Определение электродвижущей силы источника тока по вольтамперной характеристике

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 22

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ ИСТОЧНИКА ТОКА ПО ВОЛЬТАМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКЕ

Цель работы: определить ЭДС источника и его внутреннее сопротивление.

Приборы и принадлежности: трансформатор, магазин сопротивлений, амперметр, вольтметр, ключ.

Методические указания

Электродвижущей силой (ЭДС) источника тока называется физическая величина, численно равная работе, совершаемой при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру за счет неэлектрических форм энергии:

                                                                                                          (1)

Рассмотрим схему электрической цепи (рис.1).

                                                                                         R

 

V

               ε

               r

 

                                                             Рис. 1

Как и во всякой замкнутой цепи с одним источником сила тока через него определяется законом Ома:

                                                                   (2)

Здесь ? - электродвижущая сила источника тока, r - его внутреннее сопротивление, а Rвнеш. - сопротивление внешней цепи, состоящей в данном случае из параллельно включенных между собой реостата с переменным сопротивлением R и вольтметра с сопротивлением Rв. Величина внешнего сопротивления находится из выражения для их общей электропроводности:

                                                                      (3)

Из выражения (2) следует:

                                                                         (4)

 Следовательно, U=I·Rвнеш - падение потенциала на внешней по отношению к источнику части цепи, измеряемое вольтметром.

Вывод, который можно сделать из равенства (4), заключается в том, что      ЭДС источника ? численно равнялось бы показанию вольтметра U, если бы сила тока I равнялась нулю. На опыте это условие оказывается невыполнимым. В самом деле, сила тока уменьшается по мере увеличения сопротивления реостата R, но даже при R= ?, что соответствует разрыву цепи, внешнее сопротивление равно Rв:

  Но то, что невозможно выполнить экспериментально (добиться, чтобы I=0), можно получить, используя метод экстраполяции, т.е. распространения полученной зависимости за область измеренных значений, в данном случае - продолжение зависимости U=U(I) к значению силы тока, равному нулю.

Для определения ЭДС источника по этому способу необходимо построить вольтамперную характеристику - зависимость напряжения на зажимах источника ( т.е. напряжения U на внешнем сопротивлении Rвнеш.) от силы тока через источник I, как показано на рис. 2. Экстраполяция ( продолжение ) этой зависимости до оси напряжения, т.е. до значения I=0, отсекает на этой оси искомое значение ЭДС источника. Используя его в выражении (4) можно определить внутреннее сопротивление источника тока:

                                                                                                 (5)

 

   U(В)

Экстраполяция  к  I=0                                               

 

  ε

 

                                                                                                                   I (А)

 

                    Интервал измеренных значений I    

Рис. 2

Порядок выполнения работы

1.  Собрать электрическую цепь согласно схеме на рис. 1.

2.  Меняя реостатом силу тока в цепи, снять вольтамперную характеристику, т.е. зависимость показаний вольтметра (U) от показаний амперметра (I), стремясь равномерно распределить 6-8 измерений во всем диапазоне изменений силы тока I. Полученные при этом данные занести в таблицу 1:

                                                                                                                      Таблица 1

№ изм.	1	2	3	4	5	6	7
I (А)
U (В)

1.  По данным таблицы построить вольтамперную характеристику (рис. 2).

Участок характеристики, построенный по данным опыта (сплошная линия) экстраполировать до пересечения с осью напряжения (пунктирный участок характеристики на графике). Точка пересечения вольтамперной характеристики с осью напряжений даст искомую величину электродвижущей силы ?.

2.  По найденному значению ? вычислить внутреннее сопротивление источника для всех значений тока и напряжения по формуле:

3.  Вычислить среднее значение внутреннего сопротивления ř и среднее отклонение ?ř.

Записать результат в виде: r = ř ± ?ř.

Контрольные вопросы

1.  Что такое электродвижущая сила источника тока?

2.  Почему измерение вольтметром не дает возможности определить ЭДС источника тока?

3.  Чем отличаются показания вольтметра, подключенного к источнику тока, от ЭДС этого источника?

4.  Что называется вольтамперной характеристикой источника тока?

5.  Почему точка пересечения вольтамперной характеристики с осью напряжений дает величину ЭДС?

Литература

1.  Фриш С.Э., Тиморева А.В. Курс общей физики. Т.II, гл.18.

2.  Зисман Т.А., Тодес О.М. Курс общей физики. Т.II, § 16.

3.  Грабовский Р.И. Курс физики, § 84.