Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
(1)
Рис.1.
Рис.2.
Филиал государственного образовательного учреждения
Высшего профессионального образования
«Московский энергетический институт
(технический университет)»
в г. Волжском
Кафедра «Общая физика»
Лабораторная работа № 23
«Изучение обобщенного закона Ома и измерение электродвижущей силы методом компенсации»
Выполнил:
Группа:
Проверил:
Волжский 2011
Цель работы: изучение зависимости тока на участке цепи, содержащем ЭДС, от разности потенциалов на его концах, расчет ЭДС и полного со противления этого участка.
Теоретические сведения.
Для того чтобы поддерживать ток электрических зарядов в течение какого-то длительного времени, необходимо, кроме электростатического поля, наличие в цепи сторонних источников тока – сторонних полей.
Для каждого из этих полей вводятся силовая и энергетическая характеристики. Силовой характеристикой является вектор напряженности Еэл.ст. и Естор.
Как и в электростатике, направление Е совпадает с направлением силы F, действующей на положительный точечный заряд q; величина напряженности численно равна отношению силы к величине заряда, если он достаточно мал.
Еэл.ст. = Fэл.ст./q; Естор. = Fстор./q
Энергетической характеристикой электростатического поля является разность потенциалов 1 - 2, стороннего поля – электродвижущая сила ЭДС - . Величина разности потенциалов равна отношению работы силы электростатического поля при перемещении малого точечно го заряда q из первой точки участка цепи во вторую к величине перемещаемого заряда. Величина ЭДС – аналогично отношению работы силы стороннего поля к величине q.
1 - 2 = (А1-2)эл.ст./q; = Астор./q
Между силовыми и энергетическими характеристиками электростатического и стороннего полей имеются сходные интегральные соотношения.
1 - 2 = ∫Еэл.ст.dl, = ∫Естор.dl
Величина, численно равная работе, совершаемой электростатическими и сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда по участку цепи, называется напряжением U на этом участке цепи и равна:
Знак i-ых ЭДС в (1)принимается положительным, если переход от точки 1 к точке 2 соответствует перемещению внутри источника от знака «-» к знаку «+» в противном случае – отрицательным. Если использовать определение напряжения
U = I*rn,
где I – ток в цепи,
rn – полное сопротивление участка, включающее внутреннее сопротивление источника ЭДС на этом участке,
тогда закон Ома принимает вид:
1 - 2 = i = I*rn
Участок цепи, на котором не действуют сторонние силы, называ ется однородным, для которого напряжение равно U1-2 = 1 - 2, т.е. напряжение совпадает с разностью потенциалов на концах участка 1 – 2.
Произведение I*rn берётся положительным, если направление обхода совпадает с направлением тока. Например, для участка 1 - - 2, выбрав направление обхода против часовой стрелки от 1 к 2, вдоль направления тока, получим:
I(r + ri) = 1 - 2 + (2)
Обобщенный закон Ома, примененный к участку 1- V- 2 (обход через вольт метр), даёт следующее:
Iвrв = 1 - 2
(3)
где Iв, - ток, идущий через вольтметр,
rв – его сопротивление.
Но произведению Iвrв - это показание вольтметра, следовательно, показание вольтметра, подключённого к концам любого участка цепи, всегда равно разности потенциалов: между точками подключения прибора.
В равенстве (3) перед произведением Iвrв стоят знаки , так как, не зная параметров внешней (по отношению к рассматриваемому участку), цепи, нельзя заранее указать направление тока, идущего через прибор, т.е. нельзя сказать потенциал какой точки (1 или 2) будет выше.
Таким образом, показание Uв вольтметра в общем случае
U = |1 - 2|
Заменяя в выражении (2) разность потенциалов через показания вольтметра и обозначая полное сопротивление участка через R, получим
IR = Uв + или 1 - 2 = Uв = IR - (4)
Из соотношения (1) видно, что между разностью потенциалов, измеряемой вольтметром, и током, обтекающим участок цепи, между концами которого включен вольтметр, в общем случае существует линейная зависимость. Построив график этой зависимости, по углу наклона прямой можно определить сопротивление исследуемого участка цепи.
tg = |U’ – U”| / |I’ – I”| = R1-2 (5)
где U’ и U” – некоторые значения разностей потенциалов на концах участка;
I’ и I” – соответствующие им значения тока.
Из соотношения (4) видно, что, если ток, обтекающий участок, равен нулю, показания вольтметра по абсолютному значению равно ЭДС источника, включенного в рассматриваемый участок, т.е.
Uв =
Описание установки и методика измерения.
Схема установки показана на рис.2. с двумя возможными вариантами включения источников ЭДС – согласным и встречным, которые осуществляются с помощью проводников-перемычек на лицевой панели блока лабораторной работы. Здесь х – источник тока с неизвестной ЭДС; - регулируемая ЭДС; Rx – внешнее сопротивление участка 1 - х – 2; RД – дополнительное сопротивление.
По закону Ома для участка цепи 1 – 2 можно записать
-(1 - 2) + х = IRx или 1 - 2 = х – IRx (6)
а для замкнутой цепи
I(Rx + RД) = х (7)
Здесь + - для согласного, а - - для встречного включения.
Из (7) может быть найдено выражение для величины тока в цепи
I = (x )/(Rx + RД) (8)
Как видно из (8), меняя величину , можно менять и величину тока.
При согласном включении и х ток I растет с ростом . Из (8) видно, что разность потенциалов 1 - 2 при этом линейно уменьшается и может достигнуть нулевого значения. При дальнейшем росте тока разность потенциалов на концах участка меняем свой знак на противоположный.
Если включена навстречу х, величина тока I уменьшается с ростом и при = х становится равной 0. При этом согласно (6) 1 - 2 = -х, т.е. в момент компенсации тока вольтметр измеряет величину х. Вольтметр покажет положительное значение х, так как 2 > 1, а в точке 2 подсоединена положительная клемма вольтметра. Дальнейший рост приводит к изменению направления тока в цепи.
В качестве приборов, указанных на рис. 2 используются:
- блок питания ТЕС-42,
х - блок питания "Марс",
А - вольтметр В7-38 с токовой приставкой для измерения тока I,
V – микромультиметр ММЦ-1 для измерения разности потенциалов 1 - 2.
Приборы соединяются между собой с помощью лабораторного модуля М (смотреть рис.3), Модуль М позволяет соединять источники и х двумя способами: согласное включение - когда «+» одного источника соединяется с «-» другого источника; встречное включение - когда «+» и «-» одного источника соединяются с «+» и «-» другого источ ника. Изменение способа соединения производится путем переключе ния двух выводов на лицевой панели модуля.
Таблицы наблюдений и обработка результатов измерений.
Таблица 1. Согласное включение и х.
|
, В |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
I, мА |
0,14 |
0,178 |
0,21 |
0,254 |
0,291 |
0,329 |
|
1 - 2, В |
0,88 |
0,38 |
-0,11 |
-0.62 |
-1,11 |
-1,61 |
Таблица 2. Встречное включение и х.
|
, В |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
I, мА |
0,063 |
0,0257 |
-0,012 |
-0,049 |
-0,0874 |
-0,125 |
|
1 - 2, В |
1,88 |
2,39 |
2,9 |
3,38 |
3,88 |
4,38 |
График зависимости I = f(1 - 2). Согласное включение.
График зависимости I = f(1 - 2). Встречное включение.
Найдем сопротивление исследуемого участка Rx из графика.
Rx = tg(∆2 - ∆1)/(I2 – I1) = (0,88 – 0,38)В/(0.14 – 0.178)мА = 13.15 кОм
Из второго графика получим точку пересечения с осью абсцисс.
∆х = 2,8В, таким образом х = 2,8В.
Истинное значение х = 3В.
Вычислим погрешности измерения х.
= 2,8В 0,375 В