Физика. Теория. Методика. Задачи - Демков В.П.
Скачать (прямая ссылка):
которого основан на том, что магнитное поле оказывает ориентирующее
действие на виток с током (см. §14), причем отклонение стрелки прибора
пропорционально силе протекающего через него тока.
Для измерения токов и напряжений гальванометры включают по схеме
амперметра или вольтметра. Поскольку измерительные приборы не должны
менять токи и напряжения на участках цепи, то внутреннее сопротивление
амперметра должно быть очень малым, а вольтметра - большим.
Измерение токов и напряжений
R
Для измерения тока в проводнике и падения напряжения на нем в
электрическую цепь включают амперметр и вольтметр, причем амперметр
включают последовательно с этим проводником, а вольтметр - параллельно к
нему
Рис. 13.12
(рис. 13.12).
424
'max
<s>
Каждый гальванометр рассчитан на измерение определенного максимального
тока /тах, соответствующего отклонению стрелки прибора на всю шкалу.
Такой гальванометр можно непосредственно использовать для измерения токов
силой 1 < 1тах. Чтобы измерять токи / > /тах, параллельно гальванометру
включают дополнительное сопротивление Лш, которое называют шунтом (рис.
13.13). Необходимое значение Яш для измерения тока 1>1П
Рис. 13.13
через прибор протекал ток силой /тах, а ток /ш
¦шах подбирают таким образом, чтобы
1 - /"их отводился через шунт (по первому закону Кирхгофа: 1 - /тах -
/ш = 0). Поскольку прибор и шунт подключены к одним и тем же точкам цепи,
то падение напряжения на внутреннем сопротивлении Ra гальванометра
(сопротивлении витка) и шунте Лш одинаково:
Anax = Аи ^ш-
Следовательно, через шунт потечет ток
/ш =
Апах
'ш
являющийся частью тока в цепи, равного
или
/=wli+ir}-
Отсюда получим
R,
1
(13.23)
где л = ///тах. Я_1
По закону Ома для однородного участка цепи предельно допустимое
напряжение, которое может измерить прибор, равно
^шах ~ Апах
R
т-
Если необходимо измерить падение _____
напряжения U на сопротивлении R, которое больше итях> к гальванометру
последовательно подключают дополнительное сопротивление /?д, которое
называют добавочным (рис. 13.14). Величину добавочного сопротивления
выбирают так, чтобы через прибор и ЯД тек ток силой /тах. Напряжение на
сопротивлении R будет равно падению напряжения на добавочном
сопротивлении и внутреннем сопротивлении прибора:
Рис. 13.14
U = Anax (Rg + Лд)> U= Ut
шах
Отсюда получим
где n = U/U.
Лд = Ло(и- 1),
(13.24)
шах*
425
Из сказанного следует, что гальванометр с внутренним сопротивлением Ra,
рассчитанный на измерение тока /тах, можно использовать для измерения
токов 1 <> п /тах, если параллельно к нему подключить шунт, рассчитанный
по формуле (13.23). Если этот прибор нужно использовать как вольтметр для
измерения напряжений U ? п /тах R0, то к нему необходимо последовательно
подключить добавочное сопротивление, величина которого должна быть
определена по формуле (13.24).
Работа и мощность постоянного тока. Закон Джоуля - Ленца Рассмотрим
произвольный однородный участок цепи (см. рис. 13.3), между концами
которого имеется разность потенциалов U = (ра - (р^. Через сопротивление
R участка будет течь ток силой /, и за промежуток времени At через
поперечное сечение проводника пройдет заряд Aq = l At. Силы
электрического поля при этом совершат работу
А = Aq (ща - ц>ь) = Aq U=IUAl, (13.25)
которую принято называть работой тока.
Рассмотрим теперь неоднородный участок цепи, представленный на рис. 13.7
- 13.8. При наличии на участке цепи источника тока работу по переносу
заряда будут совершать силы электрического поля и сторонние силы, причем
если источник способствует движению положительных зарядов в направлении
тока (см. рис. 13.7), то работа сторонних сил положительна, в противном
случае (см. рис. 13.8) - отрицательна:
А = Ад (ф а - Фб) ± Лстор = Л<7 (Лфа-б ±<?) = A/ ± / SA t,
где первое слагаемое представляет собой работу тока на участке цепи, а
второе - работу источника.
Прохождение тока через проводник, обладающий сопротивлением, всегда
сопровождается выделением теплоты. Нагревание проводника с током
объясняется столкновениями носителей тока с узлами кристаллической
решетки: при столкновении часть кинетической энергии носителей тока
передается решетке, увеличивая энергию теплового движения атомов вблизи
положений равновесия, это и означает увеличение температуры (см. формулу
(II.7)).
Для однородных участков цепи, на которых не совершается механическая
работа и ток не производит химических действий, работа тока будет
затрачена на увеличение внутренней энергии проводника. Поэтому количество
теплоты Q, выделившейся в проводнике сопротивлением R за время At, будет
равно работе тока за это время:
Q = I U At. (13.26)
Используя закон Ома (13.6), работу тока (13.25) и количество теплоты
(13.27) можно выразить любым из трех эквивалентных способов:
U2 2
A = Q = IUAt = jAt = I2RAt. (13.27)
Выражение для Q в виде
Q = I2RAt (13.28)
426
было получено экспериментально и носит название закона Джоуля -Ленца.
На неоднородных участках цепи выделяющаяся теплота в общем случае не
