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:

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

 

e 1 2 R r e/2 U Iк.з/2 Iк.з I Рис. 1

 

	P		h

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 также равно нулю (рис. 1, кривая 2). Если внешнее сопротивление R равно внутреннему сопротивлению r, то 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 Рa (Вт) — мощность, выделяемая на внешней нагрузке:

Рa = I2 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 = eI

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 = Iк.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 Ра =f(R) и h =f(R) (рис. 2).

 

Контрольные вопросы

1. Что называется электрическим током? постоянным током?

2. Дайте определение ЭДС.

3. Дайте определение электрического напряжения.

4. Что называется сопротивлением? внутренним сопротивлением?

5. Сформулируйте закон Ома для участка и полной цепи.

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

7. Сформулируйте закон Джоуля-Ленца.

8. Дайте определение мощности.

9. Что называется полной мощностью?

10. Что называется полезной мощностью?

11. Дайте определение КПД источника тока.

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