metod_uk_3sem / Электричество(21-27) PDF / МЕТ. 22

УДК 53(075) Б-

ББК 22.3 Я7

Богданов Н.П. Определение электродвижущей силы элемента компенсационным методом: М е- тодические указания. - Ухта: УИИ, 1998. - с., ил.

Методические указания предназначены для выполнения лабораторной работы по физике по т е- ме «Постоянный ток» для студентов специальностей 290700, 290300 и направлению 5500100.

Рецензент: Серов И.К., старший преподаватель кафедры физики Ухтинского индустриального института.

Редактор: Северова Н.А., старший преподаватель кафедры физики.

В методических указаниях учтены предложения рецензента и редактора.

План 1998 г., позиция .

Подписано в печать . . 98 г. Компьютерный набор. Объем с. Тираж 30 экз. Заказ №

Ухтинский индустриальный институт, 1998 169400, г. Ухта, ул. Первомайская, 13.

Отдел оперативной полиграфии УИИ. 169400, г. Ухта, ул. Первомайская, 13

Определение электродвижущей силы элемента компенсационным методом

Краткая теория

1. Электродвижущая сила.

Если в проводнике создать электрическое поле и не принять мер для его поддержания, то перемещение носителей заряда приведет очень быстро к тому, что поле внутри проводника исчезнет и, следовательно, ток прекрати тся. Для того, чтобы поддерживать ток длительное время, нужно от конца проводника с меньшим потенциалом непрерывно отводить приносимые сюда заряды, а к концу с большим потенциалом непрерывно их подводить (рис.1). Иными словами, нео б-

ния , т.е. против сил электростатического поля (см. изображенную пунктиром часть цепи на рис.1). Перемещение нос и-

телей на этих участках возможно лишь с помощью сил неэлектростатического происхождения, называемых сторонними силами.

Таким образом, для поддержания тока необходимы сторонние силы, дейс т- вующие либо на всем протяжении цепи, либо на отдельных ее участках. Они м о- гут быть обусловлены химическими процессами, диффузией носителей зар яда в неоднородной среде или через границу двух однородных веществ, электрическ и- ми (но не электростатическими) полями, порождаемыми меняющимися во врем е- ни магнитными полями и т.д.

Сторонние силы можно охарактеризовать работой, которую они совершают над перемещающимися по цепи зарядами.

Величина, равная работе сторонних сил, отнесенной к единице полож и- тельного заряда, называется электродвижущей силой (э.д.с.) , действующей в цепи или на ее участке.

Следовательно, если работа сторонних сил над зарядом q равна А, то по оп-

Размерность э.д.с. совпадает с размерностью потенциала, поэтому измеряется в тех же единицах, что и (В).

По закону Ома для замкнутой цепи (рис.2)

где R - сопротивление внешней цепи, r - внутреннее сопротивление источника т о-

где IR и Ir - падение напряжения на внешнем и внутреннем участках цепи. При R , = IR = U

Измерение с помощью вольтметра R производится в тех случаях, когда не тр е-

буется большая точность.

2. Метод компенсации

Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из источника тока и внешнего сопротивления R, представляющего из себя отрезок пр оволоки с большим удельным сопротивлением.

Если определяемая э.д.с. к меньше падения напряжения на сопротивлении R, т.е. если х < UАВ, то на сопротивлении R можно найти такую точку Сх при подключении к которой гальванометр покажет отсутствие тока в цепи источника

х.

Отсутствие тока говорит о том, что э.д.с. исслед уемого элемента оказалась скомпенсированной равной по величине и противоположной по знаку разн остью потенциалов (напряжением) между точками А и С.

Подключим вместо источника с неизвестной э.д.с. х источник 0 э.д.с. которого известна с большей степенью точности.

При условии 0 < UАВ на сопротивлении R можно найти другую точку С0, при подключении к которой гальванометр также покажет отсутстви е тока в цепи элемента 0.

Для найденного положения точки С 0.

Разделим равенства (6) и (7) почленно

Так как сопротивление проволоки пропорционально ее длине, то в формуле

(8) отношение сопротивлений можно заменить отношением соответствующих длин, и формула для определения х принимает вид

Полученная формула является расчетной для данной работы.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА И ПРИБОРЫ

Электрическая схема установки представлена на рис.4.

Здесь - вспомогательная батарея или селеновый выпрямитель с э.д.с. порядка 4В. Служит для создания напряжения на реохорде АВ.

АВ - реохорд с подвижным контактом С - калиброванная проволока с большим удельным сопротивлением, закреплена на шкале длиной 0,5 м с ценой деления 1 мм.

R - реостат ползунковый для изменения величины тока текущего по реохо р- ду. Позволяет изменять напряжение между точками А и В.

RД

Г

К1

грубо точно

Рис.4.

К - пластинчатый ключ.

х - исследуемый элемент, э.д.с. которого определяется.

0 - эталонный элемент, э.д.с. которого известна с большой степенью

точности (нормальный ртутно-кадмиевый элемент Вестона с э.д.с. 1,0185 0,0002 В.

П - двухполюсный переключатель источников тока х и 0.

Г - стрелочный гальванометр с нулем в центре шкалы, показыва ю- щий наличие или отсутствие тока в цепи источников х и 0.

Rд - добавочное сопротивление к гальванометру для защиты его от больших токов.

К1 - выключатель добавочного сопротивления. В разом кнутом положении ключа К1 (грубо) ток через гальванометр ослабляется добавочным сопротивлением RД. Точка компенсации определяется грубо, ориентир о- вочно. В замкнутом положении ключа К 1 ток через гальванометр не ослабляется. Точка компенсации определяется то чно.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1. Соберите электрическую цепь согласно рис.4., начиная сборку с цепи вспомогательной батареи.

Подключите к переключателю П источники х и 0 с соблюдением полярности.

Соберите цепь гальванометра. Ключ К 1 в положении «грубо».

2.Уменьшите до нуля сопротивление реостата. Включите питание вспом о- гательной батареи. Движок потенциометра (реохорда) установите вблизи точки В.

3.Переключатель П поставьте в положение х . Замкните на короткое время (0,5 1 с) ключ К. Пронаблюдайте отклонение стрелки гальванометра.

Переведите переключатель П в положение 0 и снова замкните ключ К. Отклонение стрелки должно быть односторонним.

4.Переместите движок реохорда к точке А. Замкните ключ К. Отклонение

стрелки должно быть противоположным и дл я источника х и для источника 0. Если этого нет, то надо искать ошибку в сборке цепи или в подборе исто ч-

ников тока.

5. Перемещением движка реохорда С и кратковременным замыканием ключа К найдите точку компенсации для элемента х сначала в положении ключа К1 «грубо», а затем «точно». Аналогично найдите точку компенсации для элеме н- та 0. Полученные результаты занесите в таблицу. В дальнейшем ключ К 1 можно оставить в положении «точно».

6.Переместите движок реостата R на 1/4 его длины и проведите повторные опыты по нахождению точки компенсации для элементов х и 0.

7.Перемещая ступенями движок реостата R проведите еще 3 опыта. Последнее измерение проводится при полностью введенном реостате.

8.По результатам измерений xi и 0i вычислите 5 значений э.д.с. иссле-

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что такое электродвижущая сила элемента ?

2.Сформулируйте законы Ома.

3.Методы измерения электродвижущей силы.

4.Сущность метода компенсации.

5.Объясните назначение реостата в цепи реохорда.

6.Назначение добавочного сопротивления RД и ключа К1.