ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

порядке порядке:

1.Соберите электрическую цепь по схеме и соедините ее с указанным преподавателем внешним источником напряжения. Установите ползунок реостата R – в крайнее правое положение (что соответствует включению полного сопротивления). После проверки лаборантом электрической цепи подайте на нее напряжение.

2.По показаниям эталонного миллиамперметра установите заданное значение величины тока.

3.С помощью Rш добейтесь отклонения стрелки до конца шкалы, не изменяя показаний миллиамперметра.

4.Занесите результаты измерений в таблицу 3.1.

5.Используя закон Ома для участка цепи, получите формулу для

вычисления rш, считая сопротивление милливольтметра rmV известным. Рассчитайте Rш.

6.Пользуясь известными значениями ρ, l, S шунта, определите rш. Сравните полученные результаты.

7.Проверьте линейность шкалы милливольтметра. Для этого,

плавно уменьшая величину тока в цепи, снимите показания ImA и ImV. Результаты занесите в таблицу 3.2.

Таблица 3.2.

ImA ImV

8.Постройте график зависимости Im A= f (ImV).

9.Определите чувствительность милливольтметра (в делениях на ампер).

Контрольные вопросы к вводному занятию

1.По какому принципу классифицируются электроизмерительные приборы непосредственной оценки?

2.Объясните устройство и принцип действия магнитоэлектрических приборов.

3.Объясните устройство и принцип действия электромагнитных

21

приборов.

4.Объясните устройство и принцип действия электродинамических приборов.

5.Назовите основные технические требования, предъявляемые к измерительным приборам.

6.Как определить чувствительность прибора, цену деления?

7.Объясните назначение гальванометров и амперметров, способ их включения в цепь электрического тока.

8.Объясните назначение вольтметров и способ их включения в цепь электрического тока.

9.Как расширить пределы измерения электроизмерительных приборов?

10.Объясните назначение реостата, способ включения его в цепь электрического тока.

11.Объясните назначение потенциометров.

12.Каким образом реостат включают в цепь электрического тока при использовании его в качестве потенциометра?

13.Как устроены магазины сопротивления, их назначение и включение в цепь электрического тока?

14.Для каких целей используются многопредельные приборы? Каким образом проводятся измерения с помощью этих приборов?

15.Как определяется абсолютная погрешность при измерении электроизмерительными приборами?

16.Что называется: а) приведенной погрешностью прибора?

б) абсолютной погрешностью?

17.Опишите установки, которые вы использовали для подбора дополнительного сопротивления и шунта к милливольтметру.

18.Опишите, как производилась градуировка прибора.

22

Работа 1. ВЫБОР РЕОСТАТА И ПОТЕНЦИОМЕТРА

Цель работы: рассчитать и выбрать реостат для регулировки тока и напряжения на низкоомном потребителе (часть 1); рассчитать и выбрать потенциометр для регулировки напряжения на высокоомном потребителе (часть 2); изучить принцип действия и работу лабораторного автотрансформатора (часть 3).

Принадлежности: источник тока, вольтметры, амперметры, реостаты, низкоомные резисторы и лампочки накаливания, высокоомные резисторы, лабораторный автотрансформатор, лампа накаливания (на

220 В).

Вопросы, знание которых обязательно для допуска

квыполнению работы

1.Что означают термины: номинальный ток, номинальное напряжение, номинальная мощность?

2.Что называется сопротивлением?

3.Опишите, как протекает ток через электрическую лампу. Из чего складывается сопротивление лампы? Чем определяется ее яркость? Как рассчитать мощность электрической лампы?

4.Сформулируйте закон Ома для участка цепи.

5.Сформулируйте законы последовательного и параллельного соединений проводников.

6.Как устроен реостат? Как правильно подобрать реостат для регулировки напряжения и тока в цепи?

7.Как выбирают электроизмерительные приборы (амперметры, вольтметры) при проведении измерений?

8.Расскажите ход выполнения работы.

Введение

Потребители тока (электроизмерительные приборы, сопротивления, лампочки и т.д.) рассчитаны на определенную мощность. Для нормальной длительной работы потребителей тока напряжение и ток на них не должны превышать некоторых установленных значений, которые называются номинальными значениями напряжения и тока. В случаях превышения номинальных значений потребитель (нагрузка) разогревается, срок его службы уменьшается.

Очень часто возникает необходимость произвести измерения при различных режимах (при разных значениях тока и напряжения). Часто имеющиеся в нашем распоряжении источники тока дают напряжение,

23

превышающее то, на которое рассчитан потребитель тока. В этих случаях применяются регулирующие устройства – реостаты и потенциометры.

При регулировании напряжения на нагрузке, следует иметь в виду, что при этом будет изменяться и ток, протекающий через него. Можно говорить о пропорциональной зависимости между напряжением U и током I, только если сопротивление нагрузки R не зависит ни от напряжения, ни от тока. В большинстве случаев это условие выполняется, и сопротивление нагрузки можно считать независящим от тока и напряжения на них.

Изменение напряжения, подаваемого на нагрузку, и, следовательно, тока, протекающего через него, производится либо с помощью реостата, либо с помощью потенциометра. В цепях переменного тока применяют еще и автотрансформаторы.

Часть 1. Реостат

В лабораторной практике наибольшее распространение получили реостаты со скользящим контактом (рис. 1). Реостат состоит из фарфорового или шиферного основания, на котором намотана виток к витку голая проволока из реотана, нихрома или других сплавов с большим удельным сопротивлением.

Над обмоткой расположен латунный стержень, по которому скользит ползунок D (скользящий контакт). Стержень, сопротивление которого практически равно нулю, оканчивается клеммой C. В качестве реостата он включается в цепь последовательно с нагрузкой через клеммы A и C или B и C (рис. 2). Если реостат подключен через клеммы A и C, ток пойдет по виткам, находящимся на участке AC. При смещении ползунка D вправо (в сторону клеммы C, см. рис. 1) участок AC увеличивается и сопротивление реостата возрастает. При подключении реостата через клеммы B и C ток идет по участку BC и при смещении ползунка D вправо (в сторону клеммы В) участок BC уменьшается и сопротивление реостата падает. Чем тоньше проволока, тем больше полное сопротивление реостата и меньше допустимый через него ток. На каждом реостате приводятся

24

C

A B

C

A B

Рис.2.

номинальное сопротивление и наибольший длительно допустимый ток.

Изменение силы тока и напряжения на нагрузке с помощью реостата происходит следующим образом. Пусть нагрузкой в цепи является электрическая лампочка (рис. 2). При увеличении сопротивления реостата увеличивается общее сопротивление цепи (Rобщ), общий ток (I) уменьшается, следовательно, и ток через нагрузку, и напряжение на нем уменьшаются:

Rобщ = Rн + Rреост , I = U/Rобщ , Uн = I Rн .

Следует помнить, что изменение тока в цепи не будет обратно пропорционально изменению сопротивления реостата, так как в цепи кроме изменяющегося сопротивления реостата имеется неизменное сопротивление нагрузки. Только в тех случаях, когда Rреост >>Rн , общий ток, а, следовательно, и ток через нагрузку будет изменяться почти обратно пропорционально сопротивлению реостата. При обратном соотношении сопротивлений (Rреост<<Rн) ток через нагрузку практически не будет изменяться при изменении сопротивления реостата.

Рассмотрим действие реостата с точки зрения изменения напряже-

ния на нагрузке. Общее напряжение источника тока Uист = Uн + Upеост распределяется между реостатом и нагрузкой пропорционально их

сопротивлениям Uн /Upеост = Rн /Rpеост. Например, при уменьшении сопротивления реостата происходит перераспределение общего напряжения и при этом напряжение на нагрузке, а, следовательно, и ток через нее увеличиваются.

При выборе реостата наиболее важными параметрами цепи являются: напряжение источника тока, сопротивление нагрузки, а также допустимые значения тока и напряжения (или пределов

25

изменения тока и напряжения) на нагрузке. Напряжение источника тока Uист обычно известно. Сопротивление нагрузки, если оно не указывается непосредственно, приходится рассчитывать, исходя из данных о номинальных параметрах потребителя (например,

напряжения Uном и мощности Wном). Рассчитать реостат – значит,

указать его номинальное сопротивление и номинальный ток.

Рассмотрим два примера расчета и выбора реостата.

1. Если напряжение источника тока больше допустимого напряжения на нагрузке, реостат применяют как балластное сопротивление, и расчет его приведен в примере 1.

Пример 1. В сеть с напряжением 110 В требуется включить электрическую лампочку с параметрами 24 В; 12 Вт. Рассчитайте реостат, который обеспечит номинальный накал лампочки в данной цепи.

Найдем ток через лампочку при номинальном (нормальном) накале. Поскольку мощность, выделяющаяся на лампочке, равна W =

I U:

I = Wном /Uном = 12 Вт/24 В = 0.5 А.

Такой же ток, т.е. 0.5 А, будет проходить и через реостат, так как лампа и реостат соединены последовательно. Таким образом,

номинальный ток реостата (Ipеост/ном) должен быть не меньше, чем 0.5 А. Так как ток в цепи не должен превышать 0.5 А, а общее

напряжение составляет 110 В, то, очевидно, что сопротивление всей цепи не может быть меньше, чем: R = U/I = 110 В/0.5 А = 220 Ом.

Цепь состоит из последовательно соединенных лампы и реостата, следовательно, общее сопротивление равно сумме сопротивлений отдельных участков (Rобщ = Rл + Rpеост). Сопротивление лампы можно рассчитать, зная, например, что при номинальном напряжении на лампе 24 В, ток через нее равен 0.5 А. Следовательно, сопротивление лампы:

Rл = Uном /Iном = 24 B/0.5 А = 48 Ом.

Теперь можно найти и сопротивление реостата:

Rpеост = Rобщ – Rл = 220 Ом – 48 Ом = 172 Ом.

Возможен и другой способ рассуждения.

Общее напряжение 110 В распределяется между лампой и реостатом пропорционально их сопротивлениям:

UЛ /Upеост = RЛ /Rpеост , а Rpеост = Rл Upеост /Uл.

26

Напряжение на лампе должно быть 24 В, следовательно, на реостат будет приходиться: 110 В – 24 В = 86 В.

Сопротивление лампы можно рассчитать, используя формулу для мощности в виде W = U2/R:

Rл = U 2л /Wл = (24 В)2/12 Вт = 48 Ом.

Получаем для сопротивления реостата Rpеост = 48 Ом (86 В/24 В) = 172 Ом.

При этом ток через реостат: Ipеост = Upеост /Rpеост = 86 В/172 Ом =

0.5А.

Конечно, в лаборатории может не оказаться реостата с

номинальными параметрами 172 Ом и 0.5 A. Следует выбирать реостат с большими значениями сопротивления и тока. В данном случае подойдут реостаты: 200 Ом, 1 А или 500 Ом, 0.6 А.

Причем, если выбрать реостат с параметрами 500 Ом, 0.6 А, то с помощью этого реостата можно (при необходимости) значительно уменьшить напряжение и ток через лампу по сравнению с номинальными. Так, при полностью введенном реостате (500 Ом), ток через лампу равен Iл = Uист /(Rл + Rреост) = 110 В/(48 + 500) 0м = 0.20

А. При этом напряжение на лампе равно Uл= Iл Rл = 0.20 А 48 Ом = 9.6 В.

2. Часто приходится рассчитывать реостаты для изменения силы тока на нагрузке в заданных пределах или в заданное число раз. В этом случае расчет реостата производится следующим образом.

Пример 2. В сеть с напряжением 220 В требуется включить электрическую лампу с параметрами "220 В; 300 Вт". Рассчитайте реостат, с помощью которого можно было бы уменьшить силу тока в лампе в 2.5 раза ниже номинального.

Найдем ток, протекающий через лампу при номинальном режиме работы: Iл = Рном /Uном = 300 Вт/220 В = 1.36 А. Сопротивление лампы при нормальном накале равно Rл = U 2/W = (220 B)2/300 Вт = 161 Ом.

При уменьшении тока в 2.5 раза получим: Iл = 1.36 А/2.5 = 0.54 А. При таком токе, общее сопротивление цепи будет: Rобщ = 220 В/0.54 A = 407 Ом.

Считая, что сопротивление нагрузки не зависит от тока, протекающего через нее, определим сопротивление реостата:

Rреост = 407 – 161 = 246 Ом.

При этом реостат должен выдерживать ток 1.36 А.

Если такого реостата нет в лаборатории, следует взять два или

27

несколько реостатов с меньшими сопротивлениями, которые

три реостата с параметрами "100 Ом, 2 А". Так как эти реостаты выдерживают один и тот же ток (2 А), то при регулировании тока безразлично, который из них выводить первым, а который вторым. Если же в цепи стоят реостаты, имеющие различные допустимые токи, то сначала следует выводить реостаты с меньшими пределами по току, а затем (когда они будут полностью выведены и ток в цепи увеличится) начинать выводить реостаты с большим пределом по току. Вводить реостаты необходимо в обратном порядке.

Порядок выполнения работы (к части 1)

1. Получите у преподавателя потребитель тока (электрическую лампочку, низкоомный резистор) для выполнения практического задания. Определите номинальные параметры этой нагрузки (Rном,

Uном, Iном, Wном).

2.Рассчитайте реостат для регулирования тока и напряжения на нагрузке. Конкретные данные об источнике тока и пределах регулирования тока задает преподаватель.

3.Нарисуйте схему (рис. 4). На схеме укажите исходное напряжение источника тока, номинальные параметры нагрузки и

соответствии со схемой рис. 4. Установите движок реостата в крайнее положение, при котором ток через реостат и нагрузку будет минимальным. После проверки схемы преподавателем или лаборантом подключите схему

кисточнику тока и произведите необходимые измерения.

6.В отчете приведите схему, расчет реостата и результаты проверки расчета. Дайте полное описание выбранных амперметра и

28

вольтметра в соответствии с таблицей 1 п. 8 Введения. 7. Оцените погрешность измерения.

Для получения зачета необходимо

1.Продемонстрировать умение рассчитывать реостат для регулировки тока и напряжения; навыки выбора электроизмерительных приборов и определения цены деления измерительной шкалы; умение сборки электроизмерительных схем.

2.Представить отчет по установленной форме.

3.Уметь отвечать на вопросы типа:

3.1.Рассчитайте сопротивление и номинальную мощность лампочки с параметрами "110 В; 0.4 А".

3.2.Рассчитаете номинальный ток и напряжение на резисторе, относительно которого известно номинальное сопротивление 30 кОм

иноминальная мощность 1 Вт. Подберите амперметр для измерения номинального тока этого резистора. Дайте полное описание амперметра (в соответствии с таблицей 1 п. 8 Введения). Какие требования предъявляются к амперметрам?

3.3.Определите ток и сопротивление электрического утюга, рассчитанного на напряжение 220 В, мощностью 1 кВт. Как изменится мощность утюга, если сопротивление его спирали уменьшить на 20%?

3.4.Сколько лампочек с параметрами "3.5 В, 0.7 Вт" можно последовательно подключить к источнику с напряжением 77 В, чтобы обеспечить нормальную яркость?

3.5.Каковы будут напряжение и ток через лампу с номинальными значениями напряжения 24 В и мощности 12 Вт при полностью введенном реостате с сопротивлением 500 Ом, если напряжение источника тока 120 В? Подберите амперметр и вольтметр из имеющихся в лаборатории с помощью которых можно было бы измерить ток и напряжение. Определите цену деления шкалы приборов.

3.6.Объясните устройство, назначение и действие реостата. Что означает а) "рассчитать реостат"? б)"выбрать реостат"? Почему реостаты не применяются для регулирования тока и напряжения на высокоомных потребителях?

3.7.Лампу с номинальным напряжением 110 В и мощностью 40 Вт требуется включить в сеть с напряжением 220 В. Рассчитайте сопротивление реостата. Какой ток будет протекать в цепи? Укажите,

29

какой реостат, амперметр и вольтметр, из имеющихся в лаборатории, следует подобрать для сборки этой электрической цепи. Нарисуйте схему. Определите цену деления выбранных амперметра и вольтметра.

3.8. В схеме (рис. 5) R = 100 Ом, сопротивление лампы Rл = 100

покажет вольтметр, если лампа перегорит? Какие требования предъявляются к вольтметрам?

3.10. Сопротивление вольфрамовой нити электрической лампы при 20°С равно 20 Ом. Сопротивление той же нити в рабочем состоянии – 188 Ом. Какова температура нити накала лампы?

Часть 2. Потенциометр

Реостат описанной выше конструкции, но включенный по другой схеме (рис. 6), называется делителем напряжения или потенциометром. Потенциометр дает возможность изменять ток и напряжение на

4

Rн

30