Компенсационным методом
Цель работы: ознакомиться с компенсационным методом измерения ЭДС.
Приборы и принадлежности: нормальный элемент с ЭДС eN, исследуемый источник eх, вспомогательная батарея e, потенциометр ПП-63, проводники, гальванометр Г (eN, e и Г часто вмонтированы в потенциометр), делитель напряжения, ключ.
Сведения из теории
|
Если на концах проводника сопротивлением R (рис. 3.1,а) имеется разность потенциалов j1 - j2, то по проводнику течет ток. Чтобы ток некоторое время был неизменным, разность потенциалов в течение этого времени надо поддерживать постоянной. Это значит, что положительные заряды, приходящие в точку 2, необходимо каким-то образом перемещать обратно в точку 1, где потенциал j1 > j2. Силы электрического поля сделать этого не могут, так как они направлены в сторону меньшего потенциала. Следовательно, работу по перемещению положительных зарядов из точки 2 в точку 1 могут совершать только силы неэлектрического происхождения (например, механические силы, силы химической природы и т. д.). Эти силы называются сторонними.
Указанную работу практически выполняют источники тока, включаемые в цепь (рис. 3.1, б). Именно сторонние силы источника и перемещают положительные заряды от меньшего потенциала (клемма “-”) к большему (клемма “+”).
Важной характеристикой, связанной с работой сторонних сил источника тока, является величина, называемая электродвижущей силой. ЭДС источника численно равна работе, которую совершают сторонние силы при перемещении единицы положительного заряда с клеммы “-” на клемму “+” внутри источника. Нужно, однако, иметь в виду, что хотя заряды по внешней цепи перемещаются под влиянием электрического поля, само поле (разность потенциалов на внешнем участке) и создается за счет работы сторонних сил. Чем больше ЭДС источника, тем большую работу может совершить ток в цепи этого источника.
ЭДС источника измеряется в вольтах и совпадает с разностью потенциалов на клеммах источника при разомкнутой цепи. Действительно, запишем закон Ома для замкнутой цепи (см. рис. 3.1, б)
и для участка цепи
.
Сравнивая эти формулы, получим
.
Отсюда следует, что, когда по цепи течет ток, разность потенциалов между полюсами источника меньше его ЭДС. При разомкнутой цепи (R ® ¥) e = j1 - j2.
Одним из простых и надежных методов измерения ЭДС является так называемый компенсационный метод. Электрическая цепь реализации этого метода изображена на рис. 3.2, где eх - источник с неизвестной ЭДС, eN - нормальный элемент (с известной ЭДС), e - вспомогательная батарея. Предполагается, что eN < e и eх < e. При замыкании ключа К1 через реостат R течет ток. Если при этом переключатель П замкнут на eN, то ток пойдет и через гальванометр Г.
Запишем первое правило Кирхгофа для узла b (см. рис.3. 2):
I + Ir - I1 = 0, (3.1)
и второе правило Кирхгофа для контура а eN ba:
I r аb - I r (r + r г ) = eN, (3.2)
где r - внутреннее сопротивление источника eN; r г - сопротивление гальванометра (сюда же включается и сопротивление всех подводящих проводников).
Перемещая точку b, можно подобрать такое R аb = R’ аb, при котором ток через гальванометр не идет: I r = 0. В этом случае
I R¢ а,b = eN (3.3)
(ЭДС eN компенсируется падением напряжения на участке ab - частью ЭДС e). Если переключатель П перебросить на eх, то, передвигая точку b, можно подобрать такое сопротивление R аb = R¢¢ аb, при котором I г = 0. В этом случае
I R¢¢ аb = e х. (3.4)
Разделив уравнение (3.3) на (3.4), получим
,
откуда
, (3.5)
т.е. для определения eх достаточно знать eN и отношение R’’ ab / R ’ ab.
