Описание экспериментальной установки. Электричество и магнетизм



Электричество и магнетизм

Работа №1. Определение и исследование активного сопротивления проводников и полупроводников

Электрический ток – это направленное движение зарядов.При движении зарядов в веществе на их пути встречаются препятствия, действие которых характеризуется с помощью специальной физической величины ‑ сопротивления.

Сопротивление – это физическая величина, характеризующая способность элемента электрической цепи препятствовать протеканию тока. Различают активное и реактивное сопротивления. Реактивное сопротивление бывает двух видов – емкостное и индуктивное, и возникает только при протекании через цепь переменного тока. Активное сопротивление обусловлено взаимодействием движущихся зарядов с колеблющимися ионами и примесями веществ и возникает при протекании постоянного и переменного тока.

Активное сопротивление (R) металлических проводников определяется величиной удельного сопротивления (r), которое характеризует материал проводника, прямо пропорционально длине проводника (ℓ) и обратно пропорционально площади его поперечного сечения (s):       (1)

Единица измерения сопротивления – Ом, удельного сопротивления - Ом×м.

Активное сопротивление проводников линейно возрастает с увеличением температуры, так как амплитуда колебаний ионов в узлах кристаллической решетки увеличивается, и они во все большей степени мешают направленному движению электронов:                      r=r0aT,                                               (2)

где r0 – удельное сопротивление проводника при температуре 273К, a ‑ температурный коэффициент сопротивления, зависящий от материала проводника; Т – температура по шкале Кельвина.

Сопротивление полупроводников, напротив, с увеличением температуры уменьшается экспоненциально, так как при увеличении температуры полупроводника увеличивается число носителей тока – электронов и дырок:

                                 (3)

где DW – энергия активации электронов (для собственных полупроводников ‑ ширина запрещенной зоны); k – постоянная Больцмана; е = 2,73 ‑ основание натуральных логарифмов.

 

Упражнение 1.1. Определение сопротивления при помощи амперметра и вольтметра

Цель работы:ознакомиться с методомопытного определения омического сопротивления проводника при помощи амперметра и вольтметра; измерить сопротивления двух резисторов, их последовательного и параллельного соединения; убедиться в справедливости правил для расчета сопротивлений последовательного и параллельного соединений проводников.

Приборы и материалы: источник постоянного тока, ключ, амперметр многопредельный, вольтметр многопредельный, магазин сопротивлений или реостат, резисторы, сопротивление которых нужно определить, соединительные провода.

 

Закон Ома для участка цепи – сила тока на участке цепи прямо пропорциональна падению напряжения на этом участке и обратно пропорциональна сопротивлению участка цепи:

.                                                 (1)

Рис. 1. Последовательное (а) и параллельное (б) соединение проводников

 

При последовательном соединении проводников сила тока на всех участках цепи одинакова; падение напряжения равно сумме падений напряжения на отдельных участках цепи; сопротивление равно сумме сопротивлений отдельных участков цепи:

                                     (2)

При параллельном соединении проводников - падание напряжения на всех участках цепи одинаково; сила тока равна сумме сил тока в отдельных участках цепи; величина обратная полному сопротивлению цепи равна сумме обратных сопротивлений отдельных участков цепи:

                                              (3)

Отсюда следует:

· для измерения величины силы тока амперметр включается в цепь последовательно с исследуемым участком;

· для измерения падания напряжения на участке цепи вольтметр включается в цепь параллельно исследуемому участку.

Из закона Ома для участка цепи (3) следует возможность определить сопротивление участка цепи, измерив силу тока и падение напряжения на участке цепи:                                           .                                               (4)

    В этой лабораторной работе вам необходимо определить сопротивления двух резисторов с помощью амперметра и вольтметра. Определить сопротивления схем с последовательным и параллельным соединением этих резисторов и сравнить полученные результаты с расчетом по правилам расчета сопротивлений при последовательном и параллельном соединении.  

 

Описание экспериментальной установки

Лабораторная установка для измерения сопротивления с помощью амперметра и вольтметра (рис.1.2) состоит из источника постоянного тока (Е), ключа (К), амперметра (А), вольтметра (V), магазина сопротивлений или реостата (R), резисторов, сопротивление которых нужно определить (Rх), соединительных проводов.

Рис. 2. Схема для определения сопротивления резистора с помощью амперметра и вольтметра

Резисторы, сопротивления которых нужно определить, смонтированы в одной коробке, на лицевую панель коробки выведены контакты для присоединения резисторов в цепь. На лицевой панели коробки имеются четыре пары контактов для:

1. резистора с сопротивлением R1;

2. резистора с сопротивлением R2;

3. схемы из последовательно соединенных резисторов R1 и R2;

4. схемы из параллельно соединенных резисторов R1 и R2.

 

Рис. 3. Лицевая панель коробки с исследуемыми сопротивлениями

Порядок выполнения работы

1. Заполните таблицу «Измерительные приборы» для амперметра и вольтметра.

2.Приготовьте таблицы для записи результатов измерений и расчетов.

3.  Для определения сопротивления первого резистора соберите цепь по схеме 1. Вместо Rх подключите контакты первого резистора (R1). Бегунок реостата установите в крайнее левое положение. Замкните цепь, снимите показания амперметра и вольтметра. Опыт повторите еще четыре раза, перемещая бегунок реостата, т.е. меняя значения силы тока и напряжения в цепи.Результаты занесите в таблицу № 1.

4. Таким же образом определите сопротивление второго резистора.

5. По формуле (4) рассчитайте сопротивления резисторов (R1 и R2) по пять раз, их средние значения (R1ср и R2ср), ошибку определения сопротивлений по методу Стъюдента.

Таблица 1

 

Резистор 1

Резистор 2

I U R1 R1ср DR1ср I U R2 R2ср DR2ср
Ед. изм.                    
1.      

 

 

     

 

 

2.            
3.            
4.            
5.            

 

6. Для определения сопротивления последовательного соединения резисторов в цепь по схеме 1 вместо Rх подключите контакты последовательного соединения.

Выполните измерения и расчеты, как в пунктах (3) и (5). Результаты измерений и расчетов представьте в таблице 2, где R¢ – сопротивление, рассчитанное с помощью закона Ома, Rт¢ – предполагаемое (теоретическое) значение сопротивления при последовательном соединении резисторов R1 и R2  рассчитывается по правилам для последовательного соединения (2) на основании данных таблицы №1. Для сравнения результатов рассчитайте разницу значений (Rср¢‑Rт¢).

Таблица 2

 п/п

Последовательное соединение

I U Rср¢ DRср¢ Rт¢=R1ср+R2ср Rср¢‑Rт¢
Ед. изм.              
1.      

 

 

 

 

2.      
3.      
4.      
5.      

7. Для определения сопротивления параллельного соединения резисторов в цепь по схеме 1 вместо Rх подключите контакты параллельного соединения.

Выполните измерения и расчеты, как в п.п. (3) и (5), результаты измерений и расчетов представьте в таблице №3, где R¢¢ – значение сопротивления, рассчитанного с помощью закона Ома по результатам измерения силы тока и напряжения параллельного соединения. Rт¢¢ – предполагаемое (теоретическое) значение сопротивления параллельного соединения резисторов R1 и R2  рассчитывается по правилам для параллельного соединения по формуле (8) на основании данных таблицы №1. Для сравнения результатов рассчитайте разницу значений (Rср¢¢‑ Rт¢¢).     .                                                                 (8)

Таблица 3

№ п/п

Параллельное соединение

  I U R¢¢ R¢¢ср DR¢¢ср Rт¢¢ Rср¢¢‑Rт¢¢
Ед. изм.              
1.      

 

 

 

 

2.      
3.      
4.      
5.      

8. Запишите результаты работы и сделайте вывод.

Контрольные вопросы

  1. Что такое электрическое сопротивление элемента цепи, какие бывают сопротивления?
  2. Чем обусловлено активное сопротивление? Как зависит сопротивление проводников и полупроводников от температуры? Запишите формулы.
  3. Запишите формулу сопротивления металлического проводника, объясните значение величин. В каких единицах измеряется сопротивление и удельное сопротивление в системе СИ?
  4. Запишите законы Ома для участка цепи, для неоднородного участка цепи, для замкнутой цепи. Дайте определения силы тока, падения напряжения, электродвижущей силы источника тока, сопротивления.

5. Последовательное соединение проводников – нарисуйте электрическую схему и запишите правила для расчета силы тока, напряжения и сопротивления.

6. Параллельное соединение проводников – нарисуйте электрическую схему и запишите правила для расчета силы тока, напряжения и сопротивления.

7. Нарисуйте электрическую схему для определения сопротивления при помощи амперметра и вольтметра.

 


Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 295;