 и 2) его сопротивление будет постоянным и максимальным,
так как длина провода (l) максимальна.
10
d
.
Рис.3.3. Реостат
Сопротивление реостата можно определить по формуле:
R
l
,
S
(3.4)
где l – длина проводника; S – площадь поперечного сечения
проводника;  – удельное сопротивление материала проводника.
Так как выше перечисленные параметры реостата не заданы,
сопротивление реостата можно определить по градуировочному
графику, предварительно измерив d – расстояние от края цилиндра с
обмоткой до положения движка.
R, Ом
128
96
64
32
0
4
8
1
0
Рис.3.4. Градуировочный график
11
1
4
d, см
16
При подключении реостата к электрической цепи с помощью
верхней (3) и нижней (1) клемм, его сопротивление будет
переменным, так как длина проводника, по которому течет
электрический ток, будет определяться по положению движка (4)
реостата (рис 3.3). Таким образом, сопротивление можно изменять от
R =0 (при d = 0) до R=Rмаx (при d = 20 см).
3.4. Порядок выполнения работы
Определение коэффициента полезного действия источника тока
1.Вывести в крайнее левое положение ручку «регулировка тока»
на экспериментальной установке.
2.Подключить экспериментальную установку к сети с
напряжением 220 В.
3.Установить движок реостата в крайнее левое положение
(d=1 см), соответствующее минимальному сопротивлению.
4.Вращая ручку «регулировка тока» на экспериментальной
установке, получить одно значение силы тока по указанию
преподавателя:
а) I = 200 мА, в) I = 150 мА, с) I =100 мА.
Полученное значение тока занести в таблицу.
5.Установить движок реостата в следующее положение (d=2см).
Записать показание амперметра в таблицу.
6.Устанавливать движок реостата на различных расстояниях (d)
от левого края обмотки, которые указаны в таблице. При каждом
значении (d) измерить показание амперметра (во время измерения
положение ручки «регулировка тока» не изменять). Результаты
измерения занести в таблицу.
12
№
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
r
d,см
R
I

Pполн. Рполезн. Рполезн.


1
2
3
4
6
8
10
12
14
16
4. Требования к отчету
1. Определить сопротивление реостата R по градуировочному
графику для всех значений (d),которые указаны в таблице
(см. рис. 3.4).
2. Рассчитать ЭДС () по закону Ома для замкнутой цепи по
формуле (2.6).
3. Рассчитать полезную мощность (Рполезн.) при всех
сопротивлениях по формуле (2.20).
4. Построить зависимость Рполезн.= f (R).
5. По
полученному
графику
определить
внутреннее
сопротивление источника тока по «режиму согласования» (r=R при
Рполезн MAX) и сравнить с заданным значением (r= 22 Ом).
6. Рассчитать полную мощность (Рполн.) при всех сопротивлениях
по формуле (2.17).
7. Построить зависимость Рполн.= f (R).
8. Рассчитать электродвижущую силу источника () тока по
формуле (2.15).
9. Определить КПД () источника тока при всех
сопротивлениях по формуле (2.21).
10. Построить зависимость = f (R).
13
11. Определить погрешность измерения полезной мощности
(Рполезн, и  ).
12. Результаты измерения представить в виде таблицы.
5. Контрольные вопросы
1. Какая физическая величина называется силой тока,
плотностью тока?
2. Какие условия необходимы для поддержания тока в цепи?
3. Дайте определение ЭДС источника тока.
4.Что называется напряжением: а) на однородном участке цепи?
б) на неоднородном участке цепи?
5. Запишите закон Ома для замкнутой цепи.
6. Сформулируйте закон Джоуля – Ленца.
7. Что называется: а) мощностью тока, б) полезной мощностью,
в) полной мощностью, г) мощностью потерь?
8.Дайте определение КПД источника тока.
9.Объясните зависимость КПД от сопротивления нагрузки.
Список литературы
1. Савельев И.В. Курс физики. Т.2. – М.: Наука, 1998.
2. Лабораторный практикум по общей физике: /Под
Е.М. Гершензона, Н.Н. Малова. – М.: Просвещение, 1985.
3. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1998.
14
ред.