 |
Методика измерений и обработка результатов
|
|
|
|
Лабораторная работа № 3.03
Определение ЭДС источника постоянного тока методом компенсации
Минск
2014
Лабораторная работа 3.03
Определение ЭДС источника постоянного тока методом компенсации
1. Цель работы: Изучить компенсационный метод определения ЭДС и экспериментально определить ЭДС источника тока.
2. Приборы и принадлежности: источник постоянного тока; нуль-гальванометр; источник тока с неизвестной ЭДС; нормальный элемент Вестона; реохорд; двойной ключ для одновременного или раздельного включения
2-х источников тока в электрическую цепь.
3. Вопросы для допуска к лабораторной работе:
1. Назовите основные элементы электрической цепи.
2. Дайте определения понятий: «сила тока, плотность тока, разность потенциалов, электрическое сопротивление, проводимость». Запишите основные единицы этих величин в СИ.
3. Как включаются в цепь основные электроизмерительные приборы, и какие требования к ним предъявляются?
4. Что называют источником тока? Каков физический смысл ЭДС источника?
5. Дайте определение электродвижущей силы (ЭДС).
6. Что такое сторонние силы? Приведите примеры сторонних сил различной природы.
7. В каких единицах измеряется электродвижущая сила?
8. Объясните различие между однородным и неоднородным участками цепи постоянного тока.
9. Дайте определение понятия «напряжение» на любом участке цепи.
10. Сформулируйте закон Ома для полной цепи и для неоднородного участка цепи.
11. Нарисуйте схему последовательного соединения источников тока. Как определить ЭДС такой батареи?
12. Нарисуйте схему параллельного соединения источников тока. Как определить ЭДС такой батареи?
Теоретическое введение
|
|
|
Для существования электрического тока проводимости в проводнике, должно существовать электрическое поле, под действием которого свободные заряды, способны перемещаться на расстояния, во много раз большие, чем расстояния между соседними частицами вещества. Если бы на свободные заряды проводнике действовали только электростатические силы, то это привело бы к такому перераспределению зарядов, при котором потенциалы всех точек проводника стали бы одинаковыми, а напряженность поля внутри него обратилась в нуль. Следовательно, электростатические силы не могут обеспечить существование постоянного тока. Это означает, что в электрической цепи должны быть не только участки, на которых положительные заряды движутся в сторону уменьшения потенциала (потребители), но и участки, на которых движение положительных зарядов происходит в направлении, противоположном направлению действия электростатических сил, т.е. в направлении возрастания потенциала. На этих участках движение зарядов может происходить только под воздействием сил не электростатического происхождения. Такие силы называют сторонними, а источник, создающий их — источником тока. Любой источник тока имеет два полюса: положительный и отрицательный. На положительном полюсе существует избыточный положительный заряд (недостаток электронов), а на отрицательном — избыточный отрицательный заряд (избыток электронов) (рис.1).
| Рис. 1 |
Важной характеристикой, связанной с работой сторонних сил источника тока, является величина, называемая электродвижущей силой: 
.
ЭДС источника численно равна работе, которую совершают сторонние силы при перемещении единицы положительного заряда с клеммы «–» на клемму «+» внутри источника. Нужно, однако, иметь в виду, что хотя заряды по внешней цепи перемещаются под влиянием электрического поля, само поле (разность потенциалов на внешнем участке) и создается за счет работы сторонних сил. Чем больше ЭДС источника, тем большую работу может совершить ток в цепи этого источника.
|
|
|
| Рис. 2 |
этого поля, параллельны поверхности проводника (если проводник однородный). Модуль напряженности Е стационарного электрического поля связан с электрическим напряжением U между концами однородного проводника длиной 
соотношением 
Линии напряженности стационарного электрического поля незамкнуты — они начинаются и заканчиваются на полюсах источника тока, внутри проводника эти линии параллельны его оси, а вне проводника расположены наклонно к его же поверхности (рис.3.2.).
Если сила тока в проводнике, постоянна, то распределение электрических зарядов как внутри, так и на поверхности проводника не меняется с течением времени, несмотря на упорядоченное движение заряженных частиц, поскольку на смену уходящим зарядам непрерывно поступают новые. Эти движущиеся заряды и создают стационарное электрическое поле, которое является потенциальным и существует как вне проводника, так и внутри его. Потенциалы разных точек поверхности проводника, по которому проходит постоянный ток, различаются, т.е. поверхность проводника с током не является эквипотенциальной.
Энергия стационарного электрического поля непрерывно переходит в другие виды энергии (внутреннюю, химическую, механическую). Поэтому для поддержания постоянного тока в проводнике необходимо чтобы в цепи происходило превращение сторонних видов энергии в энергию электрического поля.
Следовательно, для существования электрического тока проводимости необходимо чтобы:
o в веществе было достаточное количество свободных носителей электрических зарядов, т.е. вещество должно быть проводником;
|
|
|
o проводник был частью замкнутой электрической цепи, в которой есть источник тока, имеющий достаточный запас энергии для того, чтобы за ее счет совершалась работа по перемещению свободных электрических зарядов в цепи;
o в объеме проводника существовало стационарное электрическое поле, энергия которого должна преобразовываться в энергию упорядоченного движения свободных носителей электрических зарядов;
o в замкнутой цепи находился источник, превращающий энергию неэлектрического происхождения (механическую, внутреннюю, химическую и др.) в электрическую.
Таким образом, в состав электрической цепи обязательно входят источники тока, потребители (например, резистор, электромотор и др.) и провода, соединяющие их. Кроме того, используются электроизмерительные приборы (амперметр, вольтметр и др.) и приборы управления (ключ и др.).
Другими словами, для существования постоянного электрического тока в проводнике необходимо, чтобы этот проводник был частью полной электрической цепи, в которой есть источник тока.
Согласно закону Ома для полной цепи сила тока в цепи, ЭДС и полное сопротивление цепи (
) связаны соотношением 
, т.е. сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.
Из закона Ома следует, что напряжение на зажимах источника, а соответственно и во внешней цепи 
, где 
– падение напряжения внутри источника тока. Если цепь разомкнута 
, 
. Таким образом, ЭДС равна напряжению на зажимах разомкнутого источника тока. Если внешнее сопротивление замкнутой цепи равно нулю, то такой режим работы источника тока называют коротким замыканием. Сила тока короткого замыкания:
.
Если ни один из имеющихся источников тока не обеспечивает силу тока, необходимую для нормальной работы цепи с заданным общим сопротивлением, возникает необходимость соединения источников тока в батареи.
При последовательном соединении источников постоянного тока в батарею ЭДС суммируется алгебраически, а внутренние сопротивления – арифметически:
|
|
|
; 
.
Рассмотрим соединение одинаковых источников с ЭДС 
и внутренним сопротивлением r в батарею, включенную в цепь с внешним сопротивлением R.
По второму правилу Кирхгофа имеем:
, откуда 
.
Последовательно соединять одинаковые источники постоянного тока целесообразно для получения большой силы тока, когда R 
r, так как в этом случае R уменьшается в n раз.
При параллельном соединении n одинаковых источников ЭДС батареи будет равна ЭДС одного источника, а внутреннее сопротивление батареи – в n раз меньше внутреннего сопротивления одного источника.
По правилам Кирхгофа: 
, откуда 
.
Параллельно соединять одинаковые источники постоянного тока целесообразно, когда 
, так как внутреннее сопротивление батареи в n раз меньше внутреннего сопротивления её отдельного элемента.
Если параллельно соединены не одинаковые источники постоянного тока, то их можно заменить одним эквивалентным источником ЭДС и внутреннее сопротивление r которого можно рассчитать, используя правила Кирхгофа.
Например, если два источника с ЭДС 
и 
, внутренние сопротивления которых r 1 и r 2, соединены параллельно, то применив правила Кирхгофа получим:
; 
.
Методика измерений и обработка результатов
Простейшая электрическая цепь, состоит из источника тока (гальванического элемента, аккумулятора или генератора) и резистора 
. Источник тока имеет ЭДС 
и сопротивление 
, и которое часто называют внутренним в отличие от внешнего сопротивления 
. В генераторе 
– это сопротивление обмоток, а в гальваническом элементе – сопротивление раствора электролита и электродов; — сопротивление потребителя и проводов, соединяющих его с источником тока.
| Рис. 3 |
– реохорд – тонкая длинная однородная проволока. По ней может скользить подвижный контакт С. Сопротивление реохорда 
. ЭДС источника 
и его внутреннее сопротивление r. Сила тока в цепи 
Напряжение между точками 
составляет 
, где 
– сопротивление участка 
.
Дополним схему гальваническим элементом с ЭДС
и нуль-гальванометром Г (рис. 4.). Участок цепи 
можно рассматривать как два источника, соединенные параллельно. ЭДС первого источника 
. ЭДС второго равна напряжению между точками 
и 
реохорда, по которому проходит ток созданный источником тока с ЭДС 
, к которому подключены точки b и a реохорда.
|
|
|
| Рис. 4 |
, ток идет от точки 
к положительному полюсу источника 
и далее к точке 
, то стрелка нуль - гальванометра отклонится в одну сторону, если же 
,то отклонение стрелки будет противоположным.
Поскольку 
, то, перемещая подвижный контакт, можно найти точку такую, что 
и сила тока на участке 
(через нуль-гальванометр) будет равен нулю. В этом случае ЭДС 
элемента компенсируется (по этой причине метод называют компенсационным) напряжением 
.Следовательно, 
, где 
– сопротивление участка реохорда при условии компенсации.
Если вместо источника тока с ЭДС 
включить другой элемент с ЭДС 
, то, рассуждая аналогично, получим: 
.
Разделив 
на 
, получим: 
, где 
и 
- длины участков реохорда, соответствующие сопротивлениям и 
.
Используя вместо элемента 
нормальный элемент Вестона, ЭДС которого 
, из последнего равенства можно определить ЭДС неизвестного элемента 
:
, где 
– длина участка реохорда при условии компенсации ЭДС 
нормального элемента Вестона напряжением на этом участке.
Внимание! При выполнении данной работы необходимо соблюдать следующие требования:
Ø К одному концу реохорда необходимо присоединить одинаковые полюсы всех трех элементов.
Ø Цепь должна замыкаться на очень короткое время, достаточное только для обнаружения наличия или отсутствия тока в цепи гальванометра (во избежание нагрева реохорда и поляризации источников).
Ø Замыкание цепи с источником 
должно предшествовать замыканию цепи гальванометра (это достигается с помощью двойного ключа К).
Ø Нормальный элемент Вестона — это эталон ЭДС. Максимально допустимый ток через него — несколько микроампер. Поэтому нормальный элемент можно использовать только при условии защиты его от перегрузки сопротивлением 
порядка 105 Ом, которое включается последовательно с гальванометром с помощью специального переключателя на приборе. Уменьшение величины этого сопротивления с целью увеличения чувствительности установки допустимо только в состоянии компенсации.
|
|
|
