Методические указания к лабораторной работе Определение эдс методом компенсации д исциплина



Скачать 165.52 Kb.
Дата26.07.2014
Размер165.52 Kb.
ТипМетодические указания
Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования


фимский государственный нефтяной технический университет"

Филиал УГНТУ в г. Салавате


Кафедра "Общенаучные дисциплины"


СОГЛАСОВАНО УТВЕРЖДАЮ
Зав. кафедрой ОНД Зам. директора по учебной работе, доцент
______________ Ю.А.Жаринов Г. И. Евдакимов

________________________2006 ____________________________2006



Методические указания к лабораторной работе

Определение ЭДС методом компенсации



Дисциплина «Физика»

СОГЛАСОВАНО РАЗРАБОТАЛ

Инженер по охране труда ассистент кафедры ОНД
_____________ Г. В. Мангуткина ______________В.Г. Прачкин
___________________ 2006 __________________2006

Салават 2006

Методические указания предназначены для специальностей 140610 «Электрооборудование и электрохозяйства предприятий, организаций и учреждений», 240801 «Машины и аппараты химических производств», 240403 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов».

Рассмотрено на заседании кафедры ОНД

Протокол №__________ от_____________2006
© Филиал Уфимского государственного нефтяного технического университета в г. Салавате

Определение ЭДС методом компенсации



Цель работы

Определение ЭДС методом компенсации.


Приборы и принадлежности

Реохорд, реостат, амперметр, испытуемый элемент, нормальный элемент (элемент Вестона).


Краткая теория

  1. Электрический ток

Причиной электрического тока является перемещение носителей заряда. Если в проводнике создать электрическое поле, то носители заряда придут в упорядоченное движение: положительные в направлении поля , отрицательные в противоположную сторону. Упорядоченное движение зарядов называется электрическим током. Его принято характеризовать величиной тока - скалярной величиной равной заряду, переносимому носителями через рассматриваемую поверхность. Электрический ток в проволоке измеряется количеством заряда, проходящим через поперечное сечение в единицу времени. Если за время dt переносится заряд dg, то ток равен
(1)
Электрический ток может быть обусловлен движением положительных и отрицательных зарядов. Перенос отрицательного заряда в одном направлении эквивалентен переносу такого же заряда (положительного) в противоположном направлении.
Если в проводнике движутся носители обоих знаков, причем за время dt через данную поверхность положительные носители переносят заряд dg+ в одном направлении, а отрицательные dg- в противоположном, то:

;
где dg- – абсолютная величина отрицательного заряда.

За направление тока принимается направление, в котором перемещаются положительные носители. Движение нейтрального тела связано с переносом заряда чудовищной величины (около 105 кулонов на грамм вещества). Однако тока на самом деле нет, потому что движется в точности одинаковое число положительных и отрицательных элементарных частиц с совершенно одинаковой средней скоростью. В общем случае ток или перенос заряда связаны с трехмерным движением носителей заряда. Охарактеризовать ток можно с помощью вектора плотности тока . Он численно равен току di через расположенную в данной точке перпендикулярную к направлению движения носителей площадку dS1, отнесенную к величине этой площадки.


(2)
Зная вектор плотности тока в каждой точке, можно найти ток I через любую поверхность S:
(3)
Ток I, не изменяющийся по времени, называют постоянным:
, (4)
где g –заряд, переносимый через рассматриваемую поверхность за время t. В СИ единица тока А является основной. Единица заряда кулон определяется как заряд, переносимый за 1 сек. через поперечное сечение проводника при токе в 1 А.

2.Электродвижущая сила

Если в проводнике создать электрическое поле и не принять мер для его поддержания, то перемещение носителей заряда приведет очень быстро к тому, что поле внутри проводника исчезнет и ток прекратится. Для поддержания тока достаточное время нужно от конца с меньшим потенциалом непрерывно отводить приносимые током заряды, а к концу с большим потенциалом непрерывно их подводить. Т.е. необходимо осуществить круговорот зарядов по замкнутому пути. Поэтому в замкнутой цепи наряду с участками, на которых положительные заряды движутся в сторону убывания потенциала , должны иметься участки, на которых перенос положительных зарядов происходит в направлении возрастания , т.е. против сил электрического поля (рис. 1).




1 2
Рисунок 1
Перемещение носителей на этих участках возможно лишь с помощью сил не электростатического происхождения, называемых сторонними силами. Т.о., для поддержания тока необходимы сторонние силы, действующие либо на всей цепи, либо на ее участках. Устройство, в котором возникают сторонние силы, называется источником тока. Сторонние силы характеризуются работой, которую они совершают при перемещении заряда. ЭДС-величина, равная работе сторонних сил, отнесенной к единице положительного заряда.



(5)
Размерность ЭДС совпадает с размерностью потенциала, поэтому измеряется в тех же единицах, что и . Стороннюю силу .действующую на заряд g, можно представить:

Векторную величину называют напряженностью поля сторонних сил. Работу сторонних сил на всей цепи, можно представить :
А=
Где fст.- проекция вектора на направление перемещения dl

Ее*- проекция вектора Е* на dl.

Разделив работу на g, получим ЭДС в цепи:


(6)
Т.о. ЭДС действующая в цепи, может быть представлена, как циркуляция вектора напряженности сторонних сил.

ЭДС, действующая на участке цепи 1-2, равна:


(7)
Кроме сторонних сил на заряд действуют силы электрического статического поля. Следовательно, результирующая сила, действующая в каждой точке цепи на заряд g равна:

Работа, совершаемая этой силой над зарядом на участке 1-2, равна:


(8)

Для замкнутой цепи работа электростатических сил равна 0, так, что А=gE

Величина, численно равной работе, совершаемой электростатическими и сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется падением напряжения или просто напряжением на данном участке цепи. В соответствии с формулой (8)
U12 = 1 - 2 + E12 (9)
При отсутствии сторонних сил напряжение совпадает с разностью потенциалов 1 - 2
3.Закон Ома для однородного и неоднородного участков цепи.

Одно из самых ранних экспериментальных открытий в области электрического тока в веществе выражается законом Ома, согласно которому, ток, текущий по однородному металлическому проводнику, пропорционален падению напряжения на проводнике:


I=1/R U (10)
Однородным называется проводник, в котором не действуют сторонние силы. Величина R называется электрическим сопротивлением проводника. Единицей сопротивления служит Ом, равный сопротивлению такого проводника, в котором при напряжении в 1В течет ток в 1А. Величина сопротивления зависит от формы и размеров проводника, а также от свойств материала, которого он сделан.

Для однородного цилиндрического проводника


R= l/S, (11)
где l-длина проводника;

S-площадь его поперечного сечения;

-зависящий от свойств материала коэффициент, называемый удельным электрическим сопротивлением вещества.

Если l=1м, S=1м2, то R=, т.е. удельное сопротивление данного вещества, равное сопротивлению куба этого вещества с ребром в 1 м. Удельное сопротивление выражается в Ом.

Сопротивление изменяется с изменением температуры. Для большинства металлов удельное сопротивление растет с температурой приблизительно по линейному закону
=0 (1+ t0 ), (12)
где 0 – удельное сопротивление при 00С;

tс – температура по шкале Цельсия;

 - температурный коэффициент, численно равный примерно 1/273 для чистых металлов.

Закон Ома можно записать в дифференциальной форме. Выделим мысленно в окрестности некоторой точки внутри проводника элементарный цилиндрический объем с образующими, параллельными вектору плоскости тока в данной точке (рис. 2).

dl



Рисунок 2
Через поперечное сечение цилиндра течет ток силой jdS. Напряжение, приложенное к цилиндру, равно dL

где Е- напряженность поля в данном месте. Сопротивление цилиндра равно (dl/dS). Подставив эти значения в формулу (10), получим:



Носители заряда в каждой точке движутся в направлении вектора Е. Поэтому направление и совпадают. Т.о. можно написать:
(13)
где = 1/ величина, называемая коэффициентом электропроводности или проводимостью материала.

Закон Ома в виде (10) справедлив для однородного участка цепи, т.е. такого участка, в котором не действует электродвижущая сила.

Чтобы получить выражение закона Ома, для неоднородного участка цепи, будем исходить из закона сохранения энергии. Пусть на концах участка поддерживается разность потенциалов 1-2 (рис. 3). ЭДС, действующую на участке, обозначим Е12. Задавшись определенным направлением, ток J и ЭДС (Е12) нужно рассматривать как алгебраические величины. Ток будем считать положительным, если он течет в направлении указанным стрелкой, отрицательным- при противоположном направлении. Аналогично ЭДС будем считать положительной, если она действует в направлении стрелки, и отрицательной, если она действует в противоположную сторону.




1 2
Рисунок 3.

Если проводники неподвижны, единственным результатом прохождения тока будет нагревание проводников. Поэтому работа всех сил, совершенная над носителями заряда, должна быть равна выделившемуся теплу. За время t по проводнику переносится заряд dg=Idt. Согласно формуле (8), работа, совершаемая, над этим зарядом, равна:



dA= E12 dg+(1 - 2 )dg
За время t выделится тепло:
dQ= J2Rdt= JR (Jd t)=JRdg
Приравнивая эти два выражения и сокращая на dg получим:
IR= (1- 2 ) + E12 (14)
откуда
(15)
Формулы (14) и (15) выражают закон Ома при наличии сторонних сил, который запишется следующим образом:
(16)
4. Правило Кирхгофа

Расчет разветвленных цепей значительно упрощается, если пользоваться правилом Кирхгофа. Первое правило относится к узлам цепи. Узлом называется точка, в которой сходятся более, чем 2 проводника.

Первое правило Кирхгофа: алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна 0:

Ji = 0 (17)


При этом токи, подходящие к узлу, считаются положительными, а токи, отходящие от узла- отрицательными.

Второе правило Кирхгофа: в любом замкнутом контуре алгебраическая сумма произведений токов на сопротивление соответствующих участков этого контура равна алгебраической сумме ЭДС в контуре


JкRк= Е12 (18)
при этом, если токи по направлению совпадают с выбранным направлением обхода контура, то они считаются положительными, несовпадающие - отрицательными. Положительными считаются те ЭДС, которые повышаются в направлении обхода.

Пример: для контура А В С ( обход по часовой стрелке ) :


J1R1 + J2 (R2 + r1) – J3r2 = 1 - 2





R1

R2

J1



r1



1

_




J2

+

_

+



r22



J3

Описание экспериментальной установки
Сущность метода заключается в сравнении между собой двух электродвижущих сил (рис.1).




х

Рисунок 1


Ток I, создаваемый элементом , в точке А разветвляется на два тока: I1 и I2. Ток I2 зависит от сопротивления участка АС, от величины и направления ЭДС. Соответствующим подбором указанных величин можно сделать ток I2 равным 0.

Применяя первое уравнение Кирхгофа к узлу А получим:



I = I1 + I2 (1)
Составляя второе уравнение Кирхгофа для замкнутого контура САС1ЕхС, получим:
I1RAC – I2RG – I2rx = Ex (2)
где Rас – сопротивление участка АС;

Rx – внутреннее сопротивление элемента Ех;

RG – сопротивление гальванометра.

Передвигая контакт С, подберем такое сопротивление, чтобы ток был равен 0. В таком случае уравнения (1) и (2) упростятся


I=I1 (3)
Ex=I1RAC=IRAC (4)

Следовательно, при отсутствии тока в цепи гальванометра электродвижущая сила Ех равняется разности потенциалов между точками А и С реохорда. Уравнение ЭДС с разностью потенциалов на реохорде называется компенсацией.

Если сдвинуть контакт С влево или вправо от положения, при котором I2 = 0, в гальванометре появится ток определенного направления. Для определения неизвестной ЭДС передвижением контакта С добиваются исчислением тока через гальванометр. Тогда на основании формулы (4) имеем:
Ex = RACI = I (5)
где - удельное сопротивление материала реохорда,

Lх – длина участка реохорда,

S – сечение реохорда.

Затем вместо Ех – включается в той же полярности нормальный элемент ЕN c известной ЭДС и схема «уравновешивается» снова.

Для другого случая можно написать:
EN = RACI = I (6)
Решив уравнение (5) и (6) совместно, получаем расчетную формулу:
Ex =En (7)
Монтажная схема установки приведена на рис. 2




х

n

x

Рисунок 2
АВС – реохорд, металлическая струна калиброванного сечения с большим удельным сопротивлением;

С – скользящий контакт;

Е – аккумулятор, который в данной работе должен иметь ЭДС заведомо превышающую ЭДС нормального и испытуемого элементов;

Ех – испытуемый элемент;

R – реостат;

G – нуль-гальванометр;

Rб – балластное сопротивление;

П – двухполюсной переключатель;

К1 – кнопочный ключ;

А – амперметр;

ЕN – нормальный элемент-эталон электродвижущей силы (элемент Вестона).

Элемент Вестона состоит из стеклянного Н-образного сосуда, в нижние концы которого впаяны электроды. В одно из колен сосуда налита ртуть, в другое - амальгам кадмия. Электролитом служит насыщенный раствор сернокислого кадмия. Для того, чтобы раствор всегда оставался насыщенным, в него кладут несколько кристаллов указанной соли. Положительным полюсом служит ртуть, отрицательным амальгам кадмия. ЭДС нормального элемента при температуре 20 С ЕN = 1.0183 В.

Элемент Вестона поляризуется при сравнительно слабых токах и длительной работе, поэтому его необходимо включать только на короткое время. С нормальным элементом нужно обращаться осторожно, не переворачивать, не класть на бок, нельзя касаться рукой обоих полюсов одновременно. Это вызывает замыкание элемента.

В виду постоянства ЭДС нормального элемента ее удобно сравнивать с другими неизвестными ЭДС.


Выполнение работы

1. Включить источник питания в сеть.

2. Включить ключ К. Стрелка амперметра А должна указать наличие тока в цепи. Поворачивая ручку реостата R, установить заданное значение тока в пределах 0.3…0.5 А. С помощью переключателя П включить в цепь исследуемую ЭДС, нажать кнопку К1 и наблюдать в какую сторону отклониться стрелка гальванометра.

3. Пододвинуть передвижной контакт к другому краю реохорда. Если при кратковременном нажатии кнопки К1 стрелка отклонится в ту же сторону от нуля, то изменить силу тока в цепи отклонение стрелки в обе стороны от нуля шкалы.

4. Путем ряда передвижений контакта С и включений кнопки К1 привести стрелку гальванометра к нулю. Измерить длину АС реохорда. Записать lx в таблицу.

5. Отодвинуть контакт С в другую сторону и найти lx снова. Определить lx не менее трех раз.

6. Переключить К на нормальный элемент и, производя аналогичные операции (п.п. 3-5), измерить lN (не менее 3-х раз).

7. Реостатом установить другое значение силы тока. Повторить все по п.п. 3-6.

8. Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 1.


Таблица 1

№ опыта

I (А)

Длина реохорда АС (мм)




lx

lx

lN

lN

Еx (B)

Ex (B)

1

2

3

ср.

1

2

3

ср.

1








































2









































Расчеты

  1. Среднее значение и погрешность измерения длины реохорда (для обоих ЭДС ) :

lx  = ;


,
где N-число измерений;

S-стандартное отклонение;

t-коэффициент Стьюдента;

П-приборная ошибка при измерении.

  1. ЭДС исследуемого источника и погрешность его измерения






  1. Окончательный результат представить в виде:



Примечание: расчет погрешности можно произвести лишь по данным одного опыта (при одном значении J).
Контрольные вопросы

  1. Разность потенциалов, напряжения, ЭДС. Определения и единицы измерения.

  2. Сторонни силы и их природа.

  3. Правило Кирхгофа, их применения для решения задач.

  4. Вывод расчетной формулы для ЭДС.

  5. Закон Ома для однородного, неоднородного участка цепи и для замкнутого участка цепи. Внешнее и внутреннее сопротивление цепи.

  6. Параллельное и последовательное соединение источников питания. Вывод формулы.


Техника безопасности

  1. Требования безопасности перед началом работ:

    1. К работе в лаборатории допускаются студенты, прошедшие инструктаж на рабочем месте с соответствующей отметкой в журнале.

    2. Работа в лаборатории проводится согласно общего расписания занятий. Во внеурочное время работа может выполняться только с согласия преподавателя и в присутствии лаборанта.

    3. Запрещается включать электрооборудование и приборы без разрешения преподавателя или лаборанта.

    4. Работа в лаборатории разрешается при наличии:

  • исправного электрического оборудования и электрической проводки;

  • заземления;

  • средств пожаротушения (огнетушитель, кошма, песок);

  • аптечки 1-ой медицинской помощи.

    1. До начала работы студенты обязаны тщательно ознакомиться с инструкциями к лабораторным работам, устройством установок и принципом их работы.

  1. Требования безопасности во время работы:

    1. Запрещается оставлять включенные электрические установки и приборы без надзора;

    2. Не допускается сборка, разборка и монтаж приборов, находящихся под напряжением;

    3. Запрещается касаться неизолированных токоведущих частей.

  2. Требования безопасности по окончании работы:

3.1. По окончании работы необходимо отключить питание электрических приборов, привести в порядок рабочее место;


Литература

  1. Савельев И.В. Курс общей физики, т.1,2,3 ­– М.: Наука, 2000. – 432с,496с,304с.

  2. Яворский Б.М, Сивухин А.А. Основы физики, т.1,2 – М.: Наука, 2001 – 576c,552c.

  3. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики, т.1,2,3– М.: Наука, 2000. 339с,368с,446.

  4. Волькинштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики – М.: Наука,2001. – 328с.

  5. Трофимова Т.И. Курс общей физики – М.: Наука, 2001. – 541с.

  6. Трофимова Т.И. Сборник задачо курсу физики с решениями – М.: Высш. Шк., 2002. – 591с

  7. Сивухин Д.В. Общий курс физики, т.1,2,3,4,5 –М.: ФИЗМАТЛИТ. 2006. – 560с, 544с, 656с, 792с, 784с.

Похожие:

Методические указания к лабораторной работе Определение эдс методом компенсации д исциплина iconМетодические указания к лабораторной работе по курсу
Расчет радиоэлектронных схем методом узловых потенциалов: Методические указания к лабораторной работе по курсу "Основы компьютерного...
Методические указания к лабораторной работе Определение эдс методом компенсации д исциплина iconМетодические указания к лабораторной работе закон сохранения энергии пружинная пушка д исциплина
Методические указания предназначены для специальностей 140610 «Электрооборудование и электрохозяйства предприятий, организаций и...
Методические указания к лабораторной работе Определение эдс методом компенсации д исциплина iconМетодические указания к лабораторной работе Определение коэффициента динамической Вязкости методом Стокса
Методические указания предназначены для специальностей 140610 «Электрооборудование и электрохозяйства предприятий, организаций и...
Методические указания к лабораторной работе Определение эдс методом компенсации д исциплина iconМетодические указания к лабораторной работе Исследование нелинейных приемников энергии д исциплина "Электротехника"
Методические указания предназначены для студентов всех форм обучения специальностей 240801 «Машины и аппараты химических производств»...
Методические указания к лабораторной работе Определение эдс методом компенсации д исциплина iconМетодические указания к лабораторной работе Москва, 2003 г. Лабораторная работа 2 Определение концентрации раствора методом титрования
Цель работы: ознакомление с понятием "растворы" и способами выражения содержания растворенного вещества; определение концентрации...
Методические указания к лабораторной работе Определение эдс методом компенсации д исциплина iconЛабораторная работа №03 измерение эдс методом компенсации
Цель работы: ознакомление с методом конденсации и измерение эдс методом компенсации
Методические указания к лабораторной работе Определение эдс методом компенсации д исциплина iconМетодические указания к лабораторной работе по вентиляции «определение величины коэффициента местного сопротивления отвода 90 0»
Методические указания к лабораторной работе по вентиляции «Определение величины коэффициента местного сопротивления отвода 900»....
Методические указания к лабораторной работе Определение эдс методом компенсации д исциплина iconМетодические указания к лабораторной работе по курсу «Информатика»
Методические указания к лабораторной работе по информатике знакомят с назначением и функцией программы оболочки
Методические указания к лабораторной работе Определение эдс методом компенсации д исциплина iconМетодические указания к лабораторной работе Определение горизонтальной составляющей
Методические указания предназначены для специальностей 140610 «Электрооборудование и электрохозяйства предприятий, организаций и...
Методические указания к лабораторной работе Определение эдс методом компенсации д исциплина iconМетодические указания к лабораторной работе по дисциплине
Операции с таблицами баз данных в среде Delphi: методические указания к лабораторной работе по дисциплине "Информационное обеспечение...
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org