Главная | Обратная связь

Основные теоретические сведения

Одним из важнейших понятий электродинамики является понятие электрического тока.

Электрическим токомназывается любое упорядоченное движение заряженных частиц в электрическом поле.

Существование электрического тока можно обнаружить по его действиям. Различные действия тока (тепловое, магнитное и химическое действия) зависят от силы тока в электрической цепи.

Сила тока (I) –это скалярная физическая величина, численно равная электрическому заряду, проходящему через поперечное сечение проводника в единицу времени:

(1)

Сила тока - одна из семи основных единиц СИ, т.е единица силы тока имеет эталон и определение. На Международной конференции по мерам и весам в 1948 г. было решено в основу определения единицы силы тока положить явление взаимодействия двух проводников с током — притягивание или отталкивание (магнитное действие тока), в зависимости от направления токов в них.

Заединицу силы токапринимают силу не изменяющегося с течением времени тока, при которой отрезки бесконечных параллельных проводников, расположенных друг от друга на расстоянии 1 м в вакууме взаимодействуютс силой2·10^-7Н (0,0000002 Н), приходящейся на каждый метр их длины. Эту единицу силы тока называютамперомв честь французского ученого Анри Ампера (обозначается А).

Изменяя силу тока в цепи, можно регулировать действия электрического тока. Но чтобы управлять током в цепи, надо знать, от чего зависит сила тока в ней.

Электрический ток в цепи не может существовать без электрического поля, которое и упорядочивает движение заряженных частиц, поэтому, чем сильнее действие электрического поля на эти частицы, тем больше сила тока в цепи. Одной из физических величин, характеризующих действие электрического поля на заряженные частицы, является электрическое напряжение. Поэтому можно предположить, что сила тока зависит от напряжения.

Электрическим напряжением (U)называется физическая величина, определяемая работой, совершаемой суммарным полем электростатических (кулоновских) и сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда:

(2)

Работу сторонних сил по перемещению заряда характеризует величина, которая называется электродвижущей силой (Э.Д.С. – ℰ). Электродвижущая сила (Э.Д.С. – ℰ) -это физическая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда.

Эту работу производят за счет энергии, затрачиваемой в источниках тока (гальванических элементах, аккумуляторах, генераторах и др.). Источник тока преобразует в электрическую энергию в энергию других видов (механическую, химическую, тепловую, ядерную).

Работу электростатических сил по перемещению заряда характеризует величина, которая называется разностью потенциалов( Δφ)

Разность потенциалов ( Δφ ) -это физическая величина, определяемая работой, совершаемой кулоновскими силами при перемещении единичного положительного заряда.

Таким образом, понятие напряжения является обобщенным понятием разности потенциалов:

U= ℰ+Δφ (3)

Если в электрической цепи нет источников Э.Д.С., то напряжение равно разности потенциалов, а если цепь замкнута, то напряжение равно Э.Д.С, т.к. начальная и конечная точка при движении зарядов совпадают и Δφ=0.

Единица напряжения (как и разности потенциалов, а так же Э.Д.С) названа вольтом(В) в честь итальянского ученого Алесандро Вольта.

Влиять на упорядоченное движение заряженных частиц (на ток) может не только электрическое поле, но и молекулы, атомы или ионы из которых состоит проводник. Таким образом, при одинаковом напряжении в различных проводниках основная характеристика тока - сила тока, может быть различной, т.е различные проводники по разному «препятствуют» упорядоченному движению заряженных частиц. Физической величиной, характеризующей свойства проводника препятствовать протеканию электрического тока, является электрическое сопротивление (R). ). В честь Г.Ома единица измерения электрического сопротивления названа - ом (Ом).

Впервые установить функциональную зависимость силы тока от свойств электрического поля (выраженных физической величиной напряжением) и от свойств проводника (выраженных физической величиной сопротивлением) для однородного участка цепи удалось немецкому физику Георгу Ому (1787—1854). В честь него этот закон получил название закона Ома для однородного участка цепи:

Сила тока на однородном участке электрической цепи прямо пропорциональна электрическому напряжению на этом участке и обратно пропорциональна его электрическому сопротивлению:

(4)

Участок цепи называетсяоднородным,если на нем нет источников Э.Д.С.

Справедлив закон Ома и для неоднородного участка электрической цепи, содержащий источники Э.Д.С., и для замкнутой цепи.

Обоснование метода

Сущность метода проверки закона Ома для однородного участка цепи заключается в установлении вида зависимости силы тока от электрического напряжения и от электрического сопротивления.

Уравнение (4) связывает три физические величины. Опыт же позволяет установить функциональную зависимость каких-либо двух величин – либо при , либо при .

Практически могут иметь место две схемы для реализации цели данной работы. Схема, представленная на рис.1 вверху используется, когда сопротивление резистора, включенного в цепь (однородного участка электрической цепи) велико по сравнению с сопротивлением амперметра (R_A).

В этом случае вольтметр измеряет не только напряжение на резисторе R, но и напряжение на амперметре, которым вследствие его малости можно будет пренебречь.

Схема, представленная на данном рисунке внизу используется, когда сопротивление резистора мало по сравнению с сопротивлением вольтметра (R_V).

При таком включении амперметр измеряет не только подлежащий определению ток через резистор, но и ток через вольтметр, который будет мал по сравнению с током через резистор и им можно пренебречь.

 

Описание установки

Установка для выполнения данной работы схематически изображена на рисунке 2. Она смонтирована на основе верхней схемы рисунка 1 в виде стенда. Стенд включает в себя вольтметр 1, микроамперметр 2, ручку потенциометра 3, группу последовательно соединенных резисторов 4, галетный переключатель 5, выключатель 6.

Ручкой потенциометра 3 можно плавно изменять сопротивление потенциометра R_П (см. рис. 1) и тем самым устанавливать необходимое напряжение, измеряемое вольтметром 1. Сила тока в цепи измеряется микроамперметром 2. Галетный переключатель 5 позволяет управлять сопротивлением R однородного участка цепи, реализованного на стенде в виде группы последовательно соединенных резисторов 4. В первом положении галетного переключателя в цепь включен один резистор, во втором два и т.д. При этом общее сопротивление однородного участка цепи ступенчато увеличивается, т.к. при последовательном соединении резисторов их общее сопротивление равно сумме сопротивлений резисторов входящих в цепь. Сопротивления резисторов известны и, поэтому всегда можно посчитать общее сопротивление однородного участка.

Выключатель 6 размыкает цепь от источника питания, расположенного за панелью стенда.