Лабораторная работа №303 цепи постоянного тока
Цель работы:
знакомство с компьютерным моделированием цепей постоянного тока с помощью виртуальной модели
экспериментальное подтверждение законов Ома и Кирхгофа с помощью виртуальной модели.
Приборы и принадлежности:
персональный компьютер
компьютерные модели «Открытая физика 1.1».
Краткая теория
Электрическим токомназывается упорядоченное движение заряженных частиц или заряженных макроскопических тел.Различают токи проводимости и конвекционные токи.
Упорядоченное движение свободных электронов в металле и ионов в жидкости под действием электрического поля принято называть током проводимости. Направление движения положительных зарядов в проводнике определяет направление тока.
Количественной мерой электрического тока служит сила тока. Сила тока – скалярная физическая величина I, равная отношению заряда dq, переносимого при электрическом токе сквозь рассматриваемую поверхность S за малый промежуток времени, к длительности dt этого промежутка
.
В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах (А).
Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным.
Экспериментально установлено, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику, пропорциональна напряжению U на концах проводника (закон Ома):
,
(1)
где R– сопротивление проводника. Уравнение (1) отражает закон Ома для однородного участка цепи (не содержащего источника тока). В международной системе единиц СИ сопротивление измеряется в омах (Ом). 1 Ом – сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1В течет постоянный ток 1А.
Сопротивление проводников зависит от его размеров и формы, а также от материала, из которого он изготовлен. Для однородного линейного проводника сопротивление R прямо пропорционально его длинеlи обратно пропорционально площади его поперечного сеченияS:
,
где ρ– удельное электрическое сопротивление, характеризующее материал проводника. Единица измерения удельного электрического сопротивления Ом∙м.
Рассмотрим неоднородный участок цепи, в котором действует источник тока – устройство, способное создавать и поддерживать разность потенциалов за счет работы сил неэлектрического происхождения (сторонних сил). Природа сторонних сил может быть различна. В генераторах электрического тока разделение зарядов осуществляется силами магнитного поля, в гальванических элементах и аккумуляторах – химическими и т.д.
Физическая величина, измеряемая работой сторонних сил при переносе ими единицы положительного заряда в цепи, называется электродвижущей силой (ЭДС) источника тока
.
В Международной системе единиц СИ ЭДС источника тока измеряется в вольтах (В).
Закон Ома для неоднородного участка цепив интегральной форме, который являетсяобобщенным закономОма, представляет собой:
,
(2)
где I – сила тока, φ1, φ2 – разность потенциалов на концах участка,ε– ЭДС, R– сопротивление внешнего участка цепи,r– внутреннее сопротивление цепи.
Если электрическая
цепь замкнута, то
,
тогда закон Ома имеет вид:
.
(3)
Обобщенный закон Ома позволяет рассчитать практически любую сложную цепь. Однако непосредственный расчет разветвленных цепей, содержащих несколько замкнутых контуров, представляет определенную сложность. Эта задача решается с помощью законов Кирхгофа. Законы Кирхгофадля разветвленной цепи (разветвленная цепь – электрическая цепь, содержащая узлы – места, где сходятся не менее трех проводников):
а) По первомузакону Кирхгофа–алгебраическая сумма токов, сходящихся
в узле, равна нулю 
.
Токи, приходящие к узлу, считаются
положительными, а токи, отходящие от
узла, отрицательными.
б) Второй закон Кирхгофа:в замкнутом контуре алгебраическая сумма произведений токов в участках на сопротивление этих участков равна алгебраической сумме электродвижущих сил, включенных в данный контур
,
где
– алгебраическая сумма сил токов,
сходящихся в узле;
– алгебраическая сумма произведений
сил токов на сопротивления замкнутых
участков;
– алгебраическая сумма ЭДС источников
тока на замкнутом участке цепи.
При расчете сложных цепей постоянного тока с применением правил Кирхгофа необходимо:
Выбрать произвольное направление токов на всех участках цепи.
Выбрать направление обхода контура; произведение
положительно, если ток на участке
совпадает с направлением обхода, и,
наоборот; ЭДС, действующие по выбранному
направлению обхода (перемещение
происходит внутри источника тока от
катода к аноду), считаются положительными.Составить столько уравнений, чтобы их число было равно числу неизвестных электрических величин; каждый рассматриваемый контур должен содержать хотя бы один элемент, не содержавшийся в предыдущих контурах.