Министерство образования Российской федерации

Саратовский государственный технический университет

измерение ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ

ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА

Методические указания

к учебно-исследовательской лабораторной работе

по курсу общей физики

Одобрено

Редакционно-издательским советом

Саратовского Государственного

технического университета

Саратов, 2001 г.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Цель работы: определить электродвижущую силу гальванического элемента методом сравнения в компенсационной схеме включения источников (метод Поггендорфа).

ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА И РОЛЬ ИСТОЧНИКА Э.Д.С.

В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ

При приложении электрического поля к проводнику, в последнем возникает ток заряженных частиц¹, в частности электронов. Если поле не меняется со временем, то и ток остается постоянным.

В соответствии с законом Ома , для поддержания постоянной величины тока I, необходимо, чтобы разность потенциалов (j₁-j₂) на концах проводника сохранялась на определенном уровне. Как показывает опыт, для достижения этой цели недостаточно наличия в проводнике только электростатического поля.

На рисунке показано, как ток в проводнике возникает из-за того, что на его электроны действуют электростатические силы со стороны заряженного тела (например, расчески). Стрелками показано направление движения свободных электронов. Этот ток будет кратковременным потому, что собравшиеся на правом конце проводника электроны начнут вскоре отталкивать прибывающие слева электроны. Перераспределение электронов в проводнике приведет к образованию их собственного электрического поля, которое полностью скомпенсирует внешнее поле. Не поможет даже замыкание проводника в кольцо (возможный путь замыкания показан штриховой линией) - по обеим ветвям проводника электроны все равно будут двигаться только в одну сторону.

На следующих рисунках электростатическое поле создано заряженными обкладками конденсатора. Здесь, как и в предыдущем случае, ток протекает лишь в течение времени разряда. Этот ток также не постоянен: он максимальный вначале и убывает по мере разряда конденсатора. Если второй рисунок лишь иллюстрирует процесс, то на третьем рисунке показан уже фрагмент радиотехнической схемы, в которой реализуется кратковременный импульс тока (в качестве ключа может использоваться, например, транзистор) в схемах радиоприемников, реле, компьютеров и др.

Таким образом, если в цепи на электроны действуют только электростатическое поле, реализация постоянного во времени электрического тока невозможна. Главная причина этого явления - потенциальность электростатических сил, то есть невозможность совершения ими работы по замкнутому контуру ².

Для создания постоянного тока в цепи необходимо вмешательство дополнительных сил, неэлектростатической природы. Эти силы должны играть роль "насоса", переносящего носители зарядов (например, электроны в проводнике) с одного края схемы к исходным точкам. Такие силы действуют против электростатических сил отталкивания. Любые силы неэлектростатического происхождения, способные осуществлять перенос носителей заряда, называют сторонними (по отношению к электростатическим силам). Устройства, использующие работу сил самой различной природы для создания электрического тока называют источниками электрической энергии.

Величина работы, которую в данном источнике совершают сторонние силы при перемещении заряда на участке между электродами, в пересчете на единицу положительного заряда называется электродвижущей силой источника (э.д.с.). Размерность величины э.д.с. Дж/Кл=В. Термин "электродвижущая сила" возник исторически и не соответствует современному определению силы³.

Используются самые разнообразные источники электрической энергии: существуют источники, в которых используется фотоэффект или радиоактивный распад - и здесь э.д.с. создается внутриатомными или ядерными - тоже неэлектростатическими силами. В быту мы используем электрический ток, вырабатываемый на электростанции генератором⁴. Здесь механическая работа сил давления нагретого пара или падающей воды преобразуется в э.д.с. при участии магнитного поля - силы вязкости и магнитные силы имеют непотенциальный характер. Широко распространены для получения постоянного тока гальванические источники. Об устройстве и принципе действия такого источника см. Приложение. Именно гальванический источник будет использован в данной лабораторной работе.

Для чего необходимо знание параметров источника электрической энергии.

Величина электродвижущей силы является основным параметром любого источника. Другой важный параметр - внутреннее сопротивление источника, оказываемое цепью элемента протекающему току. Оно зависит от материала и размеров электродов, объема источника, а также от скорости разделения зарядов.

Есть и другие параметры. Так, например, гальванический элемент по мере растворения одного из электродов изнашивается (в быту говорят “садится”). Мера длительности работы элемента оценивается энергетической емкостью элемента⁵. Этот параметр измеряется в А×час и показывает общую величину заряда Q = I× t, который данный элемент способен разделить за время службы.

К дополнительным параметрам относятся: габариты, вес, мощность, отдаваемая источником, отнесенная к килограмму веса, степень токсичности при пользовании и утилизации и т.п.

В работе инженера, при замене типов источников или при проектировании, необходимо обращать внимание на электрические параметры. Так, иногда важно, чтобы напряжение питания практически не изменялось при изменениях сопротивления цепи, а иногда - наоборот, должен оставаться неизменным ток. В соответствии с этими задачами, один и тот же электрический источник можно включить в режиме источника напряжения или в режиме источника тока. Как это можно осуществить?

Воспользуемся законом Ома. Ток на участке цепи, содержащей источник, равен: . Здесь использованы стандартные обозначения: E- э.д.с. источника, R- общее сопротивление внешней цепи (часто называемое нагрузкой), r- внутреннее сопротивление источника.

Отсюда следует, что U = I×R = E - I×r. Последнее означает, что величина падения напряжения U =I×R, измеренная вольтметром на клеммах включенного в цепь источника, меньше величины э.д.с. на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника. Различие между E и U тем больше, чем больше ток в цепи.

В зависимости от соотношения между R и r возможны два предельных случая.

1. R << r. В этом случае можно практически пренебречь слагаемым R в знаменателе и записать: .

Смысл полученного результата состоит в том, что если для данной цепи (нагрузки) подобрать источник, у которого внутреннее сопротивление будет значительно больше сопротивления цепи, то ток практически не будет зависеть от значения сопротивления нагрузки и, следовательно, от его небольших возможных изменений. В этом случае говорят, что источник питания схемы работает в режиме источника тока или в режиме короткого замыкания или в режиме ограничения тока внутренним сопротивлением источника. Различные названия используют в зависимости от того, какую сторону явления хотят подчеркнуть. Этот режим используют для питания двигателей, электромагнитов, свечей зажигания и других силовых электроустановок, сопротивления которых изменяются во время работы устройства, а ток должен оставаться постоянным, чтобы, например, создающего заданную величину магнитного поля, стабильный разряд и проч.

2. R >> r. В этом случае можно пренебречь малым слагаемым r и, соответственно, падение напряжения на нагрузке будет U = I×R = E. Таким образом, при возможных изменениях сопротивления внешней цепи напряжение будет сохраняться примерно постоянным и равным э.д.с. Этот режим называют режимом источника напряжения или режимом холостого хода. Он важен, например, для питания самых различных радиосхем, токи в которых изменяются в широких пределах при изменениях сопротивлений транзисторов под действием сигналов.

При невыполнении отмеченных предельных соотношений между сопротивлениями источник работает в некотором промежуточном режиме. Среди них иногда важным является режим равенства внутреннего сопротивления источника и нагрузки: R = r, обеспечивающий передачу максимальной мощности от источника к нагрузке - режим согласования по мощности. В таком режиме работают обычно передающие линии, кабели, связывающие усилитель и нагрузку, и проч.