ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8. Тема: «ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭДС МЕТОДОМ КОМПЕНСАЦИИ»

Тема: «ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭДС МЕТОДОМ КОМПЕНСАЦИИ»

МОТИВАЦИЯ ЦЕЛИ. Метод компенсации относится к точным методам физических измерений, применяемых в области медицинских и биологических наук. Изучение природы ЭДС важно для понимания образования в живом организме потенциалов.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ.Испытуемый элемент; эталонный элемент; аккумулятор; реохорд; гальванометр; магазин сопротивлений.

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ

1. Определение ЭДС источника тока.

2. Природа сторонних сил.

3. Закон Ома для полной цепи.

4. Потенциал и его характеристика.

5. Правила Кирхгофа.

6. Измерение ЭДС источника тока методом компенсации.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Необходимым условием существования электрического тока в цепи является: наличие свободных электрических зарядов, электрического поля, замкнутой цепи.

Чтобы создать электрическое поле, необходимо на концах проводника поддерживать разность потенциалов. Это осуществляется источниками тока. Разделение зарядов на "+" и "-" в источнике тока происходит под действием сил, получивших название сторонних (F_cт). По природе сторонние силы могут быть химического, электромагнитного, механического и другого происхождения, кроме сил электростатических.

Сторонние силы совершают работу.

ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛОЙ (ЭДС) источника тока называют величину, численно равную работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда по всей цепи:

[]=1 B (измеряется в Вольтах). Энергетической характеристикой электрического поля является потенциал.

ПОТЕНЦИАЛОМ (j) называется физическая величина, численно равная работе по перемещению единичного положительного заряда из бесконечности в данную точку:

.

РАЗНОСТЬЮ ПОТЕНЦИАЛОВ между двумя точками называют работу, совершенную силами поля по перемещению единичного положительного заряда из одной точки поля в другую:

,

где j₁ и j₂ - потенциалы в т. 1 и 2 поля.

НАПРЯЖЕНИЕМ называют величину, противоположную разности потенциалов:

ПАДЕНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ называется произведение силы тока на сопротивление:

Расчет токов, сопротивления и ЭДС в разветвленных цепях производится по правилам Кирхгофа. Первое правило относится к узлам.

УЗЛОМ ЦЕПИ называют место соединения более двух проводов.

1-е правило: Алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна 0.

.

2-е правило: Алгебраическая сумма ЭДС в замкнутом контуре равна сумме падений напряжений в этом контуре.

.

Величина тока в полной цепи определяется законом Ома:

,

где:

- ЭДС источника тока,

r - его внутреннее сопротивление,

R - сопротивление внешней части цепи.

В этом случае ЭДС равно сумме падений напряжений на внешнем и внутреннем участках цепи:

Отсюда следует, что напряжение на зажимах источника тока в замкнутой цепи всегда меньше, чем его ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении (Ir). Поэтому измерение ЭДС вольтметром, потребляющим ток, не дает истинного значения.

В этой лабораторной работе используется метод определения ЭДС, когда ток через исследуемый элемент не проходит. Принципиальная схема метода компенсации приводится на рисунке 1.

Рис. 1.

Если замкнуть ключ К₁, гальванометр покажет какой-то ток (ЭДС аккумулятора должна быть больше, чем ЭДС исследуемого элемента). Перемещая контакт C вдоль струны реохорда, всегда можно найти такое его положение, когда в цепи исследуемого элемента тока не будет. Это произойдет в том случае, когда разность потенциалов между точками A и C, создаваемая аккумулятором ₁, по абсолютному значению равна, а по знаку противоположна ЭДС элемента _x, т.е. наблюдается явление компенсации.

Применяя второе правило Кирхгофа к контуру AC мы получим:

(1),

где R₁ - сопротивление участка AC₁. Заменяя исследуемый элемент эталонным (нормальным элементом), можно добиться компенсации при некотором другом положении движка реохорда - C₂. В этом случае:

(2),

где:

R₂ - сопротивление участка AC₂,

_N - ЭДС нормального элемента.

Сравнивая уравнения (1) и (2), получим:

,

и учитывая, что для однородной струны отношение сопротивлений можно заменить отношением соответствующих длин: l₁ /l₂, получим:

.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Каковы условия существования электрического тока?

2. Что такое ЭДС источника тока?

3. Какова природа сторонних сил?

4. Что называется потенциалом, разностью потенциалов, падением напряжения?

5. Закон Ома для полной цепи.

6. В каких единицах измеряется ЭДС?

7. Можно ли при помощи вольтметра измерить ЭДС? Почему?

8. Сформулируйте I и II правила Кирхгофа.

9. В чем заключается метод компенсации?

10. Можно ли произвести измерения в данной работе, если: _N< _х, _N>_х?

ПЛАН ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Последовательность действий	Способ выполнения заданий
1. Знакомство с установкой.	Ознакомьтесь с установкой, наличием всех приборов.
2. Проведение опыта с исследуемым элементом Ex.	Замкните K1 и добейтесь компенсации (перемещением контакта реохорда стрелку гальванометра установите на нуль) при включенном исследуемом элементе x. Запишите значение l1. Опыт повторите 3 раза.
3. Работа с нормальным элементом.	Замкните контакт K2 на нормальный элемент и с помощью подвижного контакта реохорда добейтесь компенсации при включенном нормальном элементе N. На основе 3-кратного проведения опыта рассчитайте среднее значение l2.
4. Расчет ЭДС исследуемого элемента.	На основе опытных результатов, занесенных в таблицу, сделайте расчет ЭДС исследуемого элемента по формуле: . Относительная погрешность в определении величины выражается формулой . Результаты занесите в таблицу:
№ П/П	l1 (см)	l2 (см)	х (В)	s (%)
ср.
5. Сделайте вывод.