Министерство образования и науки Республики Казахстан

Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова

Институт физики, математики и информационных технологий

Кафедра общей и теоретической физики

Физический практикум

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Часть 3

Павлодар

Введение

Физический практикум предназначен для подготовки к лабораторным занятиям студентов инженерно-технических, физико-математических и естественно-научных специальностей вузов по разделу курса «Электричество» общего курса физики. Физический практикум помогает студентам глубже и подробнее ознакомиться с физическими приборами, а также овладеть основными методами точных измерений. Настоящее пособие включает описание 5 лабораторных работ, каждое из которых содержит краткое теоретическое введение, схему лабораторной установки, методику выполнения измерений. После описания всех работ приводится список необходимой литературы.

Использование данного пособия позволяет улучшить организацию лабораторных занятий, улучшить методическое обеспечение, а также образовательный уровень студентов по дисциплине «Физика».

Лабораторная работа №30 Электроизмерительные приборы Введение

Для выполнения каждой лабораторной работы необходимо собрать электрическую цепь, которая, как правило, состоит из источника тока, потребителя или внешней нагрузки R, соединительных проводов и электроизмерительных приборов (рисунок 1).

Рисунок 1

E – источник постоянного тока с внутренним сопротивлением r;

R – внешнее сопротивление;

СА – переключатель;

PA – амперметр;

PV – вольтметр.

При выполнении лабораторных работ следует соблюдать основные правила техники безопасности:

1. не включать рубильники и вилки без предварительной проверки преподавателем или лаборантом

2. не производить переключения цепей или приборов, находящихся под напряжением

3. не прикасаться к неизолированным частям цепи

4. не оставлять без наблюдения электрическую цепь, находящуюся под напряжением

Основные измерительные приборы и их классификация

Все электроизмерительные приборы классифицируются по основным признакам.

По роду измеряемой величины:

1. Амперметры – приборы, служащие для измерения силы тока, включаются в цепь последовательно (рисунок 1). Амперметры должны иметь малое сопротивление, чтобы включение их не изменяло заметно величины тока в цепи.

2. Вольтметры – приборы, служащие для измерения напряжения на участке цепи, присоединяются параллельно этому участку (рисунок 1). Для того, чтобы включение вольтметра в электрическую цепь не вызывало заметных искажений в распределении потенциала в ней, необходимо, чтобы внутреннее сопротивление вольтметра значительно превышало сопротивление участка цепи, к которому вольтметр присоединяется.

3. Гальванометры – чувствительные приборы, служащие для измерения весьма малых токов, напряжений и количества электричества.

4. Омметры, счетчики, ваттметры и другие.

По роду тока: приборы постоянного тока, переменного тока, постоянного и переменного тока.

По принципу действия.

В основе действия электроизмерительного прибора лежит превращение электрической энергии в другие виды, например, механическую, тепловую, магнитную, химическую и т.д. Отсюда и различные системы приборов: магнитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая, индукционная, тепловая, электростатическая и другие. В наших лабораториях, в основном, используются первые три. Рассмотри их подробнее (условные обозначения их даны в таблице 1).

1) Приборы магнитоэлектрической системы основаны на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита с измеряемым током, протекающем по обмотке легкой подвижной катушки (рамки) (рисунок 2). Магнитное поле создается сильным постоянным магнитом подковообразной формы с полюсными наконечниками, обращенными друг к другу вогнутыми цилиндрическими поверхностями. Между ними укреплен железный сердечник С. В небольшом воздушном зазоре между наконечниками может свободно поворачиваться катушка К, которая соединена стрелкой-указателем S. Взаимодействие магнитного поля тока, протекающего по катушке, и магнитного потока в воздушном зазоре создает вращающий момент рамки, под действием которого она стремится повернуться.

Рисунок 2

Противодействующий момент создается пружинами, через которые также подводится ток к рамке. В приборах магнитно-электрической системы вращающий момент М пропорционален силе тока М₁=К₁I, а противодействующий момент – углу закручивания ,. В момент отсчета, отсюда, где– коэффициент пропорциональности, зависящий от конструкции прибора. Видно, что угол отклонения катушки, а, следовательно, и стрелки будет пропорционален силе протекающего по обмотке тока. Это значит, что шкала приборов равномерная. Достоинства приборов магнитоэлектрической системы: высокая чувствительность и точность показаний; малое потребление энергии; 3) равномерность шкалы. Недостатки: возможность работы только в цепи постоянного тока; чувствительность к перегрузкам.

2) Приборы электромагнитной системы.

Принцип работы приборов системы основан на взаимодействии магнитного поля тока, протекающего по обмотке неподвижной катушки К, снабженной узкой щелью, с подвижным железным сердечником С, который намагничиваясь будет втягиваться в эту щель (рисунок 3). На одной оси с сердечником укреплена стрелка S и пружина. При увеличении тока возрастает индукция в щели катушки и увеличивается намагничивание железного сердечника, поэтому вращающий момент М₁ пропорционален квадрату тока . Противодействующий момент, создаваемый пружиной,.

Рисунок 3

Равновесие подвижной части прибора определяется равенством моментов , откуда, т.е. шкала прибора неравномерная, квадратичная. С изменением направления тока меняется как направление магнитного поля, так и полярность намагничивания сердечника. Поэтому приборы электромагнитной системы применяются для измерения в цепях постоянного и переменного токов.

Достоинства приборов этой системы: возможность измерять на постоянном и переменном токе; простота конструкции; механическая прочность; выносливость к перегрузкам. Недостатки: неравномерность шкалы; меньшая точность по сравнению с приборами магнитоэлектрической системы; зависимость показаний от внешних магнитных полей.

3) Приборы электродинамической системы.

Принцип действия приборов электродинамической системы основан на взаимодействии токов, протекающих по катушкам. Одна катушка закреплена неподвижно. Внутри нее может вращаться другая катушка, укрепленная на оси вместе со стрелкой. Измеряемый ток проходит через обе катушки. В результате взаимодействия магнитных полей катушек создается вращающий момент М₁. подвижная катушка будет стремиться повернуться так, чтобы плоскость ее витков стала параллельно плоскости витков неподвижной катушки. Этому противодействует пружина, создающая момент М₂. ;,, т.е. шкала неравномерная. В зависимости от назначения прибора катушки соединяют или параллельно, или последовательно. При параллельном соединении прибор используется как амперметр.

Приборы электродинамической системы применятся в цепях постоянного и переменного токов. Широко используются для измерения потребляемой мощности электродинамические ваттметры.

Достоинства приборов: возможность измерять на постоянном и переменном токе; достаточная точность. Недостатки: неравномерность шкалы; чувствительность к перегрузкам и внешним магнитным полям.

По степеням точности.

ГОСТом установлены следующие классы точности приборов: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

Класс точности прибора показывает, какой процент составляет абсолютная погрешность от предела измерения

(1)

С помощью этого соотношения можно определить абсолютную погрешность прибора

(2)

Она будет одинакова, по всей шкале данного электроизмерительного прибора. Относительная погрешность

(3)

будет тем меньше, чем больше измеряемая величина. Поэтому необходимо выбрать такой предел, на котором бы измеряемая величина находилась во второй половине шкалы.

Многопредельные приборы.

Измерительный прибор, электрическую схему которого можно переключать для изменения пределов измеряемой величины, называется многопредельным. В случае амперметров это достигается включением различных шунтов R_ш, подключаемых параллельно прибору, а в случае вольтметров – включением добавочных сопротивлений R_доб, подключаемых последовательно с прибором. Приведем их простейший расчет.

Рисунок 4

(3)

(4)

, (5)

где .

Рисунок 5

(6)

(7)

(8)

, (9)

где .

В обоих случаях n – число, показывающее во сколько раз изменяется цена деления прибора.

Применение многопредельных приборов позволяет повысить точность измерения, т.к. уменьшение предельного значения измеряемой величины а_пр уменьшает абсолютную и относительную погрешности измерений (1), (2). Необходимо помнить, что на каждом пределе измерения прибора будет своя цена деления С, которая определяется формулой

, (10)

где а_пр – величина данного предела измерения, N – общее число делений шкалы. Цена деления определяет значение электрической величины, вызывающей отклонение на одно деление указателя прибора.

На лицевой части приборов наносятся условные обозначения, указывающие принцип действия прибора, род тока и другие. Основные условные обозначения, принятые в электроизмерительной технике, приведены в таблице 1.

Таблица 1

Условные обозначения	Содержание	Условные обозначения	Содержание
	Прибор магнитоэлектрической системы	,	Прибор работает в вертикальном положении
	Прибор электромагнитной системы	,	Прибор работает в горизонтальном положении
	Прибор электродинамической системы		Изоляция прибора испытана на напряжении 2 кВ
	Прибор постоянного тока	1,5;	Класс точности прибора 1,5%
	Прибор постоянного тока		Прибор постоянного и переменного тока