Визначення Е.Р.С. і внутрішнього опору джерела електричної енергії

 

Мета роботи: дослідити джерело струму, визначити його характеристики.

Завдання:

1. Визначити ЕРС джерела струму, його внутрішній опір і струм короткого замикання.

Обладнання та інструменти: джерело струму, реостат, резистор відомого опору, амперметр, вольтметр, ключ, з’єднувальні провідники.

Вказівки на теоретичний матеріал:

1. Закон Ома для повного кола.

 

Теоретичні положення

Закон Ома справедливий для провідників, виготовлених із матеріалів, у яких є вільні носії заряду: електрони провідності, дірки або йони. Якщо до таких провідників прикласти напругу, то в провідниках виникає електричне поле, що змушуватиме носії заряду рухатися. Під час цього руху носії заряду прискорюються й збільшують свою кінетичну енергію. Проте зростання енергії носіїв заряду обмежене зіткненнями між собою, зі зміщеними з положень рівноваги внаслідок теплового руху атомами матеріалу, з домішками. При таких зіткненнях надлишкова кінетична енергія носіїв струму передається коливанням кристалічної ґратки, виділяючись у вигляді тепла.

В середньому носії заряду мають швидкість, яка визначається частотою зіткнень. Математичною характеристикою таких зіткнень є час розсіяння і зв'язана із ним довжина вільного пробігу носіїв заряду. Обчислення показують, що середня швидкість носіїв заряду пропорційна прикладеному електричному полю, а отже й напрузі.

Таким чином, у матеріалах із вільними носіями заряду сила струму пропорційна напруженості електричного поля. Проходження струму через матеріал супроводжується виділеннями тепла. Детальніше про це у статті закон Джоуля-Ленца.

У сильних електричних полях закон Ома часто не виконується навіть для гарних провідників, оскільки фізична картина розсіяння носіїв заряду змінюється. Розігнаний до великої швидкості носій заряду може іонізувати нейтральний атом, породжуючи нові носії заряду, які теж у свою чергу вносять вклад у електричний струм. Електричний струм різко, іноді лавиноподібно, наростає.

У деяких матеріалах при низьких температурах процеси розсіяння носіїв заряду гасяться завдяки особливій взаємодії між ними та коливаннями кристалічної ґратки — фононами. В такому випадку виникає явище надпровідності

Закон Ома для повного кола: сила с струму у замкненому колі визначається відношенням електрорушійної сили до повного опору кола.

Рисунок 1. Схема електричного кола для вивчення характеристик джерела струму

(1) Струм короткого замикання: (2) Закон Ома для ділянки кола: (3)

 

Порядок виконання роботи

Перед початком виконання роботи: визначити ціну поділки шкали кожного вимірювального приладу, накреслити схеми електричного кола для кожного з завдань

Завдання 1. Визначення ЕРС і внутрішнього опору джерела струму.

1. Зібрати електричне коло за схемою на рис. 1.

2. Послідовно змінювати положення повзунка реостату. Знімати покази амперметра і вольтметра. Результат занести до табл. 1.

Таблиця 1. Результати вимірів і розрахунків

№ п/п	I, A	U, B	Imax, A	ЕРС, В	r, Ом
…

 

3. За даними табл. 1 побудувати графік залежності напруги від сили струму.

4. За даними графіка визначити ЕРС джерела струму (продовжити графік до перетину з віссю U), струм короткого замикання (продовжити графік до перетину з віссю І) і його внутрішній опір за формулою (2). Результат занести до табл. 1.

5. Розрахувати похибки вимірювань:

Висновок:

1. Яку фізичну величину Ви визначали? Описати, яким чином Ви це робили.

2. Дати аналіз отриманим даним. Для чого Ви розраховували похибки?

Контрольні запитання

1. Що таке ЕРС джерела струму? Від яких величин він залежить? Формула. Одиниці вимірювання.

2. Сформулювати закон Ома для повного кола. За яких умов він не виконується? Пояснити.

3. Які основні характеристики джерела струму?

4. Записати закон Ома для повного кола для послідовного і паралельного з’єднання джерел струму.

5. Вивести формулу для розрахунку зовнішнього опору для повного кола. Чому дорівнює опір реостата?

6. Розв’яжіть задачі:

а) ЕРС джерела струму дорівнює 1,5 В. При замиканні джерела опором 2 Ом сила струму становить 0,3 А. Визначити силу струму короткого замикання.

б) Якщо у колі резистор з опором 2 Ом, то амперметр показує 1,2 А, а коли резистор з опором 4,5 Ом, то амперметр показує 0,6 А. Визначити ЕРС і внутрішній опір джерела струму.

7. Заповніть таблицю.

Запишіть фізичні величини, які необхідно виміряти, щоб експериментально визначити ЕРС та внутрішній опір джерела струму, а також назви приладів, які вам знадобляться.

Фізична величина	Позначення	Одиниці вимірювання	Прилад для вимірювання фізичної величини

 

 

Лабораторна робота