Лабораторная работа 3. Определение

ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ ИСТОЧНИКА ТОКА
МЕТОДОМ КОМПЕНСАЦИИ

Цель работы: ознакомиться с компенсационным методом измерения электродвижущей силы (напряжения) и определить ЭДС источников тока.

Приборы и принадлежности: аккумулятор или источник питания ИЭПП-1, нормальный элемент Вестона, исследуемые источники с неизвестной ЭДС, реохорд, гальванометр, двухполюсный перекидной ключ, двойной ключ.

Изучите теоретический материал по одному из учебных пособий: [1, § 33–35; 2, гл. VIII § 8.1–8.2, гл. IХ § 9.1–9.2; 3, гл.IV § 14–16; 4; гл. II  § 11, 12, 14].

Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц. Из данного определения вытекают условия существования тока в цепи:

1) наличие свободных электрических зарядов в веществе;

2) наличие сил, приводящих в движение заряды, т.е. наличие электрического поля.

Для осуществления тока на однородном участке цепи надо поддерживать постоянную разность потенциалов на концах этого участка, сопротивление которого R.

Разность потенциалов D j = j ₁– j ₂ – это отношение работы А _эл электростатического поля по перемещению заряда q  к величине этого заряда:

.                                   (3.1)

Для поддержания постоянной разности потенциалов и тока необходимо от конца проводника с меньшим потенциалом j ₂ непрерывно отводить переносимые сюда электрическим полем заряды, а к концу с большим потенциалом j ₁ непрерывно их подводить, т.е. осуществить круговорот зарядов, при котором они двигались бы по замкнутому пути (рис. 3.1). На участках замкнутой цепи, где заряды движутся в направлении возрастания потенциала (против электрического поля), на них должны действовать силы неэлектрического происхождения, называемые сторонними. Специальное устройство, в котором действуют сторонние силы, называется источником тока.

Обратите внимание на противоположное направление внутри источника векторов силы электрического поля  и сторонней силы . Кроме того, четко уясните, что , ибо сторонние силы, производящие разделение разноименных зарядов, совершают работу против сил электрического поля внутри источника и сил сопротивления среды источника.

 

Рис. 3.1.

 

Величина, измеряемая отношением работы сторонних сил А _ст по перемещению ими положительных зарядов к величине перемещаемых зарядов, называется электродвижущей силой источника тока (ЭДС):

.                                    (3.2)

Если на участке цепи действуют и электрические, и сторонние силы, то величина, измеряемая отношением суммарной работы электрических и сторонних сил по перемещению зарядов к величине зарядов, называется напряжением U:

.                                 (3.3)

 

Учитывая определения (3.1) и (3.2),

 

U=  .                      (3.4)

 

Так как сторонние силы могут способствовать или препятствовать перемещению зарядов, то необходимо учитывать знак ЭДС.

Из данного выражения следует, что , если на участке отсутствует источник тока.

Для неоднородного участка цепи, содержащего источник тока, закон Ома имеет следующий вид:

,                                   (3.5)

где – сила тока;

– суммарное сопротивление участка цепи.

При применении формулы (3.5) во избежание ошибок следует соблюдать правило знаков. Для твердого уяснения правила знаков рассмотрите применение обобщенного закона Ома для участка цепи, изображенного на рис. 3.2.

 

а)                                                                       б)

Рис. 3.2.

 

Сопротивление этого участка R ₁₂= R + r, где r – внутреннее сопротивление источника тока. Если произвольно выбрать направление обхода по участку цепи, например от точки 1 к точке 2, то ток I надо считать положительным, так как он течет в направлении обхода. Поскольку направлением действия ЭДС считается переход с «–» на «+» источника, то ЭДС на рис. 3.2, а будет положительной, так как она действует в направлении обхода. Следовательно, для рис. 3.2, б ЭДС отрицательна.

Тогда в первом случае закон Ома имеет следующий вид:

 ,                          (3.6)

а во втором –

 .                          (3.7)

Если на этом участке отсутствует источник тока, то получаем закон Ома для однородного участка цепи:

.                              (3.8)

Если цепь замкнута, то . Тогда из формулы (3.5) получаем закон Ома для замкнутой цепи:

I = /(R+r).                                        (3.9)

 

Уясните еще одну трактовку ЭДС источника тока. Для этого используйте выражения законов Ома для замкнутой цепи:

( /(R+r))R= /().

Для разомкнутой цепи  и , т.е. ЭДС равна разности потенциалов на полюсах разомкнутого источника.