Цепи постоянного тока

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

1. Знакомство с компьютерным моделированием цепей постоянного тока.

2. Экспериментальное подтверждение законов Ома и Кирхгофа.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:

Электрическим током называетсялюбое упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов.

И хотя в металлах носителями тока являются отрицательно заряженные частицы – электроны, исторически сложилось, что за направление тока условно принимают направление движения положительных зарядов.

Сила тока I – скалярная физическая величина, определяемая электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени:

Физическая величина, определяемая работой, совершаемой силами электрического поля при перемещении единичного точечного положительного заряда между точками 1 и 2 цепи, называется разностью потенциалов между этими точками:

. [В]

Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в цепи устройства, способного создавать и поддерживать разность потенциалов за счет работы сил неэлектрического происхождения. Такие устройства называются источниками тока.

Физическая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного точечного положительного заряда между точками 1 и 2 цепи, называется электродвижущей силой (ЭДС) , действующей между точками 1 и 2 цепи:

. [В]

Закон Ома для однородного участка цепи: Сила тока на участке цепи, не содержащем ЭДС прямо пропорциональна приложенному напряжению (разности потенциалов на концах участка) и обратно пропорциональна сопротивлению участка:

.

Любая точка электрической цепи, в которой сходится не менее трех проводников с током, называется узлом.

Первый закон (правило) Кирхгофа: алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю:

При этом ток, входящий в узел, считается положительным, а ток, выходящий из узла, - отрицательным.

Второй закон (правило) Кирхгофа: В любом замкнутом контуре разветвленной электрической цепи, алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивления соответствующих участков этого контура равна алгебраической сумме ЭДС , встречающихся в этом контуре:

Вывод рабочей формулы

Рассмотрим электрическую схему опыта.

В данной схеме резисторы обозначают внутренние сопротивления источников тока с ЭДС соответственно.

Найдем сопротивление батареи, состоящей из трех источников тока из формулы:

.

Приведем дробь в правой части уравнения к общему знаменателю и выразим искомое сопротивление батареи:

. (*)

По закону Ома для полной цепи: .

Здесь I – сила тока во внешней цепи, R и – сопротивления нагрузки и батареи.

Тогда, при условии, что известно сопротивление нагрузки R, сила тока нагрузки I и сопротивление батареи , ЭДС батареи можно определить по формуле:

. (**)

Знание ЭДС батареи позволит определить теоретическое значение тока короткого замыкания батареи :

. (***)

Л.Р. 3. МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ. Бригада №

1. В правом верхнем углу листа запишите номер своей бригады.

2. Запустите программу. Выберите «Электричество и магнетизм» и «Цепи постоянного тока».

3. Из таблицы по номеру бригады выберите значения ЭДС, сопротивлений источников тока и занесите их в отчет:

Таблица 1. Значения ЭДС и внутренних сопротивлений источников

Бригада
, [В]	3, 7, -2	4, -3, -8	3, 6, -4	4, 6, -2	-6, 5, 8	5, 8, - 4	-4, 6, -7	8, -4, 6
, [Ом]	2, 1, 1	1, 3, 1	2, 1, 2	1, 1, 2	2, 1, 1	1, 2, 1	1, 1, 2	1, 3, 1

; ; ;

; ; .

4. Соберите на экране электрическую цепь, приведенную на рисунке.

Порядок сборки:

· На основании таблицы 2 кликнуть необходимый элемент.

· Кликнуть те места схемы, где он должен стоять.

· После сборки схемы последовательно кликнуть стрелку и тот элемент, значение параметра которого необходимо установить.

· На шкале справа внизу картинки установить необходимое значение параметра, определенное вашей бригаде.

Таблица 2. Элементы электрической цепи.

Соединитель-ный провод	ЭДС,	Резистор, R	Вольтметр	Амперметр	Указатель величины параметров

Замечание. В используемой программе не предусмотрены маленькие буквы и . При вводе данных они заменяются буквами R и E, соответственно.

5. Последовательно устанавливая различные значения сопротивления нагрузки, и нажимая кнопку «Счет», заполните таблицу 3 данными измерения сил тока на всех участках цепи.

, Ом	I1, A	I2, A	I3, A	, A

6. Выберите строку, содержащую сопротивление нагрузки , численно совпадающее с номером вашей бригады. Проверьте по этой строке выполнение первого правила Кирхгофа для центрального узла схемы:

7. Рассчитайте сопротивление батареи по формуле (*):

8. Используя данные выделенной в п.6 строки, по формуле (**) найдите ЭДС батареи:

9. Рассчитайте теоретическое значение тока короткого замыкания по формуле (***):

10. Найдите относительную погрешность определения тока короткого замыкания:

11. Вывод.