Определение электродвижущей силы и внутреннего сопротивления источника тока (лабораторная работа)
Цель: Ознакомиться с методами исследования источников тока, определения главных их характеристик.
Оборудование: Источники питания (гальванические элементы и аккумуляторы, лабораторные источники тока и др.); реостат лабораторный; набор проволочных резисторов с известными сопротивлениями (1, 2 и 4 Ома); магазин резисторов; амперметр лабораторный на 2 А; вольтметр лабораторный на 6 В; выключатель; соединительные проводники.
Выполнение работы:
Рассмотрим несколько примеров решения поставленных в работе заданий.
1. Сначала необходимо выбрать метод решения задачи. Для этого ищут уравнения, в которые входят искомые величины. Очевидно, что после поисков вы остановитесь на законе Ома для полной цепи: I = ? / (R + r).
Отсюда легко найти электродвижущую силу ? = IR+ Ir.
Однако имеется одно уравнение, а неизвестных величин — две: ? и r. Можете сделать вывод о необходимости иметь, по крайней мере, два уравнения:
Из системы уравнений легко можно найти сопротивление источника тока
r = (I1R1 — I2R2) / (I2 — I1),
а потом уже и ?.
Имея рабочую формулу для определения внутреннего сопротивления, можете спланировать опыт. Необходимо составить электрическую цепь, схема которой показана на рис. 5.24.
В этом случае в цепи может и не быть вольтметра, а нужен лишь амперметр для измерения сил тока при присоединении к цепи двух резисторов с известными сопротивлениями R1 а затем R2.
Измерения сводятся к двум операциям: при R1 = , I1 = , а при R2 = , I2 = .
Далее осуществляете вычисления r и ?. Задача решена.
2. Если отсутствуют резисторы с известными сопротивлениями, то можно составить цепь с реостатом, амперметром и вольтметром. Имея в виду, что IR = U — напряжение на внешней части цепи, которую показывает вольтметр, получаете уравнения
из которых и определяете r = (U1 — U2) / (I2 — I1) и ?.
Измеряете U1 = и I1 = , а также U2 = и I2 = при двух положениях ползунка реостата и производите вычисления.
3. Этот метод выполнения позволяет полнее исследовать источник тока. Назовем данный вариант работы «Исследование зависимости напряжения на внешней части цепи от силы тока в ней».
Эффективным и наглядным способом отображения закономерностей в физике является построение графиков. В данном случае вам предлагается построить график зависимости напряжения от силы тока в цепи, схема которой показана на рис. 5.24.
Для построения такого графика необходимо измерить 5—7 значений напряжений при соответствующих значениях сил тока. Данные вносятся в таблицу. Строите график (рис.
5.25).
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.
Если график продлить до оси токов, то в точке пересечения найдете максимальное значение силы тока в цепи Imax = ? / r — ток короткого замыкания (внешнее сопротивление цепи стремится к нулю). Если электродвижущую силу источника ? поделить на ток короткого замыкания Imax, то получите значение внутреннего со противления источника: r = ? / Imax, если R 0.
Таким образом, вы нашли электродвижущую силу источника, его внутреннее сопротивление и ток короткого замыкания.
Дополнительные задания:
1. Постройте график зависимости мощности тока во внешней части цепи (полезной мощности) от сопротивления внешней части цепи (P, Вт от R, Ом). При каком значении сопротивления нагрузки мощность максимальна?
Сравните это сопротивление нагрузки с внутренним сопротивлением источника.
2. Постройте график зависимости коэффициента полезного действия данной электрической цепи от сопротивления нагрузки (внешней части цепи), имея в виду, что
КПД = U / ?.
Выполнив задания (с дополнительными), вы практически осуществите комплексное исследование источника тока, что является обязательным в технике.
