Замыкание ключей необходимо производить только в указанном порядке.

Работа 217

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭДС НЕИЗВЕСТНОГО ИСТОЧНИКА

МЕТОДОМ КОМПЕНСАЦИИ

Цель работы: Ознакомление с методом компенсации и его применение для определения электродвижущей силы (ЭДС) неизвестного источника.

Приборы и принадлежности: источник питания, нормальный элемент Вестона (или другой эталонный источник), исследуемый источник ЭДС (гальванический элемент или другие источники ЭДС), потенциометр (или реохорд), вольтметр с нулём посередине шкалы, ключ включения источника питания, переключатель с нейтральным положением.

Введение

Гальванические элементы, аккумуляторы, электрические генераторы и другие устройства, которые преобразуют различные виды энергий (химическую, механическую, световую и др.) в электрическую энергию, являются источниками ЭДС. Устройство, способное поддерживать определённую разность потенциалов и обеспечить поток электрических зарядов во внешней цепи, называются источниками ЭДС.

Разность потенциалов на клеммах гальванического элемента при разомкнутой внешней цепи называется электродвижущей силой (ЭДС) и обозначается E. Когда сила тока во внешней цепи отсутствует, напряжение на клеммах равно ЭДС. Когда к клеммам гальванического элемента подключается внешняя нагрузка (например, сопротивление вольтметра), т.е. во внешней цепи протекает электрический ток, согласно закону Ома для неоднородной электрической цепи этот ток равен:

I = ,

откуда E = Ir + IR, (1)

следовательно, напряжение на клеммах гальванического элемента оказывается ниже величины ЭДС из-за падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника ЭДС и равно:

IR = E – Ir, (2)

где E – ЭДС источника тока, R – внешнее сопротивление, r – внутреннее сопротивление источника тока, I – сила тока.

Электродвижущая сила численно равна работе, совершаемой сторонними силами по перемещению единичного положительного заряда по замкнутому контуру:

E = . (3)

Эта работа производится за счёт энергии, затрачиваемой в источнике тока.

Рис. 1

Напряжение U на участке 1 – 2 электрической цепи (см. рис. 1) называется физическая величина, определяемая работой, совершаемой суммарным полем кулоновских и сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда на этом участке:

U₁₂ = j₁ - j₂ + E₁₂. (4)

Если на участке цепи не действует ЭДС, напряжение на концах участка цепи равно разности потенциалов на этом участке.

Разность потенциалов численно равна работе, совершаемой силами электростатического поля по перемещению единичного положительного заряда:

j₁ – j₂ = (5)

Для определения величины электродвижущей силы используется метод компенсации («нулевой метод»). В этом методе ток текущий через источник с неизвестной ЭДС – E_X, компенсируется током от какого-либо внешнего источника ЭДС – E. При этом разность потенциалов на зажимах неизвестного источника будет равна его ЭДС.

Принципиальная схема установки, служащей для измерений ЭДС неизвестного источника, изображена на рис. 2.

Рис. 2

В цепи, благодаря разности потенциалов Dj между точками А и В через резистор R со скользящим контактом D создаётся постоянный ток. Резистор R может представлять собой однородный провод (реохорд) по которому скользит контакт D, что позволяет изменять величину сопротивления между А и D. Исследуемый источник ЭДС E_Xприсоединяется через гальванометр G (с нулём на середине шкалы) к движку D и концу реохорда АВ таким образом, чтобы внешний источник ЭДС и исследуемый источник были включены навстречу друг другу. Только в этом случае возможна компенсация.

Контакт реохорда перемещают до тех пор, пока стрелка гальванометра не установится на нуле шкалы. В этом положении контакта D ток от источника неизвестной ЭДС равен нулю, а напряжение между точками АD равно E_X:

U_АD = E_X.

Это равенство справедливо только при условии, что сила тока через гальванометр равна нулю, т.к. в противном случае наблюдалось бы падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника неизвестной ЭДС и сопротивлении гальванометра. Сила тока I через резистор R не равна нулю, и если обозначать через R_X сопротивление между точками А и D реохорда R то:

E_X = IR_X. (6)

Затем необходимо произвести ещё одно измерение, подключив в установке вместо E_X «стандартный элемент» – источник E_N ЭДС которого известна с высокой точностью. Контакт D переводят в новое положение D', в котором гальванометр вновь не регистрирует тока. В этом положении справедливо равенство:

E_N = IR_N, (7)

где R_N – сопротивление между точками А и D'. Так как через резистор R протекает ток той же величины I, то:

= ,

или

= ,

откуда:

E_X = E_N. (8)

Так как резистор R представляет собой однородную проволоку, то сопротивления R_X и R_N пропорциональны соответствующим длинам плеч реохорда l_X и l_N, поэтому окончательно получаем:

E_X = E_N. (9)

Следовательно, экспериментально определив длины плеч реохорда в двух случаях – в случае включения в компенсационную схему источника с неизвестной ЭДС E_X и в случае включения источника с известной ЭДС E_N можно по формуле (9) рассчитать ЭДС неизвестного источника E_X. В компенсационном методе роль измерительного прибора, гальванометра сводится не к измерению тока, а к установлению его отсутствия на участке цени с источником неизвестной ЭДС. Поэтому в компенсационных схемах применяются не точные, но очень чувствительные гальванометры (так называемые ноль-гальванометры).

Общий вид лабораторной установки представлен на рис. 3.

Рис. 3

Порядок выполнения работы

1. Ознакомьтесь с принципом работы компенсационной схемы и её применением в данной лабораторной работе, т. е. с монтажной компенсационной схемой, представленной на рис. 4. Здесь К1 – ключ включения источника вспомогательного питания E, К2 – переключатель для ввода в цепь попеременно исследуемого и эталонного источников ЭДС. В лабораторной установке реохорд АВ заменен потенциометром АВ с движком D. При этом выводы расчётной формулы (9) остаются справедливыми. Остальные обозначения соответствуют обозначениям схемы, представленной на рис. 2.

2. Ознакомьтесь с эксплуатационными особенностями схемы (см. последующие пункты).

3. Замкните переключатель К2 (двойной ключ со средним положением) на исследуемый элемент E_X.

Рис. 4

4. Замкните ключ К1 и удерживайте его в течении одного измерения.

Замыкание ключей необходимо производить только в указанном порядке.

Дата добавления: 2020-12-12; просмотров: 83; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!