Лабораторная работа № 3-3
Определение электродвижущей силы
методом компенсации
Цель работы: изучить компенсационный метод измерения электродвижущей силы (ЭДС) источника энергии.
ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Для существования стационарного электрического тока в цепи необходим какой-нибудь источник энергии, который способен поддерживать электрическое поле. Такой источник энергии называется источником ЭДС.
Внутри источника электрической энергии на носители тока помимо кулоновских сил действуют неэлектростатические силы, называемые
сторонними силами. Если кулоновские силы вызывают соединение
разноименных зарядов, выравнивание потенциалов и исчезновение
электрического поля в проводнике, то сторонние силы вызывают разделение разноименных зарядов и поддерживают разность потенциалов на
концах проводника.
Сторонние силы, перемещая заряды, совершают работу за счет энергии, затрачиваемой в источнике. Так, например, в аккумуляторах и гальванических элементах работа сторонних сил производится за счет энергии химических реакций на электродах, в электромагнитном генераторе – за счет механической энергии, расходуемой на вращение ротора генератора.
Электродвижущая сила ℰ численно равна работе, совершаемой
сторонними силами при перемещении по участку цепи 1–2 единичного
положительного заряда
, (1)
где 
– вектор напряженности сторонних сил;
– вектор, численно равный длине dl элемента проводника и направленный вдоль проводника в направлении тока.
ЭДС измеряют в вольтах.
Пусть замкнутая цепь состоит из источника электрической энергии с ЭДС ℰ и внутренним сопротивлением r, а также внешней части цепи, имеющей сопротивление R (рис. 1).
По закону Ома для замкнутой цепи
, (2)
Разность потенциалов на электродах источника равна напряжению на внешнем участке цепи
. (3)
Если цепь разомкнуть 
, то ток в ней прекратится и как следует из (3) U = 
, т. е. ЭДС равна разности потенциалов на клеммах
Рис.1. Замкнутая цепь | источника. Поэтому ЭДС можно измерить с помощью вольтметра магнитоэлектрической системы в случае, когда сопротивление вольтметра много больше сопротивления источника ЭДС. Однако входное сопротивление вольтметров магнитоэлектрической системы в случае источников малых ЭДС с большим внутренним сопротивлением оказывается недостаточным. Для исключения систематической погрешности измерения |
ЭДС, связанной с падением напряжения внутри источника, следует применять метод, при котором ток в цепи источника совсем отсутствует (нулевой метод измерения).
Одним из нулевых методов измерения является метод компенсации (уравновешивания). Он состоит в том, что неизвестная ЭДС х компенсируется равным ей падением напряжения Uk на участках АВ потенциометра R (рис.2).
Рис. 2. Компенсационная схема
| Здесь гальванометр G находится под действием двух встречно направленных напряжений: неизвестной ЭДС x и компенсационного напряжения Uk на участке АВ потенциометра, включенного в цепь вспомогательной (компенсационной) ЭДС k. Перемещением ползунка (движка) потенциометра добиваются
|
уменьшения тока в цепи гальванометра G до нуля, тогда k = Uk. При
стабильном и известном токе через потенциометр последний можно снабдить шкалой, градуированной непосредственно в значениях ЭДС.
Приборы промышленного изготовления, предназначенные для измерения на постоянном токе компенсационным методом, называются потенциометрами (компенсаторами) постоянного тока. В них для установки
тока, соответствующего градуировке шкалы, служит специальный эталонный источник ЭДС.
В качестве эталонного источника часто используется нормальный элемент, который является мерой ЭДС. Составные части нормального
элемента строго нормированы. Положительным электродом нормального элемента является ртуть, отрицательным - амальгама кадмия, электролитом - водный раствор сернокислого кадмия. Достоинством нормальных элементов является большая стабильность ЭДС и весьма малая зависимость ЭДС от температуры (0,0062 % / K).