Определение эдс гальванических элементов
МЕТОДОМ КОМПЕНСАЦИИ
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ. При протекании электрического тока в замкнутой цепи, состоящей из проводника и источника тока (электрической батареи), оказывается, что внутри источника тока положительные заряды должны перемещаться против сил электростатического поля. Это возможно только в том случае, если на заряды действуют силы неэлектрического происхождения, так называемые сторонние силы. Работа сторонних сил по перенесению 1 Кл заряда между теми точками цепи, где они действуют, называется электродвижущей силой (ЭДС): . ЭДС измеряется в вольтах.
Согласно закону Ома для полной цепи:
, (1)
где e - ЭДС, i - сила тока, r - внутреннее сопротивление источника, U - напряжение на полюсах источника тока. Из формулы (1) видно, что обычные токопроводящие вольтметры непригодны для точного определения ЭДС.
При отсутствии тока ЭДС равна напряжению на полюсах источника. Из этого следует, что принципиально возможно измерить ЭДС электростатическим или электронным вольтметром (вольтметрами, не потребляющими тока). Наиболее точным методом измерения ЭДС является метод компенсации.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА. Принципиальная схема компенсационного метода измерения ЭДС изображена на рис. 1. Вспомогательная батарея с ЭДС, заведомо превосходящей ЭДС исследуемого элемента, поддерживает ток в цепи реохорда АВ0. Исследуемый источник ЭДС одним полюсом присоединен к точке А, а другим - через гальванометр G и сопротивление R к движку реохорда D. Компенсация ЭДС возможна только в том случае, если вспомогательная батарея и исследуемый элемент включены одноименными полюсами навстречу друг другу. Напряжение на реохорде больше, чем , поэтому всегда можно подобрать участок реохорда AD длиной (сопротивлением Rx), чтобы напряжение на нем равнялось . При этом сила тока через гальванометр будет равна нулю ( уравновешивается напряжением ). В уравновешенной таким образом цепи согласно закону Кирхгофа для контура AD А можно написать:
. (2)
Для того, чтобы исключить из уравнения (2) силу тока, вместо неизвестного элемента переключателем К подключают к цепи нормальный элемент Вестона (рис.1) с известной ЭДС . Компенсация ЭДС произойдет при новом положении движка (при длине AD равной lN и сопротивления этого участка RN).
Условие компенсации выразится равенством: . (3)
Из (2) и (3) имеем: (4)
или . (5)
Таким образом, измерение ЭДС сводится к измерению длин участков реохорда. В рассматриваемом методе гальванометр применяется не для измерения тока, а для констатации его отсутствия. Для этих целей применяются приборы, у которых нуль расположен посередине шкалы. Точность измерения ЭДС по схеме на рис. 1 невелика, так как при отсчете длины делаются погрешности более 0,5 мм. Кроме того, в процессе эксплуатации проволока стирается, и ее сопротивление по длине делается неоднородным. Монтажная схема установки изображена на рис. 2. Сопротивление R (порядка 104 Ом) служит для ограничения тока, текущего через гальванометр. Нормальный и исследуемый элемент подключаются к схеме с помощью ключа К2. В опытах батарея , элементы и ex подключаются только на короткое время нажатием - двойного ключа К2 для того, чтобы не перегревалась проволока реохорда. При измерениях рекомендуется производить компенсацию дважды: до и после компенсации ЭДС нормального элемента. Из двух значений длин реохорда следует взять среднее, которое подставляется в формулу (5). Значение берется из паспорта =1.018 В.
ЗАДАНИЕ. 1. Собрать схему (рис. 2) и поставить рукоятку тумблера К1 в такое положение, чтобы был включен элемент . Замкнуть ключ К2, перемещая контакт D реохорда, добиться того, чтобы стрелка гальванометра установилась на нуль. Записать в таблицу длину между А и D – Nx.
2. Перекинуть рукоятку тумблера К1 и включить элемент . Проделать для этого элемента все, что указано в пункте 1, и записать в таблицу. Опыт проделать 3 раза. По результатам измерений по формуле: рассчитать ЭДС. Опыты повторить с вторым элементом и обоими элементами, включенными последовательно. Результат представить в виде:
.
РЕЗУЛЬТАТЫ
№ опыта | Nx, дел. | Nn, дел. | DNx, дел. | DNn, дел. | ex, В | Dex, В |
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6э
ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ МОЩНОСТИ ИСТОЧНИКА ТОКА ОТ СОПРОТИВЛЕНИЯ НАГРУЗКИ
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ. В электрической цепи, содержащей источник тока с ЭДС e и внутренним сопротивлением r, на резисторе R (рис.1) будет выделяться полезная мощность:
, (1)
где I - сила тока. Согласно закону Ома для замкнутой цепи:
. (2)
Из (1) и (2) следует что:
. (3)
Ток I протекает так же и внутри источника, и поэтому в нем выделяется мощность
.
Полная мощность источника:
. (4)
Полезная мощность источника изменяется от нуля при R = 0, проходит через максимум при
, (5)
а затем убывает, стремясь к нулю при . Максимальное значение полезной мощности:
. (6)
ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
1. Собрать цепь, состоящую из источника тока, ключа, магазина резисторов R согласно рис.1.
2. Снять зависимость тока I от сопротивления R. Результаты записать в виде таблицы. Изменение R с помощью декадных переключателей магазина производить при разомкнутом ключе. Ключ замыкается только на время проведения измерения.
3. Рассчитать полезную мощность по формуле (1) и вычертить график зависимости Рп (R).
4. По графику определить r, Pпmaх и, используя (6), рассчитать ЭДС источника тока e.