Порядок виконання роботи та опрацювання результатів

1. Скласти електричне коло за схемою поданою на (Рис. ЕП 11.1).

Error: Reference source not found2. Зарисувати схему в протокол роботи. Звернути увагу на те, які вузли та замкнені контури є у даному колі.

3. Довільно вибрати напрямки струмів у контурах схеми.

4. Записати в таблицю всі значення опорів та внутрішніх опорів міліамперметрів для окремих гілок з відповідними індексами.

5. Виміряти вольтметром ЕРС джерел та записати їх значення в таблицю.

6. Ввімкнути ключі К₁ та К₂.

7. Виміряти вольтметром спади напруги на кожному опорі розгалуженого кола і записати їх значення в таблицю, надаючи такі ж самі індекси, як для опорів.

8. Визначити сили струмів, що проходить через опори, за показаннями міліамперметрів та записати їх у таблицю.

9. Перевірити перше правило Кірхгофа, знайшовши для кожного з вузлів алгебричну суму сил струмів.

10. Записати друге правило Кірхгофа для замкнених контурів розгалуженого кола у вигляді

(ЕП 11.3)

і переконатися в справедливості цього рівняння.

№ порядку	R, Ом	I, А	U, В	E, В
1
2
3
4
5
6

Контрольні запитання

1. Сформулюйте та запишіть закон Ома для однорідної ділянок кола, а також для та замкнутого кола.

2. Дайте визначення фізичних величин: сили струму, електричного опору, різниці потенціалів, ЕРС, напруги. В яких одиницях їх вимірюють?

3. Дайте визначення вузла, гілки та замкненого контура розгалуженого електричного кола.

4. Сформулюйте перше та друге правила Кірхгофа.

5. Запишіть рівняння першого та другого правил Кірхгофа.

6. Коли значення струмів, спадів напруги та ЕРС при складанні рівнянь за правилами Кірхгофа вважають додатними?

7. Скільки незалежних рівнянь можна скласти за першим та другим правилами Кірхгофа для розгалуженого електричного кола?

Література: [1, §9.4; 2, § 108 ]

Лабораторна робота ЕП 12

Дослідження залежності термоерс термопари від різниці температур спаїв

Мета й завдання роботи − ознайомитися з явищем виникнення термоЕРС при контакті двох металевих провідників; експериментально дослідити залежність термоЕРС термопари від різниці температур спаїв; визначити коефіцієнт термоЕРС.

Основні теоретичні відомості

У металах вільні електрони перебувають у хаотичному тепловому русі. Електрони, які мають найбільшу кінетичну енергію і розташовані близько від поверхні, можуть вириватися з металу у навколишній простір. У результаті на поверхні металу буде надлишок позитивного заряду. Коли наближаються наступні електрони, швидкість яких не дуже велика і спрямована у бік поверхні і частково виходять за неї, то кулонівська взаємодія їх з позитивним зарядом кристалічних ґрат повертає їх назад у метал.

Отже, деякі вільні електрони весь час покидають поверхню металу, віддаляються від неї на кілька міжатомних відстаней і потім повертаються назад у метал. Внаслідок цього метал оточений тонким шаром електронів. Ця хмарка електронів утворює разом із зовнішним шаром позитивних іонів подвійний електричний шар (рис. ЕП 12.1). Сили, які діють на електрон у такому шарі, напрямлені всередину металу. Внаслідок цього при виході електрона з металу він має виконати роботу проти цих сил електричного поля.

Робота, яку слід виконати для виведення електрона за межу металу у вакуум, називається роботою виходу електрона.

Електрон, який вилітає за межу металу, має подолати електричне поле подвійного шару, який його затримує. Різниця потенціалів що характеризує це поле, називається поверхневим стрибком потенціалу, або контактною різницею потенціалів між металом і навколишнім середовищем.

Робота виходу електрона з металу, а отже, і контактна різниця потенціалів, залежать від хімічної природи й молекулярної будови провідників, що контактують, а також від фізичних умов, які визначаються температурою, але не залежать ні від розмірів, ні від площі поверхонь, що контактують.

При контакті різнорідних провідників на їх межі існує деяка характерна для кожної пари провідників різниця потенціалів, яку назвали контактною. Це явище вперше спостерігав у 1797 р. А. Вольта і експериментально встановив два закони:

І − при з’єднанні двох провідників, виготовлених з різних металів, між ними виникає контактна різниця потенціалів, яка залежить тільки від хімічного складу металів і температури;

ІІ − різниця потенціалів між кінцями кола, складеного з послідовно з’єднаних металевих провідників, які знаходяться при однаковій температурі, не залежить від хімічного складу проміжних провідників та дорівнює контактній різниці потенціалів, що виникає при безпосередньому з’єднанні крайних провідників.

У замкненому електричному колі, складеному з провідників першого роду, яке в усіх своїх частинах має сталу температуру, встановлюється рівновага, при якій алгебрична сума контактних різниць потенціалів для будь-якого напрямку обходу кола дорівнює нулю − наслідок з другого закону Вольта рис. ЕП 12.2.

Інакше був би порушений закон збереження енергії. Але в колі, складеному з провідників першого роду, неважко порушити рівновагу. Для цього достатньо створити різні температури вздовж кола і особливо в місцях контакту різнорідних провідників.

У колі зявляється термоЕРС

 =  (Т₁ - Т₂), (ЕП 12.1)

де  − коефіцієнт термоЕРС ( питома термоЕРС даної пари металів), який чисельно дорівнює термоЕРС при різниці температур спаїв 1 К.

Явище виникнення ЕРС на контактах різнорідних металів, що мають різну температуру, відкрите Т. І. Зеєбеком 1821 р. і детально вивчене А. Беккерелем, У. Томсоном та київським фізиком П. Авенаріусом, називається термоелектричним явищем (ефектом).

На явищі Т. Зеєбека грунтується термоелектричний метод вимірювання температур. Найпростішою системою провідників, яка може забезпечити виникнення термоЕРС, є термоелемент, або термопара − комбінація двох провідників різного хімічного складу. На рис. ЕП 12. 3 зображені тернопара і гальванометр, призначені для вимірювання температур. Один спай (або місце зварювання) двох різнорідних дротів 1 і 2 вносять туди, де потрібно виміряти температуру, а другий − у термостат (дифереціальна температура).

До вільних кінців термопари приєднують чутливий гальванометр.

Знаючи силу струму, яку показує гальванометр, можна знайти ЕРС термопари. Згідно з законом Ома

 = І(R _г +R _т), (ЕП 12. 2)

де R _г, R _т − опір відповідно гальванометра (зазначений на шкалі приладу) та термопари, який за потреби можна знайти за допомогою моста постійного струму.

Для вимірювання відносно невисоких температур (до 500 °С) часто застосовують тернопари мідь − константан (термоЕРС при температурі холодного спаю 0°С та гарячого – 100 і 500°С становлять відповідно 4,2 і 26,3 мВ).

Прилади та обладнання: термопара, чутливий гальванометр або мікровольтметр; дві посудини для води; електроплитка; з’єднувальні провідники.