Измерение работы электрического тока

В этой работе мы должны с помощью экспериментальной установки определить работу электрического, совершаемой в резисторе в течение заданного времени.

Для выполнения работы нам предлагается оборудование из комплекта № 3 в составе: источник тока, двухпредельный вольтметр и амперметр, ключ, реостат, соединительные провода и резистор, обозначенный R₁. Также нам может понадобиться секундомер, часы или таймер (о них немного позже).

Прежде чем начать выполнять работу давайте с вами вспомним, что электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. Однако для нас важным является не сам ток, а его действие, которое характеризуется работой электрического тока.

Давайте вспомним, что в общем случае под работой понимают скалярную физическую величину, которая описывает действие силы, приводящее к изменению значения скорости рассматриваемого тела.

Поэтому работа тока — это, говоря строгим языком физики, работа электрически сил, которые, перемещая заряженные частицы, увеличивают их скорость, а значит и кинетическую энергию.

Вы знаете, что работа по переносу электрического заряда в электрическом поле оценивается произведением величины перенесённого заряда на величину напряжения между начальной и конечной точками переноса:

A = ΔqU.

Это соотношение может быть применимо и для оценки работы тока. Однако оно имеет неудобство в связи с тем, что и ней фигурирует перенесённый в электрическом поле заряд, измерение которого требует особых методов. Поэтому удобнее расписать этот заряд, используя формулу силы тока:

Такая запись приводит нас к удобной формуле для определения работы электрического тока: работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого шёл ток:

.

В этой формуле все величины измеряются известными нам приборами: амперметром, вольтметром и секундомером. Именно этой формулой нам и предстоит воспользоваться в данной работе.

Итак, приступим к выполнению. Первое, что мы с вами сделаем, — это соберём экспериментальную установку. Для этого последовательно с источником тока соединим ключ (следите за тем, чтобы он находился в разомкнутом состоянии), исследуемый резистор, амперметр на предел измерения 3 А (внимательно следите за полярностью его подключения) и реостат. Параллельно резистору мы должны подключить вольтметр для измерения напряжения на нём (снова не забываем про полярность подключения).

Далее мы с вами нарисуем электрическую схему нашей установки (стараемся всё делать аккуратно).

Теперь запишем формулы, которыми будем пользоваться при выполнении данной работы. В этой работе она у нас одна: работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого шёл ток:

.

Прежде чем приступить непосредственно к работе ещё раз внимательно проверьте вашу электрическую цепь. Если всё в порядке, то включаем источник питания и замыкаем ключ. Далее, с помощью ползунка (если в вашем комплекте ползунковый реостат) или вращая ручку реостата, устанавливаем в цепи заданную нам по условию силу тока. При этом не забываем, что на прибор мы должны смотреть перпендикулярно шкале прибора.

Установив требуемое значение силы тока, мы, по-хорошему, должны были бы засечь пять минут (в некоторых вариантах — это и десять минут) и ждать, периодически с помощью реостата выставлять требуемое значение силы тока. Однако тратить драгоценное время на экзамене на это глупо. Поэтому время мы будем использовать только для расчёта.

Итак, напряжение на концах резистора у нас оказалось равным примерно 2,4 В.

В бланк ответов значения силы тока в цепи и напряжения на концах резистора мы должны записать с учётом погрешности измерения:

Несмотря на то, что мы с вами время не засекали, но его значение мы обязаны также записать в бланк ответов с учётом погрешности измерения времени:

Так как работа тока измеряется в джоулях, то здесь же целесообразно наши пять минут перевести в секунды, помня о том, что 1 мин = 60 с.

Закончив с прямыми измерениями, приступаем к нахождению работы электрического тока. Для этого в расчётную формулу подставляем наши значения силы тока, напряжения и времени.

В выводе напишем, что за 5 мин на данном участке цепи электрический ток совершил работу в 360 Дж.

Следующая наша работа будет посвящена определению мощности электрического тока.

В этой работе мы должны с помощью экспериментальной установки определить мощность, выделяемую на заданном резисторе.

Для выполнения работы мы будем использовать оборудование из комплекта № 3 в составе: источник тока, двухпредельный вольтметр и амперметр, ключ, реостат, соединительные провода и резистор, обозначенный R₂.

В прошлой лабораторной работе мы с вами находили работу электрического тока на участке цепи. Напомним, что мы её определяли как произведение силы тока, напряжения и времени, в течение которого шёл ток:

.

А теперь давайте вспомним, что электрическая мощность — это физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии. Она численно равна работе, совершённой электрическим током в единицу времени:

Подставив в эту формулу в выражение для работы мы приходим к тому, что мощность электрического тока равна произведению напряжения и силы тока.

В этой формуле все величины измеряются известными нам приборами: амперметром и вольтметром. Поэтому именно её мы и будем пользоваться при выполнении этой лабораторной работы.

Итак, приступим к выполнению. Первое, что мы с вами сделаем, — это соберём экспериментальную установку. Для этого последовательно с источником тока соединим ключ (он должен находиться в разомкнутом состоянии), исследуемый резистор, амперметр и реостат. Параллельно резистору мы должны подключить вольтметр для измерения напряжения на нём. При подключении амперметра и вольтметра внимательно следите за полярностью подключений.

Далее мы с вами нарисуем электрическую схему нашей установки.

Теперь запишем формулы, которыми будем пользоваться при выполнении данной работы. В этой, как и в прошлой, работе она у нас одна: мощность, выделяемая на резисторе, равна произведению силы тока в цепи и напряжения на концах резистора:

.

Прежде чем приступить непосредственно к работе ещё раз внимательно проверьте вашу электрическую цепь. Если всё в порядке, то включаем источник питания и замыкаем ключ. Далее, с помощью реостата, устанавливаем в цепи заданную нам по условию силу тока.

Установив требуемое значение силы тока, снимаем показания с вольтметра. Итак, у нас напряжение на концах резистора оказалось равным примерно 1,8 В.

В бланк ответов значения силы тока в цепи и напряжения на концах резистора мы должны записать с учётом погрешности измерения:

Закончив с прямыми измерениями, приступаем к нахождению мощности, выделяемой на резисторе. Для этого в расчётную формулу подставляем наши значения силы тока и напряжения.

В выводе напишем, что при силе тока в 0,3 А выделяемая на резисторе мощность равна 0,54 Вт.