Цель работы
Целью работы является изучение законов постоянного электрического тока и ознакомление с компенсационным методом измерения электродвижущей силы источника тока.
Электродвижущей силой (ЭДС) источника тока называется скалярная физическая величина, измеряемая работой сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда по участку цепи или замкнутой цепи, содержащей этот источник тока. ЭДС источника тока равна разности потенциалов между его полюсами при разомкнутой внешней цепи.
Измерение эдс при помощи обычного вольтметра является приближенным, так как при этом через вольтметр и источник протекает ток и показания вольтметра, равные падению напряжения на внутреннем сопротивлении прибора, отличаются от величины эдс на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника. При этом на внутреннем сопротивлении источника происходит выделение тепла по закону Джоуля–Ленца.
Наиболее точным является компенсационный метод . Этот метод состоит в том, что неизвестная ЭДС компенсируется известной разностью потенциалов. При этом ток через источник отсутствует и неизвестная ЭДС равна компенсирующей разности потенциалов. Принципиальная схема электрической цепи, приведена на рис. 7.
К реохорду АВ , имеющему движок Д , присоединена батарея аккумуляторов E . Ток батареи, протекая по проволоке реохорда, создает на ней разность потенциалов. На участке AД также создается разность потенциалов, равная падению напряжения на этом участке . Величину этой разности потенциалов можно изменять, передвигая движок от нуля (точка А ) до макcимума (точка В ).
Такой способ измерения разности потенциалов называется потенциометрическим, а сам реохорд, включенный таким образом, называется потенциометром.
К точкам A и Д присоединяются полюса источника тока с неизвестной ЭДС E x через гальванометр или измеритель разности потенциалов. В данной работе в качестве измерителя разности потенциалов используется цифровой вольтметр. При этом к точке А подключаются одноименные полюса источников E и E x . При замкнутом ключе K можно найти такое положение движка на реохорде, при котором стрелка гальванометра не отклоняется и ток на участке AE x Д отсутствует. В этом случае разность потенциалов между точками Д и Г равна нулю, и ЭДС источника E x компенсируется падением напряжения на участке AД реохорда.
По закону Ома можно записать:
где I – сила тока в цепи батареи E ; R 1AД – сопротивление участка AД реохорда, при котором компенсируется эдс Е x.
Измерение силы тока I можно не проводить, так как при этом вносятся дополнительные погрешности, а использовать калибровочный опыт и элемент с известной ЭДС. Для этого вместо источника E x нужно включить элемент с известной ЭДС E 0 и найти новое положение движка Д , при котором ток в цепи гальванометра отсутствует.
При этом условии аналогично выражению (2.04.1) можно записать
где R 2AД – сопротивление участка AД , при котором компенсируется эдс E 0 .
Если ток через гальванометр отсутствует, ток в цепи источника E будет одинаковым, независимо от положения движка реохорда. Тогда, разделив друг на друга выражения (2.04.1) и (2.04.2), получаем:
Сопротивления R 1AД и R 2AД пропорциональны длинам соответствующих участков реохорда l 1 и l 2 от его общего конца А до подвижного контакта Д , поэтому
Отсюда окончательно имеем:
При проведении опыта нужно иметь в виду, что E должна быть постоянной и больше по величине, чем E 0 и E x , так как только в этом случае возможно найти на реохорде такое положение движка Д , при котором можно осуществить компенсацию. Цепь следует замыкать на короткое время, чтобы обнаружить наличие или отсутствие тока через гальванометр, иначе может происходить нагревание проводников, изменяющее их сопротивление, а также при длительном протекании тока через элемент происходит изменение его ЭДС за счет поляризационных явлений.
В данной работе известную ЭДС следует измерять с помощью цифрового вольтметра.
Компенсационный метод измерения разности потенциалов применяется вполевом электроразведочном потенциометре, электрическая схема которого приведена на рис. 8. Если разность потенциалов на участке эталонного сопротивления R (потенциометра) между точками m и n полностью компенсирует разность потенциалов между заземленными электродами M и N , ток через гальванометр будет равен нулю. Потенциометр снабжен шкалой, по которой непосредственно отсчитывается значение измеряемого напряжения.
В геофизике применяется прибор, называемый электроразведочный автокомпенсатор, в котором компенсирующая разность потенциалов создается автоматически при помощи электронной схемы. Он позволяет легко производить измерения силы тока в питающей цепи и разности потенциалов между приемными электродами.
Выполнение работы
Необходимые приборы: круговой реохорд, цифровой вольтметр, переключатель S 1 , набор сопротивлений R 1 , R 2 , R 3 , предназначенных для изменения силы тока через реохорд, источник E постоянного напряжения, источник E x с неизвестной ЭДС, источник E 0 с известной ЭДС. Все элементы схемы, кроме цифрового вольтметра, собраны внутри лабораторного стенда.
Рабочая схема опыта показана на рис. 9 и на панели стенда.
1. 250В. 2. 55В. 3. 10В. 4. 45В.
Вопрос2.
Как называют разряд, возникающий в газовой трубке при низких давлениях?
1. Дуговой. 2. Тлеющий. 3. Искровой. 4. Коронный. 5. Плазма.
Вопрос3.
Как называется процесс испускания электронов нагретым металлическим катодом?
1. Электролиз. 2. Электролитическая диссоциация.
3. Термоэлектронная эмиссия. 4. Ударная ионизация.
Вопрос 4.
Чему равна ЭДС индукции в проводнике длиной 2 м, движущемся в магнитном поле с
В = 10 Тл со скоростью 5 м/с вдоль линий магнитной индукции.
1. 0В. 2. 10 В. 3. 50 В. 4. 100 В.
Вопрос 6.
Определить индуктивность катушки, если при прохождении по ней электрического тока силой 5 А, около катушки возникает магнитный поток 100 Вб.
1. 4 Гн. 2. 5 Гн. 3. 20 Гн. 4. 100 Гн.
Вопрос 7.
Чему равна энергия магнитного поля катушки с L = 200 мГн при силе тока в ней равной 5А?
1. 0,025 Дж. 2. 0,25 Дж. 3. 2,5 Дж. 4. 25 Дж.
Вопрос 9.
При вращении рамки в магнитном поле на ее концах возникает ЭДС, изменяющаяся со временем по закону: е = 10 sin 8 t. Чему равно максимальное значение ЭДС,если все величины в уравнении даны в системе СИ?
1. 4 В. 2. 5 В. 3. 8 В. 4. 10 В.
Вопрос 10.
Действующее значение напряжения на участке цепи переменного тока равно 100 В. Чему примерно равно амплитудное значение напряжения на этой участке?
1. 100 В. 2. Примерно 142 В. 3. 200 В. 4. Примерно 284 В.
Вопрос 11.
Колебательный контур подключен к: источнику переменного тока. При каком условии возникает резонанс в этом колебательном контуре?
1. Если частота источника переменного тока меньше частоты собственных
2. Если частота источника переменного тока равна частоте собственных колебаний
колебательного контура.
3. Если частота источника переменного тока больше частоты собственных
колебаний колебательного контура.
Вопрос 12.
На каком физическом явлении основан принцип действия трансформатора?
1. На создании магнитного поля движущимися электрическими зарядами.
2. На создании электрического поля движущимися электрическими зарядами.
3. На явлении электромагнитной индукции.
Вопрос 13.
Куда будут направлены линии напряженности вихревого электрического поля при увеличении магнитного поля?
Вопрос 14.
Передающий и приемный вибраторы Герца расположены взаимно перпендикулярно. Возникнут ли колебания в приемном вибраторе?
1.Да, очень сильные. 2. Да, но слабые. 3. Не возникнут.
Вопрос 15.
Какое устройство в приемнике А. С. Попова служит чувствительным индикатором электромагнитных волн?
1. Антенна. 2. Когерер. 3. Электромагнит.
4. Заземление. 5. Катушка. 6. Батарея питания.
Вопрос 16.
Почему воздушный зазор между якорем и индуктором генератора стремятся сделать как можно меньшим?
1. Чтобы уменьшить размеры генератора.
2. Чтобы увеличить рассеяние магнитного поля.
3. Чтобы уменьшить рассеяние магнитного поля.
Вопрос 17.
Какое из перечисленных излучений имеет самую низкую частоту?
1. Ультрафиолетовые лучи. 2. Инфракрасные лучи.
3. Видимый свет. 4. Радиоволны.
Вопрос 19.
Детекторный радиоприемник принимает сигналы от радиостанции, работающей на волне
30 м. Какова частота колебаний в колебательном контуре радиоприемника?
1.10^ -7 Гц. 2.10^7 Гц. 3. 9*10^9 Гц.
Вопрос 20.
Какие радиоволны дают самую надежную радиосвязь при достаточной мощности передающей радиостанции?
1. Длинные волны. 2. Средние волны. 3.Короткие волны. 4. Ультракороткие волны.
1. Почему вольтметр включают в цепь параллельно потребителю? Что произойдет, если вольтметр включить в цепь последовательно?
Вольтметр включают параллельно участку цепи, на котором измеряют напряжение. Напряжение на измеренном участке и напряжение на вольтметре будет одним и тем же, т.к. вольтметр и напряжение на вольтметре подключены к общим точкам.
Т.к. вольтметр обладает большим сопротивлением, то при его последовательном подключении к электрической цепи увеличится внешнее сопротивление цепи, а, значит, сила тока в цепи значительно уменьшится.
2. Почему сопротивление амперметра должно быть значительно меньше сопротивления цепи, в которой измеряют ток? Что произойдет, если амперметр включить параллельно потребителю?
Поскольку включение амперметра в электрическую цепь не должно изменять силу тока в ней, то сопротивление амперметра должно быть как можно меньше.
Сопротивление амперметра гораздо меньше сопротивления потребителя, поэтому при таком неправильном подключении почти весь ток пойдёт через амперметр. В итоге «зашкалит» и может перегореть, если вовремя не отключить. Такое включение амперметра недопустимо.
3. Почему показания вольтметра при разомкнутом и замкнутом ключе различаются?
Потому что у источника питания появляется нагрузка в виде резистора. Вольтметр, подключённый к полюсам источника питания ЭДС источника ε. При подключении нагрузки (резистора) напряжение на источнике будет падать, т.к. источник не идеальный.
4. Как можно повысить точность измерения ЭДС источника тока?
Самый простой способ - взять вольтметр с меньшей приборной погрешностью, т.е. более высокого класса точности.
Также повысить точность можно путём совершенствования методики измерения и обработки результатов, таким образом можно уменьшить систематические погрешности.
5. При каком значении КПД будет получена максимальная полезная мощность от данного источника тока? Каким должно быть при этом сопротивление внешней цепи по отношению ко внутреннему сопротивлению источника тока?
Коэффициент полезного действия источника тока определяется как отношение полезной мощности к полной, и зависит от сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления источника тока. Можно доказать, что КПД оказывается равным 50%.
Идеальным способом измерения э. д. с. гальванического элемента (потенциометрической ячейки) является компенсационный метод Поггендорфа, в котором на электроды в потенциометрической ячейке с помощью делителя напряжения налагают напряжение (V) от внешнего источника постоянного тока, противоположно направленное э. д. с. ячейки. При этом в момент, когда ток в цепи отсутствует, градиенты э. д. с. и V равны между собой. Задача заключается, следовательно, в постепенном изменении напряжения до тех пор, пока через ячейку не перестанет проходить ток, что можно проследить каким-либо индикатором тока. Второй задачей является определение величины налагаемого напряжения, отвечающего данному моменту, что также можно осуществить с помощью измерителя напряжения (вольтметра). Таким образом, когда в цепи отсутствует ток , согласно уравнению (где разность представляет собой э. д. с. потенциометрической ячейки), напряжение V равно э. д. с.
Если потенциал одного электрода постоянен (электрод сравнения) и известен относительно НБЭ, то по напряжению можно вычислить потенциал индикаторного электрода или проследить за его изменением в процессе титрования.
Почти все приборы для измерения э. д. с. потенциометрической ячеики - потенциометры - имеют следующую схему (рис. 4). Один полюс внешнего источника постоянного тока 1 (сухие батареи или аккумуляторы кислотные либо щелочные с через переключатель г неподвижно присоединен к одному из концов (А) делителя напряжения 3 с равномерным сечением проволоки и с небольшим сопротивлением (10-100 ом). Делитель напряжения 3 обычно снабжен шкалой с равномерными 1100 делениями. Другой полюс источника тока 1 присоединен к переменному сопротивлению малой величины 4, с которым второй конец (В) делителя напряжения 3 соединяется с помощью подвижного контакта 5. Таким образом, напряжение источника 1 падает на постоянном участке АВ и на некотором участке переменного сопротивления . Конец В делителя напряжения 3 присоединяют к одному из электродов ячейки 6, соблюдая при этом полярность соединения, т. е. полюс источника тока 1 и электрод тем же знаком должны оыть присоединены к одному и тому же концу делителя 3. Второй электрод подключают последовательно через переключатель 7, прерыватель тока 8 и индикатор тока 9 к подвижному контакту 10, свободно перемещаемому на делителе напряжения 3. Дополнительно к концу делителя напряжения 3 подключают один из полюсов стандартного элемента Вестона (соблюдая тот же порядок полярности соединения, см. выше), другой полюс которого может быть соединен с помощью переключателя 7 с подвижным контактом 10. Следовательно, при одном положении переключателя 7 замыкается через прерыватель тока о цепь, содержащая элемент Вестона II, а при другом - цепь, содержащая потенциометрическую ячейку 6.
Элемент Вестона 11 устанавливается для контроля цены одного деления шкалы делителя напряжения 3 (в милливольтах), так как э. д. с. внешних источников тока известна с недостаточной точностью и со временем самопроизвольно падает (источник тойа разряжается).
Перед работой прибор настраивают так, чтобы одно деление шкалы делителя напряжения 3 соответствовало . Для этого с помощью выключателя 2 замыкают цепь внешнего источника тока. После достижения постоянного напряжения (через 10-15 мин) переключателем 7 в цепь включают элемент Вестона II и фиксируют контакт 10 на делении 1018,6 шкалы делителя напряжения 3 (точка D). Так как э. д. с. элемента Вестона II равна , на участке BD напряжение его полностью падает, т. е. на каждом делении напряжение уменьшается на .
Рис. 4. Простейшая схема установки для измерения э. д. с. гальванических элементов компенсационным методом при потенциометрическом титровании: 1- источник постоянного тока с малым выходным напряжением; 2 включатель тока; 3 - делитель напряжения; 4- переменное сопротивление; 5, 10- скользящие контакты; 6 - электролитическая ячейка; 7 - переключатель тока; 8 - прерыватель тока; 9- индикатор тока; 11 - элемент Вестона; и - электроды (индикаторный и сравнения).
Если при коротком замыкании цепи с прерывателем 8 через цепь потечет ток, обнаруживаемый с помощью индикатора тока 9, то это означает, что на участке BD падение напряжения источника тока 1 больше или меньше э. д. с. элемента Вестона II. Передвигая контакт 5 и периодически замыкая цепь прерывателем 8, находят такое положение контакта 5 на переменном сопротивлении 4, при котором индикатор тока 9 показывает отсутствие тока в цепи.
Для измерения э. д. с. потенциометрической ячейки ее включают в цепь переключателем 7 и, не изменяя положения контакта 5, передвигают контакт 10 в ту или иную сторону до тех пор, пока при периодическом замыкании цепи прерывателем 8 гальванометр 9 снова не покажет отсутствие тока. Величину э. д. с. ячейки в милливольтах можно отсчитать по местоположению контакта 10 на шкале делителя напряжения 3.
При измерениях замыкать цепь прерывателем тока 8 можно лишь на очень короткое время (не больше нескольких секунд) во избежание поляризации электродов. После окончания работы следует обязательно размыкать цепь выключателем 2 и арретировать индикатор тока 9.
Действие почти всех потенциометров основано на описанном принципе.
Из отечественных приборов широко применяются потенциометры постоянного тока высокоомные типа ППТВ-1,
И другие, а также ламповые потенциометры - -метры . Последние имеют двойное назначение - измерение э. д. с. гальванических элементов и растворов (при этом используют стеклянный электрод). Обычно точность измерения э. д. с. -метрами меньше, чем потенциометрами. Приборы работают по компенсационному методу, а и другие - по некомпенсационному. Работа с некомпенсационными приборами проще, так как измеряемые величины непосредственно отсчитываются по положению стрелки прибора.
