Исследование неразветвленной электрической цепи

Цель:	изучить зависимость силы тока, напряжения, мощности и коэффициента полезного действия (КПД) источника тока от величины внешнего сопротивления электрической цепи.
Оборудование:	источник постоянного тока, два электрических сопротивления, миллиамперметр, вольтметр.

Электрический ток — упорядоченное движение зарядов, возникающее в проводнике под действием электрического поля.

Сила тока I (A) численно равна заряду, который проходит через поперечное сечение проводника в единицу времени.

Электродвижущая сила источника тока e (В) численно равна работе, совершаемой сторонними силами (силами неэлектрического происхождения) по перемещению заряда +1 Кл по электрической цепи.

Закон Ома для замкнутой цепи:

где R — внешнее сопротивление электрической цепи; r — внутреннее сопротивление источника тока.

При коротком замыкании внешнее сопротивление равно нулю R = 0, в результате значение силы электрического тока принимает максимальное значение (ток короткого замыкания):

Когда внешнее сопротивление равно внутреннему сопротивлению значение силы тока равно половине значения тока короткого замыкания:

h

При дальнейшем увеличении величины внешнего сопротивления сила тока в цепи уменьшается, асимптотически приближаясь к нулю (рис. 1, кривая 1).

1 2 R r e/2 e U I к.з/2 I к.з I Рис. 1

r R 2 1 Рис. 2

Напряжение U (В)— физическая величина, равная работе, совершаемой кулоновскими и сторонними силами при перемещении заряда +1 Кл по электрической цепи. Напряжение на участке цепи равно:

U = I R, (1)

где I — сила тока на данном участке цепи; R — сопротивление участка цепи.

При внешнем сопротивлении равном нулю R = 0, напряжение так же равно нулю (рис. 1, кривая 2). Если внешнее сопротивление равно внутреннему — напряжение равно половине значения ЭДС. При дальнейшем увеличении значения внешнего сопротивления напряжение возрастает, асимптотически приближаясь к значению ЭДС, и достигает этого значения при бесконечно большом значении внешнего сопротивления, что соответствует разомкнутой цепи.

Мощность Р (Вт)— быстрота совершения работы. Полезная мощность Р_a (Вт) — мощность, выделяемая на внешней нагрузке:

Р_a = I ² R = IU (2)

При коротком замыкании (R = 0) и при разомкнутой цепи (R = ¥) полезная мощность равна нулю (рис. 2, кривая 1). Полезная мощность достигает своего максимального значения, когда внешнее сопротивление цепи равно внутреннему сопротивлению источника тока (R = r).

Полная мощность определяется по формуле: Р = e I

Коэффициент полезного действия h источника тока равен отношению полезной мощности к полной мощности:

(3)

КПД равен нулю при коротком замыкании цепи (рис. 2, кривая 2). С увеличением значения внешнего сопротивления КПД возрастает. Когда величина внешнего сопротивления равна внутреннему — КПД равен 0,5.

Порядок выполнения работы

Задание 1. Исследование зависимости силы тока и напряжения от величины внешнего сопротивления электрической цепи

Рис. 3

1. Определить ЭДС источника тока, подключив к его зажимам клеммы вольтметра V (рис. 3).

2. Замкнуть ключ K. Установить движок реостата R в положение, соответствующее наибольшему напряжению. Определить миллиамперметром mA силу тока в цепи.

3. Перемещая движок реостата, устанавливать напряжения, равные соответственно 0,9e; 0,8e; 0,7e; … 0,1e; 0. Снимать показания миллиамперметра. Занести данные измерений в таблицу.

 

U, В
I, А
R, Ом
P, Вт
Pa, Вт
h, %

 

4. По формуле 1 вычислить значения внешнего сопротивления электрической цепи для каждой пары измеренных токов и напряжений.

5. В одних координатах построить графики I =f (R) и U =f (R) (рис. 1). Определить по этим графикам внутреннее сопротивление источника тока. Оно равно сопротивлению внешней цепи при котором I = I _к.з/2 и U = e/2.

Задание 2. Исследование зависимости полезной мощности и КПД от величины внешнего сопротивления электрической цепи.

1. По формуле 2 вычислить полезную мощность для каждого значения величины внешнего сопротивления. Занести данные в таблицу.

2. По формуле 3 вычислить КПД для каждого значения величины внешнего сопротивления. Занести данные в таблицу.

3. В одних координатах построить графики Р_а =f (R) и h =f (R) (рис. 2).

Контрольные вопросы

1. Что такое электрический ток?

2. Дайте определение ЭДС.

3. Дайте определение электрического напряжения.

4. Какие значения принимают сила тока и напряжение при коротком замыкании?

5. Дайте определение мощности.

6. Что называется полной мощностью?

7. Что называется полезной мощностью?

8. Дайте определение КПД источника тока.

9. Что называется внутренним сопротивлением?

10. Единицы измерения напряжения, силы тока, сопротивления, мощности, ЭДС в СИ.

11. Как по графикам I =f (R) и U =f (R) определить значение величины внутреннего сопротивления?

Лабораторная работа 6