Nell'ingegneria elettrica ci sono termini: sezione e circuito completo.
Il sito si chiama:
parte di un circuito elettrico all'interno di una sorgente di corrente o tensione;
l'intera catena esterna o interna di elementi elettrici collegati alla sorgente o qualche frammento di essa.
Con il termine “circuito completo” si intende un circuito con tutti i circuiti assemblati, tra cui:
fonti;
consumatori;
conduttori di collegamento.
Tali definizioni aiutano a navigare meglio nei circuiti, comprenderne le caratteristiche, analizzarne il funzionamento e ricercare danni e malfunzionamenti. Sono incorporati nella legge di Ohm, che ci consente di risolvere gli stessi problemi per ottimizzare i processi elettrici per soddisfare le esigenze umane.
La ricerca fondamentale di Georg Simon Ohm viene applicata in pratica a qualsiasi circuito o completo.
Come funziona la legge di Ohm per un circuito CC completo
Ad esempio, prendiamo una cella galvanica, popolarmente chiamata batteria, con una differenza di potenziale U tra l'anodo e il catodo. Colleghiamo ai suoi terminali una lampadina a incandescenza, che ha una resistenza resistiva ordinaria R.
Attraverso il filamento scorrerà una corrente I=U/R, creata dal movimento degli elettroni nel metallo. Il circuito formato dai terminali della batteria, dai fili di collegamento e dalla lampadina appartiene alla parte esterna del circuito.
La corrente scorrerà anche nella zona interna tra gli elettrodi della batteria. I suoi portatori saranno ioni caricati positivamente e negativamente. Gli elettroni saranno attratti dal catodo e gli ioni positivi verranno respinti verso l'anodo.
In questo modo, sul catodo e sull'anodo si accumulano cariche positive e negative, creando una differenza di potenziale tra loro.
Il movimento completo degli ioni nell'elettrolita è ostacolato dal simbolo “r”. Limita il flusso di corrente nel circuito esterno e ne riduce la potenza ad un certo valore.
In un circuito completo di un circuito elettrico, la corrente attraversa i circuiti interno ed esterno, superando in sequenza la resistenza totale R+r di entrambe le sezioni. La sua grandezza è influenzata dalla forza applicata agli elettrodi, che è chiamata elettromotrice o abbreviata EMF ed è indicata con l'indice “E”.
Il suo valore può essere misurato con un voltmetro ai terminali della batteria al minimo (senza circuito esterno). Quando un carico è collegato nello stesso punto, il voltmetro mostra la tensione U. In altre parole: senza carico sui terminali della batteria, U ed E hanno lo stesso valore e quando la corrente scorre attraverso il circuito esterno, U
La forza E costituisce il movimento delle cariche elettriche in un circuito completo e ne determina il valore I=E/(R+r).
Questa espressione matematica definisce la legge di Ohm per un circuito CC completo. La sua azione è illustrata più in dettaglio sul lato destro dell'immagine. Mostra che l'intero circuito completo è costituito da due circuiti separati per la corrente.
Si può inoltre notare che all'interno della batteria c'è sempre, anche quando il carico del circuito esterno è spento, movimento di particelle cariche (corrente di autoscarica) e, di conseguenza, si verifica un consumo inutile di metallo al catodo . A causa della resistenza interna, l'energia della batteria viene spesa per il riscaldamento e la dissipazione nell'ambiente e col tempo semplicemente scompare.
La pratica ha dimostrato che la riduzione della resistenza interna r con metodi costruttivi non è economicamente giustificata a causa del costo in forte aumento del prodotto finale e della sua autoscarica piuttosto elevata.
conclusioni
Per mantenere la funzionalità della batteria è opportuno utilizzarla solo per lo scopo previsto, collegando il circuito esterno solo per il periodo di funzionamento.
Maggiore è la resistenza del carico collegato, maggiore è la durata della batteria. Pertanto, le lampade a incandescenza allo xeno con un consumo di corrente inferiore rispetto a quelle riempite con azoto, a parità di flusso luminoso, garantiscono un funzionamento più lungo delle fonti di energia.
Quando si immagazzinano le celle galvaniche, il passaggio di corrente tra i contatti del circuito esterno deve essere impedito da un isolamento affidabile.
Nel caso in cui la resistenza del circuito esterno della batteria R superi significativamente il valore interno r, è considerata una sorgente di tensione e quando è soddisfatta la relazione inversa, è considerata una sorgente di corrente.
Come viene utilizzata la legge di Ohm per un circuito CA completo
Gli impianti elettrici funzionanti a corrente alternata sono i più comuni nel settore energetico. In questo settore raggiungono lunghezze enormi a causa del trasporto di elettricità attraverso le linee elettriche.
All'aumentare della lunghezza di una linea elettrica, aumenta la sua resistenza elettrica, il che crea un riscaldamento dei fili e aumenta le perdite di energia durante la trasmissione.
La conoscenza della legge di Ohm ha aiutato gli ingegneri energetici a ridurre i costi inutili per il trasporto dell'elettricità. Per fare ciò, hanno utilizzato il calcolo della componente di perdita di potenza nei cavi.
I calcoli si basavano sulla quantità di potenza attiva generata P=E∙I, che deve essere trasferita in modo efficiente ai consumatori remoti e superare la resistenza totale:
r interno del generatore;
R esterna dai fili.
L'entità della forza elettromagnetica ai terminali del generatore è determinata come E=I∙(r+R).
La potenza dissipata Pп per vincere la resistenza del circuito completo sarà espressa dalla formula mostrata in figura.
Mostra che i costi energetici aumentano in proporzione alla lunghezza/resistenza dei cavi e possono essere ridotti durante il trasporto di energia aumentando la fem del generatore o la tensione sulla linea. Questo metodo viene utilizzato includendo trasformatori elevatori nel circuito all'estremità del generatore della linea elettrica e trasformatori abbassatori nel punto ricevente delle sottostazioni elettriche.
Tuttavia, questo metodo è limitato:
la complessità dei dispositivi tecnici per contrastare il verificarsi delle scariche corona;
la necessità di distanziare e isolare i cavi delle linee di trasmissione di energia dalla superficie terrestre;
un aumento della radiazione dell'energia della linea aerea nello spazio (la comparsa di un effetto antenna).
I moderni consumatori di energia elettrica industriale ad alta tensione e domestica trifase/monofase creano non solo carichi attivi, ma anche reattivi con caratteristiche induttive o capacitive pronunciate. Portano a uno sfasamento tra i vettori delle tensioni applicate e delle correnti che passano nel circuito.
In questo caso, , viene utilizzato per registrare matematicamente le fluttuazioni temporali delle armoniche e i grafici vettoriali vengono utilizzati per la rappresentazione spaziale. La corrente trasmessa attraverso le linee elettriche si scrive con la formula: I=U/Z.
La registrazione matematica dei componenti principali della legge di Ohm in numeri complessi consente di programmare algoritmi per dispositivi elettronici utilizzati per controllare e gestire processi tecnologici complessi che si verificano costantemente nel sistema energetico.
Insieme ai numeri complessi, viene utilizzata la forma differenziale per registrare tutte le relazioni. È conveniente per analizzare le proprietà elettricamente conduttive dei materiali.
Il funzionamento della legge di Ohm per un circuito completo può essere violato da alcuni fattori tecnici. Questi includono:
alte frequenze di oscillazione, quando l'inerzia dei portatori di carica inizia a influenzare. Non hanno il tempo di muoversi con la velocità di cambiamento del campo elettromagnetico;
stati di superconduttività di una certa classe di sostanze a basse temperature;
aumento del riscaldamento dei conduttori di corrente mediante corrente elettrica. quando la caratteristica corrente-tensione perde il suo carattere lineare;
rottura dello strato isolante a causa di una scarica ad alta tensione;
ambiente di tubi sottovuoto riempiti di gas o sotto vuoto;
dispositivi ed elementi semiconduttori.
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Trascrizione
1 3 Scopo del lavoro: approfondire la comprensione della legge di Ohm per la catena completa e per un tratto di catena. Obiettivo: verificare sperimentalmente la validità della legge di Ohm per un circuito chiuso non ramificato. Dispositivi e accessori: installazione FPM-0 modernizzata. DOMANDE GENERALI La corrente elettrica è il movimento ordinato delle cariche elettriche. Le caratteristiche attuali sono l'intensità di corrente I e la densità di corrente j. L'intensità di corrente è una quantità scalare ed è uguale alla quantità di elettricità (carica) dq trasferita attraverso una sezione trasversale di un conduttore per unità di tempo: dq I. () dt La densità di corrente è la quantità di elettricità che attraversa una sezione trasversale unitaria area di un conduttore per unità di tempo: di j. () ds La densità di corrente è una quantità vettoriale diretta lungo il vettore della velocità media del movimento ordinato delle cariche positive e può essere scritta come j q 0 n v, (3) dove q 0 è la carica di un portatore di corrente unitario; n concentrazione del portatore; v velocità di deriva della portante. Se l'elemento di superficie ds è considerato come un vettore diretto lungo la normale positiva, allora la relazione tra l'intensità della corrente e la sua densità ha la forma I (S) j ds, (4) dove S è l'area attraverso la quale scorre il flusso di carica passaggio delle particelle. Possiamo evidenziare una serie di fattori che possono causare un movimento ordinato delle tariffe. Prima di tutto, queste possono essere forze elettriche (Coulomb), sotto l'influenza delle quali le cariche positive inizieranno a muoversi.
2 4 si muovono lungo le linee del campo, negativo contro. Il campo di queste forze è chiamato Coulomb, l'intensità di questo campo è indicata con E coul. Inoltre, sulle cariche elettriche possono agire anche forze non elettriche, come quelle magnetiche. L'azione di queste forze è simile all'azione di un campo elettrico. Chiamiamo queste forze esterne e il campo di queste forze campo esterno con intensità E lato. Infine, il movimento ordinato delle cariche elettriche può avvenire senza l'azione di forze esterne, ma per il fenomeno della diffusione o per reazioni chimiche nella sorgente di corrente. Il lavoro che avviene durante il movimento ordinato delle cariche elettriche viene eseguito grazie all'energia interna della fonte di corrente. E sebbene non vi sia alcuna azione diretta di alcuna forza sulle cariche libere, il fenomeno procede come se sulle cariche agisse un campo esterno. La legge più importante dell'elettrodinamica è la legge di Ohm, stabilita sperimentalmente. Ma può essere ottenuto teoricamente, sulla base dei concetti più semplici della teoria elettronica della conduttività dei metalli di Drude-Lorentz. Consideriamo una corrente elettrica in conduttori metallici, all'interno dei quali è presente un campo di intensità E. Agisce su elettroni di libera conduzione con una forza F = ee, dove e è la carica dell'elettrone. Questa forza imprime un'accelerazione agli elettroni con massa m a = F/m = ee/m. Se il movimento degli elettroni in un metallo avvenisse senza perdita di energia, la loro velocità, e quindi la forza della corrente nel conduttore, aumenterebbe nel tempo. Tuttavia, quando entrano in collisione con gli ioni del reticolo che eseguono un movimento vibrazionale termico casuale, gli elettroni perdono parte della loro energia cinetica. A corrente costante, quando la velocità media del movimento ordinato degli elettroni rimane invariata nel tempo, tutta l'energia ricevuta dagli elettroni sotto l'influenza di un campo elettrico deve essere trasferita agli ioni metallici, cioè deve essere convertita in energia del loro moto termico. Per semplicità assumiamo che durante ogni urto l'elettrone perda completamente l'energia che ha ricevuto sotto l'azione della forza F = ee durante il percorso libero τ da un urto all'altro. Ciò significa che all'inizio di ogni percorso libero l'elettrone ha solo la velocità del suo movimento termico, e alla fine del percorso, prima della collisione, la sua velocità sotto l'influenza della forza F = ee aumenta fino a un certo valore v . Trascurando la velocità del moto termico, possiamo assumere che il movimento dell’elettrone nella direzione della forza proveniente dal campo sia uniformemente accelerato con una velocità iniziale v 0 = 0. Durante il percorso libero, l'elettrone acquisisce una velocità di movimento ordinato a τ eeτ / m, e la velocità media di questo movimento v
3 5 v v e 0 v E τ. m Il tempo di cammino libero è determinato dalla velocità media del movimento termico dell'elettrone u e dal cammino libero medio dell'elettrone λ: τ = λ/u. Quindi la densità di corrente nel conduttore ne λ j nev E. mu ne λ Il valore γ caratterizza le proprietà del conduttore ed è chiamato conduttività elettrica. Tenendo conto di questa notazione, la densità di corrente verrà scritta come j = γe. (5) In questo modo abbiamo ottenuto la legge di Ohm in forma differenziale. Consideriamo ora il fatto che un elettrone che partecipa alla creazione di una corrente continua in una sezione del circuito scelta arbitrariamente deve essere soggetto anche a forze esterne, oltre alle forze di Coulomb. Allora (5) assumerà la forma j j γ(ecool Estor) o E E coul stor. (6) γ Moltiplichiamo (6) per l'elemento di lunghezza del conduttore dl e integriamo l'espressione risultante sulla sezione del conduttore da sezione a sezione: j E dl E dl lato freddo dl. (7) γ I Tenendo conto del fatto che per la corrente continua j e γ, dove ρ è la resistività del conduttore, l'espressione (7) assumerà la forma S ρ ρ Ekuldl Etordl I dl. (8) S Il primo integrale in (8) rappresenta la differenza di potenziale (φ φ) tra i punti della sezione trasversale e. Il secondo integrale dipende dalla fonte delle forze e si chiama forza elettromotrice. L'integrale a destra della (8) caratterizza le proprietà del conduttore ed è chiamato resistenza R della sezione del conduttore. Se S e ρ sono costanti, allora
4 6 l Rρ. (9) S Pertanto, la formula (8) ha la forma φ φ ξ IR U. (0) Questa è una legge di Ohm generalizzata in forma integrale per una sezione disomogenea della catena. (U caduta di tensione nella sezione -). Nel caso di sezione omogenea del conduttore, cioè in assenza di forze esterne in tale sezione, da (0) si ha φ φ IR. () Se il circuito è chiuso (φ φ), quindi da (0) otteniamo ξ IRс I(R esterno -interno), () dove R è la resistenza dell'intero circuito, inclusa la resistenza esterna R esterna e interna del sorgente corrente r interna. DESCRIZIONE DELL'INSTALLAZIONE E METODO DI MISURA Fig.. Vista generale dell'installazione 6 L'installazione è composta (Fig.) da un organo di misura e da una colonna con scala metrica. Sulla colonna sono montate due staffe fisse, tra le quali è teso un filo di cromo-nichel 3. Una staffa mobile 4 si muove lungo la colonna, garantendo il contatto con il filo. Sul pannello frontale è presente un voltmetro 5, un milliamperometro 6, un interruttore di rete, un regolatore di corrente e un interruttore di gamma del voltmetro a pulsante 7, che commuta contemporaneamente il voltmetro dalla misurazione della caduta di tensione alla misurazione dell'EMF. Nella fig. viene fornito un diagramma per misurare la caduta di tensione U e la fem della sorgente di corrente. Una resistenza variabile r è collegata in serie al circuito della sorgente di corrente, fungendo da resistenza interna della sorgente, la cui manopola di controllo, il "regolatore di corrente", si trova sul pannello frontale del dispositivo. La resistenza variabile r consente di regolare la corrente nel circuito sorgente. Questo circuito consente di simulare il funzionamento di una sorgente di corrente con regolazione
5 7 resistenza interna controllabile. Il carico esterno R è la resistenza di un conduttore omogeneo, la cui lunghezza, e quindi R, può essere regolata spostando la staffa mobile. Quando la chiave K-V è chiusa, nel circuito rr rr appare una corrente elettrica. Il circuito è costituito da una sezione non uniforme r e da una sezione omogenea R. In base alla direzione indicata della corrente, scriviamo le leggi di Ohm per le sezioni omogenee e non uniformi del circuito. Per la sezione R: φ φ IR. Fig.. Schema di misura per U e ε Per la sezione εr: φ φ ξ Ir. Per un circuito chiuso contenente sezioni omogenee e disomogenee, possiamo scrivere sommando queste equazioni (φ φ) (φ φ) ξ I(R r). Abbiamo ottenuto la legge di Ohm per un circuito chiuso: ξ I(R r). (3) La differenza potenziale φ φ tenendo conto di () e (3) può essere espressa dalla formula ξr φ φ. R r Quando il tasto K è aperto (R = e I = 0) φ φ =. Utilizzando la legge di Ohm per un circuito chiuso, puoi calcolare la resistenza r per una sezione non uniforme utilizzando la formula ξ U r, U = φ φ. (4) I L'idea del lavoro è testare la legge di Ohm per un circuito chiuso. A tale scopo, la caduta di tensione U attraverso la resistenza R di un conduttore cilindrico omogeneo viene misurata a diversi valori della corrente I che scorre attraverso una sezione del circuito. Sulla base delle misurazioni di U e I, viene costruita la caratteristica corrente-tensione del conduttore. L'entità della resistenza del conduttore è determinata come tangente dell'angolo di inclinazione della caratteristica rispetto all'asse I in Fig. La Figura 3 mostra la caratteristica corrente-tensione del conduttore: ΔU R tgα. (5) ∆I
6 8 La relazione grafica stabilita tra i valori U, I, R esprime la legge di Ohm per una sezione U omogenea della catena: α ΔI ΔU I Fig. 3. Caratteristica corrente-tensione del conduttore Δφ = U = IR. (6) Nel caso di un conduttore cilindrico omogeneo con diametro d, lunghezza l e resistività elettrica ρ, il valore di R può essere determinato dalla formula l 4l R ρ ρ. (7) PROCEDURA DI ESECUZIONE S πd Compito I. Studio delle caratteristiche corrente-tensione di un conduttore. Realizzare una tabella delle misurazioni (tabella). Tabella I, ma U, V. Premere l'interruttore a pulsante (misura U). 3. Spostare la staffa mobile 4 nella posizione centrale (l = 5 cm). 4. Collegare l'installazione alla rete. 5. Utilizzare il regolatore di corrente per impostare il valore di corrente minimo. 6. Registrare le letture del voltmetro e dell'amperometro nella tabella 7. Aumentando la corrente con il regolatore, eliminare la dipendenza di U da I (valori 5 0). 8. Costruire una caratteristica corrente-tensione. 9. Utilizzando un grafico, calcolare la resistenza del conduttore utilizzando la formula (5). 0. Conoscendo la resistenza del conduttore R, utilizzare la formula (7) per determinare la resistività elettrica ρ. Diametro del conduttore d = 0,36 mm Trarre una conclusione.
7 9 Compito II. Studio dell'influenza della resistenza di una sezione circuitale sull'entità della caduta di tensione nella sezione Compilare una tabella. misurazioni. Tavolo l, cm U, V. Premere l'interruttore a pulsante (misura U). 3. Impostare la staffa mobile in posizione l = 0 cm 4. Collegare l'unità alla rete. 5. Utilizzare il regolatore di corrente per impostare la corrente su 50 mA. 6. Scrivi nella tabella. letture del voltmetro U e l. 7. Aumentando la lunghezza del conduttore l, eliminare la dipendenza di U da l, utilizzando il regolatore di corrente per mantenere il valore I = 50 mA. 8. Traccia un grafico di U rispetto a l. 9. Trarre una conclusione. Compito III. Studio della legge di Ohm per un circuito chiuso. Realizzazione di una tabella. 3 dimensioni. Tabella 3 I, mа U, B R, Ohm r, Ohm, VI I(R + r), B 50. Premere l'interruttore a pulsante (misura U). 3. Impostare la staffa mobile in posizione l = 5 cm 4. Collegare l'unità alla rete. 5. Utilizzare il regolatore di corrente per impostare la corrente su 50 mA. 6. Registrare le letture del voltmetro U nella tabella Premere l'interruttore a pulsante (misurazione EMF). Ciò espande la gamma di misurazione del voltmetro. Il valore di divisione del voltmetro nel circuito di misurazione EMF è 0,5 V. Misurare il valore EMF () e scriverlo nella tabella Prendere il valore di resistenza R dai risultati della misurazione dell'attività I. Calcolare il valore di resistenza r per una sezione non uniforme del circuito utilizzando la formula (4). Scrivi il risultato nella tabella. 3.
8 0 0. Controlla la legge di Ohm per un circuito chiuso. Per fare ciò, trova il valore di I(R + r); Confrontare il risultato ottenuto con il valore misurato. Trarre una conclusione. DOMANDE DI CONTROLLO. Formulare le leggi di Ohm per un circuito chiuso e una sezione del circuito Qual è il significato fisico della fem sorgente? 3. Come misurare la FEM di una sorgente collegata a un circuito? 4. Perché gli amperometri hanno una resistenza bassa mentre i voltmetri hanno una resistenza molto alta? 5. Quali condizioni deve soddisfare il dispositivo di messa a terra? Spiegare. 6. Quali quantità caratterizzano il campo elettrico? 7. Cos'è l'intensità del campo elettrico? 8. Cos'è chiamato potenziale? 9. Disegnare uno schema di collegamento in parallelo e in serie per due sorgenti CC. 0. A quale scopo le fonti di corrente sono collegate in serie? A quale scopo le fonti di corrente sono collegate in parallelo? In quali unità vengono misurate l'intensità di corrente, la densità di corrente, la differenza di potenziale, la tensione, la fem, la resistenza alla corrente elettrica, la conduttività? 3. Cos'è la resistività? 4. Da cosa dipende la resistività di un conduttore metallico? 5. Come, conoscendo i potenziali corrispondenti a due linee equipotenziali adiacenti e la distanza tra loro, trovare l'intensità del campo? 6. Stabilire una connessione tra potenziale e intensità di campo. 7. Derivare la legge di Ohm generalizzata in forma integrale dalla legge di Ohm in forma differenziale. ELENCO BIBLIOGRAFICO. Detlaf A. A, Corso di fisica: libro di testo. indennità per le università / A. A. Detlaf, B. M. Yavorsky M.: Superiore. scuola, pp. Trofimova T. I. Corso di fisica: libro di testo. indennità per le università / T. I. Trofimova M.: Superiore. scuola, s. 3. Terentyev N. L. Elettricità. Elettromagnetismo: libro di testo. indennità / N. L. Terentyev Khabarovsk: casa editrice Khabar. stato tecnologia. università, pag.
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Lavoro di laboratorio.
Studio della legge di Ohm per un circuito completo.
Obiettivo del lavoro:
Misurare la fem e la resistenza interna della sorgente di corrente.
Attrezzatura:
Alimentazione (raddrizzatore). Reostato (30 Ohm, 2 A). Amperometro. Voltmetro. Chiave. Fili di collegamento.
La configurazione sperimentale è mostrata nella Foto 1.
Colleghiamo il reostato 2, l'amperometro 3, la chiave 4 alla fonte di corrente 1.
Colleghiamo il voltmetro 5 direttamente alla fonte di corrente.
Lo schema elettrico di questo circuito è mostrato in Figura 1.
Secondo la legge di Ohm, l'intensità della corrente in un circuito chiuso con una sorgente di corrente è determinata dall'espressione
Abbiamo IR=U - la caduta di tensione sulla sezione esterna del circuito, che viene misurata con un voltmetro quando il circuito è acceso.
Scriviamo la formula (1) in questo modo:
Puoi trovare l'EMF e la resistenza interna della sorgente di corrente utilizzando i valori di corrente e tensione di due esperimenti (ad esempio 2 e 5).
Scriviamo la formula (2) per due esperimenti.
Dall'equazione (4) troviamo
E per ogni esperimento, utilizzando la formula (2) troviamo l'E.M.S.
Se invece di un reostato prendiamo un resistore con una resistenza di circa 4 Ohm, la resistenza interna della sorgente può essere trovata utilizzando la formula (1)
L'ordine di lavoro.
Assemblare un circuito elettrico. Misurare l'EMF della sorgente di corrente con un voltmetro quando l'interruttore K è aperto. Chiudere il tasto K. Utilizzando un reostato, impostare l'intensità della corrente nel circuito: 0,3; 0,6; 0,9; 1.2; 1,5; 1,8 A. Registrare la lettura del voltmetro per ciascun valore di corrente. Calcolare la resistenza interna della sorgente di corrente utilizzando la formula (3).
Trova il valore medio di ravg.
Valori di ε, I, U, r, ravg. scrivilo nella tabella.
La classe di precisione degli strumenti scolastici è del 4%, (cioè k = 0,04). Pertanto, l'errore assoluto nella misurazione della tensione e dell'EMF è uguale
errore nella misurazione corrente
Annotare il risultato finale della misurazione ε
Trova l'errore relativo nella misurazione della resistenza interna della sorgente di corrente,
Trova l'errore assoluto nella misurazione della resistenza interna
Registrare il risultato finale della misurazione r
rav±Δr=…..
Trova la resistenza interna della sorgente utilizzando la formula (5), Sostituendo il reostato nel circuito con un resistore e utilizzando la formula (6), trova la resistenza interna della sorgente di corrente.
Requisiti del rapporto:
Titolo e scopo dell'opera. Disegna uno schema di un circuito elettrico. Scrivere formule di calcolo e calcoli di base. Compila la tabella. Disegna un grafico di U=f(I) (tenendo conto che a I=0 U=ε)
Risposte alle domande:
1. Formulare la legge di Ohm per un circuito completo.
2. Cos'è l'EMF?
3. Da cosa dipende l'efficienza del circuito?
4. Come determinare la corrente di cortocircuito?
5. In quale caso il CPL della catena ha il valore massimo?
6. In quale caso la potenza sul carico esterno è massima?
7. Un conduttore con una resistenza di 2 Ohm collegato a un elemento con una fem di 2,2 V trasporta una corrente di 1 A. Trova la corrente di cortocircuito dell'elemento.
8. Resistenza della sorgente interna 2 ohm. La corrente nel circuito è 0,5 A. La tensione sulla sezione esterna del circuito è 50 V. Determinare la corrente di cortocircuito.
Lavoro di laboratorio n. 10. "Studiare la legge di Ohm per un circuito completo - 3° metodo." Scopo del lavoro: studiare la legge di Ohm per un circuito completo. Obiettivi del lavoro: determinazione dell'EMF e della resistenza interna di una sorgente di corrente continua in base alla sua caratteristica corrente-tensione; studio della dipendenza grafica della potenza rilasciata nel circuito esterno dall'entità della corrente elettrica P f I . Attrezzatura: sorgente CC, amperometro, voltmetro, cavi di collegamento, chiave, reostato. Teoria e metodo di esecuzione del lavoro: Legge di Ohm I Rr per un circuito completo I Rr. Trasformiamo I R r I R I r U I r U I r U I r . espressione Di conseguenza, la dipendenza della tensione all'uscita di una sorgente di corrente continua dall'entità della corrente (caratteristica volt-ampere) ha la forma (vedi Fig. 1): fig. 1 Analisi della caratteristica corrente-tensione di una sorgente di corrente continua: 1) per il punto C: I=0, quindi U 0 r 2) per il punto D: U=0, quindi 0 I r I r I 3) tg U r I I cortocircuito I cortocircuito r L'espressione per la potenza rilasciata nel circuito elettrico esterno ha la forma P I U I I r I I 2 r . Pertanto, la dipendenza grafica P f I è una parabola, i cui rami sono diretti verso il basso (vedi Fig. 2). riso. 2 Analisi della dipendenza grafica P f I (vedi Fig. 3): fig. 3 1) per t.B: P=0, allora 0 I I 2 r 0 I r I r I corto. , cioè. L'ascissa t.B corrisponde alla corrente di cortocircuito; 2) perché la parabola è simmetrica, allora l'ascissa t.A è la metà della corrente di cortocircuito I 3) perché nel punto A I I k.z. , e l'ordinata corrisponde al valore di potenza massima; 2 2r Rr e I 2r , quindi dopo le trasformazioni otteniamo R=r – la condizione in cui la potenza rilasciata nel circuito esterno con una sorgente di corrente continua assume il valore massimo; 2 r 4) valore massimo della potenza P I 2 R . 4r 2r 2 Procedura: 1. Collegare un voltmetro ai terminali della sorgente CC (vedere Fig. 4). La tensione mostrata dal voltmetro viene presa come valore della FEM della sorgente di corrente continua e considerata come riferimento per questo lavoro di laboratorio. Scrivi il risultato nella forma: (U±U) V. Prendi l'errore assoluto uguale al valore della divisione del voltmetro. riso. 4 2. Assemblare l'apparato sperimentale secondo lo schema mostrato in Figura 5: fig. 5 3. Effettuare una serie di 5-10 esperimenti, con movimento fluido del cursore del reostato, registrando i risultati della misurazione nella tabella: Corrente Intensità Tensione I U A V 4. Sulla base dei dati sperimentali ottenuti, costruire la caratteristica corrente-tensione della sorgente di corrente continua. 5. Determinare il possibile valore della FEM della sorgente di corrente continua e della corrente di cortocircuito. 6. Applicare la tecnica di elaborazione grafica di dati sperimentali e calcoli per calcolare la resistenza interna di una fonte di corrente continua. 7. Presentare i risultati del calcolo nella forma: FEM di una sorgente di corrente continua: (av±av) V; resistenza interna della sorgente di corrente continua: r=(rср±рср) Ohm. 8. Costruisci una relazione grafica U f I in Microsoft Excel, utilizzando la procedura guidata del grafico, aggiungendo una linea di tendenza e specificando l'equazione della linea. Utilizzando i parametri principali dell'equazione, determinare il possibile valore dell'EMF della sorgente di corrente continua, della corrente di cortocircuito e della resistenza interna. 9. Sugli assi numerici, indicare l'intervallo di valori della fem, la resistenza interna della sorgente di corrente continua e la corrente di cortocircuito, ottenuta con vari metodi di determinazione. 10. Analizzare la potenza rilasciata nel circuito esterno dall'entità della corrente elettrica. Per fare ciò, compila la tabella e costruisci una dipendenza grafica P f I : Potenza corrente I P A W 11. Utilizzando il grafico costruito, determinare il valore di potenza massima, la corrente di cortocircuito, la resistenza interna della sorgente di corrente e l'EMF. 12. È possibile costruire una relazione grafica P f I in Microsoft Excel utilizzando la procedura guidata dei grafici aggiungendo una linea di tendenza polinomiale di grado 2, che interseca la curva con l'asse OY (P) all'origine e indicando l'equazione sul grafico. Utilizzando i parametri principali dell'equazione, determinare il valore di potenza massima, la corrente di cortocircuito, la resistenza interna della sorgente di corrente e l'EMF. 13. Formulare una conclusione generale sul lavoro.
Quando si progettano e si riparano circuiti per vari scopi, è necessario tenere conto della legge di Ohm per un circuito completo. Pertanto, coloro che lo faranno dovranno conoscere questa legge per una migliore comprensione dei processi. Le leggi di Ohm si dividono in due categorie:
- per una sezione separata del circuito elettrico;
- per un circuito chiuso completo.
In entrambi i casi viene presa in considerazione la resistenza interna nella struttura dell'alimentatore. Nei calcoli computazionali vengono utilizzate la legge di Ohm per un circuito chiuso e altre definizioni.
Il circuito più semplice con una sorgente EMF
Per comprendere la legge di Ohm per un circuito completo, per chiarezza di studio, viene considerato il circuito più semplice con un numero minimo di elementi, EMF e carico resistivo attivo. È possibile aggiungere cavi di collegamento al kit. Una batteria per auto da 12 V è ideale per l'alimentazione; è considerata una fonte di campi elettromagnetici con una propria resistenza negli elementi strutturali.
Il ruolo del carico è svolto da una normale lampada a incandescenza con un filamento di tungsteno, che ha una resistenza di diverse decine di ohm. Questo carico converte l'energia elettrica in energia termica. Solo una piccola percentuale viene spesa per emettere un flusso di luce. Quando si calcolano tali circuiti, viene utilizzata la legge di Ohm per un circuito chiuso.
Principio di proporzionalità
Studi sperimentali nel processo di misurazione di quantità a diversi valori dei parametri del circuito completo:
- Forza attuale – I A;
- Le somme delle resistenze della batteria e del carico – R+r sono misurate in ohm;
- EMF è una fonte di corrente, indicata come E. misurata in volt
si è notato che l'intensità della corrente ha un rapporto direttamente proporzionale rispetto alla fem e un rapporto proporzionale inverso rispetto alla somma delle resistenze che sono chiuse in serie nel circuito. Lo formuliamo algebricamente come segue:
L'esempio considerato di un circuito ad anello chiuso è con una fonte di alimentazione e un elemento di resistenza di carico esterno sotto forma di lampada a incandescenza. Quando si calcolano circuiti complessi con più circuiti e molti elementi di carico, la legge di Ohm e altre regole vengono applicate all'intero circuito. In particolare, è necessario conoscere le leggi di Kirgoff, capire cosa sono le reti a due terminali, le reti a quattro terminali, i nodi di diramazione e i singoli rami. Ciò richiede una considerazione dettagliata in un articolo separato in precedenza, questo corso di TERC (teoria dei circuiti di ingegneria elettrica e radio) è stato insegnato negli istituti per almeno due anni. Ci limitiamo quindi ad una semplice definizione solo per il circuito elettrico completo.
Caratteristiche di resistenza negli alimentatori
Importante! Se vediamo la resistenza della spirale sulla lampada nel diagramma e nel disegno reale, la resistenza interna nel disegno della batteria galvanica, o accumulatore, non è visibile. Nella vita reale, anche se si smonta la batteria, è impossibile trovare la resistenza; non esiste come parte separata a volte viene visualizzata sui diagrammi;
La resistenza interna viene creata a livello molecolare. I materiali conduttivi di una batteria o di un'altra fonte di alimentazione del generatore con un raddrizzatore di corrente non sono conduttivi al 100%. Sono sempre presenti elementi con particelle dielettriche o metalli di altra conduttività, questo crea perdite di corrente e tensione nella batteria. Accumulatori e batterie mostrano più chiaramente l'influenza della resistenza degli elementi strutturali sul valore della tensione e della corrente in uscita. La capacità della sorgente di produrre la corrente massima è determinata dalla purezza della composizione degli elementi conduttivi e dell'elettrolita. Quanto più puri sono i materiali, tanto più basso è il valore di r, la sorgente emf produce più corrente. E, viceversa, in presenza di impurità, la corrente diminuisce, r aumenta.
Nel nostro esempio, la batteria ha un EMF di 12 V, ad essa è collegata una lampadina in grado di consumare 21 W di potenza, in questa modalità la spirale della lampada si riscalda al massimo calore consentito. La formulazione della corrente che lo attraversa è scritta come:
I = P\U = 21 W / 12 V = 1,75 A.
In questo caso il filamento della lampada brucia a metà incandescenza scopriamo il motivo di questo fenomeno; Per i calcoli della resistenza al carico totale (R + R) applicano le leggi di Ohm per le singole sezioni dei circuiti e i principi di proporzionalità:
(R + r) = 12\ 1,75 = 6,85 Ohm.
Sorge la domanda su come estrarre il valore r dalla somma delle resistenze. Un'opzione accettabile è misurare la resistenza della spirale della lampada con un multimetro, sottrarla dal totale e ottenere il valore r - EMF. Questo metodo non sarà accurato: quando la bobina si riscalda, la resistenza cambia in modo significativo il suo valore. Ovviamente la lampada non consuma la potenza dichiarata nelle sue caratteristiche. È chiaro che la tensione e la corrente del filamento della bobina sono piccole. Per scoprire il motivo, misuriamo la caduta di tensione sulla batteria con un carico collegato, ad esempio sarà di 8 Volt. Supponiamo che la resistenza dell'elica venga calcolata utilizzando i principi di proporzionalità:
U/I = 12 V/1,75 A = 6,85 Ohm.
Quando la tensione diminuisce, la resistenza della lampada rimane costante, in questo caso:
- I = U/R = 8 V/6,85 Ohm = 1,16 A con i 1,75 A richiesti;
- Perdita di corrente = (1,75 -1,16) = 0,59 A;
- Per tensione = 12V – 8V = 4V.
Il consumo energetico sarà P = UxI = 8 V x 1,16 A = 9,28 W invece dei 21 W richiesti. Scopriamo dove va l'energia. Non può andare oltre il circuito chiuso; rimangono solo i fili e il design della sorgente EMF.
Resistenza ai campi elettromagnetici –Rpuò essere calcolato utilizzando i valori di tensione e corrente persi:
r = 4 V/0,59 A = 6,7 Ohm.
Si scopre che la resistenza interna della fonte di alimentazione “consuma” metà dell'energia rilasciata e questo, ovviamente, non è normale.
Ciò accade con batterie vecchie, scadute o difettose. Ora i produttori stanno cercando di monitorare la qualità e la purezza dei materiali che trasportano corrente utilizzati per ridurre le perdite. Affinché la massima potenza venga erogata al carico, le tecnologie di produzione delle sorgenti EMF controllano che il valore non superi 0,25 Ohm.
Conoscendo la legge di Ohm per un circuito chiuso, utilizzando i postulati di proporzionalità, puoi facilmente calcolare i parametri necessari ai circuiti elettrici per identificare elementi difettosi o progettare nuovi circuiti per vari scopi.
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