ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 34
ИЗМЕРЕНИЕ ЭДС И ВНУТРЕННЕНЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ИСТОЧНИКА ТОКА
♦ Обязательная простая, полезная и приятная работа для "продвинутых" восьмиклассников или для всех десятиклассников.
ОБОРУДОВАНИЕ:
Исследование 1: батарейка (от 1,5 до 9 В), лучше 2-3 штуки разного вида, мультиметр (измерение напряжения 2В и тока до 10А), провода.
Исследование 2: яблоко (другой фрукт или картошка), пластинки или толстые проволочки из двух разных металлов (например, медь и алюминий). Провода, "крокодилы", резистор с известным сопротивлением 10-30 кОм.
Мультиметр или стрелочный микроамперметр для измерения малых токов (100 - 500 мкА).
♦ Настоящий чувствительный стрелочный микроамперметр для второй части работы весьма желателен- работа получится более красивой. Если его нет, придется пользоваться мультиметром.
ЦЕЛИ РАБОТЫ
- Научиться проверять батарейку амперметром.
- Измерить внутреннее сопротивление батарейки.
- Сделать источник тока из яблока, измерить его ЭДС и внутреннее сопротивление.
- Понять, зачем батарейки включают параллельно и последовательно.
ПРОВЕРКА ПО ТЕОРИИ
0. Сдайте проверку по вопросам:
"Напряжение", "ЭДС", сопротивление, закон Ома для участка цепи и для замкнутой цепи. Как измерить ЭДС батарейки? Людям, не понимающим, о чём идет речь, выполнять эту работу рано.
Рассмотрим простую цепь, где источник тока замкнут на резистор. Закон Ома (для цепи с ЭДС) утверждает, что сила тока в цепи равна отношению ЭДС к сумме всех сопротивлений в этой цепи, включая внутреннее сопротивление источника тока.
I = ٤/(R+r)
ИССЛЕДОВАНИЕ 1. Батарейка.
1. Нарисуйте схему. Измерьте и запишите ЭДС источника тока.
Для этого надо просто подключить вольтметр к батарейке.
Схему с ключом собирать не надо и вредно! Просто установите верный предел измерений напряжения и подключите провода руками к батарейке. Напряжение батарейки 1,5 - 9В абсолютно безопасно для вас.
2. Если замкнуть источник тока накоротко подходящим амперметром (на малое время!), узнаем ток короткого замыкания.
ВНИМАНИЕ!
- Для такого опыта нужен амперметр, выдерживающий ток в несколько ампер. Милли- и микроамперметры (или прибор в режиме измерения сопротивлений) нельзя подключать непосредственно к батарейке. Из-за большого тока прибор немедленно выйдет из строя!
- Большой ток очень быстро разряжает батарейку. Нельзя держать амперметр подключенным дольше нескольких секунд!
Установите предел измерений мультиметра 10А.
Подключите провода в правильные гнёзда.
Позовите учителя и под его наблюдением измерьте и запишите ток короткого замыкания Iкз. (Собирать схему не надо, просто подключите провода на 2-3 секунды руками к батарейке.)
3. Источник тока имеет внутреннее сопротивление r.
Рассчитайте внутреннее сопротивление по всем известному закону. Сопротивлением амперметра можно пренебречь.
Результат зависит от нагрева батарейки и времени проведения опыта, оценку погрешностей в этой работе можно не выполнять.
4. По току короткого замыкания удобно проверять годность батареек. Так, новые "большие круглые" батарейки дают Iкз 4-7А, пальчиковые 2-4А, 9 - вольтовая – 0,5 - 1А.
По мере использования батарейки немного уменьшается её ЭДС и значительно увеличивается внутреннее сопротивление. Если большая батарейка даёт ток короткого замыкания меньше 1А или маленькая- меньше 0,5А или совсем маленькая - меньше 0,2А, то батарейка неработоспособна.
5. Если есть несколько других батареек, измерьте их ЭДС и токи короткого замыкания и сделайте выводы об их работоспособности.
ИССЛЕДОВАНИЕ II. Сделаем источник тока из яблока.
1. Уберите (сдайте) все батарейки из прошлого опыта и больше не включайте их в цепь! Теперь мы будем работать с очень малыми токами (и чувствительными приборами), а если к ним подключить настоящую батарейку, произойдет непоправимое.
Возьмем яблоко или часть его (или апельсин, картошку, лимон, или даже ванночку с электролитом). Воткнём в яблоко две пластинки или проволочки из разных металлов. (Пластинки не должны касаться друг друга и должно остаться место, чтобы в следующем опыте воткнуть их значительно глубже) Получится источник тока. Подключим миллиамперметр (предел измерения тока 100-500 мкА) к пластинкам и увидим, что ток идёт.
Не держите цепь включенной долго, а то "яблоко-батарейка" "сядет".
2. Оказывается, нашим мультиметром можно измерить ЭДС и внутреннее сопротивление таким же способом, как и в первой части работы.
Сделайте это, запишите результаты.
Не трогайте электроды, ничего не изменяйте в "яблоко-батарейке", не оставляйте цепь замкнутой надолго, потому что дальше мы будем исследовать "яблоко-батарейку" другим способом!!!
3. А в старые времена таких прекрасных приборов и не было, а обычный "школьный" вольтметр имеет сопротивление всего 6кОм, что заметно меньше внутреннего сопротивления "яблоко-батарейки". Если подключить такой вольтметр, он покажет не ЭДС, которую нам нужно узнать, а напряжение на собственном сопротивлении. Зато сопротивление микроамперметра (порядка 100 Ом) можно считать пренебрежимо малым по сравнению с внутренним сопротивлением "яблока-батарейки".
4. Пусть у нас имеется только микроамперметр на 100 - 500 мкА, хорошо бы на самом деле взять подходящий традиционный стрелочный прибор (но если его нет, пользуемся мультиметром на пределе измерения 200мкА) и резистор с известным сопротивлением, близким к внутреннему сопротивлению "батарейки" (для данной задачи- около 5-20 кОм). Тогда можно красивым способом узнать ЭДС и внутреннее сопротивление батарейки. Для этого сделаем два опыта - подключим микроамперметр непосредственно к "яблоко-батарейке", а затем соберем последовательную цепь из "яблоко-батарейки", резистора и микроамперметра и измерим ток в ней.
5. Нарисуйте используемые схемы. Запишите результаты измерений.
6. Опишите происходящее формулами, решите получившуюся систему уравнений, выведите формулы для расчета ЭДС и r. Рассчитайте ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока.
7. Прежде чем что-то изменить в "яблоко-батарейке", хорошо бы сдать учителю всё, что было сделано до этого момента.
Исследуйте, изменится ли ЭДС, если вставить электроды в яблоко поглубже? А внутреннее сопротивление? Проверьте на опыте, запишите результаты. Если глубже вставить электроды не получается, можно, наоборот, вставить их не так глубоко.
8. Задача.
К батарейке с ЭДС 4,5 В подключили лампочку, рассчитанную на напряжение 3,6 В и ток 0, 26А. Какой ток пойдет через лампочку, если внутреннее сопротивление батарейки а) 2 Ом, б) 10 Ом, в) 30 Ом? Как будет гореть лампочка в каждом из этих случаев? *
Почему внутреннее сопротивление батарейки важно?
___________________
* В этой задаче будем считать, что сопротивление лампочки не зависит от нагрева нити накаливания, что, строго говоря, будет очень грубым приближением.
9. Зачем батарейки иногда соединяют параллельно? Что при этом происходит с ЭДС и с внутренним сопротивлением? Почему?
Подсказка- параллельное соединение батареек похоже на увеличение площади электродов в яблоке (вспомните опыт п.7).
10. А зачем батарейки соединяют последовательно? Что при этом происходит с ЭДС и с внутренним сопротивлением?
Подсказки.
Встречалось множество людей, затрудняющихся ответить на последние два вопроса. Если вы всё ещё не чувствуете себя уверенно- просто возьмите две одинаковых батарейки- можно обычные, как в первой части работы, соедините их последовательно, (не забудьте установить предел измерения мультиметра 10А!), измерьте и запишите ЭДС и внутренне сопротивление каждой, затем соедините их параллельно (плюс к плюсу, минус к минусу), измерьте ЭДС и внутренне сопротивление их вместе. Сделайте выводы.
Затем можно выполнить опыт для последовательно соединенных батареек.
Если вам все ясно- делать такие опыты не надо, просто продемонстрируйте учителю понимание вопроса.
11 и 12- задания повышенного уровня сложности. Может быть, учитель разрешит их не делать J
11*. Задача. Соединим последовательно восемь "яблоко-батареек" (получим ЭДС около 6-7 В, кажется, это более чем достаточно для лампочки) и подключим к ним ту же самую лампочку, рассчитанную на 3,6 В, 0, 26А. Какой ток потечет? Какое напряжение будет на лампочке? Загорится ли лампочка? Куда "пропало" напряжение?
12. Как мы видим, всему виной очень высокое внутреннее сопротивление "яблоко-батарейки". Что же, его можно уменьшить в N раз, соединив параллельно N таких секций из восьми яблок. Рассчитайте, сколько таких секций надо соединить параллельно, чтобы лампочка горела нормально (т.е. чтобы через неё шел ток 0, 26А).
А.Е. Тарчевский, шк. 179, январь 2019