SGK Vật Lí 11 - Bài 12. Thực hành: Xác định suất điện động và điện trở trong của một pin điện hoá

Thực hành : XÁC ĐỊNH SUẤT ĐIỆN ĐỔNG VÀ ĐIỆN TRỞ TRONG CUA MỘT PIN ĐIỆN HOÁ
Pin điện hoá luôn có điện trớ trong r khác 0. Khi có dòng điện / chạy qua pin thỉ hiệu điện thế u giữa hai cực cúa pin này bao giờ cũng nhó hơn suất điện động $ cúa pin. Hơn nữa, nếu cường độ-dòng điện / lớn thì pin điện hoá sẽ bị phân cực mạnh (do chất khứ cực tác dụng không kịp) nên điện trớ trong rcúa pin sẽ tăng. Khi đó, hiệu điện thế u giữa hai cực cúa pin điện hoá càng nhó so với suất điện động C cúa pin, đồng thời giá trị cúa cường độ dòng điện / chạy qua pin không ốn định. Vậy ta phái lựa chọn phương pháp và các dụng cụ đo như thế nào để có thế xác định được giá trị cúa suất điện động ễ” và điện trớ trong r cúa pin điện hoá ?
- MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM
Áp dụng hệ thức hiệu điện thế của đoạn mạch chứa nguồn điện và định luật Ôm đối với toàn mạch để xác định suất điện động và điện trở trong của một pin điện hoá.
Sử dụng các đồng hồ đo điện đa năng hiện số (Digital Multimeter) để đo hiệu điện thế và cường độ dòng điện trong các mạch điện.
DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM
Bộ thiết bị thí nghiệm “Xác định suất điện động và điện trở trong của một pin điện hoá” được bố trí như Hình 12.1.
Hình 12.1
Pin điện hoá (loại pin “Con thỏ”).
Biến trở núm xoay R (loại 10 Q X 10).
Đồng hồ đo điện đa năng hiện số (DT-830B) dùng làm chức năng miliampe kế một chiều A.
Đồng hồ đo điện đa năng hiện số (DT-830B) dùng làm chức năng vôn kế một chiều V.
V7Y
Điện trở bảo vệ y?Q.
_L+
T-
X
Bộ dây dân nối mạch điện có hai đầu phích cắm.
Khoá đóng - ngắt điện K.
Ill-Cơ SỞ Lí THUYẾT
Hình 12.2
m Hãy nói rõ chức năng hoạt động của miliampe kế A, biến trở R, và điện trở bảo vệ Ro mắc trong mạch điện trên Hình 12.2.
Xét mạch điện kín gồm một pin điện hoá có suất điện động ễ’ và điện trở trong r mắc nối tiếp với điện trở bảo vệ Rq, miliampe kế A và biến trở núm xoay R (Hình 12.2).
Áp dụng hệ thức (10.1) đối với hiệu điện thế của đoạn mạch MN chứa nguồn điện, ta có thể viết:
t/MN = t/ = ỹ-/(/?o + r) (12.1)
Hình 12.3
Muốn xác định giá trị của suất điện động % và điện trở trong r của nguồn điện, ta phải mắc vôn kế V vào hai đầu đoạn mạch MN để đo hiệu điện thế u (Hình 12.3). Nhưng nếu vôn kế V có điện trở không lớn, thì khi mắc nó vào hai đầu đoạn mạch MN, cường độ dòng điện / chạy trong đoạn mạch sẽ tăng lên và hiệu điện thế u sẽ bị giảm nhỏ so với giá trị cần đo.
Tại sao khi mắc một vôn kế V có điện trở không lớn vào hai đầu đoạn mạch MN thì cường độ dòng điện I trong đoạn mạch lại tăng lên và hiệu điện thế u giữa hai đầu đoạn mạch này lại giảm nhỏ ?
Để khắc phục khó khăn trên, người ta dùng vôn kế hiện số V có điện trở trong lớn (cỡ mêgaôm) sao cho khi mắc nó vào hai đầu đoạn mạch MN, thì cường độ dòng điện ỉ trong đoạn mạch không bị thay đổi (do cường độ dòng điện chạy qua vòn kế V có cường độ rất nhỏ, có thể bỏ qua). Như vậy, ta có thể mắc vôn kế hiện số V vào hai đầu của một đoạn mạch bất kì trong mạch kín mà không làm ảnh hưởng đến cường độ dòng điện và hiệu điện thế của đoạn mạch đó.
Hơn nữa, cần phải chọn giá trị thích hợp của điện trở Ro để dòng điện chạy qua pin điện hoá có cường độ đủ nhỏ, sao cho chất ôxi hoá có thể khử kịp sự phân cực của pin. Khi đó, giá trị điện trở trong r hầu như không bị thay đổi.
Nếu thay hiệu điện thế u = I(R + /?A) đối với đoạn mạch MN chứa các điện trở R của biến trở và /?A của miliampe kế 4 vào hệ thức (12.1), ta sẽ nhận được hệ thức của định luật Ôm đối với toàn mạch có dạng :
$
R + 7?A + 7?0 + 7"
(12.2)
IV - GIỚI THIỆU DỤNG cụ ĐO
Đồng hồ đo điện đa năng hiện sô
Đồng hồ đo điện đa năng hiện số DT-830B (Hình 12.4) là dụng cụ đo điện hiện đại, gồm 2000 điểm đo có thể hiển thị bằng 4 chữ số từ 0000 đến 1999 nhờ các tinh thể lỏng (LCD), ở mặt sau, bên trong đồng hồ có một pin 9 V cấp điện cho đồng hồ hoạt động và một cầu chì bảo vệ 0,2 A.
Loại đồng hồ này có nhiều thang đo ứng với các chức năng khác nhau như : đo điện áp một chiều (DCV), đo điện áp xoay chiều (ACV), đo cường độ dòng điện một chiều (DCA), đo điện trở (£1),...
Những điểm cần chú ý thực hiện
Khi sử dụng đồng hồ DT-830B, ta vặn núm xoay của nó đến vị trí tương ứng với chức năng và thang đo cần chọn. Sau đó nối các cực của đồng hồ vào mạch điện. Gạt núm bật - tắt (ON - OFF) sang vị trí “ON” để các chữ số hiển thị trên màn hình của nó.
Nếu chưa biết rõ giá trị giới hạn của đại lượng cần đo, ta phải chọn thang đo có giá trị lớn nhất phù hợp với chức năng đã chọn.
Không đo cường độ dòng điện và hiệu điện thế vượt quá giới hạn thang đo đã chọn.
Không chuyển đổi chức năng thang đo của đồng hồ khi đang có dòng điện chạy qua nó.
Tại sao không được phép dùng nhầm thang đo cường độ dòng điện của đồng hồ đo điện đa năng hiện số để đo hiệu điện thế trong mạch điện ?
Không dùng nhầm thang đo cường độ dòng điện để đo hiệu điện thế.
Khi thực hiện xong các phép đo, phải gạt núm bật - tắt của đồng hồ về vị trí “OFF” để tắt điện trong đồng hồ.
Phải thay pin 9 V bên trong đồng hồ khi ở góc trên bên trái màn hình của nó hiển thị kí hiệu
Phải tháo pin 9 V này ra khỏi đồng hồ nếu trong thời gian dài (khoảng vài tháng) không sử dụng nó.
V - TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM
Mắc pin điện hoáỹ vào mạch điện Hình 12.3, trong đó chọn điện trở Ro « 20 Q để cường độ dòng điện chạy qua pin điện hoá không vượt quá 100 mA và chú ý đặt đúng :
- 'Khoá K ở vị trí ngắt điện (OFF);
Biến trở R ở vị Trí 100 Q ;
Miliampe kế hiện số A ở vị trí DCA 200m, cực dương (+) là lỗ cắm “VQmA”, cực âm (-) là lỗ cắm “COM” ;
Trong mạch điện Hình 12.3, nếu để biến trở R hở mạch, thì số chỉ của vôn kế V sẽ bằng bao nhiêu ? Số chỉ này có đúng bằng giá trị suất điện động?’ của pin điện hoá mắc trong mạch điện không ?
- Vôn kế hiện số V ở vị trí DCV 20, cực (+) là lỗ cắm “VQmA”, cực (-) íà lỗ cắm “COM”.
Gạt núm bật - tắt của miliampe kế A và của vôn kế V sang vị trí “ON”. Đóng khoá K. Ghi giá trị ổn định của cường độ dòng điện ỉ trên miliampe kế A và của hiệu điện thế u trên vôn kế V vào Bảng thực hành 12.1. ẼỊThực hiện lại động tác (2) nêu trên ứng với môi giá trị điện trở của biến trở R, bằng cách vặn núm xoay của nó sang vị trí tiếp sau để giảm dần điện trở của biến trở R từ 100 Q xuống tới 30 Q, mỗi lần giảm 10 Q.
/
Dùng vôn kế hiện số đặt ở vị trí thang đo DCV 2000m, lần lượt mắc song song với điện trở Rq và /?A trong mạch điện Hình 12.2 để đo hiệu điện thế ư ở haỉ đầu mỗi điện trở ứng với cường độ dòng
điện I chạy qua các điện trở. Từ đó suy ra giá trị của
' v	_ Í7'	. T .' .
Rữ và /?A theo công thức : R = — Ghi các giá trị của Rq và Ra vào Bảng thực hành 12.1.
Xác định giá trị suất điện động?’ và điện trở trong r của pin điện hoá theo một trong hai phương án sau đây :
• Phương án thứ nhất
Căn cứ các giá trị tương ứng của ỉ và u trong Bảng thực hành 12.1 :
Phải vẽ đường biểu diễn của đồ thị u = f(I) như thế nào để phù hợp với phép tính giá trị trung bình (thống kê) đối với các giá trị I và u ghi được trong Bảng thực hành 12.1 ?
Vẽ đồ thị u = f\ỉ) biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu điện thế u của đoạn mạch MN chứa nguồn điện vào cường độ dòng điện I trong đoạn mạch (Hình 12.5) để nghiệm lại hệ thức (12.1).
Xác định toạ độ Uo và Im của các điểm tại đó đường kéo dài của đồ thị u =fự) cắt trục tung và trục hoành :
/ = 0=>í/0=ý	(12.3)
<12-4)
Từ (12.3) và (12.4), suy ra giá trị suất điện động ễ? và điện trở trong r của pin điện hoá.• Phương án thứ hai
Có thể viết hệ thức (12.2) dưới dạng :
Hình 12.6
7 (R + RÁ + Ro + >')
'hay	y=Ậ(x + ồ)	(12.5)
với	y = y ; A" - R ; b = y?A + Ro + r.
Căn cứ các giá trị tương ứng của R và I trong Bảng thực hành 12.1 :
Tính các giá trị tương ứng của y và X.
Vẽ đồ thị y =/(x) biểu diễn gián tiếp sự phụ thuộc của cường độ dòng điện I trong mạch kín vào điện trở của biến trở R (Hình 12.6) để nghiệm lại định luật Ôm đối với toàn mạch theo hệ thức (12.2).
Xác định toạ độ y0 và xm của các điểm tại đó đường kéo dài của đồ thị y = /(X) cắt trục tung và trục hoành :
y = ° => Xn = ~b	(12.6)
* =	(12.7)
&
Từ (12.6) và (12.7), suy ra giá trị suất điện động và điện trở trong r của pin điện hoá.
BÁO CÁO THỰC HÀNH
Họ và tên	Lớp
Tên bài thực hành :
2 Bảng thực hành 12.1
Giá tri: Ro =	(Q); RA =	(Q)
X = R (Q)
/ (10“3A)
Ư(V)
y=}(A-1)
100
90
80
70
60
50
40
30
• Phương án thứ nhất
Vẽ đồ thị u =fiĩ) trên giấy kẻ ô vuông (khổ A4) với tỉ xích thích hợp, hoặc vẽ trên máy vi tính, trong Microsoft Excel.
Nhận xét và kết luận :
Dạng của đồ thị u =f(T) có giống với Hình 12.5 không.
Hệ thức (12.1) đối với đoạn mạch chứa nguồn điện có được nghiệm đúng không.
Xác định toạ độ Uo và /m của các điểm tại đó đường kéo dài của đồ thị u - fij) cắt trục tung và trục hoành :
• Phương án thứ hai
Tính các giá trị tương ứng của y và X trong Bảng thực hành 12.1.
Vẽ đồ thị y =/(%) trên giấy kẻ ô vuông (khổ A4) với tỉ xích thích hợp, hoặc vẽ trên máy vi tính, trong Microsoft Excel.
Nhận xét và kết luận :
Dạng của đồ thị y =f(x) có giống với Hình 12.6 không.
Định luật Ôm đối với toàn mạch (hệ thức (12.2)) có được nghiệm đúng không.
xấc định toạ độ xm và y0 của các điểm tại đó đường kéo dài của đồ thị y -f{x) cắt trục tung và trục hoành :
y = 0 => xm =	= -(7?A + Rữ + r) =	 (Q)
% = 0=>y0=|=	 (Q/V)
Từ đó suy ra : ỹ =	 (V) ; r =	 (Q)
CÂU HỎI
IS
Vẽ mạch điện và mô tả phương pháp xác định suất điện động và điện trở trong cùa pin điện hoá theo phưong án thứ nhất của thí nghiệm này.
Vẽ mạch điện và mô tả phương pháp xác định suất điện động và điện trở trong của pin điện hoá theo phương án thứ hai trong thí nghiệm này.
Muốn sử dụng đồng hồ đo điện đa năng hiện số làm chức năng miliampe kế hoặc vỏn kế một chiều, ta phải làm như thê’ nào ?
Nêu những điểm cần chú ý thục hiện khi sử dụng đồng hồ này.
Tại sao có thể mắc nối tiếp vôn kế vói pin điện hoá thành mạch kín để đo hiệu điện thế u giữa hai cực của pin, nhưng không được mắc nối tiếp miliampe kế với pin này thành mạch kín để đo cuờng độ dòng điện chạy qua pin ?
Tại sao cần phải mắc thêm điện trờ bảo vệ Ro nối tiếp vói pin điện hoá trong mạch điện ?
Với các dụng cụ thí nghiệm đã cho trong bài này, ta có thể tiến hành thí nghiệm theo những phưong án nào khác nữa ?
Em có biết ?
CÁCH TÍNH SAI SỐ CÚẤ ĐồNG Hồ ĐO ĐIỆN HIỆN sỏ Nếu /m là giá trị giới hạn của thang đo cường độ dòng
điện thì độ phân giải của thang đo tính bằng :
“= 2TO0 (A/diSÌ,)
Giả sử A/m là sai số tuyệt đối của /m. Khi đó, sai số tỉ đối của/m bằng:	A/m
và gọi là cấp chính xác cúa thang đo. Trường họp này, sai số tuyệt đối của cường độ dòng điện / hiển thị trên đồng hồ đo điện đa năng hiện số được tính theo công thức :
À/ = 81 + na
trong đó, cấp chính xác 8 và số digit n được quy định bởi nhà chế tạo đối với mỗi thang đo (xem Báng 12.1).
Ví dụ : Nếu chọn thang đo DCA 200 mA của đồng hồ hiện số DT-830B và đo được I = 26,0 mA, thì ta có :
2 00
AI = 1,2%.26,0 + 2.^555 « 0,5 mA
nghĩa là cường độ dòng điện I đo được nằm trong khoáng các giá trị :
Chức
năng
Thang đo
ổ
(%)
n
200 mV
DCV
2 000 mV
0,5
2
20 V.
200 V
1 000 V
0,8
2
DCA
200 qA
1,0
2
2 000 pA
20 mA
200 mA
1,2
2 1
10A
2,0
2
Bảng 12.1
Các thông số kĩ thuật của đóng hổ DT-830B
(26,0 - 0,5) mA < I < (26,0 + 0,5) mA hay I = (26,0 ± 0,5) mA