методичка по электричеству

Основные преимущества литий - ионных батарей:

Высокая удельная энергоемкость (100-200 Вт ч/кг ).

Низкий саморазряд. Саморазряд аккумуляторов составляет 4–6% за первый месяц, затем – существенно меньше: за 12 месяцев аккумуляторы теряют 10–20% запасенной емкости. Ресурс по заряду – разряду около 1000 циклов.

Высокое напряжение элемента (3.6 В против 1.2 В у Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов).

Отсутствие эффекта памяти.

Недостатки литий - ионных батарей:

Для аккумулятора требуется встроенная схема защиты (что ведет к дополнительному повышению его стоимости), которая ограничивает максимальное напряжение на каждом элементе аккумулятора во время заряда и предохраняет напряжение элемента от слишком низкого понижения при разряде. Кроме того, она ограничивает максимальные токи заряда, разряда и контролирует температуру элемента.

Уменьшение энергоемкости аккумулятора независимо от интенсивности его использования.

В лабораторной работе требуется:

1.определить технические характеристики химического источника тока: ЭДС и внутреннее сопротивление;

2.изучить зависимость КПД и полезной мощности от сопротивления нагрузки и силы тока;

3.определить экономически выгодный режим работы источника. Величину ЭДС по известным значениям силы тока и сопротивления

нагрузки можно найти следующим образом. Запишем закон Ома для замкнутой цепи для двух значений сопротивления Rk и Rm :

Ik (Rk r)

Im (Rm r)

Решая систему уравнений относительно , находим

Порядоквыполненияработы:

Упражнение1.ОпределениеЭДСивнутреннегосопротивленияисточникатока.

1.Соберитеэлектрическуюцепьсогласнорис.2.

2.Послепроверкицепиустановитенамагазинесопротивленийзначениесопротивления

R 500 Ом.

3.Замкните ключ и снимите показания с миллиамперметра при заданном значенииR. Данные измерений занесите в таблицу 1.

30

Внимание!Замыкатьключ нужнолишьна время, необходимое для снятия показания с миллиамперметра.

4.Повторите предыдущий пункт для 20 различных значений сопротивления (от R 500 Омдо R 0 Ом).

5.Для различных 10 пар значений I и R вычислите ЭДС по формуле (6), найдите среднее значение . Вычислите абсолютную погрешность каждого измерения и среднее значение абсолютной погрешности . Данные занесите в таблицу 2.

6.Используя закон Ома (1) и значение , для 10 различных значений R вычислите сопротивление источника r, найдите его среднее значение и погрешность измерения. Для уменьшения погрешности расчета r следует выбирать значения R 100 Ом. Данные занесите в таблицу 2.

7.Результаты представьтев виде:

, % r r r , = %.

Таблица 1

№ R , Ом I , мА Pa , Вт , %

1

20

Таблица 2

Упражнение 2. Зависимость полезной мощности и КПД источника от силы тока в цепи и от внешнего сопротивления.

1. Для каждого значения сопротивления вычислите полезную мощность по

31

формуле (3) и КПД источника по формуле (5), данные запишите в таблицу 1.

2.Постройте графики зависимости Pa (I ), ( I ), Pa (R ) и ( R ). По графикам определите область экономически выгодной работы источника тока.

Контрольные вопросы:

1.Сформулируйте условия существования электрического тока.

2.Объясните принцип действия источника постоянного тока.

3.Дайте определение ЭДС.

4.Сформулируйте законы Ома для участка цепи и цепи, содержащей источник тока.

5.Дайте определение полной мощности источника тока. Что называтся полезной мощностью?

6.Дайте определение КПД источника тока.

7.Объясните устройство и принцип действия литий – ионного аккумулятора.

8.Объясните графики зависимостей Pa (I ), ( I ), Pa ( R ) и ( R ).

Список рекомендуемой литературы:

1.С.Г. Калашников. Электричество. – М.: Физматлит. 2003. С. 136 – 154.

2.И.В. Савельев. Курс общей физики. М.: Наука, 1973. Т.2. С. 108 – 111.

3.Р.В. Телеснин, Р.Ф. Яковлев. Курс физики. Электричество. – М.: Просвещение. 1970. С. 130 – 134.

Работа№7

ИЗУЧЕНИЕЗАВИСИМОСТИСОПРОТИВЛЕНИЯМЕТАЛЛОВ,

ПОЛУПРОВОДНИКОВИЭЛЕКТРОЛИТОВОТТЕМПЕРАТУРЫ

Оборудование: проводники I и II рода, полупроводник, нагреватель, термометр, мультиметры,соединительныепровода.

Краткая теория. Принято делить все проводники на две группы: проводники первого рода, в которых электрический ток не вызывает химических действий (например, металлы) и проводники второго рода, в которых электрический ток сопровождается химическими явлениями. К проводникам второго рода относятся

32

электролиты.Рассмотриммеханизмыпроводимостиметалловиэлектролитов. Кристаллическая решетка металлов состоит из положительных ионов, между

которыми перемещаются электроны проводимости (электронный газ). Вследствие хаотичности теплового движения электронов при отсутствии внешнего электрического поля никакого преимущественного перемещения электронов нет, следовательно, отсутствует и электрический ток. При наличии электрического поля

напряженностью E появляется смещение движущихся электронов в направлении, противоположном направлению поля. На хаотическое тепловое движение электронов накладывается смещение, так называемый дрейф электронов, который и представляет собой электрический ток. Взаимодействие электронов с ионами кристаллической решетки является причиной возникновения электрического сопротивления металлов. При взаимодействии электрон передает решетке избыточную кинетическую энергию, полученную за время свободного пробега в электрическом поле. Представленные идеи составляют основу электронной теории Лоренца–Друде.

Принагреванииметаллаамплитудаколебанийионовв кристаллическойрешетке увеличивается и, как следствие, возрастает число столкновений электронов проводимости с ионами, что приводит к увеличению сопротивления металлов. Следует различать направленное движение электронов, обусловленное действием внешнего электрического поля и не зависящее от температуры металла, и хаотическое тепловое движение электронов, кинетическая энергия которого пропорциональна температуре. Ионная решетка металла оказывает сопротивление направленному движению электронов, так что увеличение интенсивности хаотического движения электронов не влияет на функциональную зависимость сопротивленияоттемпературы:

где R0 и R –сопротивления металла при температурах t0 и t соответственно, – температурный коэффициент сопротивления. Коэффициент незначительно зависит от температуры проводника, для всех чистых металлов температурный

1

коэффициентблизокк 273 К-1.

Основными представителями электролитов являются водные растворы неорганических кислот, солей и оснований. Тем не менее, не все водные растворы– электролиты, например, раствор сахара в воде не проводит электрический ток, то есть не является электролитом. Что является носителем тока в электролите? Как эти носители образуются? Клаузиус в 1857г. предположил следующее. Атомы внутри молекулы совершают беспорядочное тепловое движение. Обычно энергии этого движения недостаточно, чтобы преодолеть химические силы притяжения, действующие между атомами. В растворах, однако, под действием растворителя силыхимического сродства ослабляются, имолекуламожет диссоциировать, тоесть разделиться на ионы. Процесс распада молекулы на отдельные ионы может быть

33

представленследующим образом.К положительномуионумолекулы растворенного веществапритягиваются отрицательныеполюсымолекулрастворителя,которыепри этом отталкивают другой ион молекулы (рис.1). Процесс окружения иона молекулами растворителя называется сольватацией. После распада молекулы ее ионы остаются в сольватных оболочках, вследствие чего их движение будет замедленно так, как если бы их масса и объем возросли. Возникающие положительныеиотрицательныеионымогутрекомбинировать.

поля “+” и “–” ионы начинают двигаться в противоположные стороны, то есть возникает электрический ток. Из сказанного ясно, что электрическое поле не имеет отношения к химическому разложению молекул и созданию носителей тока. Роль электрическогополя сводится толькок тому,чтобыразделить ужеимеющиеся “+”и “–” ионы. Электролиты представляют собой сплошную среду с плотной упаковкой атомов, так что ионы в сольватных оболочках в электролите испытывают сопротивление,аналогичноетрению,котороевозникает придвижениитвердоготела в жидкости. Электрическое сопротивление электролита легко понизить, увеличив концентрацию носителей тока, которая пропорциональна температуре. Следовательно, при повышении температуры сопротивление электролитов уменьшается.

указана при комнатной температуре). Полупроводниковыми свойствами обладаетрядэлементов,находящихсявIV,VиVIгруппахтаблицыМенделеева;это

Si,Ge,As,Seидр.

В качестве примера рассмотрим Si (кремний), который находится в IV группе периодической таблицы элементов. Кристалл при абсолютном нуле температуры и отсутствииосвещенностипредставляетсобойдиэлектрик,таккакникакихносителей тока нет. Носители тока могут появиться при нагревании или освещении диэлектрика. Схема проводимости полупроводников следующая. Световой квант, обладающий энергией , превышающей энергию связи электрона с атомами кристаллической решетки, вырывает один из валентных электронов атома кремния, разрывая тем самым одну из четырех связей с соседними атомами (рис.2). Освободившийся электрон становится электроном проводимости и под действием внешнегоэлектрическогополяначинаетдрейфоватьврешетке.Наместевырванного

34

Таблица1

t,0С R1 ,Ом R2 ,Ом R3 ,Ом

Контрольныевопросы:

1.В чем суть опытов Мандельштама и Папалекси, Толмена и Стюарта по определениюносителейтокавметаллах?

2.Сформулируйте основные положения классической теории проводимости металлов(теорииЛоренца-Друде).

3.Объяснитезависимостьсопротивленияметалловоттемпературы?

4.Каковмеханизмпроводимостиэлектролитов?ГипотезаКлаузиуса.

5.ВыполняетсялизаконОмавэлектролитах?Ответобоснуйте.

6.Сформулируйтезаконыэлектролиза.

7.Объяснитезависимостьсопротивленияполупроводниковоттемпературы.

8.Чтотакоеэнергияактивациипроводимости?

9.Вчемсутьявлениясверхпроводимости.

Списоклитературы:

1.С.Г. Калашников. Электричество. – М.: Физматлит. 2003. С. 332 – 359.

2.Д.В. Сивухин. Общий курс физики. Т. 3. Электричество. – М.: МФТИ: 2002. С. 413 – 417.

3. Р.В. Телеснин, Р.Ф. Яковлев. Курс физики. Электричество. – М.: Просвещение. 1970. С. 385 – 387.

Работа№8

ОПРЕДЕЛЕНИЕГОРИЗОНТАЛЬНОЙСОСТАВЛЯЮЩЕЙ

НАПРЯЖЕННОСТИМАГНИТНОГОПОЛЯЗЕМЛИ

Оборудование: тангенс-гальванометр, источник постоянного тока, миллиамперметр,реостат,переключатель,соединительные провода.

Краткая теория. Опыты Ампера иЭрстеда показали, чтовблизипроводника с током существует поле. Ориентирующеедействиепроводника стоком на магнитную стрелку(магнитная стрелка изменяет свое положение вблизи расположенногорядом

36

проводника,еслипонемутечетэлектрическийток) определилоназваниеполя–поле назвалимагнитным.

Земля представляет собой огромный шаровой магнит, создающий в окружающем пространстве магнитное поле. Магнитное поле Земли на экваторе направлено горизонтально (рис. 1, точка а), у магнитных полюсов – вертикально (точка b), в остальных точках – под некоторым углом к земной поверхности (точка с). Магнитные полюса Земли расположены вблизи географических полюсов – северный магнитный полюс N расположен недалеко южного географического полюса, а южный магнитный полюс S – вблизи северного географического.

Существующие в настоящее время теории земного магнетизма можно разбить на две группы:

1.теории, объясняющие наличие магнитного поля электрическими токами, циркулирующими в жидком ядре Земли.

2.теории, основанные на предположении, что земная кора содержит в разных участках различное количество магнитных пород.

Существование магнитного поля в любой точке Земли можно установить

спомощью магнитной стрелки. Если подвесить магнитную стрелку на нити, совместив точку подвеса с центром тяжести, стрелка установится по касательной к направлению силовой линии магнитного поля Земли. В северном полушарии южный конец стрелки будет наклонен к Земле под

углом (рис. 2), на магнитном экваторе стрелка установится горизонтально, т.е. 0. Вертикальная плоскость, в которой располагается стрелка, называется плоскостью магнитного меридиана. Так как магнитные и географические полюса не совпадают, то стрелка отклоняется от географического меридиана. Угол между магнитным и географическим меридианами называется магнитным склонением.

горизонтальную H0 и вертикальную HB составляющие. Значения углов

склонения и наклонения, а также горизонтальной составляющей H0 дают возможность определить величину и направление напряженности магнитного

поля Земли H в данной точке. Положение магнитных полюсов незначительно изменяется с течением времени, что приводит к изменению

величин элементов земного магнетизма H0 , и .

Рассмотрим принцип действия тангенс-гальванометра. Имеется круговой проводник из п витков, плотно прилегающих друг к другу, и расположенный вертикально в плоскости магнитного меридиана. В центре катушки помещена магнитная стрелка, которая вращается вокруг вертикальной оси и поэтому устанавливается в направлении горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. Если по проводнику пропустить ток, то возникнет магнитное поле катушки, направленное перпендикулярно к ее плоскости. При этом положение магнитной стрелки определяется действием двух магнитных

полей: поля Земли H0 и поля катушки с током HI . Магнитная стрелка установится по направлению равнодействующей H H0 HI , то есть по

диагонали параллелограмма со сторонами H0 и HI . Из построения на рис. 3 видно, что

где - угол отклонения стрелки от плоскости магнитного меридиана.

Величину напряженности HI в центре витка с током можно определить с

интегрирования по длине витка получим величину напряженности

После подстановки (2) в (1) получаем выражение для горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли

Выражение (3) можно использовать только в приближении малой длины магнитной стрелки по сравнению с радиусом тангенс-гальванометра, так как формула (2) справедлива только для точки, находящейся в центре окружности.

Расчет погрешности измерения H0 следует проводить по правилам нахождения погрешности косвенных измерений. Для этого необходимо

Порядоквыполненияработы:

1.Соберитеэлектрическуюцепь,состоящуюизтангенс-гальванометра,амперметра А,реостатаR,переключателяПиисточникапостоянноготока E (рис.4).

2.Поворачивая тангенс-гальванометр, совместите плоскость его катушки с плоскостьюмагнитногомеридианаЗемли.Корпускомпасаследуетповернутьтак, чтобы один конец стрелки совпал с нулем.

3.После проверки схемы включите источник тока. Передвигая ползунок реостата, добейтесь поворота стрелки компаса последовательно на угол 25,35,45,55

и65 0.

4.Для каждогозначения попоказаниюмиллиамперметраизмерьте силу тока I1 и запишитерезультатв таблицу1.

5.Припомощипереключателяизменитенаправлениетокавцепинапротивоположное

изапишите величину силы тока I2 , при которой стрелка отклонится на то же

39