Тарасов ЭУМК_Физика_бак_1_2 / 4 - лаб раб / II семестр / Лабораторная работа № 10

2

Лабораторная работа № 10

ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ

МЕТОДОМ КОМПЕНСАЦИИ

Цель работы: ознакомление с одним из методов измерения электродвижущих сил (ЭДС).

1. Введение

Направленное движение зарядов в цепях электрического тока может происходить под действием как электростатических (кулоновских) сил, так и под действием сил иного происхождения (сторонних). Действие этих сил можно охарактеризовать работой, которую они совершают над перемещающимися по цепи зарядами. Работа, совершаемая кулоновскими силами при переносе единичного положительного точечного заряда из точки 1 в точку 2 цепи (рис. 1), называется разно-

стью потенциалов между точками 1 и 2:

Электродвижущей силой (ЭДС) на участке цепи 1-2 (РИС. 1) называется работа сторонних (неэлектростатических) сил по перемещению единичного положительного точечного заряда из точки 1 в точку 2 на участке цепи:

Напряжением на участке цепи 1-2 называется физическая величина U12, равная суммарной работе всех сил по переносу единичного положительного точечного заряда из точки 1 в точку 2:

Рис. 1

Согласно обобщённому закону Ома для участка цепи напряжение цепи равно произведению силы тока на сопротивление этого участка:

где R12 – суммарное сопротивление данного участка, I12 – сила тока, текущего по этому участку цепи.

Пользуясь обобщённым законом Ома, нужно соблюдать правило знаков, согласно которому ЭДС источника, включённого на участке цепи 1-2 положительна, если направление обхода от 1 к 2 соответствует направлению движения от катода к аноду внутри источника. На примере РИС. 1 e12 > 0.

3

2. Описание установки и метода измерений

Сущность метода компенсации заключается в том, что неизвестная ЭДС компенсируется равной по величине и противоположной по знаку разностью потенциалов, так что ток на участке с исследуемой ЭДС равен нулю.

Принципиальная схема данного метода измерения ЭДС изображена на РИС. 2. Здесь е – вспомогательный источник, ЭДС которого заведомо больше ЭДС иссле-

дуемого элемента ех; Rx, R – внешние сопротивления; r0, rх – внутренние сопротивления источников; Г – гальванометр.

+ ex

Рис. 2

Компенсация возможна только в том случае, если е и еx включены одноимёнными

полюсами навстречу друг другу. Если е > ех, то всегда можно подобрать такое положение подвижного контакта В, при котором тока в цепи гальванометра не будет. Обозначим установившиеся значения токов на всех участках при некотором

положении контакта В через I, i, и I1 (РИС. 1). Тогда согласно обобщённому закону Ома для участка ВехА (при направлении обхода от В к А) получим

Rг – сопротивление гальванометра. Изменив положение контакта В, добиваемся

где Rx – сопротивление участка АВ в момент компенсации. Так как в условиях

компенсации ток в точках А и В не разветвляется (i = 0 в цепи АехВ), токи I и I1 равны (РИС. 1). На основании закона Ома для замкнутой цепи АВСеА

ных проводов можно пренебречь). Таким образом,

или с учётом (5)

3ная е вспомогательного источника, можно найти ех. Ввиду непостоянства величины е обычных источников (аккумуляторов, гальванических элементов) и наличия у них неизвестного внутреннего сопротивления r0 приходится отказаться от непосредственного применения формулы (6), а ввести сравнение с одним и тем же эталонным источником. Таким источником является нормальный элемент, электродами которого служат кадмий и ртуть, а электролитом – насыщенный

раствор сернокислого кадмия. ЭДС нормального элемента eN мало изменяется с течением времени и в интервале комнатных температур практически не зависит от температуры;

Для сравнения элемента ех с элементом eN проводят ещё раз компенсационное измерение, заменив исследуемый элемент нормальным элементом. Отсутствию

тока в цепи нормального элемента AeNB будет соответствовать новое положение контакта В. Тогда согласно (6)

где RN – значение сопротивления участка АВ, при котором наступает компенсация для элемента еN. Разделив (6) на (7), получим

Так как участок цепи ABC представляет однородную струну с постоянным сечением (реохорд), то отношение Rx/RN можно заменить отношением соответствующих

3. Порядок выполнения работы

1. Собирают измерительную цепь, представленную на РИС. 3. Вспомогательным источником е служит блок питания УБП; АВС – реохорд; Г – гальванометр; К – кнопочный ключ; П – переключатель, позволяющий поочерёдно включать или

элемент ех или элемент eN; Rбал – балластное сопротивление, необходимое для предохранения нормального элемента и гальванометра от излишне большого то-

ка в них в случае отсутствия компенсации (через Г и еN можно пропускать токи порядка 10–5 А).

+ex

+ eN

Рис. 3

2.Проверяют правильность включения полюсов всех трёх источников.

3.Устанавливают переключатель П в положение при котором включён элемент

ех.

4.Замыкают на короткое время ключ К и наблюдают отклонение стрелки гальванометра. Перемещают контакт В, при каждом новом его положении замыкают на короткое время ключ К. Так продолжают до тех пор, пока стрелка гальванометра не остановится на нуле.

5.При достижении компенсации записывают значение lx длины участка АВ струны.

6.Опыт проделывают 5 раз. Для учёта погрешности, связанной с неточностью компенсации, сначала добиваются компенсации перемещением контакта слева направо. Далее, нарушив компенсацию, вновь находят положение контакта, при котором ток в гальванометре равен нулю, только теперь путём перемещения контакта справа налево.

7.Повторяют для элемента еN все действия, указанные в ПП. 4-6 и записывают значения lN.

4. Обработка результатов измерений

е 2 В; eN = 1,0183 В

Таблица 1

1.Находят средние значения lх и lN.

2.По средним значениям с помощью формулы (7) вычисляют ЭДС элемента ех.

3.Рассчитывают случайные погрешности измерения lх и lN. По обычным правилам рассчитывают погрешности lх и lN:

lx lx2сл lxприб2 ; lN lN2сл lNприб2 .