Лабораторная работа «Определение электродвижущей силы и внутреннего сопротивления источника тока»

Лабораторная работа № 7

 

Тема: «Определение электродвижущей силы и внутреннего сопротивления источника тока»

Цель работы: определить внутреннее сопротивление источника тока и его ЭДС

Оборудование: персональный компьютер, методические указания, рабочая тетрадь, электронное пособие «Electron» - https://cloud.mail.ru/public/KsSt/3rPNmQ3Zh.

 

 Ход работы:

Методические указания:

 

1. Краткое теоретическое описание

         Электрический ток в проводниках вызывают так называемые источники постоянного тока. Силы, вызывающие перемещение электрических зарядов внутри источника постоянного тока против направления действия сил электростатического поля, называются сторонними силами. Отношение работы А_стор., совершаемой сторонними силами по перемещению заряда D q вдоль цепи, к значению этого заряда называется электродвижущей силой e источника (ЭДС):

 

                                                           (1)

 

Электродвижущая сила выражается в тех же единицах, что и напряжение или разность потенциалов, т.е. в Вольтах.

Работа – эта мера превращения энергии из одного вида в другой. Следовательно, в источнике сторонняя энергия преобразуется в энергию электрического поля:

 

W = e×q                                                             (2)

 

При движении заряда q на внешнем участке цепи преобразуется энергия стационарного поля, созданного и поддерживаемого источником:

 

W₁ = U×q                                                            (3)

 

а на внутреннем участке:

 

W₂ = U_вн.×q                                                        (4)

 

По закону сохранения энергии W = W₁ + W_{2 или}:

 

e×q = U×q + Uвн.×q                                                    (5)

 

Сократив на q, получим:

 

e = Uвн. + U                                                     (6)

т.е. электродвижущая сила источника равна сумме напряжений на внешнем и внутреннем участке цепи.

При разомкнутой цепи на внешнем участке U_вн. = 0, то:

 

e = U                                                                  (7)

 

Подставив в равенство (6) выражения для U и U_вн. по закону Ома для участка цепи:

 

U = I×R; U_вн. = I×r

 

получим:

 

e = I×R + I×r = I×(R + r)                                            (8)

 

Отсюда:

 

                                                             (9)

 

Таким образом, сила тока в цепи равна отношению электродвижущей силы источника к сумме сопротивлений внешнего и внутреннего участков цепи. Это закон Ома для полной цепи. В формулу (9) входит внутреннее сопротивление r.

 

Рисунок 1 – Схема для измерений в лабораторной работе

 

Пусть известны значения сил токов I₁ и I₂ и падения напряжений на реостате U₁ и U₂ (Рисунок 1). Для ЭДС можно записать:

 

e = I₁×(R₁ + r) и e = I₂×(R₂ + r)                                          (10)

 

Приравнивая правые части этих двух равенств, получим:

 

I₁×(R₁ + r) = I₂×(R₂ + r)

 

Или:

I₁×R₁ + I₁×r = I₂ ×R₂ + I₂×r

I₁× r – I₂×r = I₂ ×R₂ - I₁×R₁

 

Т.к. I₁ R₁ = U₁ и I₂ R₂ = U₂, то можно последнее равенство записать так:

 

r×(I₁ – I₂) = U₂ – U₁

 

откуда: 

 

                                                      (11)

 

2. Порядок выполнения работы

2.1. Собрать цепь по схеме, изображенной на Рисунке 1. Установить сопротивление реостата 7 Ом, ЭДС батарейки 1,5 В, внутреннее сопротивление батарейки 3 Ом.

2.2. При помощи мультиметра определить напряжение на батарейке при разомкнутом ключе. Это и будет ЭДС батарейки в соответствии с формулой (7), в таблицу.

 

№ опыта	I1, А	I2, А	U1, B	U2, B	r, Ом	ε, B
1

 

2.3. Замкнуть ключ и измерить силу тока и напряжение на реостате. Записать показания приборов в таблицу.

2.4. Изменить сопротивление реостата и записать другие значения силы тока и напряжения в таблицу.

2.5. Рассчитать внутреннее сопротивление по формуле (11), результат расчетов записать в таблицу.

2.6 Построить график зависимости напряжения от силы тока в цепи (ВАХ – вольтамперная характеристика), схема которой показана на Рисунке 1. Для построения такого графика необходимо использовать данные из таблицы, числовые значения которых обязательно отметить на графике, для удобства единичный отрезок принять равным 0,10. Пример построения графика показан на Рисунке 2.

 

Рисунок 2 – Пример построения ВАХ

2.6.1 График является отрезком прямой, что вытекает и из закона Ома для однородного участка цепи. Если график продлить до оси напряжений, то на пересечении с ней получите максимальное значение напряжения на полюсах, когда электрическая цепь разомкнута (ток в цепи отсутствует). Это максимальное значение сопротивления равно значению электродвижущей силы источника тока, проверить так ли это. Записать в следующем виде:

ε_{табличное}=….., U_max. =…,- объяснить разницу.

2.6.2 График продлить до оси токов, то в точке пересечения найти максимальное значение силы тока в цепи I_max = Ɛ/r - ток короткого замыкания (внешнее со­противление цепи стремится к нулю). Если электродвижущую силу источника Ɛ поделить на ток короткого замыкания I_max, то получится значение внутреннего сопротивления источника: r = Ɛ / I_max, если R → 0. проверьте так ли это. Записать в следующем виде:

r_{табличное}=….., r_{расчетное}. =…, - объяснить разницу.

 

3. Вывод...

 

Прикрепить выполненную работу к порталу

 

Скачано с www.znanio.ru