Теоретическое введение

Поле кулоновских сил не может являться причиной возникновения постоянного электрического тока, т.к. , т.е. работа перемещения заряда по замкнутому контуру под действием кулоновских сил равна нулю и, следовательно, кулоновское поле не может быть источником энергии для совершения такой работы.

Источники э.д.с. (гальванические элементы, аккумуляторы, электрические генераторы и т.д.) создают в цепи поле сторонних сил, для которых и обеспечивают энергию, необходимую для постоянного электрического тока.

Э.д.с. источника тока на участке цепи численно равна работе, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда и измеряется в вольтах.

Описание установки и метода измерений

Измерение э.д.с. источника можно произвести методом компенсации, который является одним из основных приемов точных лабораторных электрических измерений. Он основан на сравнении искомой э.д.с. с известным падением напряжения на участке цепи. Проанализируем работу схемы, изображенной на рисунке 1.

Э.д.с. Е больше э.д.с. исследуемого элемента Е_х, т.к. Е_х должна быть меньше, чем падение напряжения на всем проволочном реохорде (потенциометре) АС. Рассмотрим, при каких условиях сила тока в цепи элемента Е_х будет равна нулю.

Рисунок 1

Запишем уравнения по 1 и 2 правилу Кирхгофа:

Узел А:

(1)

для контура АЕСВА:

(2)

для контура ВАЕ_хВ:

(3)

Если I₃=0, то уравнение (1) будет иметь вид и, следовательно, уравнения (2) и (3) можно переписать

(4)

, (5)

где R₁ и R₂ – сопротивления плеч реохорда АВ и ВС;

r – внутренне сопротивление батареи;

r_x – внутренне сопротивление исследуемого источника.

Решая совместно (4) и (5) получим

(6)

Полученное условие означает, что приI₃=0 падение напряжения на участке АС, создаваемое батареей Е, компенсирует э.д.с. исследуемого элемента Е_х. Отсюда и название метода – компенсационный. Т.к. на практике внутреннее сопротивление r источника неизвестно, приходится отказаться от непосредственного использования формулы (6), а ввести сравнение с э.д.с. эталонного элемента. Заменив исследуемый элемент Е_х эталонным и перемещая контакт реохорда В, можно найти такую точку , когда ток через гальванометрI₃=0 и выражение (6) будет иметь вид:

, (7)

где и– сопротивления плеч реохордаи.

Разделив почленно (6) и (7) , получим

(8)

Для калиброванной проволоки сопротивление участков пропорционально их длинам

, (9)

где l и – длины участковАВ и , следовательно

(10)

Рабочая электрическая схема дана на рисунке 2.

Рисунок 2

Проволока реохорда АС натянута на масштабную линейку. Источники э.д.с. соединены в схеме одноименными полюсами. Включение батареи Е осуществляется ключом К, а элементов Е_х и E_N – переключателем П и ключом К₁. Сопротивление R_б предохраняет гальванометр и элемент E_N от сильных токов. В качестве эталонного источника используется нормальный элемент Вестона, электродами которого служат амальгама кадмия и ртуть, а электролитом – насыщенный раствор сернокислого кадмия. Э.д.с. нормального элемента равна 1,01836 В и мало изменяется со временем и от температуры.