ЭДС и внутреннее сопротивление источников постоянного тока. Закон Ома для полной цепи.
Цель
работы: определить
внутреннее сопротивление источника тока и его ЭДС.
1.Пояснение
к работе
Краткие
теоретические сведения
(1)
При движении заряда Q на внешнем участке цепи преобразуется энергия стационарного поля, созданного и поддерживаемого источником:
а на внутреннем участке:
По закону сохранения энергии
Сократив на Q, получим:
т.е. электродвижущая сила источника равна сумме напряжений на внешнем и внутреннем участке цепи.
При разомкнутой цепи Uвн.= 0, то
Подставив в равенство (6) выражения для U и Uвн. по закону Ома для участка цепи
получим:
Отсюда
Электрический ток в
проводниках вызывают так называемые источники постоянного тока. Силы,
вызывающие перемещение электрических зарядов внутри источника
постоянного тока против направления действия сил электростатического
поля, называются сторонними силами. Отношение работы Астор.,
совершаемой сторонними силами по перемещению заряда D Q вдоль цепи, к
значению этого заряда называется электродвижущей силой e источника
(ЭДС):
(1)
Электродвижущая
сила выражается в тех же единицах, что и напряжение или разность
потенциалов, т.е. в Вольтах.
Работа – эта мера превращения энергии из одного вида в другой. Следовательно, в источнике сторонняя энергия преобразуется в энергию электрического поля
Работа – эта мера превращения энергии из одного вида в другой. Следовательно, в источнике сторонняя энергия преобразуется в энергию электрического поля
W = e * Q
(2)
При движении заряда Q на внешнем участке цепи преобразуется энергия стационарного поля, созданного и поддерживаемого источником:
W1 = U * Q ,
(3)
а на внутреннем участке:
W2 = Uвн. * Q
(4)
По закону сохранения энергии
W = W1 + W2 или e * Q =
U * Q + Uвн. * Q (5)
Сократив на Q, получим:
e = Uвн. + U (6)
т.е. электродвижущая сила источника равна сумме напряжений на внешнем и внутреннем участке цепи.
При разомкнутой цепи Uвн.= 0, то
e = U (7)
Подставив в равенство (6) выражения для U и Uвн. по закону Ома для участка цепи
U = I * R; Uвн. = I * r,
получим:
e = I * R + I * r = I * (R
+ r) (8)
Отсюда
(9) Таким
образом, сила тока в цепи равна отношению электродвижущей силы
источника к сумме сопротивлений внешнего и внутреннего участков цепи.
Это закон Ома для полной цепи. В формулу (9) входит внутреннее
сопротивление r.
Рисунок 1. Схема электрическая принципиальная.
Рисунок 1. Схема электрическая принципиальная.
Пусть известны значения сил токов I1 и I2 и падения напряжений на реостате U1 и U2 (см. рис.1.). Для ЭДС можно записать:
Приравнивая правые части этих двух равенств, получим
или
Т.к. I1 * R1 = U1 и I2 * R2 = U2, то можно последнее равенство записать так
откуда
e = I1 * (R1 + r) и e = I2 * (R2 + r) (10)
Приравнивая правые части этих двух равенств, получим
I1 * (R1 + r) = I2 * (R2 + r)
или
I1 * R1 + I1 * r = I2 * R2 + I2* r
I1 * r – I2 * r = I2 * R2 - I1 * R1
Т.к. I1 * R1 = U1 и I2 * R2 = U2, то можно последнее равенство записать так
r * (I1 – I2) = U2 – U1 ,
откуда
2.Техническое
задание
2.1.Собрать электрическую цепь (рисунок 1)
2.2.Снять показания приборов и записать их в таблицу
2.3.Произвести расчеты
2.4.Ответить на контрольные вопросы
2.5. Сделать вывод
3.Работа в лаборатории
2.1.Собрать электрическую цепь (рисунок 1)
2.2.Снять показания приборов и записать их в таблицу
2.3.Произвести расчеты
2.4.Ответить на контрольные вопросы
2.5. Сделать вывод
3.Работа в лаборатории
3.1.
Собрать схему (Рисунок 2).
Рисунок 2. Схема исследования.
3.2. Установите сопротивление реостата 7 Ом + N, ЭДС батарейки 5 В, внутреннее сопротивление батарейки 2 Ом + N,
где N - номер студента по журналу.
3.3. При помощи мультиметра определите напряжение на батарейке при разомкнутом ключе. Это и будет ЭДС батарейки в соответствии с формулой (7)
3.4. Замкните ключ и измерьте силу тока и напряжение на реостате. Результаты запишите в таблицу 1.
3.5. Измените сопротивление реостата и запишите другие значения силы тока и напряжения в таблицу 1.
3.6. Повторите измерения силы тока и напряжения для 7 различных положений ползунка реостата и запишите полученные значения в таблицу 1.
Таблица 1 - Результаты измерений
Рисунок 2. Схема исследования.
где N - номер студента по журналу.
3.3. При помощи мультиметра определите напряжение на батарейке при разомкнутом ключе. Это и будет ЭДС батарейки в соответствии с формулой (7)
3.4. Замкните ключ и измерьте силу тока и напряжение на реостате. Результаты запишите в таблицу 1.
3.5. Измените сопротивление реостата и запишите другие значения силы тока и напряжения в таблицу 1.
3.6. Повторите измерения силы тока и напряжения для 7 различных положений ползунка реостата и запишите полученные значения в таблицу 1.
Таблица 1 - Результаты измерений
|
№ изм. |
U |
I |
Rреост |
r |
|
В |
А |
Ом |
Ом |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
7 |
|
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
4. Содержание отчета
4.1. Название и цель работы
4.2. Схемы
4.3. Таблицы
4.4. Ответы на контрольные вопросы
4.5. Вывод
5.Контрольные вопросы
5.1. Сформулируйте закон Ома для полной цепи.
5.2. Чему равно ЭДС источника при разомкнутой цепи?
5.3. Чем обусловлено внутреннее сопротивление источника тока?
5.4. Чем определяется сила тока короткого замыкания батарейки?
Назад в оглавление
4.1. Название и цель работы
4.2. Схемы
4.3. Таблицы
4.4. Ответы на контрольные вопросы
4.5. Вывод
5.Контрольные вопросы
5.1. Сформулируйте закон Ома для полной цепи.
5.2. Чему равно ЭДС источника при разомкнутой цепи?
5.3. Чем обусловлено внутреннее сопротивление источника тока?
5.4. Чем определяется сила тока короткого замыкания батарейки?
Назад в оглавление