Лабораторная работа № 33 измерение электродвижущей силы источника электрической энергии

Цель работы

Исследовать компенсационный способ измерения электродвижущей силы (ЭДС) источника.

Оборудование

1. Источники ЭДС — 3 шт.

2. Реохорд или градуированный реостат

3. Гальванометр

4. Ключ

Основные сведения

Рассмотрим простую электрическую цепь, состоящую из источника электродвижущей силы  и потребителя электрической энергии R (рис. 33.1). Электрическая цепь состоит из внешней и внутренней цепей. Внешняя цепь включает потребитель электрической энергии R, ключ К для замыкания и размыкания цепи и соединительные провода. Внутреннюю цепь составляет источник ЭДС с внутренним сопротивлением источника r_0. Внешняя цепь подключается к полюсам источника.

Рис. 33.1. Простая электрическая цепь

Если замкнуть ключ К, то в цепи будет протекать ток I. Во внешней цепи ток потечет под действием разности потенциалов на полюсах источника от большего потенциала +φ к меньшему –φ. Если бы не было источника, то потенциалы быстро сравнялись, и ток в цепи прекратился. Источник ЭДС поддерживает разность потенциалов на полюсах и тем самым обеспечивает ток в замкнутой цепи.

В источнике происходит процесс разделения разноименных зарядов. Этот процесс осуществляется под действием сторонних сил. Природа сторонних сил может быть самой разнообразной. Например, в гальванических элементах сторонние силы — это результат химических реакций, в индукционных генераторах заряды разделяются силами действия магнитного поля (сила Лоренца), в фотоэлементах падающий свет вырывает электроны с поверхности металла и т. д.

Сторонние силы перемещают заряды против сил электрического поля внутри источника (от « - » к « + ») и, следовательно, совершают работу А_ст. Отношение работы сторонних сил А_ст по перемещению положительного заряда q внутри источника к величине этого заряда называется электродвижущей силой

. (1)

Таким образом, на полюсах источника, незамкнутых на внешнюю цепь, накапливаются заряды, и возникает разность потенциалов, равная электродвижущей силе.

Электродвижущая сила, также как и разность потенциалов, измеряется в вольтах (В).

В данной работе исследуется компенсационный способ измерения ЭДС источника. Для измерения ЭДС этим способом применяют измерительную схему (рис. 33.2). В схеме  и ₁ — источники ЭДС, G — гальванометр, АВС — потенциометр (реохорд), выполненный из однородной проволоки одинакового по всей длине сечения, K — ключ.

Рис. 33.2. Схема для определения ЭДС компенсационным способом

Источник  создает рабочий ток в реохорде и является вспомогательным. Величина ЭДС ₁ должна быть известна с высокой степенью точности. В качестве источника ₁ используют нормальный элемент, обладающий постоянной ЭДС, равной 1,018 В или источник с неизвестной ЭДС. ЭДС источника  должна быть больше ЭДС источника ₁

На схеме источники ЭДС включены таким образом, что в ветви, где включен гальванометр, токи от обоих источников протекают в противоположных направлениях.

Перемещая движок реохорда, можно найти такое его положение (точка В), при котором ток через гальванометр будет равен нулю. Это означает, что ЭДС источника ₁ скомпенсирована разностью потенциалов U_АВ на участке АВ потенциометра. Сопротивление участка АВ равно R.

U_АВ =₁ = IR (2)

Если вместо источника ₁ включить в схему источник с неизвестной ЭДС _х, то аналогично можно добиться отсутствия тока в ветви с источником _х. При этом изменится сопротивление участка АВ (R_х). Тогда, согласно (2),

_х = IR_х (3)