Srovės šaltinio elektrovaros ir vidinės elektrinės varžos nustatymas kompensaciniu būdu

Nuolatinės elektros srovės šaltinio elektrovaros jėgos (EVJ) ir vidinės elektrinės varžos nustatymas yra praktinė užduotis, kuria siekiama suprasti, kaip matuojama elektrovara ir kaip įvertinti šaltinio vidinę varžą, naudojant voltmetrą, ampermetrą ir reguliuojamą išorinę varžą (reostatą).

Tikslai

• Išmatuoti elektros srovės šaltinio elektrovarą voltmetru esant atidarytam ir uždarytam jungikliui.
• Pagal Omo dėsnį apskaičiuoti išorinės elektrinės grandinės dalies elektrinę varžą ir sudaryti voltamperinę charakteristiką.
• Pakartotinai atlikti eksperimentus keičiant reostatu išorinės grandinės elektrinę varžą ir užfiksuoti matavimų rezultatus.
• Apskaičiuoti nuolatinės elektros srovės šaltinio vidinę elektrinę varžą ir įvertinti matavimų paklaidas.

Teoriniai pagrindai

Elektrovara lygi perskiriančių jėgų darbo Ask ir perskiriamo krūvio q santykiui. Elektrovarą galima padalyti į dvi dalis - vidinę ir išorinę: elektros srovės šaltinio vidinėje dalyje vyksta krūvių perskyrimo darbai, kuriuos atlieka pašalinės jėgos (cheminės, elektromagnetinės ir kt.).

Elektroduose susikaupę krūviai sukuria elektrinį lauką, kurio elektrinė jėga krūvius veikia priešinga kryptimi. Kai krūvius veikiančios jėgos susilygina (Fsk = Fel), krūvių perskyrimo darbas nutrūksta. Įtampa tarp elektrodų - šaltinio polių pasiekia didžiausią vertę.

Sujungus šaltinio polius laidininku, išorinėje grandinės dalyje susidaro priešingos krypties elektrinis laukas. Elektronai juda veikiami šio lauko - nuo šaltinio neigiamojo poliaus prie teigiamojo. Pradėjus uždara grandine tekėti srovei, šaltinio viduje jėgų pusiausvyra sutrinka, toliau vyksta krūvių perskyrimo darbas.

Elektrovarą, kaip ir grandinės dalies įtampą U, matuojama voltais V. Panašiai elektrinių jėgų darbu apibūdinama ir grandinės dalies įtampa. Pažiūrėkime, kaip elektrovarą galima paaiškinti potencialų skirtumu:

Taip pat skaitykite: Elektros srovės stiprio, įtampos ir varžos priklausomybė

1. a) Jungiklis įjungtas. Voltmetras V1 rodo išorinės grandinės dalies įtampą U_iš. Voltmetro V2 kontaktai yra elektrolite prie pat elektrodų, bet jų neliečia. Tam, kad atsitiktinai nepaliestų elektrodų, kontaktų šonai nuo elektrodų pusės padengti laku arba stearinu. Voltmetras V2 rodo šaltinio vidinės dalies potencialų skirtumą - įtampą U_vid.
2. b) Jungiklis išjungtas. Voltmetras V1 rodo didžiausią šaltinio įtampą U. Ji lygi šaltinio elektrovarai, išreikštai potencialų skirtumu.

Galima įvairiai keisti grandinės imtuvų varžą, tačiau voltmetrų rodmenų suma lieka tokia pat. Artinant elektrodus Cu ir Zn, ampermetras rodo didesnį srovės stiprį. Elektrodus vėl tolinant, srovės stipris mažėja. Tai rodo, kad srovės šaltinis turi tam tikro didumo vidinę varžą r.

Taigi, pilnutinę grandinės varžą sudaro imtuvų varža R ir šaltinio vidinė varža r. Žinodami elektrovarą E, galime rašyti: tai yra Omo dėsnis visai grandinei: srovės stipris I grandinėje proporcingas šaltinio elektrovarai ir atvirkščiai proporcingas pilnutinei grandinės varžai R + r. Dėsnis kartais vadinamas Omo dėsniu uždarai grandinei.

Nutraukus grandinę - išjungus jungiklį (I = 0), voltmetras rodo elektrovaros vertę U_iš = E.

Matavimo prietaisai ir įranga

• Ampermetras - prietaisas, skirtas matuoti elektros srovės stiprį grandinėje. Jungiamas nuosekliai.
• Voltmetras - prietaisas, skirtas matuoti kintamąją ir nuolatinę tarp dviejų taškų elektros grandinėje. Jungiamas lygiagrečiai.
• Srovės šaltinis (sausų elementų baterija arba akumuliatorius), vielinis rezistorius arba reostatas, jungiklis, jungiamieji laidai.

Matavimo metodika (kompensacinis būdas)

Prie srovės šaltinio gnybtų dar prijungiame voltmetrą. Brėžiame grandinės schemą. Remiamės Omo dėsnio formule, kurioje R yra rezistoriaus arba reostato varža. Naudodami U ir I matavimo duomenis, brėžiame grafiką, vadinamą voltamperine charakteristika.

Paimkite ampermetru ir voltmetru gautus duomenis: matuojama išorinės grandinės dalies įtampa U_iš ir srovės stipris I keičiant reostato varžą. Pagal Omo dėsnį apskaičiuokite išorinės grandinės dalies elektrinę varžą R = U / I. Kiekvienam reostato nustatymui užfiksuokite U ir I.

Taip pat skaitykite: Ampero dėsnis: srovės stiprio įtaka

Vidinės varžos r nustatymas

Išmatuotas EVJ E ir elektrinė įtampa šaltinio gnybtuose U leidžia apskaičiuoti nuolatinės elektros srovės šaltinio vidinę elektrinę varžą r, pasinaudojant ryšiu:

r = (E - U) / I

Jei braižome voltamperinę charakteristiką (U priklausomybė nuo I), tai tiesės ištraukos pagal I = 0 rodo U = E, o tiesės nuolydis -r (pakitimas U / pakitimas I) suteikia vidinę varžą r, nes U = E - I r.

Eksperimento praktiniai žingsniai

1. Sudarykite grandinę: srovės šaltinis, reostatas (arba vielinis rezistorius), ampermetras nuosekliai; voltmetras lygiagrečiai šaltiniui.
2. Esant nesujungtam jungtukui J1, voltmetru išmatuokite elektros srovės šaltinio EVJ (tai atsitinka esant atidarytam jungikliui, I = 0).
3. Uždarius jungiklį, keisdami reostato varžą, matuokite srovės stiprį I ampermetru ir įtampą U voltmetru kiekvienam reostato padėčiai.
4. Paskaičiuokite kiekvienam taškui išorinę varžą R = U / I ir vidinę varžą r = (E - U) / I.
5. Nubrėžkite voltamperinę charakteristiką U = f(I) ir nustatykite iš jos E (I = 0) bei r (tiesės nuolydis).

Matuotų dydžių matavimo paklaidos

Apskaičiuokite matuotų dydžių matavimo paklaidas atsižvelgdami į prietaisų klasę ir netikslumus. Voltmetro ir ampermetro vidinės varžos gali įtakoti matavimus: voltmetras turi labai didelę varžą, kad minimaliai apkrautų grandinę; ampermetras turi mažą varžą ir jungiamas nuosekliai, bet jis priduria papildomą nuokrypį visai grandinei.

Realiuose matavimuose reikia pakartoti eksperimentą kelis kartus, keisdami reostatu išorinės grandinės elektrinę varžą, kad būtų pašalinti atsitiktiniai paklaidumo komponentai ir gautas patikimas vidurkis bei standartinis nuokrypis.

Taip pat skaitykite: Kaip dažnis veikia srovės stiprį?

Praktiniai pastebėjimai ir paaiškinimai

• Ampermetro rodmenys didėja artinant elektrodus (mažinant vidinę kliūtį) ir mažėja juos tolindami - tai aiškus vidinės varžos buvimo įrodymas.
• Voltmetras, esant išjungtam jungikliui, rodo didžiausią šaltinio įtampą, kuri lygi elektrovarai E.
• Panaudojant U ir I matavimo duomenis, brėžiamas grafikas, vadinamas voltamperine charakteristika; tai ekvivalentu Omo dėsnio taikymui grandinės daliai ir visai grandinei.
• Elektros srovę, jos savybes ir Omo dėsnį galima paaiškinti elektronine teorija.

Rekomendacijos laboratoriniam darbui

• Naudokite voltmetrą su kuo didesne įvesties varža ir ampermetrą su kuo mažesne vidine varža, kad matavimai būtų tikslesni.
• Registruokite kelis matavimo taškus skirtingoms reostato padėčiai, kad įvertintumėte tiesės nuolydį ir gautumėte patikimą r vertę.
• Apskaičiuokite paklaidas ir nurodykite matavimų neatitikimus; pakartotiniai matavimai sumažins atsitiktines klaidas.

Lentelė: pavyzdiniai matavimo duomenys ir apskaičiavimai

Nr.	U (V)	I (A)	R = U/I (Ω)	r = (E-U)/I (Ω)
1	1.50	0.10	15.0	0.5
2	1.40	0.20	7.0	0.5
3	1.20	0.40	3.0	0.5

Pastaba: pateikti skaičiai yra pavyzdiniai ir iliustruoja, kaip apskaičiuojami R ir r, remiantis įtampa U, srove I ir elektrovara E (čia E = 1.6 V).

tags: #sroves #saltinio #elektrovaros #matavimas #kompensacijos #budu