Исследование замкнутой цепи постоянного тока
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Изучение зависимости полезной мощности, коэффициента полезного действия, силы тока в цепи от величины внешнего сопротивления (нагрузки).
2. ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ. Источник тока, переменное сопротивление, амперметр, вольтметр.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ
Электрический ток в проводнике представляет собой направленное, упорядоченное движение заряженных частиц. Носителями тока в проводящей среде могут быть электроны (в металлах), либо ионы (в электролитах). При создании электрического поля в проводнике на хаотическое движение носителей накладывается их упорядоченное движение с некоторой скоростью, в проводнике течёт электрический ток.
Электрическое поле в проводнике (разность потенциалов или напряжение на концах проводника) создается источником тока. Внутри источника тока сторонние силы неэлектрической природы перемещают положительные носители тока с отрицательного полюса источника на положительный полюс, т.е. против сил электрического поля. Характеристикой источника тока является электродвижущая сила Е, которая определяется как работа АСТ сторонних сил источника тока по перемещению положительного заряда q с отрицательного полюса источника на положительный полюс, отнесенная к величине этого заряда:
, (1)
Электродвижущая сила, сокращённо ЭДС, на самом деле силой не является. ЭДС - исторически сложившееся название этой величины, которая измеряется в вольтах.
Схема простейшей замкнутой электрической цепи, содержащей источник тока, представлена на рис.1. В такой цепи, согласно закону Ома для замкнутой цепи, течет электрический ток I:
(2) (13)
где Е– ЭДС, действующая в цепи; 
– внутреннее сопротивление источника; R– сопротивление внешнего участка цепи или сопротивление нагрузки).
Мощность, развиваемая источником, равна работе сторонних сил, совершаемой за единицу времени:
. (3)
Анализ уравнения (2) показывает, что мощность, развиваемая источником, выделяется на внутреннем сопротивлении источника 
и сопротивлении нагрузки R. Полезной мощностью является мощность, выделяемая на нагрузочном сопротивлении R:
. (4)
Отношение полезной мощности к мощности, развиваемой источником, называется коэффициентом полезного действия:
, (5)
где U – внешнее напряжение или напряжение на нагрузке. Из формул (2), (4) и (5) видно, что при заданных E и , сила тока I, полезная мощность PR и коэффициент полезного действия 
зависят от внешнего сопротивления в цепи (сопротивления нагрузки).
В данной лабораторной работе предлагается экспериментально исследовать эти зависимости. Схема установки для исследования замкнутой цепи постоянного тока представлена на рис.1. Ток I в цепи измеряется миллиамперметром А, напряжение на нагрузке U измеряется вольтметром V при замкнутом ключе К , ЭДС источника измеряется вольтметром при разомкнутом ключе К .
РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ
4.1. Собрать схему, представленную на рис. 1.
4.2. При разомкнутом ключе К измерить с помощью вольтметра ЭДС источника тока. Результат измерения записать в таблицу 1.
4.3. Замкнуть ключ К. Изменяя сопротивление нагрузки, измерить силу тока и напряжения на нагрузке. Измерения произвести не меньше, чем для десяти значений силы тока в цепи, перекрывающих весь диапазон возможных значений тока. Силу тока менять с шагом 10 мА. Результаты измерений занести в таблицу 1.
Таблица 1
| № | R | I | U | РR | η | Е |
| Ом | мА | В | мВт | В | ||
| : | ||||||
4.4. Вычислить значения R по формуле R=U/I и занести в таблицу 1.
4.5. Вычислить значения РR и η по формулам (4) и (5) и занести в таблицу 1.
4.6. Построить графики зависимости PR =f(R ), I= f(R ), η=f(R ). Масштаб выбирается такой, чтобы координаты экспериментальных точек легко определялись, максимальные значения величин находились на концах осей. Длина осей по горизонтали (ось значений сопротивления) – не менее 10 см, по вертикали (ось переменных PR , I,и η ) – не менее 8 см. График должен занимать примерно половину страницы лабораторного журнала.
ВЫВОД
В выводе сделайте анализ полученной графиков зависимостей PR =f(R ), I= f(R ), η=f(R ).
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
6.1.Сформулируйте закон Ома для замкнутой электрической цепи.
6.2. Что такое ЭДС источника тока, в каких единицах измеряется эта величина?
6.3. Каким прибором в данной лабораторной работе измерялась сила тока I, протекающего через сопротивление нагрузки?
6.4. Каким прибором в данной лабораторной работе измерялось напряжение U, приложенное к нагрузке?
6.5. Как измерялась в данной лабораторной работе ЭДС источника тока?
6.6. Как в данной лабораторной работе определялись значения величин, представленных в таблице 1?
6.7. Согласуется ли полученная экспериментально зависимость I= f(R ) с формулой (2)?
6.8.Согласуется ли полученная экспериментально зависимость PR =f(R ) с формулой (4)?
6.9.Согласуется ли полученная экспериментально зависимость η=f(R ) с формулой (5)?
6.10. Что такое ток короткого замыкания? Используя полученный экспериментально график зависимости I= f(R ) , определите приблизительно величину тока короткого замыкания.
ЭЛЕМЕНТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
7.1. Используя полученный экспериментально график зависимости I= f(R ) , определите приблизительно величину тока короткого замыкания.
7.2. Используя полученный экспериментально график зависимости PR =f(R ), определите внутреннее сопротивление источника тока.
7.3. Получите теоретически зависимость коэффициента полезного действия от силы тока в замкнутой цепи: η=f(I ). Представьте эту зависимость графически. Сделайте график зависимости η=f(I ), используя экспериментальные результаты, полученные в настоящей лабораторной работе. Сравните экспериментальный и теоретический графики, сделайте вывод.
Семестр
Лабораторная работа №8.