Электрическая цепь постоянного тока

Цель работы: Изучить характеристики цепи постоянного тока.

Введение

Возникновение тока в цепи. Всякое направленное движение электрических зарядов называется электрическим током.

В металлах могут свободно перемещаться только электроны, поэтому электрический ток есть движение электронов. Под действием электрических сил происходит перемещение зарядов вдоль проводника. Линии, по которым движутся заряженные частицы − линии тока. Их направление − направление (+) зарядов.

Рис. 1

1. Заряды создающие поле внутри проводника должны находиться на поверхности проводника.

2. Заряды должны двигаться по замкнутому контуру − электрической цепи.

Электростатические силы потенциальны, значит, их работа по замкнутому контуру равна нулю, следовательно, нужны силы не электростатического происхождения − сторонние силы.

Источник тока − устройство создающее эти силы. Роль источника − перераспределение поверхностных зарядов проводника.

Пусть в момент включения источника тока напряженность электрического поля около источника нарастает до максимального значения. вызовет , его направление определяется по правому винту относительно . Изменяющееся магнитное поле , вызовет появление вихревого электрического поля , направление которого определяется по правилу левого винта относительно вектора , в т. 1 поля и , компенсируют друг друга. То же самое происходит с полями и . Исчезая в т. 1, эл. поле появляется в т. 2. В итоге вдоль электрической цепи распространяется электромагнитный импульс. На поверхности проводников нормальная компонента вектора , индуцирует электрические заряды, плотность которых .

Поверхностные заряды под действием касательной силы будет перемещаться вдоль электрической цепи. При прохождении этого электромагнитного импульса установится такое распределение поверхностных зарядов, что созданная ими внутри проводника напряженность электрического поля не будет равна нулю и потечет ток. При постоянном токе на место ушедших зарядов постоянно приходит равное кол-во новых.

Характеристики электрической цепи.

Количественные характеристики: сила тока, разность потенциалов участка цепи, напряжение, сопротивление, электродвижущая сила. Сила тока численно равна заряду, проходящему в единицу времени через сечение проводника

(1)

Величина, численно равная работе стационарного электрического поля по перемещению положительного единичного заряда называется разностью потенциалов на участке 1 − 2 (рис. 2а).

(2)

R E R E

1 2 1 2 1 2

а) б) в)

рис. 4

Величина, численно равная работе сторонних сил по перемещению положительного единичного заряда называется электродвижущей силой (рис. 4б).

(3)

Величина, численно равная работе сторонних сил и сил стационарного электрического поля по перемещению положительного единичного заряда называется напряжением.

(4)

Для участка цепи Ом установил закон: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.

(5)

Знак I считается положительным, если ток течет от т.1 к т. 2, а знак э.д.с. положительный, если проходят источник тока от − к +.

Закон Ома для полной цепи (рис. 5)

(6)

где r − внутреннее сопр. источника, R − сопротивление внешнего участка цепи.

Е, r

R

Рис. 5.

Разветвленная цепь.

Рис. 6.

Для нахождения силы тока на разных участках такой цепи используют правила Кирхгофа.

1. (7)

2. (8)

Энергетические характеристики.

Вектор Умова-Пойтинга

(9)

(10)

Для постоянного тока q=It, тогда

(11)

Если проводник неподвижен и на него не действуют химические реакции, значит, вся энергия идет на нагрев проводника

(12)

Мощность − это работа, выполняемая в единицу времени.

− вся мощность, − мощность внутри источника, − полезная мощность нагрузки.

(13)

Так как , то полезная мощность

(14)

Мерой эффективности передачи энергии от источника к нагрузке служит КПД.

(15)

Можно выделить 3 режима работы источника тока:

1. Режем холостого хода I=0, R= ∞

2. Режим максимальной полезной мощности , R=r

3. Режим короткого замыкания , R=0.

Нелинейный элемент цепи.

Если сопротивление элемента постоянно, то элемент называется линейным.

Методика эксперимента.

Собрать схемы по указаниям, сделать замеры и записать их в таблицу

1. Собрать установку «простая электрическая схема», измерить значения тока и напряжения. Результаты записать в таблицу

+

2. Собрать установку «электрическая цепь с нелинейным элементом», увеличивая ток до максимального с помощью потенциометра измерить через 10 делений шкалы амперметра значения тока и напряжения. Результаты записать в таблицу

+

3. Собрать установку «разветвленная электрическая цепь», Установить с помощью потенциометра одно из значений тока нижней половины таблицы 2. Записать величины тока и напряжения в таблицу 4. Записать в таблицу 4 значения сопротивлений , (из инструкции к работе).

+

+

Псковский Политехнический институт.

Отчет по работе № 1.06

Электрическая цепь постоянного тока.

Факультет: Фаи

Группа: 081-091

Студент: Павлов Анатолий

Преподаватель: Соловьев Станислав Алексеевич

Дата: 25.02.

2004.

(Таблица 1)

B	мА	Ом	В	мА	Ом	Ом
11,27	8,5	15,9	8,17	24	30,4	1000

­­− абсолютная погрешность

2,21828ЫВ / 11,27В = 0,197 = 19,7% − относительная погрешность