Лабораторна робота № 3.3

Визначення електрорушійної сили джерела

методом компенсації

Мета роботи: визначити е.р.с. джерела струму.

Теоретичні відомості

(Теорія до даної роботи описана в лекційному курсі (інтерактивного комплексу Ч І) §3.10-3.12)

Для того, щоб по провіднику проходив постійний електричний струм, необхідно підтримувати на його кінцях постійну різницю потенціалів. Це зможуть здійснювати лише сили неелектричної природи. Такі сили називаються сторонніми . Наприклад, в гальванічних елементах розділення зарядів відбувається внаслідок протікання хімічних процесів, в генераторах – під дією механічних сил, в термоелементах – під дією теплового руху.

Величина, рівна сторонній силі, що діє на одиничний позитивний заряд, називається напруженістю електричного поля сторонніх сил

.

Елементарна робота сторонніх сил по переміщенню заряду q дорівнює

,

де – кут між напрямком дії сили і напрямком руху додатного заряду, – проекція вектора напруженості сторонніх сил на напрямок переміщення.

Тоді повна робота, яку виконують сторонні сили при переміщенні заряду q по замкненому контуру, дорівнює

. (1)

Інтеграл називається циркуляцією вектора напруженості електричного поля сторонніх сил.

Робота, яка виконується сторонніми силами при переміщенні одиничного позитивного заряду по замкненому колу, називається електрорушійною силою

. (2)

Слід чітко розрізняти поняття е.р.с., різниці потенціалів і напруги. Під різницею потенціалів розуміють роботу кулонівських сил по переміщенню одиничного позитивного заряду з однієї точки електричного кола в іншу. Під напругою розуміють роботу кулонівських і сторонніх сил по переміщенню одиничного позитивного заряду з однієї в іншу точку кола. Вище дано означення е.р.с. В тому випадку, коли сторонні сили діють на всьому шляху проходження електричного струму, е.р.с. називається розподіленою (наприклад, е.р.с. індукції або самоіндукції). Якщо ж дія сторонніх сил поширюється лише на окремі ділянки кола, то е.р.с. називається зосередженою (наприклад, е.р.с. гальванічного елемента). Одиницею вимірювань е.р.с., напруги, різниці потенціалів є вольт [B].

В розімкненому електричному колі електростатичні сили зрівноважуються сторонніми, отже . В цьому випадку різниця потенціалів між полюсами джерела чисельно дорівнює величині е.р.с. Оскільки різниця потенціалів дорівнює зміні потенціальної енергії одиниці заряду, то е.р.с. визначає, який найбільший запас електростатичної енергії може набути одиниця кількості електрики внаслідок роботи сторонніх сил. Всередині джерела е.р.с. (у внутрішній частині кола) сторонні сили переміщують заряди проти електростатичних сил, зовні джерела е.р.с. (у зовнішній частині кола) заряди переміщуються в напрямку дії електростатичних сил. Точки, які розділяють зовнішню і внутрішню ділянку кола, називаються полюсами джерела е.р.с. Полюс з більшим потенціалом називають позитивним, а з меншим – негативним. Е.р.с. є скалярною величиною.

Електрорушійна сила гальванічного елемента не залежить від розмірів електродів і кількості електроліту, а визначається лише їх хімічним складом. Кожний тип елементів має свою е.р.с.

Виведення робочої формули

Із закону Ома для повного кола слідує, що

, (3)

тобто спад напруги на зовнішній ділянці кола дорівнює е.р.с. мінус спад напруги на внутрішньому опорі (джерела струму).

Точне вимірювання е.р.с. не можна провести звичайним вольтметром. Вольтметр для своєї роботи потребує наявності струму в колі. Тому виміряна ним різниця потенціалів буде менша, ніж реальна е.р.с. В тих випадках, коли внутрішній опір вольтметра великий (наприклад, для лампового вольтметра), струм у його колі малий. Тоді .

Е.р.с. елементів можна виміряти компенсаційним методом Поггендорфа-Боша. Розглянемо схему, зображену на рис.1. Тут – джерело постійного струму, – досліджуваний елемент, – нуль-гальванометр, – нормальний елемент, – реохорд.

Для виведення робочої формули застосуємо правила Кірхгофа:

1. Алгебраїчна сума сил струмів, які сходяться у вузлі, дорівнює нулю (струми, які входять у вузли, беруться зі знаком плюс, а які виходять – зі знаком мінус; вузол – точка, в якій сходяться три або більше провідники). . (4)

2. У довільному замкненому контурі алгебраїчна сума добутків сил струмів і опорів на всіх ділянках контура дорівнює алгебраїчній сумі електрорушійних сил у цьому контурі . (5)

Правило знаків: для струмів, напрямки яких співпадають з умовно вибраним напрямком обходу контура, добуток береться зі знаком “+”, у протилежному випадку – зі знаком “–”. Якщо при обході контура в середині джерела струму рухаємось від “–” до “+”, тобто в напрямку підвищення потенціалу, то е.р.с. даного джерела записуємо зі знаком “+”. У протилежному випадку ставлять знак “–”.

Застосувавши друге правило Кірхгофа для контура , одержимо

, (6)

де – внутрішній опір досліджуваного елемента, – внутрішній опір гальванометра, – опір частини реохорда (ділянка АС).

Коли ковзний контакт С встановити так, що , то

. (7)

У цьому випадку спад напруги на ділянці АС, створений джерелом , дорівнюватиме е.р.с. досліджуваного елемента (метод компенсації).

Замінимо досліджуваний елемент нормальним, тобто гальванічним елементом е.р.с. якого відома. Пересуваючи контакт С, доб’ємось такого його положення D, щоб струм через гальванометр також не протікав. Тоді вираз (7) можна переписати у вигляді

. (8)

Струм, що протікає через ділянку АВ залишається попереднім, оскільки у вітці AGD І =0.

Розділивши вираз (7) на рівняння (8), отримаємо

, (9)

Враховуючи, що опір ділянок дротини реохорда пропорційний їх довжині, можна записати

, (10)

де і .

Знаючи і вимірявши та , на основі формул (9) і (10) можна знайти :

. (11)

Опис установки

Дротина реохорда АВ натягнута на масштабній лінійці, що дає можливість безпосередньо відраховувати довжини і .

Електрична схема (рис. 1) містить натискний ключ К, який дозволяє замикати коло на короткий час, щоб уникнути швидкої розрядки джерела і поляризації елементів та . Ввімкнення в коло досліджуваного елемента і нормального досягається двополюсним перемикачем П, а джерела – ключем К ₁.

Нормальний елемент Вестона складається із скляної посудини, яка має форму букви Н (рис. 2). В нижній частині впаяні платинові електроди, з’єднані із затискачами. Роль позитивного полюса відіграє ртуть, негативного – амальгама кадмію. Електролітом є насичений розчин , деполяризатором – сірчанокислий закис ртуті . Е.р.с. нормального елемента дуже мало змінюється з часом, оскільки мала поляризація електроліту, а також майже не змінюється з температурою. При вона дорівнює . Внаслідок постійності е.р.с. нормального елемента її зручно порівнювати з іншими невідомими е.р.с. Тому такий елемент застосовується в так званих компенсаційних схемах.

Хід роботи

1. Скласти схему, зображену на рис. 1, звернувши увагу, що в точці А полярність джерел , , повинна співпадати.

2. Перемикачем П ввімкнути в електричну схему елемент з невідомою е.р.с. . Замкнути ключ Пересуваючи повзунок реохорда, при замкнутому ключі , досягти відсутності струму через нуль-гальванометр (компенсації). Записати отримане по шкалі лінійки значення довжини ділянки реохорда в таблицю. Дослід виконати не менше 5 разів, кожного разу, розбалансовуючи, а потім знову збалансовуючи, електричну схему.

3. Перемикачем П ввімкнути у електричну схему елемент з відомою е.р.с. . Пересуванням повзунка реохорда досягти відсутності струму через гальванометр. Виміряти не менше п’яти разів.

4. Обчислити середні значення та

5. Оцінити паспортні приладові похибки та похибки табличних величин.

6. Обчислити за робочою формулою (11) е.р.с. невідомого елемента .

7. Обчислити відносну і абсолютну похибки, записати кінцевий результат.

,

Результати вимірювань

∆( l_x)₀= ∆( l₀)₀=

№	, мм	, мм
Ср.

Контрольні запитання

1. Що таке електричний струм? Які умови існування електричного струму?

2. Чому для підтримки постійної різниці потенціалів необхідні сили неелектричної природи? Наведіть приклади дії сторонніх сил.

3. Записати закон Ома для повного кола. Що таке е.р.с.?

4. В чому полягає суть методу компенсації?

5. Сформулюйте правила Кірхгофа.

6. Чи можна виконувати вимірювання, якщо е.р.с. або ?

Лабораторна робота № 3.4

Вивчення залежності опору металів від температури

Мета роботи: 1) визначити опір провідника першого роду при різних температурах; 2) побудувати графік залежності ; 3) визначити температурний коефіцієнт опору металу

Теоретичні відомості.

(Теорія до даної роботи описана в лекційному курсі (інтерактивного комплексу Ч І)§3.10)

До провідників першого роду відносяться метали і сплави. Носіями електричного струму в них є вільні електрони. Вільні електрони приймають участь у тепловому хаотичному русі. Якщо до деякої ділянки провідника першого роду прикладена різниця потенціалів, то на хаотичний рух електронів накладається їх впорядкований рух. При цьому носії струму стикаються з атомами (іонами) металу, які коливаються відносно положень рівноваги – вузлів кристалічної ґратки. Зіткнення відбуваються також з атомами домішок. В обох випадках ці зіткнення є причиною появи електричного опору. Якщо метал чистий і відсутні дефекти, то електрони розсіюються лише на теплових коливаннях ґратки. З підвищенням температури амплітуда коливань іонів збільшується і зростає опір металу. Якщо метал містить домішки, то електрони розсіюються не тільки на теплових коливаннях іонів самого металу, а й на дефектах.

Частина опору, яка зумовлена розсіянням електронів на домішках, залишається величиною скінченою навіть тоді, коли температура прямує до абсолютного нуля. При температурах порядку кімнатної і вищій розсіювання електронів на теплових коливаннях відіграє більшу роль, ніж розсіювання на домішках і дефектах ґратки.

До провідників другого роду належать електроліти. Носіями електрики у провідниках другого роду є рухомі іони. З підвищенням температури ступінь дисоціації рідкого електроліту зростає, а значить кількість носіїв струму збільшується, їх рухливість зростає і тому опір зменшується.

Залежність опору металів від температури описується законом

, (1)

де – опір при 0°С; R – опір металу при температурі (за шкалою Цельсія); – температурний коефіцієнт опору, який чисельно дорівнює відносній зміні опору при зміні температури на один градус:

.

Для металів зміна з температурою незначна, а тому її можна вважати постійною в досліджуваному інтервалі температур. Запишемо вираз (1) для двох різних температур:

,

. (2)

Розв’язуючи систему рівнянь (2) відносно , отримаємо

. (3)

Співвідношення (3) є робочою формулою.

Хід роботи

1. До клем омметра під’єднати досліджуваний провідник, розміщений у термостаті (рис. 1).

2. Перемикач “помножити” встановити в положення, при якому точність вимірювання опору буде максимальною.

3. Виміряти опір досліджуваного провідника при кімнатній температурі.

4. Ввімкнути нагрівник термостата і через кожні 5°С вимірювати опір провідника. Вимірювання виконувати до температури 80-90°С. Дані вимірювання записати в таблицю.

5. Побудувати графік залежності опору провідника від температури .

6. На графіку вибрати прямолінійну ділянку і для кількох пар точок, достатньо віддалених одна від одної, що лежать на цій прямій, обчислити за робочою формулою (5) значення . Обчислених значень повинно бути не менше п’яти.

7. Знайти середнє значення .

8. Обчислити відносну і абсолютну похибки, записати кінцевий результат.

,

Результати вимірювань

Таблиця 1

№
t,°C
R, Ом

Таблиця 2

№	Температурний інтервал	, K^-1	∆α, K^-1
Ср.

Контрольні запитання

1. Пояснити природу електричного опору у провідниках першого і другого роду.

2. Пояснити залежність опору провідника від температури при низьких і високих температурах.

3. Записати формулу залежності опору провідника від температури.

4. Яку величину називають температурним коефіцієнтом опору? В яких одиницях вона вимірюється?

5. В чому полягає явище надпровідності?

Література

1. Навчальний посібник “Загальна фізика”, ч. ІІ, під редакцією Олексин Д.І., Орленка В.Ф. Рівне, НУВГП, 2009

2. Трофимова Т.И. Курс физики.–М., "Высшая школа", 1990.

3. Детлаф А.А., Яворский В.М. Курс физики.–М., "Высшая школа", 1989.

4. Савельев И.В. Курс физики.–М., "Наука", 1989, т.1–3.

5. Зачек І.Р., Кравчук І.М., Романишин Б.М. та ін. Курс фізики. За ред. Лопатинського І.Є., Львів, “Бескид Біт” 2002.

6. Олексин Д.І., Мороз В.М. Загальна фізика. Частина 1. Конспект лекцій для студентів заочної форми навчання. Рівне, 2002, 073-89.

7. Дубчак Д.І., Ковалець М.О., Орленко В.Ф., Никонюк Є.С., Шляховий В.Л. Загальна фізика. Частина 2. Конспект лекцій для студентів заочної форми навчаня. Рівне, 2002, 073-90.

8. Кучерук І.М. та ін. Загальний курс фізики. У трьох томах, К., 1999.

Додаток 1

Приклад оформлення титульної сторінки

___________________________________________________________

Дата добавления: 2015-05-24