Лабораторная работа 23к измерение эдс компенсационным методом казань 2002 Измерение электродвижущей силы
 Скачать 145 Kb.
|
|
Министерство образования Российской Федерации КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени А.Н. Туполева Кафедра общей физики ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 23К ИЗМЕРЕНИЕ ЭДС КОМПЕНСАЦИОННЫМ МЕТОДОМКазань 2002 Измерение электродвижущей силы компенсационным методом Цель работыОзнакомление с компенсационным методом измерения электро-движущей силы (ЭДС) и измерение ЭДС гальванического элемента. Измерение ЭДС вольтметром Принцип действия стрелочного электромагнитного или магнитоэлектрического измерительного прибора (вольтметра, амперметра) заключается в том, что его стрелка, прикрепленная к плоской катушке, отклоняется пропорционально величине протекающего через катушку тока из-за взаимодействия магнитных полей тока катушки и постоянного магнита (магнита постоянного тока). Вольтметр и амперметр отличаются друг от друга только величиной сопротивления прибора. Таким образом, вольтметр показывает напряжение , которое падает на его сопротивлении при протекании через него электрического тока.  Эквивалентная схема устройства для измерения ЭДС источника вольтметром представлена на рис.1. Она состоит из источника энергии (с ЭДС и внутренним сопротивлением RВ) и вольтметра, который представлен его сопротивлением R. Ток Iв цепи определяется уравнением I =  .Тогда напряжение на вольтметре U = I R = I RB оказывается меньше ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении IRВ. Эта погрешность является принципиальной неустранимой погрешностью данного метода, основанного на протекании тока через вольтметр и, следовательно через источник ЭДС. Она может быть лишь уменьшена увеличением сопротивления вольтметра, однако, лишь до некоторого предела, так как при этом уменьшится величина тока, отклоняющего стрелку. Вывод. Точно измерить ЭДС вольтметром с конечнымсопротивлением невозможно. Компенсационный метод измерения ЭДС. Когда ток через источник энергии равен нулю, падение напряжения IRВ на внутреннем сопротивлении источника также будет равно нулю. В этом случае = U. Для обеспечения равенства нулю тока подключим к клеммам 3 и 4 источника энергии вместо сопротивления R измерительный прибор, собранный по схеме рис. 2.  Рис. 2 На этом рисунке RГ -сопротивление гальванометра Г..Гальванометр предназначен для определения равенства нулю тока I. Для участка 1-а запишем закон Ома   .При I = 0 будет 1 = а. Из той же схемы следует, что 2 = b. Поэтому можно записать 1 - 2 = а - b. Так как а - b = I1 R1 и 1 - 2 = при I = 0 , получим = I1 R1 (1) Из (1) следует, что при I = 0 ЭДС компенсируется напряжением на сопротивлении R1. Вывод: При I= 0 измерение ЭДС можно заменить измерением напряжения на сопротивлении R1. Описание лабораторной установкиПринципиальная электрическая схема лабораторной установки представлена на рис. 3. Так как все элементы электрической цепи собраны в одной установке, то все соединительные провода имеют малую длину и пренебрежимо малое сопротивление. Поэтому они на схеме не показаны.  Лабораторная установка содержит: ГЭ - гальванический элемент, ЭДС которого необходимо измерить. НЭ - нормальный элемент с ЭДСнэ = 1,012В. П - переключатель, включающий в схему гальванический элемент или нормальный элемент. К1 - тумблер, включающий батарею Б. К2 - кнопка, включающая гальванический элемент или нормальный элемент. Г - гальванометр с нулевой отметкой в центре шкалы. М1- магазин сопротивлений, напряжение на котором компенсирует ЭДС или нэ. М2- магазин сопротивлений, обеспечивающий постоянство тока через магазин М1 при обоих измерениях. Б - батарея гальванических элементов. В данной лабораторной установке используется нормальный элемент с ЭДС нэ=1,012 В. Необходимо учесть, что нормальные элементы могут включаться только кратковременно, при этом ток, проходящий через них, не должен быть большим. Иначе они станут неработоспособными. Переключателем П подключим нормальный элемент вместо гальванического элемента и, изменяя сопротивления R1и R2, добьемся нулевого показания гальванометра Г. Обозначим полученные значения сопротивлений R1 и R2 через R1нэ и R2нэ. Тогда по аналогии с (1) можем записать  , (2)Из (1) и (2) следует  . (3)При условии R1 + R2 = R1нэ + R2нэ будем иметь I1=I1нэ. Тогда из (3) получим рабочую формулу  (4)Методика проведения эксперимента и обработки результатовНачертить в тетради таблицы 1и 2. Таблица 1
Таблица 2
Включить компьютер. Запустить программу 23К.ЕХЕ. Для этого указать курсором на 27К.ЕХЕ и щелкнуть левой кнопкой мышки (в дальнейшем эту команду обозначим L’ на 27К.ЕХЕ). Изучить информацию на экране. В левой верхней части расположены 4 реостата для изменения сопротивления R1.Одно деление первого слева реостата соответствует 1000 Ом, второго слева реостата соответствует 100 Ом, третьего слева реостата соответствует 10 Ом, правого крайнего реостата-1 Ом. Ниже слева расположены такие же реостаты для изменения сопротивления R2. Между верхним рядом реостатов и нижним рядом реостатов расположена шкала гальванометра. Красная линия соответствует случаю I=0. Отклонение синей линии вправо соответствует положительному значению тока I, отклонение влево – отрицательному значению I.Слева внизу расположена таблица результатов, которые заполняются компьютером при достижении условия I=0. Опыты проводятся при R1+R2=R1нэ+R2нэ=const=9999 Ом. Необходимо найти такие значения R1и R2, при которых токи через гальванометр I и Iнэ равны нулю. Для увеличения показания реостата на одну единицу необходимо на реостате L1. Для уменьшения показания реостата на одну единицу нажать на реостате правую клавишу мышки и отпустить. В дальнейшем это команда обозначается как R1. Определение значения R1 L’ на команде с искомым E из Выбор источника энергии. Значение R1 выражается некоторым четырехзначным числом, например, 3511 Ом. Запишем это число в виде m1 n1 l1 p1, где m1=3, n1=5, l1=1, p1=1. Аналогично запишем R2 = m2 n2 l2 p2. При большихm1 ток I будет положительным, при малых m1- отрицательным. Определение диапазона изменения m1. Установить значения m1=0, n1 =0, l1=0, p1=0. В соответствии с этим установить значение R2. Дальше L1 накоманде Тест. Если будет I<0, установить значение m1=2. L1на команде успокоить. Дальше L1 накоманде Тест. Если снова будет I<0 , установить значение m1=3 и т.д. Если при m1=mi будет I<0 и при m1=mi+1 будет I>0, тонужно установить m1=mi. Дальше аналогично определить значение n1, затем значения l1и p1. В результате компьютер заполняет таблицу 1. Определение значения R1нэ L’ на команде Нормальный элемент из выбор источника энергии. Повторить пункты 6 и 7. Включить калькулятор. Для этого L’ на калькуляторе. Рассчитать величины R1+R2 и R1нэ+R2нэ. По формуле (3) рассчитать . Данные таблиц переписать в тетрадь. Выключить калькулятор - L’ на команде калькулятора. L’ на команде . Выключить компьютер. Внимание Если в процессе пользования компьютером из экрана монитора исчезнет калькулятор, вызывайте его командой Alt+Tab. Контрольные вопросыВ чем заключаеся преимущество измерения ЭДС компенсационным методом ? В чем заключаеся идея измерения ЭДС компенсационным методом ? Как можно определить ЭДС источника по результатам эксперимента? |