WYZNACZANIE SIŁY ELEKTROMOTYRYCZNEJ METODĄ KOMPENSACJI
Cele ćwiczenia:
1. Praktyczne wykorzystywanie prawa Ohma i praw Kirchhoffa.
2. Poznanie metody kompensacyjnej.
3. Sprawdzenie zasady potencjometru.
4. Określenie optymalnych warunków pomiaru.
5. Wyznaczanie SEM kilku źródeł.
Zagadnienia:
1. Prawo Ohma i prawa Kirchhoffa.
2. Potencjometr – zasada działania.
3. Siła elektromotoryczna i jej jednostka.
4. Wpływ oporu wewnętrznego na pracę ogniwa.
Literatura:
1. S. Szczeniowski, Fizyka doświadczalna, cz. 3, PWN, Warszawa, 1980 2. A. Zawadzki, H. Hofmokl, Laboratorium fizyczne, PWN, Warszawa,
1964
3. R. Resnick, D. Halliday, Fizyka, t. II, PWN, 1997
4. B. Jaworski, A. Dietłaf, L. Miłkowska, Kurs fizyki, t.2, PWN, Warszawa, 1984
5. I Pracownia fizyczna, pod red. Czesława Kajtocha, Kraków 2007 6. A. H. Piekara, Elektryczność i magnetyzm, PWN, 1970.
Tok postępowania:
1. Zmontować układ jak na rys.1.
Rys.1. Układ do wyznaczania charakterystyki napięciowo-prądowej.
– źródło prądu, A – amperomierz, V – woltomierz,
rW – opór wewnętrzny, R0 – opornica suwakowa, W – wyłącznik
2. Odczytać napięcia dla określonych położeń suwaka, a wyniki nanieść na wykres U(I) dla sprawdzenia zasady potencjometru.
3. Zmontować układ jak na rys.2, podłączyć X i skompensować układ (zwiększając czułość przez zmniejszanie wartości R0) oraz odczytać lX. Kompensację powtórzyć 3-5 razy.
Uwaga
w
zx
zRys.2. Układ do pomiaru SEM metodą kompensacji.
z – źródło prądu, AB – drut oporowy, w – źródło wzorcowe,
x – źródło badane, K – klucz, G – galwanometr, W1, W2 – wyłączniki,
4. Podłączyć W i po skompensowaniu układu odczytać lW. Powtórzyć kompensację 3-5 razy.
5. Pomiary wykonać dla innych źródeł (punkty 3 i 4) .
6. Obliczyć dla poszczególnych źródeł wartości X ± ΔX i ocenić dokładność metody.
Tabela I.
Sprawdzanie zasady potencjometru l
[m]
U [V]
Tabela II.
Wyznaczanie SEM metodą obciążania źródła
Lp. I ΔI U ΔU Δ rw rw
[mA] [V] [V] []
Tabela III.
Wyznaczanie SEM metodą kompensacji
Lp. lX lX lW lW Δl x Δx
[m] [V]
- -
Wstęp teoretyczny
Siłę elektromotoryczną (SEM) można zdefiniować jako napięcie panujące na zaciskach nieobciążonego źródła.
Do pomiaru SEM możemy wykorzystywać kilka metod:
1) pomiar elektrostatyczny z zastosowaniem wyskalowanego elektroskopu;
2) pomiar prądowy polegający na zmierzeniu amperomierzem prądu po obciążeniu źródła znanym oporem R;
3) metodą graficzną lub algebraiczną;
4) metodą kompensacji.
Zasada dwóch pierwszych jest oczywista. Trzecia z tych metod polega na kolejnym obciążeniu źródła różnymi oporami (rys.1) w celu wyznaczenia charakterystyki napięciowo-prądowej (rys.1a).
– źródło prądu, A – amperomierz, V – woltomierz, rW – opór wewnętrzny, R0 – opornica suwakowa, W–wyłącznik Rys.1. Układ do wyznaczania charakterystyki napięciowo-prądowej.
Rys.1a. Napięcie na źródle w zależności od obciążenia prądowego I .
Wybierając 2 punkty pomiarowe i zapisując dla nich II Prawo Kirchhoffa otrzymujemy układ równań:
w 1
1 r
U l
w 2
2 r
U l rw – opór wewnętrzny źródła
stąd po rozwiązaniu:
1 2
1 2 2
1 U
U
l l
l l
2)
U tg
r U
1 2
1 2
w
l l 3)
Graficznie wartość , otrzymujemy na osi napięcia (U) dla I=0, a opór wewnętrzny ogniwa rw z nachylenia prostej U(I) jako – tg α.
W metodzie kompensacyjnej wykorzystujemy układ przedstawiony na rys.2.
Jeśli drut oporowy AB jest włączony tylko do źródła Z, to rozkład napięcia jest liniową funkcją położenia suwaka l.
0
U0
U l
l 4)
gdzie U0 – napięcie na zaciskach źródła Z, l0 – odległość punktów A i B.
Uwaga
w
zx
zz – źródło prądu, AB – drut oporowy, w – źródło wzorcowe,
x – źródło badane, K – klucz, G – galwanometr, W1, W2 – wyłączniki, R0 – opór zabezpieczający galwanometr.
Rys.2. Układ do pomiaru SEM metodą kompensacji.
1)
Wzór 4) obrazuje zasadę potencjometru. Jeśli dołączymy źródło badane Ex i skompensujemy układ (prąd nie płynie przez galwanometr G), to:
0 x 0
x l
U l
5)Aby uniezależnić się od pomiaru U0 , dołączamy do początkowego układu napięcie wzorcowe EW, dla którego po skompensowaniu układu:
0 w 0
w l
U l
6)Dzieląc stronami ostatnie równanie otrzymujemy:
w w
x
x l
l
