37933

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭДС ИСТОЧНИКА ТОКА С ПОМОЩЬЮ ЗАКОНА ОМА

Лабораторная работа

Физика

Контрольные вопросы 11 Список литературы 11 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 45 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭДС ИСТОЧНИКА ТОКА С ПОМОЩЬЮ ЗАКОНА ОМА Цель работы.1 Закон Ома Количественной мерой электрического тока служит сила тока скалярная величина определяемая электрическим зарядом проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени: . Для постоянного тока . Единица силы тока ампер 1 А = Кл с.

Русский

2013-09-25

199 KB

58 чел.

14

Содержание

1. Цель работы                                                       

4

2. Теоретическая часть

4

2.1 Закон Ома

4

2.2 Элементарная классическая теория электропроводности металлов

7

3. Требования к технике безопасности

8

4. Экспериментальная часть

9

4.1 Описание установки

9

4.2 Порядок выполнения работы

9

4.2.1 Определение неизвестного сопротивления

9

4.2.2 Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника

10

5. Контрольные вопросы

11

Список литературы

11


ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
№ 45

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭДС ИСТОЧНИКА ТОКА

С ПОМОЩЬЮ ЗАКОНА ОМА

  1.  Цель работы.

Изучение закона Ома для однородного и неоднородного участков цепи.

2. Теоретическая часть. 

2.1 Закон Ома

Количественной мерой электрического тока служит сила тока - скалярная величина, определяемая электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени:

.

Ток, сила и направление которого с течением времени не изменяется, называется постоянным. Для постоянного тока

.

Единица силы тока - ампер (A) 1 А = Кл/с. Физическая величина, определяемая силой тока, проходящего через единицу площади поперечного сечения проводника, перпендикулярного направлению тока, называется плотностью тока:

.

Плотность тока - величина векторная. Направление вектора  совпадает с направлением тока. Сила тока через произвольную поверхность  определяется как поток вектора :

.

Ток возникает при условии, что внутри проводника существует электрическое поле, под действием которого положительные заряды будут смещаться по направлению вектора напряженности  поля, отрицательные - против поля. Таким образом, наличие свободных электрических зарядов и электрического поля - два необходимых условия для возникновения тока. Однако, если на носители тока действуют только силы электростатического поля, то происходит перемещение носителей тока (положительных) от точек с большим потенциалом к точкам с меньшим потенциалом, что приводит к выравниванию потенциалов во всех точках цепи и к исчезновению электрического поля. Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие устройства, способного создавать и поддерживать разность потенциалов за счет работы сил не электрического происхождения. Такие устройства называются источниками тока. Силы не электрического происхождения, действующие на заряды со стороны источника тока, называются сторонними.

Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах они возникают за счет энергии химических реакций между электродами и электролитами; в генераторе - за счет механической энергии вращения ротора генератора и т.д.

Сторонние силы, перемещая электрические заряды против действия сил электростатического поля, совершают работу. Физическая величина, определяемая работой сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС) e, действующей в цепи:

Эта работа совершается за счет энергии, затрачиваемой в источнике тока, поэтому величину e называют также электродвижущей силой источника тока, включенного в цепь.   

Работа сторонних сил над зарядом на участке 1-2 равна:

Разделив эту работу на  q, получим ЭДС, действующую на данном участке:     

Аналогичный интеграл, вычисленный для замкнутой цепи, дает ЭДС, действующую в этой цели:

Таким образом, ЭДС, действующая в замкнутой цепи, может быть определена как циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил.

Кроме сторонних сил, на заряд действуют силы электростатического поля. Следовательно, результирующая сила, действующая в каждой точке цепи на заряд q, равна

.

Работа, совершаемая этой силой над зарядом q на участке цепи 1-2, определяется выражением:

Физическая величина, численно равная работе, совершаемой электростатическими и сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется падением напряжения или просто напряжением U на данном участке цепи.

Разделив последнее соотношение на q, получим:

.

Понятие напряжения является обобщением понятия разности потенциалов: напряжение на концах участка цепи равно разности потенциалов в том случае, если на этом участке не действует ЭДС, то есть сторонние силы отсутствуют.

Участок цепи, на котором не действуют сторонние силы, называется однородным. Для однородного участка цепи

,

то есть напряжение совпадает с разностью потенциалов на концах участка. Согласно закону Ома для однородного участка цепи:

,   (2.1)

где R - электрическое сопротивление проводника. Величина  G = 1/R называется электрической проводимостью проводника.

Сопротивление проводника зависит от его размеров и формы, а также от материала, из которого изготовлен проводник. Для цилиндрического проводника сопротивление определяется соотношением

,    (2.2)

где r - удельное электрическое сопротивление,  - длина проводника,  S - площадь его поперечного сечения. Соотношение (2.1) представляет собой закон Ома в интегральной форме.

Закон Ома можно представить в дифференциальной форме. Подставив в выражение (2.1) соотношение (2.2), получим

.   (2.3)

Величина s = 1/r носит название удельной электрической проводимости вещества. Учитывая, что  напряженность электрического поля в проводнике, a  - плотность  тока, соотношение (2.3) можно представить в виде

.   (2.4)

Последнее выражение представляет собой закон Ома в дифференциальной форме, связывающий плотность тока в любой точке внутри проводника с напряженностью электрического поля в этой же точке. В случае неоднородного участка цепи в последнем соотношении под  понимается суммарная напряженность электростатического поля и электрического поля сторонних сил.

2.2. Элементарная классическая теория электропроводности металлов.

Основателями классической электронной теории проводимости металлов являются Друде и Лоренц, которые, основываясь на экспериментальных данных, предполагали, что внутри пространственной решетки, образованной ионами металла, имеется значительное количество свободных электронов. Участвуя в тепловом движении, электроны образуют как бы электронный газ, заполняющий пространство между ионами, и ведут себя подобно молекулам идеального газа. В отсутствие электрического поля электроны перемещаются в проводнике с некоторой средней скоростью . В промежутке между соударениями они движутся свободно, пробегая путь  (средняя длина свободного пробега), Однако, в отличие от молекул идеального газа, длина свободного пробега электронов определяется не соударениями их друг с другом, а столкновениями с ионами кристаллической решетки металла.

При включении электрического поля на хаотическое движение электронов со скоростью  накладывается упорядоченное перемещение зарядов в направлении электрического поля, происходящее со скоростью . Таким образом, скорость электронов будет равна  и средняя скорость зарядов  определяется как

,

так как  (тепловое движение - хаотическое).

Со стороны электрического поля на электроны действует сила   поэтому в промежутке между двумя столкновениями с ионами кристаллической решетки, электроны движутся с постоянным ускорением, равным , и к концу пробега приобретают скорость .

При соударении с ионом вся приобретенная электроном энергия передается иону, и скорость электрона при этом падает до нуля. Если - время между двумя последовательными соударениями электрона с ионами решетки, то

.

Так как ,то

.

Скорость направленного движения электронов  изменяется за время пробега линейно. Поэтому среднее значение ее равно половине максимального:

.

Направленное движение электронов образует ток, плотность которого равна

,

где n - число электронов в единице объема. Плотность тока оказалась пропорциональной напряженности поля, то есть, мы получили закон Ома в дифференциальной форме (2.4)

,

где - удельная электрическая проводимость металла.

 

3. Требования к технике безопасности.

3.1 Прежде чем приступить к работе, внимательно ознакомьтесь с электрической схемой, оборудованием и заданием.

3.2 Перед включением установки в сеть проверьте, чтобы тумблеры "сеть" в источниках питания находились в положении "выкл.".

3.3 По окончании работы отключите питание установки и приведите в порядок рабочее место.

3.4 Не оставляйте без присмотра лабораторную установку.

4. Экспериментальная часть.

4.1 Описание установки

Электрическая схема установки изображена на рисунке 4.1. Установка включает в себя набор источников напряжения e1, e2, e3, набор известных сопротивлений R1, R2, R3, R4, R5, известное сопротивление RX и электроизмерительные приборы

R1  = 590 Ом

R2  = 360 Ом 

R3  = 160 Ом

R4  = 60 Ом

R5  = 24 Ом

Рис. 4.1

4.2 Порядок выполнения работы

4.2.1 Определение неизвестного сопротивления

1 .Установить пределы измерений тока и напряжения 500 mA и 50 В, для чего нажать соответствующие кнопки на панели прибора.

2. Включить прибор, для чего повернуть ручку 1 на панели прибора вправо в положение "источник 1", ручку "нагрузка" поставить в положение 5 (к схеме подключено сопротивление R5).

3. Снять показания амперметра и вольтметра и по закону Ома для однородного участка цепи найти неизвестное сопротивление Rx. Данные занести в таблицу 7.1.

4. Аналогично провести измерения Rx при включенных источниках 2,3. Данные занести в таблицу 4.1.

5. Рассчитать среднее значение Rx , а также относительную и абсо-лютную погрешности измерения Rx  . Класс точности приборов g  = 0,5.

Таблица 4.1

Источник

R(Ом)

J(A)

U(B)

Rx (Ом)

Rxcp (Ом)

DRx(Ом)

1

2

3

4.2.2 Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника.

1. Включить источник 1. Последовательно подключать к схеме сопротивления R1, R2, R3, R4, R5, измеряя каждый раз ток в цепи. Данные занести в таблицу 4.2.

Таблица 4.2

Нагрузка

J (A)

Источник 1

Источник 2

Источник 3

R1

R2

R3

R4

R5

2. Взять пару любых комбинаций сопротивлений  R1, R2, R3, R4, R5, например, R1 и R2, записать дважды закон Ома и решить подученную систему уравнений относительно e1  и  r1:

    и .

3. Взять другие пары сопротивлений и рассчитать при этих сопротивлениях значения e1 и r1. Всего получить не менее трех значений e1 и r1, усреднить полученные значения и занести их таблицу 4.3.

Таблица 4.3

1

2

3

r1

r2

r3

4. Проделать то же самое для источников 2,3. Данные занести в таблицу 4.3.

5. Рассчитать относительную погрешность измерений.

5. Контрольные вопросы

1. Какая физическая величина называется силой тока, плотностью тока? Каковы единицы их измерения?

2. Какие условия необходимы для поддержания тока в цени?

3. Дайте определение электродвижущей силы источника. В каких единицах она измеряется?

4. Что называется напряжением на данном участке цепи?

5. Как формулируется закон Ома для однородного участка цепи, для неоднородного участка?

6. От каких величин зависит сопротивление проводника ? Запишите формулу для сопротивления.

7. Каковы основные положения классической теории электропроводности металлов?

8. Как записывается закон Ома в дифференциальной форме?

Список литературы

1. Савельев И. В. Курс общей физики. Кн. 2 - М.: Наука, 1998, 336 с.

2.Трофимова Т.Н. Курс физики. - М.: Высшая школа, 1988, 512 с.


Составитель Хайретдинова А.К.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭДС ИСТОЧНИКА ТОКА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторной работе № 45

по курсу общей физики

Редактор

ЛБ №

Подписано к печати                     Формат 80 х 64 1/16   

Бумага оберточная. Печать плоская. Усл. Печ. Л. 2,5.

Усп.-кр.-отт,            Уч-изд.л.           . Тираж           экз.      

3аказ №              . Бесплатно.

Уфимский Государственный Авиационный Технический Университет

Уфимская типография № 2 Министерства печати и массовой информации

Республики Башкортостан

450000, Уфа-центр, ул. К.Маркса, 12


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

29214. Планирование расследования 32.5 KB
  Планирование расследования происходит на основе следующих принципов. Динамичность процесс планирования идет постоянно план расследования может меняться уточняться дополняться при поступлении новой информации. Индивидуальность связана с неповторимостью каждого из расследуемых преступлений которая должна учитываться при составлении плана расследования.
29215. Тактическая операция 27 KB
  При криминалистической трактовке этого определения в его тактическом варианте учитывается что: тактическая операция представляет собой сложную организованную структуру являющуюся составной частью поисковопознавательной деятельности в стадии предварительного расследования; тактическая операция проводится для решения какойлибо задачи расследования выступающей в качестве цели данной операции; предметнопрактические действия реализуемые в рамках тактической операции образуют определенным образом...
29216. Следственная ситуация 26 KB
  К числу объективных факторов влияющих на формирование следственной ситуации ученые относят: наличие и характер имеющейся в распоряжении следователя доказательственной и ориентирующей информации что зависит от механизма расследуемого события и условий возникновения его следов в окружающей среде; наличие и устойчивость существования ещё неиспользованных источников доказательственной информации и надежных каналов поступления информации; интенсивность процессов исчезновения доказательств и сила...
29217. Протокол ОМП 35.5 KB
  Протокол ОМП составляется в ходе осмотра или непосредственно после его окончания. Временем окончания ОМП следует считать время подписания протокола участниками ОМП за исключение случаев когда ввиду неблагоприятных условий протокол не был составлен на МП. При составлении протокола ОМП рекомендуется избегать употребления: длинных фраз с обилием причастных и деепричастных оборотов; неопределенных выражений типа около вблизи и т. В протоколе ОМП должны быть отмечены неправомерные действия его участников и иных лиц например попытка похитить...
29218. Криминалистическая версия 26 KB
  Общие версии предположения дающие объяснение относительно сущности и содержания всего произошедшего события. Частные версии предположения объясняющие отдельные элементы события например это предположение о том кто является субъектом преступления каким способом было совершено деяние и т. В зависимости от степени определенности конкретности существуют следующие криминалистические версии. Типичные типовые версии дают самое общее представление о событии в условиях недостаточности фактических данных.
29219. Цель допроса 27.5 KB
  166 УПК РФ запрещает допрос в ночное время ст. 46 УПК подозреваемый должен быть допрошен в течении 24 часов с момента задержания ст. 173 УПК ст. 187 УПК нормативы.
29220. Судебная экспертиза 25.5 KB
  Предметом судебной экспертизы являются фактические данные устанавливаемые при расследовании или судебном разбирательстве по уголовным делам. В процессе проведения судебной экспертизы решаются три основные группы задач: 1 идентификация объектов людей предметов животных и т. К объектам судебной экспертизы относятся: вещественные доказательства отображения людей предметов материалы изделия трупы и др. Выводы которые при проведении комплексной экспертизы делаются каждым экспертом самостоятельно без участия других специалистов...
29221. План расследования по форме 29.5 KB
  Устным мысленным планом следователь ограничивается главным образом в начале расследования когда выполняет неотложные следственные действия на месте происшествия и у него пока нет возможности составить письменный план. В этот момент он также не может обойтись без планирования расследования и должен с самого начала действовать по определенному пусть мысленному но всесторонне продуманному плану иначе его работа по делу сразу же приобретает хаотический характер и как правило малоэффективна. Выполнив все неотложные мероприятия следователь...
29222. Два кольцевых развозочных и маятниковый маршрута для перевозки грузов 597 KB
  Составить два кольцевых развозочных и маятниковый маршрута для перевозки грузов. Рассчитать маршруты и технико-эксплуатационные показатели работы подвижного состава на маршрутах, определить себестоимость перевозок и плату за перевозку грузов. Заполнить образцы договора, путевого листа и товарно-транспортной накладной на перевозку одного вида груза.