Липецк 2012
Электрическая цепь
Электрической цепью называют совокупность соединенных друг с другом элементов, по которым может протекать электрический ток.
Для протекания тока необходимы источники электрической энергии – источники напряжения (ЭДС) или тока.
Электрическая цепь содержит также устройства, в которых энергия электрического тока преобразуется в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую и т.д.). Эти устройства называются нагрузками.
Для замыкания и размыкания цепей используют выключатели того или иного вида.
Электрический ток есть направленное (упорядоченное) движение носителей зарядов. В проводниках носителями отрицательных зарядов являются электроны, в жидкостях (электролитах) носители положительных и отрицательных зарядов – ионы. В полупроводниках носителями отрицательных зарядов являются электроны, носителями положительных зарядов – дырки. Дырка представляет собой вакантное место в атоме полупроводника, незанятое электроном.
Для поддержания электрического тока требуется обеспечивать разделение носителей отрицательных и положительных зарядов, что и происходит в источниках. Когда источник подключен к цепи, возникает направленное движение зарядов под действием сил притяжения разноименных и отталкивания одноименных зарядов, т.е. электрический ток.
Ток, неизменный во времени, называют постоянным. Обозначаемый символом I, он выражается количеством заряда Q, который пересекает сечение проводника за единицу времени t (1 секунду):
I = Q / t.
Изображение электрической цепи с помощью условных обозначений называют электрической схемой соединений (рис.1)
(Рис.1.)
Экспериментальная часть
Соберу простейшую электрическую цепь согласно схеме (рис 2.), включив в нее два мультиметра в качестве амперметра или два виртуальных прибора. Путем измерений определю, является ли ток одинаковым во всех точках цепи и, что он равен нулю, когда цепь разомкнута или отключен источник.
Рис. 2.
Порядок выполнения эксперимента:
1. Подам постоянное напряжение 15 В к зажимам цепи (рис. 2. и определю, протекает ли ток и горит ли лампочка – при разомкнутой (с помощью
выключателя) и замкнутой цепи.
2. Заношу данные измерений вместе с данными о состоянии лампочки в табл. 2.
Таблица 2.
| Выключатель | I1, мА | I2, мА | Лампа вкл. | Лампа выкл. |
| Замкнут | ||||
| Разомкнут |
3. Проверю, будет ли протекать ток, когда источник напряжения отсоединен, а выключатель замкнут.
Вывод: В данном опыте ясоберал простейшую электрическую цепь согласно схеме, включив в нее два мультиметра в качестве амперметра или два виртуальных прибора. Путем измерений убедился, что ток одинаковый во всех точках цепи и, что он равен нулю, когда цепь разомкнута или отключен источник.
Закон Ома
Закон Ома выражает математически соотношение между напряжением U, током I и сопротивлением R на участке цепи с сопротивлением.
I = U / R, U = I×R, R = U / I,
где: I - ток, А;
U - напряжение, В;
R - сопротивление, Ом.
В замкнутой цепи с постоянным сопротивлением ток изменяется пропорционально напряжению.
Если при постоянном напряжении изменяется сопротивление, то ток изменяется обратно пропорционально сопротивлению.
Экспериментальная часть
Сниму экспериментально и построю графики зависимостей I = f(U) при R=Const и I = f (R) при U = Const.
Порядок выполнения эксперимента:
1. Чтобы построить кривые I = f(U), соберу цепь по схеме (рис. 3.) и измерю токи, имеющие место при напряжениях и сопротивлениях, которые указаны в табл. 3.1. В качестве измерительных приборов использую мультиметры или виртуальные приборы с коннектором.
Рис. 3.
Таблица 3.
| U, В | 2 2 | 4 4 | |||||
| I, мА при R=100 Ом | |||||||
| I, мА при R=150 Ом | |||||||
| I, мА при R=330 Ом | 0,6 |
2. Занесу результаты измерения токов в табл. 3.1
3. Перенесу данные табл. 3.1 на график (рис. 3.2) и зависимости U(I) при трёх значениях сопротивления.
4. Для построения кривых I = f(R) измерию токи, имеющие место при напряжениях соответственно 4 В, 8 В и 12 В, в зависимости от сопротивлений, указанных в табл.3.
Таблица 3.
| R, Ом | |||||||
| I, мА при U=12 В | |||||||
| I, мА при U=8 В | 0.8 | ||||||
| I, мА при U=4 В | 0.8 | 0.5 | 0.4 |
5. Занесу данные измерения токов в табл. 3.2 и перенесу их на график (рис. 3.3) для построения семейства зависимостей I = f(R).
Вывод: В данном экспериментебыласобрана цепь по схеме (рис. 3.) и измерены токи, имеющие место при напряжениях и сопротивлениях, которые указаны в табл. 3.1. В качестве измерительных приборов использовал мультиметры или виртуальные приборы с конвектором, построены графики зависимости U(I) при трёх значениях сопротивления, I = f(R).
Последовательное соединение резисторов
Если резисторы или любые другие нагрузки соединены последовательно (рис.4.), по ним проходит один и тот же ток. Величина тока определяется приложенным напряжением U и суммарным сопротивлением SR:
I = U / SR,
где SR = R1 + R2 + R3.
Рис. 4.
На каждый отдельный резистор при этом приходится некоторое частичное напряжение. Сумма частичных напряжений равна полному приложенному напряжению:
I×R1 + I×R2 + I×R3 = U
Экспериментальная часть
Измеряя токи и напряжения, должен убедится, что ток одинаков в любой точке последовательной цепи и что сумма частичных напряжений равна напряжению, приложенному ко всей цепи.
Порядок выполнения эксперимента:
1. Соберу цепь согласно схеме (рис. 4.1). Поочередно включая амперметр (мультиметр или виртуальный прибор) между точками разрыва A – B, C – D, E – F и G – H, измерьте токи вдоль всей последовательной цепи.
2. Затем измерю частичные напряжения (падения напряжения) между точками B - C, D - E, F - G, а также полное напряжение цепи между точками B – G. Все измеренные величины занесу в табл. 4.
Рис. 4.1
Таблица 4.
| Ток, мА | Падения напряжения, В | Полное напряжение, В | |||||
| Точки цепи | Точки цепи | Точки цепи | |||||
| A-B | C-D | E-F | H-G | B-C | D-E | F-G | B-G |
| 2.5 | 4.8 |
Ввывод: В данной работе измеряя токи и напряжения, выяснелось, что ток одинаков в любой точке последовательной цепи, что сумма частичных напряжений равна напряжению, приложенному ко всей цепи.