Постоянный электрический ток

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭДС ИСТОЧНИКА ПОСТОЯННОГО ТОКА МЕТОДОМ КОМПЕНСАЦИИ.

Цель работы: Ознакомиться с методом компенсации напряжений и измерить ЭДС источников постоянного тока.

Приборы и принадлежности: источник постоянного тока, нормальный элемент Вестона, реохорд, гальванометр, реостат, однополюсный переключатель, ключ.

Теоретическое введение Перемещение свободных зарядов во внешней части электрической цепи происходит под действием электрического поля, при этом разность потенциалов на клеммах источника тока должна уменьшаться. Для поддержания постоянства разности потенциалов внутри источника тока должен происходить перенос зарядов против сил электрического поля. Такую работу могут выполнять лишь силы неэлектростатического происхождения, так называемые сторонние силы. Сторонние силы возникают, например, в результате химических реакций (в гальванических элементах или аккумуляторах), в результате диффузии носителей тока в неоднородной среде, в результате действия магнитного поля на электроны в движущемся проводнике (в генераторах) и т. д.

Устройство, в котором работают сторонние силы, поддерживающие постоянной разность потенциалов на полюсах, и есть источник тока. Физическая величина, характеризующая действие сторонних сил, называется электродвижущей силой источника тока (ЭДС).

Существует несколько толкований физического смысла ЭДС ().

1. Из закона Ома для полной цепи имеем:

= I (R + r) = IR + Ir = U + u (1).

ЭДС источника тока равна сумме падений напряжения на внешнем (IR) и внутреннем (Ir) сопротивлениях цепи (динамическое определение).

2. Рассматривая работу источника тока по перемещению заряда q по всей цепи, запишем:

А = I U t + I u t = It (U + u) = q (2).

Откуда получаем:

= (3).

ЭДС источника тока равна работе по перемещению единичного положительного заряда по всей цепи (энергетическое определение).

3. Рассмотренная выше ЭДС может быть записана как циркуляция вектора напряженности электрического поля по замкнутому контуру (цепи), то есть.

(4).

где Е_l — проекция вектора на направление перемещения. В отличие от электростатического поля, интеграл (4) отличен от нуля вследствие действия в источнике сторонних сил.

4. Используя закон Ома для однородного участка цепи и для полной цепи, запишем выражение для падения напряжения следующим образом:

(5).

Полагая, что R, получим.

U (6).

Т.е. ЭДС источника тока равна напряжению на полюсах источника тока при разомкнутой внешней цепи (R). На этом определении основан метод измерения ЭДС высокоомным вольтметром. Так как сопротивление вольтметра намного больше сопротивления источника (R >> r), то в формуле (1) величиной Ir можно пренебречь. Тогда? IR=U

На этом определении основан метод измерения ЭДС высокоомным вольтметром (R >> r).

Достаточно точно ЭДС источника можно измерить методом компенсации. Схема цепи для таких измерений представлена на рис. 1.

Метод компенсации состоит в том, что при включении источника питания (ИП) и замыкания переключателя П (на один из источников _n или _x) изменением положения ползунка реохорда добиваются отсутствия тока в гальванометре (I_Г = 0). При этом падение напряжения на участке реохорда АD компенсирует ЭДС элемента, включенного в цепь гальванометра.

Запишем уравнение для контура АПDA, применив второе правило Кирхгофа:

I₁ R_AД — I_г (+ R_Г + r_n ) =_n (7).

При I_Г = 0 получаем,.

I₁R_AД = _n или (8).

Аналогично, при замыкании переключателя П на исследуемый элемент _х изменением положения движка реохорда добиваются компенсации неизвестной ЭДС падением напряжения на участке АD₂. Следовательно,.

(9).

В обоих случаях величина тока I₁, текущего по реохорду, должна быть одной и той же. Из уравнений (8) и (9), получим.

(10).

(11).

Таким образом, измерив l_x и l_n на опыте и зная величину ЭДС нормального элемента (_n), можно определить неизвестную ЭДС — _x

Примечание: Нормальный элемент Вестона применяется в качестве эталона ЭДС. При t = 20 С, _n = 1,0183 В, r = 1000 Ом. Во избежание поляризации элемента его следует замыкать на сопротивление не ниже 10 000 Ом (ток не выше 0,1 мA).

Порядок выполнения работы.

• 1. Собрать электрическую цепь по схеме, указанной на рис. 1, при этом обратив особое внимание на полярность источников.
• 2. Включить источник питания. Ползунок передвинуть ближе к концу В. Переключателем П включить в цепь испытуемый источник _x.
• 3. Изменяя сопротивление реостата R, найти положение, близкое к состоянию компенсации. Полной компенсации (I_Г = 0) добиться с помощью передвижения ползунка реохорда D.
• 4. Разомкнуть переключатель П. Записать в таблицу значение l_x .
• 5. Переключателем П включить нормальный элемент. Не изменяя величины сопротивления R, добиться компенсации с помощью перемещения ползунка реохорда.
• 6. Разомкнуть переключатель П. Записать значение l_n .
• 7. Немного изменить сопротивление реостата R, а, следовательно, силу тока I, снова найти положения компенсации вначале для _x, а затем для _n. Провести для каждого источника по пять измерений при различных значениях тока I. Полученные данные занести в таблицу 1.
• 8. По формуле (11) рассчитать величину _x для каждого случая.
• 9. Провести обработку полученных данных для _x по методу Стьюдента. Записать окончательный результат.

Таблица 1.

Результаты измерений и вычислений.

Контрольные вопросы.

• 1. Что такое ЭДС источника тока? Различные определения ЭДС.
• 2. Правила Кирхгофа для разветвленной цепи постоянного тока.
• 3. Изобразить схему электрической цепи для определения ЭДС источника методом компенсации. Пояснить принцип компенсационного метода.
• 4. Вывод расчетной формулы для _x.
• 5. Объясните, почему при сдвиге ползунка от положения компенсации влево или вправо, стрелка гальванометра отклоняется в одну или в другую сторону.
• 6. Какие требования предъявляются к вольтметру для измерения ЭДС источника с заданной точностью?

• 1. Зисман Г. А., Тодес О. М. Курс общей физики для втузов: в 3 т. Т. 2. — М.: Наука, 1974. — 340 с.
• 2. Яворский Б. М., Пинский А. А. Механика. Молекулярная физика. Электродинамика. Т.1.-М.: Наука, 1981.
• 3. Лабораторный практикум по физике: Учеб. пособие для студентов втузов/ Б. Ф. Алексеев, К. А. Барсуков, И. А. Войцеховская и др.; Под ред. К. А. Барсукова и Ю. И. Уханова. — М.: Высш. школа, 1988. — 351 с.: ил.