11298

Исследование цепей постоянного тока с помощью правил Кирхгофа

Лабораторная работа

Физика

Исследование цепей постоянного тока с помощью правил Кирхгофа Методические указания предназначены для организации самостоятельной работы студентов при подготовке к лабораторному практикуму и рейтинговому контролю Исследование цепей постоянного тока с помощью пра...

Русский

2013-04-05

238.5 KB

8 чел.

Исследование цепей постоянного тока с помощью правил Кирхгофа

Методические указания предназначены для организации самостоятельной работы студентов при подготовке к лабораторному практикуму и рейтинговому контролю

Исследование цепей постоянного тока с помощью правил Кирхгофа

1. Цель работы:   1) Ознакомиться с основными характеристиками                

                                электрического тока;  2) проверить правила

                                Кирхгофа.

  2. Приборы и оборудование:  два источника постоянного тока,    

                                                     набор резисторов, вольтметр.                                   

3. Краткая теория.

   Электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов. Различают два вида электрических токов: токи проводимости и конвекционные токи. 

  Электрическим током проводимости называется упорядоченное движение в среде под действием электрического поля свободных заряженных частиц – носителей тока (например, токи в металлах, электролитах, ионизированных газах, полупроводниках, пучки электронов или ионов в вакууме).

  Конвекционный ток – электрический ток, обусловленный движением в пространстве заряженных макроскопических тел (например, движущихся заряженных капель дождя, движущаяся заряженная лента электростатического генератора, изготовленная из диэлектрического материала).

  Для осуществления в среде тока проводимости необходимо выполнение следующих двух условий: во-первых, в среде должны быть носители тока и, во-вторых, в ней должно существовать электрическое поле.

  Носителями тока в металлах являются электроны проводимости. Если в цепи на носители тока действуют только силы электростатического поля, то это всегда приводит к такому перераспределению свободных зарядов в проводнике, при котором потенциалы во всех его точках выравниваются, и электрическое поле в проводнике исчезает. Таким образом, электростатическое поле не может поддерживать в провод-нике постоянный электрический ток. Для существования постоянного тока необходимо наличие в цепи устройства, способного создавать и поддерживать разность потенциалов за счёт работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на заряды со стороны источников тока, называются сторонними. Источниками тока могут быть гальванические элементы, аккумуляторы, электрические генераторы и т.п.

Рассмотрим характеристики электрического тока. Количественной мерой электрического тока является сила тока  – скалярная физическая величина, определяемая электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени:   =.

Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным.

  Для характеристики направления электрического тока в разных точках рассматриваемой поверхности и распределения силы тока по этой поверхности вводится понятие вектора плотности тока . Вектор  направлен вдоль тока и численно равен силе тока, проходящего через единицу площади поперечного сечения проводника, перпендику-лярного направлению тока:  ,           (1)

где - сила тока, проходящего через элементарную площадку , расположенную перпендикулярно к направлению вектора .

  Согласно закону Ома в дифференциальной (локальной) форме, плотность тока в проводнике пропорциональна напряжённости электрического поля :   ,               (2)  

где - удельная проводимость (величина, обратная удельному сопротивлению    т.е.   ).

Применим закон Ома к участку цепи 1-2, рис. 1.

Рис .1

Под  в общем случае следует понимать напряжённость результи-рующего электрического поля, равную векторной сумме напряжённости поля кулоновских сил  и напряжённости поля сторонних сил  , т.е.

.

Подставим данное выражение в формулу (2), получим

.

Заменяем плотность тока   через силу тока  I  по формуле (1), полученное уравнение интегрируем по длине участка цепи 1 – 2 (между сечениями цепи 1 – 2) с учётом того, что сила тока во всех сечениях цепи одинакова

          ,               (3)

где  - элемент длины проводника.   

Рассмотрим физический смысл всех членов, входящих в уравнение (3). Первый интеграл, стоящий в правой части уравнения, численно равен работе, совершаемой кулоновскими силами при перенесении единичного положительного заряда вдоль участка цепи 1 – 2 , следовательно, равен разности потенциалов  (),  где   и   - потенциалы в сечениях 1 и 2.

  Второе слагаемое в формуле (3) численно равно работе, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда по участку цепи 1 – 2. Эта работа производится за счёт энергии, затрачиваемой в источнике тока. Её называют электродвижущей силой источника тока (ЭДС), включённого на участке цепи 1 – 2

,  где

- ЭДС источника тока.

  Напряжением   на участке цепи 1 – 2 называется физическая величина, численно равная суммарной работе, совершаемой кулоновскими и сторонними силами при перемещении по участку цепи  1 - 2единичного положительного заряда:

                    .              (4)

  Интеграл в левой части формулы (3) называется электрическим сопротивлением   участка 1 – 2. Для однородного проводника постоянного сечения (, )

                      ,                            (5)

где  - длина проводника между сечениями 1 – 2.

  Из соотношений (3) – (5) следует, что

,                (6)

откуда    .                   (7)

  Формула (6) или (7) является математическим выражением обобщённого закона Ома для участка  цепи электрического тока.

Если на данном  участке цепи сторонние силы не действуют (=0), то из (7) приходим к закону Ома для однородного участка                                                                                    .                    (8)

Итак, при отсутствии сторонних сил напряжение на концах участка цепи равно разности потенциалов.                                                         

  Обобщённый закон Ома позволяет рассчитать практически любую сложную цепь. Однако непосредственный расчёт разветвлённых цепей, содержащих несколько замкнутых контуров (контуры могут иметь общие участки, каждый из контуров может иметь несколько источников тока и т.д.), довольно сложен. Решение задачи значительно облегчается, если воспользоваться двумя правилами, сформулированными  Кирхгофом.

  Первое правило Кирхгофа :  алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю.

                             ,                       (9)

где    - число проводников, сходящихся в узле;

      - сила тока в  -м проводнике, причём токи, подходящие к узлу, считаются положительными, а токи, отходящие от него, - отрицательными.

  Узлом называется любая точка разветвления цепи, в которой сходится не менее трёх проводников с током.

  На рис. 2 в узле А сходятся шесть проводников, направления токов в которых показаны стрелками. Первое правило Кирхгофа для узла А запишется следующим образом   

Следует отметить, что первое правило Кирхгофа вытекает из закона сохранения электрического заряда.

  Второе правило Кирхгофа :  в любом замкнутом контуре, произвольно выбранном в разветвлённой электрической цепи, алгебраическая сумма произведений сил токов  на сопротивления  соответствующих участков этого контура равна алгебраической сумме ЭДС  , встречающихся в этом контуре:

                         ,                  (10)

где    - число участков, на которые контур разбивается узлами.

  При составлении уравнений по второму правилу Кирхгофа необходимо условиться о направлении обхода контура (по часовой стрелке или против неё). Выбор этого направления совершенно произволен. Произведение   входит в уравнение со знаком «плюс», если направление тока на данном участке совпадает с выбран-ным направлением обхода контура; в противном случае произведение   берётся со знаком «минус».

ЭДС   источников тока, включённых на различных участках контура, считаются положительными, если они повышают потенциал в направлении обхода контура, т.е. если при обходе контура приходится идти от  (-)  к  (+)  внутри источника. В противном случае ЭДС входит в уравнение со знаком «минус».

4. Схема лабораторной установки, её описание.

Схема установки приведена на рис. 3. Она состоит из двух источников тока и набора резисторов, составляющих разветвлённую цепь. Величины сопротивлений указаны на лабораторном стенде.

Рис. 3

Напряжение на каждом резисторе можно измерить вольтметром, к которому присоединяются проводники со щупами на концах.

5. Порядок выполнения работы.

  1.  Собрать электрическую схему (рис. 3).

  2. Произвольно выбрать и обозначить стрелками на схеме цепи направления токов во всех участках цепи.

  3. С помощью вольтметра измерить  напряжения на всех резисторах. Одновременно следует определить направление тока в каждом резисторе. Для этого:  «+» вольтметра соединить с одним концом резистора (например,  т. А),  а  «-»  - с другим его концом (т. С). Если при этом стрелка вольтметра отклоняется вправо, то ток в этом резисторе направлен от А к С (сравнить с выбранным направлением тока). Если же стрелка прибора отклоняется влево, необходимо поменять местами проводники, идущие от вольтметра, чтобы измерить падение напряжения, а ток в этом резисторе имеет противоположное направление, т.е. от  С  к  А.

  Из закона Ома рассчитать токи  ,,,… Полученные результаты занести в табл. 1.

  4. С помощью уравнений  (9),  (10) проверить выполнение правил Кирхгофа для узлов и контуров.

Результаты расчётов занести в табл. 2, 3.

5. Произвести оценку степени выполнения правил Кирхгофа в данной работе, т.е. рассчитать относительную ошибку метода М  по формуле

При расчете использовать данные таблицы 3.

Контрольные вопросы

  1.  Дайте определение силы, плотности тока.
  2.  Что называется разностью потенциалов, напряжением на участке цепи 1-2? В каком случае они совпадают?
  3.  Что такое эдс источника тока?
  4.  В чем состоит отличие понятий: разность потенциалов, напряжение, эдс?
  5.  Сформулируйте обобщенный закон Ома для участка  цепи электрического тока.
  6.  Сформулируйте правила Кирхгофа для разветвленной цепи.
  7.  Как определить знаки («плюс», «минус») величин в уравнениях для разветвленной цепи, составленных на основании правил Кирхгофа?

                                                                                            Таблица 1

Номер резистора,

,  Ом

,  В

,  А

1

2

3

4

5

6

7

   Проверка первого правила Кирхгофа         Таблица 2

Узел

Номер резистора,  

,  А

,  А

A

1

3

5

6

B

1

2

3

4

C

4

5

7

D

2

6

7

  

 Проверка второго правила Кирхгофа         Таблица 3

Контур

Номер резистора,

,  В

,  В  

,  В

NBCAN

1

4

5

ABCA

3

4

5

BFDCB

2

4

7

NBCDLAN

1

4

6

7

           

Редактор А.А.Литвинова

___________________________________________________________

В печать 2.08.07.

Объем 0,7 усл.п.л. Офсет. Формат 60х84/16.

Бумага тип №3. Заказ №394. Тираж 185. Цена 7р.

___________________________________________________________

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия:

344010, г.Ростов-на-Дону, пл.Гагарина,1.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

20505. Метод послідовних наближень (метод ітерацій) для розв’язку системи лінійних рівнянь 91 KB
  11 пошуку розв’язку системи с заданою похибкою відповідно теоремі про збіжність.11 виконується то ітераційний процес пошуку розв’язку системи с заданою похибкою збігається і метод послідовних наближень можна використовувати.13 що легко розв’язується для знаходження вектора розв’язку першого наближення тому що в правої частині містить всі визначені елементи.
20506. Мова запитів SQL. Огляд її можливостей 27 KB
  Він по суті містив тільки пропозиція SELECT яке дозволяло формулювати запити для вибірки даних з бази. Потім мова була доповнено двома іншими компонентами необхідними для роботи з базами даних. Перший з них – компонент для визначення структури бази даних які в термінології теорії баз даних називаються мовою визначення даних МВД. Другий засоби що дозволяють заповнювати базу даних змінювати їх і видаляти.
20507. Моделі подання знань.Вимоги до моделей подання знань 26.5 KB
  Моделі подання знань.Вимоги до моделей подання знань Подання знань це множина синтаксичних і семантичних угод що роблять можливим формальне вираження знань про предметну галузь у комп’ютерноінтерпретованій формі. Найрозповсюдженішими є такі моделі представлення знань: логічні моделі продукційні моделі фреймові моделі семантичні мережі. До основних вимог подання знань належать: Лаконічність зміст друкованих знаків.
20508. Неорієнтовані та орієнтовані графи 27 KB
  Граф це сукупність об'єктів із зв'язками між ними. Об'єкти розглядаються як вершини або вузли графу а зв'язки як дуги або ребра. Для різних областей використання види графів можуть відрізнятися орієнтовністю обмеженнями на кількість зв'язків і додатковими даними про вершини або ребра.
20509. Нотація Баркера 38 KB
  Связи обозначаются линиями с именами место соединения связи и сущности определяет кардинальность связи: Обозначение Кардинальность 01 11 0N 1N Пример: Для обозначения отношения категоризации вводится элемент дуга :.
20510. Орієнтовані і бінарні дерева 50.5 KB
  Бінарне дерево. В програмуванні бінарне дерево – дерево структура даних в якому кожна вершина має не більше двох дітей. Різновиди бінарних дерев Бінарне дерево – таке кореневе дерево в якому кожна вершина має не більше двох дітей. Повне закінчене бінарне дерево – таке бінарне дерево в якому кожна вершина має нуль або двох дітей.
20511. Пошук даних за допомогою мови SQL 25 KB
  Пошук даних за допомогою мови SQL Пошук здійснюється командою SELECTSELECT FROM table_name WHERE выражение [order by field_name [desc][asc]] Ця команда шукає всі записи в таблиці table_name які задовольняють висловом вираз.
20512. Реляційна алгебра 19.16 KB
  нові імена атрибутів[Правити] Об'єднанняВідношення з тим же заголовком що і у сумісних за типом відносин A і B і тілом що складається з кортежів які належать або A або B або обом відносинам.Синтаксис:A UNION B[Правити] ПеретинВідношення з тим же заголовком що й у відносин A і B і тілом що складається з кортежів які належать одночасно обом відносин A і B.Синтаксис:A INTERSECT B[Правити] ВідніманняВідношення з тим же заголовком що і у сумісних за типом відносин A і B і тілом що складається з кортежів що належать відношенню A і не...
20513. Розбивання квадратних матриць на клітки другим способом 66.5 KB
  Матриці мають довготривалу історію застосування при розв'язуванні систем лінійних рівнянь. Поняття матриці яке вже не було похідним від поняття визначник з'явилось тільки в 1858 році в праці англійського математика Артура Келі. Термін матриця першим став вживатиДжеймс Джозеф Сильвестр який розглядав матрицю як об’єкт що породжує сімейство мінорів визначників менших матриць утворених викреслюванням рядків та стовпців з початкової матриці. LU розклад матриці представлення матриці у вигляді добутку нижньої трикутної матриці та...