Баллы скрыты. Решайте по частям: открывайте подсказки и ответ только когда застряли, отмечайте решённое.
Цилиндр радиуса и длиной изготовлен из материала с удельным электрическим сопротивлением . Цилиндр покрывают тонкой оболочкой толщиной () из материала, удельное сопротивление которого равно . Полученный таким образом образец зажимают между двумя хорошо проводящими пластинами. Найдете электрическое сопротивление полученного элемента, при его подключении к проводящим пластинам.
3.2 Электрическая цепь, состоящая из двух последовательно соединенных резисторов, сопротивления которых равны и , подключена к источнику постоянного напряжения . Найдите силу тока в цепи и напряжение на резисторе .
3.3 В цепи, рассмотренной в предыдущем пункте, к резистору параллельно подключают резистор сопротивлением . При этом в цепь включают амперметр и вольтметр, как показано на схеме. Считая приборы идеальными (сопротивление амперметра пренебрежимо мало, сопротивление вольтметра очень велико), рассчитайте показания этих приборов. Найдите показания этих приборов, если сопротивление значительно больше сопротивлений и . В этом случае ток через амперметр оказывается малым, поэтому вместо амперметра в цепь включают миллиамперметр.
3.4 Для измерения удельного сопротивления изоляционного материала используют следующую методику. Цилиндр радиуса и длиной () с удельным сопротивлением покрывают тонким слоем исследуемого материала толщиной (). Полученный таким образом элемент помещают внутрь цилиндрической трубки, электрическое сопротивление которой пренебрежимо мало. Этот элемент включают в электрическую цепь, как показано на схеме. Напряжение источника равно , амперметр показывает малый (по сравнению с током через источник) ток величиной . Определите по этим данным удельное электрическое сопротивление исследуемого изоляционного материала.
Во всех пунктах данной задачи сопротивлением подводящих проводов можно пренебречь.
3.1 Цилиндр радиуса и длиной изготовлен из материала с удельным электрическим сопротивлением . Цилиндр покрывают тонкой оболочкой толщиной () из материала, удельное сопротивление которого равно . Полученный таким образом образец зажимают между двумя хорошо проводящими пластинами. Найдете электрическое сопротивление полученного элемента, при его подключении к проводящим пластинам.
Нарисуй поперечное и продольное сечения образца. Подумай, по каким траекториям течёт ток от одной пластины к другой и через какие поперечные площади он проходит.
Воспользуйся законом Ома для однородного проводника: для проводника длины и площади поперечного сечения сопротивление равно . Оцени эффективные площади поперечного сечения для сердцевины и для тонкой оболочки.
Найди площади поперечных сечений: для сердцевины , для оболочки приближённо .
Запиши сопротивления отдельных частей через для .
Составь выражение для эквивалентного сопротивления двух путей тока, исходя из их совокупного вклада в проводимость: .
Выразите из полученной системы.
3.1 Используя известные формулы для сопротивления проводника и параллельного соединения проводников, найдем требуемое сопротивление
Ответ может быть представлен и в других эквивалентных формах.
3.2 Электрическая цепь, состоящая из двух последовательно соединенных резисторов, сопротивления которых равны и , подключена к источнику постоянного напряжения . Найдите силу тока в цепи и напряжение на резисторе .
Обрати внимание: резисторы соединены последовательно, значит через оба течёт один и тот же ток.
Применяй закон Ома и правило для последовательного соединения: суммарное сопротивление равно сумме сопротивлений, а ток через цепь равен напряжению, делённому на суммарное сопротивление.
Запиши суммарное сопротивление цепи .
Определи силу тока через цепь как .
Найди напряжение на первом резисторе как .
Вырази и из полученной системы.
3.2 Используя стандартные формулы, находим
3.3 В цепи, рассмотренной в предыдущем пункте, к резистору параллельно подключают резистор сопротивлением . При этом в цепь включают амперметр и вольтметр, как показано на схеме. Считая приборы идеальными (сопротивление амперметра пренебрежимо мало, сопротивление вольтметра очень велико), рассчитайте показания этих приборов. Найдите показания этих приборов, если сопротивление значительно больше сопротивлений и . В этом случае ток через амперметр оказывается малым, поэтому вместо амперметра в цепь включают миллиамперметр.
3.3 При подключении дополнительного резистора для расчета силы тока и напряжения можно воспользоваться полученными формулами (2), в которых вместо величины следует подставить сопротивление двух параллельных резисторов
В этом случае напряжение окажется равным
а сила тока через амперметр
Если сопротивление резистора велико, то можно пренебречь его проводимостью и считать, что напряжение на нем совпадает с напряжением, рассчитанным по формуле (2), т.е.
Сила тока в этом случае оказывается равной
3.4 Для измерения удельного сопротивления изоляционного материала используют следующую методику. Цилиндр радиуса и длиной () с удельным сопротивлением покрывают тонким слоем исследуемого материала толщиной (). Полученный таким образом элемент помещают внутрь цилиндрической трубки, электрическое сопротивление которой пренебрежимо мало. Этот элемент включают в электрическую цепь, как показано на схеме. Напряжение источника равно , амперметр показывает малый (по сравнению с током через источник) ток величиной . Определите по этим данным удельное электрическое сопротивление исследуемого изоляционного материала.
Во всех пунктах данной задачи сопротивлением подводящих проводов можно пренебречь.
Ток протекает через тонкий изоляционный слой радиально между центральным цилиндром и трубкой; из‑за малого тока распределение напряжения вдоль оси почти линейно.
Запиши сопротивление тонкого цилиндрического слоя при радиальном токе в виде толщина и учитывай, что среднее напряжение между цилиндром и трубкой равно , поэтому измеряемый ток связан с этим средним напряжением и сопротивлением слоя.
Выведи сопротивление изоляционного слоя при радиальном токе для полной длины цилиндра: (для тонкого слоя).
Пользуясь тем, что среднее напряжение по длине равно , запиши ток через слой как .
Подставь выражение для в соотношение для и получи уравнение, связывающее , , , , и .
Вырази из полученной системы.
3.4 При решении данного пункта задачи следует учитывать, что ток течет поперек изоляционного слоя, причем распределение тока (точнее плотности тока) вдоль цилиндра не будет однородным. Так как сопротивление изоляции велико, то и измеряемый ток будет малым. Следовательно, распределение напряжений между элементом цилиндра и хорошо проводящей трубкой будет примерно таким же, как при отключенном амперметре, то есть меняться по линейному закону от до нуля. Это дает основание использовать в качестве среднего напряжения между цилиндром и проводящей трубкой среднее арифметическое напряжений на концах цилиндра, то есть . Следовательно, измеряемый ток равен
Где - сопротивление изоляционного слоя при протекание тока «поперек».