02 (Практикум по оптике)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М. В. ЛомоносоваФизический факультеткафедра общей физики и физики конденсированного состоянияМетодическая разработкапо общему физическому практикумуЛаб. работа № 02ПОСТОЯННЫЙ ТОКРаботу поставил доц. Попов Ю. Ф.Москва - 2012Подготовил методическое пособие к изданию доц. Авксентьев Ю.И.3ПОСТОЯННЫЙ ТОКЦель работы: экспериментальная проверка законов Ома и правил Кирхгофа.1. Ток и напряжениеЕсли внутри проводника электрическое поле отлично от нуля, то впроводнике возникает электрический ток, т.е. направленное движение зарядов.Мерой электрического тока является сила тока I — количество электричества,протекающее через сечение проводника в единицу времени.

Если I не зависит отвремени, ток называют постоянным.Основной закон постоянного тока — закон Ома — имеет вид1  2I=,(1)Rгде 1 и 2 — значения потенциала у начала и конца проводника (считая понаправлению тока), R — сопротивление проводника. Направлением токасчитается то направление, в котором под действием поля должны были быдвигаться положительные заряды, другими словами: считается, что ток течет отбольшего потенциала к меньшему (1 > 2 ). Разность потенциалов можновыразить так:21   2   E edl,1где dl — элемент длины проводника (см.

задачу 1).Линейный интеграл поля E носит название напряжения между точками:2U12 = E dl ,e(2)1Сравнивая (1) и (2) имеемIR = U12,Это соотношение выполняется не только в случае постоянного тока (1), но и длябыстропеременных токов.Почему электрическое поле постоянных токов потенциально? Дело в том, что вполе постоянных токов распределение заряда в пространстве должно оставатьсястационарным, т.е. неизменным во времени, в противном случае условиепостоянства токов не выполняется. Но если распределение зарядов стационарно,то поле их должно быть тождественно с полем соответственно распределенныхнеподвижных зарядов.

То обстоятельство, что в данной точке пространства одниэлементы заряда благодаря току сменяются другими, не может сказываться нанапряженности поля E. Таким образом, стационарное поле постоянных токов, как4и поле электростатическое, должно быть полем потенциальным. Из стационарностираспределения заряда следует, что токи должны быть либо замкнуты, либо уходить вбесконечность, ибо в противном случае в месте начала или окончания токапроисходило бы накопление или убывание заряда.

По той же причине черезразличные сечения проводника (при отсутствии разветвлений) должен протекать токодинаковой силы. Наконец, в каждой точке разветвления цепи тока (узла) долженудовлетворяться первый закон Кирхгофа: I1 = 0,т.е. алгебраическая сумма токов, проходящих через узел, равна нулю. Впротивном случае в узле происходило бы накопление зарядов.При движении зарядов на них действует постоянная сила со стороны поля(E = const), которая вызывает ускорение, но условие I = const означает, чтозаряды движутся с постоянной скоростью.

Если система подчиняется законуОма, то это должно происходить из-за того, что для таких носителей скоростьпропорциональна силе. Следовательно, заряды не могут двигаться свободно,что-то должно мешать движению, вызываемому электрическим полем.Сопротивление движению зарядов обусловлено столкновениями носителейзаряда друг с другом и с любыми частицами среды.2. Электродвижущие силыТак как линии постоянного тока замкнуты илиуходят в бесконечность, то реально создать постоянныйток можно только в замкнутых цепях. Для полученияпостоянного тока необходимо любым способом заряд,пришедший, из 1 в 2 (по пути 1-a-2) перенести,преодолев электростатические силы, опять в 1 дляследующего прохождения этих зарядов по пути 1-a-2 ит.д. (рис.

1).Таким образом, на электрические заряды, движущиесяв проводниках, действуют силы электростатического поля(источником которого являются сами заряды) и силы не электростатические (ихназывают сторонними). Общая сила, отнесенная к единице заряда, т.е. общаяk сторнапряженность, двигающая заряды Е = E + E, и напряжение междуточками 1 и 2 может быть записано22kсторE12   E dl   E eсторdl  E12 E12,ke1(3)1Eстор - напряжение сторонних сил называют электродвижущей силой(ЭДС).Е12к = 1 - 2 - по определению [см. (1)]. В этих обозначениях закон Омаимеет вид5IR12 = 1 - 2 + Е12сторДля замкнутой цепи 1 = 2 и IR =Естор, где Естор =(4)Eсторedl —полная ЭДС в цепи тока. Отсюда следует, что в замкнутой цепи при отсутствииЭДС сила постоянного тока равна нулю.

Заметим, что название ЭДС не отражаетее физического содержания, так как по смыслу ЭДС не сила, а, как это следуетиз определения, работа по перемещению единичного положительного заряда позамкнутой цепи.Следствием закона Ома (4) является второе правило Кирхгофа: в замкнутомконтуре алгебраическая сумма падений напряжения равна алгебраическойсумме ЭДС, находящихся в данном контуре: Ii Ri =  Ек(5)3.

Правила КирхгофаПервое правило: Ii = 0.(6)Токи, входящие в узел, считаются положительными, а выходящие из узла —отрицательными. Если полная схема содержит m узлов, то уравнения (6)составляются для m-1 узлов.Второе правило: IiRi =Ек(7)kДля составления уравнения (7) надо обойти замкнутый контур, выделенный вобщей цепи. При обходе контура направление (по часовой стрелке или противнее) выбирается произвольно. Падение напряжения считается положительным,если выбранное заранее направление тока на этом участке между двумя узламисовпадает с направлением обхода контура, и отрицательным, если направлениетока противоположно направлению обхода.

ЭДС считается положительной, еслипри обходе по контуру источник тока проходится от отрицательного полюса кположительному и отрицательной в противном случае. При составленииуравнений для контуров нужно следить за тем, чтобы каждый вновь взятыйконтур не мог быть получен сложением или вычитанием уже рассмотренныхконтуров. Полное число уравнений, составленных по правилам Кирхгофа, должносовпадать с числом участков между узлами, т.е.

с числом различных токов вданной схеме.Установка: макет электрической схемы с источниками ЭДС, вольт-амперомметр.6ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫУпражнение 1ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ И ЭДС1. Не включая макет электрической схемы (рис. 3) в сеть, разомкнутьперемычки между точками 1-0, 2-0, 3-0.Включить универсальный прибор в режим измерения Сопротивления (кнопки "=","R"), установить предел измерения "2 кОм". Подключить провода со щупами ксоответствующим гнездам на входе прибора (красный провод к гнезду R", черный- к гнезду "*").2. Произвести измерение сопротивлений R1, R2, R3, включенных насоответствующих участках цепи 1—4, 2—5, 3—7. Прибор показываетсопротивление участка цепи между точками, к которым подключаются щупы.Показания прибора при выбранном пределе будут выражены в килоомах.Измеренные значения сопротивлений записать в тетрадь:R1 =__________________ R2 = __________________ R3 =_______________3.

Включить схему-макет в сеть при разомкнутых перемычках 1-0, 2-0, 3-0.Установить прибор в режим измерения постоянного Напряжения (кнопки "U", "=",красный провод в гнезде с символом "U", предел измерения 20 В).4. Измерить разность потенциалов в точках 6—4 и 8—5. При полностьюразомкнутой цепи полученные значения разности потенциалов равныдействующим на соответствующих участках схемы ЭДС. Измеренные значенияЭДС записать:7Е1 =____________ ; Е 2 = _______________ ; Е 3 =_________________Упражнение 2ПРОВЕРКА ЗАКОНА ОМА ДЛЯ ОДНОРОДНОГО УЧАСТКАЦЕПИ1.

Замкнуть цепь перемычками 1—0, 0—3 (перемычка 0—2 разомкнута). Этопозволяет моделировать однородный участок цепи (без ЭДС), изображенный нарис. 3. Положение переключателя "П" вверх (+E1).2. Включить макет-схему в сеть. Установить вольт-ампер-омметр в режимизмерения постоянного напряжения (кнопки U","="), установить пределизмерения 20 В. Включить провода со щупами в гнезда (красный — в гнездо "U",черный — в гнездо "*") прибора. Подключить щупы к точкам 1—4 (рис. 4) иизмерить разность потенциалов на участке с R .

Записать полученное значение.Знак измеренной разности потенциалов зависит от порядка подключениящупов к точкам 1-4. Если на шкале прибора высвечиваются только цифры беззнака, то измеряемая величина положительна (>0), т.е. это означает, что потенциалточки, к которой подключен красный щуп, больше потенциала точки, которойкасается черный щуп, на величину показания прибора. Если поменять точкиприсоединения щупов, то на шкале прибора появится примерно то же значение(с учетом погрешности прибора), но со знаком "минус", т.е.

в этом случаеизмеряемая величина разности потенциалов отрицательна. Таким образом,прибор всегда показывает разность потенциалов между двумя точками, причем сучетом знака "+" или "-" мы измеряем потенциал точки, касаясь ее краснымщупом, по отношению к потенциалу точки, соединенной с черным щупом.