metod_lab_el-magn

31

6.Рассчитать значение ε X исследуемого элемента по формуле (6).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1.Почему для работы источника тока необходимы силы неэлектростатической природы?

2.Что такое ЭДС источника тока?

3.Можно ли измерить ЭДС источника тока вольтметром?

4.В чем суть метода компенсации?

5. Можно ли добиться компенсации, если ЭДС батареи Б , меньше или равна ε X ,

εn ?

6.Нарушится ли компенсация, если изменить: R; R′ ; ЭДС батареи ε ?

7.Почему в методе компенсации на значение ЭДС не влияет величина внутреннего сопротивления исследуемого элемента?

Литература: 2, § 66-70; 4, § 26-28; 7, § 43, 45.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГАЛЬВАНОМЕТРА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЕГО В КАЧЕСТВЕ АМПЕРМЕТРА И ВОЛЬТМЕТРА

Цель работы: знакомство с устройством гальванометра магнитоэлектрической системы, определение его основных параметров и методов использования в качестве амперметра и вольтметра.

Приборы и принадлежности: гальванометр, амперметр, вольтметр, магазин сопротивлений, эталонное сопротивление, реостат, источник постоянного тока.

32

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

По конструкции и принципу действия все электроизмерительные приборы делятся на несколько систем. Рассмотрим наиболее распространенные из них.

Магнитоэлектрическая система. В поле постоянного магнита с осо-

бой конфигурацией магнитной системы вращается рамка, состоящая из нескольких витков тонкого изолированного провода. На оси рамки закреплена стрелка-указатель (или легкое зеркальце в приборах со световым указателем). Поворот стрелкиуказателя обусловлен взаимодействием рамки, по которой течет измеряемый ток, с магнитным полем постоянного магнита. Противодействующий момент создается спиральной пружиной, закрепленной на оси. Угол поворота рамки в магнитном поле пропорционален току в рамке.

Электромагнитная система. Приборы этой системы имеют неподвижную катушку, через которую протекает измеряемый ток. Внутрь катушки втягивается легкий сердечник из магнитно-мягкого материала, закрепленный на вращающейся оси. С этой осью скреплена стрелка-указатель. Угол поворота стрелки определяется величиной тока в неподвижной катушке.

Приборы электродинамической системы. Принцип работы таких приборов основан на взаимодействии двух катушек (подвижной и неподвижной), по которым протекает ток. Подвижная катушка, находящаяся внутри неподвижной катушки, может вращаться вокруг оси, на которой закреплена стрелка отсчетного механизма. Противодействующий момент создается также спиральными пружинами. В зависимости от назначения прибора ( A, V или W ) катушки соединяются или параллельно, или последовательно.

Магнитное поле неподвижной катушки с индукцией B воздействует на магнитный момент подвижной катушки pm , возникает вращающий момент

33

M1 = [pm × B]. B ~ I1 и pm ~ I 2 , где I1 - ток в неподвижной катушке, I2

- ток в подвижной катушке, следовательно M1 ~ I1 I 2 .

При равновесии вращающий момент M1 уравновешивается противо-

действующим моментом упругости пружин M 2 × M 2 ~ ϕ , где ϕ - угол по-

ворота указателя.

Рис.1 В случае электродинамического ваттметра (рис. 1) неподвижная катуш-

ка с малым сопротивлением включается в исследуемую цепь последовательно. По этой катушке течет такой же ток, как и в цепи. Подвижная катушка последовательно с добавочным сопротивлением включается, как вольтметр,

т. е. параллельно нагрузке. Ток в этой катушке I2 пропорционален падению

напряжения U ( I 2 ~ U ). Следовательно, M1 ~ I1 ×U и ϕ ~ I1 ×U , т. е. угол поворота стрелки пропорционален мощности, выделяемой в цепи.

Приборы электростатической системы. Устройство приборов этой системы основано на взаимодействии двух или нескольких электрически заряженных проводников. Под действием электрического поля подвижные проводники перемещаются, что позволяет фиксировать напряжение.

Тепловые системы. Прибор, основанный на тепловом действии тока, содержит тонкую проволоку, закрепленную на концах, через которую пропускают измеряемый ток. При прохождении по проволоке тока она нагревается и ее удлинение используют для измерения величины тока. Такие приборы могут быть использованы и на постоянном, и на переменном токе.

Существуют также и другие электроизмерительные системы.

34

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Гальванометр относится к приборам магнитоэлектрической системы. Основными частями гальванометра являются магнит и проволочная прямоугольная рамка, находящаяся в его поле. Как уже было сказано выше, при пропускании тока через рамку возникает вращающий момент и рамка поворачивается на некоторый угол, пропорциональный току. Для выполнения этого условия полюсным наконечникам магнита придается такая форма, которая обеспечивает на рабочем участке рамки осевую симметрию магнитного поля. Вектор индукции магнитного поля при любом положении рамки остается постоянным по величине и лежит в ее плоскости.

Итак, имеем:

где Ki – коэффициент пропорциональности, называемый ценой деления по току (величина, равная силе тока, соответствующей отклонению стрелки на одно деление); n – число делений, соответствующее отклонению стрелки.

По закону Ома падение напряжения на гальванометре определяется:

называется ценой деления гальванометра по напряжению. Величина, обрат-

ная Ki называется чувствительностью по току , обратная Ku - чувствитель-

ностью по напряжению.

Для определения основных параметров гальванометра RГ , Ki и Ku

можно воспользоваться схемой, приведенной на рис. 2.

36

При малом внутреннем сопротивлении источника тока напряжение U

не меняется, Ki , R0 и R1 - постоянные величины, следовательно, и величина

Это уравнение прямой, в котором RГ является угловым коэффициен-

том. Таким образом, значение RГ можно определить, построив зависимость

R × n = f (n).

Непосредственно гальванометр применяется для измерения слабых токов или напряжений. Для определения большого тока к гальванометру параллельно присоединяется проводник, называемый шунтом (рис. 3). При таком включении через гальванометр будет проходить лишь часть общего тока.

39

1.Получить у преподавателя в качестве задания предельное значение тока I , который будет измеряться.

2.По формуле (1) определить предельный ток гальванометра

I Г = Ki × N0 , где N0 – число делений всей шкалы.

3.Рассчитать сопротивление шунта по формуле (15).

4.Собрать схему согласно рис. 5, где R – магазин сопротивлений, используемый в качестве шунта, r – реостат.

новлении заданного преподавателем предельного значения тока отклонение стрелки гальванометра будет максимальным.

Упражнение 3. Применение гальванометра в качестве вольтметра.

1.Получить от преподавателя данные о предельном значении напряжения U , которое будет измеряться.

2.По формуле (3) определить предельное напряжение гальванометра

U Г = KU × N0 , где N0 – число делений всей шкалы.

3.Рассчитать добавочное сопротивление по формуле (20).

4.Собрать схему согласно рис. 6, где в

40

противления Rд .

6. Замкнуть ключ K и, изменяя напряжение в цепи с помощью делителя напряжения r , записать показания вольтметра и гальванометра. Построить градуировочный график, откладывая по оси X показания вольтметра, а

по оси Y – отклонение стрелки гальванометра. Если Rд вычислено правиль-

но, то при максимальном отклонении стрелки гальванометра показания вольтметра должны соответствовать заданному значению максимального напряжения.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1.Объяснить принцип действия приборов магнитоэлектрической, электромагнитной и электродинамической систем.

2.Можно ли приборы магнитоэлектрической системы использовать в цепях переменного тока?

3.Что такое цена деления по току и напряжению?

4.Как рассчитать шунт, добавочное сопротивление? Во сколько раз возрастет цена деления гальванометра при их включении?

5.Сформулируйте правила Кирхгофа.

Литература: 2, § 57, 61, 70; 4, § 28; 7, § 41, 42, 44, 45