Опис експериментальної установки.

Е лектрична схема експериментальної установки показана на наступному малюнку.

Як потенціометр тут використовується так званий реохорд, тобто потенціометр, виготовлений з прямого однорідного дроту. Як допоміжне джерело e використано стабілізоване електронне джерело 3 - 9 В. e _n  це нормальний елемент Вестона, e _n = 1.0186 В. Перемикач К₂ підключає в коло гальванометра невідоме e_x або еталонне e _n джерело. Додатковий опір R_д обмежує струм через гальванометр при відсутності компенсації.

Порядок виконання роботи.

1. та відносну похибки De_x , De_x / e_{x .}

2. Встановити рухомий контакт B реохорда в середнє положення, замкнути вимикач К₁.

3. Увімкнути електронне джерело e.

4. Підключити в коло джерело e_x за допомогою перемикача К₂.

5. Добитися компенсації, тобто відсутності струму через гальванометр, шляхом пересування рухомого контакту B реохорда вліво чи вправо.

6. Визначити l_x та записати в таблицю.

7. Перемкнути К₂ в положення e _n , добитись компенсації.

8. Визначити l_n , записати в таблицю.

9. Повторити пункти 3.-7. ще два рази, тобто всього по 3 вимірювання для кожного джерела.

10. Знайти середнє значення áe_xñ та оцінити абсолютну та відносну похибки De_x , De_x / e_{x .}

Точне значення е.р.с. нормального елемента, як правило, зазначене на його корпусі. Якщо такого напису нема, то вважати e _n = 1.0186 В.

№	lx	ln	e n	ex	áexñ	Dex	Dex / ex
1
2
3

Контрольні запитання.

1. Дайте визначення та вкажіть одиниці вимірювання:

струму,

електрорушійної сили;

різниці потенціалів;

напруги;

спаду напруги;

опору.

2. Сформулюйте закони Ома та Кіргофа. Ви повинні вміти їх застосовувати для аналізу простих електричних кіл, у всякому разі для кола в даній роботі.

3. Методи вимірювання напруги та е.р.с.

4. Якій умові повинен задовольняти вольтметр, щоб систематична похибка при вимірюванні ним е.р.с. та спадів напруг була мінімальною?

5. Опишіть метод компенсації.

6. Чи можна буде компенсувати е.р.с. e_x та e _{n ,} якщо полярність їх підключення змінити на протилежну? А якщо і полярність e змінити?

7. Яка роль додаткового опору R_д в колі?

8. Що таке нормальний елемент Вестона, яка його роль?

Додаток.

Цей розділ призначений для загального ознайомлення. Розуміння фізичних основ функціонування приладів, що тут обговорюються, не вимагається, оскільки це виходить за рамки початкового курсу фізики.

1. Еталони напруги. Нормальний елемент Вестона.

Н ормальний елемент Вестона – це електрохімічний елемент, запатентований Едвардом Вестоном в 1893 році. Його особливістю є висока стабільність і відтворюваність напруги, тому з 1911 року він слугував міжнародним еталоном е.р.с. (цікаво, що Вестон з цієї нагоди відмовився від своїх патентних прав). Конструкція стандартного (насиченого) елементу показана на малюнку. Позитивним електродом є ртуть, негативним – амальгама (розчин) кадмію в ртуті, електролітом – насичений розчин CdSO₄, контакти (платинові дротинки) впаяні в дно скляної конструкції. При 20°C е.р.с. такого елемента складає 1.018636 В з практично досяжною точністю (відтворюваністю) до 10^-6. (Часто наводять іншу величину 1.018300 В, що є непорозумінням, пов'язаним з перевизначенням "міжнародного вольта", що з 1948 року став дорівнювати 1.00034 вольт, як це не дивно звучить.) В лабораторіях частіше використовують так звані ненасичені елементи, напруга яких знаходиться в межах 1.019-1.020 В і зазначається на корпусі елемента.

З 1 січня 1990 року міжнародним стандартом напруги став набагато точніший прилад, оснований на тунельному переході Джозефсона, хоч елемент Вестона і продовжує використовуватись як недорогий вторинний стандарт. Перехід Джозефсона складається з двох надпровідників (багато металів повністю втрачають електричний опір при дуже низьких температурах), розділених дуже тонким непровідним шаром. При прикладанні до нього постійної напруги U через перехід починає протікати змінний струм з частотою n = ^2e/_h U, що залежить тільки від прикладеної напруги і фізичних констант e (заряд електрона) та h (стала Планка). Таким чином, перехід Джозефсона є ідеальним перетворювачем напруги в частоту, а остання може бути виміряна з дуже високою точністю. Можливе і "зворотне" функціонування, коли прилад виробляє напругу, що пропорційна до частоти. Практична точність такого еталону складає 10^-7 і обмежена точністю визначення ^2e/_h.

Н а малюнку – еталонне одновольтове джерело, виготовлене Американським Інститутом Стандартів (NIST), що складається з 3020 переходів Джозефсона, послідовно з'єднаних в "змійці" структури. Джерело вимагає охолодження до температури рідкого гелію 4.2 K. Структура в лівій частині призначена для підводу мікрохвильової енергії з заданою частотою.

Слід зазначити, що описані джерела є саме еталонними, тобто такими, що застосовуються інститутами стандартів та лабораторіями для калібрування точного науково-технічного обладнання. В тих же електронних приладах, що виробляються серійно – як-то електронних вольтметрах, тощо – застосовуються менш точні напівпровідникові джерела опорної напруги, основані на властивостях напівпровідників і так званого p-n переходу. Такими джерелами є, зокрема, напівпровідникові стабілітрони (діоди Зінера) і так звані "опорні джерела з напругою забороненої зони" (bandgap reference), причому найкращі з них мають початкову (некалібровану) точність до 0.01%.