05-06 33 - ep3.nuwm.edu.uaep3.nuwm.edu.ua/276/1/05-06-33.pdf · Кафедра хімії та...

Міністерство освіти і науки України

Національний університет водного господарства та природокористування

Кафедра хімії та фізики

05-06 33

Методичні вказівки

до виконання лабораторних робіт

із навчальної дисципліни «Фізика»

розділ «ЕЛЕКТРИКА»

для студентів інженерно-технічних напрямів підготовки

денної, заочної та дистанційної форми навчання

Рекомендовано науково –

методичною радою НУВГП

протокол від . .20 р.

РІВНЕ – 2014

2

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіті з навчальної дисципліни «Фізика», розділ «ЕЛЕКТРИКА» для студентів інженер-

но-технічних напрямів підготовки денної, заочної та дистанційної фо-

рми навчання/ Є.С. Никонюк, О.Д. Кочергіна, В.Р. Гаєвський,

М.В. Мороз, Б.П. Рудик, Рівне: НУВГП. 2013. - 28 с.

Упорядник:

Никонюк Є.С., канд. фіз.-мат. наук, доцент кафедри хімії та фізики;

Кочергіна О.Д., асистент кафедри хімії та фізики;

Гаєвський В.Р., канд. техн. наук, доцент кафедри хімії та фізики;

Мороз М.В., канд. фіз.-мат. наук, доцент кафедри хімії та фізики;

Рудик Б.П., зав. лаб. кафедри хімії та фізики.

Відповідальний за випуск:

Гаращенко В.І., канд. техн. наук, доцент,кафедри хімії та фізики.

© Никонюк Є.С.,Кочергіна О.Д., Гаєвський В.Р.,

Мороз М.В., Рудик Б.П., 2014

© НУВГП, 2014

3

ЗМІСТ

Вступне заняття Електровимірювальні прилади ..... 4

Лабораторна робота 3.1 Визначення електроємності конденсатора балістичним гальванометром .................................. 8

Лабораторна робота 3.2 Визначення опору провідників за допомогою містка Уітстона ........................................................... 12

Лабораторна робота 3.3 Визначення електрорушійної сили джерела методом компенсації .............................................. 16

Лабораторна робота 3.4 Вивчення залежності опору

металів від температури ................................................................. 22

Література ........................................................................................ 25

Додаток 1 Приклад оформлення титульної сторінки .... 26

Додаток 2 Приклад оформлення звіту ............................ 27

Вступ

В даній методичці представлені лабораторні роботи з дисципліни

«Фізика» розділ «Електрика», які виконуються на кафедрі хімії та фі-зики.

Метою лабораторних робіт є вивчення фізичних процесів і явищ,

які лежать в основі даного розділу фізики, а завданням є навчити сту-

дента вимірювати електричні величин і виконувати обробку результа-

тів вимірювань. В процесі виконання лабораторної роботи студент оформляє звіт (див. зразок у додатках 1, 2).

У вступному занятті подана принципи дії, класифікація і основні характеристики електровимірювальних приладів.

У кожній лабораторній роботі вказана мета, теоретичні відомості, опис експериментальної установки, електрична схема, хід роботи і контрольні запитання.

4

Вступне заняття

Електровимірювальні прилади

Електровимірювальні прилади – це прилади, призначені для:

а) прямих вимірювань електричних величин;

б) непрямих вимірювань неелектричних величин з використанням пе-ретворювачів неелектричної величини в електричну (давачів).

1. Класифікація електровимірювальних приладів:

1. за способом відображення інформації: - аналогові (стрілочні); - цифрові,

2. за точністю:

- прецезійні; - для лабораторних вимірювань;

- для технічних вимірювань,

3. за принципом дії: - електромеханічні; - електронні; - електротеплові; - електронно-променеві,

4. за видом вимірювальної величини:

- амперметри;

- вольтметри;

- омметри,

5. за родом вимірювальної величини:

- постійного струму;

- змінного струму;

- постійного і змінного струму (універсальні).

2. Позначення на шкалі електровимірювального приладу:

2.1. Вид вимірювальної величини:

- вольтметри (позначаються літерою V );

- амперметри (А);

- ватметри (W);

- омметри (Ώ);

- лічильники енергії (kWh);

5

- фазометри (φ);

- частотоміри (Hz) тощо.

До умовної літери може бути додано позначення кратності основ-

ної одиниці, наприклад: міліамперметр – mА; кіловольтметр – kV

тощо.

2.2. Типи систем вимірювального вузла:

Магнітоелектри-

чна з механічною протидію-

чою силою

Електромагнітна з механічною протидію-

чою силою

Електродинамічна

без заліза з механічною протидію-

чою силою

без механічної протидію-

чої сили

феродина-мічна

з механічною протидію-

чою силою


чої сили

Індукційна

з механічною протидію-

чою силою


чої сили Теплова

Термоелектрич-

на

з контактним термопере-творювачем

з ізольованим термопере-творювачем

Детекторна

Електростатична

6

2.3. Ціна поділки шкали приладу

Перед початком проведення електричних вимірювань необхідно

визначити ціну поділки шкали приладу,

тобто, значення вимірюваної електрич-ної величини, що викликає відхилення стрілки (вказівника) приладу на одну поділку. В загальному випадку ціна по-

ділки є різницею значень вимірюваної величини для двох сусідніх поділок

шкали. Ціна поділки залежить від верх-

ньої і нижньої межі вимірювання при-

ладу і від числа поділок шкали. Це треба мати на увазі тоді, коли при вимі-рюванні використовується прилад, в

якого верхня межа вимірювань має де-кілька значень, тобто для багатодіапа-зонних приладів (рис. 1.).

Наприклад, в електричне коло ввімкнено амперметр з діапазоном

вимірювання 5А (рис. 1.), а шкала приладу має 100 поділок, то ціна поділки такого приладу дорівнює:

под

AG 05,0

100

5== .

Чутливість приладу в даному випадку дорівнюватиме:

А

под

GS 20

05.0

11=== .

2.4. Клас точності електровимірювального приладу

Клас точності (К.т.) – це узагальнена характеристика точності вимірювального приладу, яка визначає гарантовані межі її приладової похибки і встановлюється шляхом спеціальних метрологічних дослі-джень. Клас точності позначається цифрою, яка дорівнює зведеній

похибці у відсотках, що допускає прилад. Випускають прилади таких

класів точності: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. У лічильниках еле-ктроенергії класи точності такі: 0,5; 1,0; 2,0; 2,5.

Клас точності приладу, визначає у відсотках відношення допус-тимої основної абсолютної похибки приладу в робочій частині шкали

Рис. 1

7

до величини, яка залежить від позначення класу точності на шкалі вимірювального приладу.

%100.. ⋅∆

=Х

ХтК

пр,

де ∆Хпр – максимальна абсолютна (приладова) похибка, Х – величина, яка залежить від класу точності на шкалі вимірювального приладу.

Наприклад, для амперметра з класом точності 0,5 і верхньою ме-жею 5 А (рис. 1.), приладова похибка буде визначатись так:

.025,0%100

5%5.0A

АІпр =

⋅=∆

2.5. Рід вимірювальної величини

На шкалі електровимірювального приладу вказується, для якого

струму він призначений. Постійний струм позначається умовно одні-єю рискою (−) або двома паралельними рисками (=), а змінний струм –

хвилькою (~). Якщо на приладі є обидва знаки (~) або (≅), то це озна-

чає, що прилад універсальний і призначений для вимірювання як пос-тійного, так і змінного струму.

2.6. Встановлення шкали.

На приладі є позначення положення шкали, в якому слід виконува-

ти вимірювання:

⊥ - вертикальне; − - горизонтальне; ∠ 60° - встановлення шкали під кутом.

2.7. Клас захисту

Клас захисту вказує на величину напруги між провідною і не-провідною частинами приладу при якій зберігаються його ізоля-

ційні властивості і позначається

2

( 2кВ - старе позначення),

де 2 - значення напруги в кіловольтах, яку витримує ізоляція

приладу.

8

Електрика

Лабораторна робота 3.1

Визначення електроємності конденсатора балістичним

гальванометром

Мета роботи: визначити електроємність конденсатора.

Теоретичні відомості

(Теорія до даної роботи описана в лекційному курсі (інтерактивно-

го комплексу Ч І)§ 3.6–3.8).

Електроємність провідника – це фізична величина, яка чисельно

рівна заряду, який необхідно надати провіднику, щоб змінити його

потенціал на один вольт:

ϕ

qC = .

В СІ електроємність вимірюється в фарадах [Ф]. 1 Ф – це електро-

ємність (або просто ємність) такого відокремленого провідника, поте-нціал якого змінюється на один вольт при наданні йому заряду в один

кулон.

Систему провідників, яка має велику ємність за малих розмірів, на-зивають конденсатором. Конденсатор – це пристрій для накопичення

електричного заряду. Він складається з двох близько розміщених про-

відників, які називають обкладками конденсатора, розділених шаром

діелектрика. На обкладках зарядженого конденсатора містяться одна-кові за модулем, проте різні за знаком заряди. Залежно від форми об-

кладок розрізняють плоскі, циліндричні, сферичні та інші конденсатори. Формула електроємності плоского конденсатора

d

SC 0εε

= ,

де 0ε – електрична стала, ε – діелектрична проникність середовища, S – площа пластин, d – відстань між пластинами.

Електроємність конденсатора – це фізична величина, яка рівна відношенню заряду q конденсатора до різниці потенціалів (φ1–φ2) між

його обкладками:

9

U

qqC =

−=

21 ϕϕ. (1)

Таким чином, щоб визначити ємність конденсатора необхідно зна-ти його заряд та різницю потенціалів між обкладками. В даній роботі величина заряду визначається за допомогою балістичного гальваноме-тра. Для балістичного гальванометра заряд q , що пройшов через при-

лад, пропорційний першому відхиленню рухомої частини

гальванометра, тобто найбільшому кутовому відхиленню α “зайчика”

від положення рівноваги

αkq ⋅= 0 ,

де 0k – коефіцієнт пропорційності.

Враховуючи, що кут α пропорційний числу поділок n на шкалі приладу, можна записати

nkq ⋅= (2)

де k – стала балістичного гальванометра. На основі (1) та (2) отримаємо

nkUC ⋅=⋅ .

Нехай маємо еталонний конденсатор з відомою ємністю С0 і дослі-джуваний конденсатор з невідомою ємністю С. Зарядимо їх по черзі до однакової різниці потенціалів U і розрядимо через гальванометр.

У такому випадку

00 nkUC ⋅=⋅ та nkUC ⋅=⋅ , (3)

де 0n і n – найбільші відхилення “зайчика” при розрядженні еталон-

ного і досліджуваного конденсаторів відповідно.

Розв’язуючи систему рівнянь (3) відносно С, отримаємо робочу

формулу:

0

0 n

nCC = . (4)

Опис установки

Для виконання даної роботи використовують електричну схему зо-

бражену на рис. 1. У схемі: Б – джерело постійного струму; П – реос-

тат, ввімкнений за схемою потенціометра; V – вольтметр, яким

вимірюється різниця потенціалів на досліджуваному і еталонному

конденсаторах; К1 – ключ для вмикання джерела постійного струму;

10

Рис. 1

К2 – ключ для зарядки і розрядки конденсаторів; К3 – перемикач для під’єднання в схему одного з конденсаторів; G – гальванометр;

К4 – ключ для заспо-

коєння рухомої системи

гальванометра. Балістичний гальва-

нометр – це галь-

ванометр магнітоелек-

тричної системи, період

коливань рухомої час-тини якого значно біль-

ший від часу прохо-

дження імпульсу вимірюваного струму. Балістичні гальванометри ви-

готовляють з великим періодом власних коливань. Це досягається збі-льшенням маси і, відповідно, моменту інерції його рухомої частини.

Коливання рухомої системи згасають дуже повільно. Щоб її заспо-

коїти, котушку гальванометра закорочують ключем. Це пояснюється

тим, що в котушці, яка обертається в полі постійного магніту, виникає електрорушійна сила індукції та індукційний струм, котрий згідно з правилом Ленца протидіє рухові котушки.

Хід роботи

1. Скласти електричну схему зображену на рис. 1.

2. Встановити візирну лінію “зайчика” на нульовій позначці шкали

гальванометра. 3. Замкнути ключ 1K та встановити задану викладачем напругу за

допомогою потенціометра П .

4. Під’єднати до схеми еталонний конденсатор С0 за допомогою

ключа 3K . Для зарядки конденсатора перевести ключ К2 у поло-

ження 1 на 2-3 секунди. Перемкнути К2 у положення 2 та зафіксу-

вати максимальне відхилення візирної лінії “зайчика” від

положення рівноваги. Отримані значення 0n записати в таблицю.

Дослід повторити не менше 5 разів.

5. Під’єднати до схеми досліджуваний конденсатор С за допомогою

ключа 3K . Заряджаючи та розряджаючи конденсатор аналогічно

діям п. 4 записати покази n в таблицю.

11

6. Оцінити паспортні приладові похибки та похибки табличних ве-личин.

7. Обчислити середні значення 0n та n .

8. Обчислити за робочою формулу (4) електроємність конденсатора С.

9. Обчислити відносну і абсолютну похибки, записати кінцевий ре-зультат.

2

0

0

22

0

0

∆+

∆+

∆=

n

n

n

n

C

Cε ,

CC ε=∆ .

Результати вимірювань

=0C ( ) =∆00C

( ) =∆ 0n ( ) =∆00n

0n n

1

2

3

4

5

Ср

Контрольні запитання

1. Що називають електроємністю відокремленого провідника, кон-

денсатора?

2. В яких одиницях вимірюється електроємність?

3. Назвати види конденсаторів.

4. Вивести формулу електроємності плоского конденсатора. 5. Як залежить електроємність конденсатора від діелектричної про-

никності речовини, що знаходиться між його обкладками?

6. Вивести формули електроємності батареї конденсаторів, з’єднаних

послідовно і паралельно.

7. Опишіть будову і поясніть принцип дії балістичного гальваномет-ра?

12


Визначення опору провідників за допомогою

містка Уітстона

Мета роботи: 1) визначити опори провідників; 2) перевірити спра-ведливість законів послідовного і паралельного сполучення опорів.



го комплексу Ч І)§3.10-3.12)

Важливою характеристикою провідника є його опір. Опір провід-

ника характеризує здатність провідника перешкоджати проходженню

по ньому струму за рахунок перетворення енергії струму у внутрішню

енергію провідника. Одиницею вимірювання опору є Ом. Один Ом це опір такого провідника, по якому протікає струм силою 1А при прик-

ладеній напрузі 1В. Електричний опір провідника залежить від його

геометричних розмірів і матеріалу, з якого виготовлений провідник

SR

lρ= ,

де l – довжина провідника, S – площа його поперечного перерізу,

ρ – питомий опір провідника, який залежить від матеріалу, з якого

виготовлений провідник, і його температури.

Закон Ома для однорідної ділянки кола: сила струму в провіднику

прямо пропорційна прикладеній напрузі і обернено пропорційна опо-

ру провідника.

R

UI = ,

де R – електричний опір провідника, U – напруга. Для розрахунку складних розгалужених електричних кіл зручно

користуватись законами Кірхгофа, які є наслідками закону збереження електричного заряду і законів Ома. Правила Кірхгофа: 1. Алгебраїчна сума сил струмів, які сходяться у вузлі, дорівнює

нулю (струми, які входять у вузли, беруться зі знаком плюс, а які ви-

13

ходять – зі знаком мінус; вузол – точка, в якій сходяться три або

більше провідники). 0

1

=∑=

n

iiI . (4)

2. У довільному замкненому контурі алгебраїчна сума добутків сил

струмів і опорів на всіх ділянках контура дорівнює алгебраїчній сумі

електрорушійних сил у цьому контурі ∑∑==

=m

kkj

n

jjRI

11

E . (5)

Правило знаків: для струмів, напрямки яких співпадають з умовно

вибраним напрямком обходу контура, добуток jjRІ береться зі зна-

ком “+”, у протилежному випадку – зі знаком “–”. Якщо при обході контура в середині джерела струму рухаємось від “–” до “+”, тобто в

напрямку підвищення потенціалу, то е.р.с. даного джерела записуємо

зі знаком “+”. У протилежному випадку ставлять знак “–”.

Опис установки та вивід робочої формули

В даній роботі використову-

ється досить точний метод визна-

чення електричного опору за допомогою містка Уітстона, елек-

тричну схему якого зображено на рис. 1, де АВ – реохорд; 0R – ма-

газин опорів; xR – невідомий опір;

R – додатковий змінний опір,

який обмежує струм через нуль-

гальванометр G ; 1K , 2K і 3K –

ключі. Реохорд – це дротину однако-

вого поперечного перерізу. По реохорду можна переміщувати ковзний

контакт (точка D). Його положення визначається по лінійці, яка натяг-нута вздовж реохорда. Положення ковзного контакту, при якому

струм через гальванометр не протікає (місток збалансований) означає, що потенціали точок С і D однакові, тобто ACAD UU = , CDDB UU = ,

де через U позначено різниці потенціалів між відповідними точками

Рис. 1

14

електричного кола. Враховуючи, що xАС RIU 3= , 11RIU AD = ,

04RIUCB = та 22RIUDB = отримаємо

113 RIRI x = , (1)

2204 RIRI = . (2)

У випадку коли місток збалансований 21 ІІ = , 43 ІІ = . Поділивши

почленно (1) на (2) отримаємо 2

1

0 R

R

R

Rx = , (3)

звідки 2

10 R

RRRx = . (4)

Оскільки дротина АВ однорідна і однакового поперечного перерізу,

то відношення опорів 21 RR можна замінити відношенням відповід-

них довжин реохорда AD ( )1l i DB ( )2l . Тоді (4) перепишемо у ви-

гляді: 2

10l

lRRx = . (5)

Вираз (5) використовується як робоча формула для визначення

опору xR .

Хід роботи

1. Під’єднати в електричне коло в якості невідомого опору Rx резис-тор RI.

2. Ввімкнути опір R – розімкнувши ключ 3K .

3. Встановити ковзний контакт на середині реохорда. 4. Замкнути ключ 1K .

5. Замкнути ключ 2K і, змінюючи опір 0R , добитися грубого балан-

су містка (показ нуль-гальванометра близький до нуля).

6. Вимкнути опір R (замкнувши ключ 3K ) і, змінюючи опір 0R , до-

битися точного балансу містка. 7. Не змінюючи положення ковзного контакту, зміною опору 0R ро-

збалансувати міст і знову його збалансувати. Записати слідуюче значення 0R в таблицю. Загальна кількість вимірювань має стано-

вити не менше трьох.

8. Вимірювання провести окремо для двох невідомих опорів (RI та RII), їх послідовного і паралельного з’єднань.

9. Обчислити за робочою формулою (5) невідомі опори xR .

15


11. На основі отриманих значень RI та RIІ перевірити формули для по-

слідовного ( 21 RRR += ) і паралельного (21

111

RRR+= ) з’єднань

опорів. Зробити висновок.


2

2

2

2

1

1

2

0

0

∆+

∆+

∆=

l

l

l

l

R

Rε

xx RR ε=∆ .


=1l ( ) =∆ 01l ( ) =∆ 02l

=2l ( ) =∆00R

Опір 0R , xR ,

RI

1

2

3

Ср.

RII

1

2

3

Ср.

RI і RII

послідовно

1

2

3

Ср.

RI і RII

паралельно

1

2

3

Ср.

16


1. Сформулювати і записати закон Ома для повного кола, неоднорід-

ної та однорідної ділянки кола. 2. Сформулювати правила Кірхгофа і записати їх для містка Уітсто-

на. 3. Чому відношення опорів плечей реохорда можна замінити відно-

шенням довжин відрізків дротини реохорда?

4. Що називають питомою електропровідністю провідника?

5. Що таке електричний струм? Сформулюйте умови існування елек-

тричного струму.

6. Яку перевагу має метод вимірювання опору містком Уітстона в

порівнянні з методом амперметра і вольтметра?


Визначення електрорушійної сили джерела

методом компенсації

Мета роботи: визначити е.р.с. джерела струму.



го комплексу Ч І) §3.10-3.12)

Для того, щоб по провіднику проходив постійний електричний

струм, необхідно підтримувати на його кінцях постійну різницю поте-нціалів. Це зможуть здійснювати лише сили неелектричної природи.

Такі сили називаються сторонніми ( )стFr

. Наприклад, в гальванічних

елементах розділення зарядів відбувається внаслідок протікання хімі-чних процесів, в генераторах – під дією механічних сил, в термоеле-ментах – під дією теплового руху.

Величина, рівна сторонній силі, що діє на одиничний позитивний

заряд, називається напруженістю електричного поля сторонніх сил

q

FЕ

cтст

rr

= .

17

Елементарна робота сторонніх сил по переміщенню заряду q дорі-внює

lllrr

l dqEαdqEdEqδА стстстст === cos ,

де α – кут між напрямком дії сили і напрямком руху додатного заря-

ду, αЕЕ стст cos=l – проекція вектора напруженості сторонніх сил на

напрямок переміщення.

Тоді повна робота, яку виконують сторонні сили при переміщенні заряду q по замкненому контуру, дорівнює

ll dEqА cтст∫= . (1)

Інтеграл ll dЕст∫ називається циркуляцією вектора напруженості

електричного поля сторонніх сил. Робота, яка виконується сторонніми силами при переміщенні оди-

ничного позитивного заряду по замкненому колу, називається елект-рорушійною силою E

ll dЕq

A стст

∫==E . (2)

Слід чітко розрізняти поняття е.р.с., різниці потенціалів і напруги.

Під різницею потенціалів розуміють роботу кулонівських сил по пе-реміщенню одиничного позитивного заряду з однієї точки електрич-

ного кола в іншу. Під напругою розуміють роботу кулонівських і сторонніх сил по переміщенню одиничного позитивного заряду з од-

нієї в іншу точку кола. Вище дано означення е.р.с. В тому випадку,

коли сторонні сили діють на всьому шляху проходження електричного

струму, е.р.с. називається розподіленою (наприклад, е.р.с. індукції або

самоіндукції). Якщо ж дія сторонніх сил поширюється лише на окремі ділянки кола, то е.р.с. називається зосередженою (наприклад, е.р.с. гальванічного елемента). Одиницею вимірювань е.р.с., напруги, різ-ниці потенціалів є вольт [B].

В розімкненому електричному колі електростатичні сили зрівнова-

жуються сторонніми, отже стк FF

rr−= . В цьому випадку різниця поте-

нціалів між полюсами джерела чисельно дорівнює величині е.р.с. Оскільки різниця потенціалів дорівнює зміні потенціальної енергії одиниці заряду, то е.р.с. визначає, який найбільший запас електроста-тичної енергії може набути одиниця кількості електрики внаслідок

роботи сторонніх сил. Всередині джерела е.р.с. (у внутрішній частині

18

кола) сторонні сили переміщують заряди проти електростатичних сил,

зовні джерела е.р.с. (у зовнішній частині кола) заряди переміщуються в напрямку дії електростатичних сил. Точки, які розділяють зовнішню

і внутрішню ділянку кола, називаються полюсами джерела е.р.с. По-

люс з більшим потенціалом називають позитивним, а з меншим – не-гативним. Е.р.с. є скалярною величиною.

Електрорушійна сила гальванічного елемента не залежить від роз-мірів електродів і кількості електроліту, а визначається лише їх хіміч-

ним складом. Кожний тип елементів має свою е.р.с.

Виведення робочої формули

Із закону Ома для повного кола слідує, що

IrU −=E , (3)

тобто спад напруги на зовнішній ділянці кола дорівнює е.р.с. мінус спад напруги на внутрішньому опорі (джерела струму).

Точне вимірювання е.р.с. не можна провести звичайним вольтмет-ром. Вольтметр для своєї роботи потребує наявності струму в колі. Тому виміряна ним різниця потенціалів буде менша, ніж реальна е.р.с. В тих випадках, коли внутрішній опір вольтметра великий (наприклад,

для лампового вольтметра), струм у його колі малий. Тоді U≈E .

Е.р.с. елементів можна виміряти компенсаційним методом Погген-

дорфа-Боша. Розглянемо схему, зображену на рис.1. Тут 1E –

джерело постійного струму, õE – досліджуваний елемент, G – нуль-

гальванометр, 0E – нормальний елемент, AB – реохорд.

Для виведення робочої формули застосуємо правила Кірхгофа: 1. Алгебраїчна сума сил струмів, які сходяться у вузлі, дорівнює

нулю (струми, які входять у вузли, беруться зі знаком плюс, а які ви-

ходять – зі знаком мінус; вузол – точка, в якій сходяться три або біль-

ше провідники). 0

1

=∑=

n

iiI . (4)

2. У довільному замкненому контурі алгебраїчна сума добутків сил

струмів і опорів на всіх ділянках контура дорівнює алгебраїчній сумі

електрорушійних сил у цьому контурі ∑∑==

=m

kkj

n

jjRI

11

E . (5)

19

Правило знаків: для струмів, напрямки яких співпадають з умовно

вибраним напрямком обходу контура, добуток jjR² береться зі зна-

ком “+”, у протилежному випадку – зі знаком “–”. Якщо при обході контура в середині джерела струму рухаємось від “–” до “+”, тобто в

напрямку підвищення потенціалу, то е.р.с. даного джерела записуємо

зі знаком “+”. У протилежному випадку ставлять знак “–”.

Застосувавши друге правило Кірхгофа для контура GCAÀ õE , оде-ржимо

xACgx RIrRrI E−=−++ 112 )( , (6)

де xr – внутрішній опір досліджуваного елемента, gr – внутрішній

опір гальванометра, ACR – опір частини реохорда (ділянка АС).

Коли ковзний контакт С встановити так, що 02 =І , то

xACRІ E=1 . (7)

У цьому випадку спад напруги на ділянці АС, створений джерелом

1E , дорівнюватиме е.р.с. досліджуваного елемента (метод компенса-

ції). Замінимо досліджуваний елемент нормальним, тобто гальванічним

елементом е.р.с. якого 0E відома. Пересуваючи контакт С, доб’ємось

такого його положення D, щоб струм через гальванометр також не протікав. Тоді вираз (7) можна переписати у вигляді

01 E=ADRІ . (8)

Струм, що протікає через ділянку АВ залишається попереднім,

оскільки у вітці AGD І=0.

Розділивши вираз (7) на рівняння (8), отримаємо

AD

ACx R

R0EE = , (9)

Враховуючи, що опір ділянок дротини реохорда пропорційний їх

довжині, можна записати

0l

l x

AD

AC

R

R= , (10)

де AC=l і AD=0l .

Знаючи 0E і вимірявши xl та 0l , на основі формул (9) і (10) мож-

на знайти xE :

20

00l

l xx EE = . (11)

Опис установки

Дротина реохорда АВ натягнута на масштабній лінійці, що дає мо-

жливість безпосередньо відраховувати довжини xl і 0l .

Електрична схема (рис. 1) містить натискний ключ К, який дозво-

ляє замикати коло на короткий час, щоб уникнути швидкої розрядки

джерела 1E і поляризації елементів xE та 0E . Ввімкнення в коло до-

сліджуваного елемента xE і нормального 0E досягається двополюс-

ним перемикачем П, а джерела 1E – ключем К1.

Нормальний елемент Вестона складається із скляної посудини, яка має форму букви Н (рис. 2). В нижній частині впаяні платинові елект-роди, з’єднані із затискачами. Роль позитивного полюса відіграє ртуть, негативного – амальгама кадмію. Електролітом є насичений ро-

зчин 4CdSO , депо-

ляризатором – сірча-нокислий закис ртуті

42SOHg . Е.р.с. нор-

мального елемента дуже мало змінюєть-

ся з часом, оскільки

мала поляризація

електроліту, а також

майже не змінюється Рис. 2

Рис.1

21

з температурою. При Ct °= 20 вона дорівнює B0183,10 =ε . Внаслідок

постійності е.р.с. нормального елемента її зручно порівнювати з ін-

шими невідомими е.р.с. Тому такий елемент застосовується в так зва-

них компенсаційних схемах.

Хід роботи

1. Скласти схему, зображену на рис. 1, звернувши увагу, що в точ-

ці А полярність джерел 1E , 0E , xE повинна співпадати.

2. Перемикачем П ввімкнути в електричну схему елемент з невідо-

мою е.р.с. xE . Замкнути ключ 1K Пересуваючи повзунок реохор-

да, при замкнутому ключі K , досягти відсутності струму через нуль-гальванометр (компенсації). Записати отримане по шкалі лі-нійки значення довжини ділянки реохорда xl в таблицю. Дослід

виконати не менше 5 разів, кожного разу, розбалансовуючи, а по-

тім знову збалансовуючи, електричну схему.

3. Перемикачем П ввімкнути у електричну схему елемент з відомою

е.р.с. 0E . Пересуванням повзунка реохорда досягти відсутності

струму через гальванометр. Виміряти 0l не менше п’яти разів.

4. Обчислити середні значення xl та 0l


6. Обчислити за робочою формулою (11) е.р.с. невідомого елемен-

та xE .


2

0

0

2

∆+

∆=

l

l

l

l

x

xε ,

xx EE ε=∆


=0E ∆(lx)0=∆(l0)0=

22

хl , мм 0l , мм

1

2

3

4

5

Ср.


1. Що таке електричний струм? Які умови існування електричного

струму?

2. Чому для підтримки постійної різниці потенціалів необхідні сили

неелектричної природи? Наведіть приклади дії сторонніх сил.

3. Записати закон Ома для повного кола. Що таке е.р.с.?

4. В чому полягає суть методу компенсації?

5. Сформулюйте правила Кірхгофа. 6. Чи можна виконувати вимірювання, якщо е.р.с. xEE <1 або

01 EE < ?


Вивчення залежності опору металів від температури

Мета роботи: 1) визначити опір провідника першого роду при різ-них температурах; 2) побудувати графік залежності ( )tRR = ; 3) ви-

значити температурний коефіцієнт опору металу

Теоретичні відомості .


го комплексу Ч І)§3.10)

До провідників першого роду відносяться метали і сплави. Носіями

електричного струму в них є вільні електрони. Вільні електрони

приймають участь у тепловому хаотичному русі. Якщо до деякої діля-

нки провідника першого роду прикладена різниця потенціалів, то на хаотичний рух електронів накладається їх впорядкований рух. При

23

цьому носії струму стикаються з атомами (іонами) металу, які коли-

ваються відносно положень рівноваги – вузлів кристалічної ґратки.

Зіткнення відбуваються також з атомами домішок. В обох випадках ці зіткнення є причиною появи електричного опору. Якщо метал чистий і відсутні дефекти, то електрони розсіюються лише на теплових коли-

ваннях ґратки. З підвищенням температури амплітуда коливань іонів

збільшується і зростає опір металу. Якщо метал містить домішки, то

електрони розсіюються не тільки на теплових коливаннях іонів самого

металу, а й на дефектах.

Частина опору, яка зумовлена розсіянням електронів на домішках,

залишається величиною скінченою навіть тоді, коли температура пря-

мує до абсолютного нуля. При температурах порядку кімнатної і ви-

щій розсіювання електронів на теплових коливаннях відіграє більшу

роль, ніж розсіювання на домішках і дефектах ґратки.

До провідників другого роду належать електроліти. Носіями елект-рики у провідниках другого роду є рухомі іони. З підвищенням темпе-ратури ступінь дисоціації рідкого електроліту зростає, а значить

кількість носіїв струму збільшується, їх рухливість зростає і тому опір

зменшується.

Залежність опору металів від температури описується законом

)1(0 tRR α+= , (1)

де 0R – опір при 0°С; R – опір металу при температурі t (за шка-лою Цельсія); – температурний коефіцієнт опору, який чисельно дорі-внює відносній зміні опору при зміні температури на один градус:

dt

dR

R⋅=

1α .

Для металів зміна α з температурою незначна, а тому її можна вважати постійною в досліджуваному інтервалі температур. Запишемо

вираз (1) для двох різних температур:

( )101 1 tRR α+= ,

( )202 1 tRR α+= . (2)

Розв’язуючи систему рівнянь (2) відносно α , отримаємо

1221

12

tRtR

RR

−

−=α . (3)

Співвідношення (3) є робочою формулою.

24

Хід роботи

1. До клем омметра під’єднати досліджуваний провідник, розміще-ний у термостаті (рис. 1).

2. Перемикач “помножити” встановити в положення, при якому точ-

ність вимірювання опору буде максимальною.

3. Виміряти опір досліджуваного провідника при кімнатній темпера-турі.

4. Ввімкнути нагрівник термостата і через кожні 5°С вимірювати

опір провідника. Вимірювання вико-

нувати до температури 80-90°С. Дані вимірювання записати в таблицю.

5. Побудувати графік залежності опору

провідника від температури )(tRR = .

6. На графіку )(tRR = вибрати прямолі-нійну ділянку і для кількох пар точок,

достатньо віддалених одна від одної, що лежать на цій прямій, обчислити за робочою формулою (5) значення α .

Обчислених значень α повинно бути

не менше п’яти.

7. Знайти середнє значення α .


icpi ααα −=∆ , %100⋅∆

=cp

cp

α

αε


Таблиця 1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

t,°C

R, Ом

Ω

Рис.1

25

Таблиця 2

Температурний

інтервал ki tt ÷ ikki

ik

tRtR

RRα

−

−= , K -1

∆α, K -1

1

2

3

4

5

Ср.


1. Пояснити природу електричного опору у провідниках першого і другого роду.

2. Пояснити залежність опору провідника від температури при низь-

ких і високих температурах.

3. Записати формулу залежності опору провідника від температури.

4. Яку величину називають температурним коефіцієнтом опору? В

яких одиницях вона вимірюється?

5. В чому полягає явище надпровідності?

Література 1. Навчальний посібник “Загальна фізика”, ч. ІІ, під редакцією Олек-

син Д.І., Орленка В.Ф. Рівне, НУВГП, 2009

2. Трофимова Т.И. Курс физики.–М., "Высшая школа", 1990.

3. Детлаф А.А., Яворский В.М. Курс физики.–М., "Высшая школа",

1989.

4. Савельев И.В. Курс физики.–М., "Наука", 1989, т.1–3.

5. Зачек І.Р., Кравчук І.М., Романишин Б.М. та ін. Курс фізики. За ред. Лопатинського І.Є., Львів, “Бескид Біт” 2002.

6. Олексин Д.І., Мороз В.М. Загальна фізика. Частина 1. Конспект лекцій для студентів заочної форми навчання. Рівне, 2002, 073-89.

7. Дубчак Д.І., Ковалець М.О., Орленко В.Ф., Никонюк Є.С.,

Шляховий В.Л. Загальна фізика. Частина 2. Конспект лекцій для студентів заочної форми навчаня. Рівне, 2002, 073-90.

8. Кучерук І.М. та ін. Загальний курс фізики. У трьох томах, К., 1999.

26

Додаток 1

Приклад оформлення титульної сторінки ___________________________________________________________

НУВГП

Кафедра хімії та фізики

Звіт з лабораторної роботи

Визначення горизонтальної складової напруженості магнітного поля Землі

Виконав:

ст. МБ 11

Яковчук А.А

Перевірив:

Орленко В.Ф.

Рівне 2014 р

27

Додаток 2 Приклад оформлення звіту

___________________________________________________________

1. МЕТА РОБОТИ: визначити горизонтальну складову напружено-

сті магнітного поля Землі.

2. РОБОЧА ФОРМУЛА

αtgR

NIН

20 =

I – сила струму; α – кут відхилення стрілки; R – радіус колових витків; N – кількість витків.

3. РЕЗУЛЬТАТИ ВИМІРЮВАНЬ

=І =∆ 0І

=R =∆ 0R

=N =∆ 0α

1α 2α 3α 4α

1

2

3

Ср =α

28

4. ОБРОБКА РЕЗУЛЬТАТІВ ВИМІРЮВАНЬ

(Підставляємо в робочу формулу середні значення)

Н0 =

(Похибки обчислююся за вибраною методикою)

222

2sin

2

∆+

∆+

∆±=

α

αε

R

R

І

І

00 HH ⋅=∆ ε

5. КІНЦЕВИЙ РЕЗУЛЬТАТ

Н0 = Н0ср ± ∆Н0

ε= %

05-06 33 - ep3.nuwm.edu.uaep3.nuwm.edu.ua/276/1/05-06-33.pdf · Кафедра хімії та...

Documents

Transcript of 05-06 33 - ep3.nuwm.edu.uaep3.nuwm.edu.ua/276/1/05-06-33.pdf · Кафедра хімії та...