Lab_rab_Elektrichestvo_I_Magnetizm

21

1.В чем заключается процесс поляризации диэлектриков?

2.Объяснить механизмы электронной, ионной и дипольной поляризаций и их температурную зависимость.

3.Дать определение диэлектрической проницаемости, диэлектрической восприимчивости, дипольного электрического момента и вектора поляризации.

4.Что такое спонтанная поляризация?

5.Охарактеризовать основные особенности сегнетоэлектриков.

6.Объяснить сущность диэлектрического гистерезиса.

7.Объяснить исчезновение сегнетоэлектрических свойств в сегнетоэлектрике при температурах, выше температуры Кюри.

Библиографический список

1.Курс физики: Учебник для вузов: В 2 т. Т. 1./ ред. В. Н. Лозовский. – СПб.: Лань, 2007. – § 2.19, 2.20.

2.Савельев, И.В. Курс общей физики в 3-х т. Т. 2 / И. В. Савельев. – М.: Наука, 2005. –§ 15, 16, 17, 23.

3.Трофимова, Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова. – М.: Высш. шк., 2001. –

§87, 88, 91.

22

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ ИСТОЧНИКА ТОКА МЕТОДОМ КОМПЕНСАЦИИ

Цель работы: изучение компенсационного метода измерений и определение электродвижущей силы источника тока.

Оборудование: источник тока, резистор, нормальный элемент, исследуемый источник тока, реохорд, ключ, переключатель, гальванометр.

Краткие теоретические сведения

Ток в проводнике может существовать при наличии свободных зарядов и разности потенциалов на концах проводника или между любыми другими точками проводника. В замкнутой цепи постоянный ток существует при наличии, помимо кулоновских, так называемых сторонних сил.

Физическая природа сторонних сил различна. В гальванических элементах - это силы межмолекулярного взаимодействия. Разделение зарядов происходит в результате химических реакций. В фотоэлементах возникновение электродвижущей силы (ЭДС) происходит вследствие взаимодействия света с веществом. В генераторах − за счет электромагнитной индукции. ТермоЭДС возникает по причине различия температурных зависимостей положения уровней Ферми двух контактирующих металлов.

При наличии сторонних сил дифференциальная форма закона Ома имеет

вид:

где j − плотность тока, σ − удельная электропроводность, EK − напряженность поля кулоновских сил, ECT − напряженность поля сторонних сил.

Рассмотрим участок 1-2 замкнутой цепи L , на котором находится источник тока, например, гальванический элемент (рис. 1). Выделим на этом участке малый элемент dl такой, чтобы можно было считать площадь поперечного сечения элемента S неизменной, а поля и плотность тока однородными и направленными вдоль него. Умножим левую и правую части равенства (1) на dl и, учитывая, что

j = IS , где I − сила тока, и σ= 1ρ, где ρ − удельное сопротивление, запишем его в скалярном виде:

24

Таким образом, закон Ома для неоднородного участка электрической цепи запишется в виде

Если перемещать точку 2 вдоль проводника, то она в итоге совпадет с точкой 1. В этом случае ϕ1−ϕ2 = 0 и, следовательно, для замкнутой цепи закон

где (r + R) − полное сопротивление замкнутой цепи, равное сумме внутреннего сопротивления источника тока r и внешнего сопротивления цепи R.

Компенсационный метод

На практике для определения ЭДС источника тока часто используют приближенный метод. Он состоит в том, что к клеммам источника тока присоединяют вольтметр с внутренним сопротивлением RV. Показание прибора приближенно совпадает со значением ЭДС. Действительно, падение напряжения во внешней цепи (показание вольтметра)

U =IR =ε RV .

V V r+RV

Так как во многих случаях RV r , то UV ≈ ε . Недостатком этого мето-

да является необходимость применять для измерения ЭДС вольтметр с большим внутренним сопротивлением.

Для более точного измерения ЭДС можно применить компенсационный метод, суть которого в данном случае заключается в компенсации измеряемой

ЭДС известной разностью потенциалов.

Из (5) имеем, что при I = 0, ϕ2 −ϕ1 = ε . Поэтому отсутствие тока в цепи гальванометра (рис. 2) свидетельствует о том, что ЭДС исследуемого элемента компенсирована разностью потенциалов (падением напряжения) ∆ϕ = ϕA − ϕC

25

на участке АС. Точность измерений по данному методу ограничивается в основном точностью значения эталонной ЭДС и точностью установки 0 на гальвано-

Рис. 2.

метре.

Описание экспериментальной установки

Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из трех участков (рис. 2), один из которых содержит источник тока с измеряемой ЭДС ε X или эталонной ЭДС

ε H , гальванометр и подвижный контакт C. Второй участок AB представляет собой реохорд – струну (стальная проволока) с полным сопротивлением R. Третий содержит вспомогательный источник тока с ЭДС ε.

Рассмотрим работу электрической цепи при условии, что ε > ε X и ε > ε Н. Для определенности будем считать, что в цепь включен сначала испытуемый

элемент ε X. Существует такое положение подвижного контакта реохорда C1, при котором ток в гальванометре отсутствует. Это означает, что разность потенциалов ∆ϕCAмежду точками С и А на реохорде равна ε X:

26

С другой стороны падение напряжение на участке СА ∆ϕCA = IR1 . Ток I через реохорд в момент компенсации (IГ = 0) рассчитывается по закону Ома:

где r − внутреннее сопротивление источника тока ε , R – сопротивление реохорда, R1 − сопротивление участка реохорда AC1.

Из (7) и (8) находим, что

ε= ε R1 . (9)

x R+r

Спомощью переключателя К2 вместо ε X включим в цепь эталонный источник ε Н. Проведя рассуждения, аналогичные вышеизложенным, получим

R 2

Так как струна реохорда однородна, то ее сопротивление

R = ρ LS ,

где ρ − удельное сопротивление струны, L − длина струны, S − площадь поперечного сечения струны. Следовательно, отношение сопротивлений равно отношению длин участков струны

27

где L1 − длина участка струны AC1, L2 − длина участка AC2. Подставляя (12) в (11), получим

Формула (13) позволяет определить ЭДС исследуемого элемента.

Порядок выполнения работы

1.Собрать электрическую цепь согласно рис. 2. Включить ключ K1.

2.Переключателем K2 включить исследуемый источник тока с электродви-

жущей силой ε X. Перемещением подвижного контакта реохорда C найти положение C1, при котором ток в гальванометре отсутствует. Длину участка струны L1 = AC1 записать в табл. 1.

3. Переключателем K2 подключить к цепи нормальный элемент с ЭДС

ε рН . Найти положение подвижного контакта реохорда C2, при котором ток в гальванометре равен нулю. Результат измерения L2 = AC2 записать в табл. 1.

4.Провести измерения последовательно по п.2 и п.3 три раза.

5.Вычислить ε X по формуле εX = εH L1 .

L2

где tα(N) − коэффициент Стьюдента (для надежности α= 0,95 и числа измерений N = 3 он равен 4,3).

28

7.Вычислить ∆L22 по формуле, аналогичной (14).

8.Найти относительную ошибку ε по формуле

где значение отношения ∆εн εн (относительная ошибка) и значение ε Н указаны на лабораторном стенде.

9.Определить абсолютную ошибку ∆ ε x = ε ε x .

10.Окончательные результаты измерений представить в виде

εx =< ε x > ± ∆ε x .

Контрольные вопросы

1.Что называется электрическим током? Каковы условия существования тока? Дайте определение силы и плотности тока.

2.Вывести закон Ома для замкнутой цепи. Дать определение ЭДС. Какова природа сторонних сил?

3.Почему метод измерения называется компенсационным?

4.От чего зависит сопротивление проводника?

5.Укажите условия отсутствия тока в гальванометре.

Библиографический список

1.Курс физики: Учебник для вузов: В 2 т. Т. 1./ ред. В. Н. Лозовский. – СПб.: Лань, 2007. – § 2.28, 2.30, 2.33, 2.34

2.Савельев, И.В. Курс общей физики в 3-х т. Т. 2 / И. В. Савельев. – М.: Наука, 2005. – § 31, 33, 34, 36.

3.Трофимова, Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова. – М.: Высш. шк., 2001. –

§96, 98, 101.

29

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КПД ИСТОЧНИКА ТОКА И ЕГО МОЩНОСТИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СОПРОТИВЛЕНИЯ НАГРУЗКИ

Цель работы: исследование зависимости коэффициента полезного действия источника тока, полной мощности и мощности, выделяемой во внешней цепи, от сопротивления внешней цепи; определение сопротивления внешней цепи, при котором мощность, выделяемая во внешней цепи, будет максимальной; определение внутреннего сопротивления исследуемого источника тока, определение ЭДС источника тока.

Оборудование: два источника тока с добавочными резисторами, амперметр, вольтметр, магазин резисторов, соединительные провода.

Краткие теоретические сведения

Рассмотрим электрическую цепь постоянного тока, состоящую из источ-

ника тока с электродвижущей силой ε , внутренним сопротивлением r и сопротивлением внешней цепи R (рис. 1).

Полная мощность, выделяемая в такой цепи, равна сумме мощностей, выделенных на внешнем и внутреннем участках цепи: P = PR+Pr, где P = Iε − мощность, выделенная во всей цепи (полная мощность); PR = IUR − мощность, выделенная на внешнем участке цепи (полезная мощность); Pr = IUr − мощность, выделенная внутри источника тока (потери мощности).

В этих формулах UR = IR, и Ur = Ir соответственно падения напряжения на внешнем и внутреннем участках цепи; I − сила тока, которая может быть найдена по закону Ома для замкнутой цепи,

30

Когда I → 0, UR → E

Для мощности, выделенной во всей цепи, получим

Как видно из формул (4) и (5), мощность, выделенная во внешней цепи, и полная мощность источника тока зависят от ЭДС источника, его внутреннего сопротивления и сопротивления внешней цепи. Так как ЭДС источника и его внутреннее сопротивление, являющиеся характеристиками источника тока, не изменяются, то можно сказать, что как полная мощность, так и мощность, выделенная во внешней цепи, являются функциями сопротивления нагрузки R, т.е.

PR = f1 (R), P = f2 (R).

принимает максимальное значение. Дифференцируя (5) по R и приравнивая нулю, получим:

Так как ЭДС источника ε ≠ 0 , то R= r.

Итак, выделяемая во внешней цепи мощность максимальна, если внешнее

сопротивление цепи равно внутреннему сопротивлению источника тока.

Любой источник тока можно охарактеризовать коэффициентом полезного действия (КПД)