e11 (Методички к лабам), страница 2

4), Для подготовки установки к работе необходимо:а) выключатель К поставить в положение ВЫКЛ.;б) переключатель П2 установить в положение «+»;в) ручку потенциометра R4 повернуть против часовой стрелки до упора, что соответствует положению движка в точке О;г) при помощи переключателя П1 установить в цепи резистор R1.2. Включить установку в сеть. Изменяя резистором R2 силу тока в цепи, получить десять точекзависимости φ1 – φ2 = f (J).

Такое же количество точек получить при наличии в цепи резистораR3 . Результаты вписать в табл. 1.Таблица I№R1R3п/пJ, мА(φ1 – φ2) , ВJ, мА(φ1 – φ2) , В1...103. Изучить зависимость φ1 – φ2 = f (J) при наличии в цепи двух источников ЭДС, для чего:а) выключатель К поставить в положение ВКЛ.;б) переключатель П2 установить в положение «-»;в) резистор R2 повернуть в крайнее левое положение, a потенциометром R4 установить ток вцепи, при котором φ1 – φ2 <0 (значение тока указано на панели установки).4. Вращая ручку потенциометра R2 получить по десять точек исследуемой зависимости (для R1и R3), а данные занести в таблицу (аналогичную табл. 1).

Из десяти точек одни должны соответствовать отрицательной (φ1 – φ2 <0), а другие положительной (φ1 – φ2 >0) разности потенциалов.Замечание. При изменении знака разности потенциалов необходимо изменить и полярностьподключения вольтметра.5. По данным таблиц построить четыре графика зависимости φ1 – φ2 = f (J) в одной системе координатных осей, а затем, продолжив их до пересечения с осью ординат, определить численныезначения ЭДС источника ε1 , Вычислить среднее значение ЭДС ε1 .Замечание. Масштабы координатных осей рекомендуется выбирать таким образом, чтобыможно было фиксировать десятые доли измеряемых величин.6.

Рассчитать полное сопротивление R неоднородных участков цепи, используя зависимостьR= |Δφ| / |ΔJ| (где |Δφ| - модуль приращения разности потенциалов, соответствующий модулюприращения тока |ΔJ|). При этом значение приращения тока должно быть максимально возможным.Анализ и обработка результатов измерений. При анализе экспериментальных данных можетобнаружиться их случайный разброс.

Это обусловлено рядом причин: а) применением в установке в качестве источников тока выпрямителей, питаемых от сети (так как, колебания напряжения в ней ведут к изменению тока и разности потенциалов); б) неверным отсчетом показанийэлектроизмерительных приборов (из-за параллакса); в) невнимательностью экспериментатора.В процессе измерения может, например, иметь место: а) систематическая погрешность, вызванная нагревом резисторов, а значит, и изменением их сопротивления:; б) систематическая погрешность приборов из-за неправильной разметки шкал. При наличии разброса экспериментальных точек построение графиков зависимости φ1 – φ2 = f (J) необходимо осуществлять такчтобы отклонения этих точек в обе стороны от графика было примерно одинаковым, что обес-печит усреднение полученных данных.Порядок анализа и обработки результатов измерений следующий,1.

Рассчитать инструментальную погрешность измерения разности потенциалов и силы токадля первой и десятой точек одной из зависимостей φ1 – φ2 = f (J). Относительную погрешностьопределяют по формулеαNε=Kx ⋅ 100где K - класс точности электроизмерительного прибора; αN - нормирующее значение измеряемой величины; x - измеряемая величина.Абсолютную погрешность измеряемых величин вычислить по формулеΔ=ε·xи указать ее в виде доверительного интервала на соответствующем графике.2. Оценить погрешность среднего значения ЭДС ε .

С этой целью вычислить полуширину доверительного интервала для доверительной вероятности P = 0,68 по формуле [3]:∑ (ε − ε )n∆ ε = t P ,fi =12iin(n − 1)где tP,f - коэффициент Стьюдента; P - доверительная вероятность; f =n-1.Результат расчетов записать в виде:ε = ε ± ∆ ε , Р = 0,68Контрольные вопросы1. Что такое сторонние силы и какова их природа?2. Какие величины характеризуют поле сторонних сил?3. Как отличить однородный участок цепи от неоднородного?4.

Как направлен вектор напряженности стороннего поля внутри источника?5. Как записать закон Ома для неоднородного участка цепи?6. Что показывает вольтметр, подключенный к двум точкам электрической цепи?КОМПЕНСАЦИОННЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ЭДС ИСТОЧНИКАТеоретическая частьКомпенсационный метод измерения (так называемый нулевой) состоит в том, что измеряемаявеличина X компенсируется (уравнивается) аналогичной величиной У, которую изменяют дотех пор , пока результирующий эффект воздействия сравниваемых величин на прибор, например гальванометр, станет равным нулю. Этот метод применяют для измерения как электрических величин (ЭДС, напряжения, силы тока, сопротивления), так и неэлектрических (механических, оптических и др.).

Последние предварительно преобразуют в электрические.Компенсационный метод обладает высокой точностью и не вносит искажений в электрическиецепи. Рассмотрим его на примере измерения ЭДС источника тока. (Использовать обычныйвольтметр для таких измерений нельзя.) Напряжение на зажимах источника измеряют работойпри перемещений единичного положительного заряда вдоль пути, лежащего вне источника. Вэтом случаеφ1 – φ2 = ε – Jr0 = JRгде r0 - внутреннее сопротивление источника; R ~ сопротивление внешней цепи.Вольтметр, подключенный к зажимам источника,, таким образом, покажет не ЭДС, а разностьпотенциалов, отличающуюся от ЭДС на значение Jr0.Электрическая схема, используемая при данном методе, приведена на рис.

5. Два источника сЭДС ε и εx включены навстречу друг другу. Пусть внутренние сопротивления источниковравны г0 , а сопротивление потенциометра ABC равно R . При помощи выключателя К к потенциометру присоединяется цепь с исследуемым источником гальванометром Г .εr0JACBJ1εxRГKr0Рис.5При разомкнутом выключателе разность потенциалов между точками А и В составляетϕ A − ϕ B = JR X =εRX(17)R + r0где RX - сопротивление участка AB потенциометра, Заметим, что, изменяя сопротивление RXпутен перемещения движка В потенциометра, можно регулировать φ1 – φ2 в некоторых пределах и, например, установить(18)φ1 – φ2 = εXЗамкнем выключатель К.

Для неоднородного участка В - εX - А цепи, на основании законаОма,ϕ − ϕA + εXJ1 = B(19)R Γ + r0где RГ - сопротивление гальванометра. Из соотношения (19) следует, что(20)φ1 – φ2 = εX – J1(RГ+r0)Из уравнения (20) видно, что равенство (18) выполняется при замкнутом ключе К тогда, когдаток, проходящий через гальванометр, равен нулю. Поэтому, полагая в формуле (17) φА–φВ=εX,получимεX = ε RX(21)R + r0Таким образом, зная ЭДС и параметры схемы, можно определить значение ЭДС εX .ПарафинРастворCdSO4CdSO4CdSO4HgSO4HgCdHgРис.6На практике формулу (21), как правило, не применят ввиду непостоянства ЭДС ε и внутреннего сопротивления r0 источника.

В качестве эталонного источника ЭДС при измерениях используют нормальный элемент (НЭ) [2]. Широко распространен кадмиевый НЭ (рис. 6). Он состоитиз стеклянного Н-образного сосуда, в дно которого впаяны два электрода. На дне одной половины сосуда находится небольшое количество ртути и слой пасты из смеси сернокислого кадмия НgSО4 и сернокислого кадмия CdSО4; на дне другой половины - амальгама кадмия HgCd.Сосуд заполнен насыщенным раствором сернокислого кадмия.

Положительным электродом вданном элементе является ртуть, а отрицательным - амальгама кадмия. ЭДС составляет, В:εN = 1,01860 – 4,06·10-5(t - 20),где t – температура, ОС.Разность потенциалов на электродах НЭ поддерживается неизменной длительное время толькопри токах порядка нескольких микроампер.

(При транспортировке и во время работы переворачивать нормальный элемент категорически запрещается во избежание выхода его из строя!!!)Сравнение источника неизвестнойεXс ЭДС нормального элемента проводят так. Добившиськомпенсации ЭДС элемента εX , заменяют его нормальным элементом с ЭДС εN и вновь добиваются компенсации. Тогда, согласно формуле (21)εN = ε RN(22)R + r0где RN - сопротивление участка AB потенциометра, при котором получена компенсация.

Разделив соотношение (21) на соотношение (22), получимεX= εNRXRN(23)Экспериментальная частьПринципиальная схема установки приведена на рис. 7. Посредством переключателя П обеспечивается включение в схему источниковεX и εN . Резистор R0 введен в схему для ограничениятока в цепи гальванометра Г. Участок ABC условно представляет проводящий слой потенциометра. Сопротивление участка AВ, соответствующее углу поворота α движка потенциометра,можно определить по градуировочному графику R=f(α).

В установке угол поворота α движкапотенциометра отсчитывают по угломерной шкале против часовой стрелки.εεεNXАПСαВR0Рис. 7Порядок выполнения эксперимента следующий.1. Собрать электрическую цепь установки согласно (см. рис. 7) и подготовить ее к работе. Дляэтого необходимо:а) установить максимальное значение сопротивления резистора R0, повернув его ручку по часовой стрелке до упора;б) установить движок В потенциометра в среднее положение;в) включить установку в сеть (~ 220 В).2. Добиться компенсации ЭДС элемента εX , перемещая движок потенциометра.

По мере приближения стрелки гальванометра к нулю уменьшать сопротивление резистора R0 до нуля. Полная компенсация происходит при токе (проходящем через гальванометр), равном нулю. Определить по шкале значение угла αX движка потенциометра и записать его в табл. 2. Установитьрезистор R0 и движок В в исходное положение.Таблица 22№ п/пα N − αNαXαNα −α(α − α )(α − α )2XXXXNN1...53. Добиться компенсации ЭДС нормального элемента. Нажать кнопку П и, удерживая ее, вращать движок потенциометра до полной компенсации. При этом сопротивление R0 должно бытьуменьшено до нуля. Зафиксировать значение угла αX движка потенциометра и внести его втабл. 2.4.