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. 3.3, где зажимы НЭ, БП, Х служат для подключения нормального элементаe_N, батареи питания e и источника с неизвестной ЭДС - e_х. Как правило,e_N и eуже подключены и находятся внутри потенциометра, поэтому переключатели должны быть в положении “В” (внутреннее). Ключ ”Питание” соответствует ключу К₁ (см. рис. 3.2), ключ “K” и “И” - переключателю П.

При компенсации e_N ключ К₁ замыкают, переключатель П ставят в положение “К” (контроль). Во всех участках цепи (рис.3.2) будет течь ток. Рукоятками Р₁ (грубая настройка) и Р₂ (доводка) устанавливают ток в гальванометре I_Г= 0. При этом падение напряжения на участке R¢_ab будет равна e_N ,т.е.

I R¢_аb= e _{N .}

После этого рукоятки Р₁ и Р₂ трогать нельзя.

Ток I , который течет через резистор R (рис. 3.2) , при отсутствии тока в гальванометре будет постоянным и называется рабочим током. Величина его зависит только от eи полного сопротивления контура, по которому течет ток I.

При определении e_х нужно переключатель П поставить в положение “И” (измерение). При этом в цепь (см. рис. 3.2) вместо e_N будет включен e_х 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 I_r = 0.

Конструктивно потенциометр устроен так, что величина измеряемой ЭДС e_х определяется вмилливольтахпоказаниями шкал, которые расположены под рукоятками L₁ и L₂ (измеряемая ЭДС равна сумме показаний при I_г = 0).

Порядок выполнения работы

1. Установить рабочий ток I(скомпенсировать e_N).

2. Определить e_х .Так как e_х должна быть меньше e,а у нас они одного порядка, то e_х нужно подключать не непосредственно к клеммам “X”, а через делитель напряжения. Составить схему такого подключения и внести ее в отчет. Зная, какая часть от e_х будет измерена, легко подсчитать и все e_х.. Измерять e_х нужно не менее шести раз.

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

3. Обработать результаты измерений:

а) найти полуширину доверительного интервала по формуле

,

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

б) найти относительную ошибку;

в) окончательный результат записать в виде

e_х = <e_х>±De х приa = , e= %.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Записать закон Ома для однородного и неоднородного участков цепи.

2. Записать закон Ома для замкнутой цепи.

3. Каков физический смысл разности потенциалов, напряжения, ЭДС?

4. Порядок выполнения работы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

Градуировка термопары

Цель работы: ознакомиться с методом градуировки термопары.

Приборы и принадлежности: термопара, термометр, колба с водой, электроплитка, потенциометр (прибор для измерения ЭДС источника тока. Принцип действия и описание его даны в работе № 3) или гальванометр.

Сведения из теории

Термопара представляет собой два разнородных проводника (I и II), соединенные своими концами (рис. 4.1, а). Места соединений называют спаями (А и В). Если температуры спаев не одинаковы (например, Т_А>Т_В), то в цепи термопары потечет ток (термоток) - явление Зеебека.

Опыт показывает, что связанная с термотоком ЭДС eпропорциональна разности температур “горячего” (А) и “холодного” (В) спаев

e = a(Т_А - Т_В), (4.1)

где a- удельная термо-ЭДС, определяется свойствами металлов, из которых изготовлена термопара. Например, для пары железо - константан a = 5,3 ´ 10^-5 В/К.

Возникновение термотока при Т_А ¹ Т_В связано с наличием разных по величине контактных разностей потенциалов (КРП) в спаях А и В. КРП в любом из спаев определяется выражением

, (4.2)

где А₁ и А₂ - работа выхода электрона соответственно из металлов I и II; е - заряд электрона; k- постоянная Больцмана; n₁, n₂ - концентрации электронов в металлах I и II.

При одинаковых температурах спаев их КРП одинаковы, но про-тивоположны по направлению. ЭДС, равная алгебраической сумме скачков потенциалов в цепи, в этом случае нулевая, так как имеется два одинаковых источника тока, соединенных одинаковыми полюсами (рис. 4.1, б).

Если Т_А ¹ Т_В, то

/Dj_A/ ¹ /Dj_B/,

e = Dj_A - Dj_B =

что совпадает с формулой (4.1), если

.

Используются термопары чаще всего для измерения высоких (или низких) температур. Для этого “горячий” спай помещают в среду, температуру Ткоторой хотят узнать (Т_А = Т), а “холодный” спай - в среду с известной температурой Т_В = Т_О (например, в тающий лед). Измерив термо-ЭДС (термоток) и зная a, по формуле (4.1) легко вычислить Т. При измерениях удобно иметь предварительно проградуированную термопару. В этом случае нет необходимости в знанииa. По измеренным ЭДС и Тнепосредственно по графику e = f(DТ = Т - Т_О)определяют DТ, а значит, и Т. Задача данной лабораторной работы состоит в том, чтобы получить градуировочную кривую. Градуировку термопары производят по той же схеме (рис. 4.2), что и при измерениях температуры, с той лишь разницей, что “горячий” спай здесь помещают в среду, температуру которой можно изменить и измерить независимым от термопары способом (обычным термометром).

П р и м е ч а н и е. Очень часто ”холодный” спай оставляют при температуре окружающего воздуха (особенно при измерении температур в производственных условиях). В этом случае нет необходимости специально его создавать. Роль такого спая играет любой из контактов (В₁ или В₂) проводника термопары (рис. 4.3) с измерительным прибором.

Порядок выполнения работы

1. ”Горячий” спай термопары (он вместе с термометром помещен в пробирку с жидкостью) опустить в колбу с водой, установленную на электроплитке.

2. Концы термопары (здесь термопара такая, как на рис. 4.3) присоединить непосредственно к зажимам потенциометра (красный провод к “+”).

3. Измерить и записать температуру “холодного” спая - комнатную температуру. Эти и последующие измерения занести в табл. 4.1.

Таблица 4.1

№ п/п	То	Тi	ei	DTi	DTi2	ei DTi
...
Сумма

4. Включить плитку в сеть и довести воду в колбе до кипения.

5. Измерить температуру “горячего” спая и с помощью потенцио-метра определить термо-ЭДС (e).

6. Выключить плитку. Следя за температурой “горячего” спая, произвести 6 - 7 измерений ЭДС (п. 5) при других температурах - приблизительно через каждые 10^о.

П р и м е ч а н и е. Пока производятся измерения, температура воды, т.е. “горячего” спая, понизится. В таблицу следует записать температуру, соответствующую концу измерений.

7. По измеренным данным нанести точки на график e = f (DТ), не проводя пока линии самого графика.

8. По формуле

,

которая следует из метода наименьших квадратов, вычислить коэффициент a, совпадающий с тангенсом угла наклона прямой e = f(DТ) к оси абсцисс.

9. По данным п. 8 построить график e = f(DТ). Это и есть градуировочный график, которым можно воспользоваться при измерении температур данной термопарой.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Работа выхода электрона из металла.

2. Контактная разность потенциалов (КРП): а) сущность явления; б) законы Вольта; в) величина КРП;

3. Явление Зеебека: а) сущность явления; б) объяснение явления;

4. Термопара (устройство, градуировка, использование).

5. Сущность явления Пельтье.

6. Сущность явления Томсона.

7.Сущность метода наименьших квадратов для установления эмпирической зависимости между величинами.

8. Преимущества термопары по сравнению с термометрами.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5