В работе исследованы свойства и физические законы соединения резисторов без пайки. При построении макетов от монтажа пайкой удается полностью отказаться или свести его к минимуму. Как показал, опыт практическое использование макетных плат позволяют, существенно сэкономить временные и материальные затраты.
Ключевые слова: резисторы, макетная плата, соединение без пайки, параллельное и последовательное соединение, токи, напряжение и сопротивления при соединения резисторов.
The paper studies the properties and physical laws of connecting resistors without soldering. When building layouts, soldering installation can be completely, abandoned or reduced to a minimum. As experience has shown, the practical use of layout boards can significantly save time and material costs.
Keyword: resistors, layout Board, connection without soldering, parallel and serial connection, currents, voltage and resistance when connecting resistors.
В современном высшем учебном заведении перед каждым преподавателем стоит цель по развитию научно-исследовательских навыков студентов. Один из задач являетсямотивации студента и совершенствование научно-исследовательских навыков в формулировке исследовательского вопроса во время лабораторной работы на уроках физики. В данной работе исследованы свойства и физические законы соединения резисторов без пайки. Как показал, опыт практическое использование макетных плат позволяют, существенно сэкономить временные и материальные затраты. [1,2].
Цель работы: опытным путем изучить законы протекания тока через последовательно и параллельно соединение резисторовспомощью беспаечное соединение и определить формулы сопротивлений таких участков. Резисторы примениется в электронных приборах и робототехнике. [3].
Последовательным соединением сопротивлений называется такое соединение, при котором конец первого сопротивления соединяется с началом второго, конец второго — с началом третьего и т. д. Рассмотрим физические законы соединения резисторов. Перечень оборудования показаны на рис.1,2,3.
Перечень оборудования
Рис. 1. Резистор и провода
Рис. 2. Мультиметр
Рис. 3. Макетная плата
Последовательно соединенных резисторов
Сопротивление впоследовательной цепи. Общее сопротивление последовательно соединенных резисторов равно сумме их сопротивлений.
Rобщ = R1+R2+R2+ •••+Rn (1)
Если последовательно включено любое количество резисторов одинаковых сопротивлений, то их общее сопротивление можно определить, умножив сопротивление одного резистора на количество резисторов.
Rобщ = nR1 (2)
Пример последовательного соединения двух резисторов показан на рис.4.
Общее сопротивление для двух резисторов.
Rобщ=R1+R2 (3)
Rобщ = 25 Ом+35 Ом=60 Ом (4)
Рис. 4. Последовательное соединение двух резисторов
Величина тока впоследовательной цепи
Так как в данной цепи отсутствует ответвление тока, то очевидно, что количество электричества, протекающее через поперечное сечение проводника за единицу времени в любой точке цепи, будет одинаковым. Следовательно, во всех точках последовательной цепи величина тока одинакова.
Поэтому при последовательном соединении, для измерения тока достаточно включать один амперметр на любом участке цепи.
В качестве примера, можно привести цепь последовательного соединения двух резисторов, который показан на рис.5.
I=I1=I2=0,2A
Рис. 5. Величина тока в последовательнойцепи
Распределение напряжения впоследовательной цепи
Напряжение источника тока, приложенное, к внешнему участку цепи распределяется по участкам цепи прямо пропорционально сопротивлениям этих участков. Напряжение, приложенное, к каждому из этих резисторов определяется по формуле:
U=IR (5)
Так как ток в последовательной цепи везде одинаков, значит, действительно напряжение на ее участках зависит от сопротивления, чем больше сопротивление, тем большее напряжение приложено к данному участку. Сумма напряжений на участках последовательной цепи равна напряжению источника тока.
Uобщ=U1+ U2+ U3+ ••• +Un (6)
Пример, распределение напряжения в последовательной цепи соединения двух резисторов показан на рис.6.
Uобщ=U1+ U2(7)
12В=5В+7В
Параллельное соединение сопротивлений
Параллельным соединением сопротивлений называется такое соединение, при котором к одному зажиму источника подключаются начала сопротивлений, а к другому зажиму — концы.
Рис. 6. Распределение напряжения в последовательной цепи
Сопротивлениев параллельной цепи
Общее сопротивление параллельно включенных сопротивлений определяется по формуле:
(8)
Если параллельно включено любое количество резисторов одинаковых сопротивлений, то их общее сопротивление можно определить, если сопротивление одного резистора разделить на количество резисторов.
Общее сопротивление параллельно включенных сопротивлений всегда меньше наименьшего сопротивления, входящего в данное соединение. Пример, если параллельно включено только два резистора (рис.7), то их общее сопротивление можно определить по формуле:
(10)
Рис. 7. Параллельное соединение двух резисторов
Распределение тока впараллельной цепи
В цепи с параллельным соединением, что электрический ток распределяется по параллельным ветвям обратно пропорционально их сопротивлениям.
Это значит, что чем больше сопротивление, тем меньше по нему пойдет ток.
(11)
Рассматривая точку разветвления А, замечаем, что к ней притекает ток I, а токи I1, I2, утекают из нее. Так как движущиеся электрические заряды не скапливаются в точке, то очевидно, что суммарный заряд, притекающий к точке разветвления, равен суммарному заряду, утекающему от нее:
I=I1+ I2+ I3 +••• +In(12)
Следовательно, величина тока в не разветвленной части цепи равна сумме токов в параллельных ветвях.
Пример, распределение тока в параллельной цепи соединения двух резисторов показан на рис. 8.
I=I1+ I2
Рис. 8. Распределение тока в параллельной цепи
Величина напряжения впараллельных цепях
Так как начала всех сопротивлений сведены в одну общую точку, а концы — в другую, то очевидно, что разность потенциалов на концах любого из параллельно включенных сопротивлений равна разности потенциалов между общими точками.
Итак, при параллельном соединении сопротивлений напряжения на них равны между собой.
U=U1=U2=U3=•••=Un (13)
Содержание хода работы ипоследовательность действий
Техническое задание
1) Собрать электрическую цепь в макетную плату (рис.9.)
2) Снять показания приборов и записать их в таблицу.
3) Произвести расчеты.
4) Ответить на контрольные вопросы.
5) Сделать вывод.
Порядок выполнения работы
1) Собрать схему в макетную плату (Рис. 9.).
2) Установить на схеме величины R1=1 кОм + N, R2=2 кОм + N, R3=3 кОм + N и R4=4 кОм+ N, где N — номер студента по журналу (мощность резисторов более 1 Вт).
3) Включить источник и установить напряжение U=5В, 9В, 12В, 15В.
4) Определите экспериментально с помощью мультиметра (в режиме измерения сопротивлений) сопротивление между точками:
А иВ; Ви С; Аи С; Dи Е.
Запишите эти показания в таблицу 1, 2.
Рис. 9. Схема исследования: а) последовательное соединение, б) параллельное соединение
5) Рассчитайте теоретические значения сопротивлений между указанными точками схемы и сравните их с измеренными.
6) Измерьте с помощью мультиметра (в режиме измерения постоянного тока) токи, текущие через каждое сопротивление. Запишите показания прибора в таблицу 1.
7) Проверьте экспериментально, что в последовательной цепи ток одинаков через все сопротивления, а в параллельной цепи разделяется так, что сумма всех токов через параллельно соединенные элементы, равна полному току через весь участок.
8) Измерьте с помощью мультиметра (в режиме измерения постоянного напряжения) напряжения на каждом сопротивлении. Запишите показания прибора в таблицу 2.
9) Проверьте экспериментально, что в последовательной цепи напряжение на всем участке равно сумме напряжений на каждом элементе, а в параллельной цепи, напряжение одно и то же на каждом элементе.
10) Отключить схему.
Таблица 1
Рассчитанные иизмеренные параметры для последовательного соединения резисторов: Аи В; Ви С; Аи С.
|
№вар. |
Установлено |
Рассчитано |
Измёренные параметры |
||||||
|
R1 |
R2 |
А— В |
В— С |
А— С |
I |
U |
U1 |
U2 |
|
|
кОм |
кОм |
кОм |
кОм |
кОм |
А |
В |
В |
В |
|
Таблица 2
Рассчитанные иизмеренные параметры для параллельного соединения резисторов: Dи Е.
|
№вар. |
Установлено |
Рассчитано |
Измерённые параметры |
||||||
|
R3 |
R4 |
D иЕ |
U |
I |
I1 |
I2 |
|||
|
кОм |
кОм |
кОм |
В |
А |
А |
А |
|||
Содержание отчета
а) название и цель работы;
б) схемы экспериментов и таблицы полученных экспериментальных данных;
в) результаты расчётов:
г) выводы по работе.
Контрольные вопросы
1) Может ли сопротивление участка двух параллельно соединенных проводников быть больше (меньше) любого из них? Объясните ответ.
2) Как по вольтамперной характеристике определить величину сопротивления цепи?
3) Как по показаниям мультиметра можно определить величину сопротивления участка электрической цепи и потребляемая мощность?
4) Нарисуйте схемы последовательное и параллельное соединение двух резисторов.
5) Объясните физические законы соединения резисторов.
Выводы
В работе исследованы свойства и физические законы параллельного и последовательного соединения резисторов бес применения пайки.
При построении макетов от монтажа пайкой удается полностью отказаться или свести его к минимуму. Как показал, опыт практическое использование макетных плат позволяют, существенно сэкономить временные и материальные затраты.
Литература:
- А. Л. Марченко, Освальд С. В. Лабораторный практикум по электротехнике и электронике в средеMULTISIM. Учебное пособие для вузов.-М.:ДМК Пресс.2010.-448С.
- Л. Г. Белиовская, Белиовский Н. А. Роботизированные лабораторныее работы по физики, Пропедевтетический курс физика. -М.:ДМК Пресс.2016.-164С.
- Википедия [Электронный ресурс]. http://ru.wikipedia.org/wiki/Processing.
