- •Электричество и магнетизм
- •Введение
- •Правила техники безопасности при работе с электрическими приборами и схемами
- •Основные электроизмерительные приборы физической лаборатории
- •Основные системы электроизмерительных приборов
- •1. Магнитоэлектрическая система
- •2. Электромагнитная система
- •3. Электродинамическая система
- •4. Индукционная система
- •5. Тепловая система
- •6. Электростатическая система
- •7. Вибрационная система
- •Определение диэлектрической проницаемости твердого диэлектрика
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Перепишем соотношение (2.7) в виде
- •Так как объемная плотность энергии электрического поля
- •Экспериментальная часть
- •Методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Определение удельного сопротивления проводника
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Изучение температурной зависимости сопротивления металлов и полупроводников
- •Теоретическое введение
- •Полупроводники
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Экспериментальная установка
- •Порядок выполнения работы
- •К онтрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Изучение зависимости мощности и кпд источника тока от величины нагрузки
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Методика измерений
- •Экспериментальная часть
- •Приборы и оборудование: ип – источник питания, фпэ-06 – модуль “Определение работы выхода”, pv – вольтметр (прибор ф-214 1/2), pa – амперметр (прибор ф-214 1/4). Экспериментальная установка
- •Порядок выполнения работы
- •Принципиальная электрическая схема
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •М етодика измерений
- •Экспериментальная установка
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Проверка закона Био-Савара-Лапласа и определение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Экспериментальная установка и методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Изучение магнитного поля короткой катушки
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Методика измерений
- •Экспериментальная установка
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Изучение магнитного поля постоянного магнита
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Методика измерений
- •Экспериментальная установка
- •2. Измерение тока проводить до 20 мА. Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Методика измерений
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Лабораторная работа 2-15 Изучение эффекта Холла в полупроводнике
- •Теоретическое введение
- •Измерительная установка и методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Приборы и оборудование: звуковой генератор гс-118 (pq, рис.16.7 и 16.8), электронный осциллограф с1-150 (ро), модуль “явление гистерезиса” фпэ–07. Экспериментальная установка и методика измерений
- •По закону Фарадея эдс индукции по вторичной обмотке
- •Из выражения (16.15) и (16.16) получаем
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Экспериментальная установка и методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Изучение электрических процессов в простых линейных цепях при действии гармонической электродвижущей силы (фпэ-09)
- •Теоретическое введение
- •Методика измерений
- •Экспериментальная часть
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Изучение явления резонанса в колебательном контуре
- •Теоретическое введение
- •Экспериментальная часть
- •Экспериментальная установка и методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
- •Теоретическое введение
- •Методика измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Экспериментальная часть
- •Описание установки и методика эксперимента
- •Зарядка установки
- •Методика определения ёмкости установки
- •Методика определения ёмкости проводника (шара)
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Используемая литература
К онтрольные вопросы
От чего зависит электропроводность газов?
Что такое несамостоятельный разряд?
Каков механизм возникновения самостоятельного разряда?
Как работает генератор релаксационных колебаний?
Как меняется напряжение на конденсаторе генератора релаксационных колебаний?
Объяснить вольтамперную характеристику газонаполненной лампы.
Как можно определить период релаксационных колебаний?
Что такое фигуры Лиссажу и как они получаются в данной работе?
Докажите формулу (7.5). Когда она справедлива?
Как объясняется существование тока насыщения на рис. 7.2?
Выведите формулу (7.17).
Используемая литература
[1] §§ 20.3 – 20.8, 27.4;
[3] § 3.14;
[4] т.2, §§ 80, 81, 82;
[5] §§ 106, 107, 145.
Лабораторная работа 2-08
Изучение зависимости мощности и кпд источника тока от величины нагрузки
Цель работы: опытное определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока. Изучение зависимости полезной, полной мощности и КПД источника тока от величины нагрузки.
Теоретическое введение
Электрический ток проводимости возникает под действием электрического поля. Носителями электрического тока в металлах являются свободные электроны. Основной характеристикой электрического тока является сила тока.
Силой тока называется скалярная физическая величина, равная отношению заряда dq, переносимого через рассматриваемую поверхность (сечение проводника) за некоторый малый промежуток времени dt , к длительности этого промежутка:
. (8.1)
Для участка цепи экспериментально было установлено, что сила тока пропорциональна напряжению на концах проводника и обратно пропорциональна сопротивлению проводника (закон Ома):
, (8.2)
где U – напряжение на концах проводника, R – электрическое сопротивление.
Для поддержания в цепи постоянного тока проводимости необходимо, чтобы на носители тока действовали, помимо кулоновских сил, еще какие-то иные, неэлектрические, силы, называемые сторонними силами. Они могут быть обусловлены химическими процессами, диффузией носителей заряда в неоднородной среде или через границу двух разнородных веществ, электрическими (но не электростатическими) полями, порожденными меняющимися во времени магнитными полями и т.д. Под действием создаваемого поля сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему на концах цепи поддерживается постоянная разность потенциалов и в цепи течет постоянный электрический ток.
Сторонние силы можно охарактеризовать работой, которую они совершают над перемещающимися по цепи зарядами. Физическая величина, определяемая отношением работы, совершаемой сторонними силами по перемещению заряда вдоль цепи, к величине этого заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС) , действующей в замкнутой цепи или на ее участке. Следовательно, если работа сторонних сил по перемещению заряда dq по электрической цепи равна dАстор., то, по определению:
. (8.3)
Электрическая цепь состоит, как правило, из источника тока, подводящих проводов и потребителя тока или нагрузки. Ток в замкнутой цепи определяется по закону Ома:
, (8.4)
где r – внутреннее сопротивление источника тока, R – сопротивление внешней цепи, т.е. сопротивление подводящих проводов и нагрузки. Как правило, сопротивление подводящих проводов мало, и им часто пренебрегают.
При прохождении тока по цепи совершается работа. Так как работа кулоновских сил по перемещению заряда по замкнутой цепи равна нулю (электростатическое поле потенциально), то работа по перемещению заряда dq по замкнутой цепи будет определяться только работой сторонних сил и будет равна, как следует из (8.3),
. (8.5)
Разделив работу dA на время dt, за которое она совершается, получим мощность, развиваемую источником тока:
(8.6)
Подставив в эту формулу вместо тока I его значение из (8.4), получим для полной мощности, выделяемой во всей цепи, выражение
. (8.7)
В нагрузке выделяется только часть этой мощности:
. (8.8)
Здесь dAН – работа по переносу заряда на однородном участке цепи с разностью потенциалов Δφ=U=RI. Мощность РН назовем полезной мощностью. Остальная мощность расходуется в источнике тока и оказывается бесполезной.
Отношение полезной мощности ко всей мощности P, развиваемой ЭДС в цепи, определяет коэффициент полезного действия (КПД) источника тока:
. (8.9)
Из этой формулы следует, что КПД будет тем больше, чем больше сопротивление нагрузки R по сравнению с сопротивлением источника r. Поэтому сопротивление источника тока стремятся сделать как можно меньшим.
Мощность, развиваемая данным источником тока, зависит от сопротивления нагрузки R. Она максимальна при коротком замыкании (R0, см. формулу (8.7)):
, (8.10)
но в этом случае вся мощность выделяется в самом источнике и оказывается совершенно бесполезной. С ростом сопротивления нагрузки R полная мощность убывает, стремясь к нулю при R .
Можно получить соотношение, при котором полезная мощность, отбираемая от данного источника тока, будет наибольшей. Для этого нужно выражение (8.8) по R и приравнять производную к нулю:
.
Отсюда находим, что РН имеет максимум при R=r (другое решение R = соответствует минимуму РН). Следовательно, чтобы отобрать от данной ЭДС наибольшую полезную мощность, нужно взять сопротивление нагрузки, равное сопротивлению источника тока. КПД при этом, как следует из (8.9), равен 0.5.