Контрольные вопросы

1. Что называется емкостью, и в каких единицах она измеряется?

2. Конденсатор заряжается от источника с напряжением U0 через

сопротивление R. Найдите законы U(t), q(t), I(t).

3. Как зависит угол наклона прямой

ln I ft

от емкости

конденсатора, от величины разрядного сопротивления?

4. Выведите выражение для суммарной емкости параллельного

соединения двух конденсаторов.

5. Как

перераспределяются

заряды

между

параллельно

соединенными конденсаторами?

6. Как меняется напряженность поля конденсатора при его разрядке?

7. Как меняется энергия конденсатора при его разрядке?

18

2

2

U 0

b

a



 ,

Лабораторная работа № 2.4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭДС ИСТОЧНИКА ПОСТОЯННОГО ТОКА

МЕТОДОМ КОМПЕНСАЦИИ

Цель работы: ознакомиться с мостовым методом измерения ЭДС

источника постоянного тока.

Теоретические сведения

Источник

тока

представляет

собой

источник

сторонних

электродвижущих сил (ЭДС). Его функция заключается в разделении

положительных и отрицательных зарядов, которые затем перемещаются на

соответствующие электроды. Если теперь источник тока включить в цепь,

то по закону Кулона заряды электродов будут действовать на заряды

проводника, находящиеся вблизи электродов, которые в свою очередь

действуют на другие заряды, и т. д. В результате на поверхности

проводника создастся такое распределение электрических зарядов, которое

обеспечивает существование электрического поля внутри проводника, и,

следовательно, постоянного электрического тока.

Существование электрического тока внутри проводника говорит о том,

что электродвижущая сила не является электростатической. Действительно,

электростатическое поле является потенциальным, следовательно, работа

поля по замкнутому контуру равна нулю, и ток не может существовать.

Таким образом, сторонней ЭДС можно назвать неэлектростатическую силу,

производящую разделение зарядов. Эта сила может иметь механическую,

электромагнитную, химическую и другую природу.

Наиболее

распространенными

источниками

постоянного

тока

являются гальванические элементы и аккумуляторы.

Гальваническим элементом называется раствор с помещенными в

него двумя электродами, изготовленными из разных металлов. Разность их

электрохимических потенциалов равна электродвижущей силе элемента.

Следует заметить, что электрохимические потенциалы зависят не только

от самих металлов, но и от жидкости и концентрации ионов металла в

растворе. Поэтому условились брать раствор, содержащий 1 моль ионов

металла в 1 л, деленный на валентность иона.

19

В аккумуляторе вещества, расходуемые при работе в качестве

источника тока, накапливаются при пропускании через него постоянного

тока. Наиболее распространенным является свинцовый аккумулятор. Он

представляет собой две свинцовые пластины, опущенные в раствор серной

кислоты. У заряженного аккумулятора одна пластина окисляется до

перекиси PbO2, другая представляет собой чистый свинец, а электролит

состоит из серной кислоты, насыщенной солью PbSO4. В рабочем режиме

первая

пластина

является

положительным

полюсом,

вторая

—

отрицательным. При работе пластина из чистого свинца покрывается

сернокислым свинцом, и аккумулятор разряжается. При максимальной

зарядке ЭДС свинцового аккумулятора равна примерно 2,7 В, но уже при

небольшой разрядке она уменьшается до 2,2 В и сохраняется на этом

уровне длительное время, постепенно уменьшаясь в процессе работы.

В лабораторной работе предлагается измерить ЭДС нормального

гальванического элемента методом компенсации. Этот метод основан на

использовании

правил

Кирхгофа.

На

рис. 4.1

представлена

принципиальная схема реализации метода.

Применим правила Кирхгофа для случая включения в схему с

помощью переключателя П эталонной ЭДС э .

Для узлов А и В согласно первому правилу

I2 = I0 + I1 .

(4.1)

Рис. 4.1. Схема метода компенсации. В схеме два источника 0 и э (или x )

включены навстречу друг другу

20

При обходе верхнего и нижнего контуров схемы по часовой стрелке

согласно второму правилу Кирхгофа получим еще два уравнения

I 0r0 I 2 R2 I 0 R1 0 и I 2 R2 I1rэ I1R Г э ,

(4.2)

где rэ — сопротивление эталонного источника; RГ — сопротивление

гальванометра.

При 0 э можно найти такое соотношение между R1э и R2э (R1э и

R2э сопротивления R1 и R2 при включении эталонного источника), при

котором ток через гальванометр будет равен нулю. Для этой ситуации

система уравнений сводится к двум

Из них имеем

I 0r0 R2 э R1э 0 и I 0 R2 э э .

(4.3)

 э

 0



R2э

r0 R2э R1э

.

(4.4)

Все выкладки сохраняются при замене эталонного источника на

исследуемый с х . Естественно, что нулевое значение тока через

гальванометр будет достигнуто при ином соотношении между R1x и R2x (R1x

и R2x сопротивления R1 и R2 при включении исследуемого источника), а

также при выполнении условия 0 х . В этом случае

 х

 0



R2 х

r0 R2 х R1х

.

(4.5)

Если серию измерений провести так, чтобы в ней были неизменны

 0 и сумма сопротивлений R1э + R2э = R1x + R2x, то

 хэ

R2 x

R2 э

.

(4.6)

При очень точных измерениях в качестве R1 и R2 используют

спаренные магазины сопротивлений таким образом, что декадные

переключатели их соединены, и на сколько одно сопротивление

увеличивается, на столько другое сопротивление уменьшается. За счет

такого соединения переключателей сумма сопротивлений R = R1 + R2

21

остается неизменной. При точности измерений более одного процента

магазины сопротивлений заменяют проволочными реохордами.

Обратите внимание на то, что получаемый при описанном методе

результат не зависит ни от внутренних сопротивлений всех трех

источников, ни от ЭДС 0 вспомогательного источника, ни от значений

сопротивлений цепи.