Эдс измерение – Измерение эдс.

Измерение эдс компенсационным способом

Для
измерения ЭДС с высокой точностью
используется компенсационный метод.
Схема измерения ЭДС компенсационным
методом представлена на рисунке.

Сущность
метода заключается в том, что ЭДС
изучаемого гальванического элемента
сравнивается с источником напряжения
АК, которое подводится к реохорду АВ,
эта часть схемы называется большой
цепью. На реохордной проволоке
располагается подвижный контакт К,
который движется по проволоке.

В
малую боковую цепь включается исследуемый
элемент Ех
соединенный с гальванометром G,
передвигая контакт К по реохорде находят
такое положение, когда гальванометр
показывает 0. Это соответствует уравнению:

(10)

является
нестабильной величиной, так как со
временем аккумулятор разряжается. Чтобы
устранить зависимость
от,
в малую цепь параллельно изучаемому
элементу включается нормальный элемент
Вестона с точно известной величиной
потенциала.

Кроме
того схема дополнительно снабжена
ключом KU,
который поочередно замыкается на
исследуемый элемент и элемент Вестона.

Переключив
ключ на нормальный элемент Вестона и
снова, передвигая по реохордной проволоке
ключ К, находят его новое положение,
соответствующее отсутствию тока в малой
цепи. Для этого случая можно записать
равенство:

(11)

Поделив
уравнения (10) на (11), получаем:

(12)

ЭДС
элемента Вестона постоянна и равна
1,018 В. Для вычисления неизвестной ЭДС –
Х)
достаточно знать соотношение отрезков
АК / АК.

Суть
компенсации заключается в следующем:


аккумуляторы и элементы малой боковой
цепи подключаются таким образом, чтобы
через участок АК ток проходил в
противоположном направлении, передвигая
контакт К мы компенсируем напряжение
идущее от аккумулятора.

Преимуществом
компенсационного способа измерения
ЭДС является высокая точность и отсутствие
ошибок, связанных с сопротивлением
элемента или его поляризацией.

Элемент Вестона

Он
представляет собой две стеклянные
пробирки, соединенные между собой.

В
одно колено помещается металлическая
ртуть, затем сверху меркурсульфатная
паста, которая готовится аналогично
каломельной пасте. Во второе колено
помещается амальгама кадмия содержащая
10–13% кадмия, сверху насыпаются кристаллы
сульфата кадмия содержащие кристаллизационную
воду.

Сосуд
заполнен насыщенным раствором сульфата
кадмия CdSO4.
В нижнюю часть пробирок впаяны платиновые
проволочки для контакта.

Элемент
Вестона записывается следующим образом:

(–)Cd
| CdSO4
|| SO42-,
Hg2SO4
| Hg (+)

В
нем протекают реакции:

Cd0-2e
Cd2+

Hg2SO4+2e
2Hg0+
SO42-,

Суммарная
реакция:

Hg2SO4
+ Cd0
2Hg0
+ CdSO4

Элемент
Вестона относится к нормальным элементам.
Нормальными
называются элементы, которые имеют
постоянную не изменяющуюся во времени
и практически независимую от температуры
ЭДС.

Основным
прибором, применяемым в потенциометрическом
методе анализа, является потенциометр,
схема которого представлена на рис. 5.
В нем смонтирована вышеуказанная схема
с выводом контактов для подключения
испытуемого гальванического элемента,
гальванометр G,
нормальный элемент Вестона, аккумулятор,
вместо реохордной проволоки в прибор
вмонтирован магазин сопротивлений (11
штук). Первые 10 сопротивлений соединены
при помощи одиннадцати контактов,
образуя коммутатор потенциометра.
Одиннадцатое сопротивление представляет
собой проволоку одинакового сечения,
намотанную на барабан, с подвижным
контактом реохорда. Перед началом
измерения гальванометр устанавливают
на нуль, включив в малую цепь потенциометра
элемент Вестона с помощью сопротивления
R.
Затем цепь переключают на исследуемый
элемент и, регулируя R1
– R10
и, напоследок, R11
(самая точная настройка), вновь выводят
стрелку гальванометра на нуль. Величину
ЭДС считывают с показаний шкал коммутатора
и реохорда.

Кроме
потенциометров, в химических лабораториях
используются ламповые вольтметры – рН
— метры, например, рН — 340 – это самый
распространенный в настоящее время
прибор. рН — метры по сравнению с
потенциометрами дают менее точные
результаты. Примечательно, что эти
приборы имеют огромное входное
сопротивление порядка 1012
Ом.

studfiles.net

Измерение эдс и внутреннего сопротивления источника тока

Цель
работы:

изучить
метод измерения ЭДС и внутреннего
сопротивления источника тока с помощью
амперметра и вольтметра.

Оборудование:
металлический
планшет, источник тока, амперметр,
вольтметр, резистор, ключ, зажимы,
соединительные провода.

Для
измерения ЭДС и внутреннего сопротивления
источника тока собирают электрическую
цепь, схема которой показана на рисунке
1.

К
источнику тока подключают амперметр,
сопротивление и ключ, соединенные
последовательно. Кроме того, непосредствен­но
к выходным гнездам источника подключают
еще и вольтметр.

ЭДС
измеряют по показанию вольтметра при
разомкнутом ключе. Этот прием определения
ЭДС основан на следствии из за­кона
Ома для полной цепи, согласно которому
при бесконечно большом сопротивлении
внешней цепи напряжение на зажимах
источника равно его ЭДС. (См. параграф
«Закон Ома для полной цепи» учебника
«Физика 10»).

Для
определения внутреннего сопротивления
источника за­мыкают ключ К. При этом
в цепи можно условно выделить два
участка: внешний (тот, который подключен
к источнику) и внутренний (тот, который
находится внутри источника тока).
Поскольку ЭДС источника равна сумме
падения напряжений на внутрен­нем и
внешнем участках цепи:

ε=
U
r+UR,
то

U
r
=
ε
-U
R
(1)

По
закону Ома для участка цепи Ur
= I·r
(2). Подставив равенство (2) в (1) получают:

I·r
=
ε

Ur
,
откуда
r
= (
ε
UR)/J

Следовательно,
чтобы узнать внутреннее сопротивление
источника тока, необходимо пред­варительно
определить его ЭДС, затем замкнуть ключ
и измерить падение напряжения на внеш­нем
сопротивлении, а также силу тока в нем.

Ход работы

1.
Подготовьте таблицу для записи результатов
измерений и вычислений:

  1. Начертите
    в тетради схему для измерения ЭДС и
    внутреннего сопротивления источника.

  1. После
    проверки схемы соберите электрическую
    цепь. Ключ разомкните.

  2. Измерьте
    величину ЭДС источника.

  3. Замкните
    ключ и определите показания амперметра
    и вольтметра.

  4. Вычислите
    внутреннее сопротивление источника.

  1. Определение эдс и внутреннего сопротивления источника тока графическим методом

Цель
работы:
изучить
измерения ЭДС, внутреннего сопротивления
и тока короткого замы­кания источника
тока, основанный на анализе графика
зависимости напряже­ния на выходе
источника от силы тока в цепи.

Оборудование:
гальванический
элемент, амперметр, вольтметр, резистор
R1
,
переменный
резистор, ключ, зажимы, металлический
планшет, соединительные провода.

Из
закона Ома для полной цепи следует, что
напряжение на выходе источника тока
зависит прямо пропорционально от силы
тока в цепи:

так
как I =E/(R+r),
то IR
+ Ir
= Е, но IR
= U,
откуда U
+ Ir
= Е или U
= Е – Ir
(1).

Если
построить график зависимости U
от I, то по его точкам пересечения с осями
координат можно определить Е, I К.З.

силу тока короткого замыкания (ток,
который потечет в цепи источни­ка,
когда внешнее сопротивление R
станет равным нулю).

ЭДС
определяют по точке пересечения графика
с осью напряжений. Эта точка графика
со­ответствует состоянию цепи, при
котором ток в ней отсутствует и,
следовательно, U
= Е.

Силу
тока короткого замыкания определяют
по точке пересечения графика с осью
токов. В этом случае внешнее сопротивление
R
= 0 и, следовательно, напряжение на выходе
источника U
= 0.

Внутреннее
сопротивление источника находят по
тангенсу угла наклона графика относи­тельно
оси токов. (Сравните формулу (1) с
математической функцией вида У = АХ +В
и вспомни­те смысл коэффициента при
X).

Ход
работы

  1. Исходя
    из перечня оборудования, рекомендованного
    для выполнения работы, составьте схему
    установки для исследования зависимости
    напряжения на выходе источника тока
    от силы тока в цепи.

  2. Для
    записи результатов измерений подготовьте
    таблицу:

  3. После
    проверки схемы преподавателем соберите
    электрическую цепь. Ползунок переменного
    резистора установите в положение, при
    котором сопротивление цепи, подключенной
    к источ­нику тока, будет максимальным.
  4. Определите
    значение силы тока в цепи и напряжение
    на зажимах источника при максимальной
    величине сопротивления переменного
    резистора. Данные измерений занесите
    в таблицу.

  5. Повторите
    несколько раз измерения силы тока и
    напряжения, уменьшая всякий раз величину
    переменного сопротивления так, чтобы
    напряжение на зажимах источника
    уменьшалось на 0,1В. Измерения прекратите,
    когда сила тока в цепи достигнет значения
    в 1А.

  6. Нанесите
    полученные в эксперименте точки на
    график. Напряжение откладывайте по
    верти­кальной оси, а силу тока — по
    горизонтальной. Проведите по точкам
    прямую линию.

  7. Продолжите
    график до пересечения с осями координат
    и определите величины Е и , I К.З.

  8. Измерьте
    ЭДС источника, подключив вольтметр к
    его выводам при разомкнутой внешней
    це­пи. Сопоставьте значения ЭДС,
    полученные двумя способами, и укажите
    причину возможного расхождения
    результатов.

  9. Определите
    внутреннее сопротивление источника
    тока. Для этого вычислите тангенс угла
    на­клона построенного графика к оси
    токов. Так как тангенс угла в прямоугольном
    треугольнике равен отношению
    противолежащего катета к прилежащему,
    то практически это можно сделать, найдя
    отношение Е / I К.З

studfiles.net

Задание 1. Измерение ЭДС источника тока вольтметром



Обратная связь

ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение


Как определить диапазон голоса — ваш вокал


Как цель узнает о ваших желаниях прежде, чем вы начнете действовать. Как компании прогнозируют привычки и манипулируют ими


Целительная привычка


Как самому избавиться от обидчивости


Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам


Тренинг уверенности в себе


Вкуснейший «Салат из свеклы с чесноком»


Натюрморт и его изобразительные возможности


Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д.


Как научиться брать на себя ответственность


Зачем нужны границы в отношениях с детьми?


Световозвращающие элементы на детской одежде


Как победить свой возраст? Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия


Как слышать голос Бога


Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ)


Глава 3. Завет мужчины с женщиной


Оси и плоскости тела человека — Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.


Отёска стен и прирубка косяков — Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.


Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) — В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Общие сведения

Источники тока – это устройства, преобразующие различные виды энергии в электрическую энергию. Химические источники тока вырабатывают электрический ток за счёт энергии окислительно-восстановительных реакций химических реагентов (аккумуляторы, гальванические элементы). Физическими источниками тока называют устройства, преобразующие тепловую, механическую и электромагнитную энергию в электрическую энергию – электромашинные, термоэлектрические генераторы, солнечные батареи и др.

Источник постоянного тока имеет два вывода, между которыми создается определенная разность потенциалов – напряжение. При подключении к источнику внешней нагрузки, через нее начинает протекать электрический ток. В нагрузке, как правило, происходит преобразование получаемой от источника электрической энергии в другие ее виды: механическую (в электродвигателях), световую (в электролампах), тепловую (в электронагревателях) и т. д.

Напряжение на выводах источника тока всегда в той или иной степени зависит от мощности, отдаваемой в нагрузку.

Основными характеристиками источника тока являются электродвижущая сила Е и внутреннее сопротивление r.

Электродвижущая сила источника тока (ЭДС) есть работа сторонних (неэлектростатических) сил по перемещению единичного положительного заряда по замкнутой цепи:

Сторонние силы, перемещая заряд q0 от отрицательного к положительному полюсу источника тока, совершают работу против электростатических сил. Поэтому ЭДС, в отличие от напряжения U, направлена от отрицательного полюса к положительному.

ЭДС измеряется в вольтах и численно равна напряжению на выводах источника при разомкнутой внешней цепи.

Внутреннее сопротивление источника тока обусловлено совокупностью физических эффектов, ограничивающих мощность, отдаваемую источником в нагрузку.

К таким эффектам относится, например: малая площадь контактирующих друг с другом химических реагентов в аккумуляторах; конечная скорость вращения лопастей турбогенераторов; ограниченное значение падающего потока световой энергии в солнечных батареях и др. Определенный вклад в ограничение отдаваемой мощности вносит и активное сопротивление отдельных конструктивных элементов источника тока.

Внутреннее сопротивление условно можно представить в виде резистора c сопротивлением r включенного последовательно с источником (рис. 1).

а б

Рис. 1 – Графическое обозначение источника тока (а)

и его эквивалентная схема (б)

Однако, следует понимать, что внутреннее сопротивление не сосредоточено в каком-то одном элементе и является неотъемлемым конструктивным свойством источника тока как целого. Внутреннее сопротивление не может быть измерено непосредственно с помощью омметра и вычисляется по результатам косвенных измерений.

В большинстве случаев, внутреннее сопротивление можно считать постоянной, не зависящей от тока источника величиной.

Энергетическими характеристиками источника тока являются мощность и КПД:

где U – напряжение на источнике; I – ток источника.

Задание 1. Измерение ЭДС источника тока вольтметром

ЭДС равна разности потенциалов на выводах источника тока при разомкнутой внешней цепи. Идеальный вольтметр, имеющий бесконечное входное сопротивление, покажет точное значение ЭДС источника в пределах класса точности.

Любой реальный вольтметр потребляет от источника некоторую мощность, необходимую для работы измерительной цепи и имеет конечное значение входного сопротивления.

Рис. 2 – Измерение ЭДС вольтметром

Если к источнику тока подключить вольтметр (рис. 2), то в цепи потечет ток:

Этот ток создает на вольтметре падение напряжения:

Подставив первое уравнение во второе и проведя элементарные преобразования, получим

Показания вольтметра будут тем ближе к значению ЭДС, чем меньше отношение . Для измерений в пределах инженерной погрешности необходимо соблюдать условие . Влияние входного сопротивления вольтметра на результат измерения можно считать несущественным при .

Для измерений в данной лабораторной работе используется цифровой мультиметр, имеющий в режиме вольтметра входное сопротивление RV = 1 МОм.


megapredmet.ru

Измерение ЭДС компенсационным способом — Мегаобучалка

Для измерения ЭДС с высокой точностью используется компенсационный метод. Схема измерения ЭДС компенсационным методом представлена на рисунке.

Сущность метода заключается в том, что ЭДС изучаемого гальванического элемента сравнивается с источником напряжения АК, которое подводится к реохорду АВ, эта часть схемы называется большой цепью. На реохордной проволоке располагается подвижный контакт К, который движется по проволоке.

В малую боковую цепь включается исследуемый элемент Ех соединенный с гальванометром G, передвигая контакт К по реохорде находят такое положение, когда гальванометр показывает 0. Это соответствует уравнению:

(10)

является нестабильной величиной, так как со временем аккумулятор разряжается. Чтобы устранить зависимость от , в малую цепь параллельно изучаемому элементу включается нормальный элемент Вестона с точно известной величиной потенциала.

Кроме того схема дополнительно снабжена ключом KU, который поочередно замыкается на исследуемый элемент и элемент Вестона.

Переключив ключ на нормальный элемент Вестона и снова, передвигая по реохордной проволоке ключ К, находят его новое положение, соответствующее отсутствию тока в малой цепи. Для этого случая можно записать равенство:

(11)

Поделив уравнения (10) на (11), получаем:

(12)

ЭДС элемента Вестона постоянна и равна 1,018 В. Для вычисления неизвестной ЭДС – (ЕХ) достаточно знать соотношение отрезков АК / АК.

Суть компенсации заключается в следующем:

— аккумуляторы и элементы малой боковой цепи подключаются таким образом, чтобы через участок АК ток проходил в противоположном направлении, передвигая контакт К мы компенсируем напряжение идущее от аккумулятора.

Преимуществом компенсационного способа измерения ЭДС является высокая точность и отсутствие ошибок, связанных с сопротивлением элемента или его поляризацией.

Элемент Вестона

Он представляет собой две стеклянные пробирки, соединенные между собой.

В одно колено помещается металлическая ртуть, затем сверху меркурсульфатная паста, которая готовится аналогично каломельной пасте. Во второе колено помещается амальгама кадмия содержащая 10–13% кадмия, сверху насыпаются кристаллы сульфата кадмия содержащие кристаллизационную воду.

Сосуд заполнен насыщенным раствором сульфата кадмия CdSO4. В нижнюю часть пробирок впаяны платиновые проволочки для контакта.

Элемент Вестона записывается следующим образом:

(–)Cd | CdSO4 || SO42-, Hg2SO4 | Hg (+)

В нем протекают реакции:

Cd0-2e ® Cd2+

Hg2SO4+2e ® 2Hg0+ SO42-,

Суммарная реакция:

Hg2SO4 + Cd0 ®2Hg0 + CdSO4

Элемент Вестона относится к нормальным элементам. Нормальными называются элементы, которые имеют постоянную не изменяющуюся во времени и практически независимую от температуры ЭДС.

Основным прибором, применяемым в потенциометрическом методе анализа, является потенциометр, схема которого представлена на рис. 5. В нем смонтирована вышеуказанная схема с выводом контактов для подключения испытуемого гальванического элемента, гальванометр G, нормальный элемент Вестона, аккумулятор, вместо реохордной проволоки в прибор вмонтирован магазин сопротивлений (11 штук). Первые 10 сопротивлений соединены при помощи одиннадцати контактов, образуя коммутатор потенциометра. Одиннадцатое сопротивление представляет собой проволоку одинакового сечения, намотанную на барабан, с подвижным контактом реохорда. Перед началом измерения гальванометр устанавливают на нуль, включив в малую цепь потенциометра элемент Вестона с помощью сопротивления R. Затем цепь переключают на исследуемый элемент и, регулируя R1 – R10 и, напоследок, R11 (самая точная настройка), вновь выводят стрелку гальванометра на нуль. Величину ЭДС считывают с показаний шкал коммутатора и реохорда.

Кроме потенциометров, в химических лабораториях используются ламповые вольтметры – рН — метры, например, рН — 340 – это самый распространенный в настоящее время прибор. рН — метры по сравнению с потенциометрами дают менее точные результаты. Примечательно, что эти приборы имеют огромное входное сопротивление порядка 1012 Ом.

 

Элемент Якоби-Даниэля

Если два электролита ZnSO4 и CuSO4 поместить в электролитическую ячейку разделенную полунепроницаемой перегородкой, опустить в растворы соответствующие электроды друг с другом, то включенный гальванометр покажет наличие электрического тока.

(–)Zn | ZnSO4 || CuSO4 | Cu (+)

Zn0 — 2e ® Zn2+

Сu2+ + 2е ® Cu0

Zn0 + Cu2+ ® Zn2+ + Cu0

Zn + CuSО4 ® Сu + ZnSО4.

 

Электродвижущей силой (ЭДС) гальванического элемента называется измеренная разность потенциалов между двумя электродами.

 

 

megaobuchalka.ru

Измерение ЭДС некомпенсационным методом — Мегаобучалка

Кроме рассмотренного классического метода потенциометрического титрования нередко используют его новые варианты: не компенсационные методы и методы титрования под током.

При не компенсационном потенциометрическом анализе ЭДС гальванического элемента определяется непосредственно чувствительным измерительным прибором (гальванометром), который включается в электрическую сеть последовательно с большим и точным измеренным сопротивлением. При включении в сеть внешнее сопротивление гальванического элемента оказывается во много раз больше внутреннего сопротивления гальванического элемента.

Гальванометр может быть откалиброван, как в единицах силы тока, так и в единицах напряжения.

 

К не компенсационным методам можно отнести и потенциометрическое титрование с биметаллической парой электродов. В качестве электрода сравнения используют вольфрам. Пара электродов должна подбираться таким образом, чтобы один электрод мгновенно реагировал на изменение в системе, а второй очень медленно, чем больше разница в скоростях, тем точнее метод.

Pt – реагирует быстро, а W – медленно. Эта пара электродов используется в потенциометрическом титровании по окислительно-восстановительным реакциям.

До точки эквивалентности ЭДС такой пары будет незначителен. В Т.Э. практически приближаться в 0 и резко возрастать после Т.Э.

 

К достоинствам не компенсационного метода можно отнести: простоту, удобство в работе, возможность использования в серийных опытах.

К недостаткам: отсутствие указания на приближение к Т.Э.; плохая воспроизводимость результатов; выравнивание потенциала во времени; не высокая точность.

Прямая потенциометрия

Прямая потенциометрия используется в основном для измерения рН растворов. Для проведения такого анализа берут два электрода и погружают их в испытуемый раствор. Один электрод является индикаторным, другой – электродом сравнения.

Индикаторным называется электрод, потенциал которого зависит от концентрации анализируемых ионов в растворе. Так для измерения рН можно использовать водородный электрод, серебряный электрод может быть использован для определения концентрации ионов Ag+, I, Cl, SCN, CN, Br, ртутный электрод — для определения SO42-, Cl, Hg+, платина находит широкое применение в реакциях окисления – восстановления.

Прямой потенциометрический анализ опирается на уравнение Нернста:

(потенциал образующего иона) (13)

В основе метода лежит зависимость Еинд =f(C). Эту зависимость находят, измерив ЭДС в ряде стандартных растворов с известной концентрацией. Затем измеряют ЭДС анализируемого раствора и по графику находят Сх.

Прямую потенциометрию называют методом малых концентраций, так как можно работать с разбавленными растворами, при которых f = 1, тогда а = с.

Этот вид измерений находит применение в научно – исследовательской практике (для определения ПР малорастворимых соединений, Кд – малодиссоциируемых и Кн – комплексных соединений и, наконец, самая большая область использования прямой потенциометрии – это измерение рН раствора, так как рН = -lg [H+].

График рН = f(lg[H+]) носит прямолинейный характер. В качестве индикаторных электродов метода рН – метрии используются водородный, хингидронный, стеклянный и ряд других.

megaobuchalka.ru

ИЗМЕРЕНИЕ ЭДС КОМПЕНСАЦИОННЫМ МЕТОДОМ




⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 11Следующая ⇒

 

Цель работы. Освоить прецизионный метод измерения ЭДС с помощью потенциометра P 307 и изучить методику измерения высоких температур с помощью термопары.

 

Оборудование. Высокоомный потенциометр P 307, зеркальный гальванометр, нормальный элемент Вестона, батарея аккумуляторов, соединительные провода, исследуемый су­хой гальванический элемент, хромель-копелевая термо­пара, колба с дистиллированной водой, сосуд с таящим льдом, электрический нагреватель.

 

 

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Компенсационный метод измерения ЭДС и напряжений в цепях постоянного тока является одним из высокоточных (прецизионных) методов физических измерений. Как известно, электродвижущая сила (ЭДС) источника тока характеризует работу, совершаемую источником тока по перемещению положительного единичного заряда в замкнутой электрической цепи:

.

ЭДС измеряется в вольтах и численно равна напряжению на зажимах источника тока в случае разомкнутой цепи.


Если не стремиться к высокой точности измерений, то ЭДС можно определить вольтметром, подсоединенным к клеммам источника. Схема такого включения представлена на рис. 1.

 

Очевидно, что падение напряжения на вольтметре в соответствии с

законом Ома для полной цепи определится соотношением

V = E – I×r,

из которого следует, что напряжение на вольтметре V = IR всегда меньше ЭДС E на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника I r.

Здесь r – внутреннее сопротивление источника, R – сопротивление вольтметра.

V и E были бы равны друг другу, если бы ток в цепи источника I был равен 0. Метод компенсации позволяет практически полностью исключить ток в цепи источника ЭДС.

Рассмотрим принципиальную схему, используемую в компен­са­ционном методе измерения ЭДС (рис. 2). Компенсация ЭДС Ex осуще­ствляется напряжением на участке AC, создаваемым вспомогательным источником Eo.Это возможно, если ЭДС Eo превосходит ЭДС исследуемого источника Ex и источники включены навстречу друг другу. В этом случае


Ex = Ux.

Наличие компенсации контролируется гальванометром G . При полной компенсации ток в цепи гальванометра равен 0 .

Если участок цепи AB представляет собой однородный линейный участок, то напряжение на участке AC будет пропорционально его длине и измеряемая ЭДС Exбудет прямо пропорциональна длине участка Lx

Ex ~ Lx.

Если исследуемый источник заменить источником с известным (эталонным) значением ЭДС, в качестве которого обычно используют нормальный элемент Вестона, то

En ~ Ln.

Если ток в цепи источника Eo в процессе измерений остается неизменным, то отношение ЭДС будет равно отношению длин Lx и Ln. В этом случае искомая ЭДС определятся соотношением

.

Рассмотренные идеи используются при конструировании приборов, предназначенных для прецизионных измерений ЭДС и напряжений. К числу таких приборов относится используемый в данной работе потенциометр P 307.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

 

Экспериментальная установка состоит из высокоомного потенцио­метра P 307, зеркального высокочувствительного гальванометра M 17/1 и нормального элемента Вестона с известным значением ЭДС
(En = 1,01853 В). Передняя панель потенциометра P 307 представлена на рис. 3. На панели имеются клеммы для источника ЭДС Eoклеммы «Б«, нормального элемента – «Н Э«, гальванометра – «Г» и клеммы «Х1» и «Х2» для подключения исследуемых источников ЭДС Ex. Имеются также две группы переключателей П1…П6, используемые при измерении Ex, и К1…К4, с помощью которых производится калибровка потенциометра.

 
 

Переключатель ПК переводит прибор из одного режима работы в другой, например, из режима калибровки – «НЭ» в режим измерений – «X1» или «X2«. Переключатель ПО используется для корректировки ЭДС нормального элемента. В качестве гальванометра в работе используется высокочувствительный зеркальный гальванометр М 17/1, смонтированный на стене. Питание моста осуществляется аккумуляторной батареей.

 

 

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ

 

ЗАДАНИЕ 1. Определение ЭДС сухого элемента.

 

1. Подключить к соответствующим зажимам аккумуляторную батарею, гальванометр и исследуемый источник ЭДС.

2. Провести калибровку потенциометра. Для этого переключатель ПК необходимо перевести в положение «НЭ» и нажать кнопку «ГРУБО«. Далее с помощью переключателей К1…К4 добиться нулевого тока в цепи гальванометра. После этого нажать и зафиксировать кнопку «ТОЧНО» и переключателями К3 и К4 завершить калибровку моста.

3. Перевести переключатель ПК в положение «X1» и произвести измерение ЭДС источника, присоединенного н зажимам «X1«. Для этого нажать и зафиксировать кнопку «ГРУБО» и с помощью переключателей П1…П6 произвести предварительную балансировку потенциометра. После этого нажать и зафиксировать кнопку «ТОЧНО» и завершить процесс измерения ЭДС. Величина ЭДС Ex определится положениями переключателей П1…П6.

4. Провести повторные измерения ЭДС Ex, начав процедуру измерений с повторной калибровки потенциометра. Число измерений не должно быть меньше 5 .

5. Провести обработку результатов измерений по методике обработки результатов прямых измерений. Если полученная ошибка измерений превосходит класс точности потенциометра (класс точности потенциометра P 307 – 0,05), провести повторные измерения.

 

 

ЗАДАНИЕ 2. Определение температуры кипящей воды с помощью хромель-копелевой термопары.

 

КРАТКИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

 

При контакте двух разнородных проводников между ними происходит обмен электронами, который приводит к возникновению между проводниками контактной разности потенциалов. Ее величина зависит от электрических свойств соприкасающихся проводников и от температуры контакта (спая).

 
 

Рассмотрим цепь (рис. 4), состоящую из 2-х спаянных между собой проводников 1 и 2, изготовленных их разных материалов. Когда температуры спаев одинаковы, ток в рассматриваемой цепи равен 0, так как в этом случае, равные друг другу ЭДС Eaи E,включены навстречу друг другу.

Если спаи поддерживать при разных температурах, то ЭДС Ea и Eb не будут равны друг другу и в данной цепи возникнет ток. Это связано с тем, что в цепи возникает ЭДС E(t), равная разности ЭДС Eaи Eb в спаях.

E(t) = Ea – Eb.

 

Эту ЭДС называют термоэлектродвижущей силой или термо-ЭДС. Термо-ЭДС широко используется для измерения температур.

Содержащую два спая цепь называют термопарой. Прибор, измеряющий термо-ЭДС, включают в разрыв одного из проводников термопары (рис. 5). В качестве измерительного прибора при прецизионных измерениях используют потенциометр. Один из спаев, например спай A, помещают в сосуд с известной постоянной температурой (обычно в сосуд с таящим льдом Ta = 0°C), а второй (спай B) приводят в тепловой контакт с исследуемым телом. Возникающая при этом термо-ЭДС зависит только от разности температур спаев:

E(t) = Ea – Eb = f(Tb – Tb)

Эта зависимость близка к линейной зависимости.

В настоящей работе используется хромель-копелевая термопара ТХК–0379-01 с известной градуировкой, имеющейся в справочных таблицах. Указанная термопара характеризуется большим значением термического коэффициента термо-ЭДС:

(a = 67 мкВ/К).

1. Поместить спай A в сосуд с таящим льдом. Спай B оставить в контакте с окружающим воздухом. Измерить потенциометром возникшую термо-ЭДС и по справочным таблицам определить комнатную температуру. Полученный результат сравнить с показанием комнатного термометра.

 

2. Поместить спай B в колбу с кипящей водой и определить температуру кипения воды. Полученный результат сравнить с известным табличным значением. Сравнение результатов произвести с учетом известной зависимости температуры кипения от атмосферного давления. Атмосферное давление определить с помощью образцового барометра.

 

3. Привести в соприкосновение спай B с поверхностью нагревательного элемента – электроплитки, используемой в работе, и измерить температуру рабочей поверхности плитки.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. В чем суть компенсационного метода измерения ЭДС?

2. Как устроен потенциометр? Каким образом производится его калибровка?

3. Для чего в работе используется нормальный элемент?

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

 

Руководство к лабораторным занятиям по физике / Под ред. Л.Л.Гольдина. – М.: Наука, 1973.

Лабораторные занятия по физике / Под ред. Л.Л.Гольдина. – М.: Наука, 1983.

П Р И Л О Ж Е Н И Е

 

Нормальный элемент Вестона используется в работе в качестве эталона ЭДС. Он представляет собой гальванический ртутно-кадмиевый элемент, изображенный на рис. 6.

 

 

 
 

 

Электроды элемента размещены в герметически закрытых стеклянных трубках, соединенных между собой.

Положительным электродом является ртуть. Второй электрод, содержащий амальгаму кадмия, является отрицательным. ЭДС нормального элемента слабо зависит от температуры, Эту зависимость можно представить следующим полиномом:

 

En = 1,01853 – 4,075 10 -5 (t – 20) – 9,444 10 -7 (t – 20)2 – 9,8 10 -9(t – 20)3.

 

При 20°С En = 1,01853 В.

 

 

Таблица



Рекомендуемые страницы:

lektsia.com

Измерение электродвижущей силы (ЭДС) источника тока методом компенсации


 

Цель работы:

1. Изучить понятие электродвижущей силы (ЭДС) источника тока;

2. Изучить методы измерения ЭДС источника тока;

3. Изучить сущность метода компенсации;

4. Измерить ЭДС источника тока методом компенсации

5. Изучить устройство нормального элемента

 

Основные понятия и законы

Для того, чтобы существовал электрический ток длительное время, необходимо, чтобы в проводнике были свободные заряды, а также, чтобы на концах проводника была постоянная разность потенциалов. Кулоновские силы взаимодействия электрических зарядов всегда приводят к такому перераспределению зарядов в проводнике, при котором все точки проводника имеют одинаковый потенциал. Поэтому кулоновские силы не могут быть причиной длительного существования электрического тока. Для получения постоянного тока в течение длительного промежутка времени на некоторых участках замкнутой цепи на свободные электрические заряды должны действовать силы неэлектростатической природы. Такие силы называются сторонними силами. Устройство, обеспечивающее постоянную разность потенциалов на концах проводника, в котором действуют сторонние силы, называется источником тока.

Источник сторонних сил или источник тока в цепи постоянного тока также необходим, как необходим насос в любой замкнутой гидравлической системе для постоянной циркуляции в ней жидкости. Насос в гидравлической системе создает и поддерживает разность давлений жидкости, а источник сторонних сил создает и поддерживает разность потенциалов между точками в замкнутой электрической цепи.

Внутри источника тока действуют такие силы, под действием которых заряды внутри источника тока движутся против сил электростатического поля. Это обеспечивает наличие постоянной разности потенциалов на полюсах источника, а в замкнутой цепи с таким источником длительное время идет постоянный ток.

Работа по перемещению свободных зарядов в замкнутой электрической цепи или работа сторонних сил совершается за счет источника тока. Примерами источников тока являются различные гальванические элементы, аккумуляторы, батарейки, электромагнитные генераторы. В гальванических элементах энергия выделяется при химических процессах растворения электродов в электролите. Аналогичные процессы протекают в аккумуляторах и батарейках. В электромагнитном генераторе энергия накапливается за счет механической работы, которая расходуется на вращение ротора генератора в магнитном поле.


Характеристикой действия сторонних сил или мерой сторонних сил источника тока является электродвижущая сила источника (ЭДС). Электродвижущей силой источника тока (ЭДС) называется физическая величина, численно равная отношению работы сторонних сил по перемещению положительного заряда по замкнутой электрической цепи, к величине этого заряда:

(1)

Из формулы (1) следует, что ЭДС показывает, какая работа совершается сторонними силами по перемещению единичного положительного заряда по замкнутой цепи. ЭДС так же, как и напряжение, измеряется в вольтах (В).

Для сторонних сил, так же как и для электростатических сил, можно ввести понятие напряженности. Тогда ЭДС источника можно связать с напряженностью поля сторонних сил, аналогично тому, как определяется связь между напряженностью и потенциалом электростатического поля.

Работа по перемещению заряда на участке цепи определяется по формуле определения работы силы:

(2)

Здесь — сила, действующая на свободный электрический заряд; — перемещение заряда; — угол между силой и перемещением заряда.

Сила, действующая на свободный заряд в любой произвольной точке замкнутой электрической цепи, является результирующей сил кулоновского поля и поля сторонних сил :

(3)

По определению, напряженность равна силе, действующей на единичный положительный заряд, тогда:



(4)

или (5)

Здесь напряженность результирующего поля; — напряженность электростатического поля, поля кулоновских сил; — напряженность поля сторонних сил.

Тогда работа по перемещению заряда на участке будет определяться по формуле:

(6)

Теперь легко определить работу по перемещению единичного заряда на участке :

(7)

Здесь проекция напряженности электрического поля на направление перемещения, — проекция напряженности поля сторонних сил на направление перемещения.

Работа по перемещению единичного положительного заряда по замкнутой цепи получается интегрированием формулы (7):

(8)

Так как электростатическое поле является потенциальным полем, то циркуляция вектора напряженности по любому замкнутому контуру равна нулю, то есть:

(9)

Поэтому работа по перемещению единичного положительного заряда по замкнутому контуру электрической цепи, то есть электродвижущая сила источника или ЭДС будет определяться формулой:

(10)

Так как поле сторонних сил распространено только в источнике тока, то интеграл (10) определяется интегрированием только по внутреннему участку цепи, то есть по пространству источнику тока. Для всех других участков выражение под знаком интеграла в формуле (10) равно нулю.

Следует отметить, что источник тока имеет сопротивление , которое называется внутренним сопротивлением цепи.

 



Рекомендуемые страницы:

lektsia.com

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о