книги из ГПНТБ / Руководство к лабораторным занятиям по физике учеб. пособие

60 I. ОЗНАКОМЛЕНИЕ С МЕТОДАМИ ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

вспомогательной батареи ё 0 и гальванометра производится двой­ ным ключом Кг- Ключ Кг устроен таким образом, чтобы при нажа­ тии кнопки вначале замыкалась цепь вспомогательной батареи и реохорда, а затем цепь гальванометра.

При всех измерениях цепь вспомогательной батареи ё 0 и цепь элементов è N и é°x должна замыкаться ключом Кг лишь на короткое время. Это требование должно выполняться особенно тщательно, когда к схеме подключается элемент Вестона, не терпящий пере­ грузок. Длительное потребление тока от этого элемента не должно превосходить ІО'6А.

Чтобы предохранить гальванометр и нормальный элемент от больших токов, последовательно с гальванометром включается большое сопротивление MC. В начале работы магазин сопротив­ лений MC должен быть включен на максимальное сопротивление. Величина сопротивления уменьшается постепенно, по мере того, как компенсация становится настолько хорошей, что ее даль­ нейшее уточнение при большом сопротивлении оказывается не­ возможным.

При измерениях следует иметь в виду, что в процессе работы вспомогательная батарея разряжается, так что разность потен­ циалов на ее зажимах и ток, идущий через реохорд, постепенно уменьшаются. Нормальный элемент ё ң и исследуемый элемент <§х подключаются к схеме поочередно, поэтому разрядка вспомога­ тельной батареи ё 0 может привести к искажению результатов. Чтобы уменьшить возникшую при этом ошибку, рекомендуется придерживаться описанного ниже порядка измерений.

Измерения. 1. Проверьте величину сопротивления, включен­ ного в магазине MC (оно должно быть максимальным). Убедитесь в том, что, исследуемый элемёнт (например, гальванический эле­ мент Лекланше) и вспомогательная батарея ё 0 включены навстречу друг другу. Включите этот элемент в схему с помощью переклю­ чателя Кі.

2. Замыкая на короткое время ключ Кг и перемещая движок Д по реохорду, найдите такое его положение, при котором гальвано­ метр не реагирует на замыкание Кг- Затем, уменьшая сопротив­

Отметьте длину lN участка реорхорда, на котором произошла ком­ пенсация.

5.Введите полное сопротивление MC.

6.Вновь включите исследуемый элемент ё х. Найдите новое значение Іх\. Из двух найденных значений длин реохорда возьмите

среднее и по нему с помощью формулы (4) вычислите э. д. с. иссле­ дуемого элемента.

7.Подсоедините вместо элемента Лекланше щелочной аккуму­ лятор и измерьте его э. д. с.

8.Оцените ошибку измерения.

Контрольные вопросы

ный элемент Вестона применяется в работе в качестве эталона э. д. с. Он пред­ ставляет собой гальванический ртутно-кадмиевый элемент, э. д. с. которого практически не меняется со временем. Электроды элемента расположены в гер­ метически закрытых стеклянных трубках, соединенных между собой в виде

буквы Н (рис. 18). Положительным электродом является ртуть Hg, отрицатель­ ным — амальгама кадмия (10% Cd, 90% Hg). Деполяризатором служит паста из смеси сернокислой ртути HgS04 и сернокислого кадмия CdS04. Электролитом является насыщенный раствор сернокислого кадмия.

Электродвижущаяся сила элемента Вестона при температуре 20° С равна

э. д. с. элемента ток через него не должен превышать ІО"6 А, поэтому желательно подключать его через большое сопротивление.

При работе с элементом Вестона необходимо выполнять ряд предосторож­ ностей: его нельзя трясти и даже держать в руках, элемент должен быть защищен от солнечных лучей.

62I. ОЗНАКОМЛЕНИЕ С МЕТОДАМИ ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

2.Э л е м е н т Л е к л а н ш е . Элемент Лекланше (рис. 19) — сухой галь­ ванический элемент, его э. д. с. около 1,5 В.

Цинковый контейнер, в котором находится содержимое элемента, является

отрицательным электродом. С внутренней стороны к цинку прилегает пористый материал (типа промокательной бумаги), кото­ рый покрыт толстым слоем пасты из алебастра, воды и хлористого аммония (нашатыря) NH4C1. В центре контейнера укреплен угольный стер­ жень, являющийся положительным электродом элемента. Остальное пространство заполняется смесью перекиси марганца Мп0 2 с графитом, пропитанной раствором NH4C1. Нашатырь NH4C1 является электролитом, перекись мар­ ганца Мп02 — деполяризатором. Элемент Лек­ ланше применяется в тех случаях, когда нужно постоянное напряжение и слабые токи. При длительной непрерывной работе электроды эле­ мента поляризуются.

Принадлежности: реохорд, магазин сопротивлений, гальванометр, перемен­ ное сопротивление на 1000 Ом, щелочной аккумулятор, два двухполюсных пере­ кидных рубильника, двойной ключ, измеряемые сопротивления.

Классическим методом измерения сопротивлений является метод моста постоянного тока. На рис. 20 изображена схема простейшего моста, называемого обычно мостом Уитстона. Он составлен из четырех последовательно соединенных сопротивлений, образую­ щих «четырехугольник» АВБДА. В одну из диагональных ветвей — ДВ — включается чувствительный гальванометр G, в другую —

ИСТОЧНИК Э. Д. С. ё .

Измеряемое сопротивление гх образует ветвь AB, в ветвь БВ включают магазин сопротивлений г0. Ветвь АДБ (сопротивления гг и г2) образуется реохордом (сопротивление которого пропорцио­ нально его длине). По реохорду перемещается скользящий контакт Д, который позволяет изменять соотношение между сопротивле­ ниями гг и г2. Ток, протекающий через гальванометр, зависит от сопротивлений гх, г0, /у и г2. Перемещая контакт Д, можно найти такое его положение на реохорде, при котором этот ток станет рав­ ным нулю. В этом случае говорят о балансе' моста. При балансе разность потенциалов между точками В и Д равна нулю.

Сопротивление однородного реохорда пропорционально его длине.

64 I. ОЗНАКОМЛЕНИЕ С МЕТОДАМИ ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Сопротивление магазина г0 следует поэтому всегда выбирать так, чтобы баланс моста достигался около середины реохорда и, во всяком случае, в пределах 0,2 < IJL < 0,8.

Описание установки. Применяемая в работе схема моста Уит­ стона изображена на рис. 22 и несколько отличается от рассмотрен­ ной выше принципиальной схемы.

1) Источник электродвижущей силы включается в цепь с по­ мощью перекидного рубильника Кі, что дает возможность произво­ дить измерения при разных направлениях тока в цепи. Результат опыта не должен, конечно, зависеть от переполюсовки батареи.

Такая зависимость может, одна­ ко, иметь место в том случае, если в схеме имеются паразитные тер­ моэлектродвижущие силы или если контакты обладают детек­ тирующим действием (по-разному проводят ток в разных направ­ лениях). Если результат опыта зависит от переполюсовки бата­ реи, нужно перебрать схему, попытаться самому найти и уст­ ранить причину этой зависимо­ сти или обратиться за помощью к преподавателю.

2) Подключение источника э. д. с. и гальванометра к схеме производится при помощи двой­ ного ключа Кг. На рисунке кон­

такты ключа заштрихованы. Изолирующие втулки изображены незаштрихованными прямоугольниками.

В моменты включения и выключения источника питания в цепи возникают э. д. с. самоиндукции, которые могут вызывать крат­ ковременные, но значительные токи. Для предохранения гальвано­ метра от этих токов желательно сначала замыкать цепь батареи и лишь затем, после установления режима работы схемы, замыкать цепь гальванометра. Ключ /С2, включенный так, как это изображено на рис. 22, обеспечивает указанную последовательность включения.

3)Последовательно с гальванометром включается добавочное сопротивление MC (магазин сопротивлений), предохраняющее гальванометр от протекания больших токов при плохо сбалансиро­ ванном мосте. По мере того как балансировка улучшается, показа­ ния гальванометра уменьшаются, и для повышения чувствитель­ ности добавочное сопротивление постепенно уменьшают до нуля.

4)Реохорд А Б подсоединяется к сопротивлениям г0 и гх через двухполюсный перекидной рубильник К3• Измерения сопротивле­ ния производятся при двух положениях рубильника. Проволока

66 I. ОЗНАКОМЛЕНИЕ С МЕТОДАМИ ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЯ

При контакте двух проводников, изготовленных из различных металлов, между ними возникает обмен электронами, который при­ водит к возникновению контактной разности потенциалов. Ее величина зависит от рода соприкасающихся проводников и от температуры контакта.

Рассмотрим цепь (рис. 23), состоящую из двух спаянных между собой проводников 1 и 2, изготовленных из различных металлов. Пока температуры спаев одинаковы, контактные разности потен­ циалов, возникающие в спаях А и В, равны между собой.

А

Эквивалентная схема этой цепи представлена на рис. 24; кон­ тактная э. д. с. спаев изображена в виде двух одинаковых эле­ ментов

Ш а ~ < & б ,

включенных навстречу друг другу. Ток в такой цепи, естественно, равен нулю.

Если спаи А и Б поддерживать при разных температурах, то возникающие в контактах разности потенциалов перестанут быть одинаковыми. В такой цепи результирующая э. д. с. оказывается отличной от нуля и вызывает появление тока. Эта э. д. с. носит название термоэлектродвижущей силы — термо'-э. д. с.

Термоэлектродвижущие силы широко используются для изме­ рения температур. Содержащая два спая цепь носит название термопары. Измерительный прибор П включается в разрыв одного из проводников, образующих термопару (рис. 25).

При измерениях один из спаев термопары, например А, поддер­ живается при постоянной температуре (помещается в сосуд Дьюара с тающим льдом, t — О °С), а второй спай приводится в тепловой контакт с исследуемым телом.

жений можно, включив в цепь нормального элемента гальвано­ метр G.

Переключив гальванометр в цепь измеряемой э. д. с., можно отрегулировать положение движка Д так, чтобы э. д. с. оказалась скомпенсированной. Так как при этом сила тока, проходящего через Rx, предварительно установлена вполне определенным обра­ зом, положения движка градуируются непосредственно в вольтах.

Нормальный элемент &N (НЭ), батарея питания £ 0 и гальва­ нометр G обычно находятся в ящике прибора, но могут, при жела­ нии, подключаться и снаружи. На панель прибора вынесены клеммы для их подключения. Источники э. д. с. — НЭ и БП — и гальва­ нометр переключаются с наружных на внутренние тумблерами (Н — В), расположенными около соответствующих клемм.

При работе с потенциометром рекомендуется следующий поря­ док измерений:

1. Поставьте все тумблеры (В — Н) в положение В.

2.Переключатель полярности (-j-----) поставьте в положение (+).

3.Установите корректором стрелку гальванометра G на нуль.

4.Установите переключатель «Род работы» в положение «Потен­ циометр» *).

5.Произведите установку рабочего тока в потенциометре, для чего переключатель (К — И) поставьте в положение К (контроль). При этом гальванометр включается в цепь нормального элемента НЭ (рис. 28). Гальванометр может включаться в цепь через большое сопротивление R (кнопка «Грубо») и без сопротивления (кнопка «Точно»), Изменяя величину переменного сопротивления г (вра­ щением ручек «Рабочий ток», рис. 29), приведите к нулю ток галь­ ванометра. Подбор рабочего тока производится сначала при нажа­

тии кнопки «Грубо», а затем при нажатии кнопки «Точно».

6.Подключите термопару к клеммам «X».

7.Установите переключатель пределов измерения в требуемое положение: Х0,5 при измерении э. д. с. до 25 мВ; ХІ при измере­

(К — И) поставьте в положение И (измерение). При этом гальва­ нометр замыкает цепь термопары на сопротивление Rx. Переме­ щением движка Д (на рис. 29 — вращением ручек М и N) сначала «Грубо», а затем «Точно» приведите к нулю ток, проходящий через гальванометр. Если скомпенсировать схему не удается (гальванометр «зашкаливает») при любом положении ручек М и N , переключите тумблер полярности (+ •—) и снова произведите компенсацию тока.

*) Потенциометр постоянного тока ПП-63 может также служить источни­ ком плавно регулируемого напряжения для поверки технических термопар. Для этой цели предназначены ручки «Напряжение» и Q. Переключатель «Род работы» ставится в этом случае в положение ИРН (источник регулируемого напряжения) или положение «Поверка»,