Измерение ЭДС источника тока различными методами

Измерение ЭДС источника тока различными методами
Радченко Игорь Олегович,
МОАУ СОШ №11,
г. Благовещенск
Одним из необходимых условий существования электрического тока в
цепи является наличие источника тока.
Роль источника тока в электрической цепи, образно говоря, такая же, как роль
насоса, который необходим для перекачивания жидкости в гидравлической
системе. Под действием создаваемого поля сторонних сил электрические
заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля,
благодаря чему на концах цепи поддерживается разность потенциалов и в цепи
течет постоянный электрический ток.
Внутри любого источника тока совершается работа по разделению
разноимённых зарядов и накапливанию их на полюсах, в результате чего
создаётся и поддерживается электрическое поле.
В быту «источником тока» часто неточно называют любой источник
электрического напряжения (батарею, генератор, розетку), но в строго
физическом смысле это не так. Более того, обычно используемые в быту
источники электроэнергии по своим характеристикам гораздо ближе
к источнику ЭДС, чем к источнику тока
Механический источник тока - механическая энергия преобразуется
в электрическую энергию.
К ним относятся: электрофорная машина (диски машины приводятся во
вращение в противоположных направлениях. В результате трения щеток о
диски на кондукторах машины накапливаются заряды противоположного
знака), динамо-машина, генераторы.
Тепловой источник тока - внутренняя энергия преобразуется в
электрическую энергию.
Например, термоэлемент - две проволоки из разных металлов необходимо
спаять с одного края, затем нагреть место спая, тогда между другими концами
этих
проволок
появится
напряжение.
Применяются в термодатчиках и на геотермальных электростанциях.
Световой источник тока - энергия света преобразуется в электрическую
энергию.
Например, фотоэлемент - при освещении некоторых полупроводников
световая энергия превращается в электрическую. Из фотоэлементов
составлены
солнечные
батареи.
Применяются в солнечных батареях, световых датчиках, калькуляторах,
видеокамерах.
Химический источник тока - в результате химических реакций
внутренняя энергия преобразуется в электрическую.
Например, гальванический элемент - в цинковый сосуд вставлен угольный
стержень. Стержень помещен в полотняный мешочек, наполненный смесью
оксида марганца с углем. В элементе используют клейстер из муки на растворе
нашатыря. При взаимодействии нашатыря с цинком, цинк приобретает
отрицательный заряд, а угольный стержень - положительный заряд. Между
заряженным стержнем и цинковым сосудом возникает электрическое поле. В
таком источнике тока уголь является положительным электродом, а цинковый
сосуд
-
отрицательным
электродом.
Из нескольких гальванических элементов можно составить батарею.
Источники тока на основе гальванических элементов применяются в
бытовых автономных электроприборах, источниках бесперебойного питания.
Аккумуляторы - в автомобилях, электромобилях, сотовых телефонах.
Магнитогидродинамический
генератор
(МГД
-
генератор)
-
энергетическая установка, в которой энергия рабочего тела (жидкой или
газообразной электропроводящей среды), движущегося в магнитном поле,
преобразуется непосредственно в электрическую энергию
Принцип работы МГД-генератора, как и обычного машинного генератора,
основан на явлении электромагнитной индукции, то есть — на возникновении
тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля. В отличие
от машинных генераторов проводником в МГД-генераторе является само
рабочее тело.
Рабочее тело движется поперёк магнитного поля, и под действием магнитного
поля возникают противоположно направленные потоки носителей зарядов
противоположных знаков.
Сторонние
перемещение
силы
-
силы
электрических
неэлектрической
природы,
вызывающие
зарядов
источника
постоянного
внутри
тока. Сторонними считаются все силы отличные от кулоновских сил, т. е.
любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, за
исключением сил электростатического происхождения (кулоновские силы),
называются сторонними силами.
Внутри источника тока заряды движутся под действием сторонних сил
против
кулоновских
сил
(электроны
движутся
от
положительного
заряженного электрода к отрицательному), а во всей остальной цепи их
приводит в движение электрическое поле.
Природа сторонних сил может быть разнообразна. В генераторах
электростанций сторонняя сила – сила, действующая со стороны магнитного
поля на электроны в движущемся проводнике. В гальваническом элементе
сторонними силами являются химические силы. Например, элемент Вольта
состоит из цинкового и медного электродом, помещенных в раствор серной
кислоты. Химические силы вызывают растворение цинка в кислоте. В раствор
переходят положительно заряженные ионы цинка, а сам цинковый электрод
при этом заряжается отрицательно. Между цинковым и медным электродами
появляется разность потенциалов, которая обуславливает ток в замкнутой
электрической цепи.
В электрофорной машине сторонними сила являются силы трения.
В МГД
сила Лоренца, действующая со стороны магнитного поля на
движущиеся заряды.
Действие сторонних сил характеризуется важной физической величиной,
называемой электродвижущей силой (ЭДС).
Электродвижущая сила (ЭДС) — физическая величина, характеризующая
работу сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или
переменного тока. В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе этих
сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль контура.
1.
Методы определения ЭДС источника тока.
Оборудование:
1.1.
Прямой метод измерения ЭДС.
Собирая цепь по схеме:
Мы непосредственно измерили ЭДС источника тока при разомкнутом ключе.
При замкнутом ключе вольтметр показал напряжение на внешнем участке
цепи. Используя закон Ома для полной цепи, было рассчитано внутреннее
сопротивление источника тока.
Измерения проводились для трех
батарей элементов.
Результаты измерения приведены в таблице №1:
ε, В
∆ε,В
U, В
∆U,
I, A
∆I, A r,
B
Плоская
∆r,
ε
Ом
Ом
,%
r
εε, %
4,5
0,1
3,6
0,1
0,25
0,05
3,6
1,4
40
2
1,6
0,1
1,56
0,1
0,1
0,05
0,4
0,2
50
0,6
0,1
1,4
0,1
0,1
0,05
1,8
0,2
11
6,3
батарея.
Пальчиковая
батарейка
Мизинчиковая 1,58
батарейка
∆r = rпр εr
ε r = (∆ε + ∆U) / εпр - Uпр + ∆I / Iпр
1.2.
r₁ = (3,6 ± 1,4) Ом
ε₁ = (4,5 ± 0,1) В
r₂ = (0,4 ± 0,2) Ом
ε₂ = (1,6 ± 0,1) В
r₃ = (1,8 ± 0,2) Ом
ε₃ = (1,58 ± 0,1) В
Косвенный метод.
Меняя с помощью реостата сопротивление внешней цепи, получаем
различные значения силы тока и напряжения, приравниваем выражения для
ЭДС из закона Ома для полной цепи
,рассчитываем
,
внутреннее сопротивление источника тока. Подставляя в
любое из уравнений значение внутреннего сопротивления, получаем значение
ЭДС источника тока.
таблица 2
ε, В
∆ε,В
U, В
∆U,
I, A
∆I, A r, Ом ∆r,
В
4,25
0,1
3,5
0,1
3,8
ε r ,% εε, %
Ом
0,25
0,05
3
1,4
47
2,4
0,15
ε = (4,25 ± 0,1) В
r = (3 ± 1,4) Ом
1.3.
Графический метод.
Определим значение силы тока в цепи и напряжение на зажимах источника
при
максимальной
величине
сопротивления
переменного
резистора.
Повторим несколько раз измерения силы тока и напряжение, уменьшая всякий
раз величину переменного сопротивления так, чтобы напряжение на зажимах
источника уменьшалось на 0,1В. Полученные данные перенесем на график.
Напряжение отложим по вертикальной оси, а силу тока – по горизонтальной.
ε, В
∆ε,В
U, В
∆U,
I, A
∆I, A r, Ом ∆r,
В
4
0,1
3,65
0,1
ε r ,% εε, %
Ом
0,14
0,05
2,35
1,3
57
2,5
3,55
0,17
3,45
0,16
3,35
0,25
ε = (4 ± 0,1) В
r= (2,35 ± 1,3) Ом
После продолжения графика до пересечения с осью напряжения
получаем значение ЭДС источника тока:
ε = (4 ± 0,1)В
Пересечение графика с осью силы тока дает значение тока короткого
замыкания.
Iк.з.= 1,7 А
Внутреннее сопротивление источника тока определим по формуле: r = ε/ Iк.з.
r= 2,35 Ом
Сравнивая результаты измерений разных методов, можно сделать вывод о том,
что точность измерения первого метода больше, так как погрешность
измерений хоть и велика, но меньше по сравнению с остальными.
ЭДС и внутреннее сопротивление являются важными характеристиками
источника тока, которые можно определить различными экспериментальными
методами.
Используемые ресурсы.
1. Физика – 10, Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский