Лабораторные работы по курсу «Электродинамика»
Вводная лабораторная работа.
ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ.
Цель работы: Ознакомиться с принципом действия, назначением, правилами пользования электроизмерительных приборов и источниками питания. Научиться пайке проводов на примере простейших электрических цепей.
Электроизмерительным прибором называется совокупность деталей и механизмов, служащих для измерения какой либо электрической величины. Действие электроизмерительных приборов основано на использовании различных проявлений электрического тока или электрических зарядов.
В электроизмерительных приборах эти проявления электрического тока преобразуются в механические перемещения какого-либо указателя (стрелки). По величине перемещения или поворота подвижной части судят о величине измеряемого параметра.
Поворот вызывается вращающим моментом, возникающим в приборе под действием измеряемой величины. Прибор конструируют так, чтобы различным значениям измеряемой величины соответствовал различный угол поворота. Для этого создают противодействующий момент (например при помощи пружины), в результате чего каждому значению измеряемой величины соответствует определенное положение равновесия подвижных частей прибора. Это равновесие обычно устанавливается не сразу, возникают затухающие колебания. Для быстрого успокоения колебаний в приборе предусматриваются успокоители (демпферы).
По способу преобразования измеряемой величины во вращающий момент и конструкции измерительного механизма приборы разделяют на: 1) электромагнитные; 2) магнитоэлектрические; 3) электродинамические; 4) ферродинамические; 5) индукционные; 6) электростатические; 7) вибрационные; 8) тепловые.
Магнитоэлектрические приборы (МЭП).
В приборах этой системы используют взаимодействие постоянного магнита с проводниками, по которым протекает ток. Подвижной частью служит рамка, помещенная в воздушном зазоре между полюсными наконечниками постоянного магнита. Рамка представляет собой каркас прямоугольной формы, на которой намотана обмотка из тонкого провода. Рамка может вращаться на подшипниках или подвесах. Ток к рамке подводится через спиральные пружины или подвесы, служащие так же для создания противодействующего момента.
Момент сил, действующий на рамку с током в магнитном поле Mвр=BSNI , где B - индукция в зазоре, S - площадь витков рамки, N - число витков, I - ток.
Mвр поворачивает рамку так, чтобы ее пронизывал максимальный магнитный поток и чтобы направление ее собственного магнитного поля совпадало с направлением поля постоянного магнита. Этому повороту препятствуют спиральные пружины, создающие противодействующий момент Mпр=ka , где a - угол поворота рамки, k - коэффициент упругости. Движение рамки прекращается при равенстве вращающего и противодействующего моментов Mвр=Mпр, или BSNI =ka.
Для магнитоэлектрических приборов BSN=const, и a=(BSN/k)I, т. е. a~I. Величина BSN/k характеризует чувствительность приборов (отклонение вызванное единицей тока). Для повышения чувствительности увеличивают BSN и уменьшают k .
В высокочувсвительных приборах увеличение чувствительности идет по пути уменьшения противодействующего момента: подвижная часть подвешивается на кварцевой посеребреной нити или растяжках.
Шкала МЭП равномерна, т. к. угол отклонения пропорционален току, протекающему через прибор. Однако это будет тогда, когда магнитное поле в зазоре однородно и радиально. Для обеспечения однородности и радиальности магниты снабжают полюсными наконечниками с цилиндрической выточкой, между которыми вмонтирован цилиндр.
В качестве успокоителя в этих приборах используется алюминиевый каркас, при колебаниях около положения равновесия в каркасе наводится ток, который по правилу Ленца тормозит движение рамки и создает успокаивающий момент.
Итак, достоинствами приборов магнитоэлектрической системы являются: 1) высокая чувствительность; 2) равномерность шкалы; 3) приборы неподвержены влиянию внешних магнитных полей.
Недостатки: 1) направление вращающего момента зависит от направления тока и поэтому приборами этой системы можно измерять только постоянный ток; 2) МЭП приборы чувствительны к перегрузкам.
Электромагнитные приборы (ЭМП).
В ЭМП используется взаимодействие неподвижной катушки с током и сердечником из магнитомягкого материала укрепленного на одной оси со стрелкой.
Сечение провода с катушкой и число витков зависит от назначения прибора (амперметр или вольтметр). Сердечник, в зависимости от напряженности магнитного поля катушки, втягивается зависимости от напряженности магнитного поля катушки, втягивается больше или меньше в щель катушки. Противодействующий момент создается спиральной пружиной. Вращающий момент Mвр=сI2. Противодействующий момент Mпр=ka, в связи с этим a=(с/k)I2 . Коэффициент с зависит от числа витков, формы сердечника относительно неподвижной катушки. Если с постоянно, то угол отклонения пропорционален квадрату тока. Эта шкала неудобна, т. к. не обеспечивает точного отсчета при малых значениях измеряемой величины.
В действительности с меняется по мере перемещения сердечника, что дает возможность улучшить шкалу прибора, приблизив ее к равномерной путем подбора формы сердечника и расположения его относительно катушки. Но в начале шкалы деления все же сильно сжаты, поэтому у электромагнитных приборов часть шкалы от 0 до 20% считается нерабочей.
При протекании по катушке переменного тока сердечник перемагничивается одновременно с изменением направления тока, в следствие чего направление вращающего момента не меняется и приборы пригодны как для измерения переменного, так и постоянного тока.
В ЭМП используются как электромагнитные так и воздушные успокоители. Поршневые (воздушные) успокоители изготавливаются в виде трубки, изогнутой по окружности, центр которой с центром вращения подвижной части. Камера закрыта с одной стороны. Сквозь вторую открытую сторону в нее входит пластинка в виде поршенька, закрепленного на длинном изогнутом стержне.
При электромагнитном торможении с подвижной частью скрепляют металлическое (обычно алюминиевое) тело, движущееся в поле постоянного магнита.
Магнитный поток катушек ЭМП замыкается по воздуху, собственное магнитное поле этих приборов относительно слабое и они чувствительны к влиянию внешних магнитных полей. Для уменьшения этих влияний ЭМП делают либо экранированными, т. е. прибор защищают стальным экраном, либо в приборах вместо одной катушки с сердечником делают две неподвижные катушки и два стальных сердечника, насаженных на одну ось. Витки обмоток намотаны в противоположных направлениях и соединены последовательно, поэтому их магнитные поля направлены навстречу друг другу. В зависимости от направления внешнего магнитного поля вращающий момент, созданный одной катушкой, усиливается, а созданный другой катушкой, ослабляется.
Достоинства ЭМП: 1) простое устройство; 2) возможность измерять постоянный и переменный ток; 3) устойчивость к перегрузкам.
Недостатки ЭМП: 1) неравномерная шкала; 2) относительно низкая чувствительность; 3) влияние внешних магнитных полей.
Электродинамические приборы (ЭДП).
Электродинамические приборы основаны на взаимодействии двух катушек с токами. Одна из катушек неподвижно закреплена в приборе, состоит из небольшого числа витков толстой проволоки, другая подвижная, обладающая малым весом, состоит из большого числа витков тонкой проволоки. Если по катушке проходят токи, то между магнитными потоками возникает сила взаимодействия, стремящая установить подвижную катушку так, чтобы через ее плоскость проходил максимальный магнитный поток и направления магнитных моментов обеих катушек совпадали. Вращающий момент, действующий на подвижную катушку Mвр=cIпIн, где c - коэффициент, зависящий от числа витков, формы катушек и взаимного расположения.
Противодействующий момент создается двумя спиральными пружинами Mпр=ka . Подвижная катушка поворачивается до тех пор, пока вращающий момент не станет равен противодействующему cIпIн=ka.
В зависимости от схемы включения ЭДП могут быть использованы в качестве амперметров, вольтметров, ваттметров.
ЭДП чувствительны к влиянию внешних магнитных полей, поэтому они экранируются или делаются астатическими.
Достоинства ЭДП: 1) высокая чувствительность; равномерность шкалы у ваттметров.
Недостатки ЭДП: 1) подвержены влиянию внешних магнитных полей; 2) неравномерность шкалы; 3) большая чувствительность к перегрузкам; 4) подвержены влиянию частоты измеряемого тока.
Шкалы приборов.
Отсчетные устройства состоят из шкалы и указателя. Шкалы бывают именованными и условными. На условных шкалах требуется определение цены деления c=Amax/N, где Amax - предел измерения электрической величины, N - число делений шкалы. Условные шкалы обычно применяют в многопредельных приборах.
Перед измерением необходимо установить стрелку на нуль. Это осуществляется при помощи корректора, расположенного на корпусе ниже шкалы.
Качественные показатели прибора.
В результате совершенства конструкции, неточной градуировки, влияния различных внешних факторов (температура, частота, внешнее магнитное поле) действительное значение измеряемой величины всегда несколько отличается от нормального. Разность между показаниями измерительного прибора и действительным значением измеряемой величины называется абсолютной погрешностью измерительного прибора.
Dx=xэ-xизм
За действительное значение принимают значения, полученные по наиболее точным (эталонным) приборам. Погрешности приборов зависят от условий работы: чем ближе условия работы к условиям градуировки тем меньше погрешность.
Более полное представление о точности прибора дает относительная погрешность
(1)
Однако относительная погрешность характеризует точность прибора в данной точке шкалы. Поэтому для характеристики всего прибора вводят приведенную погрешность прибора, выраженную в процентах, называемую классом точности
(2)
Отсюда абсолютная погрешность измеряемой величины x равна
Видно, что для данного прибора абсолютная погрешность является величиной постоянной в любой части шкалы, т. е. не зависит от конкретного показания прибора и определяется его классом точности и приделом измерения.
Относительная погрешность измерения равна
или 
и зависит от конкретного значения измеряемой величины x. Она больше в левой половине шкалы xÕ0 ; и меньше в правой xÕxmax. Поэтому измерения лучше проводить с величинами, которые отсчитываются во второй половине шкалы. Это соответствует грамотному использованию измерительного прибора.
Указывается:
1. единица измеряемой величины A, V, W;
2. класс точности прибора, например 0,1;
3. род тока ─ ~ ~;
4. система прибора: а) магнитоэлектрическая
б) электромагнитная ;
в) электродинамическая ;
5. категория зашиты от внешних магнитных и электрических полей:
а) магнитная защита
б) электростатическая защита
в) астатический;
6. группа приборов по условиям эксплуатации:
А - в закрытом отапливаемом помещении;
Б - в не отапливаемом помещении;
В - в полевых условиях;
7. рабочее положение:
а) или ^ - вертикальное;
б) ® или ⌐ - горизонтальное;
8. испытание напряжения электрической изоляцией токоведущих частей прибора или.
Устройство, принцип действия и пользование школьным регулятором напряжения (РНШ).
В автотрансформаторе на ферромагнитном тороидальном сердечнике намотана одна обмотка. Эта единственная обмотка используется и как первичная и как вторичная.
Часть витков обмотки подключена к сети 220 В, вторичная же обмотка делается с переменным числом витков (напряжение снимается с одного из ее концов и с движка, передвигаемого по ее виткам).
Автотрансформатор со скользящим контактом позволяет получать плавно регулируемое напряжение переменного тока Uвых в пределах от нуля до двух-трехкратного напряжения сети, регулятор же напряжения школьный РНШ (или лабораторный автотрансформатор - сокращенно ЛАТР) позволяет плавно регулировать переменное напряжение от 0 до 250 В. Положение ручки автотрансформатора перед включением в сеть должно быть в крайнем левом положении, что соответствует напряжению на выходе равном нулю.
Ампервольтомметр (АВОметр).
АВОметр является комбинированным электроизмерительным прибором, предназначенным для измерения силы и напряжения электрического тока, сопротивления постоянному току.
При измерении сопротивления постоянному току прибор используется как омметр стрелка которого показывает на шкале измеряемое сопротивление в Омах.
Омметр представляет собой магнитоэлектрический миллиамперметр или микроамперметр с добавочным регулятором и батарейкой. Резистор с измеряемым сопротивлением Rx обычно включается последовательно в цепь омметра (рис. 2).
Когда резистор (Rx) не включен, то цепь разомкнута. Тогда ток через прибор не проходит и стрелка омметра находится в крайнем левом положении. (То положение обозначено на шкале символом бесконечно большого сопротивления ∞ ).
Если зажимы для измеряемого сопротивления замкнуть накоротко, то стрелка омметра должна отклониться в крайнее правое положение, которое на шкале отмечено нулем, т. к. оно соответствует измеряемому сопротивлению, равному нулю.
Таким образом, у омметра нуль на шкале справа.
При использовании омметра сначала устанавливают стрелку на бесконечность с помощью корректора при включенном резисторе с измеряемым сопротивлением. После этого замыкают накоротко зажимы измеряемого резистора и вращением ручки переменного резистора Rдоб устанавливают стрелку на нуль.
Предварительная установка на нуль необходима потому, что с течением времени напряжение батарейки омметра понижается.
Задание 1.
Ответить на 22 вопроса, помещенных в конце этого описания.
Задание 2.
Установить регулятор напряжения в крайнее левое положение, включить вилку в розетку и, вращая ручку ЛАТРа по часовой стрелке, убедиться, что ЛАТР регулирует плавно напряжение от 0 до 250 В.
Разобраться в принципе работы автотрансформатора (ЛАТРа).
Задание 3.
Научиться пользоваться АВОметром по описанию, измеряя сопротивление собственного тела, магазина сопротивлений, измеряя переменное напряжение в розетке и постоянное напряжение на разных пределах выпрямителя ВС 4-12.
Задание 4.
Измерить сопротивление двух резисторов R1 и R2 с помощью АВОметра, спаять их последовательно и проверить формулу общего сопротивления при последовательном соединении, затем спаять параллельно и проверить формулу сопротивления при параллельном соединении проводников.
Контрольные вопросы:
1. Какие классы точности электрических приборов существуют?
2. Что такое абсолютная ошибка?
3. Что такое относительная ошибка?
4. Что называется приведенной погрешностью?
5. Как обозначается на шкале магнитоэлектрическая, электромагнитная и электродинамическая системы?
6. Как обозначается горизонтальное рабочее положение прибора? Вертикальное положение?
7. Что обозначает на шкалах приборов буквы А, Б, В?
8. Для чего служит корректор?
9. Назначение спиральных пружин.
10. Основные требования к электроизмерительным приборам.
11. Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы.
12. Назначение алюминиевой рамки, на которую намотана катушка.
13. Назначение полюсных наконечников и стального цилиндра.
14. Почему шкала равномерная у приборов магнитоэлектрической системы?
15. Достоинство магнитоэлектрической системы.
16. Недостатки приборов магнитоэлектрической системы.
17. Принцип действия и устройство приборов электромагнитной системы.
18. Успокоение приборов электромагнитной системы.
19. Достоинство приборов электромагнитной системы.
20. Недостатки приборов электромагнитной системы.
21. Устройство и принцип действия приборов электродинамической системы.
22. Достоинства и недостатки приборов электродинамической системы.
Литература:
1. "Практикум по курсу общей физики". Выпуск 3, 1971, с. 5-16.
2. "Курс физики". Т.2, 1959, с. 357-362.
3. Н "Практикум по курсу общей физики ". 1969, с. 146-154.
Лабораторная работа № 1
Закон Ома
I) Проверка закона Ома для участка цепи.
Оборудование: источник питания В-24, реостат или магазин сопротивлений, вольтметр цифровой, амперметр цифровой, ключ, соединительные провода.
Задание 1.
1. Придумайте и соберите схему для исследования зависимости силы тока от напряжения на участке цепи. Сопротивление участка фиксировано.
2. Измеряя силу тока и напряжение, заполните таблицу.
U | ||||||
I |
3. Проведите измерения еще для 1 – 2 сопротивлений.
4. По данным таблиц постройте графики зависимости тока текущего через резистор от напряжения, подаваемого на него. Все графики построить в одной системе координат.
5. По полученным данным рассчитайте сопротивления резисторов и сравните их с измеренными с помощью омметра.
Вопрос 1. Каков смысл угла наклона графика?
Задание 2.
6. Придумайте и соберите схему для исследования зависимости силы тока от сопротивления участка цепи. Напряжение на участке фиксировано.
7. Измеряя силу тока и сопротивление, заполните таблицу.
R | ||||||
1/R | ||||||
I |
8. Проведите измерения еще для 1 – 2 напряжений.
9. По данным таблиц постройте графики зависимости тока текущего через резистор от его проводимости (1/R). Все графики построить в одной системе координат.
Вопрос 2. Каков смысл угла наклона графика?
II) Проверка закона Ома для полной цепи.
Оборудование: батарея гальванических элементов, реостат или магазин сопротивлений, вольтметр цифровой, амперметр цифровой, ключ, соединительные провода.
Задание 3.
10. Придумайте и соберите схему для исследования зависимости силы тока от внешнего сопротивления.
11. Измеряя силу тока и сопротивление, заполните первые две строчки таблицы.
R | ||||||
Iэксп | ||||||
Iтеор |
12. По данным таблиц постройте график зависимости тока текущего через резистор от сопротивления резистора.
13. По результатам измерений рассчитать ЭДС и внутреннее сопротивление батареи.
14. Измерить напряжение на клеммах батареи отключенной от цепи. Сравнить полученное значение с рассчитанным в пункте 13. Сделать выводы
15. .Рассчитать силу тока для каждого сопротивления, используя полученные значения ЭДС и внутреннего сопротивления. Полученные значения занести в таблицу.
16. В той же системе координат построить график зависимости рассчитанных значений тока от сопротивления.
Сделать выводы по всем трем заданиям.
Лабораторная работа № 2.
ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ КИРХГОФА.
Рассмотрим произвольную разветвленную сеть проводов, в отдельных участках которой включены гальванические элементы или другие источники тока.
Первое правило Кирхгофа.
В каждой точке разветвления проводов алгебраическая сумма сил токов равна нулю (рис 1.). Токи, идущие к точке разветвления, и токи, исходящие из нее, следует считать величинами разных знаков.
Например, применительно к рисунку 1 первое правило Кирхгофа запишется так: I1+I2–I3=0
Если бы это правило не соблюдалось, то в точках разветвления проводов накапливались бы электрические заряды, меняющиеся по времени. Вместе с ними бы менялось во времени электрическое поле, а потому токи не могли бы оставаться постоянными.
Второе правило Кирхгофа.
Выделим в сети произвольный замкнутый контур, состоящий из проводов. Сумма электродвижущих сил, действующих в таком контуре, равна сумме произведений сил токов в отдельных участках этого контура на их сопротивления.
Для доказательства достаточно рассмотреть случай, когда контур состоит из трех участков (рис. 2).
Применяя к ним закон Ома, может написать:
Складывая эти равенства, получим:
, т. е. второе правило Кирхгофа.
Правило Кирхгофа в каждом конкретном случае позволяют написать полную систему линейнах уравнений, из которых могут быть найдены все неизвестные токи. В исключении потенциалов из уравнений для токов и состоит упрощение, вносимое правилами Кирхгофа по сравнению с законами Ома.
При применении правил Кирхгофа надо поступать следующим образом: 1) Направления токов во всех участках сети следует обозначить стрелками, не задумываясь над тем, куда эти стрелки направить. Если вычисление покажет, что ток положителен, то его направление показано правильно. Если же ток отрицателен, то его истинное направление противоположно направлению стрелки.
2) Выбрав произвольный замкнутый контур, все его участки следует обойти в одном направлении (задать направление обхода по часовой или против часовой стрелки). Если это направление совпадает с выбраным направлением тока (стрелки), то слагаемое IR берется со знаком плюс. Если же эти направления противоположны, то оно берется со знаком минус. Если при обходе контура источник тока проходится от отрицательного полюса к положительному, то его электродвижущую силу следует считать положительной; в противоположном случае ее надо считать отрицательной.
3) Все Электродвижущие силы и все сопротивления проводов должны входить в систему уравнений.
Рассмотрим пример на правило Кирхгофа.
МОСТИК УИТСТОНА.
Схема мостика представлена на рис.3. Расставим проихвольно стрелки, указывающие направления токов. Имеется четыре точки разветвления: A, B, C, D. Применение к ним первого правила Кирхгофа приводит к четырем уравнениям:
(1)
Из этих уравнений независимы только три. Для определения шести неизвестных I, I1, I2, I3, I4, I5, требуется еще три уравнения. Их дает второе правило Кирхгофа. Применяя его, можно брать разные контуры. Но один из них обязательно должен содержать источник тока. Можно, например, взять контуры ABD, BDC и ABCFE. Для них второе правило Кирхгофа дает:
(2)
Здесь R - сопротивление участка CFEA, включая внутреннее сопротивление источника тока. Решая уравнения (2) совместно с уравнениями (1), можно вычислить все токи. Ограничимся выводом условия, при котором ток в мостике I5 обращается в нуль. Если I5=0, то из уравнений (1) следует I1=I2, I3=I4. После этого из первых двух уравнений (2) находим
Отсюда почленным делением находим известное условие
на котором основано действие мостика Уитстона для измерения сопротивлений проводов.
Задание 1.
Проверка первого закона Кирхгофа.
Собрать электрическую схему по рис.4 и убедиться, что в точке разветвления I1+I2-I=0
Задание 2.
Проверка второго закона Кирхгофа.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 |
