МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ «МАМИ»

Кафедра физики

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2.03

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ ИСТОЧНИКА ТОКА МЕТОДОМ КОМПЕНСАЦИИ

Москва 2005 г.

Лабораторная работа № 2.03

ИЗМЕРЕНИЕ ЭДС МЕТОДОМ КОМПЕНСАЦИИ

Цель работы: ознакомление с методом конденсации и измерение ЭДС методом компенсации.

ВВЕДЕНИЕ

Для поддержания в цепи постоянного электрического тока необходимо, чтобы на заряды действовали не только электростатические силы, но и силы не электростатического происхождения, называемые сторонними. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему на клеммах источника поддерживается разность потенциалов и в цепи течет постоянный электрический ток.

Величина, численно равная работе, совершаемой сторонними силами по перемещению единичного положительного заряда в замкнутой цепи, называется электродвижущей силой (ЭДС) источника тока

(1)

ЭДС источника тока невозможно непосредственно измерить с помощью обычного вольтметра. Вольтметр (рис. 1) измеряет разность потенциалов на клеммах источника .

Согласно закону Ома для неоднородного участка цепи

, (2)

где   ЭДС источника тока, I  сила тока в цепи, r  внутреннее сопротивление источника тока, то есть разность потенциалов на клеммах источника не равна ЭДС этого источника.

Из уравнения (2) видно, что ЭДС источника тока равна разности потенциалов на клеммах источника (), только тогда, когда сила тока на участке цепи . Это условие реализуется в методе компенсации.

Сущность метода компенсации заключается в том, что измеряемая ЭДС (рис.2) компенсируется (уравновешивается) напряжением на участке потенциометра АВ. В этом случае ток через источник не идет и .

2

Согласно закону Ома

,

где  сила тока на участке потенциометра АВ,  сопротивление участка АВ.

Таким образом можно определить при компенсации по формуле:

(3)

Компенсацию достигают, перемещая движок потенциометра В (рис.2) до тех пор, пока гальванометр G не покажет нулевого значения силы тока.

Чтобы не производить для определения измерения силы тока и сопротивления , прибегают к сравнению неизвестной ЭДС с известной . Если включить вместо источника с ЭДС в схему, изображенную на рис. 2, источник с известной ЭДС (нормальный элемент), то сила тока I будет равна нулю при условии:

(4)

Поделив (3) на (4 ), получим:

. (5)

3

Потенциометр АС изготовлен из однородного провода, сопротивление которого , где L  длина провода, S  площадь поперечного сечения,

  удельное сопротивление. Учитывая это, соотношение (5) можно представить в виде

(6)

где L_x и L_N  длины участков АВ, на которых происходит компенсация ЭДС неизвестного элемента и нормального элемента  соответственно.

Метод компенсации применим при условии, что падение напряжения на потенциометре больше, чем определяемая ЭДС. Поэтому, кроме источника с неизвестной ЭДС в схему включают источник, ЭДС которого (рис. 2) заведомо больше , и в цепь потенциометра для регулирования силы тока вводят магазин сопротивлений.

Необходимо также учитывать, что нормальные элементы быстро выходят из строя при пропускании через них больших токов, поэтому в цепь гальванометра вводят дополнительное сопротивление, ограничивающее силу тока через нормальный элемент и гальванометр.

На рис. 3 изображена схема, используемая в настоящей работе для определения ЭДС методом компенсации.

4

На этом рисунке R₀  магазин сопротивлений, r  сопротивление, ограничивающее силу тока в цепи гальванометра, вмонтированное в ключ точной настройки К₃,  источник тока, питающий потенциометр.  нормальный элемент Вестона (=  1,018 В),  источник тока с неизвестной ЭДС.

В работе предусмотрено определение ЭДС двух неизвестных источников тока и , а также ЭДС этих же источников при их последовательном соединении.

Порядок выполнения работы

1. Собрать схему, изображенную на рис. 3, используя один из неизвестных источников тока и строго соблюдая полярность подключения источников.

2. Ключом К₂ подключить к схеме неизвестный источник тока.

3. Установить сопротивление магазина R₀ в пределах 30  60 Ом

4. Ключом К₁ подключить источник тока к потенциометру.

5. Передвигая движок потенциометра найти такое его положение, при котором ток через гальванометр будет равен нулю.

6. Найти более точное положение движка потенциометра, восполь-зовавшись ключом точной настройки К₃. Для этого на короткое время необходимо замыкать ключ К₃ и при этом слегка передвигать движок потенциометра, добиваясь отсутствия тока через гальванометр.

Во избежание выхода из строя гальванометра и нормального элемента не замыкать ключ K₃ надолго, если не достигнута грубая компенсация.

7. Измерить длину участка потенциометра L_x, на котором происходит компенсация ЭДС неизвестного элемента. Результаты измерений занести в таблицу. Повторить измерения не менее трёх раз.

8. Замкнуть ключ К₂ на нормальный элемент и повторить измерения по пунктам 5  7. Значение длины участка потенциометра, на котором происходит компенсация ЭДС нормального элемента занести в таблицу.

9. Подключить к схеме второй источник тока с неизвестной ЭДС и произвести измерения по пунктам 5  7.

10. Соединить последовательно неизвестные источники тока и подключить их к схеме и произвести измерения по пунктам 57.

Обработка результатов измерений

1. Рассчитать средние значения длин участков потенциометра , на

которых происходит компенсация ЭДС неизвестных и нормального элементов.

2. По формуле (6), подставляя в нее средние значения и и = 1,018В, определить средние значения ЭДС неизвестных источников в отдельности

5

Таблица.

Источники	см	, см	см	, см	, В
+

и соединенных последовательно в батарею.

3. Определить относительную и абсолютную погрешности измерения ЭДС источников тока.

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте закон Ома для неоднородного участка цепи.

2. Дайте определение ЭДС источника тока.

3. Какие силы называют сторонними?

4. Почему обыкновенным вольтметром невозможно измерить ЭДС источника тока?

5. В чем заключается метод компенсации?

Литература

1. Савельев И.В. Курс общей физики, книга 2. Электричество и магнетизм. М.: «Наука». 2003 г.

2. Детлаф А.А., Яворский В. М. Курс физики. М.: «Высшая школа», 1999 г.

3. Калашников С.Г. Электричество. M.: Физматлит, 2004 г.

4. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: «Высшая школа», 2003г.