3392

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Воронежская государственная лесотехническая академия»

ФИЗИКА ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ЭЛЕКТРОСТАТИКА. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

ВОРОНЕЖ 2014

УДК 537

Ф-50

Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВПО «ВГЛТА»

Бородин В.Н. Физика [Текст]: лаб. практикум: Электростатика. Постоянный электрический ток / В.Н. Бородин, А.М. Бомбин, Н.Ю. Евсикова, Н.С. Камалова, Б.М. Кумицкий, Н.Н. Панюшкин, Н.А. Саврасова, В.В. Саушкин; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВПО "ВГЛТА".– Воронеж, 2014.– 40 с.

Ответственный редактор В.В. Саушкин.

Рецензенты: д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры физики твердого тела ВТУ В.А. Терехов;

кафедра физики ВГАУ

Приводятся необходимые теоретические сведения, описание и порядок выполнения лабораторных работ по электростатике и постоянному электрическому току. Рассмотрены принцип действия и характеристики основных типов электроизмерительных приборов.

Учебное пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения по направлениям и специальностям, в учебных планах которых предусмотрен лабораторный практикум по физике.

Лабораторная работа № 4.5 (24)

Определение электродвижущей силы методом компенсации …….............. 34

4

Лабораторная работа 4.1 (73)

ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Цель работы: изучение принципа действия и характеристик основных электроизмерительных приборов; проверка закона Ома; измерение удельного сопротивления проводника.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МИНИМУМ

Электроизмерительные приборы классифицируются по следующим признакам:

•по виду измеряемой физической величины - амперметры, вольтметры, омметры и др.;

•по роду тока - приборы постоянного тока, приборы переменного тока, приборы постоянного и переменного тока;

•по принципу действия - магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, тепловые и др.;

•по степени точности - в зависимости от класса точности.

Основные признаки прибора обозначаются условными знаками и приводятся на шкале прибора.

5

Вид измеряемой величины

Величина, измеряемая прибором, указывается в виде обозначения единицы измерения, в которых отградуирован прибор.

В физическом практикуме электроизмерительные приборы используются в основном для измерения силы тока и напряжения. Для измерения силы тока применяются амперметры ( A ), миллиамперметры (mA ) и микроамперметры ( μA ), а для измерения напряжения – вольтметры (V ) или милли-

вольтметры (mV ).

Результаты измерений следует записывать русскими символами:

А - ампер, мА - миллиампер, мкА - микроампер, В - вольт, мВ - милливольт.

Система прибора

Любой электроизмерительный прибор состоит из подвижной и неподвижной части. По величине перемещения подвижной части (чаще всего стрелки) судят о величине измеряемого тока, напряжения и т.д.

Конструкция прибора определяется в первую очередь принципом работы и назначением прибора и зависит от устройства его измерительного механизма. В данном пособии рассматривается устройство и принцип работы двух наиболее распространенных систем.

Принцип работы приборов магнитоэлектрической системы (рис. 1)

основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита и обмотки подвижной части прибора, по которой протекает измеряемый ток. Между наконечниками 2 постоянного магнита 1 неподвижно укреплен стальной цилиндрический сердечник 3, в зазоре между которыми находится подвижная рамка 4 с обмоткой из тонкого провода. На торцевых сторонах катушки укреплены полуоси 5, упирающиеся в подпятники 6. На одной полуоси закреплена стрелка 7. Конец стрелки может перемещаться над шкалой с делениями. Две спиральные пружины 8 служат для электрического соединения обмотки с внешней цепью и для создания противодействующего момента силы.

6

Магнитоэлектрические приборы применяются для измерения тока и напряжения только в цепях постоянного тока. Они имеют равномерную шкалу, обладают большой точностью и чувствительностью.

Принцип работы приборов электромагнитной системы (рис. 2) основан на взаимодействии ферромагнитного сердечника подвижной части измерительного механизма с магнитным полем тока, протекающим в неподвижной катушке. На оси подвижной части этого прибора закреплена плоская стальная пластина 1 специальной формы, втягиваемая внутрь неподвижной катушки 2 , по которой проходит измеряемый ток. С осью сердечника связана стрелка-указатель 3 и спиральная пружина 4. Грузики 5 служат для уравновешивания подвижной части измерительного механизма. Для успокоения стрелки прибора применяется воздушный поршневой успокоитель 6.

Приборы этого типа просты по устройству, дешевы и прочны, в связи с чем нашли широкое применение главным образом для технических измерений переменного тока промышленной частоты.

Недостатком электромагнитных приборов является их малая чувствительность, низкая точность, незначительное внутреннее сопротивление и неравномерность шкалы.

Пределыизмерений

Значение измеряемой величины, при котором стрелка прибора отклоняется до конца шкалы, называется пределом измерения этого прибора. В простейшем случае предел измерений указывается градуировкой шкалы прибора. Для примера на рис. 3 изображена шкала миллиамперметра магнитоэлектрической системы с пределом измерения 75 мА.

Электроизмерительные приборы могут иметь несколько пределов измерения (так называемые многопредельные приборы). В этом случае на шкале указывается наименование измеряемой величины, а предел измерения указывается на переключателе или рядом с соответствующей клеммой. Например, если вольтметр имеет два предела измерения 3 В и 7,5 В, то на его шкале может быть нанесено75 делений, анапереключателеуказано3 V и7,5 V.

7

Цена деления

Цена деления прибора равна значению измеряемой величины, которое соответствует одному делению шкалы. Если шкала прибора имеет N делений, а его предел измерения Хт, то цена деления такого прибора

Формулу (1) можно применять только для приборов магнитоэлектрической системы с равномерной шкалой.

Цена деления прибора, изображенного на рис. 3, равна 5 мА/дел.

У многопредельных приборов цена деления для разных пределов измерений различна. Например, если вольтметр имеет два предела измерения: 3 В и 7,5 В, а шкала прибора имеет 75 делений, то цена деления

для предела 3 В с = 3В/75 дел = 0,04 В/дел.; для предела 7,5 В с = 7,5В/75 дел = 0,1 В/дел.

Класс точности и приборные погрешности

Приборные погрешности измерений зависят от класса точности прибора. Электроизмерительные приборы делятся на 8 классов точно-

сти: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

Числа, определяющие класс точности прибора, указывают на то, что систематическая абсолютная погрешность прибора в любом месте шкалы не должна превышать соответственно 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0 процента от предела измерения прибора.

Если γ – класс точности прибора, а предел его измерения Хт , то

Формула (2) показывает, что приборная абсолютная погрешность зависит не от значения измеряемой величины, а только от класса точности прибора и его предела измерения. Она имеет одно и то же значение в пределах всей шкалы.

Приборная относительная ошибка εпр определяется как отношение абсолютной погрешности Хпр к найденному значению измеряемой величины Х

Таким образом, относительная погрешность электроизмерительного прибора зависит от значения измеряемой величины и тем больше, чем меньше измеряемая величина. Для уменьшения относительной приборной

8

погрешности необходимо пользоваться приборами, пределы измерения которых близки к значениям измеряемых величин. При точных измерениях измеряемые величины должны составлять не менее 70…80 % от предела измерения прибора.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Общий вид экспериментальной установки изображен на рис. 4, электрическая схема приведена на рис. 5.

Исследуемый проводник – это хромоникелевая проволока 1 (рис. 4), натянутая между двумя неподвижными кронштейнами 2, которые закреплены на вертикальной стойке 3. К концам проводника подведено низкое постоянное напряжение от выпрямителя, находящегося в блоке 4. Напряжение на исследуемом проводнике изменяется с помощью потенциометра П (рис. 5) при вращении ручки 6 (рис. 4).

Средний подвижный кронштейн имеет скользящий контакт 5, позволяющий включить в электроизмерительную цепь часть проводника (между скользящим контактом и нижним кронштейном). Сопротивление R этого участка провода можно определить путем измерения напряжения U и силы тока I на этом участке цепи и применения закона Ома.

Недостатком такого метода измерения сопротивления R является влияние сопротивления подводящих проводников и внутреннего сопротивления электроизмерительных приборов: амперметра RA и вольтметра

RV . Возможны две схемы подключения электроизмерительных приборов

к исследуемому сопротивлению R . Если переключатель К (рис. 5) находится в положении а (схема "а"), то показание вольтметра V равно напряжению U на сопротивлении R (сопротивлением подводящих проводов

Учитывая это соотношение и закон Ома, получим расчетную формулу для сопротивления проводника

Если же переключатель К находится в положении b (схема "b"), то показание амперметра I A равно току I через исследуемое сопротивление

R , а показание вольтметра UV складывается из напряжений на исследуемом сопротивлении U и на амперметре U A :

UV =U +U A .

Применяя закон Ома к двум участкам цепи, содержащим сопротивления R и RA , получим расчетную формулу для искомого сопротивления

Какую из двух рассмотренных схем целесообразно выбрать для измерения сопротивления? Это определяется тем, в каком случае будет меньше ошибка измерения сопротивления. Анализ выражения для погрешности R показывает, что если исследуемое сопротивление значительно меньше внутреннего сопротивления вольтметра ( R <<RV ), то сле-

дует использовать схему " а " (рис. 5 ). Если же сопротивление R значительно больше внутреннего сопротивления амперметра ( R >>RA ), то сле-

дует использовать схему " b ". Наконец, как это часто бывает, если RV >>R >>RA , то обе схемы дают одинаковую точность измерения со-

противления R . В этом случае с достаточной точностью можно определить сопротивление R по более простой формуле

Электроизмерительные приборы – амперметр и вольтметр - смонтированы в блоке 4 (рис. 4). Имеющийся на блоке клавишный переключатель позволяет включать одну из схем: " а " или " b ". Схема изображена на корпусе блока и там же схематично показано положение клавишей, соответствующее включению каждой схемы: отжатое ("высокое") или утопленное ("низкое").

Приборы и принадлежности: установка для измерения сопротивления; микрометр.

10

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Заполните табл. 1 характеристик электроизмерительных приборов, используемых в работе.

2. Пользуясь шкалой на стойке прибора, установите необходимую длину L исследуемого участка проводника. (Величина L задается преподавателем или вариантом индивидуального задания.)

3. Схема измерений вначале выбирается произвольно. Для заданной длины проводника проводятся предварительные измерения напряжения UV и

силы тока IA , для которых по формуле (8) рассчитывается сопротивление R

проводника. Исходя из соотношения полученного значения R и внутренних сопротивлений амперметра RA = 0,15Ом и вольтметра RV = 2500 Ом, выби-

рается необходимая измерительная схема (" а " или " b ") и дальнейшие измерения ведутся по этой схеме, а расчет величины R по формуле (6) или (7) соответственно.

4. Для заданной длины L проводника по выбранной схеме измерения определите зависимость силы тока I A от напряжения UV . Для этого величи-

ну I A измерьте при 5-7 значениях UV . Сила тока регулируется ручкой

РЕГ.ТОКА в пределах от минимального до максимально возможного значения. Для каждой пары значений UV и I A рассчитайте сопротивление R про-

водника. Результаты измерений и расчета занесите в табл. 2.

5. Постройте график зависимости силы тока I A от напряжения UV и об-

судите, выполняется ли закона Ома в условиях данной работы.

6. Микрометром измерьте диаметр d проволоки в трех различных местах вдоль длины L проводника. Используя средние значения сопротивления R и диаметра d , по формуле

ρ = πRd2

4L

рассчитайте удельное сопротивление ρ проводника. Сравните полученное значение ρ с табличным значением ρтабл =10,5 10−6 Ом м.