РАБОТА ИСТОЧНИКА ТОКА В ЗАМКНУТОЙ ЦЕПИ

РАБОТА ИСТОЧНИКА ТОКА В ЗАМКНУТОЙ ЦЕПИ

 

Методические указания к лабораторной работе №6

по физике

(Раздел <<Электричество и магнетизм>>)

 

 

Ростов – на – Дону

 

Составители: Е. С. Богославская, В. С. Ковалева, И. Г. Попова,

Н. Н. Фролова

 

УДК 530.1

 

 

РАБОТА ИСТОЧНИКА ТОКА В ЗАМКНУТОЙ ЦЕПИ

Метод. указания.- Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2011.- 11с

 

Указания содержат краткое описание работы источника тока в замкнутой цепи и методику определения ЭДС и внутреннего сопротивления источника.

 

 

Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения, в программу учебного курса которых входит выполнение лабораторных работ по физике (раздел <<Электричество и магнетизм>).

 

 

Печатается по решению методической комиссии факультета

<<Нанотехнологии и композиционные материалы>>

 

 

Рецензент доцент каф. физики, к.ф.- м. н. Г.Ф.ЛЕМЕШКО

 

©Издательский центр ДГТУ, 2011

Работа источника тока в замкнутой цепи

 

Цель работы: 1) определить внутреннее сопротивление источника тока и его ;

2) исследовать изменения полезной мощности и источника тока в зависимости от его нагрузки.

Оборудование: источник тока (выпрямитель напряжением 6 В), амперметр, вольтметр, реостат, соединительные провода.

 

Теоретическая часть

 

 

Рассмотрим схему, изображенную на рис. 1.

ε

r

R

Источник тока характеризуется электродвижущей силой ( или ) и внутренним сопротивлением .

Рис.1

Физическая величина, численно равная работе сторонних сил при перемещении

единичного положительного

заряда по цепи, называется

электродвижущей силой ( ), действующей в цепи:

. (1)

При подключении к источнику тока внешнего сопротивления ток в цепи определяется законом Ома для полной цепи:

 

. (2)

Каждому значению внешнего сопротивления будет соответствовать определенное значение силы тока. Например, внешним сопротивлениям реостата и будут соответствовать силы токов и .

Используя закон Ома для полной цепи (2), запишем:

и (3)

Приравнивая правые части равенств (3), получим:

,

откуда

. (4)

Используя закон Ома для участка цепи:

, (5)

перепишем равенство (4) в виде:

,

откуда, внутреннее сопротивление

(6)

.

 

можно рассчитать по формуле:

или

, (7)

где и - номера измерений силы тока и напряжения.

Полная мощность, развиваемая источником тока, равна

. (8)

Мощность, расходуемая во внешней части цепи, т. е. полезная мощность, определяется формулой:

. (9)

Подставляя в выражение (9) формулу (2), получим:

. (10)

Здесь величины и - постоянные. Поэтому полезная мощность является функцией только внешнего сопротивления и при определенных условиях принимает максимальное значение. Чтобы определить эти условия, необходимо исследовать функцию (10) на экстремум:

.

Таким образом, полезная мощность источника тока становится наибольшей, когда внешнее сопротивление цепи равно внутреннему сопротивлению источника тока.

Мощность, выделяемая внутри источника тока – это мощность потерь . При этом энергия электрического тока переходит во внутреннюю энергию источника (происходит нагрев). Мощность потерь определяется по формуле

. (11)

Коэффициентом полезного действия ( или ) источника тока называется отношение полезной мощности к его полной мощности :

, (12)

или

. (13)

Полезная мощность достигает максимального значения при . В этом случае из формулы (13) следует, что равен 0,5 или 50%.

Представим выражение (12) в виде:

.

Заметим, что при силе тока оказывается равным . Затем при увеличении силы тока уменьшается, обращаясь в ноль при , т. е. при коротком замыкании источника тока.

 

 

Порядок выполнения работы

 

1. Собрать цепь по схеме, изображенной на рис.1.
2. Определить цену деления амперметра и вольтметра ; записать в таблицу (таблицу изобразить для десяти строк).
3. Установить по заданию преподавателя первое значение силы тока, заметить при этом соответствующее значение напряжения.
4. Записать показания амперметра и вольтметра в делениях в таблицу.
5. Затем, увеличивая последовательно силу тока (шаг изменения силы тока задает преподаватель), довести ее до максимального значения, снимая 8-10 значений I и U.
6. Вычислить значения силы тока и напряжения соответственно по формулам:

,

1. Используя пять разных пар значений и (напр.: 1-5; 2-6; 3-7; 4-8; 5-10), по формулам (6) и (7) вычислить пять значений и .

Пример. Пусть Тогда

.

1. Результаты вычислений записать в таблицу.
2. Вычислить средние значения и .
3. Используя полученные значения и , вычислить для каждого значения силы тока:

· внешнее сопротивление, используя формулу (5);

· полную мощность по формуле (8);

· полезную мощность по формуле (9);

· мощность потерь по формуле (11);

· по формуле (12).

1. Внести их значения в соответствующие столбцы таблицы.
2. Построить в одной системе координат графики зависимостей: .
3. Построить графики зависимостей .

 

Таблица

№

cA

nA

I

cV

nV

U

R

ε

r

P

Pп

P1

η

А/дел

A

В/дел

B

Ом

B

Ом

Bт

Bт

Bт

…

…

ср

 

Контрольные вопросы

1. Что называется электрическим током?
2. Что называется силой тока?
3. Запишите закон Ома для однородного участка цепи; для неоднородного участка цепи.
4. Что называется источника тока?
5. Сформулируйте закон Ома для полной цепи.
6. Чем обусловлено внутреннее сопротивление источника тока?
7. Как определяется сила тока короткого замыкания?
8. Сформулируйте правила Кирхгофа.
9. Чему равна полная мощность, развиваемая источником тока?
10. Что называется полезной мощностью?
11. Как определяется мощность потерь?
12. Как определяется источника тока?
13. Как зависит полезная мощность источника тока от величины внешнего сопротивления?
14. Чему равен источника тока при максимальной полезной мощности?
15. При каких условиях источника тока достигает максимального значения?

 

Рекомендуемая литература

1. Трофимова Т. И. Курс физики.- М.: Высш. шк., 2004.
2. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике.-М.:Наука, 2006.
3. Кунаков В. С., Мардасова И. В. и др. Электростатика. Постоянный электрический ток: учеб. пособие- Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2010.

 

Техника безопасности

1. К работе с установкой допускаются лица, ознакомленные с ее устройством и принципом действия.

2. Электрическую схему включать в сеть только после проверки преподавателем правильности ее сборки.

 

 

Составители: Е. С. Богославская, В. С. Ковалева, И. Г. Попова,

Н. Н. Фролова

 

РАБОТА ИСТОЧНИКА ТОКА В ЗАМКНУТОЙ ЦЕПИ

 

 

Методические указания к лабораторной работе №6 по физике

(Раздел <<Электричество и магнетизм>>)

 

 

Редактор А. А. Литвинова

В печать

Объем Офсет. Формат

Бумага тип № Заказ № Тираж Цена

_______________________________________________________________

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия:

344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1