Потенциометры - приборы для измерения ЭДС источников тока, термо-ЭДС и для некоторых других целей. Принцип их работы основан на компенсационном методе. В данной работе используется потенциометр ПП- 63.
|
Лицевая панель прибора изображена на рис. 3.3, где зажимы НЭ, БП, Х служат для подключения нормального элемента eN, батареи питания e и источника с неизвестной ЭДС - e х. Как правило, e N и e уже подключены и находятся внутри потенциометра, поэтому переключатели должны быть в положении “ В ” (внутреннее). Ключ ”Питание” соответствует ключу К1 (см. рис. 3.2), ключ “ K ” и “ И ” - переключателю П.
При компенсации eN ключ К1 замыкают, переключатель П ставят в положение “ К ” (контроль). Во всех участках цепи (рис.3.2) будет течь ток. Рукоятками Р1 (грубая настройка) и Р2 (доводка) устанавливают ток в гальванометре I Г = 0. При этом падение напряжения на участке R¢ ab будет равна eN , т.е.
I R¢ аb = e N.
После этого рукоятки Р1 и Р2 трогать нельзя.
Ток I, который течет через резистор R (рис. 3.2), при отсутствии тока в гальванометре будет постоянным и называется рабочим током. Величина его зависит только от e и полного сопротивления контура, по которому течет ток I.
При определении eх нужно переключатель П поставить в положение “ И ” (измерение). При этом в цепь (см. рис. 3.2) вместо eN будет включен eх Нажав кнопку “Грубо”, замкнем цепь гальванометра и по ней будет течь ток.
Рукоятками L 1 и L 2 (они связаны с сопротивлением R) установим ток в гальванометре, равный нулю. Затем вместо кнопки “Грубо” нужно нажать кнопку “Точно” и рукояткой L 2 установить I r = 0.
Конструктивно потенциометр устроен так, что величина измеряемой ЭДС e х определяется вмилливольтахпоказаниями шкал, которые расположены под рукоятками L 1 и L 2 (измеряемая ЭДС равна сумме показаний при I г = 0).
Порядок выполнения работы
1. Установить рабочий ток I (скомпенсировать eN).
2. Определить eх . Так как eх должна быть меньше e, а у нас они одного порядка, то eх нужно подключать не непосредственно к клеммам “ X ”, а через делитель напряжения. Составить схему такого подключения и внести ее в отчет. Зная, какая часть от eх будет измерена, легко подсчитать и все eх.. Измерять eх нужно не менее шести раз.
После каждого измерения рукоятками L 1 и L 2 сбиваются показания. Результаты занести в таблицу. Таблицу сделать самостоятельно.
3. Обработать результаты измерений:
а) найти полуширину доверительного интервала по формуле
,
где D S - среднеквадратичное отклонение; t a (n) - коэффициент Стьюдента, выбирается в зависимости от надежности a (a £ 0,95) и числа измерений n; k a - коэффициент Стьюдента при n ®¥, k a º t a ( ¥ ); d - максимальная погрешность прибора; D - цена деления шкалы прибора (в данном случае при L 2);
б) найти относительную ошибку;
в) окончательный результат записать в виде
eх = <eх>±De х при a =, e = %.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Записать закон Ома для однородного и неоднородного участков цепи.
2. Записать закон Ома для замкнутой цепи.
3. Каков физический смысл разности потенциалов, напряжения, ЭДС?
4. Порядок выполнения работы.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4
Градуировка термопары
Цель работы: ознакомиться с методом градуировки термопары.
Приборы и принадлежности: термопара, термометр, колба с водой, электроплитка, потенциометр (прибор для измерения ЭДС источника тока. Принцип действия и описание его даны в работе № 3) или гальванометр.
Сведения из теории
Термопара представляет собой два разнородных проводника (I и II), соединенные своими концами (рис. 4.1, а). Места соединений называют спаями (А и В). Если температуры спаев не одинаковы (например, Т А > Т В ), то в цепи термопары потечет ток (термоток) - явление Зеебека.
Опыт показывает, что связанная с термотоком ЭДС e пропорциональна разности температур “горячего” (А) и “холодного” (В) спаев
e = a(Т А - Т В), (4.1)
где a - удельная термо-ЭДС, определяется свойствами металлов, из которых изготовлена термопара. Например, для пары железо - константан a = 5,3 ´ 10-5 В/К.
Возникновение термотока при Т А ¹ Т В связано с наличием разных по величине контактных разностей потенциалов (КРП) в спаях А и В. КРП в любом из спаев определяется выражением
, (4.2)
где А 1 и А 2 - работа выхода электрона соответственно из металлов I и II; е - заряд электрона; k - постоянная Больцмана; n 1, n 2 - концентрации электронов в металлах I и II.
При одинаковых температурах спаев их КРП одинаковы, но про-тивоположны по направлению. ЭДС, равная алгебраической сумме скачков потенциалов в цепи, в этом случае нулевая, так как имеется два одинаковых источника тока, соединенных одинаковыми полюсами (рис. 4.1, б).
Если Т А ¹ Т В, то
/DjA/ ¹ /DjB/,
e = DjA - DjB = 
что совпадает с формулой (4.1), если
.
Используются термопары чаще всего для измерения высоких (или низких) температур. Для этого “горячий” спай помещают в среду, температуру Т которой хотят узнать (Т А = Т), а “холодный” спай - в среду с известной температурой Т В = Т О (например, в тающий лед). Измерив термо-ЭДС (термоток) и зная a, по формуле (4.1) легко вычислить Т. При измерениях удобно иметь предварительно проградуированную термопару. В этом случае нет необходимости в знании a. По измеренным ЭДС и Т непосредственно по графику e = f (D Т = Т - ТО) определяют D Т, а значит, и Т. Задача данной лабораторной работы состоит в том, чтобы получить градуировочную кривую. Градуировку термопары производят по той же схеме (рис. 4.2), что и при измерениях температуры, с той лишь разницей, что “горячий” спай здесь помещают в среду, температуру которой можно изменить и измерить независимым от термопары способом (обычным термометром).
П р и м е ч а н и е. Очень часто ”холодный” спай оставляют при температуре окружающего воздуха (особенно при измерении температур в производственных условиях). В этом случае нет необходимости специально его создавать. Роль такого спая играет любой из контактов (В 1 или В2) проводника термопары (рис. 4.3) с измерительным прибором.
|
Порядок выполнения работы
1. ”Горячий” спай термопары (он вместе с термометром помещен в пробирку с жидкостью) опустить в колбу с водой, установленную на электроплитке.
2. Концы термопары (здесь термопара такая, как на рис. 4.3) присоединить непосредственно к зажимам потенциометра (красный провод к “+”).
3. Измерить и записать температуру “холодного” спая - комнатную температуру. Эти и последующие измерения занести в табл. 4.1.
Таблица 4.1
| № п/п | Т о | Т i | ei | D T i | D T i2 | ei D Ti |
| ... | ||||||
| Сумма |
4. Включить плитку в сеть и довести воду в колбе до кипения.
5. Измерить температуру “горячего” спая и с помощью потенцио-метра определить термо-ЭДС (e).
6. Выключить плитку. Следя за температурой “горячего” спая, произвести 6 - 7 измерений ЭДС (п. 5) при других температурах - приблизительно через каждые 10о.
П р и м е ч а н и е. Пока производятся измерения, температура воды, т.е. “горячего” спая, понизится. В таблицу следует записать температуру, соответствующую концу измерений.
7. По измеренным данным нанести точки на график e = f (D Т), не проводя пока линии самого графика.
8. По формуле
,
которая следует из метода наименьших квадратов, вычислить коэффициент a, совпадающий с тангенсом угла наклона прямой e = f( D Т) к оси абсцисс.
9. По данным п. 8 построить график e = f( D Т). Это и есть градуировочный график, которым можно воспользоваться при измерении температур данной термопарой.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Работа выхода электрона из металла.
2. Контактная разность потенциалов (КРП): а) сущность явления; б) законы Вольта; в) величина КРП;
3. Явление Зеебека: а) сущность явления; б) объяснение явления;
4. Термопара (устройство, градуировка, использование).
5. Сущность явления Пельтье.
6. Сущность явления Томсона.
7.Сущность метода наименьших квадратов для установления эмпирической зависимости между величинами.
8. Преимущества термопары по сравнению с термометрами.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5
