Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Воронежский государственный университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Методичка. Электричество. 2 часть

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

21.05.2015

Размер:

2.03 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 34 / 94 5 6 7 8 9 > Следующая >>>

Контрольные вопросы

1.Сформулируйте правила Кирхгофа.

2.Расскажите теорию мостика Уитстона.

3.Как объяснить температурную зависимость сопротивления металлов с точки зрения электронной теории?

4.Опишите устройство гальванометра и магазина сопротивлений.

5.Почему с помощью данной схемы нельзя измерять сопротивления меньше 1 Ом?

6.Почему наименьшая погрешность измерения сопротивления возможна лишь при равенстве плеч реохорда?

7.Используя правила Кирхгофа, выведите формулы общего сопротивления при последовательном и параллельном соединениях двух сопротивлений.

РАБОТА № 6 ГРАДУИРОВКА ТЕРМОЭЛЕМЕНТА

И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕГО ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ

Приборы и принадлежности: термопара, два металлических сосуда с термометрами, гальванометр, милливольтметр, аккумулятор, переменное сопротивление, ключ, электроплитка.

Краткая теория

При тесном соприкосновении (контакте) двух разнородных металлов между ними возникает разность потенциалов. Она получила название кон-

		е		тактной разности потенциалов.
		е		Рассмотрим причины, вызы-
+	+	+	+	вающие контактную разность по-
+	+	+	+	тенциалов. Она обусловлена двумя
	ее		е	причинами: различием работы вы-
				хода А электрона из этих металлов и
+	+	+	+	различием концентрации n свобод-
+	+	+	+	ных электронов в них.
	ее		е	Остановимся более подробно
				на физической природе работы выхо-
+	+	+	+	да А. На рис. 1 схематически изобра-
+	+	+	+	жены части кристаллической решетки
		Риис. 1		металла. Силы притяжения к положи-
				тельным ионам решетки, действую-

щие на свободные электроны, находящиеся внутри металла, в среднем взаимно уравновешиваются, и электроны движутся свободно внутри металла между узлами решетки. Если же по какой-либо причине электрон выйдет за пределы металла, то на него начнут действовать неуравновешенные силы притяжения со стороны ионов поверхности металла и со стороны того избыточного поло-

жительного заряда, который возник в металле в связи с потерей электрона. Результирующая сила F, направленная в сторону металла, возвратит электрон в металл. Между тем, обладая кинетической энергией, электроны непрерывно «выскакивают» из металла на расстояния, не превышающие атомных размеров, и втягиваются обратно. В результате решетка из положительных ионов будет снаружи обволакиваться тонким слоем отрицательных электронов и на всей поверхности металла образуется двойной электрический слой, который является своеобразным конденсатором, препятствующим новым электронам выходить изнутри металла наружу. Таким образом для того, чтобы покинуть металл и уйти в окружающую среду, электрон должен совершить работу А против сил притяжения к металлу, действующих на расстоянии порядка размера кристаллической ячейки (10-8 см). Эта работа называется работой выхода электронов из металла. Чем больше работа выхода, тем труднее электрону вылететь из металла. Величина работы выхода зависит от химической природы металла и состояния его поверхности, загрязнения, влажности и т. д.

Работу выхода принято выражать в электронвольтах (эВ). Один электронвольт равен работе перемещения электрона в электрическом поле

между точками с разностью потенциалов 1 В.

1 эВ = 1,6·10–12 эрг = 1,6·10–19 Дж.

Работа выхода у различных металлов различна и колеблется в пределах от 1 до 6 эВ.

Итак, переходя теперь к выводу общего выражения для контактной разности потенциалов, учтем сначала первую причину – различную работу выхода. Для этого приведем в контакт два металла 1 и 2, имеющих работу

						выхода соответственно А1 и А2, причем
	А1 < А2					А2 > А1 (рис. 2). Очевидно, что свободный
		+	–			электрон, попавший (в процессе теплового
,		+	–		,	движения) на поверхность раздела метал-
ϕ1		+	–	E	ϕ2	лов, будет втянут во второй металл, так как
						со стороны этого металла на электрон дей-
1				2		со стороны этого металла на электрон дей-
1				2		ствует большая сила притяжения (А2 > А1).
	Р	2				ствует большая сила притяжения (А2 > А1).
	Рис. 2					Следовательно, через поверхность сопри-
						Следовательно, через поверхность сопри-

косновения металлов будет происходить «перекачка» свободных электронов из первого металла во второй, в результате чего первый металл зарядится положительно, второй – отрицательно. Возникающая при этом разность потен-

циалов φ1' − φ'2 создает электрическое поле напряженностью Ε, которое бу-

дет затруднять дальнейшую «перекачку» электронов и совсем прекратит ее, когда работа перемещения электрона за счет контактной разности потенциалов станет равна разности работ выхода электрона из металлов:

e (φ'	−φ'	)=Α −Α,		или	φ'	−φ'	=	Α1−Α2	,	(1)

1	2	2	1		1	2		e

где е – заряд электрона. Значение φ1' −φ'2 составляет обычно около одного

вольта.

Для учета второй причины, обусловливающей контактную разность потенциалов за счет различной концентрации свободных электронов, заметим, что классическая электронная теория проводимости металлов рассматривает большое число свободных электронов в металлах как электронный газ, обладающий свойствами одноатомного идеального газа.

Предположим теперь, что в контакт приведены два металла 1 и 2, имеющие одинаковые работы выхода А1 и А2, но различные концентрации свободных электронов n1 и n2 (число электронов в единице объема), причем n1 > n2 Тогда начнется преимущественный перенос свободных электронов из первого металла во второй. В результате первый металл зарядится положительно, второй – отрицательно. Между металлами возникнет

разность потенциалов и появится электрическое поле Ε , которое вызовет дополнительное движение электронов, но в противоположном направлении. При некоторой разности потенциалов φ1' –φ'2 наступит равновесие и

потенциалы металлов меняться не будут. Такое равновесие устанавливается в ничтожные доли секунды.

Найдем величину этой контактной разности потенциалов. В классической электронной теории проводимости эта задача о равновесии электронов в соприкасающихся металлах сходна с задачей о равновесии газа, находящегося в поле тяжести. Из молекулярной физики известно, что концентрация атомов газа n на высоте h связана с концентрацией nо у поверх-

−mgh

ности Земли формулой n = n0e kΤ .

Здесь mgh есть разность потенциальных энергий W1 – W2 на высоте h

1 2

(

и у Земли. В случае двух соприкасающихся металлов W−W

φ"

− φ"

и поэтому n2 = n1e

−

e(ϕ1" −ϕ2"

)

kΤ

где n1 и n2 – концентрация электронов в обоих металлах. Отсюда

φ"

–

φ"

= kT ln

(2)

e n2

При комнатной температуре значения φ1" − φ"2 имеют порядок 10–1 В.

В общем случае контакта двух металлов, различающихся и работой выхода и концентрацией свободных электронов, контактная разность потенциалов будет, согласно (1) и (2), равна:

φ −φ		=−	Α	1−Α2	+	kΤ	ln	n1	. (3)
φ −φ		=−			+		ln		. (3)
1	2			e		e		n2
				e		e		n2

Рис.4

Рис. 4

Эта формула показывает, что кон-

тактная разность потенциалов зависит

только от температуры и химической

φ1

φ2 φ2

φ3

φ4

природы металлов.

φ1 – φ4

а)

Приведем в соприкосновение

несколько (например, четыре) разно-

родных металлических проводников,

б)

имеющих одинаковую температуру

Рис.3.

(рис. 3а). Очевидно, что разность по-

тенциалов между концами этой цепи

Рис. 3

φ1 −φ4 =(φ1 −φ2 )+(φ2 − φ3 )+(φ3 −φ4 ).

Тогда, учитывая (3) и выполняя простые преобразования, получим соот-

ношение φ − φ	4	= − Α1 − Α2	+ kΤ ln	n1	, которая показывает, что разность

1		e	e n4

потенциалов между концами такой цепи не зависит от химической природы промежуточных проводников.

Если теперь непосредственно соединить между собой концевые проводники (рис. 3б), то эта разность потенциалов компенсируется равной по величине разностью потенциалов φ1 – φ2, возникающей в месте контакта проводников 1 и 4. Поэтому контактная разность потенциалов не создает тока в замкнутой цепи металлических проводников, имеющих одинаковую температуру. Однако контактная разность потенциалов, как видно из формулы (3), зависит от температуры. Этой зависимостью и обусловлено явление, получившее название термоэлектрического эффекта.

				Составим замкнутую цепь из
		1		двух разнородных металлических
	φ1 a	b	φ1	проводников 1 и 2. Температуры
	φ1 a	b	φ1	контактов (спаев) a и b будем под-
Ta, Ua				Tb, Ub держивать различными: Тa > Tb (рис.
Ta, Ua	φ2	φ2		Tb, Ub держивать различными: Тa > Tb (рис.
		2		4). В результате между спаями a и b
		2		возникает разность потенциалов

ε = (φ1 – φ2)а + (φ2 – φ1)b,

называемая термоэлектродвижущей силой, а в замкнутой цепи пойдет ток силой J. Пользуясь формулой (3), получаем

A1 - A2

kTa

=ç

или

где коэффициент

A2 - A1		kTb		n2	ö		k	n1
	+		ln		÷
					÷	=	(Ta -Tb ) e ln			,
e		e		n				n	2
			1		ø
ε = c(Ta − Tb ) = cΔΤ,										(4)

называется постоянной термопары.

Термопара – замкнутая цепь, состоящая из двух разнородных проводников, в которой создается ток за счет различия температур спаев.

Формула (4) показывает, что термоэлектродвижущая сила (ТЭДС) термопары пропорциональна разности температур спаев.

Постоянная термопары с численно равна термоэлектродвижущей силе, возникающей при разности температур спаев в 1 градус.

Наиболее распространенные термопары: медь-константан, железоконстантан, железо-никель, платина-платинородий и др. – имеют среднюю

величину с порядка (5–100) мкВ/К. Зависимость ТЭДС от разности тем-

ператур спаев позволяет использовать термопары в качестве термоэлектрических

Гтермометров. С этой целью составляется

	2	цепь, изображенная на рис. 5. Спай b тер-
	2	мопары, составленной из проводников 1 и 2
		мопары, составленной из проводников 1 и 2
		(на рис. 6 они показаны разной толщины),
		поддерживается при постоянной известной
a Ta	b Tb	температуре Tb (например, при температуре
		тающего льда или комнатной температуре).
	Рис. 5	Спай a помещается в среду, температура Ta
		которой подлежит измерению. Зная посто-

янную с данной термопары и измеряя гальванометром Г термоэлектродвижущую силу ε , рассчитывают температуру Ta.

Обычно шкалу гальванометра градуируют непосредственно в градусах. Термоэлектрический термометр обладает существенными преимуществами перед ртутным. Он очень чувствителен, имеет малую температурную инерцию, применим в широком диапазоне температур, позволяет измерять температуру малых объемов среды (практически – точек среды). Кроме того, он допускает дистанционные измерения, т. е. определение температуры объекта, расположенного на большом расстоянии от места измерения или недоступного для непосредственного измерения.

Описание схемы и метода измерения термоэлектродвижущей силы

В данной лабораторной работе термопара состоит из двух разнородных проволок диаметром 1–2 мм, для лучшего контакта сваренных своими концами (рис. 6). Одна из проволок разомкнута, и на концах ее укреплены две клеммы К, к которым можно присоединить измерительный электрический прибор. Правый спай термопары опущен в сосуд, наполненный водой комнатной температуры. Левый спай опущен в такой же сосуд с водой, температура которой может изменяться путем подогревания с помощью электроплитки, и для поддерживания равномерного распределения темпе-

ратуры он снабжен мешалкой. Для измерения температуры воды, а следовательно, и спаев термопары в обоих сосудах имеются термометры.

В нашей установке измерение ЭДС термопары производится не непосредственным подключением гальванометра к клеммам К (как показано на рис. 6), а методом компенса-

ции на реохорде, исключающим

величину

падения напряжения

на внутреннем

сопротивлении

гальванометра.

Этот метод заключается в

следующем. Цепь, изображенная

на рис. 7, состоит из следующих

элементов:

ТП – термопара, Б –

батарея (аккумулятор), Г – галь-

Эл. печь

ванометр, mV – милливольтметр,

К – ключ, R – переменное сопро-

Рис. 6

тивление,

АВ –

реохорд, пред-

ставляющий собой укрепленную на линейке однородную проволоку, вдоль которой может перемещаться скользящий контакт С.

Если ЭДС термопары εменьше, чем батареи, то на проволоке всегда можно найти такую точку С, когда в ветви АГС тока не окажется, и стрелка гальванометра будет стоять на нуле. По второму правилу Кирхгофа для

контура АГСА имеем:					J2 (RТП +RГ ) –J1RAC = – ε,
где RТП – сопротивление термопары и подводящих проводов, RГ –
сопротивление гальванометра, RAC – сопротивление участка АС.
	Когда ток через гальванометр J2 = 0, то						J1RAC = ε	(5)
и в этом случае падение напряжения на участке АС, создаваемое батареей
Б, равно ЭДС термопары, т. е. происходит компенсация.
	J2			ТП
	a		a	b	Г	a
	a	J1	a	b	C	a
J	А				C	B	K
J								R

							Б
					mV		Б
					mV
					Рис. 7
	Так как тока в цепи АГС нет, то ток на участке АВ будет равен току
на участке АС. Падение напряжения на участке АВ, измеряемое милли-
вольтметром, будет равно					U AB = J1RAB .			(6)
					36

AC = l1

где l1 и l2

Из (5) и (6) находим	ε= U	AB	R AC	.	(7)
		AB	R AB

Ввиду того, что проволока на участке АВ калиброванная, можно записать

ε = U AB	l1	,	(8)
	l2

– длины участков АС и АВ в произвольных единицах.

Зная UAB, т. е. показание милливольтметра mV, и измерив и AB = l 2 , по формуле (8) вычисляют ЭДС термопары.

Выполнение работы

1.Составляют таблицу технических данных приборов.

2.Наполняют оба сосуда водой комнатной температуры и собирают цепь (см. рис. 7). С помощью переменного сопротивления R устанавливают положение стрелки милливольтметра на целое число делений с целью удобства дальнейших вычислений, и это показание прибора должно быть одним и тем же во время проведения всех измерений.

3. Зафиксировав температуру Тb в правом сосуде, которая в процессе эксперимента остается постоянной, подогревают на электроплитке левый сосуд и, отмечая температуру Тa через каждые 5 К, измеряют ЭДС термопары описанным выше методом компенсации. Нагревание продолжают до

(UAB =…мВ, l2 =…мм, Тb =…оС)

№	Та, оС	l1,	ε, мкВ	c,	мкВ
				c,	K
					K
n/n		мм
		мм
1
2
…

Ср.

температуры 90–95 оС, все время перемешивая воду мешалкой. При измерениях ТЭДС ключ К замы-

кается на короткое время во избежание быстрого разряда аккумулятора. Данные измерений заносят в таблицу.

Откладывая по оси абсцисс разность температур спаев термопары (Та–Тb), а по оси ординат – величину ТЭДС для соответствующей температуры Та, строят график этой зависимости. Из графика, согласно формуле (4), определяются несколько значений удельной ТЭДС α, а затем находится ее среднее значение для данной термопары.

4. Проведя эксперимент при нагревании, дают воде медленно остывать и повторяют задание п. 3 при охлаждении.

Контрольные вопросы

1.Что называют работой выхода электронов из металла и чем она обусловлена?

2.Каковы причины контактной разности потенциалов?

3.Выведите формулу (4).

4.Какой физический смысл удельной термоэдс α?

5.В чем состоит метод компенсации ТЭДС?

6.Докажите справедливость формулы (8).

7.Где находят применение термопары?

8.В чем преимущества термопары перед термометром?

РАБОТА № 7 ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛОГРАФА.

ПРОВЕРКА ГРАДУИРОВКИ ЗВУКОВОГО ГЕНЕРАТОРА

Приборы и принадлежности: электронный осциллограф, звуковой генератор синусоидальных напряжений, генератор пилообразных напряжений, трансформатор.

Осциллографические методы исследования завоевали прочное место в современной науке и технике. Они применяются в основном для исследования быстропеременных периодических процессов. Достоинствами электронно-лучевого осциллографа являются его высокая чувствительность и безынерционность действия, что позволяет исследовать процессы, длительность которых порядка 10–6 ÷ 10–8 с.

Устройство электронного осциллографа

Осциллограф представляет собой сложный электронный прибор, блоксхема которого приведена на рис. 1. Основными узлами осциллографа являются электронно-лучевая трубка, блок питания, усилитель напряжения Ux, усилитель напряжения Uy, генератор пилообразного напряжения Up и синхронизирующее устройство.

Электронно-лучевая трубка внешне представляет собой стеклянный баллон с высоким вакуумом (рис. 2).

R1	R2	R3
			синхронизатор
~ 220 V	Блок питания	UУ	UР	UХ
		Y		X

Рис. 1

Она состоит из электронной пушки, дающей пучок электронов (на рис. 2 она выделена пунктиром), двух пар отклоняющих пластин Пх и Пу, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях, и флуоресцирующего экрана. Электронная пушка позволяет получить сфокусированный поток электронов. Она состоит из накаливаемого катода К, управляющего электрода УЭ, имеющего в центре отверстие для получения узкого электронного луча, и двух анодов А1 (ускоряющий анод ) и А2 (фокусирующий анод). Между катодом и первым анодом А1 приложено напряжение порядка 103 В. Поэтому электроны ускоряются электрическим полем и попадают на флуоресцирующий экран, вызывая его свечение. Меняя величину этого напряжения и его полярность, можно уменьшать количество электронов, проходящих через его отверстие, а следовательно, и яркость пятна на экране трубки.

Второй анод А2, потенциал которого выше первого, служит для фокусирования электронного луча. Регулируя потенциал второго анода, можно

получить на экране трубки ярко светящуюся точку. Выйдя из второго анода, электронный луч проходит между двумя парами металлических пластин Пх и Пу. Если на любую пару пластин подать напряжение, то электронный луч отклонится от своего первоначального направления, т. к. электроны будут притягиваться к пластине, заряженной положительно, и отталкиваться от пластины, заряженной отрицательно.

Пройдя отклоняющие пластины, электронный луч попадает на экран. Экран электронно-лучевой трубки представляет собой слой флуоресцирующего вещества, нанесенного на внутреннюю сторону трубки.

При ударе об экран энергия электрона частично расходуется на выбивание электронов из поверхности, на которую он попадает, частично на разогрев этой поверхности, а частично превращается в световую энергию. Электрон, попадая на поверхность, покрытую флуоресцирующим слоем,

приводит

в воз-

бужденное

со-

К УЭ

стояние атомы и

молекулы

этого

слоя.

Возвраща-

ясь в нормальное

состояние,

атомы

и молекулы ис-

пускают

свет.

Рис. 2

Это

явление но-

сит название люминесценции.

Яркость свечения пятна на экране электронно-лучевой трубки зависит от скорости и числа электронов, падающих на элемент площади экрана за некоторый промежуток времени. Регулировать яркость пятна на экране можно, либо меняя количество электронов в электронном луче, либо меняя скорость электронов.

Напряжения на управляющем электроде, первом и втором анодах, с помощью которых можно изменять яркость и фокус электронного луча, регулируются делителями напряжения R1, R2 и R3, к которым подводится высокое постоянное напряжение от блока питания (см. рис. 1).

Другим важным элементом электронно-лучевого осциллографа явля-

ется генератор развертки.

Генератор развертки

представляет собой радиотехническое устройство, позволяющее перемещать электронный луч вдоль горизонтальной оси с постоянной скоростью (V = const.) Предположим, что в момент времени t0 к горизонтально отклоняющим пластинам Пх (в электронно-лучевой трубке они расположены вертикально) приложено напряжение, линейно изменяющееся со временем. Тогда светящееся пятно будет двигаться по экрану со скоростью V =

<<< < Предыдущая 1 2 34 / 94 5 6 7 8 9 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

#
25.08.2019343.55 Кб2Методичка СВП (5-8).doc
#
19.03.20161.01 Mб15методичка ТОС Воронеж.pdf
#
20.05.201521.91 Кб13методичка юр.псих..docx
#
19.03.2016171.78 Кб10Методичка. Историография. Ч. 1. (18 - н.20 вв.).pdf
#
19.03.2016501.49 Кб6Методичка. Новейшая история стран Востока..pdf
#
21.05.20152.03 Mб31Методичка. Электричество. 2 часть.pdf
#
20.05.2015457.73 Кб86Методичка.doc
#
19.03.20162.52 Mб196Методичка_бурение.doc
#
19.03.2016131.07 Кб11МетодичкаСтараяИКВ.doc
#
20.05.2015146.43 Кб14МетодРекомДиплРабота_2015.doc
#
21.05.20152.07 Mб29Методы бизнес расчетов пособие.pdf