Главная Обратная связь

Дисциплины:

Архитектура (936)
Биология (6393)
География (744)
История (25)
Компьютеры (1497)
Кулинария (2184)
Культура (3938)
Литература (5778)
Математика (5918)
Медицина (9278)
Механика (2776)
Образование (13883)
Политика (26404)
Правоведение (321)
Психология (56518)
Религия (1833)
Социология (23400)
Спорт (2350)
Строительство (17942)
Технология (5741)
Транспорт (14634)
Физика (1043)
Философия (440)
Финансы (17336)
Химия (4931)
Экология (6055)
Экономика (9200)
Электроника (7621)






Метод измерения и описание аппаратуры. Мостиковая схема постоянного тока, часто называемая мо­стом Уитстона (рис



 

 

Мостиковая схема постоянного тока, часто называемая мо­стом Уитстона (рис. 1), составлена из сопротивлений R, Rx, r1, r2 источника электродвижущей силы и чувствительного гальванометра.

Рис.1.

При произвольном соотношении сопротивлении, составля­ющих всю мостовую систему, через гальванометр при замы­кании ключа K должен идти ток.

Однако существует одно определенное соотношение меж­ду сопротивлениями, составляющими схему, при котором ток, идущий через гальванометр, обращается в нуль хотя при этом во всех других звеньях схемы ток не равен нулю.

Для того, чтобы в гальванометре отсутствовал ток, потен­циалы в точках С и Д должны быть одинаковы:

jC = jД .

Но это, как видно из схемы, будет иметь место лишь в том случае, если равны друг другу разности потенциалов между точками А и С и точками А и Д:

jА - jС = jА - jВ , (1)

а также разности потенциалов между точками С и В и точ­ками Д и В:

jС - jВ = jД - jВ . (2)


Ток I, текущий от батареи, разветвляется в точке А на ток I1, текущий от точки A к точке С, и ток I2, текущий от А к Д. Если в диагонали СД ток отсутствует, то по закону сохране­ния заряда ток в проводнике АС равен току в проводнике СВ, а ток в проводнике АД равен току в проводнике ДВ. Тогда по закону Ома для АС, АД, СВ и ДВ можно записать соот­ветственно

I1Rx= jА - jС ; I1R = jC - jB ;
I2r1= jА - jД ; I2r2= jД - jВ .

Подстановка полученных величин соответственно в соотноше­ния (1) и (2) дает:

I1Rx= I2r1 ; (3)
I1R= I2r2 . (4)

Деля уравнение (3) почленно на (4), можно получить соотношение:

Rx= R(r1/r2) , (5)

Это соотношение может быть получено также с помощью уравнений Кирхгофа. Равенство (5) может служить для отыскания любого из четырех сопротивлений, включенных в плечи моста, если известны три другие

сопротивления. По­этому сущность процесса измерения неизвестного сопротивле­ния на мостовой схеме заключается в экспериментальном подборе величин R, r1, r2, при которых ток, текущий через гальванометр, обращается в нуль. Это является необходимым и достаточным для расчета неизвестного сопротивления по соотношению (5).

Необходимо помнить, что эта схема применима лишь для сопротивлений, значительных по сравнению с сопротивлением подводящих проводов, ибо только в этом случае можно пре­небречь сопротивлением последних.

Мостовая схема реализуется следующим образом. В од­но из плеч моста включается известное сопротивление R, на­пример магазин сопротивлений, в другое плечо—неизвестное сопротивление Rх. Наконец, третье и четвертое плечи мостовой схемы составляют сопротивления r1и r2. Они реализу­ются в виде металлического проводника (реохорда), од­нородного по химическому составу, с постоянным поперечным сечением. Соединение гальванометра с реохордом осуществ­ляется с помощью контактного движка Д, скользящего по реохорду. Таким образом, сопротивлениями r1 и r2 служат отрезки проводника, расположенные по разные стороны от движка Д. Такая система скользящего контакта мостика по­зволяет легко изменять величины сопротивлений r1 и r2. Вви­ду однородности реохорда отношение сопротивлений r1 и r2 можно заменить отношением длин соответствующих отрезков реохорда l1 и l2, Тогда соотношение (5) будет иметь вид



(6)

Соотношение (6) дает возможность оценить наивыгоднейшие условия эксперимента, при которых ошибка в оценке измеря­емых величин будет минимальной.

Расчеты показывают, что минимальная ошибка будет при измерениях вблизи середины реохорда. Это обстоятельство необходимо учитывать при про­ведении работы. В данной работе металлический проводник (реохорд) заменен на потенциометр, который представляет собой также металлический проводник однородный по хими­ческому составу с постоянным поперечным сечением, но сви­тый спиралью с двумя выводами на концах в точках А и В и металлическим движком Д, скользящим вдоль спирали. Все

выведенные соотношения справедливы и для потенциометра.

Приборы и принадлежности: потенциометр (или реохорд), магазин сопротивлений, гальванометр, источник ЭДС, неизвестные сопротивления, ключи, провода.

Порядок выполнения работы

1. Соединить приборы, пользуясь монтажной схемой (рис. 2), где МС - магазин сопротивлений. Прежде всего сле­дует проверить, правильно ли работает схема. Для этого, по­ставив указатель потенциометра посередине шкалы, берут наименьшее сопротивление магазина R (в нашем случае можно взять сопротивление порядка 1 Ом). Замкнув на мгно­вение ключ, смотрят, в какую сторону отклонилась стрелка гальванометра. Если затем взять наибольшее сопротивление магазина R (порядка 1000 Ом), то стрелка должна откло­ниться в другую сторону. Если оба раза стрелка отклонилась в одну сторону, значит где-то в цепи имеется разрыв или пло­хой контакт. Следует проверить все контакты и провода.



2. Проверив схему, приступают к определению неизвестно­го сопротивления. Поставив указатель потенциометра посре­дине шкалы и включив ключами K1, K2, K3, K4, К^ только сопротивление Rx1, постепенно подбирают такое сопротивление ма­газина R, для которого при мгновенном замыкании ключа отклонение стрелки гальванометра будет минимальным.

Рис. 2
Пос­ле этого плавным вращением ручки потенциометра добивают­ся того, чтобы стрелка гальванометра не отклонялась. Мос-тик в этом случае становится уравновешенным. Отсчитывая по шкале относительных единиц потенциометра значения l1 и l2, записывают их в табл. 1, и, зная R1, вычисляют Rx по формуле (6). Следует особо подчеркнуть, что держать под током длительное время даже уравновешенную схему нельзя, так как нагревание всех частей схемы током вызывает изме­нение их сопротивлений, и мостик перестает быть уравнове­шенным.

 

 
 

 

 


Рис.2.

Указанные выше измерения проводят не меньше трех раз, и вычисляют значение Rx1 при различных сопротивлени­ях R.

Во всех случаях результат должен получиться приблизи­тельно одинаковым. Из трех измерений находят среднее зна­чение .

3. Таким же образом поочередно включают все предло­женные для определения неизвестные сопротивления Rx1, Rx2. Данные измерений вносят в табл. 1. Затем находят сред­ние значения всех неизвестных сопротивлений.

4. Измеряются сопротивления параллельно включенных нсизестных сопротивлений (Rx пр). Данные измерений зано­сят в табл. 2; вычисляют для трех измерений Rx пр; находят среднее значение .

5. Измеряют сопротивления последовательно включенных неизвестных сопротивлений (Rx пс). Данные измерений зано­сят в табл. 3; вычисляют для трех измерений Rx пс; находят среднее значение .

6. Полученные значения и сравнивают с вы­численными по теоретическим формулам:

Rx пс = Rx1 + Rx2 + Rx3.

7. Считая, что в работе преобладают приборные погреш­ности, найти предельную относительную погрешность косвен­ного измерения по формуле

где DR, Dl1, Dl2 —погрешности измерений величин R, l1, и l2.

Таблица 1

№ п.п. R, Ом l1, дел. шк. l2, дел. шк. Rx1, Ом R, Ом l1, дел. шк. l2, дел. шк. Rx1, Ом R, Ом l1, дел. шк. l2, дел. шк. Rx1, Ом
                       
Сред- нее значе- ние. - - -   - - -   - - -  

Таблица 2

№ п.п. R, Ом l1, дел. шк. l2, дел. шк. Rx пр,Ом
из опыта из теории
         
Среднее значение. - - -    

Таблица 3

№ п.п. R, Ом l1, дел. шк. l2, дел. шк. Rx пс,Ом
из опыта из теории
         
Среднее значение.          

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как делятся вещества по их электрическим свойствам?

2. Что такое электрический ток?

3. Что такое электропроводность?

4. Какова физическая сущность электросопротивления?

5. Объясните принципиальные особенности мостиковой схемы. Почему она применима лишь для измерения сопротивлений, значительных по сопротивлению с сопротивлениями подводящих проводов?

6. Дайте вывод соотношения (5) с помощью закона Ома.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Савельев И. В. Курс общей физики—М,: Наука, 1989.—Т II.

2. Детлаф А. А,, Яворский Б. М. Курс физики,—М , Высш. Шк., 1992. Т II.

3. Методические указания к лабораторным работам по физике. Работы № 60-63.—M.: Изд. МИИТ. 1976.

4. Методические указания к вводным занятиям в физическом прак­тикуме Расчет погрешностей в лабораторных работах физического практи­кума. Под редакцией проф. Ф. П. Денисова.—М.,— Изд МГУ ПС. (МИИТ),— 1995.


Работа 17

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭДС НЕИЗВЕСТНОГО ИСТОЧНИКА МЕТОДОМ КОМПЕНСАЦИИ

Цель работы. Ознакомление с методом компенсации и применение его для определения электродвижущей силы неизвестного источника.

Введение

Для определения ЭДС источника методом компенсации используются следующие физические величины: разность по­тенциалов j1 - j2, ЭДС e и напряжение U. Эти величины по определению, соответственно, равны

  (1)

где Eкул - напряженность электростатического поля; Eстор - напряженность поля сторонних сил; U1-2- напря­жение на участке цепи 1-2; j1 - j2 - разность потенциа­лов на участке цени 1-2; e1-2 - ЭДС, действующая на участке цепи 1-2.

Разность потенциалов численно равна работе, совершае­мой силами электростатического поля по перемещению еди­ничного положительного заряда. Электродвижущая сила численно равна работе, совершаемой сторонними силами по перемещению единичного положительного заряда. Напряже­ние на данном участке цепи численно равно работе, совершае­мой сторонними и электростатическими силами при переме­щении единичного положительного заряда на зтом участке.

Напряжение на участке цепи равно разности потенциалов только в том случае, еслн на зтом участке нет ЭДС. Такой участок цепи называют однородным или пассивным участком. Если на участке цепи содержится ЭДС, то такой участок цепи называют неоднородным или активным участком.

Закон Ома для замкнутой цепи:

или (2)

где e - ЭДС источника тока; R - внешнее сопротивление цепи: r -внутреннее сопротивление источника тока; I - си­ла тока.

Из формулы (2) видно, что использовать вольтметр для измерения ЭДС источника, подключив его непосредственно к клеммам источника нельзя, так как сам вольтметр при этом образует внешний участок цепи с сопротивлением R, и его показания будут отличаться от ЭДС на величину Ir. Оче­видно, чем выше сопротивление вольтметра по сравнению с сопротивлением источника, тем меньше отличие между пока­занном вольтметра IR и e ЭДС источника и это различие принципиально нельзя свести к нулю.

Метод непосредственного измерения ЭДС вольтметром обладает еще одним недостатком: многие гальванические элементы из-за явления поляризации электродов при нали­чии тока в цепи изменяют величину своей ЭДС.

Метод компенсации является одним из самых точных методов определения электродвижущей силы, так как в этом случае ток, текущий через источник с неизвестной ЭДС eх компенсируется током от какого-либо внешнего источника ЭДС e и при этом разность потенциалов на зажимах не­известного источника будет равна его ЭДС.


Эта страница нарушает авторские права

allrefrs.ru - 2019 год. Все права принадлежат их авторам!