Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Определение электродвижущей силы методом компенсаций.

КАФЕДРА ФИЗИКИ

Методическое указание к лабораторной работе № 3 – Э.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ МЕТОДОМ КОМПЕНСАЦИЙ.

Составители:	И.Г. Фатеев
	Д.М. Ярков

Т Ю М Е Н Ь 2004г.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3-э

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ

МЕТОДОМ КОМПЕНСАЦИИ.

Цель работы:

изучить компенсационный метод измерения электродвижущей силы источника тока.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Для существования стационарного тока в цепи необходим какой-нибудь источник энергии, который способен поддерживать электрическое поле. Такой источник энергии называется источником электродвижущей силы (ЭДС).

В источнике ЭДС перемещение носителей заряда в области, где электрическое поле обратно току, производится с помощью запасенной энергии. Например, в аккумуляторе используется энергия химической реакции.

Рассмотрим замкнутую цепь, состоящую из источника ЭДС и нагрузки (внешней цепи). Перемещение зарядов во внешней части электрической цепи происходит под действием электростатических сил. Перемещение заряда внутри источника происходит против электростатических сил под действием сторонних сил. Заряд, вернувшись в первоначальную точку и совершив полный цикл по замкнутой цепи, не изменяет своей потенциальной энергии.

Согласно закону сохранения энергии, а также закону Джоуля-Ленца, сторонние силы за время совершают работу

(1)

где - ток в цепи,

- соответственно сопротивления внешнего и внутреннего участков цепи.

Так как перенесенный за время заряд , то

(2)

Работа по перенесению единичного заряда численно равна

(2а)

Согласно закону Ома для полной цепи

(3)

Таким образом, ЭДС численно равна работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда по замкнутой цепи.

Из уравнения (3) следует, что падение напряжения во внешней цепи всегда меньше ЭДС:

(4)

Точное измерение ЭДС нельзя произвести обычным вольтметром, т.к. он требует наличия тока в цепи. Поэтому измеренная им разность потенциалов будет меньше, чем ЭДС. В тех случаях, когда внутреннее сопротивление вольтметра велико (например, для лампового вольтметра), ток в цепи вольтметра мал. Тогда U .

В данной работе ЭДС измеряется компенсационным методом, при котором ток через источник ЭДС равен нулю. Определение неизвестной ЭДС производится путем сравнения ее с известной ЭДС эталонного источника. Сравнение производится с помощью компенсационной схемы.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Принципиальная схема установки для измерения ЭДС методом компенсации приведена на рис.1.

Рис.1

Блок питания, ЭДС которого больше ЭДС эталонного и неизвестного источников, замыкается на внешнее сопротивление (реостат R). Эталонный и неизвестный источники ЭДС с помощью переключателя П и ключа К присоединяются к цепи таким образом, чтобы плюс блока питания соединялся с плюсом соответствующего источника ЭДС, а минус - через неподвижный контакт В с минусом источника ЭДС. Гальванометр Г регистрирует наличие тока в цепях и .

Переключателем П и ключом К включим вначале источник ЭДС в цепь. Обозначим точки узла А: I₁, I₂, I. В соответствии с первым правилом Кирхгофа

I₁=I₂+ I (5)

Обозначим сопротивление источника ЭДС и гальванометра R₀, а участка АВ - R_э.

Составим уравнение на основании второго правила Кирхгофа для контура, содержащего источник

(6)

Так как I = I₁-I₂, то

(7)

Перемещая контакт В, можно добиться равенства нулю тока в цепи гальванометра, так как источник ЭДС и блок питания соединены встречно. При I₂=0 выражение (7) принимает вид

(8)

Таким образом, когда падение напряжения на участке АВ равно ЭДС эталонного источника, то ЭДС скомпенсирована.

Теперь, вместо включим неизвестный источник ЭДС . Передвигая контакт В, снова добиваемся равенства нулю тока, идущего через гальванометр. Теперь положение контакта В будет иное, чем при источнике , а сопротивление участка АВ будет иметь другое значение R_x. Очевидно, что в этом случае будет соблюдаться условие

(9)

Сила тока на участке АВ будет равна I₁ и в первом и во втором случае, так как ток в цепь гальванометра не будет ответвляться (I₂=0), а ток в цепи блока питания определяется величиной его ЭДС и всем сопротивлением цепи.

Для однородного провода сопротивление отдельных его участков относятся как их длины.

Поделив (9) на (8), получим

(10)

Выражение (10) является расчетной формулой данной работы.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1. Собрать схему согласно рис.1. После проверки преподавателем собранной схемы приступить к выполнению работы.

2. Движок реостата поставить в среднее положение шкалы.

3. Переключателем П включить источник ЭДС .

4. Периодически замыкая ключ К, наблюдать показания гальванометра. Перемещением движка добиться отсутствия тока в гальванометре.

5. По шкале реостата R определить длину .ВНИМАНИЕ! При измерениях нельзя долго держать цепь под нагрузкой.

6. Определение ЭДС следует повторить 3-5 раз.

7. То же самое проделать, сменив переключателем П источник ЭДС на источник ЭДС .

8. Результаты измерений записать в таблицу.

9. Рассчитать, пользуясь выражением (10), значение по средним величинам и из серии измерений. Значение указано на стенде.

10.Рассчитать абсолютные погрешности измерения и , пользуясь формулой

где - коэффициент Стьюдента (значение для данных и n взять из таблицы),

- доверительная вероятность (рекомендуемое значение ).

n- число однородных измерений,

- дисперсия среднего,

- среднее значение,

- величина погрешности линейки.

Окончательные результаты записать в виде

Оценить относительные погрешности серии измерений и .

;

11. Вывести формулу и расчитать абсолютную и относительную ошибки измерения неизвестной ЭДС.

12. Окончательный результат записать в виде

, .

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет должен содержать следующее:

1. Принципиальную схему установки с пояснениями и характеристиками приборов.

2. Расчетные формулы, используемые в работе.

3. Таблицу с экспериментальными данными.

4. Расчет величины неизвестной ЭДС, а также расчет погрешности ее измерения.

5. Запись окончательного результата.

6. Выводы по работе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. В чем заключается сущность метода компенсации?

2. При каких условиях ток в гальванометре может быть сведен к нулю?

3. В чем сущность сторонних сил?

4. Выведите расчетную формулу для определения ЭДС методом компенсации.

5. Покажите, что измеряя вольтметром ЭДС источника, мы допускаем большую ошибку.

6. Дайте определение ЭДС.

7. Сформулируйте закон Ома для полной цепи.

8. Сформулируйте первое и второе правило Кирхгофа.