Порядок выполнения работы

1. Подготовьте к работе цифровой вольтметр в соответствии с инструкцией по эксплуатации, находящейся на лабораторном столе.

2. Подключите вольтметр к клеммам Г и Д.

3. Реохорд включите в цепь с помощью перемычек (соедините попарно клеммы АА, ДД и ВВ на реохорде и в измерительной цепи).

4. Включите лабораторный стенд тумблером, расположенным в левой части передней стенки.

5. Перемычкой закоротите сопротивления R₁ и R₂, оставив включенным сопротивление R₃ (соединить клеммы 1 и 3).

6. С помощью переключателя S₁ включите источник с неизвестной ЭДС E_x (перевести переключатель в нижнее положение).

7. Вращением ручки кругового реохорда добейтесь нулевого показания вольтметра. Отсчитайте по шкале реохорда от нуля до стрелки длину левого ₁ плеча АД и запишите ее в табл. 4.1.

8. C помощью переключателя S₁ включите источник с известной ЭДС E₀ (перевести переключатель в верхнее положение).

9. Добейтесь нулевого показания вольтметра и определите длину левого ₂ плеча АД кругового реохорда.

10. Для второго опыта закоротите перемычкой только сопротивление R₁ (соединить клеммы 1 и 2), оставив включенными (R₃+R₂), и повторите пункты 6 - 9 для каждого из элементов E_x и E₀.

11. Третий опыт проводится при сопротивлениях (R₁+R₂+R₃) цепи, для чего перемычка убирается совсем. Результаты запишите в табл. 4.1.

12. Измерьте цифровым вольтметром ЭДС известного и неизвестного источников. Для этого подключите вольтметр к клеммам А и Г. Источники переключаются тумблером S₁. Показания вольтметра запишите под таблицей.

Таблица 4. 1

Результаты измерений

Rн	1, дел. шкалы	2 дел. шкалы	Ex, В	Ex, В
R3 R3+R2 R1+R2+R3
Средние значения

Во всех трех случаях вычислите ЭДС неизвестного элемента E_x по формуле (2.04.5). Определите среднее значение E_x, средние абсолютную и относительную погрешности. Окончательный результат запишите в виде:

. (2.04.6)

Сравните значение ЭДС неизвестного источника, измеренное методом компенсации, со значением, полученным с помощью цифрового вольтметра.

Контрольные вопросы

1. Что называется электродвижущей силой источника тока?

2. Что такое сторонние силы?

3. Назовите способы измерения ЭДС.

4. Какова природа ошибки, допускаемой при измерении ЭДС источника тока с помощью вольтметра?

5. В чем заключается метод компенсации и каковы его достоинства?

6. Приведите принципиальную схему электрической цепи для измерения ЭДС методом компенсации. Поясните порядок проведения измерений.

7. Выведите расчетную формулу для определения E_x.

8. Какому условию должна удовлетворять в этой установке величина ЭДС источника тока, служащего для питания цепи?

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Зисман Г. А., Тодес О. М. Курс общей физики. Т 2 М.: Наука, 1974. 336 с.

Физический практикум. Электричество и оптика /Под ред. В. И. Ивероновой. М.: Наука, 1968. 815 с.

Лабораторная работа № 2.05 определение сопротивлений проводников с помощью моста уитстона

Цель работы

Целью работы является изучение законов постоянного тока на примере классического метода измерения сопротивления проводников с помощью мостовой схемы и определение удельного сопротивления материала проводника.

Краткая теория

Электросопротивление проводника – это скалярная физическая величина, характеризующая его электропроводящие свойства. Сопротивление проводника зависит от его формы, размеров и электроповодящих свойств материала, из которого изготовлен проводник. В простейшем случае однородного проводника с постоянным поперечным сечением, сопротивление проводника определяется следующим образом:

, (2.05.1)

где – удельное сопротивление материала проводника, – длина проводника; S – площадь его поперечного сечения.

Из формулы (2.05.1) можно выразить удельное сопротивление:

, (2.05.2)

откуда видно, что удельное сопротивление численно равно сопротивлению проводника единичной длины, имеющего площадь поперечного сечения, равную единице площади. В системе СИ удельное сопротивление измеряют в омметрах (Ом·м).

Одним из методов измерения сопротивления является метод моста Уитстона.

Мост Уитстона состоит из четырех сопротивлений – плеч , которые соединены между собой так, что образуют замкнутый четырехугольник. К двум противоположным его угламА и В подключают полюса источника постоянного тока E, а к двум другим С и Д подсоединяют чувствительный гальванометр или измеритель разности потенциалов. Принципиальная схема моста Уитстона изображена на рис. 10.

Если мост подключен к источникуЕ, по участку моста СД вследствие неравенства потенциалов точек С и Д может протекать электрический ток и стрелка гальванометра отклонится. Для того, чтобы на участке СД ток отсутствовал, необходимо равенство потенциалов точек С и Д (условие равновесия моста).

Изменять разность потенциалов между точками С и Д можно таким способом: в качестве участка АДВ включается калиброванная проволока (реохорд) со скользящим контактом Д. Реохорд снабжен шкалой. Перемещая движок реохорда, можно добиться отсутствия тока на участке СД, что будет зарегистрировано гальванометром. Обозначим силу тока, текущего на участке АДВ через I₁, а на участке АСВ – через I₂. Для каждого из четырех плеч реохорда запишем уравнения по закону Ома:

(2.05.3)

где ,,,– потенциалы точек А, С, В, Д соответственно.

При отсутствии тока через гальванометр . Следовательно, можно записать:

, , (2.05.4)

откуда

. (2.05.5)

Таким образом, условие равновесия моста определяется только соотношением плеч реохорда и не зависит от электродвижущей силы источника, питающего цепь.

Так как проволока, из которой изготовлен реохорд АДВ, однородна и имеет по всей длине одинаковое сечение, то сопротивления R_АД и R_ДВ пропорциональны соответствующим длинам плеч ₁ и ₂ реохорда. Поэтому (2.05.5) можно переписать в виде:

, (2.05.6)

откуда неизвестное сопротивление:

. (2.05.7)

С другой стороны, сопротивление проводника можно выразить, зная его форму, размер и материал, из которого изготовлен проводник.

, (2.05.8)

где d – диаметр проводника.

Отсюда удельное сопротивление исследуемого проводника:

. (2.05.9)

В табл. 5.1 приведены значения удельного сопротивления некоторых проводников при комнатной температуре.

Таблица 5.1.