87738

ВЫВУЧЭННЕ РАБОТЫ КРЫНІЦЫ СТАЛАГА ТОКУ

Лабораторная работа

Физика

Мэта работы: вывучэнне асноўных законаў пастаяннага электрычнага току, вызначэнне залежнасці КПДз крыніцы пастаяннага току, карыснай і поўнай моцы ад супраціўленняя знешняга ланцуга. Прылады: крыніца пастаяннага току, вольтметр, магазін супраціўленняў.

Беларуский

2015-04-22

156.94 KB

0 чел.

Міністэрства адукацыі Рэспублікі Беларусь

БЕЛАРУСКІ НАЦЫЯНАЛЬНЫ ТЭХНІЧНЫ ЎНІВЕРСІТЭТ

Кафедра фізікі





Метадычныя ўказанні да лабараторнай рабо
ты № 30

ВЫВУЧЭННЕ РАБОТЫ КРЫНІЦЫ 
СТАЛАГА ТОКУ











М
енск 2014

  Мэта работы: вывучэнне асноўных законаў пастаяннага электрычнага току, вызначэнне залежнасці КПДз крыніцы пастаяннага току, карыснай і поўнай моцы ад супраціўленняя знешняга ланцуга.

Прылады: крыніца пастаяннага току, вольтметр, магазін супраціўленняў.

ЭЛЕКТРЫЧНЫ ТОК

Электрычным токам называецца ўсялякі ўпарадкаваны рух электрычных зарадаў.

  Лініі, уздоўж якіх рухаюцца зараджаныя часціцы, называюцца лініямі току. За напрамак электрычнага току прымаюць напрамак руху станоўчых электрычных зарадаў.

  У рэчаіснасці ў металічных правадніках электрычны ток ствараецца рухам электронаў у напрамку адваротным напрамку(накірунку) току.

  Упарадкаваны рух электрычных зарадаў можа быць здзейснены шляхам перасоўвання ў прасторы зараджанага цела (правадніка ці дыялектыка). Такі ток называецца канвекцыйным. Напрыклад, ток, звязаны з рухам па арбіце Зямлі, якая валодае залішнім адмоўным зарадам.

  Мікраскапічныя электрычныя зарады могуць рухацца ўпарадкавана ў вакуўме незалежна ад макраскапічных цел. Такі напрамак руху зарадаў называецца токам у вакуўме. Прыкладам могуць служыць плыні электронаў у электронна-промнявых трубках асцылографаў, у кінескопах тэлевізараў.

  Упарадкаваны рух электрычных зарадаў унутры макраскапічнага цела ( цвёрдага, вадкага ці газападобнага) пад дзеяннем электрычнага поля называецца токам праводнасці.

Для з’яўлення электрычнага току праводнасці патрэбныя дзве ўмовы:

  1.  Наяўнасць  у дадзеным асяроддзі свабодных зарадаў, якія маглі б у ёй перасоўвацца ( такімі зарадамі ў металах , з’яўляюцца электроны ; у вадкіх правадніках – станоўчыя і адмоўныя іоны; у газах – станоўчыя іоны і электроны);
  2.  Наяўнасць ў дадзеным асяроддзі электрычнага поля , энергія якога затрачвалася б на перасоўванне свабодных электрычных зарадаў .

  Для таго каб у ланцугу існаваў доўгі час ток , неабходна прыстасаванне у якім які-небудзь від энергіі няспынна ператвараўся б у энергію электрычнага поля . Такое прыстасаванне называецца крыніцай электрарухаючай сілы альбо крыніцай току.

  Для характарыстыкі электрычнага току ўводзіцца паняцце сілы току.Сілай току называецца скалярная велічыня , колькасна роўная электрычнаму зараду , што праходзіць скрозь папярочны перасек правадніка за адзінку часу .

                                                 I=                                                                (1.1)

дзе  dqэлектрычны зарад , што праходзіць праз папярочны перасек правадніка за час dt.
Калі сіла тока і яго накірунак не змяняецца з цягам часу , тады ток называецца пастаянным . У гэтым выпадку сіла тока
                                                 I=                                                                   (1.2)

дзе q – электрычны зарад , які праходзіць за час t скрозь папярочны перасек правадніка.

  Адзінка сілы тока ў сістэме СІ – ампер (А). Ён вызначаецца на падставе электрамагнітнага ўзаемадзеяння двух паралельных пастаянных токаў.

  З формулы (1.2) вынікае, што калі сіла току роўная аднаму амперу, то скрозь папярочны перасек правадніка за адну секунду працякае зарад, роўны аднаму кулону.

  Для характарыстыкі размеркавання электрычнага току па перасеку правадніка ўводзіцца вектар шчыльнасці току j. Напрамак вектара j супадае з напрамкам току, і па модулі j роўны сіле току ў разліку на адзінку плошчы папярочнага перасеку правадніка, перапендыкулярнай да лініяў току:

                                                 j =,                                                                  (1.3)

дзе dIсіла току скрозь элементарную пляцоўку dS, якая размешчана перпендыкулярна да напрамку вектара j. Шчыльнасць току ў сістэме СІ вымяраецца ў А2.       

З (1.3) вынікае, што поўная сіла току ў правадніку:

                                             I=.                                                               (1.4)

Калі пляцоўка dS не перпендыкулярная да вектара j, то ў гэтым выпадку замест j трэба ўзяць складнікавую шчыльнасці току jn=jcosα, перпендыкулярную да dS. Тут кут α паміж вектарам j і нармаллю да пляцоўкі dS.

  Вопыты паказалі, што шчыльнасць пастаяннага току аднолькавая па ўсім папярочным перасеку S аднароднага правадніка. Таму для пастаяннага току

                                                       I=jS.                                                             (1.5)      

  У ланцугу пастаяннага току, які складаецца з праваднікоў са зменнай плошчай папярочны перасек, шчыльнасці токаў у розных перасеках S1 і S2 адваротна прапарцыянальныя плошчам гэтых перасекаў:

                                                      =                                                              (1.6)   

  Электроны праводнасці у метале, іоны ў электраліце, іоны і электроны ў газе, г.зн. усе зараджаныя часціцы, якія змешчаныя ў розных целах, здзяйсняюць хаатычныя (цеплавыя) рухі.

  Электрычнае поле  у рэчыве перадае ўсім свабодным зараджаным часціцам даданую хуткасць упарадкаванага руху, які і абумаўляе ток. Сярэдняя хуткасць упарадкаванага руху u у цвёрдых і вадкіх праводных целах звычайна вельмі малая ў параўнанні з хуткасцю цеплавога руху. Яна складае 10-1- 10-3 см/c. Такім чынам, у ланцугу пастаяннага току электроны рухаюцца ўздоўж правадніка даволі марудна.

  Аднак гэта хуткасць упарадкаванага руху не мае ніякіх адносінаў да хуткасці распаўсюджвання току ў правадніку. Калі на электрастанцыі ўключаецца рубільнік, ток у кватэры з’яўляецца ў момант прыходу электрамагнітнай хвалі, якая распаўсюджваецца ўздоўж правадоў з хуткасцю v, роўнай хуткасці святла ў асяроддзі, якая акружае правады

                                                 v=                                                                  (1.7)   

дзе с – хуткасць святла ў вакууме;

ε – дыэлектрычная пранікальнасць асяроддзя;

μ – магнітная праніцальнасць асяроддзя.

Хуткасць гэтай хвалі і з'яўляецца хуткасцю распаўсюджвання току ў правадніку.
Вылучым
 унутры правадніка пляцоўку dS перпендыкулярную . Пабудуем на гэтай пляцоўцы, як на засноўванні простыцыліндр з вышынёй роўнай udt (мал.1). Тады лік часціц, якія пройдуць праз разгледжаную пляцоўку за час dt, будзе роўны ліку часціц, якія знаходзяцца ўнутры цыліндра. 

Мал.1

Калі е – зарад носьбіта току, n – канцэнтрацыя зараджаных часціц (лік часціц у адзінцы аб’ёму), той лік часціц унутры цыліндра роўны, а зарад, пераносны праз пляцоўку dS, будзе

Таму велічыня шчыльнасці току

                                                                                           (1.8)

Таму што e і n скалярныя велічыні, а хуткасць вектар, то

                                                                                                   (1.9)

2. Электрарухальная сіла.
     Калі
 ў правадніку стварыць электрычнае поле і не прыняць мер для яго падтрымання, то перасоўванне зарадаўпрывядзе вельмі хутка да таго, што поле ўсярэдзіне правадніка знікне і ток спыніцца. Для таго, каб падтрымваць токдосыць працяглы час, трэба ад канца правадніка з меншым патэнцыялам  

носьбіты зарада мяркуюцца станоўчымі)бесперапынна пераносіць зарады да канца правадніка з большым патэнцыялам .

(мал.2).

Перасоўванне зарадаў у кірунку ад меншага патэнцыялу да большага, г.зн. супраць сіл электрычнага поля, магчыма толькі з дапамогай сіл неэлектрастатычнага паходжання, што завуцца пабочнымі сіламі. Гэта могуць быць сілы віхравога электрычнага поля, спараджальнага зменным магнітным полем; хімічныя працэсы ў акумулятарах і гальванічных элементах і інш.

  Пабочныя сілы можна ахарактарызаваць работай, якую яны здзяйсняюць над перамяшчэннем па ланцугу зарадамі.

  Электрарухальная сіла (ЭРС), дзейная ў электрычным ланцугу ці на яе пляцоўцы, лікава роўная працы што здзяйсняецца пабочнымі сіламі пры перасоўванні па электрычным ланцугу ці па яе пляцоўцы адзінкавага станоўчага зарада.

  Такім чынам, калі праца пабочных сіл над зарадам q роўная Апаб, то ЭРС

                                                                                                                (2.1)
  вымяраецца ў тых жа адзінках, што і патэнцыял, а менавіта, у вольтах.

Пабочная сіла

                                                            (2.2)

Вектарную велічыню    называюць напружанасцю поля пабочных сіл. Работу пабочных сіл над зарадам q на ўсім працягу замкнёнага ланцуга можна падаць наступным чынам:

.                                          (2.3)

Падзяліўшы гэту работу на q , атрымаем ЭРС, што дзейнічае ў ланцугу

.                                                   (2.4)

Такім чынам, ЭРС, што дзейнічае ў замкнёным ланцугу, можа быць вызначана як цыркуляцыя вектару напружанасці поля пабочных сіл.
Электрарухальная сіла, якая дзейнічае на пляцоўцы ланцуга 1-2, роўная

                                                                                              (2.5)

Апроч пабочных сіл на зарад дзейнічаюць сілы электрастатычнага поля . Такім чынам, выніковая сіла, што дзейнічае ў кожнай кропцы ланцуга на зарад q, роўная

                                  .                                           (2.6)

Праца, што здзяйсняецца гэтай сілай над зарадам q на пляцоўцы 1-2, даецца выразам

                         .                               (2.7)

Пры вывадзе формулы (2.7) мы карысталіся тым, што на пляцоўцы ланцуга 1-2 напружанасць поля

Велічыня, лікава роўная працы, што здзяйсняецца электрастатычнымі і пабочнымі сіламі пры перасоўванні адзінкавага станоўчага зарада, завецца паданнем напругі ці напругай U на дадзенай участку ланцуга

                                                     (2.8)                                  

Пры адсутнасці пабочных сіл, г.зн. калі =0 напруга U супадае з рознасцю патэнцыялаў 

                                                               .                                                   (2.9)

3. Закон  Ома  ў інтэгральнай  форме.

Эксперыментальна ўсталявана, што сіла току ў правадніку прапарцыйная зніжэнню напругі U і адваротна прапарцыйная супраціву правадніка R

                                                                                                       (3.1)

Калі пляцоўка ланцуга не ўтрымлівае ЭРС (мал.3), то такую пляцоўку ланцуга завецца аднастайным і закон Ома для яго будзе мець выгляд:

Пляцоўка ланцуга, якая змяшчае ЭРС, завецца неаднароднай (мал.4) і для яго закон Ома мае выгляд:

дзе R – супраціў вонкавай участка электрычнага ланцуга, r – супраціў крыніцы ЭРС.                                                                 

Калі электрычны ланцуг замкнёны (мал.5), тоТады

 

  Велічыня супраціву залежыць ад формы і памераў правадніка, а гэтак жа ад уласцівасцяў матэрыялу, з якога ён выраблены. Для аднастайнага цыліндрычнага правадніка

                                          ,                                                                     (3.5)      

дзе l – даўжыня правадніка, S – плошча яго папярочнага перасеку,   – удзельны электрычны супраціў рэчыва.

  Значэнне ўдзельнага супраціву рэчыва ? залежыць ад прыроды рэчыва і тэмпературы праваднікоў. Для чыстых металаў пры пакаёвай тэмпературы і вышэй удзельны супраціў  лінейна павялічваецца з тэмпературай , , дзе  – тэмпературны каэфіцыент супраціву, t – тэмпература, о  – удзельны супраціў правадніка пры 0С. Для параўнання адзначым, што супраціў паўправаднікоў змяншаецца пры награванні.

4. Закон  Ома ў дыферэнцыяльнай форме.

Знойдзем сувязь паміж вектарам шчыльнасці току   і напружанасцю поля   ў некаторай кропцы М ізатропнага правадніка (мал.6).

                    

  Для гэтага вылучым у навакольнасці гэтай кропкі элементарны аб'ём у выглядзе простага цыліндра, утваральныя якога паралельныя вектару .

Станоўчыя носьбіты зарада ў кожнай кропцы ізатропнага правадніка рухаюцца ў кірунку вектару .

  Сіла току ў элементарным аб'ёме  , супраціўленне гэтага аб'ёму . Напругу ў элементарным аб'ёме можна вылічыць па формуле , бо ўсярэдзіне гэтага аб'ёму поле аднастайнае. Выкарыстаючы закон Ома (3.1), атрымаем
                             
Такім чынам, для шчыльнасці току j будзем мець:
                             

У вектарнай форме
                             
                                                                           (4.1)

дзе завецца ўдзельнай электрычнай праводнасцю.

Формула (4.1) уяўляе сабой закон Ома ў дыферэнцыяльнай форме.

Для неаднароднага ўчастка ланцуга, г.зн. пры наяўнасці на участку пабочных сіл, закон Ома ў дыферэнцыяльнай форме прыме наступны выгляд:

                                                                             (4.2)

дзе   – напружанасць поля пабочных сіл.

5.  Законы  Джоўля - Ленца.

Пры праходжанні па правадніку току, праваднік награваецца. Джоўль і незалежна ад яго Ленц выявілі эксперыментальна, што колькасць цяпла, якая вылучаецца ў правадніку сумерна яго супраціву, квадрату сілы току і часу

                                       .                                                      (5.1)   

Калі сіла току змяняецца з часам, то

                                           .                                         (5.2)

Награванне правадніка адбываецца за кошт працы, што здзяйсняецца сіламі поля над носьбітамі току.

Скарыстаўшыся законам Ома (3.1) для Q можна атрымаць наступны выраз:

                                         (5.3)

Магутнасць току

                                                         (5.4)

 

6.  Аналіз  працы  крыніцы нязменнага  току.

Паводле закона Ома, сіла току ў замкнёным ланцугу, вызначаецца па формуле (3.4).

Карысная магутнасць – гэта магутнасць, што вылучаная ў вонкавым ланцугу і яна роўная:

                                  ,                               (6.1)

дзе U1 – зніжэнне напругі ў вонкавым ланцугу.

Магутнасць, што вылучаная ўсярэдзіне крыніцы роўная

                                ,                           (6.2)

дзе U2 – зніжэнне напругі ўсярэдзіне крыніцы току.

Поўная магутнасць

                               .                          (6.3)

Каб знайсці, пры якім вонкавым супраціве вылучаецца найвялікая карысная магутнасць  N1 , возьмем вытворную па R  ад выразу (6.1) і прыраўняем яе да нуля.

Паколькі   0, то  R = 0 г.зн. = r. Такім чынам, пры R = r функцыя (6.1) мае экстрэмум.

Даследуем знак вытворнай для кропак, адпаведных R < r і R > r. Відавочна, што ў першым выпадку , у другім. Функцыя ў дадзенай кропцы мае максімум. Гэта азначае, што пры R = r карысная магутнасць максімальная і яе значэнне

                                           .

Каэфіцыент карыснага дзеяння крыніцы нязменнага току роўны:

                                      (6.4)

Пры R = r   = 0,5

З павелічэннем R ККД крыніцы току павялічваецца.

Пытанні для абмеркавання:

1.  Што завецца электрычным токам?

2. Сфармулюйце ўмовы патрэбныя для існавання току праводнасці.

3.  Дайце вызначэнне сілы току, шчыльнасці току.

4.  Якая існуе залежнасць паміж шчыльнасцю току і сярэдняй хуткасцю накіраванага руху носьбітаў току?

5.  Што такое электрарухальная сіла, напруга?

6.  Закон Ома ў інтэгральнай форме.

7.  Закон Ома ў дыферэнцыяльнай форме.

8.  Закон Джоўля-Ленца ў інтэгральнай форме.

9.  Карысная магутнасць, магутнасць, што вылучаецца ўсярэдзіне крыніцы, поўная магутнасць і ККД крыніцы нязменнага току.

10. Прывядзіце прыклады ўжывання крыніц нязменнага току.

Літаратура

1. Савельеў І.В. Курс агульнай фізікі: У 3 т. Т.2. – М.: Навука, 1988.

2. Савельеў І.В. Курс агульнай фізікі: У 5 кн. Кн.2. – М.: Выд-ва «Астрень ОСТ», 2002.

3. Наркевіч І.І., Валянскі Э.І., Лабко С.І. Фізіка для втну. У 2 т. Т. 2. – Мн.: Вышэйшая школа, 1994.

4. Детлаф А.А., Яворскі Б.М. Курс фізікі. – М.: Вышэйшая школа, 2001-2002.



 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

15475. Наступ царизму на автономію України. Остаточна ліквідація гетьманського правління 36.5 KB
  Наступ царизму на автономію України. Остаточна ліквідація гетьманського правління. Проводячи колонізаторську політику царський уряд поступово ліквідовував автономію України. Катерина II вирішила скасувати її остаточно. У відповідь на прохання козацької старшини у 176...
15476. Соціально-економічний розвиток Лівобережної та Слобідської України у 18 ст. Юридичне оформлення кріпосного права 26.5 KB
  Соціальноекономічний розвиток Лівобережної та Слобідської України у 18 ст. Юридичне оформлення кріпосного права. На Лівобережній та Слобідській Україні в другій половині XVIII ст. панували феодальнокріпосницькі відносини. Основну роль відігравало сільське господарс...
15477. Розвиток економіки на правобережжі та західноукраїнських землях у 18 ст. Захоплення західноукраїнських земель Австрією 26.5 KB
  Розвиток економіки на правобережжі та західноукраїнських землях у 18 ст. Захоплення західноукраїнських земель Австрією. Кінець XVIII ст. характеризується зростанням могутності Російської імперії агресивності її зовнішньої політики. Вона загарбала більшу частину укр
15478. Політика Австрійської монархії на західноукраїнських землях в кінці 18 - першій половині 19ст 29 KB
  Політика Австрійської монархії на західноукраїнських землях в кінці 18 першій половині 19ст. Наприкінці XVIII ст. внаслідок поділів Польщі західноукраїнські землі площею понад 60 тис кв. км з населенням 25 млн. осіб у тому числі 2 млн. українців стали колонією Австрійсько
15479. Політичне становище і соціально-економічний розвиток східноукраїнських земель у першій половині 19 ст. Колоніальна політика царизму щодо України 41 KB
  Політичне становище і соціальноекономічний розвиток східноукраїнських земель у першій половині 19 ст. Колоніальна політика царизму щодо України. Україна в російськотурецькій війни 18061812 рр. Як і в попередніх війнах Росії з Туреччиною Україна була найближчим тило...
15480. Механізм поширення збудження по нервових волокнах. Сальтаторна теорія проведення збудження. Фактори, що визначають швидкість поширення збудження 32 KB
  Механізм поширення збудження по нервових волокнах. Сальтаторна теорія проведення збудження. Фактори що визначають швидкість поширення збудження. Розповсюдження збудження по нервовим волокнам здійснюється на основі іонних механізмів генерації потенціалів дії і впли
15481. Ліквідація російським самодержавством автономного устрою України 76.5 KB
  КОЗАЦЬКИЙ ПЕРІОД ІСТОРІЇ УКРАЇНИ Лекція №8 Ліквідація російським самодержавством автономного устрою України 2. Коліївщина Назва Коліївщина найімовірніше означає повстання коліїв і походить від українського слова колій яким в українських селах і донині н
15482. Демографический потенциал рыночных реформ России 127.5 KB
  Значимость данной проблемы для граждан Российской Федерации очень велика, так как рыночные реформы влияют на: рост безработицы, пенсий, социальных пособий, ухудшением качества питания, снижением доступности социальных услуг, затяжным психологическим стрессом, неуверенностью в своём будущем и будущем детей.
15483. УКРАЇНСЬКІ ЗЕМЛІ ПІД ВЛАДОЮ РОСІЙСЬКОЇ ТА АВСТРІЙСЬКОЇ ІМПЕРІЙ (кінець XVIII - початокXXст.) 183 KB
  УКРАЇНСЬКІ ЗЕМЛІ ПІД ВЛАДОЮ РОСІЙСЬКОЇ ТА АВСТРІЙСЬКОЇ ІМПЕРІЙ кінець XVIII початокXXст.. Територіальноадміністративний устрій та населення. Криза феодальних відносин. Буржуазні реформи 60 70х років XIX ст. АвстроУгорська імперія самост...