методичка по электричеству

Рецензент:

МызниковВ.М.,канд.физ.-мат.наук,доц.,зав.каф.общейфизикиПГПУ

Автор:

Д.А.Полежаев,канд.физ.-мат.наук,ст.преп.каф.экспериментальнойфизики

Пособие предназначено для студентов физического факультета, изучающих дисциплину “Электричество” и рекомендуется к использованию в ходе выполнения лабораторного практикума. Пособие содержит 11 лабораторных работ по всем разделам курса “Электричество”. В каждойработе имеется краткое описание изучаемогоявления, порядок выполнения, список необходимого оборудования и контрольные вопросы. Содержание пособия оригинальное и дополняет лекционный курс, а также позволяет самостоятельно изучать различные разделы дисциплины “Электричество”, так как лабораторныеработысодержатссылкинацитируемуюлитературу.

Учебный материал соответствует требованиям государственного образовательного стандартавысшегопрофессиональногообразования.

Работа№1

ИЗУЧЕНИЕЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХПРИБОРОВ.

ИЗМЕРЕНИЕНАПРЯЖЕНИЯ,СИЛЫТОКАИСОПРОТИВЛЕНИЯС

ПОМОЩЬЮЦИФРОВОГОМУЛЬТИМЕТРА

Оборудование: цифровой мультиметр, миллиамперметр, вольтметр, реостат, гальваническиеэлементы,источникпостоянногонапряжения,магазинсопротивлений.

Краткаятеория.

Условныеобозначенияэлектроизмерительныхприборов

прибормагнитоэлектрическойсистемы

приборэлектромагнитнойсистемы

приборэлектродинамическойсистемы

прибордляработывцепяхпостоянногоипеременноготока

приборработаетпригоризонтальномположении

приборработаетпривертикальномположении

приборследует установитьнаугловойпанели

прибор магнитоэлектрической системы снабжен выпрямителем для измеренияпеременноготока

приборимеетзащитуотдействиямагнитныхполей

изоляцияиспытанана2кВ

0.5;1.0;1.5;2.0;2.5–классыточностиприборов.

Классом точности прибора называется относительная погрешность в процентах от максимального значения измеряемой прибором величины. Например, если вольтметр имеет класс точности 2.0 и рассчитан на 500В, то абсолютная

2

погрешность прибора равна 2.0% 500 10 В. Пусть вольтметр показывает 200 В,

Сравнение с классом точности прибора показывает, что относительная погрешность измерения всегда больше, чем класс точности. Для уменьшения погрешности измерения следует выбирать такой предел измерения прибора, при которомотклонениестрелкиприборамаксимально.

Рассмотрим принцип действия приборов магнитоэлектрической системы, которые являются наиболее чувствительными электроизмерительными приборами постоянного тока. В них используется действие постоянного магнитного поля на проводник с током (рис.1). Подвижная часть измерительного механизма состоит из рамки P, на которой помещается обмотка из тонкой медной проволоки. К постоянному неподвижному магниту NS присоединены полюсные наконечники N S . Рамка P надета на неподвижный стальной цилиндр a и может вращаться в зазоре между цилиндром и полюсными наконечниками магнита. Концы обмотки рамки соединяются со спиральными пружинами

E, через которые подводится ток в рамку. Вращающаяся система укреплена на двух полуосях, к ней прикреплена стрелка O. В промежуткемеждумагнитныминаконечникамии цилиндром создается сильное радиально направленное магнитное поле. При прохождении тока рамка под действием магнитного поля испытывает вращающий момент. Величина этого момента зависит от площади рамки S, числа витков N, величины индукции B и тока I: Mвр BSIN . Считая индукцию магнитного поля

в зазоре постоянной, получаем, что вращающий

устройства прибора). Поэтому шкала у прибора равномерная.

Вращение рамки вызывает закручивание пружин, в которых возникает момент упругих сил, пропорциональный углу закручивания: Mпр kпр . При равенстве

этихдвухмоментовстрелкаприбораостанавливается: kврI kпр ,откуда

k

I пр Cпр , (1)

kвр

3

то есть величина тока в приборе пропорциональна углу отклонения стрелки. Постояннаяприбора Cпр определяетценуделенияшкалы.

Особенностиприборовмагнитоэлектрическойсистемы:

1.в зазоре, гдевращается рамка стоком, имеется сильноемагнитноеполе; поэтому наприборыэтойсистемыслабодействуютвнешниемагнитныеполя;

2.малоепотреблениеэнергии;

3.невозможностьиспользованиявцепипеременноготока;

4.высокая чувствительность; лабораторные гальванометры имеют чувствительность порядка 10-6А. Для измерения более сильных токов используются амперметры, которые являются сочетанием выше описанного устройствасшунтом.

Вслучае, когда измеряемая величина силы тока превышает предел измерения амперметра, в электрическую цепь включаютшунт сопротивлениемR, как показано нарис.2.Допустим,необходимоповыситьпределизмеренияприборавn раз,тоесть

IА

где IA –пределизмеренияамперметра, Iизм –силатока,которуютребуетсяизмерить. Поправилампараллельногосоединения:

здесь IR –сила тока, протекающего через шунт, RA –сопротивление амперметра. Решаясистему(3)относительноR иучитывая(2),имеем

Таким образом, для повышения предела измерения амперметра вдвое, нужно параллельнокнемувключитьсопротивление R RA .

Аналогичным образом можно увеличить предел измерения вольтметра. В этом случае добавочное сопротивление R включается последовательно с измерительным прибором (рис.3). Пусть требуется повысить предел измерения вольтметра в n раз, тоесть

4

Включение измерительных приборов (амперметров и вольтметров) в электрические цепи влияет на измеряемые величины. Так, амперметр, обладая собственным сопротивлением, всегда приводит к уменьшению силы тока в цепи. Аналогично, вольтметр требует для работы электрический ток, изменяя тем самым текущийвцепиток,и,следовательно,напряжение.

ОписаниецифровогомультиметратипаМ830.

МультиметрМ830 предназначен для измерения постоянного и переменного напряжения, постоянного тока, сопротивления, проверки диодов и транзисторов и измерения температуры (рис. 4). Мультиметр имеет защиту от перегрузки на всех пределах измерений и индикацией разряда батареи.

ПЕРЕДНЯЯ ПАНЕЛЬ

1.Переключатель функций и диапазонов используется для выбора типа измеряемой величины и нужного предела измерений, для выключения прибора. Для продления срока службы батареи переключатель должен быть в положении “OFF”, когда прибор не используется.

2.Дисплей.

3.Разъем “COM” для черного (отрицательного) провода.

5

6

1.Во избежание электрического шока или повреждения инструмента не следует измерять напряжения, потенциал которых может превышать 500 В относительно потенциала земли.

2.Перед использованием инструмента проверьте провода и щупы на разрыв и нарушение изоляции.

ИЗМЕРЕНИЕ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

1.Подключите красный щуп к разъему “V, Ω, mA”, а черный – к разъему

“COM”.

2.Установите переключатель пределов измерений на требуемый предел “DC V” или на наибольший предел, если измеряемое напряжение заранее неизвестно, затем уменьшайте предел до тех пор, пока не получите необходимую точность измерений.

3.Подсоедините щупы к исследуемой схеме или устройству.

4.Включите питание исследуемой схемы или устройства, на дисплее появятся полярность и величина измеряемого напряжения.

ИЗМЕРЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

1.Подключите красный щуп к разъему “V, Ω, mA”, а черный – к разъему

“СОМ”.

2.Установите переключатель пределов измерений на требуемый предел “AC V” или на наибольший предел, если измеряемое напряжение заранее неизвестно, затем уменьшайте предел до тех пор, пока не получите необходимую точность измерений.

3.Подсоедините щупы к исследуемой схеме или устройству.

4.Считайте показания на дисплее.

___________________________

* данная функция отсутствует в модификации М830В

7

ИЗМЕРЕНИЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА

1.Подключите красный щуп к разъему “V, Ω, mA”, а черный – к разъему “СОМ” (для измерений в диапазоне между 200 мА и 10 А красный щуп подсоединить к “10 А”.

2.Переключатель установить на требуемый предел “DC A” или на наибольший предел, если измеряемая сила тока заранее неизвестна, затем уменьшайте предел до тех пор, пока не получите необходимую точность измерений.

3.Разомкните измеряемую схему и подсоедините щупы прибора последовательно с нагрузкой, в которой измеряется ток.

4.Считайте показания на дисплее.

ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ

1.Подключите красный щуп к разъему “V, Ω, mA”, а черный – к разъему

“СОМ”.

2.Установите переключатель на требуемый предел измерения “Ω” или на наибольший предел, если измеряемое сопротивление заранее неизвестно, затем уменьшайте предел до тех пор, пока не получите необходимую точность измерений.

3.Если измеряемое сопротивление является элементом электрической цепи, то перед измерением следует выключить питание и разрядить все конденсаторы.

4.Подсоедините щупы к исследуемому устройству.

5.Считайте показания на дисплее.

Порядок выполнения работы:

1.Измерьте сопротивление резистора и реостата с помощью мультиметра. Результаты измерений представьте в виде R Rизм R , где Rизм –измеренное мультиметром сопротивление, R–погрешность измерения (по спецификации прибора).

2.Проверьтецелостность полупроводниковогодиода,измерив егосопротивлениев прямомизапорномположении.

3.Проверьте исправность конденсатора. Если конденсатор исправен, то при подключении к нему омметра (диапазон 2000 кОм) на дисплее появятся

8

“бегущие” цифры–конденсатор заряжается, его сопротивление току конечно, а затем на дисплее появится “1” в старшем разряде, то есть сопротивление конденсаторабольше2000кОм.

4. Измерьте напряжение на зажимах гальванического элемента. Результаты

5.Изготовьте шунт для амперметра. Соберите электрическую цепь, схема которой приведена на рис.5. Для увеличения предела измерения амперметра в n раз следует определить его сопротивление и подобрать шунт согласно формуле (4). Проверьтеправильностьподборашунтаэкспериментально(измерьтетоквцепис шунтомибезшунта).

RШ

RД

V

mA

рис. 5 рис. 6

6.Изготовьте добавочное сопротивление для вольтметра. Соберите электрическую цепь, содержащую вольтметр, предел которого следует увеличить, источник постоянного напряжения, добавочное сопротивление (рис.6). Для увеличения предела измерения вольтметра в n раз следует определить его сопротивление и подобрать добавочное сопротивление согласно формуле (7). Проверьте правильность подбора сопротивления экспериментально (измерьте напряжение источникасдобавочнымсопротивлениемибезнего).

Контрольныевопросы:

1.Объяснитеобозначениянапанелиэлектроизмерительныхприборов.

2.Дайте определение класса точности прибора. Сформулируйте правила вычисленияабсолютнойиотносительнойпогрешностейизмерения.

3.Объяснитепринципдействияприборовмагнитоэлектрическойсистемы.

4.Сформулируйте правила включения в цепь шунта и добавочного сопротивления дляповышенияпределовизмеренияприборов.

Списоклитературы:

1.С.Г. Калашников. Электричество. – М.: Физматлит. 2003. С. 146 – 152.

2.Лабораторный практикум по общей физике // под ред. Е.М. Гершензона, Н.Н. Малова. – М.: Просвещение. 1985. С. 76 – 77.

9