Описание установки и метода измерения

В работе используют широкий сосуд, куда наливается водопроводная вода, опускаются электроды. Чтобы избежать поляризации электродов на них подается переменное напряжение 12 В с выпрямителя ВС-24. Для измерения разности требуется вольтметр с внутренним сопротивлением значительно большим сопротивления слабопроводящей среды. Этому требованию наилучшим образом удовлетворяет электронный вольтметр.

Рис.1.

Зная распределение потенциалов, можно определить напряжённость по формуле:

Для однородного поля, если направлена в сторону оси ох, формула примет более простой вид:

(5)

Причём для любых трёх точек поля имеет место соотношение

.

По теореме Остроградского – Гаусса можно выразить поверхностную плотность зарядов через напряжённость. Для плоского бесконечно длинного электрода

.

Выполнение работы

1. Соберите установку по рис. 1. Налейте в ванную воду и с помощью регулировочных винтов, до установите ванную горизонтально. Уровень воды в ванне должен составлять 3…5 см.

2. Установите плоские электроды на расстоянии 6...18 см друг от друга. Подготовьте на бумаге в масштабе 1:2 или 1:1 координатную сетку, изобразите на ней электроды. Включите электронный вольтметр, дайте ему прогреться 5...10 мин, подготовьте его к работе.

3. Расположите зонд вблизи электрода, плавно увеличивайте напряжение, пока вольтметр не покажет 6…8 В.

4. Держа зонд вертикально, перемещайте его вблизи электрода В. Найдите точку с потенциалом ₁ = 1 В, переместите зонд на 2…3 см. вдоль электрода В. Найдите точку с таким же потенциалом ₁ = 1 В. Таким же способом отыщите ещё несколько точек с потенциалом ₁ = 1 В.

Все найденные точки являются точками эквипотенциальной поверхности. Нанесите их на координатную сетку и соедините.

1. Аналогично строятся линии эквипотенциальных поверхностей с потенциалами ₂ = 2 В, ₂ = 2 В, ₃ = 3 В, и т.д.

2. Вычислите напряжённость поля между электродами по формуле (5) и поверхностную плотность зарядов

(6)

Контрольные вопросы

1. Что называют напряжённостью электростатического поля в данной точке?

2. Что называют потенциалом электростатического поля в данной точке?

3. Дайте определение потенциальности поля и приведите примеры потенциальных и непотенциальных полей.

4. Какова взаимная ориентация поверхностей равного потенциала и линий напряженности в электростатическом поле? Как объяснить такую ориентацию?

5. Выведите формулы напряжённости электростатических полей внутри плоского и цилиндрического конденсаторов.

6. Почему в работе используется электронный вольтметр?

7. Изменится ли результат опыта, если в лабораторной установке вместо воды использовать слобопроводящие среды: мокрый песок, растворы солей, электропроводящую бумагу?

Задание по уирс

Рассчитайте напряженность поля между двумя цилиндрами.

Работа №3.

Исследование условий эксплуатации химических источников тока

Приборы и принадлежности: исследуемый химический источник тока, амперметр, вольтметр, реостат, ключи (2 шт).

Теоретическое введение

Химические источники тока бывают двух типов: первичные (например, элемент Лёкланше), в которых электрическая энергия получается за счёт необратимых химических процессов в частности, благодаря возникновению потенциала в месте соприкосновения металла с электролитом; вторичные (аккумуляторы), в которых электрическая энергия накапливается в результате обратимого химического процесса.

В настоящее время химические источники тока не утратили своей значимости. Они находят применение, например, в передвижных энергетических установках и в стационарных маломощных установках, например, для питания бытовой транзисторной аппаратуры.

Химические источники тока кроме ЭДС характеризуются ёмкостью. Ёмкость выражается значением заряда, который может дать источник при разрядке нормальным током, обычно указанным в паспорте, до минимально допустимого значения ЭДС. Ёмкость источника измеряется в ампер-часах. Ампер-час (А.ч.) – это электрический заряд, переносимый током в 1 А в течение 1 часа. Ёмкость источника тем больше, чем больше площадь электродов.

Химические источники тока так же характеризуются КПД, который определяется отношением полезной мощности к полной и выражается в процентах:

(1)

Полную мощность, т.е. мощность, развиваемую источником, можно найти, взяв производную от работы сторонних сил источника А_стор = Q по времени t

(2)

На нагрузке, к которой подключен источник тока, выделяется лишь часть этой мощности

(3)

Итак (4)

Исследуем зависимость полезной мощности и КПД от силы тока I.

Так как и , т.е. . Подставляя в (3) значение U, получим

(5)

Графически эта зависимость изображается параболой (см. рис. 1 кривая P(I)). Из формулы (5) видно, что мощность равна нулю (P = 0) в двух случаях, когда I = 0, т.е. цепь разомкнута и когда R = 0, наступает короткое замыкание

(6).

Для определения условия, при котором мощность максимальна, исследуем формулу (5) на экстремум.

при I = I₀, (7)

где .

Мощность максимальна. При этом условии внутреннее сопротивления равны R = r.

Исследуем условие максимума КПД:

зависимость – линейная (см. кривую (I)). При разомкнутой цепи I = 0 КПД максимален ( = 1). При коротком замыкании КПД равен нулю. При наибольшей мощности и КПД равен 0,5

.

Таким образом, условия получения наибольшей полезной мощности и наибольшего КПД несовместимы.