Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника

Работа 8. Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника (11 класс)
ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника постоянного тока.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ
Для получения длительного тока в замкнутой цепи в проводниках нужно поддерживать
электрическое поле. Для этого необходим источник тока, в котором действуют силы
неэлектростатической природы. Силы, возникающие внутри источника тока и
перемещающие заряды против направления электростатического поля, называются
сторонними силами. Физическая величина, характеризующая работу сторонних сил в
источнике тока, называется электродвижущей силой (ЭДС).
ЭДС равна отношению работы сторонних сил по перемещению заряда на участке цепи,
где они действуют, к величине этого заряда:
  Añò
(1)
q
В данном случае сторонние силы действуют только внутри источника тока. Этот участок
цепи называют внутренним. Участок цепи, в котором заряды движутся под действием
электростатических сил, возникших за счет концентрирования зарядов разного знака на
участках цепи, примыкающих к положительному и отрицательному полюсам источника
тока называют внешним.
По закону Ома для замкнутой цепи сила тока в цепи, содержащей источник, определяется
ЭДС источника тока и суммой сопротивлений внутреннего (r) и внешнего (R) участков
цепи
I

rR
Откуда с учетом закона Ома для внешнего участка цепи U=IR:
  I  R  I  r  U  Ir (2)
Идеальный вольтметр, подключенный к клеммам источника, покажет разность
потенциалов
U  I  R   I r
(3),
а при разомкнутой цепи
U  .
В данной работе помимо во внешнем участке цепи присутствует переменное
сопротивление (при повороте ручки меняется R(t) в пределах 0  Rмакс ). При изменении
сопротивления переменного резистора ток в цепи меняется, но соотношение (3)
сохраняется для разных значений R(t), что дает возможность определить значения  и r
по графику зависимости U ( I )
ОБОРУДОВАНИЕ:








источник постоянного тока,
резистор с переменным сопротивлением,
ключ
соединительные провода,
Карманный Компьютер (КПК) и/или ПК,
Регистратор данных,
датчик напряжения 25 В,
датчик тока ±2,5А.
МОНТАЖ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
1. Соберите цепь по схеме, изображенной, используя датчики тока и напряжения.
Покажите ее руководителю. На рисунке для регистрации данных используется
карманный персональный компьютер (КПК), данные на который с регистратора
данных можно передавать дистанционно.
2. Начертите электрическую схему установки
УСТАНОВКА ПАРАМЕТРОВ ИЗМЕРЕНИЙ
 частота – 10 раз в секунду
 длительность – 100 замеров
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Настройте КПК (или ПК) для проведения опыта.
2. При разомкнутой цепи проведите пробную регистрацию данных, убедитесь в
стабильности показаний датчика напряжения. Поворачивая ручку резистора с
переменным сопротивлением и наблюдая за величиной силы тока переведите ручку
в положение с максимальным сопротивлением.
3. Начните регистрацию данных. Показания датчиков будут отображаться на экране в
виде графиков зависимости силы тока и напряжения от времени. Медленно и
равномерно поверните ручку переменного сопротивления из одного крайнего
положения в другое.
4. Остановите регистрацию данных. Разомкните цепь.
5. Сохраните результаты опыта.
6. Замерьте напряжение на источнике тока при разомкнутой цепи
ОБРАБОТКА И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ
1. Откройте файл эксперимента на КПК или ПК.
2. Используя вкладку редактирование графика постройте по полученным данным
зависимость U (I) и анализируя график в соответствии с соотношением (3)
рассчитайте значения ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока. Если
график является прямой, то для обработки удобно использовать возможности
программы MultiLab по автоматической подборки линейной функции,
аппроксимирующей экспериментальную зависимость (кнопка
на верхней
панели интерфейса программы, см. §6.2)
3. Сравните полученное значение ЭДС с напряжением на источнике при разомкнутой
цепи.
4. Зная внутреннее сопротивление источника и ЭДС, рассчитайте силу тока при двух
крайних положениях ручки переменного сопротивления, принимая во внимание
значения сопротивлений, указанных на корпусах постоянного резистора и
резистора с переменным сопротивлением. Сравните с данными, полученными в
эксперименте.
5. Сделайте выводы. Если измеренные разными способами величины не совпадают,
то выскажите возможные источники ошибок измерения.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие силы называются сторонними?
2. Дайте определение ЭДС. Сформулируйте закон Ома для замкнутой цепи и для
участка цепи.
3. Старые химические источники тока часто имеют значение ЭДС близкое к
номинальному, но большое внутреннее сопротивление. Выскажите предположение с
чем это может быть связано и предложите способ «восстановления» старого
источника тока.
ОТЧЕТ ПО РАБОТЕ
Отчет выполните в виде электронного документа в текстовом редакторе. Он должен
содержать:
 формулировку цели,
 основные формульные формулировки физических законов , описывающих
изучаемое явление,
 фотографию схему установки для проведения опыта,
 значения измеряемых величин в виде таблицы,
 графики зависимости измеряемых величин от времени,
 примеры результатов расчетов
 выводы.