Цель работы.
Получение навыков сборки простых электрических цепей, включения в электрическую цепь измерительных приборов. Научиться измерять токи и напряжения, убедиться в соблюдении законов Ома и Кирхгофа.
Основные определения.
Соединение в электрической цепи, при котором через все элементы протекает один и тот же ток, называется последовательным соединением элементов. (Рис. 1)
Эквивалентное сопротивление Rэкв последовательной цепи постоянного тока равно сумме сопротивлений отдельных участков (элементов):
Rэкв = R1+R2+R3+…Rn = Σ Rn
По закону Ома (для участка цепи):
Ток в цепи прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению:
Падение напряжения на отдельном участке Un в соответствии с законом Ома: U1= I·R1; U2= I·R2; U3= I·R3; U= I·Rэкв.
По второму закону Кирхгофа:
При последовательном соединении элементов электрической цепи полное напряжение на зажимах цепи равно сумме падений напряжений на отдельных элементах.
U = U1+U2+U3
При параллельном соединении элементов напряжение на зажимах всех параллельных ветвей одинаково. (Рис. 2)
В каждой ветви ток по закону Ома равен:
где gn, rn – проводимость и сопротивление n- ой ветви соответственно.
g – проводимость – физическая величина, количественно характеризующая способность данного элемента (участка) электрической цепи пропускать электрический ток.
Проводимость g – величина, обратная сопротивлению, единицы измерения Ом-1 или См (Сименс).
или 
По первому закону Кирхгофа:
Алгебраическая сумма токов в узле равна нулю:
Для узла «а» схемы на Рис. 2: I – I1 – I2 – I3 - ….- In = 0
или: I = I1 + I2 + I3 + ….+ In
Ток I в неразветвленной части цепи равен сумме токов всех параллельных ветвей:
|
|
I = I1 + I2 + I3 + ….+ In = g1 · U + g2 · U + g3 · U + …+ gn · U =
(g1 + g2 + g3 + …+ gn) · U = gэкв · U
При параллельном соединении элементов полная проводимость электрической цепи равна сумме проводимостей параллельных ветвей.
Тогда полное сопротивление цепи при параллельном соединении элементов можно найти:
Мощность n-го элемента при последовательном соединении резисторов равна:
Рn = Un · I = I2 · Rn
Для всей цепи:
Р = Р1 + Р2 + Р3+…Рn
Таким образом:
Мощность цепи при последовательном соединении элементов равна сумме мощностей этих элементов.
Мощность n-го элемента при параллельном соединении резисторов равна:
Рn = U · In = (In) 2 ·Rn = gn · U2
Для всей цепи:
Р = Р1 + Р2 + Р3 + …Рn
Таким образом:
Мощность цепи при параллельном соединении элементов равна сумме мощностей этих элементов.
Порядок выполнения работы.
1. Ознакомиться с лабораторной установкой (модули питания, модуль резисторов, модуль амперметров постоянного тока,, модуль мультиметров) и собрать электрическую цепь с последовательным соединением резисторов (Рис. 3). Установить заданные преподавателем значения сопротивлений резисторов R1 , R2, R3. Представить схему для проверки преподавателю.
2. Включить электропитание стенда (автоматический выключатель QF модуля питания и выключатель SA2 этого же модуля). Измерить ток в цепи. Используя мультиметр в режиме измерения постоянного напряжения измерить величину напряжения питания и напряжения на резисторах R1 , R2, R3 в схеме с последовательным соединением резисторов R1 , R2, R3. Результаты измерений занести в таблицу 1.Выключить питание.
|
|
3. Собрать электрическую цепь с параллельным соединением резисторов (Рис. 4). Установить заданные значения резисторов R1 , R2, R3. Включить питание и измерить напряжения и токи на всех участках цепи. Результаты занести в таблицу 2. Выключить питание.
4. Вычислить мощность каждого резистора и всей цепи в целом, полученные результаты занести в таблицы 1 и 2.
Сделать выводы о выполнении первого и второго законов Кирхгофа, а также о соотношении сопротивлений, проводимостей и мощностей в цепях постоянного тока при последовательном и параллельном соединении элементов.
Для последовательного соединения убедиться, что для всей цепи:
а) 
;
б) 
;
в) 
;
для параллельного соединения убедиться, что для всей цепи:
а) 
, а 
;
б) 
;
в) 
;
Таблица 1
| № п\п | Участок цепи | Измерить | Вычислить | ||
| U, В | I, А | R, Ом | P, Вт | ||
| Резистор R1 | |||||
| Резистор R2 | |||||
| Резистор R3 | |||||
| Вся цепь |
Таблица 2
| № п\п | Участок цепи | Измерить | Вычислить | ||
| U, В | I, А | g, Cм | P, Вт | ||
| Резистор R1 | |||||
| Резистор R2 | |||||
| Резистор R3 | |||||
| Вся цепь |
Содержание отчета.
Отчет по работе должен содержать:
· наименование работы и цель работы;
· письменные ответы на контрольные вопросы;
· схемы экспериментов и таблицы полученных экспериментальных данных;
· результаты расчетов;
· выводы по работе.
|
|
5. Контрольные вопросы.
1. Какое соединение элементов называется последовательным?
2. Какое соединение элементов называется параллельным?
3. Как определить полное сопротивление цепи при последовательном соединении? Единицы измерения сопротивления.
4. Как определить полное сопротивление цепи при параллельном соединении?
5. Что такое проводимость? Единицы измерения проводимости.
6. Используя закон Ома, выразить полный ток цепи и напряжение на участке цепи при последовательном соединении элементов.
7. Используя закон Ома, выразить полный ток цепи и напряжение на участке цепи при параллельном соединении элементов.
8. Как определить мощность на участке цепи и всей цепи при последовательном соединении? Единицы измерения мощности.
9. Как определить мощность на участке цепи и всей цепи при параллельном соединении?