Лабораторные работы по физики

Изучение движения тела по окружности под действием сил упругости и тяжести
Изучение закона сохранения механической энергии
Наблюдение зависимости скорости диффузии в жидкости от температуры
Проверка изотермического процесса
Определение относительной влажности воздуха
Определение мощности лампочки накаливания
Наблюдение и анализ явления электромагнитной индукции
Определение показателя преломления стекла
Наблюдение и объяснение полного отражения света
Определение световой волны света с помощью дифракционной решетки
 

Лабораторная работА № 5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭДС ИСТОЧНИКА ТОКА КОМПЕНСАЦИОННЫМ МЕТОДОМ 

Цель работы: ознакомиться с компенсационным методом измерения ЭДС.

Приборы и принадлежности: нормальный элемент с ЭДС eN, исследуемый источник eх, вспомогательная батарея e, потенциометр ПП-63, проводники, гальванометр Г (eN, e и Г часто вмонтированы в потенциометр), делитель напряжения, ключ.

Сведения из теории

Если на концах проводника сопротивлением R (рис. 5.1,а) имеется разность потенциалов j1 - j2, то по проводнику течет ток. Чтобы ток некоторое время был неизменным, разность потенциалов в течение этого времени надо поддерживать постоянной. Это значит, что положительные заряды, приходящие в точку 2, необходимо каким-то образом перемещать обратно в точку 1, где потенциал j1>j2. Силы электрического поля сделать этого не могут, так как они направлены в сторону меньшего потенциала. Следовательно, работу по перемещению положительных зарядов из точки 2 в точку 1 могут совершать только силы неэлектрического происхождения (например, механические силы, силы химической природы и т. д.). Эти силы называются сторонними.

  Рис. 5.1 Рис.5.2

Указанную работу практически выполняют источники тока, включаемые в цепь (рис. 5.1, б). Именно сторонние силы источника и перемещают положительные заряды от меньшего потенциала (клемма “–”) к большему (клемма “+”).

Важной характеристикой, связанной с работой сторонних сил источника тока, является величина, называемая электродвижущей силой. ЭДС источника численно равна работе, которую совершают сторонние силы при перемещении единицы положительного заряда с клеммы “–” на клемму “+” внутри источника. Нужно, однако, иметь в виду, что хотя заряды по внешней цепи перемещаются под влиянием электрического поля, само поле (разность потенциалов на внешнем участке) и создается за счет работы сторонних сил. Чем больше ЭДС источника, тем большую работу может совершить ток в цепи этого источника.

ЭДС источника измеряется в вольтах и совпадает с разностью потенциалов на клеммах источника при разомкнутой цепи. Действительно, запишем закон Ома для замкнутой цепи (см. рис.5.1, б)

и для участка цепи

.

Сравнивая эти формулы, получим

.

Отсюда следует, что, когда по цепи течет ток, разность потенциалов между полюсами источника  меньше его ЭДС. При разомкнутой цепи (R ® ¥) e = j1 - j2 .

Одним из простых и надежных методов измерения ЭДС является так называемый компенсационный метод. Электрическая цепь реализации этого метода изображена на рис. 5.2, где eх - источник с неизвестной ЭДС, eN - нормальный элемент (с известной ЭДС), e - вспомогательная батарея. Предполагается, что eN < e  и eх < e. При замыкании ключа К1 через реостат R течет ток. Если при этом переключатель П замкнут на eN, то ток пойдет и через гальванометр Г.

Запишем первое правило Кирхгофа для узла b (см. рис. 5.2):

I + Ir - I1 = 0, (5.1)

и второе правило Кирхгофа для контура аeNba :

 I rаb - Ir (r + rг) = eN , (5.2)

где r - внутреннее сопротивление источника eN ; rг - сопротивление гальванометра.

Перемещая точку b, можно подобрать такое Rаb = R¢аb , при котором ток через гальванометр не идет: Ir = 0. В этом случае

I R¢а,b = eN . (5.3)

(ЭДС eN компенсируется падением напряжения на участке ab - частью ЭДС e ). Если переключатель П перебросить на eх, то, передвигая точку b, можно подобрать такое сопротивление Rаb = R¢¢аb, при котором Iг = 0. В этом случае

I R¢¢аb = e х. (5.4)

Разделив уравнение (5.3) на (5.4), получим , откуда

,  (5.5)

т.е. для определения eх достаточно знать eN и отношение R¢¢ab / R¢’ ab.

Принцип работы потенциометра

Потенциометры - приборы для измерения ЭДС источников тока, термо-ЭДС и для некоторых других целей. Принцип их работы основан на компенсационном методе. В данной работе используется потенциометр ПП- 63.

Лицевая панель прибора изображена на рис. 5.3, где зажимы НЭ, БП, Х служат для подключения нормального элемента eN, батареи питания e и источника с неизвестной ЭДС - eх. Как правило, eN и e уже подключены и находятся внутри потенциометра, поэтому переключатели должны быть в положении “В” ( внутреннее). Ключ ”Питание” соответствует ключу К1 (см. рис. 5.2), ключ “K” и “И” - переключателю П, Г – нуль-гальванометр.

 

Рис. 5.3

Порядок выполнения работы

1. Установить рабочий ток I (скомпенсировать eN). При компенсации eN ключ К 1 замыкают, переключатель П ставят в положение “К” (контроль). Во всех участках цепи (рис. 5.2) будет течь ток. Рукоятками Р1 (грубая настройка) и Р2 (доводка) устанавливают ток в гальванометре IГ = 0. При этом падение напряжения на участке R¢ab будет равна eN  , т.е. I R¢аb = e N . После этого рукоятки Р1 и Р2 трогать нельзя.

Ток I , который течет через резистор R (рис. 5.2) , при отсутствии тока в гальванометре будет постоянным и называется рабочим током. Величина его зависит только от e и полного сопротивления контура, по которому течет ток I. 

2. Определить eх . Так как eх должна быть меньше e, а у нас они одного порядка, то eх нужно подключать не непосредственно к клеммам “X”, а через делитель напряжения. Составить схему такого подключения и внести ее в отчет. Зная, какая часть от eх будет измерена, легко подсчитать и все eх.. При определении eх нужно переключатель П поставить в положение “И” (измерение). При этом в цепь (см. рис. 5.2) вместо eN будет включен eх. Нажав кнопку “Грубо”, замкнем цепь гальванометра и по ней будет течь ток.

Рукоятками L1 и L2 (они связаны с сопротивлением R) установим ток в гальванометре, равный нулю. Затем вместо кнопки “Грубо” нужно нажать кнопку “Точно” и рукояткой L2 установить Ir = 0.

Конструктивно потенциометр устроен так, что величина измеряемой ЭДС eх определяется в mV показаниями шкал, которые расположены под рукоятками L1 и L2 (измеряемая ЭДС равна сумме показаний при Iг = 0). Измерять eх нужно не менее шести раз.

После каждого измерения рукоятками L1 и L2 сбиваются показания. Результаты занести в таблицу.

изм

ex,i

ex,i – <ex >

(ex,i – <ex >)2

1

2

.

.

7

S=

S=

<ex >

ta,n=

dD=

3. Обработать результаты измерений:

а) найти полуширину доверительного интервала по формуле

,

где DS - среднеквадратичное отклонение; ta(n) - коэффициент Стьюдента, выбирается в зависимости от надежности a (a £ 0,95) и числа измерений n; ka- коэффициент Стьюдента при n ®¥, ka º ta(¥); d - максимальная погрешность прибора; D - цена деления шкалы прибора ( в данном случае при L2);

б) найти относительную ошибку;

в) окончательный результат записать в виде

eх = <eх> ± De х при a = , e = %.