Лабораторная работа

 

«Изучение закона Ома для участка цепи»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дисциплина Физика

Преподаватель Виноградов А.Б.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нижний Новгород

2014 г.

 

 

 

 

 

Цель работы:знакомство с простейшими электрическими схемами и приобретение навыков работы с электроизмерительными приборами; экспериментальная проверка закона Ома для участка электрической цепи.

 

Оборудование:  источник постоянного тока, амперметр, вольтметр, реостат, магазин сопротивлений, ключ, соединительные провода.

 

 

Теоретическое содержание работы.

 

Носителями тока в металлах являются свободные электроны, т.е. электроны, слабо связанные с ионами кристаллической решетки металла. Это представление о природе носителей тока в металлах основывается на электронной теории проводимости металлов, созданной немецким физиком  Друде (1863-1906) и разработанной нидерландским физиком Лоренцем, а также на ряде классических опытов, подтверждающих положения электронной теории.

Существование свободных электронов в металлах на основании электронной теории объясняется следующим образом: при образовании кристаллической решетки (в результате сближения изолированных атомов) валентные электроны, сравнительно слабо связанные с атомными ядрами, отрываются от атомов металла, становятся "свободными" и могут перемещаться по всему объему. Таким образом, в узлах кристаллической решетки располагаются ионы металла, а между ними хаотически движутся свободные электроны, образуя своеобразный электронный газ, обладающий свойствами идеального газа.

При наложении внешнего электрического поля на металлический проводник кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение, т.е. электрический ток.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока J - скалярная величина, определяемая электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени:

J = dQ / dt .                                                        (1.1)

Ток, сила и направление которого не изменяются с течением времени, называется постоянным. Для постоянного тока

J = Q / t ,

где Q - электрический заряд, проходящий за время t через поперечное сечение проводника.

Единица силы тока – ампер (А). Ампер – сила, не изменяющегося тока, который при прохождении по двум прямолинейным параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого сечения, расположенными в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, создает между этими проводниками силу взаимодействия, равную 2×10-7 Н на каждый метр длины.

Напряжением U на участке 1-2 называется физическая величина, определяемая работой, совершаемой суммарным полем электростатических (кулоновских) и сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда на данном участке цепи:

 U = (j1– j2) + e ,                                     (1.2)

где e – ЭДС источника тока.

Напряжение на концах участка цепи равно разности потенциалов в том случае, если на этом участке не действует ЭДС, т.е. сторонние силы отсутствуют (однородный участок).

Немецкий физик Ом (1787-1854) экспериментально установил, что сила тока J прямо пропорциональна приложенному напряжению U и обратно пропорциональна сопротивлению участка R:

J = U / R.                                         (1.3)

Закон Ома для неоднородного участка, где действует ЭДС, имеет следующий вид:

J = ((j1- j2) + e) / R.                                 (1.4)

 

Выражение (1.4) представляет собой закон Ома в интегральной форме, который является обобщенным законом Ома.

Если на данном участке цепи источник тока отсутствует (e=0), то из (1.4) приходим к закону Ома для однородного участка:

J = (j1- j2) / R = U / R.

Если же электрическая цепь замкнута, то выбранные точки 1 и 2 совпадают, j1 = j2; тогда из (1.4) получаем закон Ома для замкнутой цепи:

J = e / R,

где e – ЭДС действующая в цепи, R - суммарное сопротивление всей цепи.

В общем случае R = R1 + r, где r – внутреннее сопротивление источника ЭДС, R1 - сопротивление внешней цепи.

Поэтому закон Ома для замкнутой цепи будет иметь вид:

J = e / (R1 + r).                                           (1.5)

Если цепь разомкнута и, следовательно, в ней ток отсутствует (J=0), то из закона Ома (1.4) получим, что e=(j1- j2), т.е. ЭДС, действующая в разомкнутой цепи, равна разности потенциалов на концах. Следовательно, для того, чтобы определить ЭДС источника тока, надо измерить разность потенциалов на его клеммах при разомкнутой цепи.

Задача данной работы заключается в том, чтобы изучить закон Ома для однородного участка, необходимо:

а) снять зависимость силы тока J от напряжения U при постоянном сопротивлении R;

б) снять зависимость силы тока J от сопротивления R при постоянном напряжении U.

 

Описание установки и измерений.

Для выполнения лабораторной работы собирают схему, изображенную на рис.1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Здесь e – источник тока, П – потенциометр или делитель напряжения , R – магазин сопротивлений, V – вольтметр, А – амперметр.

При перемещении подвижного контакта потенциометра показания вольтметра, включенного параллельно, будут изменяться от 0 до U.

Магазин сопротивлений состоит из пяти декад, соединенных последовательно, сопротивления которых известны, что позволяет изменять сопротивление в определенных пределах. Силу тока измеряют при помощи амперметра, включенного последовательно.

 

Порядок выполнения работы:

 

1. Собрав цепь по схеме, данной на рис. 1, приступают к снятию зависимости силы тока от напряжения при постоянном сопротивлении. При помощи магазина сопротивлений устанавливают какое-либо сопротивление. Перемещая ползунок потенциометра, изменяют напряжение, величину которого показывает вольтметр. Результаты измерений заносят в таблицу 1.

Таблица 1

№

R, Oм

U, B

J, A

 

 

 

 

 

 

 

2. Затем приступают к снятию зависимости силы тока от сопротивления. Для этой цели с помощью потенциометра устанавливают постоянное напряжение. Изменяют сопротивление с помощью магазина сопротивлений последовательно последовательно в определенных пределах. Результаты измерений заносят в таблицу 2.

Таблица 2

№

U, B

R, Oм

J, A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обработка результатов измерений.

 

1. По результатам измерений, занесенных в таблицу 1, строят график зависимости силы тока от напряжения J=f(U) при постоянном сопротивлении R.

2. По результатам таблицы 2 строят график зависимости силы тока от сопротивления J=f(R) при постоянном напряжении U.

 

Контрольные вопросы:

1.  Как изменится сила тока в проводнике при увеличении напряжения на нем в два раза?

2.  Как изменится сопротивление проводника при увеличении напряжения на нем в два раза?

3.  Можно ли включить в сеть с напряжением 15 В реостат на котором написано 6 Ом; 2 А?

 

Литература

 

1.       Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1985. – 432с.

2.       Савельев И.В. Курс общей физки. – Т.2. – М.: Наука, 1973.

3.       Грабовский Р.Н. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1980.

4.       Кортнев А.В., Рублев В., Куценко А.Н. Практикум по физике. – М.: Высшая школа, 1965. – 567с.

5.       Лабораторный практикум по физике / Под ред. Ахматова А.С. – М.: Высшая школа, 1980. – 360с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лабораторная работа

 

«Изучение закона Ома для участка цепи»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дисциплина Физика

Преподаватель Виноградов А.Б.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нижний Новгород

2014 г.

 

 

 

 

 

Цель работы:знакомство с простейшими электрическими схемами и приобретение навыков работы с электроизмерительными приборами; экспериментальная проверка закона Ома для участка электрической цепи.

 

Оборудование:  источник постоянного тока, амперметр, вольтметр, реостат, магазин сопротивлений, ключ, соединительные провода.

 

 

Теоретическое содержание работы.

 

Носителями тока в металлах являются свободные электроны, т.е. электроны, слабо связанные с ионами кристаллической решетки металла. Это представление о природе носителей тока в металлах основывается на электронной теории проводимости металлов, созданной немецким физиком  Друде (1863-1906) и разработанной нидерландским физиком Лоренцем, а также на ряде классических опытов, подтверждающих положения электронной теории.

Существование свободных электронов в металлах на основании электронной теории объясняется следующим образом: при образовании кристаллической решетки (в результате сближения изолированных атомов) валентные электроны, сравнительно слабо связанные с атомными ядрами, отрываются от атомов металла, становятся "свободными" и могут перемещаться по всему объему. Таким образом, в узлах кристаллической решетки располагаются ионы металла, а между ними хаотически движутся свободные электроны, образуя своеобразный электронный газ, обладающий свойствами идеального газа.

При наложении внешнего электрического поля на металлический проводник кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение, т.е. электрический ток.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока J - скалярная величина, определяемая электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени:

J = dQ / dt .                                                        (1.1)

Ток, сила и направление которого не изменяются с течением времени, называется постоянным. Для постоянного тока

J = Q / t ,

где Q - электрический заряд, проходящий за время t через поперечное сечение проводника.