Лабораторная работа № 7 Определение электродвижущей силы и внутреннего сопротивления источника электрической энергии

Теоретическая часть

Электрический ток может возникнуть, если металлическим проводом соединить разноименно заряженные шары или пластины конденсатора. Под действием электростатического поля пластин конденсатора начинается движение свободных носителей заряда (электронов проводимости) от положительно заряженной пластины к отрицательной. Однако такой электрический ток оказывается кратковременным: так как недостаток и избыток электронов на пластинах компенсируется перемещающимися электронами, то электрическое поле, движущее заряды, ослабевает до нуля (рис. 1,а).

Рис. 3

Для поддержания тока в проводниках используется устройство, которое называется источником тока. Внутри источника тока происходит перераспределение положительных и отрицательных зарядов, так что на двух клеммах источника тока возникает избыток положительных и отрицательных зарядов (клемма «+» и клемма «–»). Силы неэлектростатической природы, осуществляющие такое разделение зарядов, называются сторонними силами.

При контакте металлического проводника с клеммами источника тока на поверхности провода очень быстро устанавливается такое распределение зарядов, что внутри проводника возникает постоянное электрическое поле напряженностью , направленной вдоль его оси. Сила тока во всем проводнике при этом становится постоянной, заряды перемещаются по замкнутой цепи.

В простейшей модели считают, что сила тока, протекающего через поперечное сечение проводника связана с концентрацией n свободных носителей заряда в проводнике, зарядом q каждой из них, скоростью их направленного движения (дрейфа) и площадью S поперечного сечения проводника:

I = qn S.

Несмотря на действие постоянной силы на носители заряда (электроны) последние движутся с постоянной скоростью. С энергетической точки зрения работа неэлектростатического поля должна приводить к изменению энергии системы. Если не происходит иных изменений энергии системы, то должно происходить изменение внутренней энергии проводника – он будет разогреваться. Это постоянное (пока течет ток) увеличение внутренней энергии поддерживается за счет работы сторонних сил внутри источника тока, которые непрерывно перемещают электроны от отрицательной клеммы к положительной, т.е. против направления электростатических сил.

Всякий источник тока принято характеризовать работой сторонних сил A_ст, которую они совершают при перемещении единичного положительного заряда ∆q внутри источника. Отношение

называется электродвижущей силой (ЭДС) источника тока. Выражается ЭДС в вольтах (1 В= 1 Дж/1 Кл), как и разность потенциалов.

Вопросы

1. Какие силы вызывают разделение зарядов внутри источника тока?

2. Под действием каких сил движутся заряды на внешнем участке электрической цепи?

3. Под действием каких сил движутся электрические заряды на внутреннем участке цепи?

4. Приведите примеры сторонних сил?

5. Каково назначение источника электрической энергии в цепи?

Таблица "Виды источников тока и принцип их действия"

Электрофорная машина	Механическое вращение непроводящих дисков с нанесенными проводящими участками, часть которых на одном из дисков электризуется трением, приводит к накоплению зарядов в специальном устройстве, называемом лейденской банкой. В настоящее время используется в основном для демонстрационных опытов, требующих контролируемого генерирования больших (до десятков тысяч вольт) напряжений
Гальванический элемент	Два разных материала погружаются в раствор или другую проводящую среду. За счет необратимых химических реакций, идущих на границе «раствор – твердое тело», происходит накопление электронов или заряженных ионов на электродах. В гальванических элементах происходит необратимое превращение энергии химических связей, накопленной при синтезе этих веществ, в энергию разделенных зарядов
Аккумулятор	Материал электродов и растворитель подбираются так, чтобы химические реакции, идущие на границе «электрод–растворитель», были обратимы, т.е. могло идти преобразование энергии разделенных зарядов в энергию химических связей при зарядке аккумулятора, а также обратные процессы при его разрядке
Термопара	При нагреве спая двух разных металлов происходит перемещение электронов из одного металла в другой.  Таким образом, тепловая энергия преобразуется непосредственно в энергию разделенных зарядов. Измеряя ЭДС, можно измерять температуру (термопарные термометры)
Солнечная батарея	При освещении некоторых полупроводниковых материалов, находящихся в контакте с металлами, происходит перемещение электронов с металла на полупроводник. Используются для непосредственного преобразования энергии солнечного света в электрическую (космическая станция, блок питания калькулятора и др.)
Выпрямитель (адаптер) переменного тока, вырабатываемого генератором на электростанции	При вращении рамки из проводника около магнита или магнита около рамки в рамке возникает упорядоченное движение электронов. В результате генерируется переменный ток. Таким образом, на электростанциях механическая энергия преобразуется в электрическую. Если необходимо преобразовать переменный ток (меняющий направление и модуль силы тока) в постоянный, то используется дополнительное электронное устройство – выпрямитель
Пьезоэлемент	При механической деформации некоторых кристаллов (например, кварца) происходит перемещение электронов из одной области кристалла в другую

Цель работы: опытным путем научиться определять электродвижущую силу и внутреннее сопротивление источника тока.

Оборудование: амперметр, вольтметр, источник электрической энергии, реостат, соединительные провода.

Теория. Дать определения:

- источник электрической энергии, - электродвижущая сила источника, единицы измерения ее;

- перечислить виды источников электрической энергии.

Ход работы.

1. Определить цену делений шкалы амперметра и вольтметра.

Собрать цепь по схеме.

2. Замкнуть электрическую цепь и, с помощью реостата ввести меньшее сопротивление R₁. Записать величину силы электрического тока I₁ и напряжения U₁. Разомкнуть цепь.

3. Замкнуть электрическую цепь и введя, с помощью реостата, большее сопротивление R₂, снять показания амперметра и вольтметра. Записать величину силы тока I₂ и напряжения U₂

4. Использую закон Ома для полной электрической цепи, составить систему уравнений для двух опытов. Решая систему двух уравнений, определить значение электродвижущей силы источника и его внутреннего сопротивления.

5. Результаты всех измерений и вычислений записать в таблицу.

1 отсчет		2 отсчет		ЭДС	Внутреннее спротивление
U1, В	I1, A	U2, В	I2, A	ε, B	r, Ом

6. Разомкнуть цепь и измерить напряжение на зажимах источника при разомкнутой внешней цепи. Сравнить полученное значение напряжения с вычисленной величиной ε.

7. Сделать вывод по результатам работы и записать ответ.

Ответить на контрольные вопросы:

1. Определить сопротивление внешнего участка цепи (закон Ома для участка цепи), пользуясь результатами измерений в двух отсчетах.

2. В каком случае вольтметр, подключенный к полюсам источника, показывает электродвижущую силу его, а в каком случае – напряжение на концах внешнего участка цепи?

Тест

1. Из приведенных ниже выражений характеризует силу тока в полной электрической цепи:

а) ;

б) ;

в) .

2. Физическая величина, характеризующая работу сторонних сил по разделению зарядов внутри источника тока:

а) напряжение;

б) сила тока;

в) электродвижущая сила.

3. Выражение, характеризующее работу сторонних сил по перемещению заряда внутри источника тока:

а) ;

б) ;

в) .

4. Величина, определяемая отношением ЭДС в цепи к полному сопротивлению этой цепи:

а) сила тока;

б) электродвижущая сила;

в) напряжение.

5. Режим короткого замыкания в цепи возникает, если:

а) внутреннее сопротивление источника тока очень мало;

б) внешнее сопротивление цепи стремится к 0;

в) внешнее сопротивление цепи стремится к бесконечности.