4э
.pdf
|
|
|
A |
|
|
~ 220 В |
1 |
V |
R1 |
R2 |
|
2 |
|||||
|
|
|
|
Рис. 3.1. Электрическая схема установки: 1 и 2 – полюса источника тока,
V – вольтметр, А – амперметр, R1 и R2 – реостаты
Выражение (2.26) преобразуем так, чтобы напряжение на внешнем участке U имело вид:
U = ε − Jr . |
(3.1) |
Из формулы (3.1) видно, что напряжение является линейной функци- ей тока. Измерив значение тока J и напряжения U при различных величи- нах внешнего сопротивления R , можно построить график зависимости
U = f (J)(рис. 3.2). Точки пересечения графика с осями координат опре- деляют значения ε и JКЗ : при J = 0 U = ε , а при U = 0 J = Jкз , формулы (3.1),
(2.23).
U
ε
Jкз J
Рис. 3.2. Зависимость напряжения U от силы тока J в цепи источника тока
По измеренным значениям токов и напряжений можно рассчитать величины внешних сопротивлений R и мощностей PR , используя формулы
(2.16) и (2.18). Построив график зависимости PR = f (R) , нетрудно опре- делить из него максимальную полезную мощность PR max и соответствующее
ей внешнее сопротивление R = r , то есть найти и внутреннее сопро- тивление источника.
11
4.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1.Заготовить таблицу 4.1.
2.Собрать электрическую схему, изображенную на рис. 3.1.
3.Включить источник тока.
4.Ввести реостаты и записать значение минимального тока Jmin .
Вывести реостаты и записать значение максимального тока Jmax , рассчитав J = 0,1(Jmax − Jmin ) .
5. Последовательно уменьшая с помощью реостатов ток на J , начи- ная с Jmax , произвести 9 – 10 измерений токов и напряжений.
6. Рассчитать полезную мощность PR и внешнее сопротивление R ,
используя формулы (2.18) и (2.16) соответственно. 7. Результаты измерений занести в таблицу 4.1.
8. Построить график U = f (J). Аппроксимируя полученный график
прямой линией (т.е. продолжая график до пересечения с осями), опреде- лить электродвижущую силу источника ε и ток короткого замыкания Jкз .
9. По полученным данным пункта 8 рассчитать внутреннее сопротив- ление источника r по формуле (2.29) и максимальную полезную мощность PR max по формуле (2.31).
10.Построить график PR = f (R) и определить из него максимальную полезную мощность PR max и величину внутреннего сопротивления r .
11.Сравнить r и PR max , полученные в пункте 10, с их значениями,
рассчитанными в пункте 9.
Таблица 4.1.
U , (B)
J , (A)
PR , (Вт)
R , (Ом)
5.ЗАДАНИЯ ПО УИРС
1.Измерить с помощью штангенциркуля и масштабной линейки диа- метр одного из реостатов D , длину намотки L и количество витков на единицу длины K .
12
2.Рассчитать с помощью измеренных величин диаметр d , длину l и площадь поперечного сечения S проводника реостата.
3.Определить численное значение удельной электропроводимости проводника реостата σ (полное сопротивление R1 или R 2 указано на рео-
стате. Оба реостата выполнены из одинакового материала).
4.Оценить величину скорости направленного движения электронов v
впроводнике реостата при токе, соответствующем максимальной полез- ной мощности (n0 = 8,5 ·1028 м-3).
6.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Что такое ток и плотность тока?
2.Закон Ома в дифференциальной форме.
3.Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме.
4.Физический смысл ЭДС.
5.Дайте определение полной, полезной и потерь мощности.
6.При каком условии полезная мощность максимальна? Докажите.
7.Коэффициент полезного действия источника тока. Рассчитайте КПД при максимальной полезной мощности.
7.ПРИЛОЖЕНИЕ
7.1.Химические источники тока
Кхимическим источникам тока относятся гальванические элементы и аккумуляторы.
Рассмотрим ЭДС в гальваническом элементе. При погружении ме- таллического электрода в электролит (водный раствор кислоты, щелочи или соли) часть атомов металла переходит в раствор в виде положитель- ных ионов (рис. 7.1, а) сам же электрод оказывается при этом отрицатель- но заряженным. Между ним и электролитом возникает скачок потенциала. Но при этом усиливается и обратный процесс – переход положительных ионов из раствора. Нарастание потенциала прекратится, когда эти два
процесса уравновесят друг друга, (рис. 7.1, а).
Если в электролит опустить еще один электрод, причем такой, который либо вообще не растворяется (уголь), либо растворяется слабо (медь), то около него скачок потенциала будет малым (рис.7.1, б) и между такими электродами образуется разность потенциалов, равная электродвижущей силе ε гальванической пары (рис 7.1, б).
13
a)Zn
Н2SO4
Zn2+ |
б) |
Zn |
1 |
|
φ |
φ |
L
Cu
2
ε
L
Рис. 7.1. Образование электрохимической разности потенциалов: а) между электродом и электролитом; б) между электродами гальванической пары
Если замкнуть цепь на нагрузку (соединить точки 1 и 2, рис.7.1, б), то воз- никнет ток как на внешнем, так и на внутреннем участках и падения на-
пряжения на них
JR + Jr = ε . |
(7.1) |
Однако для такого элемента не будет выполняться условие независимости
εи r от нагрузки. При прохождении тока через электролит происходит электролиз. На аноде (медный или угольный электрод) выделяется водо- род (ионы водорода отдают аноду свой заряд и нейтрализуются). Это уве- личивает r и уменьшает ε довольно быстро до нуля, поскольку пара "цинк-уголь" заменяется парой "цинк-уголь", покрытый водородом. Это на- зывается поляризацией электродов. Поэтому такая простая система, как пара электродов и электролит, никогда не используется. Обязательно до- бавляется деполяризатор, например, сильный окислитель.
На рис. 7.2, а приведен распространенный гальванический элемент с де- поляризатором – оксидом марганца, кристаллы которого насыпаны в по-
ристый мешочек, окружающий угольный анод. В качестве электролита ис-
пользуется водный раствор хлорида аммония NH4СI, ионы NH4+ которого движутся к угольному, а ионы СI- – к цинковому электроду. Если специаль- ной добавкой загустить электролит, а сам элемент плотно закрыть, полу- чается так называемый сухой элемент. В качестве эталонной меры разно- сти потенциалов используется нормальный элемент, (рис 7.2, б). Он дает
ε= 1,0186 В при 20°С.
14
а) |
|
б) |
|
4 |
|
2 |
|
|
1 |
|
3 |
|
|
|
3 |
|
|
|
|
2 |
4 |
|
|
|
5 |
1 |
|
|
Рис. 7.2. Химические источники тока: а) гальванический элемент с деполяризато- ром (1 – цинковая оболочка (катод), 2 – угольный стержень (анод), 3 – электро- лит, 4 – деполяризатор); б) нормальный элемент (1 – ртуть, 2 – смесь серной ки- слоты H2SO4 и сульфата кадмия CdSO4, 3 – кристаллы той же соли CdSO4, 4 –
насыщенный раствор того же сульфата CdSO4, 5 – амальгама кадмия, то есть
сплав кадмия с ртутью).
Описанные гальванические элементы – источники тока разового пользования. После того как их емкость израсходована, они не подлежат восстановлению. Если же в гальваническом элементе можно осуществить все химические реакции в обратном направлении, таким образом снова зарядив элемент, то получится устройство многоразового пользования, называемое аккумулятором. Классификация гальванических элементов и
аккумуляторов осуществляется по химическому составу электродов и электролитов, по конструкции и форме. Химические источники имеют раз- личную продолжительность работы, режим разряда и массу, широко ис- пользуются в быту и в технике.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Калашников, С.Г. Электричество / С.Г. Калашников. – М. : Наука, 1982. – (с. 71–76)
2.Савельев, И.В. Курс общей физики / И.В. Савельев. – М. : Астрель, 2002. – Кн. 2 (с. 34–38).
3.Зисман, Г.А. Курс общей физики / Г.А. Зисман, О.М. Тодес. – М. :
Наука, 1994. – Т. 2 (с. 20–24).
15
|
СОДЕРЖАНИЕ |
|
1. |
ЦЕЛЬ РАБОТЫ ................................................. |
………………………… 3 |
2. |
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ............................... |
………………………… 3 |
|
2.1. Характеристики электрического тока ... |
………………………….3 |
2.2.Дифференциальная форма законов постоянного тока………. 4
2.3.Интегральная форма законов постоянного тона………………..6
2.4.Нагрузочная способность источника тока………..…………….. 9
3. |
МЕТОД РАБОТЫ .............................................. |
………………………...10 |
4. |
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ............... |
………………………. 12 |
5. |
ЗАДАНИЯ ПО УИРС......................................... |
…………………………12 |
6. |
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ............................ |
…………………………13 |
7. |
ПРИЛОЖЕНИЕ ................................................. |
…………………………13 |
|
7.1. Химические источники тока....................…………………………13 |
|
|
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................. |
…………………………15 |
16