Объекты и средства исследования

На рабочем месте смонтирована лабораторная установка, состоящая из двух стандартных источников постоянного тока типа 13УН-1, блока нагрузочных реостатов типа РПШ-5 и измерительных приборов.

Источник постоянного тока типа 13УН-1 (рис. 1.1) состоит из одного блока, на лицевой панели которого расположены органы управления и контроля, клеммы и гнезда для подсоединения различных приемников. Напряжение питания на блок подается включением однополюсного выключателя QF1. В первичной цепи блока установлен автотрансформатор TV1 типа ЛАТР-2М на номинальный ток I_Н = 2,5 А, напряжение U_Н = 220 В, частоту f_Н = 50 Гц. В зависимости от положения ручки автотрансформатора на первичную обмотку силового понижающего трансформатора TV2 может подаваться напряжение от 0 до 250 В, которое контролируется вольтметром PV1.

Измерение силы постоянного тока и напряжения производится с помощью амперметра PA2 с переключателем SA1 на три положения. В нейтральном положении переключателя прибор PA2 используется как милливольтметр.

В качестве нагрузки использован блок реостатов RR1…RR3 типа РПШ-1, номинальный ток каждого их них I_Н = 5 А, сопротивление R_Н = 15 Ом. С помощью однополюсных выключателей SA2…SA4 реостатами можно изменять ток нагрузки источников постоянного тока.

Для измерения тока нагрузки служит амперметр магнитоэлектрической системы PA1 типа М1104 с током I_Н = 0…30 А, для измерения напряжения нагрузки - вольтметр магнитоэлектрической системы PV2 типа М45М на номинальное напряжение U_Н = 3…300 В.

Рис. 1.1. Принципиальная электрическая схема источника постоянного тока типа 13УН-1.

1.2. Общие сведения о цепях постоянного тока

Электрической цепью постоянного тока называют замкнутый путь, по которому переносятся электрические заряды, состоящий из источника энергии (например, аккумулятора), приемника энергии (например, электрической лампы) и двух соединяющих их проводов. По одному из проводов заряды идут от источника к токоприемнику, а по другому возвращаются от токоприемника к источнику. Скорость распространения электрической энергии в цепи около 300 тыс. км/с.

Электрическая энергия вырабатывается за счет химической, механической и других видов энергии. На положительном и отрицательном полюсах источника энергии получаются различные уровни электрических зарядов, которые стремятся выравняться через электрическую цепь, подобно тому, как стремятся выравняться уровни воды в различных сосудах, соединенных между собой трубкой. С некоторым упрощением силу, с которой заряды стремятся к выравниванию, называют электрическим напряжением.

Таким образом, если соединить проводником два тела с различными зарядами (например, две обкладки заряженного конденсатора), то под действием приложенного напряжения по проводнику будет протекать ток до выравнивания зарядов.

Электрический ток определяет количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника в единицу времени.

В замкнутой цепи электрический ток протекает под действием электродвижущей силы (ЭДС) источника энергии.

ЭДС возникает в источнике и при отсутствии тока в цепи, т.е. когда цепь разомкнута. При холостом ходе, т.е. при отсутствии тока в цепи, ЭДС равна разности потенциалов на зажимах источника энергии. Так же как и разность потенциалов, ЭДС измеряется в вольтах.

В наличии ЭДС можно убедиться, если присоединить к полюсам источника энергии (вместо линейных проводов) вольтметр. Однако прибор покажет не величину ЭДС, а напряжение на зажимах источника.

Направленному движению электрических зарядов в любом проводнике препятствуют его молекулы и атомы. Поэтому как внешняя цепь, так и сам источник энергии создают препятствие прохождению тока. Величина, характеризующая противодействие электрической цепи прохождению электрического тока, называется электрическим сопротивлением. Устройства, включаемые в электрическую цепь и обладающие сопротивлением, называются резисторами.

Единицей измерения сопротивления является Ом. Омом называется электрическое сопротивление такого линейного проводника, в котором при неизменяющейся разности потенциалов в 1 В проходит ток в 1 А, т.е. 1 Ом = 1 В/1 А.

Соотношение между ЭДС, сопротивлением и током в замкнутой цепи выражается законом Ома, который может быть сформулирован так: ток в замкнутой цепи прямо пропорционален ЭДС и обратно пропорционален сопротивлению всей цепи.

Ток в цепи возникает под действием ЭДС; чем больше ЭДС источника энергии, тем больше ток в замкнутой цепи. Сопротивление цепи препятствует прохождению тока, следовательно, чем больше сопротивление цепи, тем меньше ток.

Закон Ома можно выразить следующей формулой:

, (1.1)

или

Е = I(R + R₀), (1.2)

где R – сопротивление внешней части цепи;

R₀ – внутреннее сопротивление источника.

Сопротивление всей цепи:

R +R₀ = E/I. (1.3)

Закон Ома справедлив не только для всей цепи, но и для любого ее участка.

Если участок цепи не содержит источника энергии, то положительные заряды на этом участке перемещаются из точек более высокого потенциала к точкам более низкого потенциала. Источник энергии затрачивает известную энергию, поддерживая разность потенциалов между началом и концом этого участка. Эта разность потенциалов называется напряжением между началом и концом рассматриваемого участка.

Таким образом, применяя закон Ома для участка цепи, получим:

I = U/R. (1.4)

Закон Ома можно сформулировать следующим образом: сила тока на участке электрической цепи равна напряжению на зажимах этого участка, деленному на его сопротивление.

Напряжение на участке цепи равно произведению силы тока на сопротивление этого участка, т.е. U = IR.

Из выражения закона Ома для замкнутой цепи получим:

Е = IR + IR₀ = U + IR₀, (1.5)

где IR – падение напряжения в сопротивлении R, т.е. во внешней цепи, или, иначе, напряжение на зажимах источника энергии (генератора);

U, IR₀ – падение напряжения в сопротивлении R₀, т.е внутри источника энергии (генератора).

Напряжение на зажимах источника энергии (генератора) равно разности между ЭДС и падением напряжения на внутреннем сопротивлении этого источника, т.е.

U = E – IR₀. (1.6)

Если уменьшать сопротивление внешней цепи R, то сопротивление всей цепи R + R₀ также уменьшится, а ток в цепи увеличится. С увеличением силы тока падение напряжения внутри источника энергии (IR₀) возрастает, так как внутреннее сопротивление R₀ источника энергии остается неизменным. Следовательно, с уменьшением сопротивления внешней цепи напряжение на зажимах источника энергии также уменьшается. При соединении зажимов источника энергии с проводником, сопротивление которого практически равно нулю, сила тока в цепи I = Е/R₀. Это выражение определяет наибольший ток, который может быть получен в цепи данного источника.

Режим, при котором сопротивление внешней цепи практически равно нулю, называется режимом короткого замыкания.