Výpis aktuálneho zdroja je daný výrazom. Elektrické obvody. Elektromotorická sila

Vzdelávacia inštitúcia

"KOMUNIKÁCIA VYŠŠÍHO ŠTÁTU KOMUNIKÁCIE"

STANOVENIE VÝKONU ELEKTRICKÉHO POHYBU ZDROJA SÚČASTI METODOU NÁHRADY

METODICKÉ OZNAČENIA LABORATÓRNEJ PRÁCE č. 3.3

podľa disciplíny

"Fyzika"

pre študentov všetkých špecializácií

STANOVENIE VÝKONU ELEKTRICKÉHO POHYBU ZDROJA SÚČASTI METODOU NÁHRADY

ÚČEL PRÁCE

Určte EMF aspoň z troch neznámych zdrojov.

ZARIADENIA A PRÍSLUŠENSTVO

1. Súbor zdrojov prúdu.

2. Normálny prvok.

3. Reohord.

4. Galvanometer.

5. Spínače.

PRVKY TEÓRIE

Podmienkou pre pohyb elektrických nábojov vo vodiči je prítomnosť elektrického poľa, ktoré je vytvorené a udržiavané špeciálnymi zariadeniami, nazývanými zdrojov prúdu .

Hlavné množstvo charakterizujúce zdroj prúdu je jeho elektromotorická sila. Zdroj elektrického prúdu   (skrátená ako EMF) sa nazýva skalárna fyzikálna veličina - kvantitatívne meranie schopnosti zdroja vytvoriť potenciálny rozdiel na svojich termináloch (póloch). Rovnako je to práca vonkajších síl pri presúvaní nabitých častíc s kladným jednotkovým nábojom z jedného zdrojového póla do druhého, t. J.

V SI sa EMF meria vo voltoch (V), t.j. v rovnakých jednotkách ako napätie.

Sila zdroja tretej strany   - sú to sily, ktoré vykonávajú oddelenie náboja pri zdroji a tým vytvárajú potenciálny rozdiel na svojich póloch. Tieto sily môžu mať inú povahu, ale nielen elektrický (teda názov).

Ak je elektrický obvod rozdelený na dve časti - vonkajšie, s odporom R, a vnútorné, s odporom rpotom EMF aktuálneho zdroja sa bude rovnať súčtu napätí vo vonkajšej a vnútornej časti obvodu:

. (2)

Podľa Ohmovho zákona je napätie na ktorejkoľvek časti obvodu závislé od veľkosti prúdu a jeho odporu:

Tak ako

teda

, (3)

tj napätie na zdrojových póloch s uzavretým okruhom závisí od pomeru odporov vnútornej a vonkajšej časti obvodu. ak

potom   približne rovná sa U, To je základ pre približné určenie emf pomocou voltmetra s vysokým odporom pripojeného k zdrojovým pólom. Iba pri absencii prúdu v zdroji jeho EMF sa bude rovnať napätiu na póloch.

Veľkosť EMF môže byť určená presne elektrostatickou alebo kompenzačnou metódou. Pri meraní EMF elektrostatickým spôsobom zostáva obvod otvorený, pretože Meranie potenciálneho rozdielu na póloch zdroja sa vykonáva zariadením, ktoré nekonzumuje prúd (elektromer, elektrostatický voltmetr). Pri meraní EMF metódou kompenzácie je zdrojový obvod zatvorený, ale potrebné údaje sa robia v okamihoch, kedy nie je v zdroji prúd.

Kompenzačná metóda na stanovenie EMF

Podstatou kompenzačnej metódy merania EMF je výber a určenie napätia naprieč úsekom elektrostatického obvodu rovnajúceho sa EMF skúmaného zdroja.

Obvod elektrického obvodu na určenie emf kompenzačnou metódou je znázornený na obr.

Dva zdroje emf    a  x   navzájom. odpor R   1 a R   2 vo forme homogénneho drôtu napnutého medzi body   a a bod C   určený klzným kontaktom (v prípade potreby veľmi vysoká presnosť merania R   1 a R   2 sú obchody s odolnosťou).

Vyberáme pozitívne smery prúdov, ako je znázornené na obrázku 1, a použijeme pravidlo Kirchhoff na daný okruh. Prvé pravidlo pre body   a C   dáva

(4)

Druhé pravidlo pre kontúry  BCA   a  x CA   vedie k rovniciam:

(5)

(6)

Tieto rovnice úplne určujú všetky neznáme prúdy. Avšak obmedzujeme sa na špeciálny prípad a predpokladáme, že odpor R   1 a R   2 sú zvolené tak, aby prúd ja x    v galvanometrickom obvode G   sa rovná 0. V tomto prípade majú rovnice (4) - (6) formu

,

Z posledných dvoch rovníc nájdeme

, (7)

kde R   - impedancia reťazca, ktorá nezávisí od polohy klzného kontaktu C.

Predpokladajme, že namiesto zdroja s neznámym EMF  x   zahrnuli sme ďalší zdroj  n so známym EMF a pohyblivým kontaktom Ca preto zmenou premenných odporov sme opäť získali kompenzáciu ( ja 1   = 0). Na to namiesto odporu r x   potrebné na zavedenie odporu r   n . potom

. (8)

Rozdeľujeme podľa termínu (7) o (8)

. (9)

Táto rovnosť je základom porovnania kompenzačných príspevkov.

Pamätajte na to pomer porovnávaného EMF nezávisí od vnútorných odporov zdrojov a od iných odporov obvodu, ale je určený len pomerom odporov obvodovej časti, ku ktorej sú striedavo pripojené zdroje EMF. Nie je potrebné vedieť a pomocný zdroj EMF , ktorá by mala byť počas merania pomerne konštantná a viac ako dve porovnávané EMF   a .

EXPERIMENTÁLNA TECHNIKA A OPIS INŠTALÁCIE

EMF galvanického článku táto práca je určená jej porovnaním s EMF normálneho prvku = 1,00 V. Napätie medzi elektródami tohto a podobnými normálnymi prvkami je veľmi konštantné. Preto hrajú rovnakú úlohu v elektrických meracích prístrojoch ako štandardy dĺžky (meter) a hmotnosti (kilogram) pri meraní mechanických veličín.

Diagram pripojenia zariadenia je znázornený na obrázku 2, kde    - pomocné napájanie; AB   - reichord s posuvným kontaktom C;   a - normálne a testovacie položky; G   - galvanometer; P   - bipolárny spínač; K   - kľúč, zatvorenie obvodu pomocného zdroja napájania.

Rovnaké riešenie (9) je relatívne umožňuje získať vzorec na výpočet EMF študovaného prvku

(10)

povrázok AB   je rovnomerný vodič s konštantným prierezom.

Odolnosť reťazí reťaze R   1 a R   1N   (dĺžka l   x a l   n), zahrnuté v (10), možno vyjadriť ako

R 1

  a R   1n =

.

Nahradením týchto hodnôt do (10), konečne dostaneme výpočtový vzorec na určenie emf aktuálneho študovaného zdroja

. (11)

Ako vidíme, v tomto vzorci je pomer odporov úsekov reťazca rovný pomeru ich príslušných dĺžok.

Metóda kompenzácie sa prakticky môže uskutočniť za týchto podmienok:

EMF hlavného zdroja musí byť väčší ako EMF referenčného aj skúmaného prvku;

2) okruh by mal byť uzavretý na malé časové intervaly dostatočné na zistenie prítomnosti alebo neprítomnosti prúdu v galvanometri.

Poradie práce

1. Zostavte schému zobrazenú na obrázku 2 (ak je zostavená, uistite sa, že je v súlade s obrázkom).

2. Zahrňte položku   v galvanometrickom obvode (prepínač P v hornej polohe). Presunutie kontaktu C AS, tj nastavenie "0" na galvanometri. Zmerajte dĺžku časti reťazca l n

3. Zahrňte jeden z piatich neznámych. prvkov v galvanometrickom obvode (prepínač P v spodnej polohe). Presunutie kontaktu C, aby sa dosiahlo vyrovnanie tohto prvku napätím v úseku reťazca AS, čo dokazuje vytvorenie "0" na galvanometri. Zmerajte dĺžku časti reťazca l x na ktoré sa vypláca náhrada.

5. Zopakujte merania uvedené v odsekoch 2 až 4 niekoľkokrát, aby ste získali presnejšie výsledky. Vypočítajte priemernú hodnotu EMF a chybu výsledku. Výsledky meraní a výpočtov zaznamenané v tabuľke 1 s povinným uvedením rozmeru všetkých použitých hodnôt.

Tabuľka 1

6. Konečný výsledok je napísaný ako

kde s   - štandardná odchýlka vypočítaná podľa vzorca:

,

kde n   - počet meraní pre jednu položku.

7. Opakujte úlohy 2-7 pre ostatné prvky.  x   , Vytvorte podobné tabuľky.

Vyskúšajte otázky

1. Definujte zdrojovú elektromotorickú silu. Aký je jej rozmer?

2. Aké sily spôsobujú oddelenie nábojov v napájacích zdrojoch? Uveďte príklady.

3. Ako možno určiť zdroj emf?

5. Aká je podstata kompenzačnej metódy?

Vypočítajte výpočtový vzorec na určenie zdroja emf pomocou kompenzácie.

literatúra

1. S.G. Kalashnikov. Elektrina. M .: "Veda", 1977

2. I.E. Herods. Základné zákony elektromagnetizmu. M .: Vysoká škola, 1983

Elektrický okruh   pozostáva zo zdroja prúdu, spotrebičov elektrickej energie, spojovacích drôtov a kľúča používaného na otváranie a zatváranie okruhu a iných prvkov (obrázok 1).

Zobrazujú sa výkresy, ktoré znázorňujú spôsoby pripojenia elektrických spotrebičov k obvodu elektrických obvodov, Zariadenia v diagramoch sú označené symbolmi.

Ako bolo uvedené, na udržanie elektrického prúdu v obvode je nevyhnutné, aby na jeho koncoch (obr.2) bol konštantný rozdiel potenciálu φ   A - φ   B. Nechajte v počiatočnom čase φ   A\u003e φ   B, potom prenášajte pozitívny náboj q   z bodu   k tomuto bodu   znižuje potenciálny rozdiel medzi nimi. Aby sa udržal konštantný rozdiel potenciálu, je potrebné previesť presne ten istý náboj z B   v , Ak v smere →   náboje sa pohybujú silami elektrostatického poľa, potom v smere →   pohyb nábojov sa vyskytuje proti silám elektrostatického poľa, t.j. pod vplyvom síl neelektrostatickej povahy, tzv. vonkajších síl. Táto podmienka je splnená v zdrojoch prúdu, ktoré podporujú pohyb elektrických nábojov. Vo väčšine prúdových zdrojov sa v galvanických bunkách pohybujú len elektróny - ióny oboch znakov.

Zdroje elektrického prúdu sa môžu líšiť svojim dizajnom, ale v každom z nich sa pracuje na oddelení pozitívne a negatívne nabitých častíc. V rámci akcie dochádza k oddeleniu poplatkov vonkajšie sily, Vonkajšie sily pôsobia len vo vnútri zdroja prúdu a môžu byť spôsobené chemickými procesmi (batérie, galvanické články), pôsobením svetla (fotoelementy), rôznymi magnetickými poľami (generátormi) atď.

Každý zdroj prúdu je charakterizovaný elektromotorickou silou - EMF.

Elektromotorická sila ε   zdroj prúdu sa nazýva fyzikálne skalárne množstvo, ktoré sa rovná pôsobeniu vonkajších síl pri pohybe jediného pozitívneho náboja pozdĺž uzavretého obvodu.

Jednotka elektromotorickej sily v SI je volt (V).

EMF je energia charakteristická pre zdroj prúdu.

V súčasnom zdroji v procese práce na separácii nabitých častíc dochádza k transformácii mechanických, svetelných, vnútorných atď. energie do elektrickej energie. Oddelené častice sa hromadia na póloch prúdového zdroja (miesta, ku ktorým sa spotrebitelia pripájajú pomocou svoriek alebo svoriek). Jeden pól zdroja prúdu je nabitý pozitívne, druhý - negatívne. Vytvorí sa elektrostatické pole medzi pólmi zdroja prúdu. Ak sú póly prúdového zdroja spojené s vodičom, v takomto elektrickom obvode vzniká elektrický prúd. Povaha poľa sa mení, prestáva byť elektrostatický.

Obrázok 3 schematicky znázorňuje zápornú svorku prúdového zdroja a prierez konca kovového drôtu, ktorý je k nemu pripojený, vo forme guľového vodiča. Prerušovaná čiara zobrazuje niektoré línie intenzity poľa terminálu pred vložením drôtov do nej a šípky ukazujú sily pôsobiace na voľné elektróny drôtov umiestnených na bodoch označených číslami. Elektróny v rôznych bodoch v priereze drôtu pod pôsobením Coulombových polí sily terminálu získavajú pohyb nielen pozdĺž osi drôtu. Napríklad elektrón umiestnený na 1 sa ukáže byť súčasťou "aktuálneho" pohybu. Ale v blízkosti bodov 2, 3, 4, 5 elektróny majú schopnosť hromadiť sa na povrchu drôtu. Navyše povrchová distribúcia elektrónov pozdĺž dĺžky drôtu nebude rovnomerná. Prepojenie drôtu s terminálom zdroja prúdu spôsobí, že sa niektoré elektróny pohybujú pozdĺž drôtu a niektoré elektróny sa hromadí na povrchu. Nerovnomerné rozdelenie elektrónov na svojom povrchu zabezpečuje nerovnakosťou tohto povrchu, prítomnosť komponentov sily elektrického poľa, nasmerovaných pozdĺž povrchu vodiča. Toto pole je redistribuované elektróny samotného vodiča a zabezpečuje riadny pohyb iných elektrónov. Ak sa distribúcia elektrónov na povrchu vodiča v priebehu času nezmení, potom sa toto pole nazýva stacionárne elektrické pole, Preto hlavnou úlohou pri vytváraní stacionárneho elektrického poľa hrajú náboje na póloch prúdového zdroja. Keď je elektrický okruh zatvorený, interakcia týchto nábojov s voľnými nábojmi vodiča vedie k vzniku nekompenzovaných povrchových nábojov na celom povrchu vodiča. Tieto náboje vytvárajú stacionárne elektrické pole vo vnútri vodiča po celej svojej dĺžke. Toto pole vnútri vodiča je rovnomerné a línie intenzity sú smerované pozdĺž osi vodiča (obrázok 4). Proces vytvárania elektrického poľa pozdĺž vodiča nastáva rýchlosťou c   ≈ 3 · 10 8 m / s.

Rovnako ako elektrostatické pole, je to potenciálne. Medzi týmito oblasťami však existujú výrazné rozdiely:

1. elektrostatické pole - pole pevných poplatkov. Zdrojom stacionárneho elektrického poľa sa pohybujú náboje a celkový počet nábojov a štruktúra ich distribúcie v danom priestore sa časom nemení;

2. Elektrostatické pole existuje mimo vodiča. Pevnosť elektrostatického poľa je vždy 0 vo vnútri objemu vodiča a v každom bode vonkajšieho povrchu vodiča je nasmerovaná kolmo na tento povrch. Stacionárne elektrické pole existuje tak vo vnútri, ako aj vo vnútri vodiča. Intenzita stacionárneho elektrického poľa nie je nulová vo vnútri objemu vodiča a na povrchu a vnútri objemu sú pevnostné zložky, ktoré nie sú kolmé na povrch vodiča;

3. Potenciály rôznych bodov vodiča, ktorými sú prúdy jednosmerného prúdu odlišné (povrch a objem vodiča nie sú ekvipotenciálne). Potenciály všetkých bodov na povrchu vodiča umiestneného v elektrostatickom poli sú rovnaké (plocha a objem vodiča sú ekvipotenciálne);

4. Elektrostatické pole nie je sprevádzané vzhľadom na magnetické pole a stacionárne elektrické pole sprevádza jeho vzhľad a je neoddeliteľne spojené s ním.

Zistite, ktorá hodnota je hlavnou charakteristikou aktuálneho zdroja. Každý zdroj prúdu má dva póly: pozitívne a negatívne. Aby mohol mať tieto póly, je potrebné zbierať voľné pozitívne poplatky na jednom póle vo vnútri a na druhom strane negatívne. Na to musíte robiť prácu. Elektrostatické sily nemôžu túto prácu vykonávať, pretože na rozdiel od nábojov sa navzájom priťahujú a musia byť oddelené. Práca na nahromadení nábojov nie je spôsobená elektrostatickými silami, ale vonkajšími silami. Povaha týchto druhov môže byť odlišná. Napríklad v generátoroch elektrického prúdu sa oddeľovanie nábojov uskutočňuje silami magnetického poľa, v batériách a galvanických článkoch - chemických. Štúdium zdrojov prúdu ukazuje, že pomer práce externej sily k náboju nahromadenej na póle pre daný zdroj prúdu je konštantná hodnota a nazýva sa elektromotorická sila prúdového zdroja:

Elektromotorická sila prúdového zdroja

Skalárne množstvo, ktoré je charakteristické pre zdroj prúdu a merané prácou, dokonalá vonkajšia sila v ňom z hľadiska akumulácie na každom póle 1 na nabíjanie sa nazýva elektromotorická sila prúdového zdroja.   Nabíjanie v 1 ažakumulovaná na póle prúdového zdroja, má potenciálnu elektrickú energiu, číselne rovnú e. d. a. source.

Jednotka e. d. a.

Opatrenie e. d. a. zdroj prúdu. Pripojte voltmetr k demonštračnej galvanickej bunke (obrázok 75, a) *. Zmena relatívnej polohy elektród v elektrolyte, ako aj množstvo ponorenia do elektrolytu, vidíme, že hodnoty voltmetra ( 1,02 palcov) sa nemenia. E. D. nezávisí od veľkosti aktuálneho zdroja. Záleží len na povahe vonkajších síl, ktoré spôsobujú nahromadenie nábojov na póloch. Každý zdroj prúdu má vlastné e. d. a.

* (S týmto meraním e. d. a. Hodnota voltmetra bude mierne nižšia ako hodnota e. d. a. Čím väčší je odpor voltmetrovej cievky v porovnaní s vnútorným odporom zdroja, tým menší bude tento rozdiel, ako je to zistené v opísanej skúsenosti.)

Keď je elektrický okruh zatvorený, prúdový zdroj tvorí v drôtoch stacionárne elektrické pole a prenáša do neho energiu nahromadenú nábojmi na svojich póloch. Kvôli tejto energii stacionárne pole pracuje na vytváraní prúdu a prenáša do neho vlastnú energiu, ktorú súčasný spotrebiteľ premieňa na iné formy energie.

Vnútorná časť obvodu, ktorá je zdrojom prúdu, má rovnaký odpor ako každý vodič; nazýva sa to vnútorný odpor zdroja prúdu r, V prúdovom generátore je vnútorný odpor odporom vinutia armatúry, v chemických zdrojoch je odpor elektrolytu.

Keď okruh zatvorí elektrické pole, pohybom nabíjania 1 až   z bodu A do bodu B pozdĺž vonkajšej časti obvodu (obrázok 75, b) vykoná prácu, ktorá je číselne rovná napätiu U v tejto časti. Dosiahnutie stĺpika B, nabíjanie 1 až   musí prejsť na vnútornú časť obvodu a prejsť na stožiar A. Aby bol znova na póle A a mal rovnakú energiu ako E pri odchode z bodu A, vonkajšie sily prúdového zdroja musia robiť prácu rovnú prácu vynaloženú na to pohybujúc sa pozdĺž vonkajšej časti obvodu, ktorý sa číselne rovná napätiu U na tomto úseku plus práce vynaloženej na prekonanie vnútorného odporu r zdroja. Druhý je číselne rovný napätiu u vo vnútornej časti obvodu. Preto e. d. a. zdroj je číselne rovnaký E = U + u.Elektromotorická sila je číselne rovnaká ako práca, ktorú prúdový zdroj robí pri prenose 1 na celý okruh..

Zmerajte napätie na vonkajších a vnútorných častiach; reťaze (obrázok 75, c) *. Voltmetr A ukazuje napätie na vonkajšom odpore R a voltmeter B - na vnútornej strane; odpor r. Zmenou hodnoty odporu vonkajšieho obvodu; upozorňujeme, že toto mení napätie na okruhoch (tabuľka 4).

* (Sondy 1 a 2 sú vyrobené z hrubého medeného drôtu vo vinylchloridovej izolácii, ktorá je odrezaná zo strany umiestnenej v strede nádoby. Sondy sú v kontakte s izoláciou pomocou elektród.)

Vidíme, že súčet napätí vo vonkajšej a vnútornej časti obvodu je konštantná hodnota (v rámci limitov experimentálnych chýb) a je rovná e. d. a. source. Zobrazuje množstvo energie, ktoré môže prúdový zdroj prenášať do elektrického obvodu pri pohybe po celom nabíjacom okruhu 1 k.