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:
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
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:
Из равенств (2) и (3) получаем
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.