ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тюменский государственный нефтегазовый университет»

В.Ф. НоВиков, б.В. Федоров, д.Ф. Нерадовский

ВВОДНОЕ ЗАНЯТИЕ

к лабораторным работам по курсу общей физики

(раздел "Электричество и магнетизм") для

студентов всех специальностей

Учебное пособие

Тюмень, 2008 г.

УДК 530.075.80

Вводное занятие к лабораторным работам по курсу общей физики (раздел «Электричество и магнетизм) для студентов всех специальностей/ Новиков В.Ф., Федоров Б.В., Нерадовский Д. Ф. :, - Тюмень: ТюмГНГУ, 2008. -

Учебное пособие предназначено для студентов работающих в лаборатории «Электричество и магнетизм»

ISBN 5-88465-207-0 Тюменский государственный

нефтегазовый университет, 2008

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ

Выполнение лабораторных работ по электричеству и магнетизму связано со сборкой электрических цепей по заданным схемам.

Электрическая цепь состоит из источника тока, измерительных и вспомогательных приборов, соединительных проводов и потребителей энергии.

Источниками тока являются гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы, солнечные батареи и др.

В лаборатории электричества и магнетизма используются источники:

1. переменного тока – напряжение 220 В

2. постоянного тока – напряжение 12 В.

3. химические источники тока (ХИТ): гальванические элементы и аккумуляторы - устройства, в которых химическая энергия активных веществ (окислителя и восстановителя) непосредственно превращается в электрическую энергию.

Потребитель энергии – устройство, превращающее электрическую энергию в другие виды (тепловую, механическую, световую и т.д.) - нагреватели, электродвигатели, реле и др.

Измерительными приборами являются амперметры, вольтметры, ваттметры, омметры и т.д.

К вспомогательным приборам относятся различного рода переключатели, устройства регулирующие режим работы цепи (реостат, потенциометр, автотрансформатор и т.д.).

Измерительным прибором называют средство измерения, в котором информация об измеряемом параметре передается в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем, например, в виде положения стрелки или цифрового отсчета на отсчетном устройстве.

Аналоговым измерительным прибором называют прибор, показания которого являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины. Например, электроизмерительный прибор с отсчетным устройством в виде стрелки и шкалы – аналоговый прибор.

Цифровым измерительным прибором называют прибор, автоматически вырабатывающий дискретный сигнал измерительной информации и дающий показания в цифровой форме.

Электроизмерительные аналоговые приборы разделяют на электромеханические и электронные.

В электромеханических приборах энергия электромагнитного поля преобразуется в механическую при перемещении подвижной части прибора.

В электронных аналоговых приборов используют электронные узлы для преобразования сигнала измерительной информации и электромеханический измерительный механизм.

По роду измеряемой величины электроизмерительные приборы делят на: амперметры – для измерения тока, вольтметры - для измерения напряжений, омметры - для измерения сопротивления т.д.

В последние года получили применение измерительно-вычислительные комплексы (ИВК), которые представляют собой автоматизированные средства измерений и обработки измерительной информации. К комплекс входит программируемая ЭВМ, которая используется не только для обработки результатов измерения, но и для управления самим процессом измерения, а также для управления воздействием (если это необходимо) на объект исследования.

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Магнитоэлектрические приборы применяют для измерения постоянных токов и напряжений (амперметры и вольтметры), сопротивлений (омметры), количества электричества (баллистические гальванометры и кулонметры), для индикации малых токов и напряжений (гальванометры), для регистрации электрических величин (самопишущие приборы и осциллографические гальванометры). В магнитоэлектрическом приборе вращающий момент в измерительном механизме возникает в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля рамки с током. Схема устройства прибора с подвижной катушкой приведена на рис.1.

Измерительный механизм этих приборов состоит из П-образного магнитопровода (5), создающего сильное магнитное поле, и подвижной плоской катушки (1), способной вращаться вокруг оси (4), находящейся между полюсными наконечниками магнита (6) и железного цилиндра (7). Катушка (1) состоит из алюминиевого каркаса прямоугольной формы с намотанной на него тонкой проволокой. Стрелка прибора (8) и катушка крепятся на оси прибора. Она может двигаться в пространстве между железным цилиндром (7) и полюсными наконечниками магнита (6). Ток, поступает в катушку через две спиральные пружины (3). При прохождении тока через катушку, в ней возникает вращающий момент М₁, который уравновешивается моментом сил упругости М₂ закручивающихся спиральных пружин при повороте на угол , то есть М₂ = k₂ , где k₂ – постоянная закручивания пружин.

При достижении равенства моментов М₁ и М₂ стрелка прибора устанавливается на некотором делении шкалы. Тогда можно записать равенство k₁∙I = k₂∙ или . Из этого уравнения следует, что сила тока, проходящего через прибор, пропорциональна углу поворота стрелки, связанной с катушкой, поэтому шкала этих приборов равномерная. Для этих приборов характерна высокая чувствительность.

Электромагнитные приборы (рис.2) состоят из электромагнитного измерительного механизма с отсчетным устройством и измерительной цепи. Они применяются для измерения переменных и постоянных токов, напряжения, частоты и фазового сдвига между переменным током и напряжением.

Измеряемый ток пропускается по виткам катушки (I), при этом в отверстие катушки втягивается железный сердечник 2 На одной оси с сердечником укреплена стрелка с противовесом 3 и поршень воздушного успокоителя. Воздушный успокоитель представляет собой камеру, в которой перемещается алюминиевый поршень (демпфер). При повороте сердечника на поршень действует сопротивление воздуха, вследствие чего колебания подвижной части быстро затухают. Когда по обмотке катушки пропускается ток, возникает вращающий момент сердечника в результате взаимодействия подвижного ферромагнитного сердечника и магнитного поля катушки. по обмотке которой протекает ток. В результате происходит отклонение стрелки. Вращающий момент уравновешивается моментом силы упругости пружины. Магнитное поле катушки пропорционально току. Намагничивание железного сердечника тоже возрастает с увеличением тока. Поэтому можно приближенно считать, что в электромагнитном приборе вращающий момент М₁ пропорционален квадрату тока М₁=k₁I², где k₁ – коэффициент пропорциональности, зависящий от конструкции прибора.

Противодействующий момент М₂, создаваемый пружиной пропорционален углу поворота α подвижной части прибора: М₂=k₂∙, где k₂ - коэффициент пропорциональности, зависящий от упругих свойств пружины. Равновесие подвижной части прибора определяется равенством моментов, действующих на нее в противоположных направлениях, т.е. М₁=М₂ и .Отсюда следует, что шкала электромагнитного приборанеравномерная. Так как при прохождении переменного того через катушку сердечник успевает перемагничиваться, то приборы этой системы одинаково пригодны для изучения переменного и постоянного тока.

Существуют приборы электродинамического типа, основанные на взаимодействии магнитных полей неподвижной и подвижной катушек с токами. В электростатических приборах взаимодействуют две системы заряженных проводников, одна из которых является подвижной. В основе индукционных приборов лежит взаимодействие магнитных потоков электромагнитов и вихревых токов, индуктированных магнитными потоками в подвижкой части, выполненной в виде алюминиевого диска. Тепловые приборы, основанны на изменении длины проводника, по которому протекает измеряемый ток.

1. В магнитоэлектрических амперметрах измерительный механизм включается в цепь измеряемого тока либо непосредственно, либо через шунт. Непосредственное включение применяется при измерении малых токов (до 30 мА), допустимых для токопроводов и обмотки подвижной катушки механизма. Шунты применяются при измерении больших токов. В многопредельных амперметрах для изменения пределов применяют переключатели диапазонов измерений и многопредельные шунты.

Подключение амперметра и его шунтирование. Для измерения силы тока I в цепь последовательно включается амперметр. Для расширения его диапазона измерения параллельно амперметру подключается шунт (резистор).

I = I_А + I_Ш U_А = U_Ш

I_А R_А = I_Ш R_Ш

В многопредельных вольтметрах используют несколько резисторов. Поэтому многопредельные вольтметры снабжены переключателями диапазонов или несколькими входными зажимами. Выпускаются переносными и щитовыми.

Подключение вольтметра и дополнительное сопротивление к нему. Для измерения напряжения на участке цепи параллельно этому участку включается вольтметр. Для расширения его диапазона измерений последовательно включается дополнительное сопротивление.

U = U_V + U_д I_V = I_{д .}

2. На основе магнитоэлектрического измерительного механизма изготавливают магнитоэлектрические омметры.

3. Гальванометром называют прибор, предназначенный для измерения малых токов (10^-7 – 10^-8 А), напряжений (10^-6 – 10^-8 В) и количества электричества. Высокая чувствительность гальванометров достигается, главным образом, путем уменьшения противодействующего момента и использования светового указателя с большой длиной светового луча. Гальванометры широко применяют в качестве нуль – индикаторов.

ЭЛЕКТРОННЫЕ АНАЛОГОВЫЕ ПРИБОРЫ

В электронных аналоговых приборах преобразование сигналов осуществляется с помощью электронных устройств. Выходной сигнал таких прибором является непрерывной функцией измеряемой величины. Электронные приборы применяют при измерении напряжения, тока, частоты, мощности, сопротивления и т.д. Применение электронных усилителей позволяет расширить функциональные возможности средств измерений и обеспечить высокий уровень их характеристик. Это, в первую очередь, относится к высокой чувствительности приборов, широкому диапазону измерений, малой потребляемой мощности от измеряемой цепи и т.д.

В настоящее время широкое признание получили такие приборы, как электронно-лучевые осциллографы, электронные вольтметры, омметры, анализаторы спектра и другие. Рассмотрим кратко некоторые из них.

1. Электронные вольтметры.

В электронных вольтметрах напряжение преобразуется с помощью электронных устройств в постоянный ток, который подается на магнитоэлектрический измерительный механизм со шкалой, градуированной в единицах напряжения. Электронные вольтметры обладают высокой чувствительностью, широким диапазоном измеряемых напряжений (от десятков нановольт на постоянном токе до десятков киловольт) и большим входным сопротивлением (более 1 МОм), измеряют сигналы до частот порядка сотен мегагерц.

Упрощенная структурная схема вольтметров постоянного тока показана на рис.З.

где ВД - входной делитель напряжения, УПТ - усилитель переменного или постоянного тока, ИМ - магнитоэлектрический прибор.

Последовательное соединение делителя напряжения и усилителя является характерной особенностью всех электронных вольтметров. Такая структура позволяет делать вольтметры высокочувствительными и многопредельными.

Селективные вольтметры предназначены для измерения действующего значения отдельных гармонических составляющих измеряемого сигнала.

Принцип действия селективного вольтметра заключается в выделении отдельных гармонических составляющих сигнала или сигнала узкой полосы частот с помощью перестраиваемого полосового фильтра и измерений действующего значения выделенных сигналов.

2. Приборы для измерения частоты и фазы.

В электронных аналоговых частотомерах применяются два способа измерения частоты. Первый, используемый в области звуковых частот, основан на формировании импульсов, имеющих постоянную площадь, ограниченную кривой импульса тока и осью времени на диаграмме. Частота этих импульсов должна быть равна частоте измеряемого сигнала. В основе второго, резонансного, способа измерения лежит сравнение частоты колебаний исследуемого источника с собственной частотой колебаний резонансного контура. Измерительные преобразователи фазы в напряжение построены по принципу формирования прямоугольных импульсов, длительность которых пропорциональна измеряемой фазе.

3. Приборы для измерения мощности и энергии.

Электронные приборы для измерения мощности - электронные ваттметры построены на основе измерительного преобразователя мощности в напряжение, на выходе которого устанавливается измерительный механизм со шкалой, градуированной в единицах мощности. Выпускаются измерительные преобразователи активной, реактивной и полной мощности переменного тока, которые предназначены для работы как в однофазных, так и трехфазных цепях.

4. Электронно-лучевые осциллографы.

Электронно-лучевые осциллографы предназначены для визуального наблюдения, измерения и регистрации электрических сигналов. Возможность наблюдения изменяющихся во времени сигналов делает осциллограф очень удобным при определении различных амплитудных и временных параметров наблюдаемых сигналов. Важными достоинствам, осциллографа являются широкий частотный диапазон, высокая чувствительность и большое входное сопротивление. По количеству одновременно исследуемых сигналов осциллографы могут быть одноканальными и многоканальными (в основном двухканальными). В основе работы любых электронные осциллографов лежит преобразование исследуемых сигналов в видимое изображение, получаемое на экране электроннолучевой трубке.

ЦИФРОВЫЕ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ (ЦЭП)

В цифровых приборах осуществляется автоматическое преобразование непрерывной измеряемой величины в дискретную с последующей индикацией результата измерений на цифровом отсчетном устройстве. Функциональная схема цифрового прибора приведена на рис. 4. Аналоговая величина U_X с

#

начала преобразуется входным преобразователем (ВАП), например, усиление или ослабление, затем при помощи аналого-цифрового преобразователя (АЦП) производится ее дискретизация и кодирование; наконец, цифровое измерительное устройство (ЦИУ) превращает кодированную информацию измеряемой величины в цифровой отсчет.

Основой таких приборов служит аналого-цифровой преобразователь, который осуществляет дискретизацию, квантование и кодирование информации. Дискретизация есть процесс получения отсчетов измеряемой величины в определенные дискретные моменты времени. Процесс квантования заключается в замене непрерывных значений величины X(t) конечным набором её дискретных значений величины X_n. Каждое из этих значений совпадает с одним из установленных уровней квантования, отстоящих друг от друга на интервал (шаг) квантования.

Кодированием называется процесс представления численного значения величины, определенной последовательностью цифр или сигналов, т.е. кодом. Для преобразования цифрового кода в напряжение, воздействующее на цифровое измерительное устройство и формирующее показания цифрового измерительного прибора, используется устройство, называемое дешифратором.

ЦЭПы подразделяются по числу разрядов числа, которые они определяют измеряемую величину. Наиболее часто используются амперметры и вольтметры с четырьмя или пятью разрядами. Погрешность измерения характеризуется указанным в паспорте прибора числом единиц последнего разряда. При четырех разрядном отсчете и допустимой погрешности, равной единице последнего разряда, относительная приведенная погрешность составляет 0,1%. ЦЭПы многопредельны.

Такие приборы находят применения для измерения практически всех электрических величин (напряжения, тока, сопротивления, ёмкости, индуктивности и т.д.), а также неэлектрических величин (давления, температуры, скорости и др.), предварительно преобразованных в электрические.

Рассмотрим принципиальную схему формирования цифрового сигнала.

Пусть на входе в АЦП задан непрерывный (аналоговый) сигнал (график 1 на рисунке).

Предположим также, что сигнал не изменяется в течение какого-то времени.

ВЦЭП входной сигнал сравнивается с периодически формирующимся эталонным ступенчато-возрастающим сигналом в форме пилы (кривая 2 на рисунке). Равенство достигается при тем большем числе ступенек, чем больше величина самого аналогового сигнала.

Как только величина входного аналогового сигнала сравняется с величиной подаваемого импульса (рис.1.), счётчик запомнит полное число прошедших импульсов N до момента совпадения, в двоичной форме, а затем преобразует его в сигнал измеряемой величины, представленный на дисплее прибора. Полученное число и будет являться цифровым образом данного постоянного аналогового сигнала. Внешний вид цифрового прибора показан на рис. 6.