Физика Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи

Материалы к уроку

Конспект урока

Соединим проводником два металлических шарика, несущих заряды противоположных знаков. Под влиянием электрического поля этих зарядов в проводнике возникает электрический ток. Но этот ток будет кратковременным. Заряды быстро нейтрализуются, потенциалы шариков станут одинаковыми, и электрическое поле исчезнет. Для того чтобы ток был постоянным, надо поддерживать постоянное напряжение между шариками. Для этого необходимо устройство (источник тока), которое перемещало бы заряды от одного шарика к другому в направлении противоположном направлению сил, действующих на эти заряды со стороны электрического поля шариков. 
В таком устройстве на заряды, кроме электрических сил должны действовать силы и неэлектрического происхождения. Одно лишь электрическое поле заряженных частиц (кулоновское поле) не способно поддерживать постоянный ток в цепи. Любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, за исключением сил электростатического происхождения (т.е. кулоновских), называют сторонними силами. Сторонние силы приводят в движение заряженные частицы внутри всех источников тока: в генераторах на электростанциях, в гальванических элементах, аккумуляторах.

При замыкании цепи создается электрическое поле во всех проводниках цепи. Внутри источника тока заряды движутся под действием сторонних сил против кулоновских сил (электроны от положительно заряженного электрода к отрицательному), а во всей остальной цепи их приводит в движение электрическое поле.
Природа сторонних сил может быть разнообразной. В генераторах электростанций сторонняя сила – эта сила, действующая со стороны магнитного поля на электроны в движущемся проводнике.
В гальваническом элементе, например, в элементе Вольта, действуют химические силы.

Элемент Вольта состоит из цинкового и медного электродов, помещенных в раствор серной кислоты. Химические силы вызывают растворение цинка в кислоте. В раствор переходят положительно заряженные ионы цинка, а сам цинковый электрод при этом заряжается отрицательно. Между цинковым и медным электродами появляется разность потенциалов, которая обусловливает ток в замкнутой электрической цепи.
Первая электрическая батарея появилась в 1799 году. Её изобрел итальянский физик Алессандро ВОльта (1745 — 1827) — итальянский физик, химик и физиолог, изобретатель источника постоянного электрического тока. Его первый источник тока – «вольтов столб» был построен в точном соответствии с его теорией «металлического» электричества. Вольта положил друг на друга попеременно несколько десятков небольших цинковых и серебряных кружочков, проложив меж ними бумагу, смоченную подсоленной водой. 
Гальванический элемент- химический источник тока, в котором электрическая энергия вырабатывается в результате прямого преобразования химической энергии окислительно-восстановительной реакцией.
До конца XVIII века все технические источники тока были основаны на электризации трением. Наиболее эффективным из этих источников стала электрофорная машина (диски машины приводятся во вращение в противоположных направлениях. В результате трения щеток о диски на кондукторах машины накапливаются заряды противоположного знака) Сторонние  силы  возникают  в  результате  трения.
Прибор фотоэлемент.
При освещении некоторых веществ светом в них появляется ток, световая энергия превращается в электрическую. 
В данном приборе заряды разделяются под действием света. Фотоэлементы применяются в солнечных батареях, световых датчиках, калькуляторах, видеокамерах.
Сторонние  силы  возникают  под  действием  света.
Прибор термоэлемент.
Если две проволоки из разных металлов спаять с одного края, а затем нагреть место спая, то в них возникнет ток — заряды при нагревании спая разделяются. Термоэлементы применяются в термодатчиках и на геотермальных электростанциях в качестве датчика температуры.
Сторонние  силы  возникают  под  действием тепла. 
Действие сторонних сил характеризуется важной физической величиной электродвижущей силой (сокращенно ЭДС). Электродвижущая сила в замкнутом контуре представляет собой отношение работы сторонних сил при перемещении заряда вдоль контура к заряду. Электродвижущую силу выражают в вольтах. Это удельная работа сторонних сил не во всем контуре, а только на данном участке, т.е. работа по перемещению единичного заряда.
Если на батарейке написано 1,5 вольт, то это означает, что сторонние силы (химические в данном случае) совершают работу 1,5 Джоулей при перемещении заряда в 1 Кулон от одного полюса батарейки к другому. Постоянный ток не может существовать в замкнутой цепи, если в ней не действуют сторонние силы, т.е нет ЭДС.
Электродвижущая сила определяет силу тока в замкнутой электрической цепи с известным сопротивлением. Рассмотрим простейшую полную (замкнутую) цепь, состоящую из источника тока (гальванического элемента, аккумулятора или генератора) и резистора сопротивлением (эр большое) R .

Источник тока имеет ЭДС и сопротивление (эр малое) r . Сопротивление источника часто называют внутренним сопротивлением, в отличие от внешнего сопротивления (эр большое) R цепи. Закон Ома для замкнутой цепи связывает силу тока в цепи, ЭДС и полное сопротивление цепи: Сила тока в полной цепи равна отношению ЭДС цепи к ее полному сопротивлению. 
Пример. ЭДС батареи 6,0 В, ее внутреннее сопротивление 0,5 Ом, сопротивление внешней цепи 11,5 Ом. Найдите силу тока в цепи, напряжение на зажимах батареи и падение напряжения внутри батареи.
Запишем данные: ЭДС равен 6 Вольт, сопротивление источника тока-0,5 Ом, сопротивление внешнего участка цепи составляет 0,5 Ом. 
Пусть R (эр большое) — сопротивление внешнего участка цепи, r (эр малое) — внутреннее сопротивление батареи.
Тогда по закону Ома для замкнутой цепи (формула), где ε(эпсилон) — ЭДС батареи, I (и)- сила тока в цепи. Так как сила тока I одинакова как для внешнего, так и для внутреннего участков цепи, то напряжение на зажимах батареи, т. е. на внешнем участке цепи с сопротивлением R , по закону Ома для этого однородного участка есть формула.
Аналогично, для внутреннего участка цепи, имеющего сопротивление r (эр малое), можно записать как произведение силы тока на внутреннее сопротивление. Учитывая формулу силы тока, имеем для U _r (у эр малое).
Подставляем значения и проводим расчеты.
Получаем ответ: сила тока в цепи равна 0,5 А; напряжение на зажимах батареи 5,75 В; падение напряжения на внутреннем сопротивлении 0,25В.
Внутреннее сопротивление источника тока не оказывает заметного влияния на силу тока, если оно мало по сравнению с сопротивлением внешней части цепи (R>>r). При этом напряжение на зажимах источника приблизительно равно ЭДС.
При коротком замыкании, сила тока в цепи определяется именно внутренним сопротивлением источника и при электродвижущей силе в несколько вольт может оказаться очень большим, если r мало. Провода могут расплавиться, а сам источник выйти из строя.
Для защиты от короткого замыкания принимают специальные меры.
Устанавливают токоограничивающие электрические реакторы, применяют распараллеливание электрических цепей, т.е. отключение секционных и шиносоединительных выключателей, используют понижающие трансформаторы с расщепленной обмоткой низкого напряжения; используют отключающее оборудование – быстродействующие коммутационные аппараты с функцией ограничения тока короткого замыкания – плавкие предохранители и автоматические выключатели; применяют устройства релейной защиты для отключения поврежденных участков цепи.
Если цепь содержит несколько последовательно соединенных элементов с ЭДС, то полная ЭДС цепи равна алгебраической сумме ЭДС отдельных элементов.
 Знак ЭДС определяется произвольно  по  выбранному   направлению обхода контура. Если при обходе переходим от отрицательного полюса к положительному, то ЭДС будет положительной. 
Как вы думаете, какое напряжение может представлять опасность для жизни человека?
Опасная для жизни человека сила тока равна 0,05 ампер.

Сопротивление человеческого тела между его руками изменяется в зависимости от его самочувствия, опускаясь до 800 Ом. Следовательно, человек может погибнуть при напряжении уже в 40 вольт! С током лучше не шутить/

Остались вопросы по теме? Наши педагоги готовы помочь!

• Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам

• Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки

• Повысим успеваемость по школьным предметам

• Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ

Выбрать педагогаОставить заявку на подбор

Закон Ома и электрические цепи

Введение

В этом эксперименте вы измерите вольт-амперные характеристики резистора и проверите, чтобы посмотрите, удовлетворяет ли резистор закону Ома. В процессе вы научитесь пользоваться мультиметром для измерять напряжение, силу тока и сопротивление. Затем вы проверите некоторые законы теории цепей. Когда к проводнику приложена разность потенциалов В , электрический ток

я , потечет от конца с высоким потенциалом к ​​концу с низким потенциалом. В общем, ток будет увеличиваться с приложенное напряжение (разность потенциалов). График зависимости тока от напряжения называется вольтамперная ( I — V ) характеристика. Если характеристика I — V представляет собой прямую линию, как на рис. 1, то говорят что кусок проводника удовлетворяет закону Ома: В = IR , где R — постоянная, определяемая как сопротивление и измеряется в вольтах/амперах или Ω (Ом).

Рисунок 1 : ВАХ для омического материала

В электрической цепи провода, которые используются для соединения элементов цепи, имеют сопротивление. Однако сопротивления проводов обычно пренебрежимо малы по сравнению с сопротивлениями проводов. элементы цепи. Существуют специальные элементы, называемые резисторами, которые контролируют распределение токов. в цепи введением в цепь известных сопротивлений. Токи и напряжения при разных части схемы можно рассчитать, используя теорию цепей, которая будет обсуждаться позже. Существует много видов резисторов, но наиболее распространенными являются резисторы из углеродного композита. показано ниже. Эти резисторы представляют собой маленькие коричневые цилиндры с цветными полосами. Цветные полосы следуют цветовой код, указывающий сопротивление в пределах указанного производственного допуска.

Рисунок 2

В этой лабораторной работе вы будете изучать только простые схемы DC , состоящие из источника питания и одного или больше резисторов, соединенных с проводами, сопротивления которых пренебрежимо малы по сравнению с сопротивлениями резисторы. Основная теория анализа цепи резюмируется двумя законами, известными как закон Кирхгофа. Правила:

• 1

  Правило петли Кирхгофа
• Общее изменение напряжения вокруг любого замкнутого контура равно нулю. Это очевидно, когда вы считать, что напряжение есть разность потенциалов. Это правило просто говорит о том, что разность потенциалов из одной точки в эту же точку равно нулю, как бы вы ни шли по кругу.

• 2

  Правило соединения Кирхгофа
• Величина тока, протекающего в любой точке провода (или в месте соединения проводов), всегда равно количеству тока, вытекающего из него.

В цепи обычно встречаются два типа соединения резисторов: последовательное и параллельное. соединение показано на рис. 3.

Рисунок 3

Используя правила Кирхгофа, можно показать, что три последовательных резистора эквивалентны одному резистор с эквивалентным сопротивлением Ом , определяемый по формуле:

( 1 )

Р = Р ₁ + Р ₂ + R ₃  (резисторы последовательно)

 

Точно так же три резистора, соединенные параллельно, эквивалентны одному резистору с эквивалентное сопротивление, Р , определяемое по формуле:

( 2 )

 =  +  +    (параллельные резисторы)

 

Аппаратура

Аппаратура для этого эксперимента состоит из регулируемого источника питания и двух мультиметров. Эти части оборудования описаны ниже.

Регулируемый блок питания

Рисунок 4

Выше показан регулируемый источник питания и его условное обозначение на схеме. Этот блок питания преобразует выход из обычной розетки 110 В, 60 Гц AC в постоянный источник питания DC с переменное напряжение от 0 до 20 В. Выдает максимальный ток 0,5 А. Поворот ручки управления на устройстве может варьироваться выходное напряжение. Рекомендуется всегда начинать с нулевого напряжения и постепенно увеличивайте его до нужного значения. Выход получается через красный и черный разъемы. К по соглашению, красный разъем — это положительный терминал, а черный разъем — отрицательный.

Измерение токов, напряжений и сопротивлений

Когда мультиметр настроен на измерение тока, он служит амперметром, когда он настроен на измерение напряжения он служит вольтметром, а когда настроен на измерение сопротивлений, служит омметром. Ниже приведены символы амперметра, вольтметра и омметра.

Рисунок 5

Чтобы измерить ток, протекающий через такой объект, как резистор, амперметр подключают к серии с объектом, как показано на рис. 6а. Амперметры имеют очень низкое сопротивление так что когда они помещенные в цепь, они не оказывают существенного влияния на общее сопротивление цепи и, следовательно, на ток, измеряться. Для измерения напряжения на объекте, таком как резистор, вольтметр подключается параллельно с объектом, как показано на рис. 6б. Вольтметры имеют очень большое сопротивление , так что только малая часть часть тока цепи будет отведена через вольтметр. Для измерения сопротивления объекта, например резистора, омметр подключается к объекту. как показано на рис. 6в. Если резистор подключен к цепи, то один конец резистора должен быть отключен от цепи во время измерения. Батарейка в мультиметре поставляет ток, необходимый для измерения сопротивления, чтобы внешний источник питания не требуется.

Рисунок 6

Выполнение одновременных измерений тока и напряжения

Рисунок 7

Существует два способа одновременного измерения А и В , как показано на рис. 7а и Рис. 7б. На рис. 7а амперметр измеряет ток в резисторе R , а вольтметр не измерить напряжение на резисторе, В _Р . Вместо этого он измеряет напряжение на резисторе плюс напряжение на амперметре, В _А . Начиная с В _R + В _A = I R + IR 9 0081 А , где R _А сопротивление амперметра , показания вольтметра будут примерно равны В _R , если R намного больше сопротивления амперметр. Амперметры обычно имеют сопротивление 0,001 Ом или меньше. Использование метода (а) для измерения напряжение на резисторе с малым сопротивлением, скажем, 0,1 Ом, даст ошибку в напряжении IR _A / IR = 0,001/0,1 или ошибку 1%. С другой стороны, при большом сопротивлении, скажем, R· = 1000 Ом, ошибка уменьшается до

IR _A / IR = 0,001/1000 или 0,0001%.

Поэтому метод, показанный на рис. 7а, следует использовать для измерения больших сопротивлений. На рис. 7б вольтметр измеряет напряжение на резисторе R , а амперметр не измерьте ток через резистор, I . Вместо этого он измеряет ток через резистор плюс ток через вольтметр, I _В . Сумма этих токов определяется выражением:

( 3 )

Я + Я _В = +

 

где R _V — сопротивление вольтметра. Следовательно, измерение амперметра будет приблизительно равно I , если R намного меньше, чем R _В . Вольтметры обычно имеют сопротивления 100 000 Ом или более. Используя метод (б) для измерения тока на резисторе с большим сопротивлением, скажем 1000 Ом, погрешность измерения тока составит I _V / I = R / R _V = 1000/100000 или ошибка 1%. Для небольшого сопротивления, скажем, Ом = 0,1 Ом, ошибка уменьшается до

Ом/Ом _В = 0,1/100 000 или 0,0001%.

Поэтому метод, показанный на рис. 7b, следует использовать для измерения малых сопротивлений.

Процедура

Измерение сопротивления

• 1

  Используя мультиметр в качестве омметра, измерьте и запишите сопротивления каждого из трех предусмотрены резисторы. Не забудьте включить оценки неопределенности, основанные на точности метр.

• 2

  Соедините три резистора последовательно. Запишите эквивалентное сопротивление, определенное с помощью омметр.

• 3

  Соедините три резистора параллельно. Запишите эквивалентное сопротивление, определенное с помощью омметр.

Вольт-амперные характеристики резистора

Эта часть эксперимента требует, чтобы вы одновременно измеряли ток и напряжение на резистор. Резисторы, используемые в этом эксперименте, имеют сопротивление около 1000 Ом. Следовательно метод, показанный на рис. 7а, следует использовать для одновременного измерения I и V .

• 1

  Выберите резистор с сопротивлением около 600 Ом. Подключите блок питания (не включайте его еще), вольтметр, амперметр и резистор в соответствии с принципиальной схемой, показанной на рис. Рис. 7а. Вы можете использовать Fluke 77 в качестве амперметра и Micronta в качестве вольтметра. Поскольку напряжение блока питания около 10 В, ток будет порядка миллиампер. Таким образом, клеммы «300 мА» и «COM» на Fluke 77 следует использовать для амперметра. связь.

• 2

  Попросите инструктора лаборатории проверить вашу схему, прежде чем включать источник питания.

• 3

  С ручкой управления в минимальном положении (полностью против часовой стрелки) включите питание. питание включено. Поверните ручку управления вверх, пока вольтметр не покажет около одного вольта. Запишите тока и напряжения.

• 4

  Увеличивайте напряжение с шагом 2 В. Измерьте и запишите ток и напряжение. Останавливаться когда напряжение достигает примерно 15 Вольт.

• 5

  Полностью поверните ручку управления на блоке питания против часовой стрелки и поверните выключатель питания. выключенный.

• 6

  Проверьте свои данные, построив грубый график V против I на листе технических данных или на листе миллиметровой бумаги. Проверьте, согласуется ли ваш график с законом Ома. Проверьте, дает ли наклон вашего участка правильный сопротивление.

• 7

  Повторите вышеуказанные шаги, чтобы измерить В vs. I характеристики лампочки (#53, 120 мА при 14 В). Используйте ту же схему, но замените резистор лампочкой. Возьмите показания данных в шаг тока от 10 мА до максимум 100 мА.

Правила Кирхгофа

В этом эксперименте вы проверите правила Кирхгофа на простой схеме, показанной ниже.

Рисунок 8

• 1

  Подключите три резистора и блок питания в соответствии с приведенной выше схемой. Быть Обязательно определите и запишите значения трех резисторов.

• 2

  Попросите инструктора лаборатории проверить вашу схему, прежде чем включать источник питания.

• 3

  Включите источник питания и регулируйте ручку управления до тех пор, пока напряжение источника питания не станет равным 10 В. Запишите выходное напряжение В и сохраните его до конца эксперимента.

• 4

  Измерьте и запишите напряжения В ₁ , В ₂ и В ₃ на каждом из резисторов. Запомни включите оценки неопределенности для каждого из ваших измерений на основе рейтинга точности метр.

• 5

  Измерьте и запишите токи I ₁ , I ₂ и I ₃ через каждый из резисторов вместе с соответствующие значения неопределенности. Поскольку для этого измерения источник питания всегда включен, легко перегореть предохранитель на мультиметре, если он не подключен должным образом. Выключить мультиметр при подключении. Убедитесь, что мультиметр подключен последовательно с резистором, который вы измеряете, прежде чем включать его. Если вы не уверены, уточните у своего инструктор.

• 6

  Выключите мультиметр и источник питания, когда закончите эксперимент.

Когда вы закончите эксперимент, очистите свое рабочее место и верните все провода и зажимы в свои бункеры для хранения. Убедитесь, что вы и ваш инструктор поставили свои подписи на своих листах данных и передали копию свои данные, прежде чем покинуть лабораторию.

Анализ данных

Измерение сопротивления

Для этой части мы обозначим рассчитанное эквивалентное сопротивление через R _T , а измеренное эквивалентное сопротивление через R .

• 1

  Рассчитайте сумму R _T сопротивлений трех резисторов R ₁ , R ₂ и R ₃ подключены ряд.

• 2

  Каковы погрешности

  u _{R 1} , u _{R 2} , u _{R 3}  

  в ваших измерениях сопротивлений? Что источник неопределенности?

• 3

  Используя ваши значения погрешностей трех резисторов, рассчитайте погрешность сумма u _{R T} с помощью формулы распространения неопределенности для суммы.

• 4

  Суммируйте ваши значения R и R _T , включая неопределенности.

• 5

  Рассчитайте общее сопротивление

  R _T  

  для параллельного соединения.

• 6

  Используя формулу распространения неопределенности для отношения, покажите, что дробная неопределенность из f совпадает с дробной неопределенностью 1/ f , т.е. показывает

  =

  u 1/f

  1/f

  .

• 7

  Используя уравнение шага 6, рассчитайте неопределенности 1/ R ₁ , 1/ R ₂ и 1/ R ₃ . Затем с помощью распространения неопределенности для суммы, рассчитать неопределенность 1/ R _T от неопределенностей из 1/ Р ₁ , 1/ Р ₂ и 1/ Р ₃ . Наконец, снова используя уравнение шага 6, рассчитайте неопределенность R _T от неопределенности 1/ R _T .

• 8

  Суммируйте ваши значения R и R _T , включая неопределенности.

Характеристики тока и напряжения резистора и лампочки

• 1

  Подготовьте две таблицы (одну для резистора и одну для лампочки) токов и напряжений. из полученных данных.

• 2

  Сделайте график рассеяния В против I для данных резистора.

• 3

  Создайте линейную подгонку вашего графика по закону Ома по методу наименьших квадратов: В = ИК . Чему соответствуют параметры наклона и пересечения в подгонке?

• 4

  Суммируйте значение R (измеренное мультиметром) и подогнанное значение R , включая неопределенности.

• 5

  Постройте диаграмму рассеяния В против I для данных об лампочке.

Петля Кирхгофа и правила соединений

• 1

  Каковы погрешности ваших измерений токов I ₁ , I ₂ и I ₃ ? На основе этих неопределенностей проверьте, удовлетворяют ли измеренные токи правилу соединения, т. е.

  I ₁ = I ₂ + I ₃ .

• 2

  В схеме, используемой в этой части, три петель. Запишите уравнение, данное правило цикла для каждого цикла. На основании погрешностей в ваших измерениях В ₁ , В ₂ , и В ₃ , убедитесь, что измеренные вами напряжения удовлетворяют уравнениям, полученным из правила контура.

Обсуждение

Обобщите результаты для раздела, посвященного измерению сопротивления. Какое из соединений, последовательное или параллельное, дало наименьшую суммарную сопротивление? Почему? Соответствует ли ваше измеренное значение общего сопротивления последовательного соединения и параллельное соединение соответствует расчетному эквивалентному сопротивлению? Дайте характеристику вольт-амперной характеристики резистора, изучаемого в разделе «Вольт-амперная характеристика резистора». Текущий ноль когда напряжение равно нулю? Если нет, объясните несоответствие. Совпал ли результат с законом Ома? Что значение сопротивления, полученное методом наименьших квадратов, и как оно соотносится с значение, измеренное омметром? Сравните В — I участки для резистора и лампочки. Из «форма» В — I график для лампочки, что можно сказать о сопротивлении лампочки? В разделе, посвященном правилам Кирхгофа, ваши текущие измерения удовлетворяли правилу пересечения? Вы измеряли напряжение удовлетворять правилу цикла? Проведите количественное сравнение, приняв во внимание погрешности в измерениях. в учетную запись. Помимо погрешности измерительного прибора, влияет ли подключение амперметр или вольтметр в цепи вызывают дополнительную неопределенность? Если да, то являются ли эти неопределенности значительный?

Последовательные и параллельные цепи – Изучение – ScienceFlip

 

 

Последовательные и параллельные цепи – Изучение один путь для прохождения электрического тока. Электрические компоненты подключаются один за другим. Если одна лампочка сломается или разомкнется выключатель в последовательной цепи, остальные лампочки погаснут, так как цепь не замкнута. Чем больше ламп добавляется в последовательную цепь, тем тусклее они становятся.

Параллельная цепь содержит более одного пути для протекания электрического тока. Если погаснет одна лампочка или разомкнется выключатель, ток может продолжать течь по другому пути. Параллельные цепи позволяют включать и выключать отдельные компоненты, не затрагивая другие компоненты. Добавление или удаление световых шаров не влияет на яркость каждого шара.

Когда цепь содержит более одного резистора, одного закона Ома недостаточно для расчета тока, протекающего через резистор, и разности потенциалов на каждом резисторе. Цепи с более чем одним резистором необходимо анализировать по частям. Расчеты также будут зависеть от того, является ли цепь последовательной или параллельной.

---

Анализ последовательных цепей

При последовательном соединении резисторов применяются следующие правила:

• Ток через каждый резистор одинаков.
• Сумма разностей потенциалов на каждом резисторе равна разности потенциалов (напряжению), подаваемой на всю цепь. Это также известно как закон напряжения Кирхгофа .
• Общее сопротивление цепи равно сумме отдельных сопротивлений. Это демонстрируется следующим уравнением и известно как эквивалентное эффективное сопротивление :

Анализ параллельных цепей

При параллельном соединении резисторов применяются следующие правила:

• Напряжение на каждом резисторе одинаково.
• Ток распределяется между резисторами. Это также известно как действующий закон Кирхгофа .
• Инверсия общего сопротивления цепи равна сумме инверсий отдельных сопротивлений.