Работа № 2. Определение э.д.с. Элемента методом компенсации

Цель работы: Изучение источников токов и законов постоянного тока.

Принадлежности: источник напряжения, нормальный элемент и элемент с неизвестной э.д.с., реохорд, Гальванометр.

Теоретическое введение

На рис. 1 показана простейщая замкнутая цепь постоянного тока с источником, внутреннее электрическое поле которого характеризуется напряженностью. Внутреннее сопротивление источника и сопротивление внешней цепи обозначены через r₀ и r₁, ток в цепи — через J.

Рассматривая эту цепь заместить, что для непрерывности тока в цепи необходимо движение электрических зарядов внутри источника в направлений, обратном действию силы электрического поля, что возможно только за счет работы, так называемых, сторонних сил.

Роль этих сторонних сил (неэлектрической природы) сводится к разделению разноименных зарядов и их перемещению внутри источника с тем, чтобы создать избыток электронов на одном из полюсов и их недостаток на другом.

Природа сторонних сил может быть различной. Например, в электромашинных генераторах природа этих сил механическая, имеет место преобразование механической энергии в электрическую в гальванических элементах природа этих сил химическая, в электрическую энергию преобразуется химическая энергия.

Величина, численно равная работе сторонних сил, совершаемой при переносе или по цепи единице положительного зарядка, называется электродвижущей силой.

Электродвижущая сила возникает в источнике тока и при разомкнутой цепи, поддерживая на зажимах источника тока определенную разность потенциалов.

При протекания электрического тока в замкнутой цепи энергия источника расходуется как внутри источника, вызывая внутреннее падение напряжения U₀, так и во внешней цепи, вызывая падение напряжения U, Отсюда или = U + U₀

U = - U₀

Согласно закону Ома для участка цепи U₀ = Ir₀ а значит.

U = - Ir₀

Напряжение на зажимах работающего источника меньше его э.д.с. на величину падения напряжения внутри источника. Из выражения (3) видно, что =U, если I=0. Следовательно для определения э.д.с. источника необходимо измерить напряжение на его зажимах при условии, что ток через источник равен нулю. Эти условия и создаются в компенсационной схеме.

Описание установки и методика измерений

Компенсационная схема имеет следующий вид (рис.2).

Рис. 2.

_х, — источники э.д.с.

АДВ-потенциометр (реохорд) из однородной проволоки, одинаковой по всей длине сечения.

Суть метода состоит в том, что включают два элемента различных э.д.с. _х и полюсами навстречу друг другу и добиваются исчезновения тока _х через исследуемый элемент (_х должна быть меньше).

При определенном положении движка Д ток в цепи, содержащей гальванометр, становится равным нулю. В этом случае U_АД = _х, т. е. неизвестная э.д.с. уравновешивается (компенсируется) напряжением на участке реохорда.

По закону Ома.

Отсюда.

Если известны Е и r₀, можно определить _х. В качестве источника используют аккумуляторы, внутреннее сопротивление которых r₀ которых со временем меняется. Поэтому Е_х сравнивают с Е_n (нормального элемента), у которого она сохраняется длительное время (ртутно-кадмиеный элемент с электролитом — насыщенный раствор сернокислого кадмия; _n=1,018 В).

Для сравнения после достижения компенсации с _х, в цепь с гальванометром включают Е_n и, передвигая движок Д. вновь добиваются компенсации при новой R_АД'.

Аналогично.

и r₀ одинаковы в обоих соотношениях, т.к. измерения производились пости одновременно. Разделив одно уравнение на другое, получим:

так как-то.

Порядок выполнения работы

• 1. Собрать электрическую схему по рисунку № 3.
• 2. Двойной ключ замкнуть на клеммы 3,5 нормального элемента.
• 3. Замкнув ключ К, подвижной контакт Д установить в положение, при котором ток через гальванометр равен нулю. Замерить соответствующую длину плеча реохорда АД- _n .
• 4. Перекинуть двойной ключ на клеммы 4,6. Снова, перемещая контакт Д замерить длину плеча реохорда _x для элемента с неизвестной э.д.с. ¹_x.

• 5. По формуле (I0)рассчитать э.д.с. неизвестного элемента.
• 6. В том же порядке замерить и рассчитать для второго элемента неизвестную э.д.с. ¹¹_x.
• 7. Соединив оба неизвестных элемента последовательно, добиться компенсации и подсчитать э.д.с. батареи элементов.
• 8. Соединив оба неизвестных элемента параллельно, добиться компенсации и подсчитать э.д.с. батареи.

Таблица

Контрольные вопросы

• 1. Суть метода компенсаций.
• 2. Вывод расчетной формулы.
• 3. Физический смысл э.д.с. источника.
• 4. Последовательное и параллельное соединение элементов в батарею.
• 5. Закон Ома для замкнутой цепи.
• 6. Единицы измерения э.д.с. источника.