ВИМІРЮВАННЯ СИЛИ ЗМІННОГО СТРУМУ, ПОТУЖНОСТІ І ВЕЛИЧИНИ ОПОРУ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЛАМПИ
Мета роботи: Навчитися вимірювати силу змінного струму, потужність та величину опору електричної лампи за допомогою амперметра і вольтметра.
Прилади і приладдя: джерело змінного струму (автотрансформатор), вольтметр, амперметр, ключ замикання струму, з’єднувальні провідники, лампа розжарювання.
Література
1. Грабовский Р.И. Курс физики: Учеб. пособие для с.-х. ин-тов. – М., 1979. – 552 с.
2. Розумнюк В.Т., Якименко І.Л. Фізика. Основні поняття, явища і закони. – Біла Церква, 2004. – 71 с.
Електричний струм – це направлений рух заряджених частинок. Наприклад, у металевих провідниках електричний струм являє собою направлений рух електронів, що вільні від зв’язку з атомами металу.
Для того, щоб по провіднику 3 (рис. 9.1) електрони рухалися у певному напрямку, потрібно його кінці під’єднати до двох провідників (1, 2), один з яких заряджений позитивно до потенціалу φ1, а другий –негативно до потенціалу φ2.
Внаслідок відштовхування електро-нів від провідника 2 і притягання їх до провідника 1 вони рухаються в провіднику 3 у напрямку 2 → 3 → 1. Для характеристики струмів користуються поня-
ттям сили струму І. Рис. 9.1.
Cила струму І – це фізична величина, що чисельно дорівнює величині електричного заряду, що проходить через поперечний переріз провідника за одиницю часу.
Якщо за час t через поперечний переріз провідника переноситься заряд q, то:
І = . (1)
Сила струму вимірюється в Амперах (А).
Сила струмудорівнює 1 А, якщо за 1 секунду через поперечний переріз провідника переноситься заряд, рівний 1 кулону (1 Кл).
Електричний струм називається постійним, коли напрямок і сила струму І у провіднику з часом не змінюються; у протилежному випадку електричний струм називається змінним.
Струм у провіднику 3 не припиниться, якщо провідники 1 і 2 (рис. 9.1) є частиною деякого пристрою, який підтримує незмінність зарядів цих провідників. Такі пристрої називають джерелами струму (генераторами), а провідники 1 і 2 – полюсами (клемами) джерела струму.
Характеристикою джерел струму слугує поняття електрорушійної сили.
Електрорушійною силою Є джерела струму називаютьроботу, яку виконують сторонні електророздільні сили для переміщення одиничного заряду між його полюсами.
Є = , (2)
де А – робота сторонніх електророздільних сил, q – величина електричного заряду.
Робота сторонніх електророздільних сил А складається з роботи А1 проти сил електричного поля і роботи А2 з подолання опору матеріалу генератора рухові зарядів у ньому А = А1 + А2. Робота А1 проти сил електричного поля виконується для переміщення в генераторі негативних зарядів до негативного полюса, а позитивних – до позитивного і вона дорівнює:
А1 = q(φ1 – φ2).
Тоді повна робота А сторонніх сил є:
А = А1 + А2 = q(φ1 – φ2) + А2. (3)
Підставляючи формулу (3) у формулу (2) маємо:
Є = (φ1 – φ2) + . (4)
Якщо клеми генератора не замкнуті зовнішнім електричним колом, то електророздільні сили не переміщують заряди в генераторі, а лише підтримують незмінність потенціалів φ1 та φ2 і А2 = 0. Тоді, згідно з формулою (4):
Є = (φ1 – φ2), або Є = U. (5)
Електрорушійна сила Є дорівнює різниці потенціалів між розімкнутими полюсами джерела струму.
Напругою U джерела струму називається різниця потенціалів на полюсах джерела струму, замкненого електричним ланцюгом. Електрорушійна сила Є і напруга U вимірюються у вольтах (В).
Під дією зовнішнього електричного поля вільні електрони впорядковано рухаються. При цьому вони зштовхуються з іонами металу, внаслідок чого швидкість електронів зменшується. Властивість провідників перешкоджати направленому рухові зарядів називають опором R.
Встановлено, що величина опору залежить від форми, розмірів провідника та від речовини, з якої він виготовлений. Німецький фізик Георг Ом встановив:
Величина опору провідника прямо пропорційна його довжині l та обернено пропорційна площі S його поперечного перерізу, тобто:
R = ρ , (6)
де ρ – питомий опір провідника, який залежить від властивостей речовини і температури. Одиницею вимірювання питомого опору є Ом·м. Питомий опір – це опір провідника, який має довжину 1 м і площу поперечного перерізу 1 м2.
Силу струму в провіднику визначають, користуючись експериментально встановленим законом Ома для ділянки кола.
Cила струму І в провіднику прямо пропорційна падінню напруги U на кінцях провідника і обернено пропорційна його опору R.
І = . (7)
Із формули (7) визначимо опір провідника:
R = . (8)
Одиницею вимірювання опору є Ом.
1 Ом – це опір такого провідника, по якому проходить струм силою в 1 ампер, якщо падіння напруги на ньому дорівнює 1 вольту.
Робота А з переміщення заряду q в електричному полі:
А = q(φ1 – φ2) = qU. (9)
Оскільки q = Іt (із рівняння (1), то А = ІtU, а з урахуванням закону Ома:
А = ІtU = . (10)
Потужність Р електричного струму – це робота електричного струму за одиницю часу.
Р = . (11)
Враховуючи формулу (10), маємо:
Р = ІU = . (12)
Робота електричного струму вимірюється у джоулях, а потужність – у ватах.
Для змінного струму, коли в колі наявний індуктивний або ємнісний опір, при вимірюванні потужності використовується наступна формула:
Р = U I cos , (13)
де – зсув фази між напругою і силою струму.
Якщо в електричному ланцюзі змінного струму наявний тільки активний опір, то зміна сили струму і напруги співпадають за фазою, і для обчислення опору, роботи, потужності використовуємо формули (8), (10), (12).