fizpr

Полная ЭДС всей цепи численно равняется работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда по всей цепи:

ε = Acm

q+

Сторонние силы - это силы неэлектрического происхождения, которые действуют на свободные заряды внутри источников тока и необходимые для поддержания постоянной разности потенциалов и тока в проводнике. Эти силы могут быть обусловлены химическими процессами в аккумуляторах и гальванических элементах, вихревым электрическим полем, переменным магнитным полем и др.

3. Типы соединения проводников.

В большинстве случаев электрические цепи состоят из совокупности проводников, определенным образом соединенных между собой. Существует три вида: последовательное, параллельное и смешанное соединение. Чаще всего встречается смешанное соединение, т.е. часть проводников соединена последовательно, а часть - параллельно. Именно такое соединение рассматривается в данной работе (рис. 4).

На схеме проводники с сопротивлениями R1 и R2 соединены параллельно.

Обозначим величину тока, который идет в цепи через Iе. Этот ток в точке 1 разветвляется на два I1 и I2. Сумма этих токов, согласно первому правилу Кирхгофа, равняется величине тока Iе:

Ie = I1 + I 2

71

		I1
		R1	П1					Iе
			2	3	П3
							6 7	R3 8 R4 9
		1			4 5
		R2	П2
a	+		2'	3'	mА			V
					+	–	+	–
b	–	I2

Вк

Iе

Рисунок 4

На основании закона Ома напряжение на сопротивлении R1 равняется U1=I1R1, а на сопротивлении R2 равно U2=I2R2. Но обе эти величины одинаковые, поскольку каждая из них есть напряжение между одними и теми же точками 1 и 4. Итак,

U1

U 2

1

1

U1 = U 2

і

Ie

= I1

+ I 2 =

+

+

(5)

R1

R2

= U1

R1

.

R2

Если обозначить через R12 полное сопротивление участка 1- 4,

то по закону Ома

Ie

=

U1

.

(6)

R12

Сравнивая формулы (5) и (6) находим:

1

=

1

+

1

или

R12 =

R1 × R2

(7)

R12

R2

R1 + R2

R1

72

В общем случае, если количество проводников будет больше, чем 2, т.е. п:

1 = 1 + 1 +L+ 1

		R	R1 R2	Rn
Величина γ =	1		называется	проводимостью. Итак, можно

R

записать:

γ = γ1 + γ 2 + L + γ n

Таким образом, проводимость участка цепи, составленного из параллельно соединенных проводников, равняется сумме проводимостей отдельных проводников.

На схеме (рис.4) проводники с сопротивлениями R3 и R4 включены в цепь последовательно.

Величина тока Iе в обоих проводниках, конечно, одинаковая. Тем не менее, напряжения U3 и U4 между концами каждого из проводников разные. На основании закона Ома для участка цепи

U3=Iе·R3, U4=Iе·R4.

Полное напряжение U34 между этими проводниками равняется сумме этих напряжений, т.е.

U34 = U3+U4 = Iе(R3+R4).

(8)

Если обозначить через R34 сопротивление участка цепи, который состоит из сопротивлений R3 и R4, то по закону Ома

U34=Iе R34.

(9)

Сравнивая формулы (8) и (9), находим: R34 = R3+R4.

73

В общем случае, если количество проводников будет п, получим следующий результат

n

R = ∑ Ri

i=1

Таким образом, при последовательном соединении проводников их сопротивления суммируются.

Участок цепи с параллельно соединенными проводниками R1 и R2 соединяется с проводниками R3 и R4 последовательно, тогда общее сопротивление цепи

R = R12 + R3 + R4 + RA ,

(10)

где RА – внутреннее сопротивление амперметра

Порядок выполнения работы

1.Получить электроизмерительные приборы, монтажную панель, источник питания, соединительные провода и таблицу «Обозначения на шкалах электроизмерительных приборов».

2.Ознакомиться с лицевой панелью приборов. Определить назначение каждого прибора, принцип действия (систему), предел измерения, рабочее положение, вид тока.

3.Определить цену деления каждого прибора для каждого предела измерения по формуле 1.

4.Определить RвнА и RвнV по формуле (3) и (4). Сравнить значение внутренних сопротивлений амперметра и вольтметра.

5.Заполнить таблицу 1.

74

Таблица 1 - результаты измерений и вычислений

№	Наименование	Предел	Цена	Класс	Рабочее		Вид	Внутр.
п/п	прибора	измерения	деления	точности	положение	Система	тока	сопр,
								Ом
1
2
..

6.Ознакомиться с расположением резисторов и контактов на монтажной панели.

7.Собрать цепь согласно рис. 4.

8.Подключить источник питания к клеммам а и b с соблюдением полярности.

9.Соединить гибкими проводниками П1 и П2 клеммы 2 и 3, 2' и 3'.

10.Замкнуть цепь, включив миллиамперметр с соблюдением полярности к клеммам 5 и 6. (С разрешения лаборанта или преподавателя подключить собранную цепь к электросети).

11.Определить силу тока Iе , который протекает в цепи. Результат

занести в таблицу 2.

12. Измерить вольтметром поочередно падения напряжения U ab , U1 , U A , U3 , U 4 соответственно между клеммами а и b, 1 и 4, 5 и 6, 7 и 8, 8 и 9, (так как показано на рис. 4 для проводника R3). Результаты занести в таблицу 2.

13.Отсоединить миллиамперметр от клемм 5 и 6, закоротив их гибким проводом П3.

14.Измерить токи I1 и I 2 , которые идут через сопротивления R1 и R2 .

Для	этого отсоединить гибкий провод П1 и подключить
	75

миллиамперметр между клеммами 2 и 3. Это будет I1 . При этом провод П2 замкнут. Аналогично определить I 2 . Результаты занести в таблицу 2.

15. Определить неизвестные сопротивления R1 и R4 , используя закон Ома для участка цепи (численное значение сопротивлений R2 и R3 указано на лабораторном стенде )

R1	=	U1	,	R4	=	U 4	,
		I1				Ie

16. Рассчитать полное сопротивление цепи, соответствующей рис. 4, пренебрегая внутренним сопротивлением источника

R = R12 + R3 + R4 + RA	, где R12	=	R1 × R2
			R1 + R2
17. Рассчитать силу тока IT в цепи	по закону Ома ( IT				=	U ab	).
						R

18.Результаты расчетов занести в таблицу 2.

19.Проверить, выполняется ли условие Iе = I1 + I2 .

20.

Сравнить экспериментальные

и теоретические значения токов

Iе

и IT .

21.

Проверить, выполняется ли условие

U ab

= U1 +U A + U3 + U 4

22.

Сделать вывод о степени выполнения законов Ома.

Таблица 2 - Результаты измерений и вычислений

Iе

IТ

I1

I2

I1 + I2

U ab

U1

U A

U3

U 4

U1 + U A +

R1

R4

R

+ U3 + U 4

76

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Как классифицируются электроизмерительные приборы, которые используются для измерения электрических величин?

2.Что такое предел измерения прибора? Как определить цену деления?

3.Что такое класс точности прибора?

4.Как определяется внутреннее сопротивление амперметра и вольтметра?

5.Как подключают в электрическую схему амперметр, вольтметр?

6.Что такое электрический ток? В каких единицах измеряется?

7.Какой ток называют постоянным?

8.Какие условия существования электрического тока?

9.Что такое напряжение? В каких единицах измеряется?

10.Что такое сопротивление материала? В каких единицах измеряется?

11.Что утверждает закон Ома для однородного участка цепи, для замкнутой цепи?

12.Что такое ЭДС?

13.Как определить полезную мощность и мощность источника? В каких единицах измеряется мощность?

14.Как определить общее сопротивление последовательно соединенных проводников?

15.Как определить общее сопротивление параллельно соединенных проводников?

77

Лабораторная работа № 302

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В ЦЕНТРЕ СОЛЕНОИДА ОТ СИЛЫ

ТОКА В ЕГО ОБМОТКЕ

Цель работы - определить напряженность магнитного поля в центре соленоида по периоду колебаний магнитной стрелки при разных значениях силы тока в его обмотке, построить график зависимости напряженности от силы тока.

Приборы и оборудование: соленоид, магнитная стрелка, которая подвешена на неупругой нити, миллиамперметр, реостат, двухполюсный переключатель, секундомер.

Основные требования к теоретической подготовке: При подготовке к лабораторной работе необходимо проработать разделы курса общей физики "Магнитное поле и его характеристики", "Закон Био-Савара-Лапласа", "Закон Ампера" и методические указания к данной работе.

Теория метода и описание установки

Соленоид — катушка цилиндрической формы из провода, витки которого намотаны в одном направлении. Его магнитное поле является результатом сложения полей, созданных круговыми токами витков обмотки, которые плотно намотаны один к одному и имеют общую ось.

78

В центральной части достаточно длинного соленоида плотность силовых линий постоянна, т.е. поле практически однородное (рис. 1).

Рисунок 1 Наличие магнитного поля определяется его силовым действием

на проводники с током или на постоянные магниты (магнитные стрелки), которые внесены в это поле.

Силовыми характеристиками магнитного поля являются

вектор магнитной индукции		B и вектор напряженности	Н ,
которые связаны между собой соотношением:
		B = μμ0 H ,	(1)
где μ0	= 4π ×10−7 Гн/ м –	магнитная постоянная в системе СИ;
μ –	относительная магнитная проницаемость среды ( μ = 1

для соленоида без сердечника).

Магнитная индукция численно равняется максимальной силе dF, действующей со стороны поля на единицу длины dl проводника, по которому течет электрический ток I единичной силы и который расположен перпендикулярно к направлению магнитного поля

		dF	R	R	R
	B =		,что следует из закона Ампера dF	= I [dl	´ B]
		Idl
			79

Вектор B направлен по касательной к силовой линии поля –

линии магнитной индукции, которая определяется по правилу правого винта: направление линии магнитной индукции совпадает с направлением вращения головки винта, если его поступательное движение совпадает с направлением тока в проводнике.

Линии магнитной индукции всегда замкнутые и охватывают проводник с током (рис.1, 2).

R	Силовая линия
dl	R
	r

	R
I	dH
	Рисунок 2

Силы, которые действуют со стороны магнитного поля на северный и южный полюсы магнитной стрелки, всегда стремятся установить ее вдоль силовой линии поля (рис. 3). Поэтому направление магнитного поля в данной точке можно определить как направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки (стрелки компаса), помещенной в эту точку.

Величина индукции магнитного поля в любой среде зависит от его свойств.

80