ЧФ ПНИПУ. Лабораторные работы по физике

Министерство образования и науки российской федерации

Чайковский филиал

федерального государственного бюджетного

образовательного учреждения высшего профессионального образования

"Пермский национальный исследовательский политехнический университет"

(ЧФ ПНИПУ)

Кафедра гуманитарных и естественнонаучных дисциплин

Лаборатория физики

Электромагнетизм

Лабораторная работа №3

"Определение ЭДС источника тока компенсационным методом"

2011

Цель работы: ознакомиться с компенсационным методом измерения ЭДС.

Приборы и принадлежности: нормальный элемент с ЭДС _, исследуемый источник _, вспомогательная батарея , потенциометр ПП-63, проводники, гальванометр Г (_,  и Г часто вмонтированы в потенциометр), делитель напряжения, ключ.

Сведения из теории

Если на концах проводника сопротивлением R (рис. 3.1,а), имеется разность потенциалов ₁ – ₂, то по проводнику течет ток. Чтобы ток некоторое время был неизменным, разность потенциалов в течение этого времени надо поддерживать постоянной. Это значит, что положительные заряды, приходящие в точку 2. Необходимо каким-то образом перемещать обратно в точку 1, где потенциал ₁>₂. Силы электрического поля сделать этого не могут, так как они направлены в сторону меньшего потенциала. Следовательно, работа по перемещению положительных зарядов из точки 2 в точку 1 могут совершать только силы неэлектрического происхождения (например, механические силы, силы химической природы и т.д.). Эти силы называются сторонними.

Указанную работу практически выполняют источники тока, включаемые в цепь (рис. 3.1,б). Именно сторонние силы источника и перемещают положительные заряды от меньшего потенциала (клемма “–”) к большему (клемма “+”).

Важной характеристикой, связанной с работой сторонних сил источника тока, является величина, называемая электродвижущей силой. ЭДС источника численно равна работе, которую совершают сторонние силы при перемещении единицы положительного заряда с клеммы “–” на клемму “+” внутри источника. Нужно, однако, иметь в виду, что хотя заряды по внешней цепи перемещаются под влиянием электрического поля, само поле (разность потенциалов на внешнем участке) и создается за счет работы сторонних сил. Чем больше ЭДС источника, тем большую работу может совершить ток в цепи этого источника.

ЭДС источника измеряется в вольтах и совпадает с разностью потенциалов на клеммах источника при разомкнутой цепи. Действительно, запишем закон Ома для замкнутой цепи (см. рис. 3.1,б): и для участка цепи:

Сравнивая эти формулы, получим:

Отсюда следует, что, когда по цепи течет ток, разность потенциалов между полюсами источника меньше его ЭДС. При разомкнутой цепи (R)  = ₁ – ₂.

Одним из простых и надежных методов измерения ЭДС является так называемый компенсационный метод. Электрическая цепь реализации этого метода изображена на рис. 3.2, где _ – источник с неизвестной ЭДС, _ – нормальный элемент (с неизвестной ЭДС),  – вспомогательная батарея. Предполагается, что _ и _. При замыкании ключа К₁ через реостат R течет ток. Если при этом переключатель П замкнут на _, то ток пойдет и через гальванометр Г.

Запишем первое правило Кирхгофа для узла b (см. рис. 3.2):

(3.1)

и второе правило Кирхгофа для контура a_ba:

(3.2)

где r – внутреннее сопротивление источника _; r_Г – сопротивление гальванометра.

Перемещая точку b, можно подобрать такое, при котором ток через гальванометр не идет: I_Г = 0. В этом случае (3.3)

(ЭДС _ компенсируется падением напряжения на участке ab – частью ЭДС ). Если переключатель перебросить на _, то, передвигая точку b, можно подобрать такое сопротивление, при котором I_Г = 0. В этом случае

(3.4)

Разделив уравнение (3.3) на (3.4), получим

,

откуда , (3.5)

т.е. для определения _ достаточно знать _N и отношение

Принцип работы потенциометра

Потенциометры – приборы для измерения ЭДС источников тока, термо-ЭДС и для некоторых других целей. Принцип их работы основан на компенсационном методе. В данной работе используется потенциометр ПП-63, Р-4833.

Лицевая панель прибора изображена на рис. 3.3, где зажимы НЭ, БП, Х служат для подключения нормального элемента _N, батареи питания  и источника с неизвестной ЭДС – _. Как правило, _N и  уже подключены и находятся внутри потенциометра, поэтому переключатели должны быть в положении «В» (внутреннее). Ключ «Питание» соответствует ключу К₁ (см. рис. 3.2), ключ «К» и «И» – переключателю П.

При компенсации _N ключ К₁ замыкают, переключатель П ставят в положение «К» (контроль). Во всех участках цепи (рис. 3.2) будет течь ток. Рукоятками Р₁ (грубая настройка) и Р₂ (доводка) устанавливают ток в гальванометре I_Г = 0. При этом падение напряжения на участке будет равна _N, т.е.

.

После этого рукоятки Р₁ и Р₂ трогать нельзя.

Ток I, который течет через резистор R (рис. 3.2), при отсутствии тока в гальванометре будет постоянным и называется рабочим током. Величина его зависит только от  и полного сопротивления контура, по которому течет ток I.

При определении _ нужно переключатель П поставить в положение «И» (измерение). При этом в цепи (см. рис. 3.2) вместо _N будет включен _. Нажав кнопку «Грубо», замкнем цепь гальванометра и по ней будет течь ток.

Рукояткам L₁ и L₂ (они связаны с сопротивлением R) установим ток в гальванометре, равный нулю. Затем вместо кнопки «Грубо» нужно нажать кнопку «Точно» и рукоятку L₂ установить I_Г = 0.

Конструктивно потенциометр устроен так, что величина измеряемой ЭДС _ определяется в mV показаниями шкал, которые расположены под рукоятками L₁ и L₂ (измеряемая ЭДС равна сумме показаний при I_Г = 0).

Порядок выполнения работы

1. Установить рабочий ток I (скомпенсировать _N).

2. Определить _. Так как _ должна быть меньше , а у нас они одного порядка, то _ нужно подключать не непосредственно к клеммам «Х», а через делитель напряжения. Составить схему такого подключения и внести ее в отчет. Зная, какая часть от _ будет измерена, легко подсчитать и все _. Измерять _ нужно не менее шести раз.

После каждого измерения рукоятками L₁ и L₂ сбиваются показания. Результаты занести в таблицу. Таблицу сделать самостоятельно.

3. Обработать результаты измерений:

а) найти полуширину доверительного интервала по формуле:

где S – среднеквадратичное отклонение; t_αn – коэффициент Стьюдента, выбирается в зависимости от надежности α (α < 0,95) и числа измерений n; k_α – коэффициент Стьюдента при n→∞, k_α = t_α(∞); δ – максимальная погрешность прибора; Δ – цена деления шкалы прибора (в данном случае при L₂);

б) найти относительную ошибку;

в) окончательный результат записать в виде

, при α =…, ε =…%.

Литература

1. Савельев И.В. Курс общей физики: учеб. пособие в 5-ти кн. - М.: ООО Изд-во «Астрель»; ООО «Изд-во АСТ», 2002.

2. Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособие.-7-е изд., стер. - М.: Высшая школа, 2003.

3. Ремизов А.Н. Курс физики: учебник для вузов. - М.: Дрофа, 2002.

4. Костко О.К. Физика для строительных и архитектурных вузов: учеб. пособие. - Ростов н/Д.: Феникс, 2004.

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Электромагнетизм. Лабораторная работа № 3(ПП-63) стр. 4