2527

Расчет цепей постоянного тока

Лабораторная работа

Физика

Повторение методов расчета цепей постоянного тока, ознакомление с компенсационным методом измерения электродвижущей силы (э.д.с.), измерение э.д.с. гальванического элемента.

Русский

2013-01-06

180.38 KB

10 чел.

Дата       Фамилия       Группа

 

Лабораторная работа №23

I.Название работы:

Цель работы

Повторение методов расчета цепей постоянного тока, ознакомление с компенсационным методом измерения электродвижущей силы (э.д.с.),  измерение э.д.с. гальванического элемента.

II.Краткое теоретическое обоснование:

 

Измерение э.д.с. Вольтметром

Простейшая электрическая цепь состоит из источника энергии (с э.д.с. ε и внутренним сопротивлением r) и нагрузки сопротивлением R. Принципиальная электрическая схема этой цепи представлена на рис. 1.

Клеммы 1 и 2 служат для включения в электрическую цепь источника энергии, а клеммы 3 и 4 служат для включения в электрическую цепь нагрузки. Сопротивление соединительных проводов будем считать очень малым и учитывать не будем.

Поэтому φ1 = φ 3, φ2 = φ4

Ток I в цепи определяется следующим уравнением:

I = ε / (r + R)

Напряжение UИCT источника энергии между клеммами 1 и 2, равное напряжению UH нагрузки между клеммами 3 и 4, меньше э.д.с. ε на величину Ir падения напряжения на внутреннем сопротивлении r источника. UИCT = UH = ε Ir.

Если измерять напряжение источника энергии вольтметром с сопротивлением R, то он покажет напряжение Uвольтметра = UH < ε

Вывод: Точно измерить э.д.с. ε вольтметром с сопротивлением R невозможно.   

                                         

Компенсационный метод измерения э.д.с.

При токе через источник энергии I = 0 падение напряжения Ir на внутреннем сопротивлении источника r будет равно нулю. Поэтому, при I=0

ε = UИCT

Для решения этой задачи обеспечения равенства нулю тока I подключим к клеммам 1 и 2 источника энергии вместо сопротивления R измерительный прибор, собранный по схеме рис. 2.

На рис. 2 через Rr обозначено сопротивление гальванометра с нулевой отметкой в центре шкалы. Он предназначен для определения равенства нулю тока I. По схеме рис. 2

I = (φ1 φA) / R

При I = 0 φ1 = φ а. Из той же схемы следует, что φ2 = φв Поэтому при I = 0

φ1 − φ2 = φа − φв

Так как, φ а − φ в = I1R1, а при I = 0 φ1 − φ2 = ε, то

                                 ε = I1 R1                                                         (1)

Из (1) следует, что при I = 0 э.д.с. ε компенсируется напряжением на сопротивлении R1.                                                 

Вывод: При I= 0 (определяется по гальванометру Г) измерение э.д.с. ε можно заменить определением напряжения на сопротивлении R1.

Определение напряжения на сопротивлении R1 при I = 0

Из рис. 2 при I = 0 получим схему измерительного прибора, представленную на рис. 3                              I1 = ε / (R1 + R2  + r1)                (2)

В лабораторной работе измеряется э.д.с. в гальваническом элементе, величина которой не более 1,6 В. Поэтому в качестве источника энергии схемы рис.З. используются три полуторавольтовых батарейки, подключенных последовательно к клеммам с и d. (r1 − сумма внутренних сопротивлений этих батареек, ε1 − их суммарная э.д.с).

С учетом (1) и (2) можно записать

                ε = I1 R1 = ε • (R1 /(R1 + R2 + r1))                      (3)

                                       Так как R1 >(R1 + R2 + r1), то

                                      ε = I1 R1

При ε < ε1 всегда можно подобрать значения сопротивлений R1и R2 так, что I1 R1 = ε в соответствии с уравнением (3). При выполнении этого равенства гальванометр Г покажет отсутствие тока I. Однако, э.д.с. ε1 и внутреннее сопротивление r1 в уравнении (2) нам неизвестны.

Кроме того, они со временем изменяются. Поэтому по найденным значениям R1 и R2 нельзя найти I1 R1  = ε.

Применение нормального элемента

 

Разработаны и широко применяются электрохимические устройства, называемые нормальными элементами. Их э.д.с. εнэ не изменяется со временем и известна. В лабораторной установке используется нормальный элемент с э.д.с. εнэ= 1,012 В.

ВНИМАНИЕ! Нормальные элементы могут включаться только кратковременно, при этом ток, проходящий через них, не должен быть большим. Иначе они станут неработоспособными.

Подключим к клеммам 3 и 4 измерительного прибора схемы рис.2 нормальный элемент вместо гальванического элемента с э.д.с. ε и изменяя сопротивления R1 и R1, добьемся нулевого показания гальванометра Г. Обозначим полученные значения сопротивлений R1 и R2 через R1 НЭ и R2 HЭ. Тогда в соответствии с (3)

εНЭ = ε (R1 НЭ / (R1 НЭ + R2 НЭ + r1 ))

За время измерения ε1 и r1 не изменяются. Примем

         R1 + R2 = R1 НЭ + R2 НЭ.                                (5)

При выполнении условия (5) ток I1 (см. рис. 3) не изменяется при обоих измерениях, т.е. при I = 0.

Разделим уравнение (3) на уравнение (4)

ε / εНЭ = ε1 • (R1 / (R1 + R2 + r1)): ε1 • (R1 НЭ / (R1 НЭ + R2 НЭ + r1 ))

Тогда с учетом (5) получим расчетную формулу для определения э.д.с. ε

ε / εНЭ = R1 / R1 НЭ

ВЫВОД. Значения R1 и R1 НЭ получены экспериментально, э.д.с. εНЭ известна.

Поэтому, по уравнению (6) рассчитывается неизвестная э.д.с ε с высокой точностью.                                             

 

III.Рабочие формулы и единицы измерения.

ε / εНЭ = R1 / R1 НЭ

IV.Схема установки.

 V.Измерительные приборы и принадлежности.

Лабораторная установка содержит:

ГЭ − гальванический элемент, э.д.с. ε которого необходимо измерить.

НЭ − нормальный элемент с э.д.с. εНЭ = 1,102 В.

П − переключатель, включающий в схему гальванический элемент или нормальный элемент.

К1 − тумблер, включающий батарею Б.

К2 − кнопка, включающая измеряемый элемент.

Г − гальванометр с нулевой отметкой в центре шкалы.

М1 − магазин сопротивлений, напряжение на котором компенсирует э.д.с. ε или εНЭ

М2 − магазин сопротивлений, обеспечивающий постоянство тока через магазин М1 при обоих εНЭ

Б − батарея гальванических элементов.

VI.Результаты измерения.

R1, Ом

R2, Ом

R1 + R2 , Ом

8

1

9

R1 НЭ, Ом

R2 НЭ, Ом

R1 НЭ + R2 НЭ , Ом

8

1

9

VII. Черновые записи и вычисления.

ε = 1,102 • (1 / 1) = 1,102

8 + 1 = 8 + 1

9 = 9

VIII. Основные выводы.

Мы повторили метод расчета цепей постоянного тока, ознакомились с компенсационным методом измерения электродвижущей силы (э.д.с.),  измерили э.д.с. гальванического элемента.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

65184. Основание Болонской Академии и творчество Аннибале Каррачи 16.44 KB
  Есть вечный идеал красоты заявляли братья Карраччи он воплощён в искусстве античности Возрождения и прежде всего в творчестве Рафаэля. Его уровень зависел по мнению братьев Карраччи не только от ловкости кисти но и от образования...
65186. СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ 22.15 KB
  Различают непозиционные и позиционные системы счисления. Непозиционные системы сложны и громоздки при записи чисел и мало удобны при выполнении арифметических операций например: Римская непозиционная система счисления.
65187. Виды термической обработки 34 KB
  В любительской практике для определения температуры раскаленной детали по цвету можно использовать приведенную таблицу Закалка придает стальной детали большую твердость и износоустойчивость.
65188. УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ЛИНЕЙНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ 61.01 KB
  Для ветвей i и j имеющих взаимное сопротивление связь между всеми указанными величинами определяется следующими уравнениями: 12 при указанных положительных направлениях.
65189. Виникнення філософії. Філософський спосіб освоєння дійсності 27.5 KB
  Виникнення філософії пов'язане зі становленням світогляду його розвитком та ступенями зрілості. Вирішення першого завдання привело до появи природничих наук в лоні філософії. Останній блок питань належав і належить філософії.