Побудова потенційної діаграми для електричного ланцюга

Олеярник Олександр Вікторович - вчитель фізики та астрономії загальноосвітньої школи № 33 Краматорської міської ради, Донецької області

Мета роботи: полягає в ознайомленні учнів з такими поняттями як потенціал, потенціальна діаграма електричного ланцюга, особливості її побудови, розвиток в учнів критичного мислення та просторової уяви, набуття практичних навичок у побудові діаграми, вміння робити розрахунки та узагальнюючі висновки, виховувати наполегливість у досягненні мети, робити аналіз та перевірку власних отриманих результатів.

Побудова потенціальної діаграми для електричного ланцюга

Мета:

Навчальна: ознайомити учнів з послідовним з’єднанням приймачів електричної енергії постійного струму, особливостями роботи ланцюга, розглянути термін потенціал, потенціальна діаграма та способи її побудови.

Розвивальна: розвивати критичне мислення, вміння працювати з інформацією, робити аналіз та формулювати висновки

Виховна: виховувати працьовитість, наполегливість у досягненні мети, толерантність, жагу до нових знань

Послідовне включення приймачів електричної енергії

Основними особливостями одноконтурного ланцюга (ланцюг з послідовним з'єднанням елементів), представленої на схемі (рис.1), є наступні положення:

- по всіх елементах, включених послідовно, протікає один струм;

- напруги на ділянках ланцюга прямо пропорційні опорам цих ділянок.

Рисунок 1 – Ланцюг з послідовним з’єднанням елементів

Закон Кірхгофа для  этой цього ланцюга має вигляд:

U = U₁+ U₂ + U₃+...+ U_n

або  U= I·R₁+ I·R₂+ I·R₃+...+ I·R_n = I·R_е

де R_е ­­­­­­­­­­­­­­– еквівалентний опір ланцюга відносно  джерела, R_1, R_2, R_3, R_n – опір ланцюга, Ом.

Схема заміщення (найпростіший еквівалентний ланцюг) представлена на рис. 2.

Рисунок 2 – Схема заміщення ланцюга

Для ланцюга    еквівалентний опір визначається за формулою:

R_е= R₁+ R₂+ R₃+…+ R_n 

I = .

Потужність, яку споживає ланцюг дорівнює сумі потужностей, яку споживають окремі елементи:

Р = Р₁+Р₂+Р₃+…+Р_n = I²R₁+ I²R₂+ I²R₃+...+ I²·R_n =I² R_э =UI.

Розглянемо поняття потенціалу та принцип побудови потенційної діаграми на прикладі електричного ланцюга з послідовним з’єднанням елементів. Потенціал - фізична величина, яка характеризується відношенням енергії електричного поля W до величини заряду q, одиниця вимірювання потенціалу становить – Вольт [В] . Визначається за формулою:

φ =W/q

Для наочного представлення розподілу потенціалів в досліджуваному ланцюзі будують потенціальну діаграму. Для цього, прийнявши потенціал однієї точки за 0 (заземливши цю точку) визначають потенціали всіх інших точок і наносять їх на графік. При цьому необхідно пам'ятати, що струм у зовнішньому ланцюзі завжди спрямований від більш високого потенціалу до більш низького, і стрілка в позначенні ЕРС (електрорушійна сила) спрямована до високого потенціалу.

Розглянемо побудову потенціальної діаграми для конкретного ланцюга (рис.3).

Рисунок 3 – Послідовне з’єднання елементів при побудові потенціальної діаграми

Нехай Е = 100 В, R₁ = 15 Ом, R₂ = 25 Ом, R₃ = 10 Ом, I=2А.

Заземлимо точку К, що не впливає на розподіл струму, тому що при цьому не утворюються нові контури.

Тому, φ_к = 0.

Тоді    φ_а = φ_к + Е = 0 + Е = 100 В;

 φ_б = φ_а –  I·R₁ = 100 – 2·15 = 70 В;

                         φ_{в =} φ_б – I·R₂ = 70 – 50 = 20 В;

                          φ_к  = φ_в – I·R₃ = 20 – 2·10 = 0 В.

Потенціальна діаграма може бути представлена в двох варіантах (рис. 4, 5):

а) по горизонтальній вісі відкладають величини опорів контуру із зазначенням відповідних потенціалів на початку і в кінці опору, при цьому на діаграмі видно величину падіння напруги на кожному опорі.

Рисунок 4 – Побудова потенціальної діаграми для першого випадку

б) Схема контуру розривається у точці заземлення та витягується в лінію. Напроти кожного елементу відмічають зміну потенциалу  (см. рис 5).

Рисунок 5 – Побудова потенціальної діаграми для другого випадку

Щоб перевірити самих себе щодо правильності побудови, необхідно пам’ятати, що потенціал заземленої точки дорівнює 0, і ми з нього починаємо побудову, і потенціал останньої точки також повинен дорівнювати нулю, а це якраз і буде перевірка.

На мій погляд цінність даної розробки полягає в тому, що вона показує розподіл потенціалів у конкретному електричному ланцюзі, та прививає учням практичні навички у побудові потенціальної діаграми. Для закріплення навичок пропоную самостійно побудувати потенціальну діаграму для електричного ланцюга, який має наступні параметри: Е = 200 В, R₁ = 30 Ом, R₂ = 50 Ом, R₃ = 25 Ом, I=4А.

Розробку можна використовувати як доповнення до уроку при розгляді теми «Послідовне з’єднання приймачів», можна зібрати схему, отримати реальні дані та побудувати діаграму за реальними даними.

Бажаю успіху.