ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
.pdfМинистерство образования Российской Федерации
Российский государственный педагогический университет имени А. И. Герцена
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
ПО ЭЛЕКТРИЧЕСТВУ
Санкт-Петербург Издательство РГПУ им. А.И. Герцена
2002
Печатается по решению УМО вузов России по педагогическому образованию Министерства образования РФ
Авторы: В.А.Бордовский, В.Т.Аванесян,
Н.И.Анисимова, В.И.Сельдяев
Научный редактор: доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой физической электроники С.Д.Ханин
Рецензенты: доктор технических наук, профессор кафедры машиноведения РГПУ им. А.И.Герцена В.Г.Бойцов; кандидат физикоматематических наук, доцент кафедры физической электроники РГПУ им. А.И.Герцена С.А.Потачев
Содержит описания 5 лабораторных работ по общей физике (электричество), предназначенных для студентов факультетов технологии и предпринимательства, химии, биологии и института естествознания.
©Коллектив авторов, 2002
©Издательство РГПУ им. А.И.Герцена, 2002
|
Оглавление |
|
Введение |
|
4 |
Работа № 1. Выбор реостата и потенциометра…………………. |
23 |
|
Работа № 2. |
Методы экспериментального определения сопро- |
|
|
тивлений…….. |
43 |
Работа № 3. Исследование источника тока……...……………… |
53 |
|
Работа № 4. |
Измерение разности потенциалов. Метод компен- |
|
|
сации……………………………………………….... |
64 |
Работа № 5. |
Изучение процессов зарядки и разрядки конденса- |
|
|
торов……………………………………………...…. |
78 |
ВВЕДЕНИЕ
1.Монтаж электроизмерительных систем
Вфизическом практикуме по электричеству каждую электрическую измерительную установку собирают из измерительных блоков, элементов или деталей, вспомогательных и измерительных приборов. Монтаж (сборку) электроизмерительной установки студенты производят самостоятельно, руководствуясь принципиальной схемой, приведенной в описании к лабораторной работе. Прежде чем начать соединение элементов схемы, расположите их таким образом, чтобы было удобно и безопасно производить необходимые регулировки и переключения и, в случае необходимости, иметь возможность быстро ее отключить. Вся электрическая схема монтируется с помощью соединительных проводов. Не допускайте переплетения проводов. Контакты должны быть повсюду плотными. К каждой клемме не подводите более двух проводов.
Сборку схемы рекомендуется начинать от одного из полюсов источника тока, но не следует подключаться к источнику. Сначала собирают главную последовательную цепь, а затем к ней подключают разветвления, параллельные участки. Если в схеме имеются вольтметры, то их включают в цепь в последнюю очередь. Затем, когда вся схема собрана, подключают источник тока. Подавать напряжение в
цепь без проверки преподавателем или лаборантом запрещается.
Реостаты, включенные в цепь, должны быть полностью введены, потенциометры установлены таким образом, чтобы напряжение на потребителях было минимальным. Все ключи и коммутаторы в цепи должны быть разомкнуты. Многопредельные электроизмерительные приборы необходимо переключить на самые большие пределы. Не забывайте проверять нулевое положение стрелок приборов. Не производите переключения схем, находящихся под напряжением.
При разборке схемы, прежде всего, отключайте источник тока.
2.Характеристики электроизмерительных систем
Электроизмерительным прибором называется устройство, предназначенное для измерения электрических величин тока – напряжения и т. п. Электроизмерительные приборы подразделяются на приборы непосредственной оценки и приборы сравнения. В приборах первого типа измеряемая величина отсчитывается по показаниям
4
предварительно проградуированных приборов, в приборах второго типа в процессе измерения производится прямое сравнение с эталонной мерой (мосты, компенсаторы).
Все электроизмерительные приборы могут быть классифицированы по нескольким признакам.
1.По роду измеряемой величины: амперметры, вольтметры, омметры, счетчики, ваттметры и др.
2.По роду тока: приборы постоянного тока; переменного тока; приборы постоянного и переменного токов.
3.По принципу действия: магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, индукционные, тепловые, электростатические и др.
4.По степени точности: в соответствии с классом точности прибо-
ра.
В соответствии с выше приведенной классификацией и принципом действия на шкалах приборов наносятся ряд обозначений.
Символ, указывающий род измеряемой величины: А – амперметр,
V – вольтметр, W – ваттметр и т. д.;
Род тока: постоянный (–) или переменный (~); Установка прибора: 
– вертикально, П – горизонтально;
Пробивное напряжение изоляции: 3 ;
Класс точности: 0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 1.5, 2.5, 4.0;
Принцип действия электроизмерительных приборов. Обозначения обобщены таблице.
|
|
Таблица |
|
Система прибора |
Значок |
Другие обозначения |
|
прибора |
на шкале прибора |
||
|
|||
Электромагнитная |
|
Ток: |
|
|
постоянный |
||
|
|
||
Магнитоэлектрическая |
|
переменный |
|
|
трехфазный |
||
|
|
||
Электродинамическая |
|
Зажим: |
|
|
общий |
||
|
|
||
Индукционная |
|
соединенный |
|
|
с корпусом |
||
|
|
5
Вибрационная |
для |
|
заземления |
|
|
|
|
|
|
Установка прибо- |
|
Выпрямительная |
ра: |
|
вертикальная |
|
|
|
|
|
|
горизонталь- |
|
Термоэлектрическая |
ная |
|
|
|
|
|
под углом |
|
|
Измерительная |
|
|
цепь изолирована |
|
Ферродинамическая |
от корпуса и испы- |
2 |
|
тана напряжением |
|
|
|
|
|
2кВ. |
|
Электростатическая |
|
|
В основе действия электроизмерительного прибора лежит превращение электрической энергии в другие виды энергии, например, механическую, тепловую, магнитную, химическую и т.д. Из основных технических требований, предъявляемых к электроизмерительным приборам, следует указать на следующее: необходимо, чтобы прибор потреблял малую мощность и не вносил заметных изменений в электрическую цепь.
Электроизмерительные приборы имеют неподвижные части с укреплённой на них шкалой и подвижную часть со стрелкой (или поворотным зеркальцем).
Принцип взаимодействия между подвижной и неподвижной частями определяется системой прибора. Это взаимодействие приводит к возникновению вращающего момента (Мвр) под действием которого начинает поворачиваться подвижная часть. При этом возникает противодействующий момент (Мпр), создаваемый спиральными пружинами (С) или специальными подвесами. Противодействующий момент пропорционален углу закручивания (ϕ). Подвижная часть стремится установиться в таком положении, при котором вращающий момент уравновешивается противодействую-
6
щим (Мвр = Мпр). При изменении измеряемой величины (тока, напряжения) изменяется и вращающий момент и, следовательно, изменяется и угол закручивания спирали ϕ, который определяется по положению стрелки ( T ) относительно шкалы.
Трение в опорах деталей влияет на показания прибора, а значит вносит погрешность. Поправки к показанию прибора могут быть заранее определены путем соответствующей проверки данного прибора.
Величина, численно равная отношению приращения угла поворота подвижной части прибора к приращению измеряемой величины, называется чувствительностью прибора.
Чем больше приращение угла отклонения при одном и том же приращении измеряемой величины, тем меньшие величины можно измерять прибором и тем выше чувствительность. Если, например, приращение угла dϕ вызвано приращением тока dI, то чувствительность S = dϕ/dI. Величина C = 1/S называется ценой деления прибора. Цена деления определяет значение электрической величины, вызывающей отклонение стрелки прибора на одно деление. Например, имеется прибор, который может измерять напряжение 0 ... 250 В. Шкала этого прибора разделена на 50 делений. Чувствительность этого прибора
S = 50/250 = 0.2 дел/В .
Цена деления:
C = 1/S = 250/50 = 5 В/дел .
Шкала прибора служит для проведения отсчета измеряемой величины. Цифры возле делений обозначают либо число делений от нуля шкалы, либо непосредственное значение измеряемой величины. В первом случае для получения значения измеряемой величины в практических единицах нужно определить цену деления шкалы прибора (иногда называемой постоянной прибора) и умножить ее на число отсчитанных делений. При отсчете луч зрения должен быть перпендикулярен шкале, иначе возможна погрешность от параллакса. При отсчете по зеркальной шкале глаз наблюдателя должен быть расположен так, чтобы конец стрелки покрывал свое изображение в зеркале. Зеркальные шкалы позволяют избежать параллакса. В целях сокращения промежутка времени, необходимого для успокоения подвижной части прибора (после включения), имеются специальные тормозящие устройства (демпферы).
7
В лабораторной практике чаще всего встречаются приборы магнитоэлектрической, электромагнитной и электродинамической систем.
Приборы магнитоэлектрической системы
Электроизмерительные приборы магнитоэлектрической системы предназначены для измерения силы тока и напряжения в цепях постоянного тока. Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы (рис. 1) основан на взаимодействии магнитного поля сильного постоянного магнита (М) подковообразной формы, полюса
которого (В) охватывают сплошной железный
Тсердечник (S) с подвижной рамкой (Р), находящейся на одной оси с сердечником. Рамка, по которой проходит измеряемый ток, пред-
Мставляет собой основную часть подвижной
|
|
|
системы, которая включает и указатель-стрел- |
|
|
S |
ку (Т). |
|
|
Вращающий момент в приборах этой сис- |
|
|
В |
|
темы пропорционален силе тока I (Мвр = N1 Ι). |
|
В |
Так как противодействующий момент, созда- |
|
|
|
ваемый спиральными пружинами (например, |
|
С |
|
|
|
|
Р |
С), пропорционален углу закручивания Мпр = |
|
|
|
|
N2 ϕ , то зависимость между углом поворота и |
|
|
Рис. 1. |
током получается линейной: |
|
|
ϕ = (N1/N2) I |
|
|
|
|
Линейная зависимость между током и углом отклонения, вопервых, обеспечивает равномерность шкалы прибора, а, во-вторых, возможность измерения только постоянного тока. Корректор позволяет изменить положение закрепленного конца одной из спиральных пружинок и тем самым производить установку стрелки прибора на нуль. В силу того, что каркас подвижной катушки сделан из алюминия, возникающие в нем при движении в магнитном поле индуктивные токи создают тормозящий момент, что обусловливает быстрое успокоение.
Достоинствами магнитоэлектрических приборов являются: высокая чувствительность, точность показаний, чувствительность к внешним магнитным полям, малое потребление энергии, равномерность шкалы, апериодичность (стрелка быстро устанавливается на соответ-
8
ствующее деление почти без колебаний). К недостаткам приборов этой системы относятся: возможность измерения только в цепи постоянного тока, чувствительность к перегрузкам.
Область применения магнитоэлектрических приборов весьма обширна. Они применяются в качестве амперметров, вольтметров постоянного тока, как при технических измерениях, так и при контрольных лабораторных измерениях. При непосредственном включении миллиамперметры и амперметры магнитоэлектрической системы позволяют измерять токи 1÷1000 А, а с применением шунта
– до нескольких тысяч ампер. Вольтметры этой системы при непосредственном включении дают возможность измерять напряжение 0.1÷600 В, а с применением дополнительного сопротивления – до 10000 В и более.
Приборы электромагнитной системы
Приборы электромагнитной системы предназначены для измерения силы тока и напряжения в цепях постоянного и переменного токов. Принцип действия приборов электромагнитной системы (рис. 2) основан на взаимодействии магнитного поля неподвижной катушки (К), по которой протекает измеряемый ток, и подвижного железного
|
сердечника (В), помещенного в |
||
|
это магнитное поле. Сердечник |
||
T |
изготовлен из мягкого железа и |
||
|
укреплен эксцентрично на оси. С |
||
С |
осью сердечника |
скреплены: |
|
D |
стрелка (Т), поршень воздушного |
||
успокоителя D и спиральная пру- |
|||
К |
|||
|
жина С, создающая противо- |
||
|
действующий момент. |
||
В |
Ток, протекающий по катуш- |
||
ке К, образует внутри нее маг- |
|||
Рис. 2. |
нитное поле, под действием кото- |
||
рого железный сердечник, по- |
|||
|
ворачиваясь вокруг |
оси, втяги- |
|
вается в щель катушки. При этом увеличивается намагничивание железного сердечника.
Магнитное поле катушки пропорционально измеряемому току, а намагниченность сердечника пропорциональна магнитному полю катушки. Вращающий момент, пропорциональный и магнитному полю
9
катушки, и намагниченности сердечника, пропорционален квадрату измеряемого тока Мвр = N1 Ι 2. Противодействующий момент, создаваемый пружиной С, пропорционален углу поворота подвижной части прибора: Мпр = N2 ϕ. Поскольку равновесие подвижной части прибора определяется равенством моментов, действующих на нее в противоположных направлениях, угол поворота сердечника пропорционален квадрату тока: ϕ = N Ι 2.. Отсюда очевидно, что шкала прибора электромагнитной системы является неравномерной: она квадратичная. Подбором формы сердечника добиваются равномерности шкалы в ее последних трех четвертях. При этом в начале шкалы получается очень большая неравномерность. Начало шкалы в этих приборах не используется для измерений. Обычно начало рабочей части шкалы обозначают точкой (рис. 3). Поскольку сердечник втягивается в катушку при любом направлении тока в ней, то приборы этой системы применяются, в основном, для измерения переменного тока и напряжения, хотя могут работать и в цепях постоянного тока.
Достоинствами приборов электромагнитной системы являются: возможность измерения переменного и постоянного тока, простота
конструкции, выносливость в отношении перегрузок. |
|
|||
К недостаткам приборов этой |
системы относятся: неравномер- |
|||
|
ность шкалы, меньшая точность, чем |
|||
|
в |
магнитоэлектрических |
приборах, |
|
|
зависимость показаний от |
внешних |
||
|
магнитных полей. Электромагнитные |
|||
|
амперметры и вольтметры получили |
|||
Рис. 3. |
широкое |
применение как |
щитовые |
|
приборы |
для переменного тока. |
|||
Пределы измерения у амперметров составляют 6÷200 А, у вольтметров – 3÷600 В.
Приборы электродинамической системы
Приборы электродинамической системы предназначены для измерения силы тока, напряжения и мощности в цепях постоянного и переменного токов Принцип действия приборов электродинамической системы (рис. 4) основан на взаимодействии подвижной и неподвижной катушек, по которым протекают измеряемые токи.
Внутри неподвижно закрепленной катушки (К1) на одной оси с указательной стрелкой (T) может вращаться подвижная катушка (К2).
10