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

37114. Политические преобразования в РФ в 90-е годы. Октябрьский кризис 1993 г. Принятие Конституции, переход к парламентаризму 16.59 KB
  Принятие Конституции переход к парламентаризму. После октябрьских событий началась ликвидация системы Советов завершившаяся с принятием на всенародном референдуме 12 декабря 1993 новой Конституции Российской Федерации 3в 1990–1993 гг. Ельциным которая впервые занялась разработкой новой Конституции. Проект подготовленный этой комиссией не был принят ни на первом ни на втором обсуждении на съездах народных депутатов но одобрялась общая концепция Конституции что значительно затягивало переход к новому конституционному строю в...
37115. политических противоречий в Российской Империи в начале XX века. 15.04 KB
  Национальный вопрос в России в начале XX века. Национальный вопрос – одно из основных социальнополитических противоречий в Российской Империи в начале XX века. Рост недовольства на окраинах подпитывался как жесткой национальной политикой правительства в частности ограничениями в отношении поляков финнов армян и некоторых других народов так и экономическими неурядицами которые переживала Россия в первые годы XX века. К началу XX века российские этносы представляли собой чрезвычайно разнородную массу.
37116. Общенациональный кризис в стране осенью 1917 г 23.48 KB
  Приход к власти большевиков Осенью 1917 г. Бесспорно что если бы большевики промедлили с взятием власти и не упредили правые силы слабое правительство Керенского сменила бы военная диктатура. В нем объявлялось о низложении Временного правительства и переходе власти к Петроградскому ВРК. Тем самым шанс на спасение буржуазной власти был утрачен.
37117. Брестский мир 17.35 KB
  большевики связывали выход России из войны с мировой революцией. Согласно условиям Брестского мира: от России отторгалась Польша Прибалтика западная часть Белоруссии. Ни одна из стран Антанты союзников России в войне не ответила на эти мирные предложения однако страны германоавстрийского блока в конце ноября согласились вести переговоры о перемирии и мире с представителями Советской республики. Подписания мира в тот момент настоятельно требовали внутренняя и внешняя обстановка в Советской России.
37118. Гражданская война и интервенция: причины, ход и результаты 16.55 KB
  в Мурманске и Архангельске высадились английские американские и французские войска. Войска П. Признав свое поражение в Первой мировой войне Германия согласилась аннулировать Брестский мирный договор и вывела свои войска с территории Украины Белоруссии и Прибалтики. Антанта стала выводить свои войска оказывая белогвардейцам лишь материальную помощь.
37119. Истоки и сущность режима личной власти Сталина. Политические процессы и массовые репрессии 26.79 KB
  Истоки и сущность режима личной власти Сталина. Истоки сталинизмаЗарождавшийся сталинизм проявлялся в несогласии Сталина с линией Ленина в ряде программных стратегических и тактических вопросов социалистической революции и в попытках провести свою линию вопреки Ленину или нарушая линию Ленина. Сталина часто называют непоследовательным марксистом приписывают ему отступничество от идей Ленина но согласно трактовке социализма Сталин стремился выполнить ряд основных задач: сделать государство пролетарским уничтожить эксплуататорские классы...
37120. Международное положение и внешняя политика СССР в предвоенные годы. Соглашения и договоры с Германией 26.14 KB
  Международное положение и внешняя политика СССР в предвоенные годы. Следующий период в истории внешней политики СССР начался в марте 1939 г. Британские консерваторы не хотели подлинного союза с СССР не оставляли надежды подтолкнуть немецкую экспансию в восточном направлении то есть в направлении Советского Союза. В частности вопрос о дополнительном протоколе к пакту о ненападении был поставлен наркомом иностранных дел СССР В.