ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 3

• До змісту відповідей

3. Визначте загальну силу струму в ділянці кола (рис. 2), якщо напруга між точками A і B дорівнює 16 В. Діод вважайте ідеальним. Якою буде сила струму, якщо змінити полярність під’єднання джерела струму?

Дано:

• $U = 16\text{ В}$
• $R_1 = 4\text{ Ом}$ (верхня гілка)
• $R_2 = 1\text{ Ом}$ (нижня гілка)
• $R_3 = 3\text{ Ом}$ (нижня гілка)

Знайти:

• $I_1 - ?$ (пряме під’єднання)
• $I_2 - ?$ (зворотне під’єднання)

Розв’язання:

1. При прямому під’єднанні (потенціал точки $A$ вищий за $B$) ідеальний діод відкритий і його опір дорівнює нулю. Коло складається з двох паралельних гілок. Опір нижньої гілки:
   $R_{23} = R_2 + R_3$
   $R_{23} = 1 + 3 = 4\text{ Ом}$

Загальний опір ділянки кола:
$R_{заг1} = \dfrac{R_1 \cdot R_{23}}{R_1 + R_{23}}$
$R_{заг1} = \dfrac{4 \cdot 4}{4 + 4} = 2\text{ Ом}$

Загальна сила струму:
$I_1 = \dfrac{U}{R_{заг1}}$
$I_1 = \dfrac{16}{2} = 8\text{ А}$

2. При зміні полярності (потенціал точки $B$ вищий за $A$) діод закритий, тому струм через верхню гілку не проходить. Весь струм тече тільки через нижню гілку.
   $R_{заг2} = R_{23} = 4\text{ Ом}$

Загальна сила струму:
$I_2 = \dfrac{U}{R_{заг2}}$
$I_2 = \dfrac{16}{4} = 4\text{ А}$

Відповідь: 8 А; 4 А.

4. Електричне коло (рис. 3) складається з п’яти однакових резисторів опором 2 Ом, двох ідеальних діодів і джерела струму. Визначте загальний опір кола до і після зміни полярності під’єднання джерела струму.

Дано:

• $R = 2\text{ Ом}$

Знайти:

• $R_{заг1} - ?$
• $R_{заг2} - ?$

Розв’язання:

1. Припустимо, що спочатку до лівого затискача під’єднано «+», а до правого — «–». У цьому випадку діод $Д_2$ відкритий, а діод $Д_1$ закритий. Струм проходить через верхню гілку, де послідовно з’єднані резистори 1, 2 та 3.
   $R_{заг1} = R_1 + R_2 + R_3$
   $R_{заг1} = 2 + 2 + 2 = 6\text{ Ом}$

2. Після зміни полярності (зліва «–», справа «+») діод $Д_2$ закривається, а діод $Д_1$ відкривається. Струм проходить через нижню гілку, де послідовно з’єднані резистори 5 та 4.
   $R_{заг2} = R_5 + R_4$
   $R_{заг2} = 2 + 2 = 4\text{ Ом}$

Відповідь: 6 Ом; 4 Ом.

5. У червні 2015 р. сонячна енергія вперше випередила інші джерела енергії в Євросоюзі. Вона забезпечила 22,1 % споживання, випередивши атомну енергетику. Дізнайтеся, яке відношення має сонячна енергетика до напівпровідників.

Сонячна енергетика базується на використанні сонячних батарей, основними елементами яких є напівпровідникові фотоелементи. Ці пристрої працюють на основі внутрішнього фотоефекту в $p$-$n$-переході: під дією світла в напівпровіднику (зазвичай кремнії) утворюються вільні носії заряду, що призводить до виникнення електричного струму.

ВКАЗІВКИ ДО РОБОТИ. ПІДГОТОВКА ДО ЕКСПЕРИМЕНТУ

1. Уважно розгляньте електричне коло для дослідження залежності сили прямого струму, який проходить через діод, від поданої на діод напруги (рис. 1) та електричну схему цього кола (рис. 2).

Електричне коло складається з послідовно з’єднаних джерела постійного струму, ключа, реостата, амперметра та напівпровідникового діода, під’єднаного у прямому напрямку, а паралельно діоду підключений вольтметр для вимірювання напруги.

2. Перенесіть електричну схему (див. рис. 2) у зошит, поряд із кожним елементом поставте відповідну цифру (див. рис. 1).

Нижче наведено відповідність елементів схеми (рис. 2) до обладнання на фотографії (рис. 1):

ЕКСПЕРИМЕНТ

1. Складіть електричне коло за схемою на рис. 2.

Електричне коло було зібрано згідно з представленою схемою, яка включає послідовно з’єднані джерело постійного струму, ключ, повзунковий реостат, амперметр та напівпровідниковий діод, а також вольтметр, під’єднаний паралельно до діода.

2. Переміщуючи повзунок реостата, поступово збільшуйте напругу на діоді (щоразу приблизно на 0,1 В), почавши з мінімально можливого значення. Щоразу знімайте покази приладів і заносьте їх до таблиці.

3. Змініть полярність під’єднання джерела живлення, а відповідно, і амперметра та переконайтеся, що в цьому випадку стрілка амперметра майже не відхиляється.

Після зміни полярності під’єднання джерела живлення діод опинився у стані зворотного зміщення, внаслідок чого сила струму в колі стала близькою до нуля, а стрілка амперметра залишилася на початковій позначці.

ОПРАЦЮВАННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ЕКСПЕРИМЕНТУ

За результатами експерименту побудуйте графік залежності сили струму, що проходить через діод, від поданої на діод напруги для прямого ввімкнення діода.

Графік залежності сили струму від напруги (вольт-амперна характеристика) для прямого ввімкнення діода є нелінійним: при низьких значеннях напруги (до 0,4–0,5 В) сила струму зростає дуже повільно, а після досягнення порогового значення спостерігається стрімке зростання сили струму.

АНАЛІЗ ЕКСПЕРИМЕНТУ ТА ЙОГО РЕЗУЛЬТАТІВ

Проаналізувавши експеримент і його результати, зробіть висновок, у якому зазначте: 1) роботу якого пристрою ви досліджували; 2) чи однаково цей пристрій проводить електричний струм в обох напрямках; 3) чи є лінійною залежність сили струму в пристрої від поданої на нього напруги.

У результаті проведеного експерименту досліджено роботу напівпровідникового діода. Даний пристрій проводить електричний струм в одному напрямку (прямому) і чинить дуже великий опір струму в протилежному напрямку (зворотному), тому провідність діода в обох напрямках є неоднаковою. Залежність сили струму в діоді від поданої на нього напруги є нелінійною, що свідчить про невиконання закону Ома для цього напівпровідникового елемента.

ТВОРЧЕ ЗАВДАННЯ

Запропонуйте простий пристрій, за допомогою якого можна визначати напрямок електричного струму в колі (можна запропонувати декілька варіантів).

Першим варіантом пристрою є напівпровідниковий світлодіод, який пропускає струм і світиться лише за умови його під’єднання у прямому напрямку.

Другим варіантом є магнітна стрілка (компас), розміщена під провідником: за напрямком відхилення північного полюса стрілки, використовуючи правило правої руки, можна визначити напрямок струму в провіднику.

Третім варіантом є стрілочний гальванометр або амперметр постійного струму, оскільки напрямок відхилення стрілки приладу залежить від напрямку проходження електричного струму через нього.