Измерение электродвижущей силы (ЭДС) источника тока методом компенсации. Эдс источника тока

21) Постоянный электрический ток. ЭДС источника тока. Сторонние силы и напряжение.

Электрический ток возникает в замкнутой цепи под действием источника электрической энергии (источника тока).

Источник электрической энергии представляет собой прибор, преобразующий какой-либо вид энергии в электрическую. Он создает и поддерживает на своих зажимах разность потенциалов. Таким образом в проводящей среде создается электрическое поле, которое и вызывает упорядоченное, направленное движение носителей электрических зарядов, т. е. электрический ток.

Происхождение электрического тока сопровождается непрерывным расходованием энергии на преодоление сопротивления. Эту энергию доставляет источник электрической энергии, в котором происходит процесс преобразования механической, химической, тепловой или других видов энергии в электрическую.

Способность источника электрической энергии создавать и поддерживать на своих зажимах определенную разность потенциалов называется электродвижущей силой, сокращенно э. д. с.

Численно электродвижущая сила измеряется работой, совершаемой источником электрической энергии при переносе единичного положительного заряда по всей замкнутой цепи.

Если источник энергии, совершая работу A, обеспечивает перенос по всей замкнутой цепи заряда q, то его электродвижущая сила (Е) будет равна

 

 

 

 За единицу измерения электродвижущей силы в системе СИ принимается вольт (в).

Источник электрической энергии обладает эдс в 1 вольт, если при перемещении по всей замкнутой цепи заряда в 1 кулон совершается работа, равная 1 джоулю.

Сторонние силы и напряжение

Смещение под действием электрического поля зарядов в проводнике всегда происходит таким образом, что электрическое поле в проводнике исчезает и ток прекращается. Для протекания тока в течение продолжительного времени на заряды в электрической цепи должны действовать силы, отличные по природе от сил электростатического поля, такие силы получили название сторонних сил.

Эти силы могут быть обусловлены химическими процессами, диффузией носителей тока в неоднородной среде, электрическими (но не электростатическими) полями, порождаемыми переменными во времени магнитными полями, и т. д. Всякое устройство, в котором возникают сторонние силы, называется источником электрического тока.

Сторонние силы характеризуют работой, которую они совершают над перемещаемыми по электрической цепи носителями заряда. Величина, равная работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС) , действующей в электрической цепи или на ее участке.

Представим стороннюю силу , действующую на заряд q, в виде 

,

где векторная величина  представляет напряженность поля сторонних сил. Тогда на участке цепи ЭДС равна

.

Интеграл, вычисленный для замкнутой цепи, дает ЭДС, действующую в этой цепи,

.

Последнее выражение дает самое общее определение ЭДС и пригодно для любых случаев. Если известно, какие силы вызывают движение зарядов в данном источнике, то всегда можно найти напряженность поля сторонних сил и вычислить ЭДС источника. Физическая природа электродвижущих сил в разных источниках весьма различна. 

Рассмотрим пример. Пусть имеется металлический диск радиуса R (рис. 4.2), вращающийся с угловой скоростью . Диск включен в электрическую цепь при помощи скользящих контактов, касающихся оси диска и его окружности. Центростремительная сила , где m - масса электрона; r - расстояние от оси диска. Эта сила действует на электрон и поэтому , возникающая ЭДС равна

.

it-iatu.ru

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.

 

lektsia.com

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭДС И МОЩНОСТИ ИСТОЧНИКА ТОКА

Поиск Лекций

 

Цель работы: определить ЭДС источника постоянного тока методом компенсации, определить полезную мощность и КПД в зависимости от сопротивления нагрузки.

Оборудование: исследуемый источник тока, источник стабилизированного напряжения, магазин сопротивления Р32, миллиамперметр М45, гальванометр М122.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

 

 

Источники тока – это устройства, в которых происходит преобразование различных видов энергии (механической, химической, тепловой) в электрическую энергию. В источниках тока происходит разделение электрических зарядов разного знака. Поэтому если полюса источника замкнуть на проводник, то по проводнику потечет электрический ток, вызванный движением зарядов под действием электростатического поля. За направление тока принято направление движения положительных зарядов. Ток потечет от положительного полюса источника через проводник к отрицательному полюсу. Но через источник тока заряды движутся наоборот, против сил электростатического поля. Это может происходить только под действием сил не электростатической природы, так называемых сторонних сил. Например, магнитной силы Лоренца в генераторах электростанций, сил диффузии в химических источниках тока.

Характеристикой источника тока является электродвижущая сила – ЭДС. Она равна отношению работы сторонних сил к величине заряда, перенесенного через источник:

 

. (1)

 

Рассмотрим электрическую цепь из источника тока с внутренним сопротивлением r, замкнутого на нагрузку сопротивлением R. Работа сторонних сил по закону сохранения энергии при неподвижных проводниках превращается в теплоту, выделяемую на нагрузке и внутреннем сопротивлении источника. Согласно закону Джоуля – Ленца теплота, выделяемая в проводнике, равна произведению квадрата силы тока на сопротивление и время протекания тока. Тогда . После сокращения на Jt получим, что сила тока в цепи равна отношению ЭДС к полному сопротивлению электрической цепи:

 

. (2)

 

Это закон Ома для полной цепи.

Измерение мощности

Измерение ЭДС

Милли- амперметр

При отсутствии тока через источник, при R→∞ J→0, падение напряжения на внутреннем сопротивлении отсутствует и ЭДС равна напряжению между полюсами источника . Единицей измерения ЭДС является вольт (В).

 

ЭДС можно измерить различными методами. Если, в простейшем случае, вольтметр c сопротивлением R подсоединить к полюсам источника с внутренним сопротивлением r, то, по закону Ома, показания вольтметра будут . Это меньше, чем ЭДС. Погрешность измерения тем меньше, чем больше сопротивление вольтметра: .

В компенсационном методе измерения ЭДС ток через источник не течет (рис. 1). Если с помощью регулятора блока питания БП подобрать напряжения на магазине сопротивлений R точно равным ЭДС источника, то ток через источник и через гальванометр Г не потечет. Тогда ЭДС источника будет равна падению напряжения на магазине сопротивлений:

 

. (3)

 

 

Полезная мощность источника тока при неподвижных проводниках – это тепловая мощность, выделяемая на нагрузке. По закону Джоуля – Ленца Р = J 2R. Подставив силу тока, согласно закону Ома (2), получим формулу зависимости полезной мощности от сопротивления нагрузки:

. (4)

 

В режиме короткого замыкания при отсутствии нагрузки, R = 0, вся теплота выделяется на внутреннем сопротивлении и полезная мощность равна нулю (рис. 2). С увеличением сопротивления нагрузки, пока R<<r, полезная мощность возрастает почти прямо пропорционально сопротивлению R. С дальнейшим возрастанием сопротивления нагрузки наступает ограничение силы тока, и мощность, достигнув максимума, начинает спадать. При больших значениях сопротивления нагрузки (R>>r), мощность уменьшается обратно пропорционально сопротивлению, стремясь к нулю при разрыве цепи.

Максимум мощности соответствует условию равенства нулю первой производной от тепловой мощности по сопротивлению. Продифференцировав (4), получим . Отсюда следует, что полезная мощность максимальна, если R = r. Подставив в (4), получим .

Работа источника тока характеризуется коэффициентом полезного действия. Это, по определению, отношение полезной работы к полной работе источника тока: . После сокращения формула КПД примет вид

.(5)

В режиме короткого замыкания при R = 0, КПД равен нулю, так как равна нулю полезная мощность (рис. 3). В режиме максимальной мощности КПД источника тока равен 50%. С ростом сопротивления нагрузки КПД растет и стремится к 100% при больших значениях сопротивлениях(R>>r).

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

 

1. Измерение ЭДС. Установить переключатель режима работы в положение «ЭДС». Установить на магазине сопротивление 500 Ом, предел измерения миллиамперметра 3 мА. На короткое время нажать на кнопку К и заметить, как отклоняется стрелка гальванометра при протекании тока от исследуемого источника.

Включить блок питания в сеть 220 В.

2. Нажать на кнопку К включения тока через гальванометр. Если стрелка гальванометра отклоняется так же, как при включении только источника тока, то увеличивайте силу компенсирующего тока от блока питания, контролируя его по миллиамперметру. Если стрелка отклоняется в обратном направлении, то уменьшайте силу тока, пока не добьетесь компенсации напряжений.

Повторить измерения не менее пяти раз, изменяя сопротивление в пределах 500 – 3000 Ом. Результаты записать в табл. 1

 

Таблица 1

Сопротивление R, Ом
Сила тока J, мА
ЭДС Е, В						< Е>, В

 

3. Измерение мощности.

Установить и удерживать пружинный переключатель режима измерений в положение «Мощность». Выключить сопротивление магазина, R=0. Измерить при коротком замыкании силу тока по миллиамперметру. Цена деления миллиамперметра . Результат записать в табл. 2.

Повторить измерения, изменяя сопротивление с интервалом 100 Ом в диапазоне 0 – 1000 Ом. Результаты записать в табл. 2.

Выключить приборы.

4. Произвести расчеты.

Рассчитать ЭДС исследуемого источника по формуле Е = JR в каждом опыте. Определить среднее значение ЭДС <Е>.

Сопротивление магазина R, Ом
Сила тока J, мА
Полезная мощность Рпол, мВт
Полная мощность Рзатр, мВт
КПД

Таблица 2

 

5. Оценить случайную погрешность измерения ЭДС по формуле прямых погрешностей

 

, (6)

 

 

где n – число измерений.

6. Рассчитать полезную Рпол =J 2R и полную Рзатр = <Е>J мощности источника тока.

Рассчитать КПД источника по формуле h = Рпол/Рзатр .

7. Построить графики зависимости полезной мощности от сопротивления нагрузки. Построить график КПД от сопротивления нагрузки. Размер графиков не менее половины страницы. На осях координат указать равномерный масштаб. Около точек провести плавные кривые линии так, чтобы отклонения точек от линий были минимальны.

8. Записать результат Е =<E> ±d E, Р = 90%.

Сделать выводы.

 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

 

1. Объясните роль источника тока в электрической цепи. Дайте определение электродвижущей силы источника тока (ЭДС).

2. Выведите, используя закон сохранения энергии, и сформулируйте закон Ома для полной цепи.

3. Объясните суть компенсационного метода измерения ЭДС. Можно ли измерить ЭДС источника тока вольтметром?

4. Выведите формулу для полезной мощности источника тока. Изобразите график зависимости полезной мощности от величины сопротивления нагрузки, объясните эту зависимость.

5. Выведите условие максимальной мощности источника тока.

6. Выведите формулу КПД источника тока. Изобразите график зависимости КПД от сопротивления нагрузки источника тока. Объясните эту зависимость.

 

 

 

Работа 22

poisk-ru.ru

---

• 
  Передать показания счетчика за воду заволжье
• 
  Полное сопротивление цепи
• 
  Атмосферное давление формула физика
• 
  Замена предохранителя
• 
  Аккумулятор не заряжается автомобильный аккумулятор от зарядного устройства
• 
  Подключение лампы дрл 250 схема
• 
  35 кв лэп опора
• 
  261 фз ст 13 п 5
• 
  Простой инвертор для ламп своими руками
• 
  Условные обозначения в технологических схемах
• 
  Определить общее сопротивление