Измерение электродвижущей силы (ЭДС) источника тока методом компенсации

 

Цель работы:

1. Изучить понятие электродвижущей силы (ЭДС) источника тока;

2. Изучить методы измерения ЭДС источника тока;

3. Изучить сущность метода компенсации;

4. Измерить ЭДС источника тока методом компенсации

5. Изучить устройство нормального элемента

 

Основные понятия и законы

Для того, чтобы существовал электрический ток длительное время, необходимо, чтобы в проводнике были свободные заряды, а также, чтобы на концах проводника была постоянная разность потенциалов. Кулоновские силы взаимодействия электрических зарядов всегда приводят к такому перераспределению зарядов в проводнике, при котором все точки проводника имеют одинаковый потенциал. Поэтому кулоновские силы не могут быть причиной длительного существования электрического тока. Для получения постоянного тока в течение длительного промежутка времени на некоторых участках замкнутой цепи на свободные электрические заряды должны действовать силы неэлектростатической природы. Такие силы называются сторонними силами. Устройство, обеспечивающее постоянную разность потенциалов на концах проводника, в котором действуют сторонние силы, называется источником тока.

Источник сторонних сил или источник тока в цепи постоянного тока также необходим, как необходим насос в любой замкнутой гидравлической системе для постоянной циркуляции в ней жидкости. Насос в гидравлической системе создает и поддерживает разность давлений жидкости, а источник сторонних сил создает и поддерживает разность потенциалов между точками в замкнутой электрической цепи.

Внутри источника тока действуют такие силы, под действием которых заряды внутри источника тока движутся против сил электростатического поля. Это обеспечивает наличие постоянной разности потенциалов на полюсах источника, а в замкнутой цепи с таким источником длительное время идет постоянный ток.

Работа по перемещению свободных зарядов в замкнутой электрической цепи или работа сторонних сил совершается за счет источника тока. Примерами источников тока являются различные гальванические элементы, аккумуляторы, батарейки, электромагнитные генераторы. В гальванических элементах энергия выделяется при химических процессах растворения электродов в электролите. Аналогичные процессы протекают в аккумуляторах и батарейках. В электромагнитном генераторе энергия накапливается за счет механической работы, которая расходуется на вращение ротора генератора в магнитном поле.

Характеристикой действия сторонних сил или мерой сторонних сил источника тока является электродвижущая сила источника (ЭДС). Электродвижущей силой источника тока (ЭДС) называется физическая величина, численно равная отношению работы сторонних сил по перемещению положительного заряда по замкнутой электрической цепи, к величине этого заряда:

(1)

Из формулы (1) следует, что ЭДС показывает, какая работа совершается сторонними силами по перемещению единичного положительного заряда по замкнутой цепи. ЭДС так же, как и напряжение, измеряется в вольтах (В).

Для сторонних сил, так же как и для электростатических сил, можно ввести понятие напряженности. Тогда ЭДС источника можно связать с напряженностью поля сторонних сил, аналогично тому, как определяется связь между напряженностью и потенциалом электростатического поля.

Работа по перемещению заряда на участке цепи определяется по формуле определения работы силы:

(2)

Здесь - сила, действующая на свободный электрический заряд; - перемещение заряда; - угол между силой и перемещением заряда.

Сила, действующая на свободный заряд в любой произвольной точке замкнутой электрической цепи, является результирующей сил кулоновского поля и поля сторонних сил :

(3)

По определению, напряженность равна силе, действующей на единичный положительный заряд, тогда:

(4)

или (5)

Здесь напряженность результирующего поля; - напряженность электростатического поля, поля кулоновских сил; - напряженность поля сторонних сил.

Тогда работа по перемещению заряда на участке будет определяться по формуле:

(6)

Теперь легко определить работу по перемещению единичного заряда на участке :

(7)

Здесь проекция напряженности электрического поля на направление перемещения, - проекция напряженности поля сторонних сил на направление перемещения.

Работа по перемещению единичного положительного заряда по замкнутой цепи получается интегрированием формулы (7):

(8)

Так как электростатическое поле является потенциальным полем, то циркуляция вектора напряженности по любому замкнутому контуру равна нулю, то есть:

(9)

Поэтому работа по перемещению единичного положительного заряда по замкнутому контуру электрической цепи, то есть электродвижущая сила источника или ЭДС будет определяться формулой:

(10)

Так как поле сторонних сил распространено только в источнике тока, то интеграл (10) определяется интегрированием только по внутреннему участку цепи, то есть по пространству источнику тока. Для всех других участков выражение под знаком интеграла в формуле (10) равно нулю.

Следует отметить, что источник тока имеет сопротивление , которое называется внутренним сопротивлением цепи.

 

⇐ Предыдущая9101112131415161718Следующая ⇒

Поделиться: