Лабораторная работа №303
ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Цель работы:
· знакомство с компьютерным моделированием цепей постоянного тока с помощью виртуальной модели
· экспериментальное подтверждение законов Ома и Кирхгофа с помощью виртуальной модели.
Приборы и принадлежности:
· персональный компьютер
· компьютерные модели «Открытая физика 1.1».
Краткая теория
Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц или заряженных макроскопических тел. Различают токи проводимости и конвекционные токи.
Упорядоченное движение свободных электронов в металле и ионов в жидкости под действием электрического поля принято называть током проводимости. Направление движения положительных зарядов в проводнике определяет направление тока.
Количественной мерой электрического тока служит сила тока. Сила тока – скалярная физическая величина I, равная отношению заряда dq, переносимого при электрическом токе сквозь рассматриваемую поверхность S за малый промежуток времени, к длительности dt этого промежутка
.
В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах (А).
Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным.
Экспериментально установлено, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику, пропорциональна напряжению U на концах проводника (закон Ома):
, (1)
где R – сопротивление проводника. Уравнение (1) отражает закон Ома для однородного участка цепи (не содержащего источника тока). В международной системе единиц СИ сопротивление измеряется в омах (Ом). 1 Ом – сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1В течет постоянный ток 1А.
Сопротивление проводников зависит от его размеров и формы, а также от материала, из которого он изготовлен. Для однородного линейного проводника сопротивление R прямо пропорционально его длине l и обратно пропорционально площади его поперечного сечения S:
,
где ρ – удельное электрическое сопротивление, характеризующее материал проводника. Единица измерения удельного электрического сопротивления Ом∙м.
Рассмотрим неоднородный участок цепи, в котором действует источник тока – устройство, способное создавать и поддерживать разность потенциалов за счет работы сил неэлектрического происхождения (сторонних сил). Природа сторонних сил может быть различна. В генераторах электрического тока разделение зарядов осуществляется силами магнитного поля, в гальванических элементах и аккумуляторах – химическими и т.д.
Физическая величина, измеряемая работой сторонних сил при переносе ими единицы положительного заряда в цепи, называется электродвижущей силой (ЭДС) источника тока
.
В Международной системе единиц СИ ЭДС источника тока измеряется в вольтах (В).
Закон Ома для неоднородного участка цепи в интегральной форме, который является обобщенным законом Ома, представляет собой:
, (2)
где I – сила тока, φ1, φ2 – разность потенциалов на концах участка, ε – ЭДС, R – сопротивление внешнего участка цепи, r – внутреннее сопротивление цепи.
Если электрическая цепь замкнута, то 
, тогда закон Ома имеет вид:
. (3)
Обобщенный закон Ома позволяет рассчитать практически любую сложную цепь. Однако непосредственный расчет разветвленных цепей, содержащих несколько замкнутых контуров, представляет определенную сложность. Эта задача решается с помощью законов Кирхгофа. Законы Кирхгофа для разветвленной цепи (разветвленная цепь – электрическая цепь, содержащая узлы – места, где сходятся не менее трех проводников):
а) По первому закону Кирхгофа – алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю 
. Токи, приходящие к узлу, считаются положительными, а токи, отходящие от узла, отрицательными.
б) Второй закон Кирхгофа: в замкнутом контуре алгебраическая сумма произведений токов в участках на сопротивление этих участков равна алгебраической сумме электродвижущих сил, включенных в данный контур
,
где 
– алгебраическая сумма сил токов, сходящихся в узле; 
– алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивления замкнутых участков; 
– алгебраическая сумма ЭДС источников тока на замкнутом участке цепи.
При расчете сложных цепей постоянного тока с применением правил Кирхгофа необходимо:
1. Выбрать произвольное направление токов на всех участках цепи.
2. Выбрать направление обхода контура; произведение 
положительно, если ток на участке совпадает с направлением обхода, и, наоборот; ЭДС, действующие по выбранному направлению обхода (перемещение происходит внутри источника тока от катода к аноду), считаются положительными.
3. Составить столько уравнений, чтобы их число было равно числу неизвестных электрических величин; каждый рассматриваемый контур должен содержать хотя бы один элемент, не содержавшийся в предыдущих контурах.
Порядок выполнения лабораторной работы
1. На экране монитора выберите раздел «Электричество и магнетизм», затем «Цепи постоянного тока».
|
| Рис. 1 |
2. Соберите в окне «Цепи постоянного тока» на экране монитора эквивалентную цепь. Для этого переместите маркер мыши в нижнюю часть окна, щелкните левой кнопкой мыши на кнопку источника тока. Переместите маркер мыши на рабочую часть окна и расположите источники тока как показано на рис. 1.
3. Аналогично разместите другие элементы цепи (резисторы, амперметры, вольтметр и соединительные провода), предварительно нажав в нижней части окна соответствующую кнопку.
4. Установите значения ЭДС источников тока и сопротивления резисторов, указанные в таблице 1 для Вашей бригады. Для этого щелкните в нижней части окна левой кнопкой мыши на кнопку со стрелкой. Подведите маркер мыши к движку появившегося регулятора, нажмите левую кнопку и, удерживая ее, меняйте величину данного параметра.
5. Установите сопротивление резистора нагрузки R=1Ом. Измерьте значения всех токов и напряжение на нагрузке (щелкнув мышью на кнопку «Счет») и запишите их в таблицу 2. Меняя сопротивление R каждый раз на 1 Ом, повторите измерения еще 5 раз. Полученные значение силы токов и напряжение запишите в таблицу 2.
6. Рассчитайте значения силы токов, используя правила Кирхгофа, и запишите в таблицу 3.
Таблица 1