Залежність сили струму від напруги на ділянці кола та від опору цієї ділянки. Закон Ома для ділянки кола постійного струму

Мета: вивчити залежність струму в провіднику від напруги, прикладеної до нього, перевірити, чи справджується закон Ома.

Illustration

Дослід здійснено за допомогою набору для проведення лабораторних та демонстраційних робіт з курсу електрики та магнетизму EdPro AMPERIA

ПІДГОТОВКА ДО ПРАКТИЧНОГО ЗАНЯТТЯ

1.

Підготуйте необхідне для виконання експериментів обладнання та переконайтеся у його справності.Інформацію про комплектацію набору EdPro Amperia та інструкцію з його використання можна знайти за посиланням: https://amperia.edpro.ua/instruction.

Power supply unit

джерело струму

resistor

резистори

Рекомендований опір резисторів становить 50 та 100 Ом.

Multimeter

мультиметр

wires

з’єднувальні провідники

2.

Роздрукуйте роздаткові матеріали для учнів відповідно до кількості робочих груп. Набір EdPro Amperia призначений для роботи групи з 4-х учнів.Роздаткові матеріали з лабораторної роботи можна завантажити, натиснувши на кнопку "МАТЕРІАЛИ ДЛЯ УЧНІВ".

3.

Перед початком практичної роботи нагадайте учням основні поняття та закони до цієї теми, а також ознайомте їх з технікою безпеки.

ТЕХНІКА БЕЗПЕКИ

 Якщо струм, який проходить через елементи електричного кола, буде більшим за 0.5 А, вони можуть вийти із ладу, ставши при цьому дуже гарячими та призвести до опіків. У випадку неправильного під’єднання провідників у колі може відбутися коротке замикання. Хоча джерело струму EdPro Amperia має програмний захист від короткого замикання, все ж варто уникати такої ситуації. Повний текст рекомендацій з техніки безпеки під час роботи з набором EdPro Amperia доступний за посиланням https://amperia.edpro.ua/safety.

ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ ТА ЗАКОНИ

Закон Ома

Для металів, електролітів та напівпровідників, за постійної температури, сила струму прямо пропорційна прикладеній напрузі. Тобто, графік залежності струму I від напруги U (вольт-амперна характеристика) — пряма, що проходить через початок координат.Цей закон не виконується для газів або за великих напруг.

Illustration

Де R1 та R2 — Вольт-амперні характеристики резисторів.Таким чином, закон Ома для ділянки кола:

Illustration

Де I — сила струму, U — напруга, R — електричний опір.

Одиниці виміру

В системі СІ одиницями напруги, струму та опору є, відповідно: В — вольт, А — ампер, Ом (або Ω) — ом.Один ом — це опір провідника, через який протікає струм 1 ампер, якщо до нього прикласти напругу 1 вольт.Назви одиниць пишуть з малої літери, а самі одиниці — з великої.Приклади: "Одиницею опору є ом", "Струм вимірюється в амперах", але "Опором 1 Ом", "Сила струму 1 А".Поміж фізиків популярний жарт: справжня слава для фізика — це коли в підручниках його прізвище пишуть з малої літери.

Резистор або опір

Це пасивний лінійний елемент електричних схем із певним електричним опором. Використовується для обмеження електричного струму, лінійного перетворення струму в напругу і навпаки, перетворення електричної енергії тощо. Для наших цілей у цій роботі опір еквівалентний довгому провіднику.

Illustration

Вимірювальні прилади

Для вимірювання струму використовується амперметр, напруги — вольтметр, опору — омметр:

Illustration

Амперметр потрібно під'єднувати у коло з опором, в якому вимірюють силу струму. Його опір має бути мінімальним, щоб мінімізувати зміну струму, який він вимірює.Ідеальний амперметр має опір RA ід = 0, або RA << R, де R — опір провідників у колі.Вольтметр підключають до точок, між якими вимірюють напругу, тобто, паралельно до елементів кола. Його опір має бути дуже великим.Ідеальний вольтметр має безмежний опір, RV ід = ∞Омметр — прилад для вимірювання опору.Комбінований вимірювальний пристрій, який здатен вимірювати струм, напругу, опір, називають мультиметром. Деякі мультиметри також можуть вимірювати інші величини: ємність, індуктивність, частоту тощо.

Illustration
Illustration
Illustration

Абсолютна та відносна похибка

Відносні похибки вимірювання (δI для амперметра та δU для вольтметра) можна знайти в документації на вимірювальні прилади. Для електровимірювальних приладів там часто вказують клас точності. Опір розраховується за формулою:

Illustration

Тоді відносна похибка для R:

Illustration

Де δI та δU — відносні похибки вимірювання струму та напруги, відомі із документації.Для прикладу, абсолютна похибка розраховується як:

Illustration

Абсолютну похибку можна визначити безпосередньо, але цей спосіб є менш зручним для обчислення:

Illustration

Розрахунок похибки є доволі тривалим процесом, але без неї саме значення виміру позбавлене сенсу.Лише у випадку, коли, крім значення тієї чи іншої фізичної величини, відома її похибка, можна проводити якісь порівняння, перевірку законів фізики тощо. Детальніше про похибки та роботу із ними можна дізнатися за посиланням: https://amperia.edpro.ua/labs/me

ХІД РОБОТИ З НАБОРОМ AMPERIA

1.

Illustration

Якщо в наявності є два мультиметри, кращі результати будуть за такого підключення:

Illustration

Один мультиметр підключаємо в режимі вимірювання струму:

Illustration

Інший — в режимі вимірювання напруги:

Illustration

2.

Illustration

Якщо є лише один мультиметр, в ролі вольтметра можна використовувати блок живлення:

Illustration
Illustration

Детальніше роботу із блоком живлення описано в інструкції: https://amperia.edpro.ua/instruction

3.

Illustration

Альтернативою є перемикання вимірювального приладу між двома позиціями. Потенційно такий спосіб дає більшу точність, ніж використання блоку живлення як вольтметра. Однак, педагогічна цінність видається меншою — може губитися усвідомлення учнями одночастності вимірювання струму та напруги.

Illustration

Вимірюємо струм:

Illustration

Не змінюючи напруги, переключаємо мультиметр для вимірювання напруги:

Illustration

4.

Блок живлення EdPro також може автоматично будувати вольт-амперну характеристику під’єднаного до нього приладу:

Illustration
Illustration
Illustration

Такий підхід дозволяє наочно демонструвати учням певні явища в умовах обмеженого часу.
Точність вимірювання струму приладом гірша за точність мультиметра, однак достатня для виконання шкільних експериментів.

Зверніть увагу!Приклади зібраних електричних кіл з використанням компонентів EdPro Amperia та показники на приладах у цьому розділі надані лише в якості ілюстрації, а не як критерій правильності виконання експерименту. Може бути декілька правильних способів зібрати електричне коло за схемою (з перестановками елементів кола, різними варіантами підключення магнітних з'єднань провідників тощо).Рекомендуємо давати учням лише формальну постановку задачі та можливість знайти власний варіант її практичного розв'язку.

Illustration

Найпростіше електричне коло

Illustration

Провідники та діелектрики

Illustration

Залежність сили струму від напруги на ділянці кола та від опору цієї ділянки. Закон Ома для ділянки кола постійного струму

Illustration

Вимірювання опору провідника за допомогою вольтметра та амперметра

Illustration

Гальванічний елемент

Illustration

Послідовне з’єднання провідників

Illustration

Паралельне з'єднання провідників

Illustration

Залежність опору від матеріалу, довжини та площі перерізу провідника

Illustration

Взаємодія електромагніту з постійним магнітом

Illustration

Електромагнітна індукція

Illustration

Явище самоіндукції

Illustration

Вимірювання ЕРС і внутрішнього опору джерела струму

Illustration

Дослід Ерстеда з магнітною стрілкою

Illustration

Принцип дії трансформатора

Illustration

Вольт-амперна характеристика напівпровідникового діода

Illustration

Конденсатор. Збереження електричної енергії, заряджання та розряджання конденсатора