Постоянный электрический ток. Изучение законов постоянного тока

Изучение законов постоянного тока

Исследование зависимости КПД источника тока от сопротивления нагрузки

Цель работы

1. Определить КПД источника тока.

2. Получить экспериментальную зависимость мощности источника тока от сопротивления нагрузки.

3. Получить экспериментальную зависимость КПД источника тока от сопротивления нагрузки.

Теоретическая часть

Постоянный электрический ток

Электрическим током называется любое упорядоченное направленное движение электрических зарядов. Для возникновения и существования электрического тока необходимо с одной стороны наличие свободных носителей тока (заряженных частиц), способных перемещаться упорядоченно, а с другой стороны – наличие электрического поля, под действием которого частицы бы двигались упорядоченно. В проводнике под действием приложенного электрического поля электрические заряды перемещаются (положительные – по полю, отрицательные – против поля рис.2.1), т.е. в проводнике возникает электрический ток, называемый током проводимости. За направление тока условно принимают направление движения положительных зарядов.

Рис. 2.1. Проводник под действием электрического поля

Количественной мерой электрического тока служит сила тока. Сила тока – скалярная физическая величина, определяемая электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени:

. (2.1)

Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным. Величина постоянного тока определяется по формуле:

, (2.2)

где q – электрический заряд, прошедший через поперечное сечение проводника за время t.

Чтобы в проводнике был постоянный электрический ток, необходимо на его концах поддерживать постоянную разность потенциалов с помощью специальных устройств – источников тока за счет работы внешних сил неэлектростатического происхождения.

Силы неэлектростатического происхождения, действующие на заряды со стороны источников тока, называются сторонними. Природа сторонних сил может быть различной (в гальванических элементах – за счет химических реакций между электролитами и электродами).

Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему на концах проводника поддерживается постоянная разность потенциалов и постоянный электрический ток рис. 2.2.

Рис. 2.2

Электродвижущей силой называется работа сторонних сил по перемещению положительного единичного заряда:

. (2.3)

Работа сторонних сил над зарядом на участке проводника 1–2 равна:

, (2.4)

где – напряженность поля сторонних сил.

Подставив работу на участке 1–2 в формулу (3), получим электродвижущую силу, действующую на участке 1–2 (рис. 2.2).

. (2.5)

Замкнутая цепь

Связь тока с ЭДС выражается законом Ома для замкнутой цепи рис. 2.3:

, (2.6)

где R+r – полное сопротивление цепи, R – сопротивление внешней цепи, r – внутреннее сопротивление источника тока.

Рис. 2.3. Замкнутая цепь