Работа № 3 определение эдс методом компенсации

Цель работы: изучить компенсационный метод измерения ЭДС источников. Измерить ЭДС гальванического элемента.

Принадлежности: источник постоянного тока, два магазина сопротивлений, нормальный элемент Вестона, два кнопочных ключа, двухполюсный ключ, ключ, добавочное сопротивление.

1. Электродвижущая сила

В каждом источнике тока под действием сторонних сил происходит разделение электрических зарядов, в результате чего заряжаются электроды (полюсы) этого источника. При этом сторонние силы совершают работу против электрических сил. Сторонние силы по своей природе отличны от электростатических. Они могут быть обусловлены химическими процессами, явлением электромагнитной индукции, фотоэффектом, диффузией носителей заряда в неоднородной среде и т. д.

Работа, совершаемая сторонними силами при перенесении единицы положительного заряда между полюсами незамкнутого на внешнюю цепь источника, определяет его электродвижущую силу (сокращенно ЭДС). По определению электродвижущая сила

, (1)

где А_ст  работа сторонних сил, совершаемая в источнике при перемещении заряда Q.

Измеряется ЭДС в вольтах (В). При ЭДС, равной 1 В, сторонние силы, перемещая заряд в 1 кулон (Кл), совершают работу в один джоуль (Дж).

Стороннюю силу , действующую на заряд Q, можно представить в виде

, (2)

где  напряженность поля сторонних сил. Тогда работа сторонних сил по перемещению заряда Q на участке цепи 12

, (3)

где  элементарное перемещение заряда. Следовательно, ЭДС, действующая на этом же участке,

. (4)

Для определения ЭДС, действующей во всей цепи, интегрирование нужно выполнить по всей замкнутой цепи:

. (5)

Таким образом, ЭДС, действующая в замкнутой цепи, определяется циркуляцией вектора напряженности поля сторонних сил по контуру этой цепи.

Это  общее определение ЭДС. Если известно, какие силы вызывают движение зарядов в рассматриваемом источнике, то можно найти напряженность поля этих сторонних сил и по формуле (5) рассчитать ЭДС источника. Экспериментально ЭДС может быть измерена различными методами.

2. Нормальный элемент Вестона

Гальванический ртутно-кадмиевый элемент (элемент Вестона) применяется в качестве эталона ЭДС. В стеклянном герметически закрытом сосуде расположены электроды (рис. 1): положительный  ртуть Hg, отрицательный  амальгама кадмия (10 % Cd и 90 % Hg). В качестве деполяризатора используется смесь сернокислого кадмия CdSO₄ и сернокислой ртути HgSO₄. Электролитом служит насыщенный раствор сернокислого кадмия. Кристаллический CdSO₄ обеспечивает насыщенность раствора. Применяются и ненасыщенные элементы. В них кристаллов CdSO₄ нет. Платиновые проволочки Pt, впаянные в стеклянный сосуд, служат выводами к клеммам источника.

Внутренне сопротивление нормальных элементов r  1 кОм. Значения ЭДС для разных экземпляров элементов различаются незначительно (например, для насыщенных элементов при температуре 20^о С значение ЭДС лежит в интервале 1,0183  1,0187 В). С изменением температуры значение ЭДС элементов изменяется (для насыщенных элементов повышение температуры на 1^о С приводит к уменьшению ЭДС приблизительно на 410^-5 В, для ненасыщенных  510^-6 В). Значения ЭДС нормального элемента Вестона при различных температурах Т приведены в таблице.

Т, о С	5	10	15	20	25	30	35	40
ЭДС, В	1,01894	1,01888	1,01875	1,01858	1,01837	1,01811	1,01780	1,01746

Стабильность значения ЭДС нормальных элементов существенно зависит от силы и длительности текущего через них тока (происходит поляризация электродов). Сила тока через элемент не должна превышать значения 110^-6 А. Поэтому включать в цепь элементы Вестона следует только через большие (10⁶10⁷ Ом) сопротивления. Кроме того, включение должно проводиться на короткие (12 с) промежутки времени. Эти требования особенно важны для ненасыщенных элементов. Элементы должны быть защищены от прямых солнечных лучей, их надо оберегать от толчков и т.д.