ФПЭ 18, ФПЭ-19

Сторонние силы характеризуются работой, которую они совершают над носителями тока. Величина, равная работе сторонних сил над единичным положительным зарядом, называется электродвижущей силой (ЭДС) E, действующей в замкнутой цепи или на её участке. Следовательно, если работа сторонних сил равна А, то

Е = А/q. (1)

ЭДС измеряется в Вольтах. Электродвижущая сила – это та причина, которая вызывает прохождение тока по замкнутому пути, образованному проводником и источником тока.

Закон сохранения энергии для источника можно записать в

следующем виде:

Eq = RI2t + rI2t,

где r – внутреннее сопротивление источника. Деля обе части равенства на величину заряда q = It, мы находим ток в цепи

Полученный закон (2) называется законом Ома для замкнутой цепи. Сумму (R + r) внешнего и внутреннего сопротивлений называют полным сопротивлением цепи.

Напряжением на концах проводника называют разность потенциалов электрического поля в точках, совпадающих с концами проводника (поле в проводнике, создаваемое источником тока, считается однородным). Произведение тока на сопротивление внешнего участка цепи называют напряжением.

ЭДС гальванических элементов зависит только от рода веществ, входящих в его состав, и не зависит от размеров элементов. Напротив, внутреннее сопротивление элемента, как и всякого проводника, зависит от его размеров и формы.

Электрический ток в общей цепи при последовательном соединении n одинаковых элементов в батарею равен:

I = nE/(R + rn),

где R – сопротивление внешней цепи, r – внутреннее сопротивление каждого источника, Е – ЭДС элементов тока.

20

2.4.Вместо конденсатора С1 подключите с помощью соединительных проводов к клеммам 1 и 4 конденсатор С2. Установите напряжение Е1 = U2 = 6В.

2.5.Трижды проведите измерения Uинт2 по пп. 1.5.-1.6. Результаты измерений запишите в таблицу 2.

2.6.Повторите измерения Uинт2 для двух других значений напряжений U2 на источнике Е1, записывая результаты в таблицу 2.

2.7.Вместо конденсатора С2 подключите с помощью соединительных проводов к клеммам 1 и 4 два конденсатора

(С1 и С2) последовательно. Установите выбранное вами постоянное напряжение Е1 = UПОС.

2.8.Трижды проведите измерения UинтПОС по пп. 1.5.-1.6. Результаты измерений запишите в таблицу 3.

2.9.Повторите измерения UинтПОС для двух других значений напряжений UПОС на источнике Е1, записывая

результаты в таблицу 3.

Таблица 3

2.10. Соедините конденсаторы С1 и С2 параллельно и подключите их с помощью соединительных проводов к клеммам 1 и 4. Установите выбранное вами постоянное напряжение Е1 = UПАР.

2.11.Трижды проведите измерения UинтПАР по пп. 1.5.-1.6. Результаты измерений запишите в таблицу 3.

2.12.Повторите измерения UинтПАР для двух других значений напряжений UПАР на источнике Е1, записывая

результаты в таблицу 3.

2.13. Рассчитайте для каждой серии измерений среднее значение Uинт и по формулам (11) и (11′) определите

значение емкостей С1, С2, СПОС и СПАР, подставляя в формулы истинное значение Сэ и взяв из таблицы 1 значения

напряжений Uэ и UинтЭ , дающие при расчете емкости

эталонного конденсатора значение, наиболее близкое к истинной величине Сэ. Результаты расчетов запишите в таблицы 2 и 3 соответственно.

2.14.Оцените абсолютную ошибку измерений емкостей С1

иС2, пользуясь формулой абсолютной ошибки прямых измерений. Результаты расчетов запишите в таблицу 2.

2.15.Рассчитайте емкости при последовательном СПОСрасч и параллельном СПАРрасч соединении по формулам (2) и (3).

Результаты расчетов запишите в таблицу 3.

2.16.Сравните результаты расчетов емкости при

последовательном СПОСрасч и параллельном СПАРрасч соединении конденсаторов с теми, что получены в результате измерений. Оцените относительную ошибку измерений ЕПОС

иЕПАР. Результаты расчетов запишите в таблицу 3.

2.17.Выключите установку. Поставьте тумблер "Питание", расположенный в правом верхнем углу стенда, в положение "Выкл.". Лампочка индикатора должна при этом погаснуть. Отсоедините шнур питания стенда от сети 220В.

14

щества – продукты реакций. В простейшем элементе Вольта (рис.1) эта реакция такова:

Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2.

При этом выделяется количество тепла Qx, равное Qx = p m, где m – количество прореагировавшего вещества, величина р определяет тепловой эффект химической реакции, который в данном случае равен 6,96 . 106 Дж/кг. Энергия химических реакций и есть та энергия, которая освобождается в гальванических элементах. Её мерой является тепловой эффект реакции.

Рассмотрим теперь какой-либо гальванический элемент, замкнутый на проводник с сопротивлением R (рис.2). Пластины гальванического элемента, между которыми возникает разность потенциалов, называются полюсами (или электродами). Тот полюс, у которого потенциал выше, называется положительным (или анодом), другой - отрицательным (катодом). При соприкосновении с электролитами все металлы заряжаются отрицательно.

Рис.2. Электрическая цепь с гальваническим элементом.

При наличии тока в цепи электрические заряды нигде не накапливаются, а, значит, ток существует не только во внешней цепи, но и внутри элемента. Гальванический элемент представляет для тока определённое сопротивление, называемое внутренним сопротивлением, которое складывается из сопротивлений электролита и электродов.

19

Лабораторная работа ФПЭ-19

Измерение электродвижущей силы элемента методом компенсации.

1. Цель работы

Изучение законов постоянного тока и измерение ЭДС.

2. Теоретические основы работы

Для получения постоянного тока на заряды в электрической цепи должны действовать какие-либо силы, отличные от сил электростатического поля. Такие силы получили название сторонних сил. Всякое устройство, в котором возникают сторонние силы, называются источниками тока. Источниками тока являются, например, гальванические элементы.

Когда какой-либо гальванический элемент создаёт в цепи ток, то внутри элемента происходят химические реакции. В большинстве элементов основная реакция состоит в соединении цинкового электрода, являющегося катодом элемента, с электролитом, и поэтому во время работы элемента расходуется металлический цинк, а в растворе появляются новые ве-

Рис.1. Элемент Вольта.

18

2.18. Установите мультиметры V1 и V2 в положение "OFF" и отсоедините их.

6. Контрольные вопросы

1). Какая величина называется электрической емкостью проводника? От чего зависит и какими единицами измеряется емкость проводника?

2). Что представляют из себя конденсаторы, и с какой целью они создаются?

3). Какая величина называется емкостью конденсатора? От чего она зависит?

4). Какие виды конденсаторов вам известны? Выведите емкость плоского, цилиндрического и сферического конденсаторов.

5). Выведите формулы для емкости при параллельном и последовательном соединении конденсаторов.

6). Для измерения какой величины используется баллистический гальванометр? Опишите принцип его работы. 7). Выведите выражение для заряда, прошедшего через гальванометр (формулу (7)). На основании каких физических законов оно получено?

8). Как рассчитать абсолютные и относительные погрешности измерений?

7. Задачи

1). Плоский конденсатор, имеющий емкость С, заполняется диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε. Какой конденсатор должен быть подключен последовательно с данным, чтобы их общая емкость осталась равной С?

2). Два конденсатора, имеющих электроемкость 3мкФ и 6мкФ, соединены между собой и присоединены к батарее с ЭДС, равной 120В. Определить заряды конденсаторов и

15

разность потенциалов между их обкладками, если конденсаторы соединены: а). параллельно; б). последовательно. 3). Емкость плоского горизонтально расположенного конденсатора равна 1,5мкФ. Расстояние между его пластинами 5мм. Найти емкость этого конденсатора, если на нижнюю пластину положить лист эбонита толщиной 3мм? Диэлектрическая проницаемость эбонита равна 3.

4). Между пластинами плоского конденсатора находится диэлектрик с диэлектрической проницаемостью, равной 3. Конденсатор заряжен до разности потенциалов 100В. Найти разность потенциалов между обкладками конденсатора, если вытащить из него диэлектрик?

5). Конденсатор емкостью С1 = 0,2мкФ был заряжен до разности потенциалов U1 = 330В. После того как его соединили параллельно со вторым конденсатором, эаряженным до разности потенциалов U2 = 440В, напряжение U на нем изменилось до 400В. Вычислить емкость С2 второго конденсатора.

6). Найти емкость сферического конденсатора, состоящего из двух концентрических сфер с радиусами 9,5см и 10см. Пространство между сферами заполнено маслом с диэлектрической проницаемостью, равной 5. Какой радиус должен иметь шар, помещенный в масло, чтобы иметь такую же емкость?

7). Конденсаторы С1 = 0,2мкФ, С2 = 0,6мкФ, С3 = 0,3мкФ и С4 = 0,5мкФ соединены так, как показано на рисунке. Разность потенциалов между точками А и В равна 320В. Определить общую емкость батареи конденсаторов. Найти

разность потенциалов и заряд на пластинах каждого конденсатора.

8). Конденсаторы С1 = 2мкФ, С2 =

2мкФ, С3 = 3мкФ и С4 = 1мкФ соединены так, как показано на

16

рисунке. Разность потенциалов на обкладках четвертого конденсатора равна 100В. Определить общую емкость батареи конденсаторов. Найти разность потенциалов и заряд на пластинах каждого конденсатора. Определить общий заряд и разность потенциалов батареи конденсаторов.

9). Конденсатор емкостью С1 = 0,6мкФ был заряжен до разности потенциалов U1 = 300В и соединен параллельно со вторым конденсатором емкостью С2 = 0,4мкФ, эаряженным до разности потенциалов U2 = 150В. Найти заряд, перетекший с пластин первого конденсатора на второй.

10). Определить заряд на пластинах конденсатора (см. рис.), если ЭДС источника 5В, внутреннее сопротивление источника 1 Ом, сопротивление R = 4 Ом. Емкость конденсатора

20мкФ.

Библиографический список

1.Савельев И.В. Курс физики. Т.2. Электричество. Колебания и волны. Волновая оптика.- СПб.: Издательство "Лань", 2006г. - 480 с., §§19, 20

2.Калашников Н.П., Смондырев М.А. Основы физики. Т.1.-

М.: Дрофа, 2007г. - 398 с., §§11.4, 11.5, 11.6, 11.9

3.Сивухин Д.Н. Общий курс физики. Т.3. Электричество. -

М.: Наука, 1982г. - 688 с., §§26, 27, 125

17