3355

Определение электродвижущей силы элемента методом компенсации

Лабораторная работа

Физика

Определение электродвижущей силы элемента методом компенсации Ознакомление с одним из методов измерения электродвижущей силы (ЭДС) источника тока. Теоретические основы работы Компенсационный метод измерения основан на уравнивании измеряемого напряже...

Русский

2012-10-29

116.5 KB

47 чел.

Определение электродвижущей силы элемента методом компенсации

Ознакомление с одним из методов измерения электродвижущей силы (ЭДС) источника тока.

Теоретические основы работы

Компенсационный метод измерения основан на уравнивании измеряемого напряжения (ЭДС) напряжением, создаваемым на известном сопротивлении током от вспомогательного источника.

Данный метод применяется для источников постоянного тока.

Известно, что электрическим током называется упорядоченное движение электрических зарядов. В металлах носителями тока являются электроны, в электролитах и газах – положительные и отрицательные ионы.

«Свободные электроны» – это сравнительно слабо связанные с ионами кристаллической решетки электроны, способные свободно перемещаться внутри её. В отсутствие электрического поля или других регулярных сил электроны в проводниках движутся беспорядочно, что позволяет говорить о них как о “электронном газе”.

При наличии регулярной силы на беспорядочное движение электронов накладывается систематическое – дрейфовое движение. Можно показать, что через единицу площади сечения проводника за единицу времени переносится заряд

,      (1)

называемый плотностью тока,

где  n – концентрация электронов

 е – заряд электрона

  – средняя дрейфовая скорость электронов.

Для металлов в широких пределах плотность электрического тока  пропорциональна напряженности электрического поля :

.      (2)

Выражение (2) является законом Ома (в дифференциальной форме).

Коэффициент пропорциональности    называется удельной электрической проводимостью.

Для того чтобы напряженность поля , а с ней и плотность электрического тока  оставались постоянными, необходимы какие-то дополнительные силы неэлектрической природы. Эти силы принято называть сторонними. С учетом сторонних сил закон Ома записывается следующим образом:

,     (3)

где   – напряженность поля самих электрических зарядов

  – напряженность поля сторонних сил.

Источником постоянного тока может служить батарея, характеризующаяся электродвижущей силой тока (ЭДС):

,

где интеграл вычисляется для участка цепи длины L.

Электродвижущую силу    можно определить как разность потенциалов между полюсами разомкнутого источника тока.

Компенсационный метод измерения ЭДС источника в настоящее время является одним из основных приемов точных лабо-раторных электричес-ких измерений.

Рис. 1

Точное измерение ЭДС нельзя производить обычным вольтметром, который требует для своей работы наличие тока в цепи. Падение напряжения на внутреннем сопротивлении вольтметра

ведет к погрешностям в измерении ЭДС элемента. Чем большим является внутреннее сопротивление вольтметра, тем меньший ток проходит через него, и тем меньше падение напряжения на нем.

Суть компенсационного метода можно понять, анализируя принципиальную схему измерений, изображенную на рис. 1.

На рис. 1 исследуемый элемент обозначен как , нормальный элемент (эталонная ЭДС) – ,  вспомогательная батарея – ,  гальванометр – Г, ограничительное сопротивление –  R1, реохорд со скользящим контактом –  АВ, переменное сопротивление для установки рабочего тока – R, переключатель – К.

Передвижением скользящего контакта реохорда С нужно добиться отсутствия тока в цепи гальванометра. Это будет возможным в том случае, если ЭДС исследуемого элемента  меньше, чем ЭДС батареи  .

Для замкнутого контура, включающего исследуемый элемент и гальванометр, можно записать второе правило Кирхгофа:  сумма падений напряжений на элементах контура равна сумме ЭДС источников, входящих в этот контур.

,    (5)

где  – внутреннее сопротивление исследуемого элемента

 RAC – сопротивление реохорда на участке АС.

Если ток через гальванометр будет равным нулю I2=0, то выражение (5) упростится

.     (6)

В этом случае падение напряжения на участке реохорда АС, создавемое батареей , равно ЭДС  исследуемого элемента.

Заменим исследуемый элемент нормальным, ЭДС которого  известна.Передвигая подвижный контакт, добьемся такого положения D, чтобы ток через гальванометр опять стал равным нулю. Тогда можно написать выражение, аналогичное (6):

.     (7)

Используя соотношения (6) и (7), получим выражение для ЭДС исследуемого элемента в следующем виде:

= .     (8)

Таким образом, сравнение электродвижущих сил двух элементов может быть практически сведено к сравнению двух сопротивлений, использованных при компенсационных измерениях.

Реохорд АВ является линейным сопротивлением, т.е. его электрическое сопротивление прямо пропорционально длине провода , из которого он сделан. Поэтому отношение сопротивлений в выражении (8) можно заменить через отношение длин участков АС и АВ:

=  .    (9)

Реохорд имеет круговую шкалу, проградуированную в произвольных единицах, что позволяет достаточно просто определять отношение длин участков реохорда.

Компенсационный метод измерения ЭДС имеет существенные достоинства по сравнению с другими методами. Во-первых, если сила тока через используемые элементы близка к нулю, то падения напряжения внутри элемента практически нет. Во-вторых, не играет роли падение напряжения в проводах, соединяющих элемент с измерительной схемой. В-третьих, гальванометр в схеме компенсации работает как «нулевой» прибор, и градуировка его шкалы в результат измерений не входит. Также не влияет на результат и величина ЭДС вспомогательной батареи.

При наличии чувствительного гальванометра компенсационый метод позволяет достичь точности до 0,1% от измеряемой величины.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Лицевая панель стенда показана на рис. 2.

Рис. 2

Реохорд АВ является круговым. Вращением ручки реохорда добиваемся перемещения подвижного контакта С.

Сопротивление R является переменным и служит для установки рабочего тока в цепи, включающей реохорд АВ.

Большое сопротивление R1 (25 кОм) служит защитой гальванометра от больших токов. Ключ К позволяет замыкать и размыкать обе цепи.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Включить стенд. Включить установку.

2. Перевести контакт защитного сопротивления R1 c клеммы «» на клемму «25 кОм».

3. Установить рабочий ток при помощи сопротивления R в соответствии с рекомендациями, приведенными на передней панели установки.

4. Перевести переключатель II в положение «ИСПЫТУЕМЫЙ ЭЛЕМЕНТ».

5. Включить измерительную цепь нажатием кнопки реле (двойной ключ) и, не отпуская кнопки реле, перемещением подвижного контакта реохорда добиться нулевого значения показания гальванометра. Колебание стрелки гальванометра устраняется нажатием «кнопки успокоения».

6. Перевести контакт защитного приспособления в положение «0» (наивысшая чувствительность гальванометра) и более точно найти положение подвижного контакта, соответствующего величине l1 в делениях шкалы реохорда.

7. Перевести контакт защитного сопротивления R1 в положение «25 кОм», не изменяя рабочего тока (не меняя положения R).

8. Перевести переключатель II в положение «НОРМАЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ» и произвести измерения, описанные в п.п 5, 6. Записать значения величины l2.

9. Все измерения провести не менее 3-х раз при различных значениях сопротивления R.

10. Вычислить ЭДС испытуемого элемента по формуле (9). Величину ЭДС нормального элемента  принять равной 1,0183 В.

11. Все измеренные и рассчитанные величины записать в таблицу.

Таблица

      №   l1       l2                                  

    п/п

      1

     2

     3

12. Оценить погрешности измерений по приближенной формуле

,

где l1, l2,  cредние значения измеренных величин

l1, l2,  – абсолютные погрешности измеренных величин.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Опишите компенсационный метод измерений.

2. Что такое ЭДС источника, от чего зависит?

3. Что такое электрический ток, электрическая проводимость?

4. От чего зависит электрическая проводимость проводника?

5. Как влияют размеры проводника на его электрическое сопротивление?

6. Напишите формулу связи силы тока и плотности тока.

7. Что такое вольт-амперная характеристика?

8. Напишите закон Ома для участка цепи в интегральной и дифференциальной формах.

9. Напишите закон Ома для полной цепи.

10. Сформулируйте и напишите правила Кирхгофа для цепи постоянного тока.

11. Как изменится ток в цепи, если с эталонным элементом последовательно включить точно такой же? Если включить параллельно?

12. Выведите выражение для определения ЭДС неизвестного источника в компенсационной схеме.

13. Есть ли различия между величиной ЭДС элемента и напряжением на его клеммах при включении в цепь?

14. Как меняется величина ЭДС со временем, с изменением температуры?

15. Что такое элемент Вестона? Его особенности.

16. В чем преимущества компенсационного метода по измерению ЭДС по сравнению с другими методами?

17. Что такое гальванометр? Для чего он нужен в данной схеме?

18. Какой прибор применяется в данной схеме в качестве гальванометра?

19. Как включаются в электрическую цепь амперметр и вольтметр – последовательно или параллельно?

20. Что такое шунтирование приборов, для чего оно применяется?

21. Для чего используется в схеме защитное сопротивление?

22. Объясните устройство реохорда и его применение.

23. Покажите на схеме направления токов при замыкании цепи на нормальный элемент и на исследуемый.

24. Какой величины токи протекают в цепи?

25. В каком интервале может находиться величина ЭДС исследуемого элемента?

26. Почему вспомогательный источник тока должен обладать большей ЭДС, чем испытуемый и нормальный элемент?

27. Какие источники ЭДС следует выбирать для электрических цепей: с большим или малым внутренним сопротивлением?

28. Насколько зависит результат измерения ЭДС от величины переменного сопротивления, находящегося в цепи?

29. Может ли во время работы источник ЭДС разрядиться?

30. Как оценить погрешности данного метода измерений?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

30563. Условный экстремум функции многих переменных. Необходимое условие экстремума. Метод множителей Лагранжа 274 KB
  Условный экстремум функции многих переменных. Пусть требуется найти максимумы и минимумы функции f х у при условии что х и у связаны уравнением х у = 0. Подберём так чтобы для значений х и у соответствующи экстремуму функции f х у вторая скобка в равенстве 5 обратилась в нуль метод Лагранжа. Метод неопределенных множителей Лагранжа Пусть функции fx1 x2 xn и Fix1 x2 xn i = 12 k дифференцируемы в некоторой области D с Rn .
30564. Сходимость числового ряда. Гармонический ряд. Общий член и остаток ряда. Признаки сходимости рядов 133.5 KB
  Гармонический ряд. Общий член и остаток ряда. Признаки сходимости рядов Определения.
30566. Функциональные ряды. Основные понятия и определения. Равномерная сходимость функциональных рядов. Признак Вейерштрасса. Свойства равномерно сходящихся рядов 31.56 KB
  Функциональная последовательность равномерная сходимость и свойства Определение: равномерно сходящийся к fx на X если выполняется неравенство Замечание: если последовательность функции равномерно сходится к функции то она и просто сходится к ней. О равномерной сходимости функции: для того чтобы равномерно сходилась на X к fx необходимо и достаточно чтобы выполнялось неравенство Равномерно сходящиеся функциональные ряды Определение: равномерно сходящийся на X если последовательность его частичных сумм равномерно...
30567. Основная тригонометрическая система функций. Ряды Фурье по ортогональным системам функций. Тригонометрические ряды Фурье. Признаки сходимости тригонометрических рядов Фурье. Тригонометрические ряды Фурье для четных и нечетных функций 142.57 KB
  Тригонометрический ряд 1 называется рядом Фурье для функции на отрезке а коэффициенты вычисляемые по формулам 2 3 4 называются коэффициентами Фурье. кусочномонотонна тогда ряд Фурье функции определяемый формулами 1 2 3 4 сходится почти всюду кроме точек разрыва к fx. Для четной функции Для нечетной функции Выступление Пусть функция определена на ℝ. Наименьшее из таких чисел Т называют периодом функции.
30568. Свойства функции распределения 51.52 KB
  Свойства функции распределения : Свойство 1: 0 ≤ Fx ≤ 1. Свойство2: Fx2 ≥ Fx1 если x2 x1. Свойство3: 1Fx = 0 при x ≤ ; 2 Fx = 1 при x ≥ b. Свойство4: Fx0 = Fx0 0.
30569. Сходимости почти наверное и по вероятности 352.78 KB
  Если то для любого Обобщенное неравенство Чебышёва Если то для любого Неравенство Чебышёва Если существует то для любого ЗБЧ ЗБЧ Чебышёва если имеет место сходимость ЗБЧ Маркова если т. Если существует то для любого Определение ЗБЧ. Говорят что последовательность случайных величин с конечными первыми моментами удовлетворяет закону больших чисел ЗБЧ если Законами больших чисел принято называть утверждения о том при каких условиях последовательность случайных величин удовлетворяет закону больших чисел. ЗБЧ Чебышёва.
30570. Характеристическая функция случайной величины: определение и свойства. Характеристическая функция нормального распределения 47.71 KB
  Характеристическая функция случайной величины: определение и свойства. Характеристическая функция нормального распределения. ХФ нормального распределения: Выступление Характеристическая функция случайной величины один из способов задания распределения. Характеристические функции могут быть удобнее в тех случаях когда например плотность или функция распределения имеют очень сложный вид.
30571. Теорема непрерывности. Центральная предельная теорема. Интегральная теорема Муавра-Лапласа 49.24 KB
  Центральная предельная теорема. Интегральная теорема МуавраЛапласа. Обратно если в каждой точке непрерывности функции является функцией распределения то в каждой точке t при этом есть характеристическая функция для функции распределения Интегральная теорема Муавра Лапласа: Если вероятность p события в каждом испытании постоянна и отлична как от нуля так и от единицы то вероятность того что событие появится в n испытаниях от до раз приближенно равна определенному интегралу: где .