Работа 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ КОМПЕНСАЦИОННЫМ МЕТОДОМ

Принадлежности: батарея щелочных аккумуляторов, нормальный элемент Вестона, исследуемые источники э. д. е.: гальванический элемент Лекланше, щелочной аккумулятор, реохорд, магазин сопротивлений, гальванометр, двух­полюсный перекидной рубильник, двойной ключ.

Электродвижущей силой ё гальванического элемента назы­вается разность потенциалов, возникающая на его полюсах при отсутствии разрядного тока. Разность потенциалов V, измеренная

 

Рис. 15. Схема и?.ме-        Рис. 16. Компенсационная

рения э. д. с. вольт-            схема для измерения э.д.с.

метром.

в присутствии тока через элемент, оказывается меньше на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении элемента:

V = »-//?,        (1)

где I — ток через элемент, a R — внутреннее сопротивление эле­мента. Обычные вольтметры, действие которых связано с прохожде­нием через них электрического тока, непригодны поэтому для точ­ного измерения э. д. с. (рис. 15).

Одним из самых удобных методов определения электродвижу­щих сил является компенсационный метод. Схема установки, слу­жащей для измерений, изображена на рис. 16. Вспомогательная

батарея <о0 с электродвижущей силой, заведомо превосходящей электродвижущую силу исследуемого элемента, поддерживает по­стоянный ток / в цепи реохорда АБ. Исследуемый источник э. д. с. §х одним концом присоединяется к точке Л, а другим — через гальванометр G и магазин сопротивлений МС — к движку реохорда (точка Д). Сопротивление участка АД пропорционально его длине /, так что г = al.

Компенсация электродвижущих сил возможна только в том случае, если вспомогательная батарея и исследуемый элемент включены одноименными полюсами навстречу друг другу.

Падение потенциала на всем реохорде больше, чем э. д. с. исследуемого элемента, поэтому всегда можно подобрать участок реохорда такой длины АД = 1Х, чтобы падение потенциала на нем Vx равнялось ёих. В цепи гальванометра участок реохорда АД можно рассматривать как некий новый источник Vx, включенный навстречу источнику &х. Ток через гальванометр будет равен нулю, если

Vx = Irx=Ialx = $x.       (2)

Для определения величины тока, протекающего через реохорд, применяется нормальный элемент Вестона, электродвижущая сила которого строго постоянна в течение длительного времени.

Элемент Вестона включается в цепь гальванометра вместо иссле­дуемого элемента; при этом компенсация происходит при некотором новом положении движка Д:

SN = Vu = IrN = Ial/v.

Из равенств (2) и (3) получаем

V

 

 

Итак, измерение э. д. с. элемента дится к измерению длин участков хорда. В компенсационном методе гальванометра заключается не в том, чтобы  &о

измерять ТОК, а В ТОМ, чтобы устапавли- Рис. 17. Монтажная ком- вать его отсутствие. В схеме применяются пенсациониая схема, поэтому очень чувствительные приборы

(нуль-гальванометры) с плохо сделанной шкалой, содержащей иног­да всего несколько делений.

Описание установки. Применяемая в работе схема, изображен­ная на рис. 17, несколько отличается от описанной выше.

Исследуемый элемент &х и нормальный элемент e;N включаются в цепь гальванометра попеременно с помощью двухполюсного пере­кидного рубильника /Сх. В качестве вспомогательной батареи <з'0 используется батарея щелочных аккумуляторов. Замыкание цепи

вспомогательной батареи <з0 и гальванометра производится двой­ным ключом /С2. Ключ Кг устроен таким образом, чтобы при нажа­тии кнопки вначале замыкалась цепь вспомогательной батареи и реохорда, а затем цепь гальванометра.

При всех измерениях цепь вспомогательной батареи ё0 и цепь элементов §N и должна замыкаться ключом /С2 лишь на короткое время. Это требование должно выполняться особенно тщательно, когда к схеме подключается элемент Вестона, не терпящий пере­грузок. Длительное потребление тока от этого элемента не должно превосходить 10~6А.

Чтобы предохранить гальванометр и нормальный элемент от больших токов, последовательно с гальванометром включается большое сопротивление МС. В начале работы магазин сопротив­лений МС должен быть включен на максимальное сопротивление. Величина сопротивления уменьшается постепенно, по мере того, как компенсация становится настолько хорошей, что ее даль­нейшее уточнение при большом сопротивлений оказывается не­возможным.

При измерениях следует иметь в виду, что в процессе работы вспомогательная батарея разряжается, так что разность потен­циалов на ее зажимах и ток, идущий через реохорд, постепенно уменьшаются. Нормальный элемент и исследуемый элемент §х подключаются к схеме поочередно, поэтому разрядка вспомога­тельной батареи <?0 может привести к искажению результатов. Чтобы уменьшить возникшую при этом ошибку, рекомендуется придерживаться описанного ниже порядка измерений.

Измерения. 1. Проверьте величину сопротивления, включен­ного в магазине МС (оно должно быть максимальным). Убедитесь в том, что исследуемый элемент (например, гальванический эле­мент Лекланше) и вспомогательная батарея включены навстречу друг другу. Включите этот элемент в схему с помощью переклю­чателя

2.         Замыкая на короткое время ключ /С2 и перемещая движок Д по реохорду, найдите такое его положение, при котором гальвано­метр не реагирует на замыкание /С2. Затем, уменьшая сопротив­ление магазина до нуля, уточните компенсацию. Отметьте 1х1 — длину участка АД.

3.         Снова полностью включите магазин сопротивлений МС.

4.         С помощью переключателя /Сх вместо исследуемого источника э. д. с. включите нормальный элемент. Действуя, как это было указано в п. 2, скомпенсируйте э. д. с. нормального элемента. Отметьте длину /дг участка реорхорда, на котором произошла ком­пенсация.

5.         Введите полное сопротивление МС.

6.         Вновь включите исследуемый элемент ё°х. Найдите новое значение 1Х2. Из двух найденных значений длин реохорда возьмите

среднее и по нему с помощью формулы (4) вычислите э. д. с. иссле­дуемого элемента.

7.         Подсоедините вместо элемента Лекланше щелочной аккуму­лятор и измерьте его э. д. с.

8.         Оцените ошибку измерения.

Контрольные вопросы

1.         Как оценить минимальное значение э. д. с. вспомогательной батареи, если предстоит- провести измерения с источником, э. д. с. которого равна

2.         Объясните, почему в описании рекомендуется дважды измерить э. д. с. исследуемого источника. Почему эти измерения следует проводить не подряд, а до и после измерения э. д. с. нормального элемента?

Приложения. 1. Нормальный элемент Вестона. Нормаль­ный элемент Вестона применяется в работе в качестве эталона э. д. с. Он пред­ставляет собой гальванический ртутно-кадмиевый элемент, э. д. с. которого практически не меняется со временем. Электроды элемента расположены в гер­метически закрытых стеклянных трубках, соединенных между собой в виде

 

каджя)

Рис. 18. Нормальный элемент Вестона.

буквы Н (рис. 18). Положительным электродом является ртуть Hg, отрицатель­ным — амальгама кадмия (10% Cd, 90% Hg). Деполяризатором служит паста из смеси сернокислой ртути HgS04 и сернокислого кадмия CdS04. Электролитом является насыщенный раствор сернокислого кадмия.

Электродвижущаяся сила элемента Вестона при температуре 20° С равна ^20° = 1,0183 -т- 1,0187 В. Действительное значение э. д. с. указано на корпусе элемента.

Зависимость э. д. с. от температуры можно учесть по эмпирической формуле = {^20<} — 4,075 • 10~5 if — 20) — 9,444 • 10~7 (*-20)2 + 9,8 . 10"» tf-20)3.

Внутреннее сопротивление элемента Вестона 0,5 -s- 1,0 кОм. Для сохранения э. д. с. элемента ток через него не должен превышать 10-6 А, поэтому желательно подключать его через большое сопротивление.

При работе с элементом Вес гона необходимо выполнять ряд предосторож­ностей: его нельзя трясти и даже держать в руках, элемент должен быть защищен °т солнечных лучей.

2. Элемент Л е к л а н ш е. Элемент Лекланше (рис. 19) — сухой галь­ванический элемент, его э. д. с. около 1,5 В.

Цинковый контейнер, в котором находится содержимое элемента, является отрицательным электродом. С внутренней стороны к цинку прилегает пористый

материал (шпа промокательной бумаги), кото­рый покрыт толстым слоем пасты из алебастра, воды и хлористого аммония (нашатыря) NH4C1. В центре контейнера укреплен угольный стер­жень, являющийся положительным электродом элемента. Остальное пространство заполняется смесью перекиси марганца Мп02 с графитом, пропитанной раствором NH4C1. Нашатырь NH4C1 является электролитом, перекись мар = ганца Мп03 — деполяризатором. Элемент Лек­ланше применяется в тех случаях, когда нужно постоянное напряжение и слабые токи. При длительной непрерывной работе электроды эле­мента поляризуются.