Лабораторная работа № 226

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ВОЛЖСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)
ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
КАФЕДРА «ПРИКЛАДНАЯ ФИЗИКА И МАТЕМАТИКА»
Г.А. Рахманкулова
ИЗУЧЕНИЕ ОБОБЩЕННОГО ЗАКОНА ОМА
И ИЗМЕРЕНИЕ ЭДС МЕТОДОМ КОМПЕНСАЦИИ
Методические указания
Волгоград
2015
УДК 53 (075.5)
Рецензент:
Канд. физ.-мат. наук, доцент Т.А. Сухова
Издается по решению редакционно-издательского совета
Волгоградского государственного технического университета
Г.А. Рахманкулова, Изучение обобщенного закона Ома и измерение ЭДС
методом компенсации [Электронный ресурс]: методические указания //Сборник
«Методические указания» Выпуск 3.-Электрон. текстовые дан.(1файл:141Kb) –
Волжский: ВПИ (филиал) ГОУВПО ВолгГТУ, 2015.-Систем.требования:Windows
95 и выше; ПК с процессором 486+; CD-ROM.
Методические указания содержат рекомендации к выполнению лабораторной работы, представленной во второй части практикума кафедры
«Прикладная физика и математика» Волжского политехнического института.
Предназначены для студентов всех форм обучения.
Волгоградский
государственный
технический
университет, 2015
 Волжский
политехнический
институт, 2015
Лабораторная работа № 226
ИЗУЧЕНИЕ ОБОБЩЕННОГО ЗАКОНА ОМА
И ИЗМЕРЕНИЕ ЭДС МЕТОДОМ КОМПЕНСАЦИИ
226.1 Цель работы: изучение взаимосвязи силы тока в цепи, содержащей ЭДС (т.е. источник тока) и разности потенциалов на этом участке
цепи, расчет ЭДС источника тока, определение полного сопротивления
этого участка.
226.2 Введение
Условием возникновения тока в проводнике является наличие разности потенциалов на концах этого проводника, причем эта разность потенциалов должна поддерживаться работой сторонних сил в источнике тока.
Наличие разности потенциалов приводит к возникновению электростати-


ческого поля  E эл.ст. в проводнике, а работа сторонних сил - к возник


новению поля E стор.


По определению направление E совпадает с направлением силы F
действующей на точечный заряд +q при этом:


E эл.ст. 


F эл.ст.
;
q
E стор. 
F стор.
.
q
(226.1)
Величины (226.1) являются силовыми характеристиками полей в цепи,
а энергетическими характеристиками электростатического поля является
разность потенциалов  1   2 ; сторонних сил - ЭДС - . По определению
энергетических характеристик:
3
1   2 
А 1-2  эл.с т .
q
;
А с т о р.
.
q

(226.2)
Связь между энергетическими (226.2) и силовыми характеристиками
(226.1) полей в цепи имеет вид:
2
2

1   2   E эл. с т ат .dl;

   E с т о р.dl.
1
(226.3)
1
Величина, которая равна работе совершаемой электростатическим
полем и полем сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда по участку цепи 1-2, называется напряжением на этом участке и
имеет вид:
n
U12  1   2    i .
(226.4)
i 1
Знаки i над символом  принимается положительным, если перемещение в цепи от точки 1 до точки 2 соответствует перемещению внутри
источника тока от знака “-” до знака “+”, в противоположном - отрицательны.
Из закона Ома для участка цепи следует определение напряжения
U  IR 0 - где I - сила тока в цепи. R0 - полное сопротивление участка,
включающее внутреннее сопротивление источника ЭДС на данном участке. Тогда выражение (226.4) преобразуется:
n
1   2   i  IR0 .
(226.5)
i 1
Участок цепи, на котором не действует сторонние силы называется
однородным и напряжение на нем равно U1 2  1   2 , т.е. напряжение
совпадает с разностью потенциалов на концах участка 1-2.
Произведение IR0 положительно, если направление обхода совпадает
с направлением тока. Так, например, для участка 1--2 (рис.226.1), при на-
4
правлении обхода против часовой стрелки, направление тока с направлением обхода совпадает, и
I
2
ε
R
r
1
rв
V
Рис.226.1
I R  ri   1   2   i .
(226.6)
Для участка 1-V-2 (обход через вольтметр) эта связь будет иметь следующий вид:
I в rв   1   2 .
(226.7)
где Iв - ток идущий через вольтметр, rв - сопротивление вольтметра.
В (226.7) знаки ”“ перед Iвrв в связи с тем что нельзя заранее указать
направление тока Iв по отношению к направлению обхода, т.к. неизвестны
параметры внешней (по отношению к рассматриваемому участку) цепи.
Произведение Iвrв - это показание вольтметра Uв всегда равно (226.7)
разности потенциалов между точками подключения прибора. Т.е. в общем
случае
U в  1   2 .
(226.8)
Подставляя в (226.6)выражение (226.8) и заменяя R+ri на R0 (полное
сопротивление участка 1-2), получаем:
IR 0   U в  
 1   2   U в    IR 0 .
или
(226.9)
Из (226.4) и (226.9) следует, что между разностью потенциалов, измеренных вольтетром, и током участка цепи, между концами которого включен вольтметр, в общем случае существует линейная зависимость. таким
5
образом, угловой коэффициент графика этой зависимости будет числено
равен полному сопротивлению участка этой цепи R0, т.е.
tg 
U'  U' '
I'  I' '
 R0 ,
(226.10)
где U’ и U’’ - значения разности потенциалов на концах участка, а I’ и I” соответствующие им значения силы тока.
При этом из (226.9) видно что если сила тока, обтекающего участка
равна 0, то показания вольтметра по абсолютному значению равны ЭДС
источника тока, т.е.
U в  .
(226.11)
226.3 Описание установки и методика измерений
RД
A
2
εх
ε
V
П
Rх
1
Рис.226.2
Схема установки лабораторной работы представлена на рис.226.2. На
схеме показано два варианта подключения источника ЭДС - прямым и обратным (переключателем П). На схеме х - источник тока с неизвестным
ЭДС, -источник тока с регулируемым ЭДС, Rх - внешнее сопротивление
участка 1- х - 2; Rд - дополнительные сопротивления.
В соответствии с законом Ома (см.226.5) для участка цепи 1-2 можно
записать следующее выражение:
 1   2   x  IR x
или
6
(226.12)
 1   2  IR x   x ,
а для замкнутой цепи
I R x  R Д    x   ,
(226.13)
где “ + “ для прямого, а “ - “ для обратного включения  .
Из (226.13) величина силы тока в цепи будет определяться следующим
выражением:
I
x  
.
Rx  RД
( 226.14 )
Из (226.14 ) видно, что меняя величину или знак  можно менять и величину силы тока в цепи.
При прямом включении  и х сила тока  растет с увеличением . Из
(226.12) видно , что 1 - 2 при этом будет линейно падать, достигая нулевого значения и, при дальнейшем росте силы тока , сменит свой знак на
противоположный.
При обратном включении  по отношению к х сила тока  падает с
увеличением  и, при  =  х, становится равной нулю. При этом из (226.12)
следует, что 1 - 2 = -х, т.е. в момент компенсации тока (  = х ) вольтметр измеряет величину х. Вольтметр покажет положительное значение 
х,
т.к. 2 > 1, а к точке 2 подсоединена положительная клемма вольтметра.
Далее, рост  приводит к изменению направления тока в цепи.
226.4 Порядок выполнения работы
1. Записать спецификацию измерительных приборов .
2. Осмотреть схему собранную в соответствии с рис.226.2 - прямое
включение x и .
7
3. Меняя величину  от 0 до значения указанного на установке, снять
6-8 точек зависимости I от ( 1-2 ). Добиться изменения знака показателей
вольтметра и снять еще 4-6 точек этой зависимости с противоположным
знаком. Данные измерений занести в табл.226.1.
4. Уменьшить  до нуля, выключить установку, переключить полярность  переключателем П. Таким образом схема будет соответствовать
случаю обратного включения источников ЭДС х и .
5. Повторить п.3 добиваясь уменьшения тока до нуля. Переключить
полярность амперметра тумблером на корпусе прибора. После этого, продолжая увеличивать , снять 4-5 точек с отрицательным значением тока.
Результаты измерений занести в табл.226.2.
226.5 Обработка результатов измерений
Прямое включение  и х .
Таблица 226.1.
№
опыта
1
2
3
...
n
I, А
1-2, В
Обратное включение  и х .
Таблица 226.2
№
опыта
1
2
3
I, А
1-2, В
1. Построить график зависимости I  f ( 1   2 ) .
8
...
n
2. По точке пересечения графика с осью абцисс, определить величину
неизвестной ЭДС х.
3. По наклону графика (в соответствии с (226.10)) определить величину сопротивления участка цепи 1-2 т.е. Rх=R1-2.
4. Определить погрешности величин х иRх по обычной методике.
226.6 Контрольные вопросы
1. Что такое источник тока? Что такое ЭДС источника тока?
2. Каковы условия возникновения тока в проводнике?
3. Что такое сопротивление проводника и каков физический смысл
этой величины?
4. Сформулировать законы Ома для участка цепи и цепи содержащей
ЭДС.
5. Почему для возникновения ЭДС в источнике тока необходима работа сторонних не электрических сил?
6. Каким должно быть сопротивление идеальных вольтметра и амперметра? Почему?
7. Что означает термин “метод компенсации”?
9
Литература, рекомендуемая для обязательной проработки: [1],
§§5.1,…, 5.5; [2], §§67,…, 70; [3], §§31,…, 36; [4], §§40,…, 45; [5], §§96,…,
101.
ЛИТЕРАТУРА
1. Иродов И.Е. Электромагнетизм. Основные законы: Учебное пособие для
физич. спец. вузов. – 9-е изд. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013.
– 319 с.
2. Калашников С.Г. Электричество. – 6-е изд., стер. – М.: ФИЗМАТЛИТ,
2003. – 624 с.
3. Савельев И.В. Курс общей физики в 4-х томах. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. – М.: КноРус, 2012. – Т.2. – 576 с.
4. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Электричество. – М.: ФИЗМАТЛИТ,
2009. – Т.3. – 656 с.
5. Трофимова Т.И. Курс физики. – 20-е изд., стер. – М.: Изд-во «Академия», 2014. – 560 с.
10
Учебное издание
Галлия Алиевна Рахманкулова
ИЗУЧЕНИЕ ОБОБЩЕННОГО ЗАКОНА ОМА
И ИЗМЕРЕНИЕ ЭДС МЕТОДОМ КОМПЕНСАЦИИ
Методические указания
в авторской редакции
Темплан 2007 г., поз.№ __226. В_
Лицензия ИД № 04790 от 18.05.2001 г.
Подписано в печать _________. Формат 60x84 1/16.
Усл. печ. л. _1,16___.
Уч.-изд. л. _1,2 на магнитоносителе
Волгоградский государственный технический университет.
400131, г. Волгоград, просп. им. В.И. Ленина 28.
РПК “Политехник” Волгоградского государственного
технического университета.
400131, Волгоград, ул. Советская, 35.