Стационарное электрическое поле. 
Разность потенциалов, напряжение, эдс

Для длительного существования тока в проводнике в нем должно постоянно существовать электрическое поле. Это поле должно непрерывно поддерживать движение заряженных частиц в проводнике.

На основе анализа свойств электростатического поля, с которым школьники уже знакомы, следует показать, что данный вид электрического поля не может поддерживать движение заряженных частиц в проводнике. Действительно, без восполнения энергии статическое поле не может постоянно двигать заряды, совершая при этом работу. Известно также, что разность потенциалов на любом участке цепи при постоянном токе остается неизменной.

Факт существования электромагнитного поля как внутри, так и вне проводников при протекании в них тока можно продемонстрировать экспериментально.

Электромагнитное поле постоянного тока имеет как электрическую, так и магнитную составляющую (компоненты). Но оказывается, что эти компоненты не связаны между собой и их можно изучать отдельно.

В-третьих, надо сообщить, что стационарное электрическое поле-поле потенциальное, как и электростатическое. Источниками его являются как бы неподвижные заряды.

Энергетической характеристикой стационарного электрического поля является напряжение.

Принято, что знак ЭДС зависит от направления тока и направления обхода цепи. Итак, напряжение U характеризует стационарное электрическое поле. Разность потенциалов (ц1- ц2) — энергетическая характеристика кулоновского (электростатического) поля.

В программе одиннадцатилетней школы понятие о напряжении включено в тему «Электрическое поле», т. е. его связывают с электростатическим полем и с разностью потенциалов. При этом закон Ома для участка цепи записывают в виде U=IR, где под U понимают падение напряжения. Закон Ома для полной цепи, из которого следует, т. е. электродвижущая сила источника тока равна сумме падений напряжения на внешнем и внутреннем участке цепи. При таком подходе напряжение (как разность потенциалов) является характеристикой кулоновского поля.

Различная трактовка понятия напряжения играет существенную роль лишь в случае участка цепи, содержащего ЭДС, если же на участке цепи нет источника ЭДС (именно этот случай и рассматривают в школьном курсе физики), то и при первой трактовке U=(ц1- ц2)+е напряжение тождественно разности потенциалов.

Рис. 2.

Для изучения законов постоянного тока применяют различные источники питания, например ВС 4−12 (см. рис.). Напряжение питающей электросети -127 или 220 В. Частота тока — 50 Гц. Ступени выпрямленного напряжения — 4,6,8,10,12 В. Максимальный выпрямленный ток — 3 А. Максимальная потребляемая мощность в первичной цепи (при параметрах во вторичной цепи 12 В, 3 А) — 75 Вт.

Рис. 3.

Наибольшее распространение получил источник ВС-24 или ВС-24 М (см. рис). При номинальном напряжении питающей сети и при нагрузке вторичной цепи 10 А прибор обеспечивает получение выпрямленного регулируемого напряжения от 0 до 24 В+10% и регулируемого переменного напряжения от 0 до 30 В+10%. Питание прибора осуществляется от сети переменного тока 127 или 220 В Частотой 50 Гц.

Потребляемая мощность выпрямителя при максимальной нагрузке вторичной цепи 450 Вт.

Для измерения напряжения и силы тока в цепи используют демонстрационные вольтметры и амперметры (см. рис). Амперметр и вольтметр демонстрационные (учебные) являются измерительными приборами для постоянного и переменного тока.

Прилагаемые к амперметру сменные шунты позволяют пользоваться прибором в качестве амперметра постоянного и переменного тока с пределами измерений 0−3А и 0−10А.

Кроме этого, прибор может быть использован в качестве гальванометра постоянного тока с «0» посередине шкалы, чувствительного к малым токам.

Сменные добавочные резисторы, прилагаемые к вольтметру, дают возможность пользоваться им как вольтметром постоянного тока с пределами измерений 0−5 В и 0−15 В и переменного тока с пределами измерений 0−15 В и 0−250 В.

Прибор в качестве гальванометра постоянного тока с «0» посередине шкалы чувствителен к малому напряжению.

Как амперметр переменного тока прибор имеет два предела измерений: 3 А и 10 А.

Соответственно в приборе имеются две рабочие шкалы переменного тока, нанесенные на двух сторонах подшкальника, на пластмассовой планке которого обозначен знак «~» (переменный ток).

Шкала на 3 А имеет три оцифрованных деления: 1,2,3 А. Расстояния между делениями 1−2 и 2−3 разделены еще на 5 делений, цена каждого деления — 0,2 А.

Между 0 и 1 имеются два добавочных деления, отмечающие 0,4 А и 0,6 А. Шкала на 10 А имеет основные деления ценой 1 А. Эти деления разделены пополам (более короткой чертой); следовательно, цена мелких делений — 0,5 А. На шкале отсутствует деление для 1 А, первое деление — 2 А, второе деление — 3 А. Эти деления на шкалах отмечены точкой.

Как уже было указано выше, прилагаемые к прибору шунты служат и для измерений на постоянном токе. Обмотка рамки прибора непосредственно подключается к нижним зажимам с надписью «Гальванометр». Если подключать внешнюю электрическую цепь к этим зажимам, то прибор будет работать в качестве гальванометра, чувствительного к току.

Цена деления гальванометра — не более 5.10−5 А. Так как шкала гальванометра имеет по 5 делений в каждую сторону от нуля, то это обозначает, что для отклонения стрелки от нуля до конца шкалы (5 делений) необходим ток силой не более 0,25 мА.

Рис. 4.

Вольтметр постоянного тока имеет два предела измерений: 5 В и 15 В. Соответственно в приборе имеется две рабочие шкалы, нанесенные на двух сторонах подшкальника, на пластмассовой планке которого обозначен знак «-» (постоянный ток). Шкала на 5 В имеет пять оцифрованных деления. Цена одного деления — 1 В. Основные деления разделены пополам (более короткой чертой); следовательно, цена этих делений — 0,5 В.

Шкала на 15 В имеет 15 делений, из них оцифрованы деления 5,10,15.

Цена одного деления на этой шкале — 1 В. К прибору приложены для этих пределов измерений напряжений постоянного тока две добавочные катушки. Как вольтметр переменного тока прибор имеет два предела измерений: 15 В и 250 В. соответственно в приборе имеются две рабочие шкалы, нанесенные на подшкальнике, на пластмассовой планке которого обозначен знак «~» (переменный ток). Шкала на 15 В имеет 15 делений, из них оцифрованы деления 5,10 и 15. Цена одного деления — 1 В. Шкала на 250 В имеет деления по 50 В. Основные деления разделены пополам (более короткой чертой): следовательно, эти деления имеют цену 25 В.

К прибору приложены для этих пределов измерений напряжений переменного тока две добавочные катушки. Устройство катушек аналогично устройству катушек к вольтметру переменного тока. На каждой катушке указаны род измеряемого напряжения (знак «~) и верхний предел измерений (15 В и 250 В).

Величина сопротивления каждой катушки подгоняется индивидуально к прибору. На каркасах наносится номер прибора.

Для работы с прибором в качестве вольтметра переменного тока необходимо:

В передний паз в крышке прибора опустить шкалу переменного тока необходимого предела измерений;

Вращая головку корректора, установить стрелку на нуль шкалы;

Под зажим прибора, помеченный знаком «~» (крайний левый зажим), поджать угольник катушки добавочного резистора необходимого предела измерений;

Присоединить проводники от источника измеряемого напряжения к среднему зажиму прибора (общему для переменного и постоянного тока) и к зажиму на каркасе катушки добавочного резистора.

Вольтметр может использоваться как гальванометр. Обмотка рамки прибора непосредственно подключается к нижним зажимам с надписью «Гальванометр». Если подключить внешнюю цепь к этим зажимам, то прибор будет работать в качестве гальванометра, чувствительного к напряжению.

Цена деления гальванометра не больше 2.10−3 В., так как шкала гальванометра имеет по 5 делений в каждую сторону от нуля до конца шкалы (5 делений) необходимо напряжение не больше 10мВ. Действительная цена деления данного экземпляра гальванометра указывается на его шкале.

Шкала гальванометра нанесена на подшкальнике с пластмассовой планкой, помеченной буквой «Г».

После опускания в передний паз крышки прибора шкалы гальванометра нужно головкой корректора установить стрелку на нуль шкалы. При работе с гальванометром необходимо помнить о его высокой чувствительности и не подключать его к источнику большого напряжения во избежание сгорания обмотки рамки или поломки стрелки.