ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3-2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА МЕТОДОМ КОМПЕНСАЦИИ
Цель работы: измерение электродвижущей силы в цепях постоянного тока.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ
В потенциальном электрическом поле работа кулоновских сил по перемещению заряда по любому замкнутому контуру всегда равна нулю, поэтому постоянный электрический ток обеспечивают сторонние силы другой природы, действующие на заряды со стороны источника тока и направленные против электростатических сил.
В этом случае |
∫l ElСТОРdl - циркуляция вектора напряженности поля сторонних |
сил уже не равна нулю и определяется работой перемещения единичного положи- |
|
тельного заряда к более высокому потенциалу, которая численно равна величине электродвижущей силы источника тока (ЭДС) - ε.
Одним из способов точного определения величины ЭДС является метод ком-
пенсации, суть которого состоит в уравновешивании измеряемой электродвижущей силы известным напряжением. В этом методе сравниваемые источники включаются одноименными полюсами (встречно друг другу), поэтому при их равенстве ток в
цепи прекращается. |
|
|
|
|
|
|
ε |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
В рассматриваемой цепи (рис.1) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
основная ЭДС - ε обеспечивает паде- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
ние напряжения (UАВ на сопротивлении |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
||||||||||||||
|
|
I |
|
|
|
RХ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
RХ, UВС на R) на реохорде АС с под- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
вижным контактом В. |
|
А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Когда |
разность |
потенциалов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
I 2 |
I1 |
εХ |
|
|
|
|
|
|
|
В |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
(UAB) становится равной по величине |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I 2 |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
К1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
включенной в данный момент в схему |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
RБ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
G |
|
|
|
|
|
||||||||
с помощью ключ К2 ЭДС (εX или εN), |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
К2 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
то наступает момент компенсации - |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
уравновешивания встречно включен- |
|
|
|
|
|
|
|
|
εN |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
ных источников, при котором ток I2 в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
цепи гальванометра G исчезает. |
|
|
Рис.1 Принципиальная электрическая |
||||||||||||||||||||||||
Данное |
состояние |
цепи можно |
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
схема лабораторной работы |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
описать с помощью законов Кирхгофа.
По первому закону для узла А, считая направление тока I положительным,
имеем: |
I = I1 |
+ I2. |
(1) |
|
|||
|
|
|
По второму закону для контуров (АεCВ) и (АВεх) при обходе против часовой стрелки можно записать, что
ε =I(r +R1)+I1 RХ. |
(2) |
||||||||
ε |
х |
=− |
+ |
rG) |
+ |
I1 |
|
RХ. |
(3) |
|
I2(rx |
|
|
|
|
||||
Здесь I1 - ток на участке реохорда АВ; R и RХ - сопротивления участков реохорда ВС и АВ; гG - сопротивление гальванометра; г и гх - внутренние сопротивления соответствующих источников тока.
При компенсации εХ падением напряжения на реохорде I2 = 0, а уравнения Кирхгофа принимают вид:
|
|
|
I = I1 , |
|
|
|
|
|
(4) |
|||||
|
|
ε = I (r |
+ R) + I RХ = I (r + R + RX ). |
(5) |
||||||||||
|
|
εx = I RХ . |
|
|
|
|
|
(6) |
||||||
Из выражений (4) и (5) тогда получим, что: |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
εx = |
|
ε |
RХ |
|
|
. |
|
|
(7) |
|||
|
|
r |
+ R + R |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
Х |
|
|
|||||||||
Для определения цены деления реохорда вместо неизвестной ЭДС с помощью |
||||||||||||||
ключа К2 в цепь подключается нормальный элемент (εN). При этом по аналогии с (7) |
||||||||||||||
получим: |
|
εN = |
ε RN |
|
|
|
, |
|
(8) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
r + R + RN |
|
|
||||||||
где RN - сопротивление участка реохорда при включении в цепь гальваномет- |
||||||||||||||
ра нормального элемента. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Поделив выражения (7) и (8), получим, что |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
ε x |
|
|
= |
|
|
R Х |
, |
(9) |
||
Откуда искомая ЭДС равна: |
|
ε N |
|
|
|
|
R N |
|||||||
|
|
εN |
|
|
|
(10) |
||||||||
|
|
εх |
= |
|
RХ |
|
||||||||
|
|
|
RN |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
С помощью известного выражения для удельного электрического сопротив- |
||||||||||||||
ления ( R = ρ l |
S |
) в расчетную формулу можно ввести соответствующие указанным |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сопротивлениям размеры участков реохорда: |
|
|
||||||||||||
|
|
εх = |
|
|
εN |
|
lх. |
|
(11) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
lN |
|
|
|
|
|
|
|
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
Приборы, принадлежности: источник тока (ИП) - 1, исследуемый источник тока (εХ) – 2, рубильник -3, нормальный элемент (εN) – 4, балластное сопротивление (RБ) – 5, нуль-гальванометр G – 6, реохорд (АВС) - 7, подвижный контакт реохорда (8); кнопочный выключатель (К) - 9, многопредельный амперметр (А) - 10 (рис.2).
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
10 |
9 |
8 |
7 |
Рис.2. Блок – схема лабораторной работы
В электрической схеме в качестве компенсационного сопротивления используется реохорд – тонкая проволока, расположенная на линейке с миллиметровой шкалой (7). Перемещение подвижного контакта (8) по реохорду позволяет плавно регулировать величину компенсирующего напряжения. Точность измерения сопротивлений с помощью реохорда невелика, но применение гальванометра с зеркальной шкалой в качестве нуль-индикатора, фиксирующего момент компенсации, обеспечивает приемлемую для учебных целей погрешность,
Балластное сопротивление (5), соединенное последовательно с нуль-
гальванометром (6), служит для ограничения тока в и амплитуды колебаний стрел-
ки прибора при проведении измерений.
Нормальный элемент (4), являющийся эталоном электродвижущей силы, состоит из стеклянного Н–образного сосуда, в нижние концы которого впаяны платиновые электроды. В одном колене сосуда находится ртуть, в другом – амальгама кадмия. Положительным полюсом является колено с ртутью.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1 . Подготовить лабораторную установку к измерениям, для чего необходимо:
−включить питание тумблерами "Сеть" на приборной стойке и панели ИП;
−ручкой "Регулировка тока" на панели ИП (1) установить с помощью многопредельного зеркального амперметра (10) значение тока в цепи в пределах 0,45 ... 0,5 А;
−установить соответствующими переключателями магазина балластных сопротивлений (5) максимальную величину сопротивления - 9999, 99 Ом. Выставленные значения тока и сопротивления занести в таблицу.
2.Подключить с помощью рубильника (3) неизвестную ЭДС (εХ) в цепь гальванометра (6).
3.Установить подвижный контакт (8) реохорда примерно на середину его
шкалы.
4.При нажатой кнопке выключателя К1 (9) перемещением движка реохорда
(влево, вправо относительно исходного положения) установить стрелку нуль-
гальванометранануль. Координаты движкареохордазанестивтаблицу.
5. Провести аналогичные измерения (п. 4) при ступенчатом уменьшении величиныбалластногосопротивления ( 9999, 99 =>999, 99 =>99, 99 ..Ом). 1
6.Подключить с помощью рубильника (3) в цепь нуль-гальванометра нормальный
элемент.
7.Провести измерения в соответствие с пп. 1 - 5 при другом произвольном значении тока.
8.ВычислитьнеизвестнуюЭДСпоформуле(11) изанестивтаблицу.
1 Измерения закончить, когда выключение очередной секции балластного сопротивления не будетприводитьк отклонениюотнулястрелкигальванометра.
9. Рассчитать абсолютную и относительную погрешности определения неизвестной
ЭДС.
Для определения погрешности измерения длины реохорда lХ необходимо найти интервал lХ , на концах которого стрелки гальванометра отклоняются на ± 1 деление отнуля. Абсолютная погрешностьизмеряемойвеличиныприэтомбудетравна
|
|
|
lX = |
l. |
|
|
|
|||
|
|
|
|
2 |
|
|
|
Таблица |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
№ |
I, А |
Rб, 0м |
lХ , см |
lХ , см |
lN , см |
lN , см |
εX, В |
εХ |
εХ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Экспериментальные и расчетные данные
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
Соблюдатьмерыпредосторожностиобщиедляданнойучебнойлаборатории.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Чтоназываетсяэлектродвижущейсилойисточникатока?
2.Вчемсутьметодакомпенсации?
3.Каковоназначениебалластногосопротивления?
4.Длячеговлабораторнойработеиспользуетсянормальныйэлемент?
|
|
С О Д Е Р Ж А Н И Е |
1. |
Лабораторная |
работа № 3-1 «Зависимость сопротивления металлов и сплавов |
|
от температуры» ……………………………………………………………… 1 |
|
2. |
Лабораторная |
работа № 3-2 «Определение электродвижущей силы галь- |
|
ванического элемента методом компенсации» …………………………… 6 |
|